Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem, insbesondere ein SOFC-System für den mobilen Einsatz. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems sowie ein Kraftfahrzeug mit einem sol- chen Brennstoffzellensystem.

Gattungsgemäße Brennstoffzellensysteme weisen einen Brennstoffzellenstapel mit einem Anodenabschnitt und einem Kathodenabschnitt zur elektrischen Stromerzeu- gung auf. Bei gattungsgemäßen Brennstoffzellensystemen ist eine Anodenabgas- rückführung zur Wiederverwendung von Anodenabgas im Anodenabschnitt bekannt. Flierzu wird in einem Rückführkreislauf des Brennstoffzellensystems ein Rückführge- bläse angeordnet, mittels welchem Anodenabgas von einem Anodenausgang zurück in Richtung eines Anodeneingangs des Anodenabschnitts gefördert werden kann.

Aus der internationalen Patentanmeldung WO 2017/037197 A1 ist ein Brennstoffzel- lensystem mit einer Anodenabgasrückführung bekannt. Gemäß dem dort gezeigten Brennstoffzellensystem wird Anodenabgas aus dem Anodenausgang über ein Rück- führgebläse oder eine Pumpe zurück in Richtung des Anodeneingangs des Anoden- abschnitts gefördert. Anodenabgas hat bei derartigen Brennstoffzellensystemen eine Temperatur von ca. 500°C. Das stromabwärts des Anodenabschnitts angeordnete Rückführgebläse oder eine entsprechende Pumpe müssen deshalb hochwertige, entsprechend hitzebeständige Komponenten aufweisen. Die verwendeten Rückführ- gebläse oder Pumpen sind deshalb relativ teuer.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, der voranstehend beschriebenen Prob- lematik zumindest teilweise Rechnung zu tragen. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Brennstoffzellensystem sowie ein Verfahren zum Betrei- ben desselben zu schaffen, wobei ein Rückführgebläse mit einem möglichst geringen Wärmeschutz und deshalb entsprechend kostengünstig verwendet werden kann.

Die voranstehende Aufgabe wird durch die Patentansprüche gelöst. Insbesondere wird die voranstehende Aufgabe durch das Brennstoffzellensystem gemäß Anspruch 1 , das Verfahren gemäß Anspruch 6 sowie das Kraftfahrzeug gemäß Anspruch 9 ge- löst. Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Be- schreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zu- sammenhang mit dem Brennstoffzellensystem beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren, dem erfindungs- gemäßen Kraftfahrzeug und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.

Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Brennstoffzellen- system bereitgestellt, aufweisend zumindest einen Brennstoffzellenstapel mit einem Anodenabschnitt und einem Kathodenabschnitt, einen Anodenzuführabschnitt zum Zuführen von reformiertem Anodenzuführgas von einem Reformer zu dem Anoden- abschnitt, den Reformer zum Reformieren von Reformerzuführgas, einen Reformer- zuführabschnitt zum Zuführen des Reformerzuführgases zu dem Reformer, und ei- nen Anodenrückführabschnitt zum Rückführen von Anodenabgas zur Wiederver- wendung im Anodenabschnitt. Das Brennstoffzellensystem weist ferner einen Wär- metauscher mit einem ersten Fluidleitabschnitt zum Leiten des Anodenabgases und einem zweiten Fluidleitabschnitt zum Leiten des Reformerzuführgases auf, wobei der erste Fluidleitabschnitt und der zweite Fluidleitabschnitt innerhalb des Wärmetau- schers zumindest abschnittsweise für eine Wärmeübertragung zwischen dem Ano- denabgas und dem Reformerzuführgas miteinander in wärmeübertragender Verbin- dung stehen. Das Brennstoffzellensystem weist ferner einen Gebläseabschnitt stromabwärts des ersten Fluidleitabschnitts und stromaufwärts des zweiten Fluidleit- abschnitts mit einem darin angeordneten Rückführgebläse zum Führen des Ano- denabgases von dem ersten Fluidleitabschnitt über den Gebläseabschnitt zum zwei- ten Fluidleitabschnitt auf. Außerdem weist das Brennstoffzellensystem einen Kühlflu- idleitabschnitt zum Zuführen eines Kühlfluids in den Gebläseabschnitt stromaufwärts des Rückführgebläses zum Kühlen des Anodenabgases im Gebläseabschnitt strom- aufwärts des Rückführgebläses auf. Darüber hinaus ist stromaufwärts des Wärme- tauschers eine Brennstoffquelle angeordnet, wobei in den Wärmetauscher ein Ver- dampfer zum Verdampfen von Brennstoff von der Brennstoffquelle integriert ist.

Das Brennstoffzellensystem kann einen, zwei, drei oder mehr Brennstoffzellenstapel umfassen, welche beliebig zueinander und zu anderen Elementen des Brennstoffzel- lensystems angeordnet sein können. Unter Brennstoffzellenstapel sind im Rahmen der Erfindung Stacks zu verstehen.

Durch den Kühlfluidleitabschnitt kann dem Anodenabgas im Gebläseabschnitt stromaufwärts des Rückführgebläses Kühlfluid beigemengt werden. Dadurch kann das Anodenabgas stromaufwärts des Rückführgebläses gekühlt werden. Nachdem das abgekühlte Anodenabgas bzw. das entsprechend temperierte Anodenabgas- Kühlfluid-GemischKühlfluid-Gemisch über das Rückführgebläse weiter durch den zweiten Fluidleitabschnitt gefördert wurde, kann durch den Wärmetauscher das Ano- denabgas ergänzend bereits im ersten Fluidleitabschnitt gekühlt werden. Der erste Fluidleitabschnitt entspricht demnach einer heißen Seite des Wärmetauschers und der zweite Fluidleitabschnitt einer kalten Seite des Wärmetauschers. Durch dieses zweistufige Kühlverfahren ist es möglich, die Temperatur des Anodenabgases am Rückführgebläse von bisher ca. 500°C auf bis zu 300°C zu reduzieren. Im vorge- schlagenen Brennstoffzellensystem kann deshalb ein Rückführgebläse mit entspre- chend günstigeren Komponenten hinsichtlich des erforderlichen Flitzeschutzes ver- wendet werden.

Ein weiterer Vorteil des vorliegenden Brennstoffzellensystems wird dadurch erreicht, dass das Anodenabgas bereits im ersten Fluidleitabschnitt gekühlt wird. Dadurch kann die Gefahr einer Selbstentzündung reduziert werden, die beim Zusammentref- fen von heißem Anodenabgas mit dem Kühlfluid, das beispielsweise in Form von Umgebungsluft bereitgestellt wird, auftreten könnte.

Für die Verdampfung des Brennstoffs von der Brennstoffquelle im Verdampfer wird Energie benötigt. D.h., für die Verdampfung des Brennstoffs muss dem Verdampfer Wärmeenergie zugeführt werden. Diese erforderliche Wärmeenergie wird vorliegend zumindest teilweise der Umgebung des Verdampfers, insbesondere dem Wärmetau- scher, entzogen. Mit anderen Worten wird dem Anodenabgas überschüssige Wär- meenergie entzogen und dem im Wärmetauscher integrierten Verdampfer zum Ver- dampfen des Brennstoffs zugeführt. Im Rahmen dieses Vorgangs werden das Ano- denabgas gekühlt und der Verdampfer bzw. der Brennstoff im Verdampfer erhitzt. Folglich kann durch die endotherme Reaktion beim Verdampfen des Brennstoffs die Enthalpie zum Fleizen des Brennstoffs genutzt werden, um die Auslasstemperatur des Fluidgemisches aus dem zweiten Fluidleitabschnitt zu reduzieren. Entsprechend kann, wie vorstehend erwähnt, mittels der Enthalpie das Anodenabgas gekühlt wer- den, das durch den ersten Fluidleitabschnitt des Wärmetauschers geführt wird.

Dadurch können eine weitere Vorkühlung des Anodenabgases und mithin eine noch niedrigere Temperatur des Anodenabgases am Rückführgebläse erzielt werden. Folglich kann ein noch kostengünstigeres Rückführgebläse mit einem entsprechend niedrigen Flitzeschutz verwendet werden. Durch die erfindungsgemäße Systemanordnung können auf effiziente Weise der Brennstoff erhitzt bzw. verdampft und das Anodenabgas gekühlt werden. Diese Effi- zienz resultiert in der Möglichkeit einer besonders kompakten Bauweise dieser Bau- teilgruppe.

Es scheint, dass sich die Temperatur des Anodenabgases mit dem erfindungsgemä- ßen Aufbau am Eingang des Rückführgebläses auf bis zu 150°C reduzieren lässt. Damit konnten am Fluidausgang des Rückführgebläses derart niedrige Temperatu- ren erreicht werden, dass das Anodenabgas-Kühlfluid-Gemisch in diesem Bereich gerade nicht mehr kondensiert. Auch dies führt zu einem verbesserten Betrieb des Brennstoffzellensystems.

Ein weiterer Vorteil ergibt sich bei dem erfindungsgemäßen Systemaufbau dadurch, dass während des Betriebs des Brennstoffzellensystems kein Brennstoff durch das Rückführgebläse gefördert werden muss. Würde Brennstoff durch das Rückführge- bläse gefördert werden, befände sich ein Sauerstoff-zu-Kohlenstoff-Verhältnis (O/C- Verhältnis) stromaufwärts des Rückführgebläses nicht im gewünschten Verhältnis. Dies könnte zu einer Kohlenstoffablagerung im Anodenzuführabschnitt führen. Vor- liegend findet die Verdampfung im Wärmetauscher stromabwärts des Rückführge- bläses statt. Dort befindet sich bereits die gewünschte Menge an Luft bzw. Sauer- stoff, sodass auch das gewünschte O/C-Verhältnis vorliegt.

Der Verdampfer ist zum Beimengen des darin verdampften Brennstoffs zum Ano- denabgas-Kühlfluid-Gemisch konfiguriert. Diese Fluidkomponenten weist auch das Reformerzuführgas auf, also Anodenabgas, Kühlfluid, insbesondere in Form von Umgebungsluft, und verdampften Brennstoff.

Darunter, dass der Verdampfer in den Wärmetauscher integriert ist kann verstanden werden, dass der Wärmetauscher integral oder als eine Bauteileinheit mit dem Ver- dampfer ausgestaltet ist. Der Verdampfer muss dabei nicht als internes bzw. vom Wärmetauscher vollständig umschlossenes Bauteil des Wärmetauschers ausgestal- tet sein. Die Brennstoffquelle ist vorzugsweise in Form eines separaten Brenn- stofftanks ausgestaltet. D.h., die Brennstoffquelle ist bevorzugt nicht als Teil einer Brennstoffrezirkulationsleitung sondern als separate Brennstoffquelle bereitgestellt. Der Brennstofftank ist insbesondere als Brennstofftank für reinen oder überwiegend reinen kohlenwasserstoffhaltigen Flüssigbrennstoff ausgestaltet. Zwischen der Brennstoffquelle und dem Verdampfer bzw. stromaufwärts des Verdampfers und stromabwärts der Brennstoffquelle ist vorzugsweise eine Pumpe oder eine Dosierein- richtung zum Zuführen des Brennstoffs zum Verdampfer angeordnet.

Wie vorstehend erwähnt, kann als Kühlfluid Umgebungsluft oder ein anderes kühles, sauerstoffhaltiges Fluid verwendet werden. Der Kühlfluidleitabschnitt kann mithin als Luftleitabschnitt zum Zuführen von Luft, insbesondere Umgebungsluft, oder einem anderen sauerstoffhaltigen Gas in den Gebläseabschnitt stromaufwärts des Rück- führgebläses verstanden werden.

Der erste Fluidleitabschnitt und der zweite Fluidleitabschnitt sind für die Wärmeüber- tragung mit Bezug auf eine Strömungsrichtung durch die Fluidleitabschnitte parallel oder im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet. Dadurch können der Wär- metransport vom heißen Anodenabgas im ersten Fluidleitabschnitt in Richtung des kälteren Anodenabgas-Kühlfluid-Gemisches und anders herum auf möglichst langer Strecke im Wärmetauscher durchgeführt und eine entsprechend wirkungsvolle Kühl- wirkung für das Anodenabgas im ersten Fluidleitabschnitt erzielt werden.

Der zweite Fluidleitabschnitt ist vorzugsweise direkt stromabwärts des Rückführge- bläses und direkt stromaufwärts des Reformers angeordnet. Unter dem Rückführge- bläse ist eine Gasrezirkulationseinheit zum Rückführen bzw. zur Unterstützung der Rückführung des Anodenabgases zur Wiederverwendung im Anodenabschnitt zu verstehen. Entsprechend kann das Rückführgebläse auch als Rückführpumpe aus- gestaltet sein. Der Gebläseabschnitt kann in diesem Fall auch als Pumpabschnitt verstanden werden.

Für die Wärmeübertragung zwischen dem Anodenabgas und dem Reformerzuführ- gas stehen der erste Fluidleitabschnitt und der zweite Fluidleitabschnitt innerhalb des Wärmetauschers zumindest abschnittsweise direkt oder indirekt miteinander in wär- meübertragender Verbindung. Eine direkte wärmeübertragende Verbindung kann dadurch realisiert sein, dass eine erste Leitungsabschnittswandung des ersten Fluid- leitabschnitts direkt an einer zweiten Leitungsabschnittswandung des zweiten Fluid- leitabschnitts anliegt. Bei einer indirekten wärmeübertragenden Verbindung können zwischen den Leitungsabschnittswandungen noch ein Luftspalt und/oder ein fester, wärmeleitender Materialabschnitt ausgestaltet sein.

Zum Zuführen des Kühlfluids in den Gebläseabschnitt stromaufwärts des Rückführ- gebläses ist vorzugsweise ein Zusammenführabschnitt stromaufwärts des Rückführ- gebläses für ein einfaches Zusammenführen des Anodenabgases mit dem Kühlfluid angeordnet.

Der zweite Fluidleitabschnitt ist zum wenigstens teilweisen Leiten des Reformerzu- führgases ausgestaltet. Das Reformerzuführgas wird insbesondere in einem hinteren Abschnitt des zweiten Fluidleitabschnitts geleitet, wobei sich der hintere Abschnitt des zweiten Fluidleitabschnitts stromabwärts eines vorderen Abschnitts des zweiten Fluidleitabschnitts befindet. Der vordere Abschnitt des zweiten Fluidleitabschnitts ist insbesondere zum Leiten des Anodenabgas-Kühlfluid-Gemisches ausgestaltet.

Der Wärmetauscher ist vorzugsweise als ein plattenförmiger Wärmetauscher ausge- staltet. Diese Bauform hat sich als eine besonders platzsparende und gut in das vor- liegende System integrierbare Variante eines Wärmetauschers herausgestellt.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es möglich, dass bei einem Brennstoffzellensystem stromaufwärts des Kühlfluidleitabschnitts ein Kathodengasgebläse zum Zuführen des Kühlfluids in Form von Kathodenzuführgas in den Kühlfluidleitabschnitt, angeordnet ist. Unter dem Kathodenzuführgas ist vor- zugsweise Luft, insbesondere Umgebungsluft oder ein anderes sauerstoffhaltiges Fluid, zu verstehen, welche bzw. welches durch das Kathodengasgebläse während des Betriebs des Brennstoffzellensystems in Richtung des Kathodenabschnitts ge- fördert wird. Demnach kann das Kathodengasgebläse mit einer Doppelfunktion be- trieben werden. Einerseits fördert es das Kathodenzuführgas in Richtung des Katho- denabschnitts des Brennstoffzellenstapels, andererseits fördert es das Kühlfluid, ins- besondere Umgebungsluft, in Form des Kathodenzuführgases in den Kühlfluidleitab- schnitt zum Kühlen des Anodenabgases. Für das Brennstoffzellensystem kann damit ein besonders platzsparender Systemaufbau umgesetzt werden.

Darüber hinaus ist es bei einem Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden Er- findung möglich, dass der zweite Fluidleitabschnitt einen ersten Fluideingang zum Einbringen des rückgeführten Anodenabgases und/oder des Kühlfluids in den zwei- ten Fluidleitabschnitt, einen zweiten Fluideingang zum Einbringen von verdampftem Brennstoff in den zweiten Fluidleitabschnitt, und einen Fluidausgang zum Ausgeben eines Fluidgemisches in Form des Reformerzuführgases aus dem rückgeführten Anodenabgas, dem Kühlfluid und/oder dem verdampften Brennstoff, aufweist, wobei innerhalb des zweiten Fluidleitabschnitts eine poröse Trennschicht ausgestaltet ist, durch welche verdampfter Brennstoff zum Vermengen mit dem rückgeführten Ano- denabgas und/oder dem Kühlfluid strömbar ist. Dadurch kann sich der verdampfte Brennstoff durch einfache strukturelle Maßnahmen innerhalb des zweiten Fluidleitab- schnitts während des Betriebs des Brennstoffzellensystems besonders gleichmäßig mit dem Anodenabgas-Kühlfluid-Gemisch vermengen.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltungsvariante der vorliegenden Erfindung ist es möglich, dass der erste Fluidleitabschnitt und der zweite Fluidleitabschnitt innerhalb des Wärmetauschers zum zueinander gegenläufigen Führen des Anodenabgases und des Reformerzuführgases zumindest abschnittsweise zueinander gegenläufig ausgestaltet sind. Durch die gegenläufige Anordnung kann das Fluidleitungssystem besonders platzsparend im Brennstoffzellensystem bereitgestellt werden. Außerdem können durch die gegenläufige Anordnung fluiddynamische Vorteile erzielt werden. Der erste Fluidleitabschnitt und der zweite Fluidleitabschnitt sind derart gegenläufig angeordnet, dass das Anodenabgas im ersten Fluidleitabschnitt und das Anodenab- gas-Kühlfluid-Gemisch und/oder das Reformerzuführgas bzw. Reformerzuführfluid im zweiten Fluidleitabschnitt im Betrieb des Brennstoffzellensystems in entgegengesetz- te oder zumindest schräg zueinander verlaufende Richtungen innerhalb des Wärme- tauschers strömen.

Zudem ist es von Vorteil, wenn bei einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensys- tem im Anodenrückführabschnitt ein Gabelabschnitt zum Abzweigen eines Teils des Anodenabgases in Richtung des ersten Fluidleitabschnitts und eines anderen Teils des Anodenabgases in Richtung eines Nachbrenners des Brennstoffzellensystems angeordnet ist. Unter Verwendung des Gabelabschnitts kann das Anodenabgas auf einfache Weise sowohl für die in Rede stehende Rückführung zur Wiederverwen- dung im Anodenabschnitt, als auch für eine Verbrennung im Nachbrenner und damit für eine Temperierung des Brennstoffzellensystems bzw. ausgewählter Komponen- ten desselben genutzt werden. Unter dem Gabelabschnitt kann ein geeignetes 3- Wege-Ventil verstanden werden. Alternativ kann vorteilhaft auch ein T-Stück vorge- sehen sein, durch welches sich das Anodenabgas entsprechend einem durch das Anodenrezirkulationsgebläse verursachten Unterdrück aufteilt. Durch die Anordnung des Gabelabschnitts stromaufwärts des ersten Fluidleitabschnitts wird nur der Teil des Anodenabgases am Wärmetauscher gekühlt. Der Teil, der in Richtung des Nachbrenners geleitet wird, bleibt auf dem ursprünglichen hohen Temperaturniveau. Dadurch wird ein besonders vorteilhaftes Temperaturmanagement erzielt. Während des Betriebs des Brennstoffzellensystems können durch den Gabelabschnitt ca. 35% des Anodenabgases in Richtung des ersten Fluidleitabschnitts und ca. 65% des Anodenabgases in Richtung des Nachbrenners geleitet werden. Eine Aufteilung ist jedoch grundsätzlich vom verwendetem Brennstoff und/oder einem Betriebspunkt abhängig, weshalb diese auch anders sein kann, beispielsweise auch 50 % zu 50 % oder 70 % zu 30 % oder 40 % zu 60 % oder beliebig festlegbar anders. Der Gabel- abschnitt ist vorzugsweise direkt stromabwärts des Anodenabschnitts und direkt stromaufwärts des ersten Fluidleitabschnitts des Wärmetauschers angeordnet.

Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Betreiben eines wie vorstehend beschriebenen Brennstoffzellensystems bereitge- stellt, wobei mittels des Rückführgebläses bzw. einer entsprechenden Pumpe gleich- zeitig das Anodenabgas durch den ersten Fluidleitabschnitt gesaugt und anschließen über das Rückführgebläse durch den zweiten Fluidleitabschnitt, und das Kühlfluid über das Rückführgebläse durch den zweiten Fluidleitabschnitt, in Richtung des Re- formers gefördert werden. Damit bringt ein erfindungsgemäßes Verfahren die glei- chen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem beschrieben worden sind. Insbesondere können im Rahmen des Verfahrens die vorstehend beschriebenen erweiterten Kühlfunktionen zum Küh- len des Leitungsabschnitts stromaufwärts des Rückführgebläses genutzt werden. Bei dem vorliegenden Verfahren wird durch den im Wärmetauscher integrierten Ver- dampfer Brennstoff verdampft, während mittels des Rückführgebläses Anodenabgas durch den zweiten Fluidleitabschnitt in Richtung des Reformers gefördert wird.

Bei einer weiteren Ausgestaltungsvariante der vorliegenden Erfindung kann das Kühlfluid durch das Kathodengasgebläse in Form von Umgebungsluft aus der Um- gebung des Brennstoffzellensystems in den Kühlfluidleitabschnitt gefördert werden. Umgebungsluft ist leicht verfügbar und weist den gewünschten Sauerstoffgehalt für die erforderlichen Arbeitsprozesse im Brennstoffzellensystem auf. Unter Verwendung von Umgebungsluft kann das Verfahren besonders leicht und kostengünstig umge- setzt werden. Bei Versuchen im Rahmen der vorliegenden Erfindung hat sich her- ausgestellt, dass besonders gute Betriebsergebnisse erzielt werden können, wenn Umgebungsluft in einem Temperaturbereich zwischen 40°C und 80°C, insbesondere mit ca. 60°C, zugeführt wird. Die Umgebungsluft, die in der Regel niedriger als 40°C ist, kann durch die Komprimierung derselben mittels des Kathodengasgebläses effi- zient auf die gewünschte Temperatur erhöht werden. Darüber hinaus ist es möglich, dass bei einem erfindungsgemäßen Verfahren dem Verdampfer aus der Brennstoffquelle Brennstoff zugeführt wird, der überwiegend, insbesondere mehr als 80%, kohlenwasserstoffhaltigen Brennstoff aufweist. D.h., das vorliegende Brennstoffzellensystem wird vorzugsweise mit reinem oder im We- sentlichen reinem Brennstoff, und nicht etwa mit einem Brennstoff-Wasser-Gemisch, wie dies bei anderen, gattungsfremden Brennstoffzellensystemen umgesetzt wird, betrieben. Die Zufuhr von reinem Brennstoff bzw. von im Wesentlichen reinem Brennstoff kann im Vergleich zu einer Brennstoffgemischzufuhr relativ einfach reali- siert werden. Unter überwiegend kohlenwasserstoffhaltigem Brennstoff ist Brennstoff zu verstehen, der mehr als 50% kohlenwasserstoffhaltigen Brennstoff aufweist.

Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Kraftfahrzeug mit einem wie vorstehend im Detail erläuterten Brennstoffzellensystem zur Bereitstellung elektrischer Energie und wenigstens einem Elektromotor zum Antreiben des Kraft- fahrzeugs unter zumindest teilweiser Verwendung der elektrischen Energie, die durch das Brennstoffzellensystem bereitgestellt wird, geschaffen. Das Brennstoffzel- lensystem ist dabei ferner zum Durchführen eines wie vorstehend beschriebenen Verfahrens konfiguriert und ausgestaltet. Damit bringt auch ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug die Vorteile mit sich, wie sie vorstehend ausführlich beschrieben wur- den. Das Kraftfahrzeug kann in Form eines Landfahrzeugs, eines Wasserfahrzeugs, eines Schienenfahrzeugs, eines Luftfahrzeugs und/oder einer anderen mobilen Ein- heit, wie beispielsweise eines Roboters, ausgestaltet sein.

Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen ergeben sich aus der nachfolgen- den Beschreibung zu verschiedenen Ausführungsbeispielen der Erfindung, welche in den Figuren schematisch dargestellt sind. Sämtliche aus den Ansprüchen, der Be- schreibung oder der Zeichnung hervorgehende Merkmale und/oder Vorteile, ein- schließlich konstruktiver Einzelheiten und räumlicher Anordnungen können sowohl für sich als auch in den verschiedenen Kombinationen erfindungswesentlich sein.

Es zeigen jeweils schematisch:

Figur 1 ein Blockdiagramm zum Darstellen eines Teils eines erfindungsgemäßen

Brennstoffzellensystems,

Figur 2 einen Teilabschnitt eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers, Figur 3 ein Blockdiagramm zum Darstellen eines erfindungsgemäßen Brennstoff- zellensystems, und

Figur 4 ein Kraftfahrzeug mit einem darin verbauten Brennstoffzellensystem ge- mäß der vorliegenden Erfindung.

Elemente mit gleicher Funktion und Wirkungsweise sind in den Figuren 1 bis 4 je- weils mit denselben Bezugszeichen versehen.

In Fig. 1 sind schematisch die erfindungswesentlichen Bestandteile eines Brennstoff- zellensystems 100 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform dargestellt. Das ge- zeigte Brennstoffzellensystem 100 weist einen oder mehrere Brennstoffzellenstapel 1 mit einem Anodenabschnitt 2 und einem Kathodenabschnitt 3, einen Anodenzu- führabschnitt 5 zum Zuführen von reformiertem Anodenzuführgas von einem Refor- mer 4 zu dem Anodenabschnitt 2, den Reformer 4 zum Reformieren von Reformer- zuführgas, einen Reformerzuführabschnitt 14 zum Zuführen des Reformerzuführga- ses zu dem Reformer 4, und einen Anodenrückführabschnitt 6 zum Rückführen von Anodenabgas zur Wiederverwendung im Anodenabschnitt 2, auf.

Das Brennstoffzellensystem weist ferner einen Wärmetauscher 8 mit einem ersten Fluidleitabschnitt 9 zum Leiten des Anodenabgases und einem zweiten Fluidleitab- schnitt 10 zum Leiten des Reformerzuführgases auf, wobei der erste Fluidleitab- schnitt 9 und der zweite Fluidleitabschnitt 10 innerhalb des Wärmetauschers 8 zu- mindest abschnittsweise für eine Wärmeübertragung zwischen dem Anodenabgas und dem Reformerzuführgas miteinander in wärmeübertragender Verbindung ste- hen. Der erste Fluidleitabschnitt entspricht einer heißen Seite des Wärmetauschers 8 und der zweite Fluidleitabschnitt 10 entspricht einer kalten Seite des Wärmetau- schers 8.

Außerdem weist das Brennstoffzellensystem 100 einen Gebläseabschnitt 24 strom- abwärts des ersten Fluidleitabschnitts 9 und stromaufwärts des zweiten Fluidleitab- schnitts 10 mit einem darin angeordneten Rückführgebläse 11 zum Führen des Ano- denabgases von dem ersten Fluidleitabschnitt 9 über den Gebläseabschnitt 24 zum zweiten Fluidleitabschnitt 10, und einen Kühlfluidleitabschnitt 25 zum Zuführen eines Kühlfluids in den Gebläseabschnitt 24 stromaufwärts des Rückführgebläses 11 zum Kühlen des Anodenabgases im Gebläseabschnitt 24 stromaufwärts des Rückführge- bläses 11 , auf. Stromaufwärts des Kühlfluidleitabschnitts 25 ist ein Kathodengasgebläse 7 zum Zu führen des Kühlfluids in Form von Kathodenzuführgas bzw. Umgebungsluft in den Kühlfluidleitabschnitt 25 angeordnet. Stromaufwärts des Wärmetauschers 8 ist eine Brennstoffquelle 13 in Form eines Brennstofftanks angeordnet. Außerdem ist in den dargestellten Wärmetauscher 8 ein Verdampfer 12 zum Verdampfen von Brennstoff von der Brennstoffquelle 13 integriert.

Im Anodenrückführabschnitt 6 ist ein Gabelabschnitt 16 zum Abzweigen eines Teils des Anodenabgases in Richtung des ersten Fluidleitabschnitts 9 und eines anderen Teils des Anodenabgases in Richtung eines Nachbrenners 17 des Brennstoffzellen- systems 100 angeordnet. Stromaufwärts des Kathodengasgebläses 7 ist ein Zu sammenführabschnitt 15 zum Zusammenführen des Anodenabgases mit dem Kühl- fluid im Gebläseabschnitt 24 ausgestaltet.

Mit Bezug auf Fig. 2 wird anschließend eine bevorzugte Ausführungsform eines Teil- abschnitts des Wärmetauschers 8 beschrieben. In dem dargestellten Teilabschnitt des Wärmetauschers 8 weist der zweite Fluidleitabschnitt 10 einen ersten Fluidein- gang 18 zum Einbringen des rückgeführten Anodenabgases und/oder des Kühlfluids in den zweiten Fluidleitabschnitt 10, einen zweiten Fluideingang 19 zum Einbringen von verdampftem Brennstoff in den zweiten Fluidleitabschnitt 10, und einen Flu- idausgang 20 zum Ausgeben eines Fluidgemisches in Form des Reformerzuführga- ses aus dem rückgeführten Anodenabgas, dem Kühlfluid und/oder dem verdampften Brennstoff, auf. Innerhalb des zweiten Fluidleitabschnitts 10 ist eine poröse Trenn- schicht 21 ausgestaltet, durch welche verdampfter Brennstoff zum Vermengen mit dem rückgeführten Anodenabgas und/oder dem Kühlfluid strömbar ist. Der erste Flu- idleitabschnitt 9 weist einen Anodenabgaseingang 22 und einen Anodenabgasaus- gang 23 auf. Wie in Fig. 1 und insbesondere in Fig. 2 zu erkennen, sind der erste Fluidleitabschnitt 9 und der zweite Fluidleitabschnitt 10 innerhalb des Wärmetau- schers 8 zum zueinander gegenläufigen Führen des Anodenabgases und des Re- formerzuführgases zumindest abschnittsweise zueinander gegenläufig ausgestaltet.

Der in Fig. 2 dargestellte Wärmetauscher 8 ist in Form eines Gegenströmers, insbe- sondere in Form eines Gegenströmer-Plattenwärmetauschers ausgestaltet. Durch diese Bauform lässt sich eine wirksame Wärmeübertragung zwischen dem ersten Fluidleitabschnitt 9 und dem zweiten Fluidleitabschnitt 10 erreichen. Alternativ zur dargestellten Variante wäre auch ein Gleichströmer denkbar. In diesem Fall könnten der Anodengaseingang 22 und der Anodengasausgang 23 vertauscht angeordnet sein. Darüber hinaus wäre es möglich, dass der Wärmetauscher 8 in Form eines Kreuzströmers ausgestaltet ist. Bei einem Kreuzströmer verliefen die in Rede ste- henden Fluidströme senkrecht zueinander und wären, im Vergleich zum Parallel- strömer, jeweils in Strömungsrichtung nicht quervermischt. Zudem wäre eine Ausge- staltungsvariante des Wärmetauschers 8 in Form eines Kreuzgegenströmers mög- lich. Dies könnte durch eine Kombination mehrerer Plattenelemente übereinander realisiert werden. Flierfür wäre eine entsprechende Auftrennung der jeweiligen Fluid- ströme erforderlich. Der erhöhte strukturelle Aufwand könnte hierbei durch einen be- sonders effektiven Wärmetausch gerechtfertigt werden.

Mit Bezug auf Fig. 1 soll anschließend ein Verfahren zum Betreiben des dargestell- ten Brennstoffzellensystems 100 erläutert werden. Während eines Betriebs des Brennstoffzellensystems 100 wird Anodenabgas vom Anodenabschnitt 2 durch den Anodenrückführabschnitt 6 und den darin angeordneten Gabelabschnitt 16 zum ers- ten Fluidleitabschnitt 9 des Wärmetauschers 8 geleitet. Dies wird zumindest teilweise mittels des Rückführgebläses 11 durchgeführt. Mittels des Rückführgebläses 11 wird das Anodenabgas durch den Gebläseabschnitt 24 auch weiter über den Zusammen- führabschnitt 15 zum zweiten Fluidleitabschnitt 10 des Wärmetauschers 8 geleitet. Gleichzeitig wird durch das Kathodengasgebläse 7 und über den Zusammenführab- schnitt 15 sowie das Rückführgebläse 11 Kühlfluid in Form von Umgebungsluft durch den zweiten Fluidleitabschnitt 10 in Richtung des Reformers 4 gefördert. Durch das Kühlfluid wird der Eingangsbereich am Rückführgebläse 7 bereits erstmalig gekühlt. Eine weitere Kühlung am und im Rückführgebläse 11 findet dadurch statt, dass das Kühlfluid im Bereich des zweiten Fluidleitabschnitts 10 auch das Anodenabgas im ersten Fluidleitabschnitt 9 kühlt, wodurch das Anodenabgas bereits vorgekühlt am Zusammenführabschnitt 15 ankommt.

Während des Betriebs des Brennstoffzellensystems 100 wird außerdem reiner oder im Wesentlichen reiner Brennstoff in Form eines kohlenwasserstoffhaltigen Fluids wie Ethanol oder Diesel in den Verdampfer 12 des Wärmetauschers 8 geführt. Da die Verdampfung des Brennstoffs endotherm stattfindet, kann der entsprechende Temperaturentzug im zweiten Fluidleitabschnitt 10 zum weiteren Kühlen des ersten Fluidleitabschnitts 9 bzw. des Anodenabgases darin genutzt werden. Dadurch kann die Anodenabgastemperatur am Rückführgebläse 11 auf bis zu ca. 150°C verringert werden. Das im zweiten Fluidleitabschnitt 10 erzeugte Reformerzuführgas weist ent- sprechend das Anodenabgas, das Kühlfluid in Form von Umgebungsluft sowie den verdampften Brennstoff auf. Während des Betriebs des Brennstoffzellensystems 100 wird das im Reformer 4 reformierte Reformerzuführgas über den Anodenzuführab- schnitt 6 weiter zum Anodenabschnitt 2 geführt, sodass es dort wiederverwendet werden kann.

Fig. 3 zeigt die in Fig. 1 dargestellten Funktionsbauteile des Brennstoffzellensystems 100 in einer Gesamtansicht. Das dargestellte Brennstoffzellensystem 100 ist in Form eines SOFC-Systems ausgestaltet. In Fig. 3 kann insbesondere die Integration der in Fig. 1 dargestellten Funktionsbauteile in ein Gesamtsystem erkannt werden. Das in Fig. 3 dargestellte Brennstoffzellensystem 100 weist zwei Brennstoffzellenstapel 1 mit jeweils einem Anodenabschnitt 2 und einem Kathodenabschnitt 3 auf. Stromab- wärts des Reformers 4 ist ein weiterer Wärmetauscher 26 zum Erhitzen des refor- mierten Anodenzuführgases angeordnet. D.h., der Anodenzuführabschnitt 5 bzw. ein Fluidausgang des Reformers 4 steht mit einer kalten Seite des weiteren Wärmetau- schers 26 in Fluidverbindung. Die kalte Seite des weiteren Wärmetauschers 26 bzw. der entsprechende Fluidausgang des weiteren Wärmetauschers 26 steht mit den Anodenabschnitten 2 der Brennstoffzellenstapel 1 in Fluidverbindung.

Stromabwärts des Nachbrenners 17 ist noch ein Wärmetauscher 27 zur Verwendung des erhitzten Fluids aus dem Nachbrenner 17 zum Erhitzen von Kathodenzuführgas angeordnet. D.h., ein Fluidausgang des Nachbrenners 17 steht mit einer heißen Sei- te des Wärmetauschers 27 in Fluidverbindung. Stromabwärts des Wärmetauschers 27 ist der weitere Wärmetauscher 27 angeordnet. Genauer gesagt stehen ein Flu- idausgang des Wärmetauschers 27 und eine heiße Seite des weiteren Wärmetau- schers 26 über einen entsprechenden Fluideingang des weiteren Wärmetauschers 26 in Fluidverbindung. Die heiße Seite des weiteren Wärmetauschers 26 bzw. der entsprechende Fluidausgang des weiteren Wärmetauschers 26 steht mit den Katho- denabschnitten 2 der Brennstoffzellenstapel 1 in Fluidverbindung.

Stromaufwärts des Kathodengasgebläses 7 ist in einem weiteren Kühlfluidleitab- schnitt, der zumindest teilweise parallel zum Kühlfluidleitabschnitt 25 verläuft, eine ergänzende Kühleinheit 28 zum Kühlen von Umgebungsluft angeordnet. Über die Kühleinheit kann die gekühlte Umgebungsluft oder ein anderes gekühltes sauerstoff- haltiges Fluid direkt dem stromabwärts der Kühleinheit 28 angeordneten Rückführ- gebläse 11 zugeführt werden. Flierzu ist stromabwärts der Kühleinheit 28 und ström- aufwärts des Rückführgebläses 11 in dem weiteren Kühlfluidleitabschnitt ein Kühlflu- idgebläse angeordnet. Mittels der Kühleinheit 28 und die darüber zugeführte Umge- bungsluft kann das Rückführgebläse 11 bei Bedarf besonders wirksam gekühlt wer- den.

Darüber hinaus kann in Fig. 3 erkannt werden, dass die Brennstoffquelle 13 strom- aufwärts des Nachbrenners 17 angeordnet ist und mit diesem zum Zuführen von Brennstoff entsprechend in Fluidverbindung steht. Gemäß der dargestellten Ausfüh- rungsform kann der Brennstoff von der Brennstoffquelle 13 über einen Startbrenner 29 dem Nachbrenner 17 zugeführt werden.

Neben der in Fig. 3 dargestellten getrennten Anordnung des Reformers 4 und des Nachbrenners 17 ist noch eine gekoppelte Bauweise dieser beiden Komponenten möglich. Insbesondere kann es von Vorteil sein, wenn der Reformer 4 mit dem Nachbrenner 17 thermisch gekoppelt ist. Flierzu könnten der Reformer 4 und der Nachbrenner 17 nebeneinander, insbesondere in direktem, mechanischen Kontakt miteinander angeordnet sein. Besonders bevorzugt könnte der Nachbrenner 17 ring- förmig um den Reformer 4 herum angeordnet sein.

Durch das dargestellte und erläuterte Rückführen des Anodenabgases wird Wasser, dass sich in dampfförmigen Anteilen im Anodenabgas befindet, zum Reformer 4 ge- führt. D.h., durch die Anodenabgasrückführung kann dem Reformer 4 Wasser zuge- führt werden. Hierdurch kann eine separate Wasserzufuhr zum Reformer 4 entspre- chend reduziert oder auf eine Solche zumindest zeitweise vollständig verzichtet wer- den.

In Fig. 4 ist ein Kraftfahrzeug 1000 mit einem wie vorstehend beschriebenen Brenn- stoffzellensystem 100 dargestellt. Das Brennstoffzellensystem 100 erzeugt die im Kraftfahrzeug 1000 erforderliche elektrische Energie. Das Kraftfahrzeug 1000 weist ferner einen Elektromotor 200 zum Antreiben des Kraftfahrzeugs 1000 unter zumin- dest teilweiser Verwendung der durch das Brennstoffzellensystem 100 erzeugten elektrischen Energie auf. Das Brennstoffzellensystem 100 des Kraftfahrzeugs 100 ist zum Durchführen des mit Bezug auf Fig. 1 erläuterten Verfahrens konfiguriert und ausgestaltet. Das Kraftfahrzeug 1000 kann nicht nur als rein elektrisches Kraftfahr- zeug 1000, sondern auch als elektrisches Hybridfahrzeug mit Brennkraftmaschine bereitgestellt werden. Die Erfindung lässt neben den dargestellten Ausführungsformen weitere Gestal- tungsgrundsätze zu. D.h., die Erfindung soll nicht auf die mit Bezug auf die Figuren erläuterten Ausführungsbeispiele beschränkt betrachtet werden.

Bezugszeichenliste

1 Brennstoffzellenstapel

2 Anodenabschnitt

3 Kathodenabschnitt

4 Reformer

5 Anodenzuführabschnitt

6 Anodenrückführabschnitt

7 Kathodengasgebläse

8 Wärmetauscher

9 erster Fluidleitabschnitt

10 zweiter Fluidleitabschnitt

11 Rückführgebläse

12 Verdampfer

13 Brennstoffquelle

14 Reformerzuführabschnitt

15 Zusammenführabschnitt

16 Gabelabschnitt

17 Nachbrenner

18 erster Fluideingang

19 zweiter Fluideingang

20 Fluidausgang

21 poröse Trennschicht

22 Anodenabgaseingang

23 Anodenabgasausgang

24 Gebläseabschnitt

25 Kühlfluidleitabschnitt

26 Wärmetauscher

27 Wärmetauscher

28 Kühleinheit

29 Startbrenner

100 Brennstoffzellensystem