DE10008823B4

DE10008823B4 - Brennstoffzellensystem und Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems

Info

Publication number: DE10008823B4
Application number: DE10008823A
Authority: DE
Inventors: Andreas Dipl.-Ing. Knoop
Original assignee: NuCellSys GmbH
Current assignee: Mercedes Benz Fuel Cell GmbH
Priority date: 2000-02-25
Filing date: 2000-02-25
Publication date: 2006-08-17
Anticipated expiration: 2020-02-26
Also published as: DE10008823A1

Abstract

Brennstoffzellensystem mit einer Brennstoffzelle (1), Leitungs- und Ventilmitteln zum Zuführen von Brennstoffen, einem Brennstoffspeicher (2), einer zuleitungsseitig des Brennstoffspeichers (2) angeordneten ersten Verdichtereinrichtung (4, 14), die dazu eingerichtet ist, dem Brennstoffspeicher (2) zuzuführenden Brennstoff zu verdichten, und einer zweiten Verdichtereinrichtung (6), die dazu eingerichtet ist, einer Kathode (1a) der Brennstoffzelle (1) zuzuführende Verbrennungsluft zu verdichten, dadurch gekennzeichnet, dass ableitungsseitig des Brennstoffspeichers (2) eine Expansionseinrichtung (5, 14) angeordnet ist, die dazu eingerichtet ist, aus dem Brennstoffspeicher (2) abzuführenden Brennstoff zu expandieren und die ferner dazu eingerichtet ist, die zweite Verdichtereinrichtung (6) zumindest unterstützend anzutreiben.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem und ein Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems.
Brennstoffzellen sind aufgrund ihres hohen Wirkungsgrades und der geringen Umweltbelastung zunehmend für den Einsatz in Fahrzeugen von Interesse. Gerade beim Einsatz in Fahrzeugen unterliegen diese Systeme beim Starten/Anfahren und hinsichtlich des schnellen Reagierens auf unterschiedliche Lastbeanspruchungen besonderen Anforderungen.

Aus der US 5,686,196 A ist ein Brennstoffzellensystem bekannt, das eine Brennstoffzelle, einen Reformer und eine Speichereinheit für Wasserstoff umfasst. Ein Teil des durch Reformation erzeugten Wasserstoffes wird bei niedrigem Druck in fester Form in einem Metallhydridspeicher zwischengespeichert und bei Bedarf, insbesondere beim Hoch- und Herunterfahren des Systems, über eine Mischvorrichtung der Brennstoffzelle zugeführt.

Aus der US 4,349,613 A ist ein Verfahren zum Betrieb einer kombinierten Lithium-Hochenergie-/Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle bekannt. Dabei wird eine Speicherbatterie für einen Lastausgleich der Ströme von Brennstoffzelle und Lithiumzelle und zur Laststeuerung eines Motors parallel zur Brennstoffzelle und zur Lithiumzelle betrieben. Weiterhin wird Wasserstoff in einem Metallhydridreservoir, einem Druckbehälter oder einer Niederdruckleitung vor dem Zuführen zur Brennstoffzelle gespeichert.

Aus der US 5,962,155 A ist ein Brennstoffzellensystem mit einem Wasserstoffspeicherbehälter bekannt. Der Speicherbehälter ist mit einer wasserstoffabsorbierenden Legierung gefüllt und auswechselbar ausgebildet. Der Brennstoffzellenkörper einer Brennstoffzelle und der Speicherbehälter sind über einen guten Wärmeleiter miteinander verbunden, um die Abwärme der Brennstoffzelle zum Erwärmen des Speicherbehälters zu nutzen bzw. die Brennstoffzelle zu kühlen.

Aus der US 4,659,634 A ist eine elektrochemische Energieerzeugungsvorrichtung mit Brennstoffzellen bekannt, bei der Wasserstoff für die Brennstoffzellen in einem Reformer erzeugt wird. Das Anfahren des Systems erfolgt mit Wasserstoffgas, das zuvor in einem Druckzylinder gespeichert wurde.

Aus der US 4,904,548 A ist ein Verfahren zum Steuern bzw. Regeln einer Brennstoffzelle bekannt. Eine Reserve- bzw. Sicherheitsbatterie ist zur Brennstoffzelle parallel geschaltet und dient zum schnellen Abdecken von Lastspitzen.

Aus der US 4,657,829 A ist eine Energieerzeugungsvorrichtung mit Brennstoffzellen für Fahrzeuge bekannt. Der Brennstoff für die Brennstoffzelle wird mittels Methanolreformierung bereitgestellt. Bei Betriebsphasen mit niedrigem Energiebedarf wird ein Teil der in der Brennstoffzelle erzeugten elektrischen Energie zum Erzeugen von Sauerstoff und Wasserstoff durch Elektrolyse von Wasser verwendet. Der erzeugte Sauerstoff und Wasserstoff wird in Druckkesseln gespeichert. Bei hohem Leistungsbedarf, z. B. beim Starten und bei Beschleunigungen, wird die Brennstoffzelle nur mit reinem Sauerstoff und Wasserstoff betrieben.

Aus der US 5,728,483 A ist ein System zum Speichern von Wasserstoff und zur Verwendung von Wasserstoff als Energiequelle bekannt. Dabei ist als Speicher ein Druckbehälter zum Speichern von flüssigem Wasserstoff und ein Wasserstoff Metallhydridspeicher vorgesehen. Das beim Befüllen mit flüssigem Wasserstoff entweichende und das während der Speicherung im Flüssigspeicher entstehende Wasserstoffgas wird in dem Metallhydridspeicher gespeichert. Aus dem Wasserstoff wird mittels einer Brennstoffzelle elektrische Energie erzeugt.

Aus der US 5,229,222 A ist ein Brennstoffzellensystem mit ruhigem Anfahrverhalten bekannt. Das System hat einen Haupt- und Hilfsspeicher aus wasserstoffabsorbierenden Legierungen, wobei die Legierung des Hilfsspeichers einen höheren Wasserstoff-Absorption/Desorption-Gleichgewichtsdruck aufweist. Beim stationären Betrieb speist der Hauptspeicher den Hilfsspeicher mit Wasserstoff. Während der Anfahrphase wird der Wasserstoff des Hilfsspeichers verwendet, bis mit Erreichen der Betriebstemperatur der Absorption/Desorption-Gleichgewichtsdruck des Hauptspeichers größer als der des Hilfsspeichers ist.

Aus der US 5,527,632 A ist ein Brennstoffzellensystem mit Brennstoffzellenstack, Reformer und Wasserstoffspeicher bekannt. Der Wasserstoffspeicher ist als Metallhydridspeicher oder Druckbehälter ausgebildet und wird während des Reformerbetriebs mit Wasserstoff befüllt. Über den Wasserstoffspeicher wird der Wasserstoffbedarf für die Brennstoffzelle bei geringen Lastanforderungen, zur schnellen Reaktion auf Lastspitzen und zum Starten des Reformers abgedeckt. Dadurch kann der Reformer in einem Ein-Aus-Betrieb betrieben werden.

Die WO 99/65097 A1 offenbart ein Brennstoffzellensystem, bei dem ein aus einem Reformer austretender wasserstoffhaltiger Gasstrom zu einer Trennmembran geleitet wird, um Verunreinigungen, wie z.B. CO₂ aus dem Gasstrom abzutrennen. Anschließend wird der gereinigte Wasserstoffstrom zum Abkühlen durch einen Wärmetauscher geleitet und schließlich mittels eines Wasserstoffkompressors einem einer Brennstoffzelle vorgeschalteten Wasserstoffspeicher zugeführt. Der Wasserstoffspeicher dient dem Schutz der Brennstoffzelle und stellt ein Wasserstoff-Puffervolumen bereit. Einer Kathodenseite der Brennstoffzelle wird mittels eines weiteren Kompressors verdichtete Luft zugeführt.

Die US 5,832,728 A beschreibt ein Verfahren zur Übertragung und Speicherung von Energie, bei dem ein Fluid in einer Mischeinrichtung mit einem Kühlmittel gemischt wird. Anschließend wird die Fluid/Kühlmittelmischung mittels eines Kompressors verdichtet und in einem Speicherbehälter gespeichert. Zur Rückgewinnung der bei der Verdichtung eingesetzten Energie wird die Fluid/Kühlmittelmischung bei der Abfuhr aus dem Speicherbehälter durch einen Expander geleitet.

Aus der US 5,417,051 A ist eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Erzeugung von elektrischer und mechanischer Energie durch Oxidation eines Brennstoffs bekannt. Ein sauerstoffhaltiges Gas, wie z.B. Luft, wird mittels zweier Kompressoren verdichtet, in einem Wärmetauscher aufgeheizt und einer Brennkammer zugeführt. Aus der Brennkammer austretende heiße Gase werden in einer Turbine expandiert und anschließend einem Reformer zugeführt. Aus dem Reformer werden schließlich ein wasserstoffhaltiger Gasstrom sowie ein sauerstoffhaltiger Gasstrom in eine Brennstoffzelle geleitet. Die in der Turbine erzeugte mechanische Energie wird teilweise zum Antrieb der Kompressoren und teilweise zur Erzeugung eines elektrischen Stroms genutzt.

Die DE 689 03 529 T2 beschreibt ein Umlaufsystem für das Recycling der Auspuffgase einer Brennkraftmaschine, das einen als Membrankompressor ausgebildeten Verdichter umfasst. In dem System ist ein Gravitationsseparator vorgesehen, um eine gasförmige Mischung aus Sauerstoff und CO₂ zu trennen.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Brennstoffzellensystem, das einfach und kompakt aufgebaut ist und eine verbesserte Energiebilanz beim Starten und bei Lastspitzen aufweist, sowie ein Verfahren zum Betrieb desselben zu schaffen. Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, die Emissionsbelastung beim Starten zu verringern.

Zur Lösung dieser Aufgabe werden sowohl ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Anspruches 1 als auch Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems mit den Merkmalen des Anspruches 12 und des Anspruches 13 vorgeschlagen.

Erfindungsgemäß ist demnach bei einem Brennstoffzellensystem ableitungsseitig des Brennstoffspeichers eine Expansionseinrichtung angeordnet. Durch eine zuleitungsseitige erste Verdichtereinrichtung wird der Brennstoff für die Brennstoffzellen unter Druck im Brennstoffspeicher gespeichert. Durch die Speicherung unter hohem Druck kann das Verhältnis von Brennstoffmenge zu Speichervolumen erhöht werden. Für die Komprimierung des Gases muss dabei jedoch eine entsprechende Energiemenge aufgebracht werden. Erfindungsgemäß kann ein Teil dieser aufzuwendenden Energie bei Abgabe des Brennstoffes aus dem Brennstoffspeicher mittels der Expansionseinrichtung genutzt werden.

Die Expansionseinrichtung treibt eine zweite Verdichtereinrichtung zum Verdichten der Verbrennungsluft mindestens unterstützend an. Diese zweite Verdichtereinrichtung ist vorzugsweise ein Kompressor. Eine solche Anordnung ist insbesondere beim Anfahren bzw. Starten des Systems zweckmäßig, da die Brennstoffzelle zu diesem Zeitpunkt noch keine elektrische Energie erzeugt. Dadurch wird der Bedarf an elektrischer Energie gesenkt, so dass eine Startbatterie entsprechend kleiner dimensioniert werden kann bzw. unter Umständen während der Startphase nur für den Betrieb anderer Zusatzaggregate vorzusehen ist. Bei Lastspitzen, z. B. wenn das Fahrzeug beschleunigt, erhält die zweite Verdichtereinrichtung über die Expansionseinrichtung ein zusätzliches Antriebsmoment, so dass nicht nur eine entsprechende Menge Brennstoff aus dem Brennstoffspeicher zugeführt wird, sondern auf diese Art und Weise auch eine höhere Verdichtung der Verbrennungsluft erreicht werden kann.

Gemäss einem ersten erfindungsgemäßen Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems durchströmt der Brennstoff bei Abgabe aus dem Brennstoffspeicher die Expansionseinrichtung und über die geleistete Expansionsarbeit des Brennstoffes kann eine zweite Verdichteranordnung zumindest unterstützend angetrieben werden, die einer Kathode einer Brennstoffzelle zuzuführende Verbrennungsluft verdichtet. Vorteilhafterweise wird dadurch eine bessere Energiebilanz erreicht. Die Expansions einrichtung kann dazu verwendet werden, andere Geräte wie Pumpe, Kompressor oder Dynamo anzutreiben oder selbst als eine entsprechende, durch den durchströmenden Brennstoff angetriebene Vorrichtung ausgebildet sein. Die gewonnene Energie kann auch in elektrische Energie umgewandelt werden, um beispielsweise Geräte anzutreiben und/oder diese in einer Batterie zu speichern.

Gemäss einem zweiten erfindungsgemäßen Verfahren wird ein Betrieb eines Brennstoffzellensystems ermöglicht, bei dem der Brennstoff von Kohlendioxid gereinigt wird. Erfindungsgemäß wird bei dem Verfahren der Druck in dem Brennstoffspeicher bei einer vorgegebenen Temperatur so hoch gewählt, dass im Brennstoff enthaltenes CO₂ durch Verflüssigung vom Brennstoff abgetrennt wird. Auf vorteilhafte Art und Weise wird erreicht, dass im Brennstoffspeicher eine um den abgetrennten CO₂-Anteil erhöhte Brennstoffmenge gespeichert werden kann, wobei der von CO₂ gereinigte Brennstoff außerdem einen höheren Brennwert aufweist. Die Verwendung des Brennstoffes aus dem Brennstoffspeicher mit höherem Brennwert ist insbesondere beim Anfahren bzw. beim Starten des Systems von Vorteil, weil hierdurch kürzere Start- bzw. Warmlaufzeiten erreicht werden können. Auch zum Abdecken von Lastspitzen, wie sie z. B. bei Beschleunigungen auftreten, kann der von CO₂ gereinigte Brennstoff mit höherem Brennwert der Brennstoffzelle als zusätzlicher oder ausschließlicher Brennstoff zugeführt werden.

Zumindest in einigen Staaten der USA wird, anders als derzeit in Europa, auch CO₂ zu den Schadstoffabgasen bei Kraftfahrzeugen gezählt. Durch die Verwendung des Brennstoffes aus dem Brennstoffspeicher wird ein schadstoffärmerer bzw. CO₂-freier Betrieb des Brennstoffzellensystems ermöglicht. Ein solcher Betrieb ist in weitgehend geschlossenen Räumen, wie in Parkhäusern oder Tunneln, aber auch z. B. bei Parkplätzen in unmittelbarer Nähe zu Wohnhäusern von Vorteil. Dabei werden die Abgase gerade in der schadstoffreichen Startphase, insbesondere bei noch nicht warmgelaufenem System, reduziert. Zusätzlich kann vorgesehen sein, die Belastung der Außenluft durch Sensoren zu erfassen, um gegebenenfalls, z. B. bei Tunneldurchfahrten, durch Verwendung des Brennstoffes aus dem Brennstoffspeicher auf die schadstoffärmere Betriebsweise umzuschalten. Dabei kann diese Betriebsweise mit den bekannten automatisch arbeitenden Umluftsystemen von Kraftfahrzeugen kombiniert werden, um so nicht nur die Außenluft vom Innenraum fernzuhalten bzw. zu filtern, sondern gleichzeitig auch aktiv eine weitere Belastung der Außenluft zu vermeiden.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Bei einer zweckmäßigen Ausführungsform der Erfindung umfassen die Expansionseinrichtung und die zweite Verdichtereinrichtung ein gemeinsames Antriebsmittel, das vorzugsweise eine Antriebswelle ist. Dadurch wird eine einfache und kompakte Bauform erreicht. Es ist aber auch möglich, die gewonnene Energie in elektrische Energie umzuwandeln, um damit die zweite Verdichtereinrichtung zumindest unterstützend anzutreiben.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind Kupplungsmittel vorgesehen, über die die Expansionseinrichtung und/oder die zweite Verdichtereinrichtung an das gemeinsame Antriebsmittel an- und abkuppelbar sind. Dadurch wird gewährleistet, dass die zweite Verdichtereinrichtung antriebsmäßig von der Expansionseinrichtung getrennt werden kann, um ein Mitlaufen der Expansionseinrichtung, z. B. wenn aus dem Brennstoffspeicher kein Brennstoff entnommen wird, zu verhindern.

Bei einer zweckmäßigen Fortbildung der Erfindung sind Zu- und Ableitung des Brennstoffspeichers durch eine einzige Leitung und die erste Verdichtereinrichtung und die Expansionseinrichtung durch eine einzige Mehrzweckeinrichtung ausgebildet, wobei die Mehrzweckeinrichtung sowohl als Verdichter als auch Expander betreibbar ist. Dadurch wird ein besonders platzsparender und einfacher Aufbau ermöglicht. Durch die Verwendung einer einzigen Vorrichtung als Verdichter und Expander werden außerdem Kosten gespart. Eine solche Vorrichtung kann z. B. durch einen Membrankompressor oder eine Turbine verwirklicht sein. Beim Speichern von Brennstoff im Brennstoffspeicher werden diese als eine Verdichtereinrichtung verwendet. Lässt man den Brennstoff bei der Entnahme aus dem Brennstoffspeicher durch diese hindurch strömen, so wirken diese als eine Expansionseinrichtung, d. h. werden von dem durchströmenden Brennstoff getrieben. Durch einen zeitweisen Rückwärtsbetrieb der Verdichtereinrichtung bei der Entnahme des Brennstoffes kann die Verdichtereinrichtung somit auf einfache Art und Weise als Expansionseinrichtung betrieben werden.

Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung umfasst der Brennstoffspeicher eine Sammelvorrichtung für flüssig abgeschiedenes CO₂. Das CO₂ kann dadurch gesammelt und zu bestimmten Zeiten bzw. an bestimmten Orten freigegeben werden.

Eine zweckmäßige Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das Brennstoffzellensystem einen Reformer zum Erzeugen des Brennstoffes umfasst, wobei der erzeugte Brennstoff teilweise der Brennstoffzelle und/oder dem Brennstoffspeicher zugeführt wird. Dadurch kann der Brennstoff für die Brennstoffzelle, nämlich Wasserstoff bzw. wasserstoffreiches Gas, vorteilhaft aus z. B. Methanol, Alkoholen, LPG (Liquid Petroleum Gas) oder NG (Natural Gas) bei Bedarf erzeugt werden. Diese Ausgangsstoffe sind im Vergleich zu Wasserstoff einfacher/problemloser zu speichern und weisen ein besseres Verhältnis von Speichervolumen pro Masse auf. Solche Systeme einschließlich der notwendigen nachgeschalteten Reinigungsstufen sind dem Fachmann bekannt, so dass hier auf eine detaillierte Beschreibung verzichtet werden kann.

Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.

Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

Die Erfindung ist anhand von zwei Ausführungsbeispielen in den Zeichnungen dargestellt und wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.
1 zeigt ein Blockschaltbild einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemässen Brennstoffzellensystems, und
2 zeigt ein Blockschaltbild einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemässen Brennstoffzellensystems, bei dem Verdichtereinrichtung und Expansionseinrichtung als eine Einrichtung verwirklicht sind.
1 zeigt ein Blockschaltbild einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemässen Brennstoffzellensystems. Das Brennstoffzellensystem umfasst eine Brennstoffzelle 1, die eine Anode 1b und Kathode 1a aufweist. Die Anode 1b wird über Leitungen 8 und 13 mit Brennstoff und die Kathode 1b wird über eine Leitung 9 mit Verbrennungsluft versorgt.
Der Brennstoff, nämlich Wasserstoff bzw. wasserstoffhaltiges Gas, wird in einem Reformer 10 erzeugt, der durch einen katalytischen Brenner 11 geheizt wird. Das erzeugte wasserstoffreiche Gas wird anschließend durch eine oder mehrere CO-Reinigungsstufen 12 hindurchgeführt. Dabei kann es sich z. B. um eine CO-Shift-Stufe oder eine CO-Oxidationstufe handeln. Systeme zur Reformierung von Wasserstoff aus beispielsweise Methanol, Alkoholen, LPG (Liquid Petroleum Gas) oder NG (Natural Gas) sind dem Fachmann bekannt, weswegen hier auf eine detaillierte Darstellung und Beschreibung verzichtet wird.
Das gereinigte wasserstoffhaltige Gas wird über eine Leitung 13 der Brennstoffzelle 1 direkt zugeführt oder in einem Brennstoffspeicher 2 gespeichert. Zur Steuerung der Gasführung sind (nicht dargestellte) Ventile vorgesehen. Dabei kann der erzeugte Brennstoff vollständig oder auch nur anteilig an die Brennstoffzelle 1 und/oder den Brennstoffspeicher 2 weitergeleitet werden. In der Zuleitung 7 des Brennstoffspeichers 2 ist eine erste Verdichtereinrichtung 4 angeordnet. Diese ist vorzugsweise in Form eines Membrankompressors ausgebildet. Es ist aber auch die Verwendung einer Turbine oder anderer geeigneter Verdichtereinrichtungen möglich.
Mittels der ersten Verdichtereinrichtung 4 wird der Brennstoff in dem Brennstoffspeicher 2 unter einem derart hohen Druck gespeichert, dass das im Brennstoff enthaltene CO₂ durch Verflüssigung abgetrennt wird. Beispielsweise muss bei einer Temperatur von 31°C ein Druck gewählt werden, der größer als 76 bar ist. Das flüssige CO₂ wird in einer Sammelvorrichtung 3 gesammelt und kann über einen (nicht dargestellten) Ausgang abgegeben werden.
Mit Membrankompressoren können Drücke von bis zu 1000 bar erreicht werden. Unter anderem ist die im Brennstoffspeicher 2 speicherbare Brennstoffmenge vom Druck abhängig. Mit steigendem Druck nimmt auch die dafür aufzubringende Energiemenge zu. Bei der Abgabe des Brennstoffes durchströmt das Gas eine Expansionseinrichtung 5, die in der Ableitung 8 des Brennstoffspeichers 2 angeordnet ist. Die Expansionseinrichtung 5 ist vorzugsweise in Form eines Membrankompressors ausgebildet. Die Expansionseinrichtung 5 ist über ein gemeinsames Antriebsmittel 17, das vorzugsweise eine Antriebswelle ist, mit einer zweiten Verdichtereinrichtung 6 verbunden, die in der Zuleitung 9 für die Verbrennungsluft angeordnet ist. Zum Trennen der Verbindung der Expansionseinrichtung 5 und/oder der zweiten Verdichtereinrichtung 6 von der Antriebswelle 17 sind (nicht dargestellte) Kupplungsmittel vorgesehen. Die zweite Verdichtereinrichtung 6 kann beispielsweise ein Kompressor sein.
Beim Ausströmen des Brennstoffes wird über die Expansionseinrichtung 5 ein Teil der zum Druckspeichern des Brennstoffes benötigten Energie zurückgewonnen und für den Antrieb oder den unterstützenden Antrieb der zweiten Verdichtereinrichtung 6 verwendet. Brennstoff aus dem Brennstoffspeicher 2 wird der Brennstoffzelle 1 wie bereits vorstehend beschrieben beim Starten, zur schnellen Reaktion auf Lastspitzen oder für eine CO₂-freie Emission zugeführt. Dabei kann ausschließlich Brennstoff aus dem Brennstoffspeicher 2 und/oder Brennstoff von dem Reformer 10 über die Leitungen 13 und 8 der Brennstoffzelle 1 zugeführt werden. Dazu sind (nicht dargestellte) Ventile vorgesehen.
2 ist ein Blockschaltbild einer zweiten Ausführungsform der Erfindung, wobei gleiche Komponenten mit den gleichen Bezugszeichen wie in 1 bezeichnet sind. Auf eine wiederholende Beschreibung wird verzichtet. In 2 sind die in der 1 dargestellte erste Verdichtereinrichtung 4 und die ebenfalls in der 1 gezeigte Expansionseinrichtung 5 als eine Mehrzweckeinrichtung 14 ausgeführt, die zeitweise als ein Verdichter oder als eine Expansionseinrichtung betreibbar ist. Die Mehrzweckeinrichtung 14 ist vorzugsweise in Form eines Membrankompressors ausgebildet, der durch Rückwärtsbetrieb als Expansionseinrichtung wirkt. Anstelle der in der 1 gezeigten Leitungen 7, 8 ist eine Leitung 15 vorgesehen, die als Zuleitung oder Ableitung betrieben wird. Dazu sind (nicht dargestellte) Ventile und/oder Rückschlagventile vorgesehen. Über die Leitung 16 wird die Anode 1b der Brennstoffzelle 1 mit Brennstoff aus dem Brennstoffspeicher 2 versorgt. Dabei kann ausschließlich Brennstoff aus dem Brennstoffspeicher 2 und/oder Brennstoff von dem Reformer 10 über die Leitungen 13 und 16 der Brennstoffzelle 1 zugeführt werden. Ein gleichzeitiges Befüllen mit Brennstoff und eine Abgabe von Brennstoff aus dem Brennstoffspeicher 2 ist anders als bei der ersten Ausführungsform nicht möglich. Die zweite Ausführungsform stellt eine im Aufbau besonders kompakte und kostengünstige Ausführung der Erfindung dar.

Claims

Brennstoffzellensystem mit einer Brennstoffzelle (1), Leitungs- und Ventilmitteln zum Zuführen von Brennstoffen, einem Brennstoffspeicher (2), einer zuleitungsseitig des Brennstoffspeichers (2) angeordneten ersten Verdichtereinrichtung (4, 14), die dazu eingerichtet ist, dem Brennstoffspeicher (2) zuzuführenden Brennstoff zu verdichten, und einer zweiten Verdichtereinrichtung (6), die dazu eingerichtet ist, einer Kathode (1a) der Brennstoffzelle (1) zuzuführende Verbrennungsluft zu verdichten, dadurch gekennzeichnet, dass ableitungsseitig des Brennstoffspeichers (2) eine Expansionseinrichtung (5, 14) angeordnet ist, die dazu eingerichtet ist, aus dem Brennstoffspeicher (2) abzuführenden Brennstoff zu expandieren und die ferner dazu eingerichtet ist, die zweite Verdichtereinrichtung (6) zumindest unterstützend anzutreiben.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Expansionseinrichtung (5, 14) und die zweite Verdichtereinrichtung (6) ein gemeinsames Antriebsmittel (17) aufweisen.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das gemeinsame Antriebsmittel (17) eine Antriebswelle ist.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Expansionseinrichtung (5, 14) und/oder die zweite Verdichtereinrichtung (6) über Kupplungsmittel an das gemeinsame Antriebsmittel (17) an- und abkuppelbar vorgesehen sind.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass Zu- und Ableitung des Brennstoffspeichers (2) durch eine einzige Leitung (15) ausgebildet sind und dass eine einzige Mehrzweckeinrichtung (14) vorgesehen ist, die sowohl als erste Verdichtereinrichtung als auch als Expansionseinrichtung betreibbar ist.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Verdichtereinrichtung (4, 14) und/oder die Expansionseinrichtung (5, 14) ein Membrankompressor ist.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Verdichtereinrichtung (4, 14) und/oder die Expansionseinrichtung (5, 14) eine Turbine ist.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoffspeicher (2) ein Druckbehälter ist.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoffspeicher (2) eine wasserstoffabsorbierende Legierung als Speichermedium umfasst.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoffspeicher (2) eine Sammelvorrichtung (3) für flüssig abgeschiedenes CO₂ umfasst.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoffzellensystem einen Reformer (10) zum Erzeugen des Brennstoffes umfasst.
Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems nach einem der Ansprüche 1 bis 11, bei dem Brennstoff mittels einer ersten Verdichtereinrichtung (4, 14) unter Druck in einem Brennstoffspeicher (2) gespeichert wird und bei dem eine zweite Verdichtereinrichtung (6) einer Kathode (1a) einer Brennstoffzelle (1) zuzuführende Verbrennungsluft verdichtet, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoff bei Abgabe aus dem Brennstoffspeicher (2) eine Expansionseinrichtung (5, 14) durchströmt und über die geleistete Expansionsarbeit des Brennstoffes die zweite Verdichtereinrichtung (6) zumindest unterstützend angetrieben wird.
Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems nach einem der Ansprüche 1 bis 11, bei dem Brennstoff mittels einer ersten Verdichtereinrichtung (4, 14) unter Druck in einem Brennstoffspeicher (2) gespeichert wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck in dem Brennstoffspeicher (2) bei einer vorgegebenen Temperatur so hoch gewählt wird, dass im Brennstoff enthaltenes CO₂ durch Verflüssigung vom Brennstoff abgetrennt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Verdichten und/oder die Expansion mit einem Membrankompressor ausgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Verdichten und/oder die Expansion mit einer Turbine ausgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzweckeinrichtung (14) zeitweise als erste Verdichtereinrichtung und zeitweise rückwärts als Expansionseinrichtung betrieben wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoff aus dem Brennstoffspeicher (2) der Brennstoffzelle (1) beim Starten des Brennstoffzellensystems zugeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoff aus dem Brennstoffspeicher (2) der Brennstoffzelle (1) zum Abdecken von Lastspitzen des Brennstoffzellensystems zugeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass zeitweise ausschließlich der Brennstoff aus dem Brennstoffspeicher (2) der Brennstoffzelle (1) zugeführt wird, um eine CO₂-freie Emission zu gewährleisten.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoff durch Reformierung in einem Reformer (11) erzeugt wird, wobei der erzeugte Brennstoff teilweise der Brennstoffzelle (1) und/oder dem Brennstoffspeicher (2) zugeführt wird.