WO2019206392A1

WO2019206392A1 - Method for decoking an anode of a fuel cell device

Info

Publication number: WO2019206392A1
Application number: PCT/EP2018/060282
Authority: WO
Inventors: Ralf Brandenburger; Maxime Carre
Original assignee: Robert Bosch Gmbh
Priority date: 2018-04-23
Filing date: 2018-04-23
Publication date: 2019-10-31

Abstract

The invention relates to a method for removing carbon deposits (10) on an anode (12) of a fuel cell unit (14) which comprises the anode (12), a cathode (16) and an electrolyte (18) arranged between the anode (12) and the cathode (16). According to the invention, in at least one method step, an electrical DC voltage (20) is applied between the cathode (16) and the anode (12) and an oxygen-containing gas (22) is supplied to the anode (12), at least part of the oxygen (24) being provided to connect to carbon deposits (10) on the anode (12) in order to form gaseous carbon monoxide (26).

Description

Beschreibung description

Verfahren zur Entkokunq einer Anode einer Brennstoffzellenvorrichtunq Method for decoking an anode of a fuel cell device

Stand der Technik State of the art

Es sind bereits Verfahren zur Entfernung von Kohlenstoffablagerungen an einer Anode einer Brennstoffzelleneinheit, welche die Anode, eine Kathode und einen zwischen der Anode und der Kathode angeordneten Elektrolyt aufweist, bekannt. Methods are already known for removing carbon deposits at an anode of a fuel cell unit having the anode, a cathode, and an electrolyte disposed between the anode and the cathode.

Offenbarung der Erfindung Disclosure of the invention

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Entfernung von Kohlenstoffablage rungen an einer Anode einer Brennstoffzelleneinheit, welche die Anode, eine Kathode und einen zwischen der Anode und der Kathode angeordneten Elektrolyt aufweist. The invention relates to a method for removing Kohlenstoffablage ments at an anode of a fuel cell unit, which has the anode, a cathode and an arranged between the anode and the cathode electrolyte.

Es wird vorgeschlagen, dass in zumindest einem Verfahrensschritt eine elektrische Gleichspannung zwischen der Kathode und der Anode angelegt wird und der Anode ein sauerstoffhaltiges Gas zugeführt wird, wobei zumindest ein Teil des Sauerstoffs dazu vorgesehen ist, sich mit Kohlenstoffablagerungen an der Anode zu gasförmigen Kohlenstoffmonoxid zu verbinden. It is proposed that in at least one process step, a DC electrical voltage between the cathode and the anode is applied and the anode is supplied with an oxygen-containing gas, wherein at least a portion of the oxygen is provided to connect with carbon deposits on the anode to form gaseous carbon monoxide ,

Unter einer„Brennstoffzelleneinheit“ soll in diesem Zusammenhang insbesondere eine Einheit mit zumindest einer Brennstoffzelle verstanden werden, welche dazu vorgese hen ist, zumindest eine chemische Reaktionsenergie zumindest eines, insbesondere kontinuierlich zugeführten, Brenngases, insbesondere Wasserstoff und/oder Kohlen stoffmonoxid, und zumindest eines Kathodengases, insbesondere Sauerstoff, insbe sondere in elektrische Energie umzuwandeln. Die zumindest eine Brennstoffzelle ist vorzugsweise als Festoxid -Brennstoffzelle (SOFC) ausgebildet. Vorzugsweise umfasst die zumindest eine Brennstoffzelleneinheit eine Vielzahl von Brennstoffzellen, welche insbesondere in einem Brennstoffzellenstack angeordnet sind. Unter„vorgesehen“ soll insbesondere speziell programmiert, ausgelegt und/oder ausgestattet verstanden wer- den. Darunter, dass ein Objekt zu einer bestimmten Funktion vorgesehen ist, soll ins besondere verstanden werden, dass das Objekt diese bestimmte Funktion in zumin dest einem Anwendungs- und/oder Betriebszustand erfüllt und/oder ausführt. Die Ano de der Brennstoffzelleneinheit ist zumindest im Wesentlichen aus Nickel gebildet. Die Kathode der Brennstoffzelleneinheit weist insbesondere eine perowskitische Struktur auf. Die Anode und die Kathode sind durch den Elektrolyten zumindest im Wesentli chen gasdicht voneinander getrennt. Die Anode und die Kathode weisen jeweils eine offenporöse Struktur auf. Lediglich für den Transport der elektrischen Ladung notwen dige Sauerstoffanionen können durch das Elektrolytmaterial gelangen. Die Leitfähigkeit des keramischen Elektrolyts ist insbesondere von der Materialzusammensetzung, von konstruktiven Randbedingungen und/oder von der Betriebstemperatur abhängig. Bei Verwendung kohlenstoffhaltiger fluidischer Brennstoffe, wie beispielsweise Erdgas mit dem Hauptbestandteil CH₄, können sich Kohlenstoffablagerungen entlang des Anoden fades und insbesondere unmittelbar an der Anode bilden A "fuel cell unit" is to be understood in this context, in particular a unit with at least one fuel cell, which is vorgese hen, at least one chemical reaction energy at least one, in particular continuously supplied, fuel gas, in particular hydrogen and / or carbon monoxide, and at least one cathode gas , In particular oxygen, in particular special convert into electrical energy. The at least one fuel cell is preferably designed as a solid oxide fuel cell (SOFC). Preferably, the at least one fuel cell unit comprises a plurality of fuel cells, which are arranged in particular in a fuel cell stack. "Provided" is to be understood in particular to be specially programmed, designed and / or equipped. the. The fact that an object is intended for a specific function should be understood in particular to mean that the object fulfills and / or executes this specific function in at least one application and / or operating state. The Ano de the fuel cell unit is formed at least substantially of nickel. The cathode of the fuel cell unit has in particular a perovskite structure. The anode and the cathode are gas-tightly separated from one another by the electrolyte, at least in essence. The anode and the cathode each have an open-porous structure. Only for the transport of electric charge neces-ended oxygen anions can pass through the electrolyte material. The conductivity of the ceramic electrolyte depends in particular on the composition of the material, on the design boundary conditions and / or on the operating temperature. When using carbonaceous fluid fuels, such as natural gas with the main constituent CH ₄ , carbon deposits can form along the anode filament and in particular directly at the anode

Während eines Reinigungsbetriebszustands wird der Anode in einem Verfahrensschritt ein sauerstoffhaltiges Gas, vorzugsweise Luft, zugeführt. Vorhandene Kohlenstoffabla gerungen auf der Anode reagieren mit den Sauerstoffmolekülen des sauerstoffhaltigen Gases und bilden gasförmiges Kohlenstoffmonoxid. Vor der Zuführung des sauerstoff haltigen Gases und oder mit Beginn der Zuführung des sauerstoffhaltigen Gases wird mittels einer Gleichspannungsquelle eine elektrische Gleichspannung zwischen der Kathode und der Anode angelegt. Vorzugsweise wird an der Anode ein negatives elektrisches Potential und an der Kathode ein positives elektrisches Potential angelegt. During a cleaning operating state, the anode is supplied in one process step, an oxygen-containing gas, preferably air. Existing carbon deposits on the anode react with the oxygen molecules of the oxygen-containing gas to form gaseous carbon monoxide. Before the supply of the oxygen-containing gas and or at the beginning of the supply of the oxygen-containing gas, a DC electrical voltage between the cathode and the anode is applied by means of a DC voltage source. Preferably, a negative electrical potential is applied to the anode and a positive electrical potential is applied to the cathode.

Durch eine derartige Ausgestaltung kann ein gattungsgemäßes Verfahren mit vorteil haften Eigenschaften hinsichtlich eines Entfernens von Kohlenstoffablagerungen von der Anode bereitgestellt werden. Insbesondere kann ein Entfernen von Kohlenstoffab lagerungen von der Anode vorteilhaft ohne Demontagearbeiten und/oder Beschädi gungen der Anode erfolgen. Insbesondere können Kohlenstoffablagerungen auf der Anode durch die Zuführung eines sauerstoffhaltigen Gases vorteilhaft einfach und/oder zuverlässig entfernt werden. Durch das gleichzeitige Anlegen einer elektrischen Gleichspannung zwischen der Anode und der Kathode kann vorteilhaft verhindert wer den, dass durch überschüssigen Sauerstoff Nickeloxid auf der Anode gebildet wird. By such a configuration, a generic method can be provided with advantageous properties with respect to a removal of carbon deposits from the anode. In particular, a removal of Kohlenstoffab deposits of the anode advantageously without dismantling work and / or Beschädi conditions of the anode done. In particular, carbon deposits on the anode can advantageously be easily and / or reliably removed by supplying an oxygen-containing gas. By the simultaneous application of an electrical DC voltage between the anode and the cathode can be advantageously prevented who the that is formed by excess oxygen nickel oxide on the anode.

Ferner wird vorgeschlagen, dass in zumindest einem Verfahrensschritt ein Teil des Sauerstoffs in die Anode eindiffundiert, wobei die Sauerstoffmoleküle gespalten und durch Zuführung von Elektronen Sauerstoffanionen gebildet werden. Insbesondere strömt ein Teil des Sauerstoffs, welcher sich nicht mit den Kohlenstoffablagerungen zu gasförmigen Kohlenstoffmonoxid verbunden hat, in die poröse Struktur der Anode ein. Die in die Anode eindiffundierten Sauerstoffmoleküle werden zu Sauerstoffatomen ge spalten. Die Sauerstoffatome nehmen der Anode zugeführte Elektronen auf, wodurch Sauerstoffanionen gebildet werden. Hierdurch kann vorteilhaft verhindert werden, dass sich der Teil des Sauerstoffs, welcher sich nicht mit den Kohlenstoffablagerungen zu gasförmigen Kohlenstoffmonoxid verbunden hat, eine Bindung mit dem Nickel der Anode eingeht. Hierdurch kann eine Beschädigung der Anode durch die Bildung von Nickeloxid vorteilhaft vermieden werden. It is also proposed that, in at least one process step, part of the oxygen diffuses into the anode, the oxygen molecules being split and By supplying electrons oxygen anions are formed. In particular, a portion of the oxygen that has not combined with the carbon deposits to gaseous carbon monoxide flows into the porous structure of the anode. The oxygen molecules diffused into the anode are split into oxygen atoms. The oxygen atoms take up electrons supplied to the anode, forming oxygen anions. In this way, it can be advantageously prevented that the part of the oxygen, which has not joined with the carbon deposits to gaseous carbon monoxide, forms a bond with the nickel of the anode. As a result, damage to the anode by the formation of nickel oxide can be advantageously avoided.

Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass die Sauerstoffanionen in zumindest einem Verfahrensschritt aufgrund der Triebkraft der elektrischen Gleichspannung durch den Elektrolyten in die Kathode strömen. Der Elektrolyt weist eine bidirektionale Durchläs sigkeit für Sauerstoffanionen auf. Die Sauerstoffanionen strömen ausgehend von der Anode in Richtung der Kathode durch den Elektrolyten. Nach dem Durchtritt durch den Elektrolyten strömen die Sauerstoffanionen in die Kathode ein. Hierdurch kann der Teil des Sauerstoffs, welcher sich nicht mit den Kohlenstoffablagerungen zu gasförmigen Kohlenstoffmonoxid verbunden hat, vorteilhaft in Form von Sauerstoffanionen von der Anode zur Kathode transportiert werden. Furthermore, it is proposed that the oxygen anions flow through the electrolyte into the cathode in at least one method step on account of the driving force of the direct electrical voltage. The electrolyte has a bidirectional permeability for oxygen anions. The oxygen anions flow from the anode towards the cathode through the electrolyte. After passing through the electrolyte, the oxygen anions flow into the cathode. In this way, the part of the oxygen which has not been combined with the carbon deposits to form gaseous carbon monoxide can advantageously be transported in the form of oxygen anions from the anode to the cathode.

Ferner wird vorgeschlagen, dass in zumindest einem Verfahren in der Kathode die Elektronen von den Sauerstoffanionen getrennt und Sauerstoffmoleküle gebildet wer den. Vorzugsweise strömen die Sauerstoffmoleküle in zumindest einem Verfahrens schritt aus der Kathode aus. Insbesondere fließen die von den Sauerstoffanionen ab gegebenen Elektronen zu einem Pluspol der Gleichspannung, welche zwischen der Anode und der Kathode angelegt ist. Der Pluspol der Gleisspannung ist mit der Katho de verbunden. Die durch die Abgabe der Elektronen gebildeten Sauerstoffatome ver binden sich zu Sauerstoffmolekülen. Die Sauerstoff moleküle strömen aus der porösen Kathode aus. Hierdurch kann der Teil des Sauerstoffs, welcher sich nicht mit den Koh lenstoffablagerungen zu gasförmigen Kohlenstoffmonoxid verbunden hat, vorteilhaft einfach aus der Brennstoffzelleneinheit ausgeleitet werden. It is also proposed that in at least one method in the cathode, the electrons separated from the oxygen anions and oxygen molecules formed who the. Preferably, the oxygen molecules in at least one process step out of the cathode. In particular, the electrons given off by the oxygen anions flow to a positive pole of the DC voltage which is applied between the anode and the cathode. The positive pole of the track voltage is connected to the Katho de. The oxygen atoms formed by the emission of the electrons bind to oxygen molecules. The oxygen molecules flow out of the porous cathode. As a result, the part of the oxygen which has not joined with the carbon deposits to form gaseous carbon monoxide can advantageously be easily discharged from the fuel cell unit.

Des Weiteren geht die Erfindung aus von einer Brennstoffzellenvorrichtung, welche dazu vorgesehen ist, mit einem kohlenwasserstoffhaltigen fluidischen Brennstoff be- trieben zu werden, mit einer Brennstoffzelleneinheit, welche eine Anode, eine Kathode und einen zwischen der Anode und der Kathode angeordneten Elektrolyt aufweist. Furthermore, the invention is based on a fuel cell device, which is intended to be equipped with a hydrocarbon-containing fluid fuel. to be powered with a fuel cell unit having an anode, a cathode and an electrolyte disposed between the anode and the cathode.

Es wird vorgeschlagen, dass die Brennstoffzellenvorrichtung eine Sauerstoffzuführung aufweist, welche dazu vorgesehen ist, zur Entfernung von Kohlenstoffablagerungen an der Anode, der Anode ein sauerstoffhaltiges Gas zuzuführen. Insbesondere ist die Sauerstoffzuführung dazu vorgesehen, der Anode während eines Reinigungsbetriebs zustands ein sauerstoffhaltiges Gas, insbesondere Luft, zuzuführen. Die Sauerstoffzu- führeinheit weist insbesondere eine Fluidleitung auf, welche in einen Anodenkreis der Brennstoffzellen mündet. Ferner weist die Sauerstoffzuführeinheit insbesondere einen Verdichter zur Förderung des sauerstoffhaltigen Gases auf. Des Weiteren weist die Sauerstoffzuführung zumindest ein Ventil auf, welches dazu vorgesehen ist, die Sauer stoffzuführung während eines Normalbetriebs der Brennstoffzellenvorrichtung fluid technisch von dem Anodenkreis der Brennstoffzellenvorrichtung zu trennen. Hierdurch kann ein Entfernen von Kohlenstoffablagerungen von der Anode vorteilhaft ohne De montagearbeiten und/oder Beschädigungen der Anode erfolgen. Insbesondere können Kohlenstoffablagerungen auf der Anode durch die Zuführung eines sauerstoffhaltigen Gases vorteilhaft einfach und/oder zuverlässig entfernt werden. It is proposed that the fuel cell device has an oxygen supply, which is provided to supply an oxygen-containing gas to the anode to remove carbon deposits on the anode. In particular, the oxygen supply is provided to the anode during a cleaning operation state an oxygen-containing gas, in particular air supply. The oxygen supply unit has, in particular, a fluid line which opens into an anode circuit of the fuel cells. Furthermore, the oxygen supply unit in particular has a compressor for conveying the oxygen-containing gas. Furthermore, the oxygen supply has at least one valve, which is provided to separate the oxygen supply during a normal operation of the fuel cell device fluid technically from the anode circuit of the fuel cell device. As a result, removal of carbon deposits from the anode can advantageously be carried out without deinstallation work and / or damage to the anode. In particular, carbon deposits on the anode can advantageously be easily and / or reliably removed by supplying an oxygen-containing gas.

Unter einer„Brennstoffzellenvorrichtung“ soll in diesem Zusammenhang insbesondere eine Vorrichtung zu einer stationären und/oder mobilen Gewinnung insbesondere elektrischer und/oder thermischer Energie unter Verwendung zumindest einer Brenn stoffzelleneinheit verstanden werden. Der kohlenwasserstoff haltige fluidische Brenn stoff ist vorzugsweise ein Erdgas. Unter einem„Erdgas“ soll in diesem Zusammenhang insbesondere ein Gas und/oder ein Gasgemisch, insbesondere ein Naturgasgemisch, verstanden werden, welches vorzugsweise zumindest ein Alkan, insbesondere Me than, Ethan, Propan und/oder Butan, umfasst. Ferner kann das Erdgas weitere Be standteile aufweisen, wie insbesondere Kohlenstoffdioxid und/oder Stickstoff und/oder Sauerstoff und/oder Schwefelverbindungen. Insbesondere weist die Brennstoffzellen vorrichtung neben der Brennstoffzelleneinheit eine Reformereinheit und/oder eine Ent schwefelungseinheit auf. Unter einer„Reformereinheit“ soll in diesem Zusammenhang insbesondere eine chemisch-technische Einheit zu zumindest einer Aufbereitung zu mindest des kohlenwasserstoffhaltigen fluidischen Brennstoffs, insbesondere des Erd gases, insbesondere durch eine Dampfreformierung, durch eine partielle Oxidation, durch eine autotherme Reformierung und/oder durch eine Kombination einer Dampfre formierung mit einer C0₂-Trockenreformierung, insbesondere zur Gewinnung eines Brenngases, insbesondere Wasserstoff, und/oder zum Aufbrechen höherkettiger Alka ne verstanden werden. Unter einer„Entschwefelungseinheit“ soll in diesem Zusam menhang insbesondere eine Einheit verstanden werden, welche dazu vorgesehen ist, vorzugsweise durch zumindest ein physikalisches und/oder chemisches Adsorptions verfahren und/oder Absorptionsverfahren, einen Volumen- und/oder Molanteil an Schwefelverbindungen in dem Erdgas insbesondere unter einen festgelegten Grenz wert zu senken und vorzugsweise zumindest im Wesentlichen aus dem Erdgas zu ent fernen. In this context, a "fuel cell device" is to be understood as meaning, in particular, a device for stationary and / or mobile extraction of, in particular, electrical and / or thermal energy using at least one fuel cell unit. The hydrocarbon-containing fluid fuel is preferably a natural gas. In this context, a "natural gas" is to be understood as meaning in particular a gas and / or a gas mixture, in particular a natural gas mixture, which preferably comprises at least one alkane, in particular methane, ethane, propane and / or butane. Furthermore, the natural gas may have further constituents, such as in particular carbon dioxide and / or nitrogen and / or oxygen and / or sulfur compounds. In particular, the fuel cell device next to the fuel cell unit on a reformer unit and / or a desulfurization on. In this context, a "reformer unit" is to be understood as meaning, in particular, a chemical-technical unit for at least treating at least the hydrocarbonaceous fluid, in particular the natural gas, in particular by steam reforming, by partial oxidation, by autothermal reforming and / or by a Combination of a steam reforming with a C0 ₂ dry reforming, in particular for obtaining a Fuel gas, in particular hydrogen, and / or for breaking higher-chain Alka ne understood ne. A "desulfurization unit" is to be understood in this context in particular a unit which is intended, preferably by at least one physical and / or chemical adsorption and / or absorption method, a volume and / or molar content of sulfur compounds in the natural gas in particular below a predetermined limit value and preferably at least substantially to remove ent from the natural gas.

Ferner wird vorgeschlagen, dass die Brennstoffzellenvorrichtung zumindest eine Gleichspannungsquelle aufweist, welche dazu vorgesehen ist, zur Entfernung von Koh lenstoffablagerungen an der Anode, eine Gleichspannung zwischen der Anode und der Kathode zu erzeugen. Vorzugsweise ist die Gleichspannungsquelle dazu vorgesehen, an der Anode ein negatives elektrisches Potential und an der Kathode ein positives elektrisches Potential anzulegen. Durch das Anlegen einer elektrischen Gleichspan nung zwischen der Anode und der Kathode kann vorteilhaft verhindert werden, dass durch überschüssigen Sauerstoff Nickeloxid auf der Anode gebildet wird. It is further proposed that the fuel cell device has at least one DC voltage source, which is provided for removing carbon deposits on the anode to produce a DC voltage between the anode and the cathode. Preferably, the DC voltage source is provided to apply a negative electrical potential to the anode and to apply a positive electrical potential to the cathode. By applying an electrical DC clamping voltage between the anode and the cathode can be advantageously prevented that is formed by excess oxygen nickel oxide on the anode.

Das erfindungsgemäße Verfahren und/oder die erfindungsgemäße Brennstoffzellen vorrichtung soll/sollen hierbei nicht auf die oben beschriebene Anwendung und Ausfüh rungsform beschränkt sein. Insbesondere kann/können das erfindungsgemäße Verfah ren und/oder die erfindungsgemäße Brennstoffzellenvorrichtung zu einer Erfüllung ei ner hierin beschriebenen Funktionsweise eine von einer hierin genannten Anzahl von einzelnen Elementen, Bauteilen und Einheiten und/oder Verfahrensschritten abwei chende Anzahl aufweisen. The inventive method and / or the fuel cell device according to the invention should / should not be limited to the above-described application and Ausfüh tion form. In particular, the method according to the invention and / or the fuel cell device according to the invention can have a number of individual elements, components and units and / or method steps deviating from a number of individual elements, components and units mentioned herein for fulfilling a function described herein.

Zeichnung drawing

Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die Zeichnung, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen. Es zeigt: Further advantages emerge from the following description of the drawing. In the drawing, an embodiment of the invention is shown. The drawing, the description and the claims contain numerous features in combination. The person skilled in the art will expediently also consider the features individually and combine them into meaningful further combinations. It shows:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Brennstoffzellenvorrichtung mit einer Brennstoffzelleneinheit, einem Anodengasprozessor und einer Brennerein heit und Fig. 1 is a schematic representation of a fuel cell device with a fuel cell unit, an anode gas processor and a Brennerein unit and

Fig. 2 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Entfernung von Kohlenstoffabla gerungen an der Anode der Brennstoffzelleneinheit. 2 is a flowchart of a method for removing carbon deposits at the anode of the fuel cell unit.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels Description of the embodiment

Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Brennstoffzellenvorrichtung 38 mit einer Brennstoffzelleneinheit 14. Die Brennstoffzellenvorrichtung 38 ist dazu vorgesehen, mit einem fluidischen kohlenwasserstoffhaltigen Brennstoff 40, beispielsweise Erdgas, betrieben zu werden. Die Brennstoffzelleneinheit 14 ist zu einer Erzeugung elektrischer Energie vorgesehen. Die Brennstoffzelleneinheit 14 ist hier vereinfacht als eine Brennstoffzelle 46 dargestellt. Zweckmäßig ist jedoch eine 1 shows a schematic representation of a fuel cell device 38 with a fuel cell unit 14. The fuel cell device 38 is intended to be operated with a fluidic hydrocarbon-containing fuel 40, for example natural gas. The fuel cell unit 14 is provided for generating electric power. The fuel cell unit 14 is shown here in simplified form as a fuel cell 46. However, it is useful

Ausbildung einer Brennstoffzelleneinheit als ein Brennstoffzellenstack mit einer Vielzahl von Brennstoffzellen. Die Brennstoffzelleneinheit 14 weist eine Anode 12 und eine Kathode 16 auf. Der Anode 12 wird während eines Normalbetriebs der Forming a fuel cell unit as a fuel cell stack with a plurality of fuel cells. The fuel cell unit 14 has an anode 12 and a cathode 16. The anode 12 is during a normal operation of the

Brennstoffzelleneinheit 14 ein aus dem Brennstoff 40 gewonnenes Brenngas 48, insbesondere Wasserstoff, zugeführt. Die Anode 12 besteht zumindest zu einem Groß teil aus Nickel. Der Kathode 16 wird während des Normalbetriebs der Fuel cell unit 14 a recovered from the fuel 40 fuel gas 48, in particular hydrogen, fed. The anode 12 is at least a large part of nickel. The cathode 16 is during normal operation of the

Brennstoffzelleneinheit 14 ein sauerstoffhaltiges Gas 22, insbesondere Luft, zugeführt. Die Anode 12 und die Kathode 16 weisen jeweils eine poröse Struktur auf. Des Weite ren weist die Brennstoffzellenvorrichtung 38 einen Wechselrichter 52 auf, welcher dazu vorgesehen ist, die von der Brennstoffzelleneinheit 14 erzeugte elektrische Energie zur Einspeisung in ein elektrisches Netz 54 umzuformen. Fuel cell unit 14, an oxygen-containing gas 22, in particular air, supplied. The anode 12 and the cathode 16 each have a porous structure. Des Weite ren, the fuel cell device 38 to an inverter 52, which is intended to transform the electrical energy generated by the fuel cell unit 14 for feeding into an electrical network 54.

Ferner weist die Brennstoffzellenvorrichtung 38 eine der Brennstoffzelleneinheit 14 strömungstechnisch vorgeschaltete Entschwefelungseinheit 56 auf. Die Furthermore, the fuel cell device 38 has a desulfurization unit 56 upstream of the fuel cell unit 14. The

Entschwefelungseinheit 56 ist dazu vorgesehen, den Brennstoff 40 zumindest teilweise zu entschwefeln. Zur Gewinnung des Brenngases 48 weist die Desulfurization unit 56 is provided to at least partially desulfurize fuel 40. For recovering the fuel gas 48, the

Brennstoffzellenvorrichtung 38 eine der Entschwefelungseinheit 56 Fuel cell device 38 one of the desulfurization 56th

strömungstechnisch nachgeschaltete Reformereinheit 58 auf. Der Brennstoff 40 wird während eines Betriebs der Brennstoffzelleneinheit 14 über eine Versorgungsleitung 60 in die Brennstoffzellenvorrichtung 38 eingespeist. Der fluidically downstream reformer unit 58. The fuel 40 is fed into the fuel cell device 38 via a supply line 60 during operation of the fuel cell unit 14. Of the

Brennstoff 40 wird mittels eines Verdichters 62 gefördert. Das aus der Reformereinheit 58 austretende Brenngas 48 wird der Anode 12 der Brennstoffzelleneinheit 14 zuge führt. Das sauerstoffhaltige Gas 22 wird über eine weitere Versorgungsleitung 64 in die Brennstoffzellenvorrichtung 38 eingespeist. Das sauerstoffhaltige Gas 22 wird mittels eines Verdichters 66 gefördert. Vor Eintritt in die Kathode 16 der Fuel 40 is conveyed by means of a compressor 62. The emerging from the reformer unit 58 fuel gas 48 is the anode 12 of the fuel cell unit 14 leads supplied. The oxygen-containing gas 22 is fed via a further supply line 64 into the fuel cell device 38. The oxygen-containing gas 22 is conveyed by means of a compressor 66. Before entering the cathode 16 of the

Brennstoffzelleneinheit 14 wird das sauerstoffhaltige Gas 22 mittels eines Fuel cell unit 14, the oxygen-containing gas 22 by means of a

Wärmeübertragers 68 erwärmt. Heat exchanger 68 is heated.

Ferner weist die Brennstoffzellenvorrichtung 38 einen Nachbrenner 70 auf. Der Nachbrenner 70 ist der Brennstoffzelleneinheit 14 strömungstechnisch nachgeschaltet. Dem Nachbrenner 70 wird ein Teil eines Anodenabgases 72 der Furthermore, the fuel cell device 38 has an afterburner 70. The afterburner 70 is connected downstream of the fuel cell unit 14 in terms of flow. The afterburner 70 is a part of an anode exhaust gas 72 of

Brennstoffzelleneinheit 14 zugeführt. Der Nachbrenner 70 ist dazu vorgesehen, in dem Anodenabgas 72 der Brennstoffzelleneinheit 14 verbliebene brennbare Stoffe, insbesondere nicht umgesetzten Wasserstoff, zu verbrennen. Ein für einen Betrieb des Nachbrenners 70 benötigter Sauerstoff wird dem Nachbrenner 70 in Form eines Kathodenabgases 74 der Brennstoffzelleneinheit 14 zugeführt. Ein Abgas 76 des Nachbrenners 70 wird aus der Brennstoffzellenvorrichtung 38 ausgeleitet. Die Fuel cell unit 14 is supplied. The afterburner 70 is intended to combust combustible materials remaining in the anode exhaust gas 72 of the fuel cell unit 14, in particular unreacted hydrogen. An oxygen required for operation of the afterburner 70 is supplied to the afterburner 70 in the form of a cathode exhaust gas 74 of the fuel cell unit 14. An exhaust gas 76 of the afterburner 70 is discharged from the fuel cell device 38. The

Brennstoffzellenvorrichtung 38 weist ferner einen Rezirkulationskreis 78 auf, welcher zu einer teilweisen Rezirkulation des Wasserstoff- und wasserhaltigen Anodenabgases 72 der Brennstoffzelleneinheit 14 vorgesehen ist. Der Rezirkulationskreis 78 ist insbesondere dazu vorgesehen, das Anodenabgas 72 der Brennstoffzelleneinheit 14 zumindest teilweise zur Vermischung mit dem entschwefelten Brennstoff 90 Fuel cell device 38 also has a recirculation circuit 78, which is provided for a partial recirculation of the hydrogen and water-containing anode exhaust gas 72 of the fuel cell unit 14. The recirculation circuit 78 is provided, in particular, for the anode exhaust gas 72 of the fuel cell unit 14 at least partially for mixing with the desulphurised fuel 90

zurückzuführen. Innerhalb des Rezirkulationskreises 78 ist ein Verdichter 80 angeordnet. due. Within the recirculation circuit 78, a compressor 80 is arranged.

Des Weiteren weist die Brennstoffzellenvorrichtung 38 einen Startbrenner 82 auf. Während eines Hochfahrens der Brennstoffzelleneinheit 14 wird entschwefelter Brennstoff 90 und sauerstoffhaltiges Gas 22 dem Startbrenner 82, welcher dazu vorgesehen ist, das sauerstoffhaltige Gas 22 während des Hochfahrens aufzuheizen, zugeführt. Über das aufgeheizte sauerstoffhaltige Gas 22 wird die Furthermore, the fuel cell device 38 has a starting burner 82. During startup of the fuel cell unit 14, desulfurized fuel 90 and oxygen-containing gas 22 are supplied to the starting burner 82, which is provided to heat the oxygen-containing gas 22 during startup. About the heated oxygen-containing gas 22 is the

Brennstoffzellenvorrichtung 38, insbesondere die Brennstoffzelleneinheit 14, auf eine Betriebstemperatur erwärmt. Figur 2 zeigt die Brennstoffzelleneinheit 14 in einer vereinfachten schematischen Dar stellung während eines Reinigungsbetriebs der Brennstoffzellenvorrichtung 38. Wäh rend des Reinigungsbetriebs wird ein Verfahren zur Entfernung von Kohlenstoffablage rungen 10 an der Anode 12 der Brennstoffzelleneinheit 14, welche die Anode 12, die Kathode 16 und einen zwischen der Anode 12 und der Kathode 16 angeordneten Elektrolyt 18 aufweist, ausgeführt. Der Elektrolyt 18 weist eine Anionenleitfähigkeit zur leitung von Sauerstoffanionen 36 auf. In einem Verfahrensschritt des Verfahrens wird eine elektrische Gleichspannung 20 zwischen der Kathode 16 und der Anode 12 ange legt und der Anode 12 wird ein sauerstoffhaltiges Gas 22 zugeführt, wobei zumindest ein Teil des Sauerstoffs 24 dazu vorgesehen ist, sich mit Kohlenstoffablagerungen 10 an der Anode 12 zu gasförmigen Kohlenstoffmonoxid 26 zu verbinden. Das gasförmige Kohlenmonoxid 26 wird aus der Anode 12 ausgeleitet. Gleichzeitig wird auch der Ka thode 16 das sauerstoffhaltige Gas 22 zugeführt. Die Brennstoffzellenvorrichtung 38 weist eine Sauerstoffzuführung 42 auf, welche dazu vorgesehen ist, zur Entfernung von Kohlenstoffablagerungen 10 an der Anode 12, der Anode 12 ein sauerstoffhaltiges Gas 22 zuzuführen. Die Sauerstoffzuführung 42 kann wie in Figur 1 dargestellt, von der Versorgungsleitung 64 abgezweigt sein. Alternativ kann die Sauerstoffzuführung 42 als separate Zuführung ausgebildet sein. Die Sauerstoffzuführung 42 weist ein Ventil 86 auf, welches dazu vorgesehen ist, die Sauerstoffzuführung 42 in einem Normalbetrieb der Brennstoffzellenvorrichtung 38 gegenüber der Anode 12 zu verschließen. Ferner weist die Brennstoffzellenvorrichtung 38 eine Gleichspannungsquelle 44 auf, welche dazu vorgesehen ist, zur Entfernung von Kohlenstoffablagerungen 10 an der Anode 12, eine Gleichspannung 20 zwischen der Anode 12 und der Kathode 16 zu erzeugen. Die Gleichspannungsquelle 44 kann beispielsweise von dem Wechselrichter 52 gebil det sein, welcher in dem Reinigungsbetrieb als Gleichrichter betrieben wird. Die Gleichspannungsquelle 44 ist dazu vorgesehen, an der Anode 12 ein negatives elektri sches Potential 28 und an der Kathode 16 ein positives elektrisches Potential 30 anzu legen. Fuel cell device 38, in particular the fuel cell unit 14, heated to an operating temperature. FIG. 2 shows the fuel cell unit 14 in a simplified schematic representation during a cleaning operation of the fuel cell device 38. During the cleaning operation, a method for removing carbon deposits 10 at the anode 12 of the fuel cell unit 14 comprising the anode 12, the cathode 16, and a between the anode 12 and the cathode 16 arranged electrolyte 18, executed. The electrolyte 18 has an anion conductivity for conducting oxygen anions 36. In a method step of the method, a DC electrical voltage 20 between the cathode 16 and the anode 12 is attached and the anode 12, an oxygen-containing gas 22 is supplied, wherein at least a portion of the oxygen 24 is provided, with carbon deposits 10 at the anode 12th to connect to gaseous carbon monoxide 26. The gaseous carbon monoxide 26 is discharged from the anode 12. At the same time, the cathode gas 16 is supplied to the oxygen-containing gas 22. The fuel cell device 38 has an oxygen supply 42, which is provided to supply an oxygen-containing gas 22 to the anode 12 for removing carbon deposits 10 at the anode 12. The oxygen supply 42 may be diverted from the supply line 64 as shown in FIG. Alternatively, the oxygen supply 42 may be formed as a separate supply. The oxygen supply 42 has a valve 86, which is provided to close the oxygen supply 42 in a normal operation of the fuel cell device 38 relative to the anode 12. Furthermore, the fuel cell device 38 has a DC voltage source 44, which is provided to generate a DC voltage 20 between the anode 12 and the cathode 16 for removing carbon deposits 10 on the anode 12. The DC voltage source 44 may for example be gebil det of the inverter 52, which is operated in the cleaning operation as a rectifier. The DC voltage source 44 is provided to put on the anode 12, a negative electrical cal potential 28 and at the cathode 16, a positive electrical potential 30 to.

Ein Teil des Sauerstoffs 24, welcher sich nicht mit Kohlenstoffablagerungen 10 an der Anode 12 zu gasförmigen Kohlenstoffmonoxid 26 zu verbindet, diffundiert in poröse Struktur der Anode 12 ein. Aufgrund der angelegten Gleichspannung 20 strömen die Sauerstoffmoleküle 32 des Sauerstoffs 24, welcher sich nicht mit Kohlenstoffablage rungen 10 an der Anode 12 zu gasförmigen Kohlenstoffmonoxid 26 verbindet, nicht zu Nickelatomen der Anode 12, sondern strömen in die Anode 12 ein. Die Sauerstoffmo leküle 32 werden zu Sauerstoffatomen 88 gespalten. Die Sauerstoffatome 88 nehmen durch die Gleichspannungsquelle 44 der Anode 12 zugeführte Elektronen 34 auf, wodurch Sauerstoffanionen 36 gebildet werden. Die Sauerstoffanionen 36 strömen aufgrund der Triebkraft der elektrischen Gleichspannung 20 bis zum Elektrolyten 18, durchströmen diesen und strömen in die Kathode 16 ein. In der Kathode 16 werden die Elektronen 34 von den Sauerstoffanionen 36 getrennt. Die so gebildeten Sauerstoff atome 88 verbinden sich zu Sauerstoffmolekülen 32. Die Sauerstoffmoleküle 32 strö men aus der Kathode 16 aus und werden von dieser weggeleitet. A portion of the oxygen 24, which does not combine with carbon deposits 10 at the anode 12 to form gaseous carbon monoxide 26, diffuses into a porous structure of the anode 12. Due to the applied DC voltage 20, the oxygen molecules 32 of the oxygen 24, which does not connect with Kohlenstoffablage ments 10 at the anode 12 to gaseous carbon monoxide 26, not to nickel atoms of the anode 12, but flow into the anode 12 a. The Sauerstoffmo molecules 32 are cleaved to oxygen atoms 88. Take the oxygen atoms 88 through the DC voltage source 44 of the anode 12 supplied to electrons 34, whereby oxygen anions 36 are formed. The oxygen anions 36 flow due to the driving force of the DC electrical voltage 20 to the electrolyte 18, flow through this and flow into the cathode 16 a. In the cathode 16, the electrons 34 are separated from the oxygen anions 36. The oxygen atoms 88 thus formed combine to form oxygen molecules 32. The oxygen molecules 32 flow out of the cathode 16 and are conducted away from it.

Claims

Ansprüche claims

1. Verfahren zur Entfernung von Kohlenstoffablagerungen (10) an einer Anode (12) einer Brennstoffzelleneinheit (14), welche die Anode (12), eine Kathode (16) und einen zwischen der Anode (12) und der Kathode (16) angeordneten Elektrolyt (18) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass in zumindest einem Verfahrensschritt eine elektrische Gleichspannung (20) zwischen der Kathode (16) und der Anode (12) angelegt wird und der Anode (12) ein sauerstoffhalti ges Gas (22) zugeführt wird, wobei zumindest ein Teil des Sauerstoffs (24) da zu vorgesehen ist, sich mit Kohlenstoffablagerungen (10) an der Anode (12) zu gasförmigen Kohlenstoffmonoxid (26) zu verbinden. A method of removing carbon deposits (10) at an anode (12) of a fuel cell unit (14) comprising the anode (12), a cathode (16) and an electrolyte disposed between the anode (12) and the cathode (16) (18), characterized in that in at least one process step, a DC electrical voltage (20) between the cathode (16) and the anode (12) is applied and the anode (12) an oxygen-containing gas (22) is supplied, wherein at least a portion of the oxygen (24) is intended to combine with carbon deposits (10) at the anode (12) to form gaseous carbon monoxide (26).

2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass an der Anode (12) ein negatives elektrisches Potential (28) und an der Kathode (16) ein posi tives elektrisches Potential (30) angelegt wird. 2. The method according to claim 1, characterized in that at the anode (12) has a negative electrical potential (28) and at the cathode (16) a posi tives electrical potential (30) is applied.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in zumin dest einem Verfahrensschritt ein Teil des Sauerstoffs (24) in die Anode (12) eindiffundiert, wobei die Sauerstoffmoleküle (32) gespalten und durch Zufüh rung von Elektronen (34) Sauerstoffanionen (36) gebildet werden. 3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that in at least one method step, a portion of the oxygen (24) diffused into the anode (12), wherein the oxygen molecules (32) split and by Zufüh tion of electrons (34) oxygen anions (36) are formed.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Sauerstoff anionen (36) in zumindest einem Verfahrensschritt aufgrund der Triebkraft der elektrischen Gleichspannung (20) durch den Elektrolyten (18) in die Kathode (16) strömen. 4. The method according to claim 3, characterized in that the oxygen anions (36) flow in at least one method step due to the driving force of the electrical DC voltage (20) through the electrolyte (18) into the cathode (16).

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass in zumindest ei nem Verfahren in der Kathode (16) die Elektronen (34) von den Sauerstoffanio nen (36) getrennt und Sauerstoffmoleküle (32) gebildet werden. 5. The method according to claim 4, characterized in that in at least egg nem method in the cathode (16) the electrons (34) of the Sauerstoffanio NEN (36) separated and oxygen molecules (32) are formed.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Sauerstoff moleküle (32) in zumindest einem Verfahrensschritt aus der Kathode (16) aus strömen. 6. The method according to claim 5, characterized in that the oxygen molecules flow (32) in at least one method step from the cathode (16).

7. Brennstoffzellenvorrichtung, welche dazu vorgesehen ist, mit einem kohlenwas serstoffhaltigen fluidischen Brennstoff (40) betrieben zu werden, mit einer Brennstoffzelleneinheit (14), welche eine Anode (12), eine Kathode (16) und ei nen zwischen der Anode (12) und der Kathode (16) angeordneten Elektrolyt (18) aufweist, gegenzeichnet durch eine Sauerstoffzuführung (42), welche da- zu vorgesehen ist, zur Entfernung von Kohlenstoffablagerungen (10) an der7. Fuel cell device, which is intended to be operated with a hydrocarbon-containing fluidic fluid (40), with a fuel cell unit (14) having an anode (12), a cathode (16) and egg nen between the anode (12) and the cathode (16) arranged electrolyte (18), marked by an oxygen supply (42), which is provided for the removal of carbon deposits (10) on the

Anode (12), der Anode (12) ein sauerstoffhaltiges Gas (22) zuzuführen. Anode (12), the anode (12) to supply an oxygen-containing gas (22).

8. Brennstoffzellenvorrichtung nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch zumin dest eine Gleichspannungsquelle (44), welche dazu vorgesehen ist, zur Entfer nung von Kohlenstoffablagerungen (10) an der Anode (12), eine Gleichspan nung (20) zwischen der Anode (12) und der Kathode (16) zu erzeugen. 8. A fuel cell device according to claim 7, characterized by at least one DC voltage source (44), which is provided for Entfer tion of carbon deposits (10) on the anode (12), a DC clamping voltage (20) between the anode (12) and to produce the cathode (16).

9. Brennstoffzellenvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleichspannungsquelle (44) dazu vorgesehen ist, an der Anode (12) ein negatives elektrisches Potential (28) und an der Kathode (16) ein positives elektrisches Potential (30) anzulegen. 9. Fuel cell device according to claim 8, characterized in that the DC voltage source (44) is provided at the anode (12) a negative electric potential (28) and at the cathode (16) to apply a positive electrical potential (30).