DE10013602A1 - Fuel cell system with carbon monoxide absorber e.g. for fuel cell vehicles, has desorption arrangement with desorption flow feed connected to entry side of desorption region branching off cathode gas feed - Google Patents
Fuel cell system with carbon monoxide absorber e.g. for fuel cell vehicles, has desorption arrangement with desorption flow feed connected to entry side of desorption region branching off cathode gas feedInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie auf ein derart betreibbares Brennstoffzellensystem nach dem Oberbegriff des Anspruchs 5.The invention relates to a method for operating a Fuel cell system according to the preamble of claim 1 as well as a fuel cell system that can be operated in this way the preamble of claim 5.
Ein derartiges Brennstoffzellensystem und ein Betriebsverfahren hierfür sind in der Patentschrift EP 0 750 361 B1 beschrieben. Beim dortigen System sind der Brennstoffzellen-Anodenseite in der zugehörigen Brennstoffzuführung ein oder zwei parallele CO- Adsorberkörper vorgeschaltet. Der Brennstoffstrom kann insbe sondere ein wasserstoffreicher Reformatgasstrom aus einer Methanolreformierungsreaktion sein. Die Adsorberkörper werden zeitlich alternierend im Adsorptionsmodus und Desorptionsmodus betrieben. In der Realisierung mit zwei parallelen Adsorberkör pern wird jeweils der eine im Adsorptionsmodus und der andere im Desorptionsmodus gefahren. Im Desorptionsmodus wird der be treffende Adsorberkörper mit einem Desorptionsstrom beauf schlagt, für den Wasserdampf, ein Kohlenwasserstoffgasstrom, das Abgas aus einer Verbrennung oder ein Gemisch dieser Be standteile vorgeschlagen wird, wobei auch die Möglichkeit der Verwendung eines sauerstoffhaltigen Gasstroms erwähnt, ein nicht-oxidierender Desorptionsstrom jedoch bevorzugt wird.Such a fuel cell system and an operating method this is described in the patent specification EP 0 750 361 B1. In the system there, the fuel cell anode side is in the associated fuel supply one or two parallel CO Adsorber body upstream. The fuel flow can in particular especially a hydrogen-rich reformate gas stream from one Methanol reforming reaction. The adsorber body will alternating in time in the adsorption mode and desorption mode operated. In the implementation with two parallel adsorber bodies One becomes in the adsorption mode and the other driven in desorption mode. In desorption mode, the be hit adsorber body with a desorption stream strikes, for the water vapor, a hydrocarbon gas stream, the exhaust gas from a combustion or a mixture of these be Ingredients is proposed, with the possibility of Use of an oxygen-containing gas stream mentioned however, non-oxidizing desorption stream is preferred.
Die Verwendung eines sauerstoffhaltigen Desorptionsstroms zur Desorption je eines von zwei parallelen CO-Adsorberkörpern ist auch aus der Offenlegungsschrift JP 03-208801 (A) bekannt.The use of an oxygen-containing desorption stream for Desorption is one of two parallel CO adsorber bodies also known from the published patent application JP 03-208801 (A).
Der Erfindung liegt als technisches Problem die Bereitstellung eines Brennstoffzellensystems der eingangs genannten Art und eines Betriebsverfahrens hierfür zugrunde, die eine ausreichen de Entfernung von Kohlenmonoxid aus dem Brennstoffstrom für die eine oder mehreren Brennstoffzellen mit einem oder mehreren CO- Adsorbern ermöglichen, aus denen sich das adsorbierte Kohlen monoxid vergleichsweise gut und ökonomisch desorbieren lässt.The invention is a technical problem of providing a fuel cell system of the type mentioned and an operating procedure for this, which are sufficient de Removal of carbon monoxide from the fuel stream for the one or more fuel cells with one or more CO Enable adsorbers that make up the adsorbed coal monoxide can be desorbed comparatively well and economically.
Die Erfindung löst dieses Problem durch die Bereitstellung ei nes Brennstoffzellensystem-Betriebsverfahrens mit den Merkma len des Anspruchs 1 sowie eines Brennstoffzellensystems mit den Merkmalen des Anspruchs 5 oder 6.The invention solves this problem by providing egg nes fuel cell system operating method with the characteristics len of claim 1 and a fuel cell system with the Features of claim 5 or 6.
Gemäß dem Betriebsverfahren nach Anspruch 1 besteht der sauer stoffhaltige Desorptionsstrom charakteristischerweise aus einem vom Kathodenzufuhrgasstrom der einen oder mehreren Brennstoff zellen abgezweigten Gasstrom und/oder aus wenigstens einem Teil des von der oder den Brennstoffzellen abgegebenen Kathodenabga ses. Durch diese Maßnahme wird der im Kathodenzufuhrgasstrom, z. B. einem Luftstrom, enthaltene Sauerstoff bzw. der im Katho denabgas noch enthaltene Restsauerstoff zur Desorption des Koh lenmonoxids im CO-Adsorber genutzt, der je nach Systemauslegung aus einem einzigen oder aus mehreren parallelen Adsorberkörpern bestehen kann. Eine separate Bereitstellung eines sauerstoff haltigen Gasstroms als Desorptionsstrom kann dadurch entfallen. Das Brennstoffzellensystem nach Anspruch 5 weist die für eine solche Betriebsweise erforderlichen Mittel auf.According to the operating method according to claim 1, there is acid Desorption stream containing substance characteristically from one from the cathode supply gas stream of the one or more fuels cells branched gas flow and / or from at least part the cathode output given off by the fuel cell or cells ses. By this measure, the in the cathode supply gas stream, e.g. B. an air flow, oxygen or contained in the Katho denabgas remaining oxygen for desorption of Koh Lenmonoxids used in the CO adsorber, depending on the system design from a single or from several parallel adsorber bodies can exist. A separate deployment of an oxygen containing gas stream as a desorption stream can be omitted. The fuel cell system according to claim 5 has one for means necessary for such operation.
Bei einem nach Anspruch 2 weitergebildeten Betriebsverfahren wird der Desorptionsstrom an einer Stelle zwischen dem Brenn stoffzellen-Kathodenteil und einem stromaufwärts davon angeord neten Kompressor abgezweigt. Der Kompressor sorgt für die Be reitstellung eines verdichteten Kathodenzufuhrgasstroms. Auf grund der damit einhergehenden Kompressionswärme kann ein rela tiv heißer Desorptionsstrom abgezweigt werden, was den Desorp tionsvorgang fördert, ohne dass eine separate Beheizung zwin gend erforderlich ist. In a further developed operating method according to claim 2 the desorption stream is at a point between the burner Fabric cell cathode portion and an upstream thereof arranged branched compressor. The compressor takes care of the loading providing a compressed cathode feed gas stream. On due to the associated heat of compression, a rela tiv hot desorption stream can be branched, which the Desorp tion process promotes without separate heating is necessary.
Bei einem nach Anspruch 3 weitergebildeten Betriebsverfahren wird nach einem jeweiligen Desorptionsvorgang und vor dem näch sten Adsorptionsvorgang ein Kühlschritt durchgeführt, mit dem der CO-Adsorber von einer höheren Desorptionstemperatur ausrei chend heruntergekühlt wird, bevor der eigentliche Adsorptions vorgang beginnt. Damit kann einerseits eine zur Erzielung einer hohen Adsorptionseffektivität genügend niedrige Adsorptionstem peratur während des Adsorptionsmodus und andererseits eine zur Erzielung einer hohen Desorptioneffektivität genügend hohe Desorptionstemperatur während des Desorptionsmodus eingestellt werden.In a further developed operating method according to claim 3 is after a respective desorption process and before the next most adsorption process, a cooling step is carried out with which the CO adsorber has a higher desorption temperature chend is cooled down before the actual adsorption process begins. On the one hand, this can be used to achieve a high adsorption effectiveness, sufficiently low adsorption temperature temperature during the adsorption mode and on the other hand a Achieving a high desorption effectiveness sufficiently high Desorption temperature set during desorption mode become.
Bei einem nach Anspruch 4 weitergebildeten Verfahren ist vor einem jeweiligen Desorptionsvorgang nach Beendigung eines vor angegangenen Adsorptionsvorgangs und/oder vor einem jeweiligen Adsorptionsvorgang nach Beendigung eines vorangegangenen Desorptionsvorgangs ein Spülschritt vorgesehen, in welchem der betreffende CO-Adsorberbereich mit einem Spülgasstrom gespült wird. Auf diese Weise lässt sich zuverlässig vermeiden, dass sich der im Brennstoffstrom enthaltene Brennstoff, z. B. Wasser stoff, mit dem im Desorptionsstrom enthaltenen Sauerstoff mischt.In a further developed method according to claim 4 is before a respective desorption process after completing a approached adsorption process and / or before a respective Adsorption process after completion of a previous one Desorption process provided a rinsing step in which the relevant CO adsorber area flushed with a purge gas stream becomes. In this way it can be reliably avoided that the fuel contained in the fuel stream, e.g. B. water substance with the oxygen contained in the desorption stream mixes.
Das Brennstoffzellensystem nach Anspruch 6 zeichnet sich durch eine vorteilhafte Gestaltung des CO-Adsorbers aus. Der CO- Adsorber ist als trommelförmiger Rotoradsorber ausgelegt, dem an den beiden Stirnseiten je ein von entsprechenden Anschluß strukturen definierter Verteiler- bzw. Sammelraum für den Desorptionsstrom zugeordnet ist, während die Adsorbertrommel durch Trennwände in Segmente geeigneter Größe unterteilt ist und/oder aus einer Struktur mit durchgehenden Längskanälen auf gebaut ist. Durch Rotation der Adsorbertrommel werden deren einzelne Segmente kontinuierlich oder getaktet vom Adsorptions bereich in den Desorptionsbereich und von diesem wieder in den Adsorptionsbereich gedreht. Dadurch ist trotz Verwendung nur eines CO-Adsorberkörpers ein im wesentlichen kontinuierlicher, unterbrechungsfreier Betrieb des CO-Adsorbers und somit des Brennstoffzellensystems insgesamt möglich.The fuel cell system according to claim 6 is characterized by an advantageous design of the CO adsorber. The CO Adsorber is designed as a drum-shaped rotor adsorber, the on the two end faces one of the corresponding connection structures defined distribution or collection space for the Desorption flow is assigned while the adsorber drum is divided into suitable size segments by partitions and / or from a structure with continuous longitudinal channels is built. By rotating the adsorber drum, the individual segments continuously or clocked by adsorption area in the desorption area and from this back into the Adsorption area rotated. This is despite use only a CO adsorber body an essentially continuous, uninterrupted operation of the CO adsorber and thus the Overall fuel cell system possible.
Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Zeich nungen dargestellt und werden nachfolgend beschrieben. Hierbei zeigen:Advantageous embodiments of the invention are in the drawing are shown and are described below. Here demonstrate:
Fig. 1 eine schematische Blockdarstellung eines Brennstoffzel lensystems mit CO-Adsorber und kathodenzufuhrseitigen Desorptionsmitteln, Fig. 1 is a schematic block diagram of a cell system with Brennstoffzel CO adsorber and cathode supply side desorbents,
Fig. 2 eine schematische Blockdarstellung eines Brennstoffzel lensystems mit CO-Adsorber und kathodenabgasseitigen Desorptionsmitteln, Fig. 2 is a schematic block diagram of a cell system with Brennstoffzel CO adsorber and the cathode exhaust gas side desorbents,
Fig. 3 eine schematische Perspektivansicht eines in den Syste men der Fig. 1 und 2 verwendbaren CO-Rotationsadsorbers mit zugeordneten Desorptionsmitteln und Fig. 3 is a schematic perspective view of a usable in the Syste men of FIGS . 1 and 2 CO rotation adsorber with associated desorbents and
Fig. 4 eine ausschnittweise Querschnittansicht einer möglichen Realisierung des Trommelkörpers des CO-Rotationsadsor bers von Fig. 3. Fig. 4 is a fragmentary cross-sectional view of a possible realization of the drum body of the CO Rotationsadsor bers of FIG. 3.
Fig. 1 zeigt schematisch die vorliegend interessierenden Kompo nenten eines Brennstoffzellensystems. Das System umfasst eine Brennstoffzelle 1, die in üblicher Weise einen Anodenteil 1a und einen Kathodenteil 1b aufweist. Alternativ kann ein Satz mehrerer Brennstoffzellen vorgesehen sein. Dem Kathodenteil 1b wird über eine Kathodengaszufuhrleitung 2 ein sauer stoffhaltiger Kathodenzufuhrgasstrom zugeführt, der in verdich teter Form durch einen Kompressor 3 bereitgestellt wird. Hier bei kann es sich insbesondere um verdichtete Luft handeln, die der Kompressor 3 aus der Umgebungsluft entnimmt. Über eine Ka thodenabgasleitung 4 wird das Kathodenabgas aus dem Kathoden teil 1b abgeführt. Dem Anodenteil 1a wird über eine Brennstoff zufuhrleitung 5 ein Brennstoffstrom zugeführt, bei dem es sich insbesondere um einen wasserstoffreichen Reformatgasstrom einer vorgeschalteten Methanol- oder Kohlenwasserstoffreformierungs anlage handeln kann, wobei dann Wasserstoff als Brennstoff dient. Zur besseren Brennstoffnutzung kann das aus dem Anoden teil 1a über eine Anodenabgasleitung 6 abgeführte Anodenabgas wenigstens teilweise zur Eintrittsseite rückgeführt werden, wo zu eine entsprechende Rückführleitung 7 vorgesehen ist. Fig. 1 shows schematically the components of interest here in a fuel cell system. The system comprises a fuel cell 1 , which has an anode part 1 a and a cathode part 1 b in the usual manner. Alternatively, a set of several fuel cells can be provided. The cathode part 1 b is supplied via a cathode gas supply line 2, an oxygen-containing cathode supply gas stream, which is provided in a compressed form by a compressor 3 . This can be compressed air in particular, which the compressor 3 takes from the ambient air. Via a Ka thodenabgasleitung 4 , the cathode exhaust is discharged from the cathode part 1 b. The anode part 1 a is fed via a fuel supply line 5, a fuel stream, which in particular can be a hydrogen-rich reformate gas stream of an upstream methanol or hydrocarbon reforming system, in which case hydrogen is used as fuel. For better fuel use, the anode exhaust gas discharged from the anode part 1 a via an anode exhaust line 6 can be at least partially returned to the inlet side, where a corresponding return line 7 is provided.
Bekanntlich wirkt Kohlenmonoxid in Brennstoffzellen häufig ver giftend, z. B. in PEM-Brennstoffzellen, wie sie unter anderem in Brennstoffzellenfahrzeugen eingesetzt werden. Andererseits ent hält der von einer Reformierungsanlage, in welcher ein Kohlen wasserstoff oder Kohlenwasserstoffderivat z. B. unter Beteili gung von Wasserdampf reformiert wird, häufig noch einen für Brennstoffzellenanwendungen zu hohen CO-Gehalt. Dem wird vor liegend mit einem CO-Adsorber 8 entgegengewirkt, über den der CO-haltige Brennstoffstrom vor Eintritt in den Anodenteil 1a geführt wird.As is known, carbon monoxide in fuel cells often acts poisoning, e.g. B. in PEM fuel cells, such as those used in fuel cell vehicles. On the other hand ent of a reforming plant in which a hydrocarbon or hydrocarbon derivative z. B. reformed with the participation of steam, often still too high a CO content for fuel cell applications. This is counteracted before lying with a CO adsorber 8 , through which the CO-containing fuel stream is led before entering the anode part 1 a.
Der CO-Adsorberkörper 8 ist zwecks Erzielung eines quasi unter brechungsfreien Systembetriebs variabel in einen Adsorptionsbe reich 8a und einen Desorptionsbereich 8b unterteilt. Der Brenn stoffstrom wird über den Adsorptionsbereich 8a geführt, der im Adsorptionsmodus gefahren wird, in welchem er dem Brenn stoffstrom Kohlenmonoxid durch Adsorption entzieht. Solcherma ßen adsorbiertes CO wird dann im Desorptionsbereich 8b desor biert und somit aus dem CO-Adsorber 8 wieder entfernt. Dazu wird der Desorptionsbereich 8b in einem geeigneten Desorptions modus gefahren. Dieser beinhaltet die Beaufschlagung mit einem sauerstoffhaltigen Desorptionsstrom 9, vorzugsweise kombiniert mit der Einstellung einer gegenüber der Adsorptionstemperatur für den Adsorptionsmodus erhöhten Desorptionstemperatur. Durch die Wirkung des sauerstoffhaltigen Desorptionsstroms wird das zuvor adsorbierte Kohlenmonoxid aus dem betreffenden Adsorber bereich verdrängt und oxidiert und somit desorbiert.The CO adsorber body 8 is divided into a Adsorptionsbe rich 8 a and a desorption area 8 b to achieve a quasi-uninterrupted system operation. The fuel stream is passed over the adsorption area 8 a, which is operated in the adsorption mode, in which it removes carbon monoxide from the fuel stream by adsorption. Such adsorbed CO is then desorbed in the desorption region 8 b and thus removed from the CO adsorber 8 again. For this purpose, the desorption region 8 b is operated in a suitable desorption mode. This includes the application of an oxygen-containing desorption stream 9 , preferably combined with the setting of a higher desorption temperature than the adsorption temperature for the adsorption mode. Due to the effect of the oxygen-containing desorption stream, the previously adsorbed carbon monoxide is displaced from the relevant adsorber area and oxidized and thus desorbed.
Wie in Fig. 1 durch einen Doppelpfeil P symbolisiert, werden der Adsorptionsbereich 8a und der Desorptionsbereich 8b in ih rer Funktionalität alternierend getauscht, d. h. der CO-Adsorber 8 ist in zwei Bereiche aufgeteilt, von denen jeweils der eine im Adsorptionsmodus gefahren wird und folglich den Adsorptions bereich 8a darstellt, bis er kein weiteres CO mehr aufnehmen kann, während der jeweils andere Bereich durch Betrieb im Desorptionsmodus vom zuvor adsorbierten CO befreit wird und so mit den Desorptionsbereich 8b darstellt. Der Wechsel zwischen Adsorptions- und Desorptionsfunktion erfolgt vorzugsweise kon tinuierlich oder in getakteter Form quasi-kontinuierlich, indem die beiden Bereiche des CO-Adsorbers 8 kontinuierlich oder ge taktet durch entsprechende adsorptionsaktive bzw. desorptions aktive Funktionsbereiche hindurchgeführt werden.As symbolized in FIG. 1 by a double arrow P, the adsorption area 8 a and the desorption area 8 b are alternately exchanged in their functionality, ie the CO adsorber 8 is divided into two areas, one of which is operated in the adsorption mode and consequently represents the adsorption area 8 a until it can no longer absorb any more CO, while the other area is freed from the previously adsorbed CO by operation in the desorption mode and thus represents the desorption area 8 b. The change between adsorption and desorption function is preferably continuous or in a clocked form quasi-continuously by the two areas of the CO adsorber 8 being passed continuously or clocked through corresponding adsorption-active or desorption-active functional areas.
Eine solche kontinuierliche bzw. quasi-kontinuierliche Arbeits weise lässt sich z. B. unter Verwendung eines weiter unten er läuterten CO-Rotationsadsorbers gemäß Fig. 3 realisieren. Al ternativ zu einer solchen funktionellen Zweiteilung eines ein zelnen Adsorberkörpers kann der CO-Adsorber 8 aus zwei oder mehr separaten Adsorberkörpern bestehen, von denen umschaltbar jeweils einer oder einige der Adsorberkörper im Adsorptionsbe trieb und der andere im Desorptionsbetrieb gefahren wird, wozu durch entsprechende Strömungssteuermittel das eine Mal der eine Adsorberkörper mit dem Brennstoffstrom und der andere mit dem Desorptionsstrom und das andere Mal umgekehrt der eine Adsor berkörper mit dem Desorptionsstrom und der andere mit dem Brennstoffstrom beaufschlagt werden.Such a continuous or quasi-continuous way of working z. B. using a further explained below he CO rotation adsorber according to FIG. 3. Al ternatively to such a functional division in two of an individual adsorber body, the CO adsorber 8 can consist of two or more separate adsorber bodies, of which one or some of the adsorber bodies can be switched in the adsorption mode and the other is operated in the desorption mode, for which purpose the appropriate flow control means one time the one adsorber body with the fuel stream and the other with the desorption stream and the other way around the one adsorber body with the desorption stream and the other with the fuel stream.
Beim System von Fig. 1 besteht der Desorptionsstrom 9 aus einem Teil des vom Kompressor 3 verdichteten, sauerstoffhaltigen Gasstroms, d. h. der Desorptionsstrom 9 wird vom Kathodenzufuhr gasstrom an einer Stelle zwischen dem Kompressor 3 und dem Ka thodeneintritt von der Kathodenzufuhrleitung 2 abgezweigt. Durch die Kompressionswärme besitzt dieser sauerstoffhaltige Desorptionsstrom 9 bereits eine gegenüber Umgebungstemperatur erhöhte Temperatur und trägt dadurch zur Erzielung der ge wünschten erhöhten Desorptionstemperatur bei. Bei Bedarf kann eine zusätzliche Beheizung des Desorptionsbereichs 8b vorgese hen sein, z. B. durch eine elektrische Heizeinrichtung oder durch einen zugeordneten Brenner. In letzterem Fall wird der Brenner vorzugsweise von Restwasserstoff oder Restreformat der Brennstoffzelle 1 bzw. der anodenseitig vorgeschalteten Refor mierungsanlage gespeist, so dass hierfür kein eigener Brenn stoff bereitgestellt werden braucht.In the system of FIG. 1, the desorption stream 9 consists of part of the oxygen-containing gas stream compressed by the compressor 3 , ie the desorption stream 9 is branched from the cathode feed gas stream at a point between the compressor 3 and the cathode inlet from the cathode feed line 2 . Due to the heat of compression, this oxygen-containing desorption stream 9 already has a temperature that is higher than the ambient temperature and thereby contributes to achieving the desired desorption temperature. If necessary, additional heating of the desorption region 8 b can be provided, e.g. B. by an electric heater or by an associated burner. In the latter case, the burner is preferably fed by residual hydrogen or residual reformate of the fuel cell 1 or the reforming system connected upstream on the anode side, so that no separate fuel need be provided for this.
Fig. 2 zeigt ein demjenigen von Fig. 1 ähnliches Brennstoffzel lensystem, wobei für funktionell gleiche Komponenten dieselben Bezugszeichen verwendet sind und insoweit auf die obige Be schreibung zu Fig. 1 verwiesen werden kann. Im Unterschied zum System von Fig. 1 ist beim System von Fig. 2 der Desorptionsbe reich 8b des CO-Adsorbers 8 in der Kathodenabgasleitung 4 ange ordnet und wird folglich von dem noch Restsauerstoff enthalten den Kathodenabgas oder einen Teilstrom hiervon als Desorptions strom beaufschlagt. Zwischen dem Desorptionsbereich 8b und dem Brennstoffzellen-Kathodenteil 1b ist in der Kathodenabgaslei tung 4 eine elektrische Heizeinrichtung 10 vorgesehen, um das als Desorptionsstrom verwendete Kathodenabgas auf eine erhöhte Temperatur aufzuheizen und so für die gewünschte erhöhte Desorptionstemperatur im Desorptionsbereich 8b zu sorgen. Auch hier kann alternativ ein Restwasserstoff- oder Restreformat- Brenner oder ein anderes Heizmittel eingesetzt werden. Alterna tiv kann vorgesehen sein, statt des gesamten Kathodenabgases nur einen Teil desselben als Desorptionsstrom zu nutzen. In diesem Fall wird das restliche Kathodenabgas vor Erreichen des Desorptionsbereichs 8b über einen separaten, in Fig. 2 gestri chelt angedeuteten Kathodenabgaszweig 11 abgeleitet. Fig. 2 shows a fuel cell system similar to that of Fig. 1, the same reference numerals being used for functionally identical components and in this respect reference can be made to the above description of Fig. 1. In contrast to the system of FIG. 1, the desorption area 8 b of the CO adsorber 8 in the cathode exhaust line 4 is arranged in the system of FIG. 2 and is consequently acted upon by the residual oxygen still contained in the cathode exhaust gas or a partial stream thereof as a desorption stream. Between the desorption area 8 b and the fuel cell cathode part 1 b, an electrical heating device 10 is provided in the cathode exhaust line 4 in order to heat the cathode exhaust gas used as a desorption stream to an elevated temperature and thus to ensure the desired increased desorption temperature in the desorption area 8 b. Alternatively, a residual hydrogen or reformate burner or another heating medium can also be used here. Alternatively, provision can be made to use only a part of the same as a desorption stream instead of the entire cathode exhaust gas. In this case, the remaining cathode exhaust gas is discharged before reaching the desorption region 8 b via a separate cathode exhaust gas branch 11 , indicated by dashed lines in FIG. 2.
Fig. 3 zeigt schematisch und perspektivisch einen trommelförmi gen CO-Rotationsadsorber, der sich zur Verwendung in den Syste men der Fig. 1 und 2 eignet. Dieser CO-Rotationsadsorber bein haltet einen trommelförmigen, um seine Längsachse drehbaren Ad sorberkörper 12, der durch entsprechende Trennwände 13 in Um fangsrichtung in eine Mehrzahl gleich großer Adsorbersegmente 14 unterteilt ist. Den beiden Stirnseiten der Adsorbertrommel 12 ist je eine Desorptionsstrom-Anschlussstruktur 15a, 15b mit korrespondierender segmentförmiger Gestalt zugeordnet, von denen die in Fig. 3 hintere Anschlussstruktur 15a einen Zufuhr raum definiert, dem der Desorptionsstrom 16 zugeführt wird und der dafür sorgt, dass dieser in den angrenzenden Stirnbereich der Adsorbertrommel 12 eingespeist wird. Der zugeführte Desorp tionsstrom 16 wird im Fall der Verwendung des Rotationsadsor bers im System von Fig. 2 optional durch die elektrische Hei zeinrichtung 10 beheizt. Auf der in Fig. 3 vorderen Stirnseite der Adsorbertrommel 12 gelangt der durch den entsprechenden Ad sorbertrommel-Segmentbereich hindurchgeführte Desorptionsstrom in die dortige Anschlussstruktur 15b und wird von dort als CO- haltiger Desorptionsstrom 17 abgeführt. Fig. 3 shows schematically and in perspective a trommelförmi gene CO rotation adsorber, which is suitable for use in the Syste men of FIGS . 1 and 2. This CO rotation adsorber includes a drum-shaped, rotatable about its longitudinal axis Ad sorber body 12 , which is divided by corresponding partitions 13 in the circumferential direction in a plurality of equally large adsorber segments 14 . The two end faces of the adsorber drum 12 are each assigned a desorption flow connection structure 15 a, 15 b with a corresponding segmental shape, of which the connection structure 15 a in FIG. 3 defines a supply space to which the desorption flow 16 is supplied and which ensures that that this is fed into the adjacent end region of the adsorber drum 12 . The supplied desorption tion stream 16 is optionally heated by the electric heating device 10 in the case of using the rotation adsor bers in the system of FIG. 2. On the front end of the adsorber drum 12 in FIG. 3, the desorption stream passed through the corresponding adsorber drum segment area reaches the connection structure 15 b there and is discharged from there as a CO-containing desorption stream 17 .
Die Adsorbertrommel 12 wird, wie mit dem Drehpfeil D angedeu tet, im Betrieb getaktet um jeweils den Drehwinkel eines Seg ments 14 gedreht, so dass jeweils ein Segment 14b in Fluidver bindung mit den Desorptionsstrom-Anschlussstrukturen 15a, 15b steht und auf diese Weise den im Desorptionsmodus arbeitenden Desorptionsbereich des CO-Adsorbers bildet. Wenigstens ein Teil der übrigen Adsorbertrommelsegmente 14 wird durch entsprechen de, geeignete Anschlussstrukturen mit dem CO-haltigen Brenn stoffstrom 18 beaufschlagt und bildet so den im Adsorptionsmo dus betriebenen Adsorptionsbereich des CO-Adsorbers. Auf der gegenüberliegenden Adsorbertrommel-Stirnseite tritt dann ein von Kohlenmonoxid gereinigter Brennstoffstrom 19 aus, der in den Brennstoffzellen-Anodenteil eingespeist werden kann.The Adsorbertrommel 12, as tet angedeu with the rotation arrow D, clocked in operation to respectively rotate the rotational angle of a Seg ment 14, so that in each case a segment 14 b in Fluidver bond with the desorbent stream port structures 15 a, 15 b is and in this Forms the desorption area of the CO adsorber working in the desorption mode. At least a portion of the remaining Adsorbertrommelsegmente 14 containing CO by de correspond suitable connection structures with the internal material flow 18 applied and thus forms the Adsorptionsmo in dus operated adsorption of the CO adsorber. A fuel stream 19 cleaned of carbon monoxide then emerges on the opposite end of the adsorber drum and can be fed into the fuel cell anode part.
Die Adsorbertrommel 12 weist in einer Realisierungsmöglichkeit einen geordneten Aufbau 21 aus durchgehenden, voneinander durch dünne Wände getrennten Längskanälen 20 auf, der durch lagenwei ses Aneinanderfügen je einer wellenförmigen Trägerschicht 22 und einer unprofilierten, ebenen Trägerschicht 23 gebildet ist, wie in Fig. 4 gezeigt. Dieser Aufbau kann z. B. durch Wickeln einer wellenförmigen Trägerbahn zusammen mit einer ebenen Trä gerbahn gefertigt werden. Bei diesem Aufbau gewährleisten die in Trommellängsrichtung durchgehenden, voneinander getrennten Längskanäle 20 automatisch eine saubere Trennung zwischen dem Desorptionsstrom einerseits und dem Brennstoffstrom andererseits, indem der Desorptionsstrom genau in den Längskanälen strömt, die gerade im Bereich der Desorptionsstrom-Anschluß strukturen 15a, 15b liegen, während der Brennstoffstrom 18 nur in davon getrennte Luftkanäle eingespeist wird. Bei diesem in neren Längskanal-Trommelaufbau sind folglich die Segmenttrenn wände 13 optional. Letztere sind jedoch zur Trennung von Desorptionsstrom und. Brennstoffstrom in einer alternativen Ad sorbertrommelrealisierung nötig, bei welcher die Trommelsegmen te 14 eine ungeordnete, in Trommelumfangsrichtung nicht ge schlossene Struktur aufweisen, z. B. in Form eines Trägermetall gewebes oder einer Schüttung aus einem Metall- oder Keramikträ germaterial oder einer porösen Trägerschwammstruktur.In one implementation possibility, the adsorber drum 12 has an ordered structure 21 made of continuous longitudinal channels 20 separated from one another by thin walls, which is formed by layering each corrugated carrier layer 22 and an unprofiled, flat carrier layer 23 , as shown in FIG. 4. This structure can e.g. B. by winding a wavy carrier web together with a flat Trä gerbahn be made. With this structure, the continuous longitudinal channels 20 separated from one another in the drum longitudinal direction automatically ensure a clean separation between the desorption stream on the one hand and the fuel stream on the other hand, by the desorption stream flowing precisely in the longitudinal channels which are just in the area of the desorption stream connection structures 15 a, 15 b , while the fuel stream 18 is fed only into separate air channels. In this in neren longitudinal channel drum structure, the segment walls 13 are therefore optional. However, the latter are used to separate the desorption stream and. Fuel flow in an alternative Ad sorber drum realization necessary, in which the drum segments 14 have an unordered structure which is not closed in the drum circumferential direction, e.g. B. in the form of a carrier metal fabric or a bed of a metal or ceramic carrier germ material or a porous carrier sponge structure.
Als wirksames Adsorbens kann für den CO-Adsorber 8 z. B. Platin, Ruthenium, Palladium, Osmium, Rhenium oder ein ähnliches Neben gruppenelement oder eine Legierung oder Mischung dieser Stoffe verwendet werden. Auch ein geeignetes Zeolithmaterial oder vor behandelte Aktivkohle eignen sich als CO-Adsorbens. Das CO- Adsorbens wird vorzugsweise in einer dünnen Schicht auf ein zu gehöriges Trägermaterial aufgebracht, z. B. auf die erwähnten Trägermaterialien, wie Metallgewebe, geordnete Metall- oder Ke ramikstrukturen mit durchgehenden Längskanälen oder Metall- oder Keramikträgerschüttungen, oder wird in Form einer porösen Schwammstruktur oder als Schüttung eingebracht.As an effective adsorbent for the CO adsorber 8 z. B. platinum, ruthenium, palladium, osmium, rhenium or a similar side group element or an alloy or mixture of these substances can be used. A suitable zeolite material or pre-treated activated carbon are also suitable as CO adsorbents. The CO adsorbent is preferably applied in a thin layer to an associated carrier material, e.g. B. on the carrier materials mentioned, such as metal mesh, orderly metal or Ke ramic structures with continuous longitudinal channels or metal or ceramic support beds, or is introduced in the form of a porous sponge structure or as a bed.
Als weitere Maßnahme kann in nicht näher gezeigter Weise ein Kühlschritt beim Übergang vom Desorptionsmodus auf den Adsorp tionsmodus für den jeweiligen CO-Adsorberbereich vorgesehen sein. Dieser Kühlschritt dient dazu, den betreffenden Adsorber bereich von der Desorptionstemperatur in Richtung der niedrige ren Adsorptionstemperatur zu kühlen, so dass der Adsorptionsbe trieb schon bei einer gegenüber der Desorptionstemperatur er niedrigten Temperatur des Adsorberbereichs beginnen kann. Der Kühlschritt kann z. B. darin bestehen, dass eine während des Desorptionsmodus aktivierte Heizeinrichtung abgeschaltet und dem betreffenden Adsorberbereich etwas Zeit gegeben wird, sich von allein abzukühlen, bevor er wieder im Adsorptionsbetrieb gefahren wird. Im Fall des CO-Rotationsadsorbers von Fig. 3 kann dies in einfacher Weise dadurch realisiert sein, dass der Brennstoffstrom 18 nicht in alle Segmente 14 außerhalb der Desorptionsstrom-Anschlußstrukturen 15a, 15b eingespeist wird, sondern dass in Drehrichtung D dasjenige Segment 14a vom Brenn stoffstrom 18 freigehalten wird, welches sich in Drehrichtung D der Trommel 12 an das momentan im Desorptionsmodus gefahrene, den Desorptionsstrom-Anschlußstrukturen 15a, 15b gegenüberlie gende Segment 14b anschließt. Alternativ können mehrere aufein anderfolgende, in Drehrichtung D vor dem momentan desorbierten Segment 14b liegende Segmente vom Brennstoffstrom 18 freigehal ten werden. Je mehr Segmente auf diese Weise nach ihrer Desorp tion vom Brennstoffstrom freigehalten werden, um so länger ha ben sie Zeit, sich abzukühlen. In einer alternativen Realisie rung kann der CO-Adsorber aus wenigstens drei separaten Adsor berkörpern bestehen, von denen dann jeweils einer im Adsorpti onsmodus, einer im Desorptionsmodus und einer im Kühlmodus be trieben wird.As a further measure, a cooling step during the transition from the desorption mode to the adsorption mode can be provided for the respective CO adsorber region in a manner not shown in detail. This cooling step serves to cool the relevant adsorber area from the desorption temperature in the direction of the lower adsorption temperature, so that the adsorption operation can begin at a temperature which is lower than the desorption temperature of the adsorber area. The cooling step may e.g. B. consist in that a heating device activated during the desorption mode is switched off and the relevant adsorber area is given some time to cool down on its own before it is again operated in the adsorption mode. In the case of the CO rotation adsorber of FIG. 3, this can be achieved in a simple manner in that the fuel stream 18 is not fed into all segments 14 outside the desorption stream connection structures 15 a, 15 b, but rather that segment 14 a in the direction of rotation D. is kept clear of the fuel stream 18 , which connects in the direction of rotation D of the drum 12 to the segment 14 b currently driven in the desorption mode, the desorption stream connection structures 15 a, 15 b opposite. Alternatively, several other aufein following are ten freely supported in the direction of rotation D of currently desorbed segment 14 b lying segments from the fuel stream 18th The more segments are kept clear of the fuel flow after their desorption, the longer they have time to cool down. In an alternative realization, the CO adsorber can consist of at least three separate adsorber bodies, one of which is then operated in the adsorption mode, one in the desorption mode and one in the cooling mode.
Als weitere optionale Maßnahme kann ein Spülschritt zwischen einem jeweiligen Adsorptionsvorgang und einem jeweiligen Desorptionsvorgang vorgesehen sein, d. h. nach einem Adsorpti onsvorgang und vor einem anschließenden Desorptionsvorgang und/oder nach einem Desorptionsvorgang und vor einem anschlie ßenden Adsorptionsvorgang. Bei diesem Spülschritt wird der be treffende Adsorberbereich mit einem geeigneten Spülgasstrom durchgespült, um zu verhindern, dass im Brennstoffstrom enthal tener Brennstoff, z. B. Wasserstoff, mit im Desorptionsstrom, z. B. Luft, enthaltenem Sauerstoff in Berührung kommt bzw. sich mit diesem mischt. Als Spülgas kann z. B. ein Inertgas oder auch Luft dienen. Der Spülschritt kann bei Bedarf mit dem obigen Kühlschritt kombiniert sein.As a further optional measure, a rinsing step between a respective adsorption process and a respective Desorption process may be provided, d. H. after an adsorpti process and before a subsequent desorption process and / or after a desorption process and before one eats adsorption process. In this rinsing step, the be appropriate adsorber area with a suitable purge gas flow flushed through to prevent it from being contained in the fuel flow tener fuel, e.g. B. hydrogen, with in the desorption stream, e.g. B. air, contained oxygen comes into contact or itself mixes with this. As a purge gas z. B. an inert gas or Serve air. If necessary, the rinsing step can be carried out with the above Cooling step can be combined.
Beim CO-Rotationsadsorber der Fig. 3 kann der Spülschritt in analoger Weise implementiert sein, wie dies oben für den Kühl schritt erläutert wurde. Dazu werden in Trommeldrehrichtung D vor und/oder hinter den Desorptionsstrom-Anschlußstrukturen 15a, 15b entsprechende Spülgasstrom-Anschlußstrukturen angeord net, über die der Spülgasstrom durch das oder die ihnen gerade gegenüberliegenden Trommelsegmente hindurchgeleitet werden kann.When CO-rotary adsorbers of Fig. 3, the rinsing step may be implemented in an analogous manner, as explained above for the cooling step. For this purpose, corresponding purging gas flow connection structures are arranged in front of and / or behind the desorption flow connection structures 15 a, 15 b in the direction of rotation of the drum, via which the purge gas flow can be passed through the drum segments or those just opposite them.
Es versteht sich, dass die in Fig. 1 und 2 gezeigten Brenn stoffzellensysteme in nicht gezeigter Weise übliche System steuereinheiten umfassen, um die explizit gezeigten ebenso wie die übrigen, herkömmlichen und daher nicht näher gezeigten Sy stemkomponenten geeignet zur Durchführung der beschriebenen Be triebsweise zu steuern. Des weiteren versteht sich, dass der Kompressor 3 bei den Systemen der Fig. 1 und 2 optional entfal len oder durch ein Gebläse ersetzt werden kann. Weiter kann in einem modifizierten System in Kombination der beiden Maßnah men von Fig. 1 und 2 als Desorptionsstrom ein sauerstoffhalti ger Gasstrom gewählt werden, der sowohl einen Anteil aus dem Kathodenzufuhrgasstrom als auch einen Kathodenabgasanteil auf weist.It is understood that the fuel cell systems shown in FIGS . 1 and 2 comprise conventional system control units in a manner not shown in order to control the explicitly shown as well as the other conventional and therefore not shown system components suitable for carrying out the described mode of operation . Furthermore, it goes without saying that the compressor 3 in the systems of FIGS . 1 and 2 can optionally be omitted or replaced by a blower. Furthermore, in a modified system in combination of the two measures from FIGS . 1 and 2, an oxygen-containing gas stream can be selected as the desorption stream, which has both a portion from the cathode supply gas stream and a portion of the cathode exhaust gas.
Es versteht sich, dass sich die Desorptionsstrom-Anschluß strukturen 15a, 15b bei Bedarf auch über mehrere aufeinander folgende Trommelsegmente erstrecken können, die dann gleichzei tig desorbiert werden. Im Fall eines Trommelaufbaus aus durch gehenden Längskanälen kann der Anteil der jeweils gleichzeitig desorbierten Längskanäle und damit der Anteil des jeweils im Desorptionsmodus betriebenen Adsorberbereich am Gesamtvolumen der Adsorbertrommel 12 durch die Gestaltung der Desorptions strom-Anschlußstrukturen festgelegt werden.It is understood that the desorption stream connection structures 15 a, 15 b can, if necessary, also extend over several successive drum segments, which are then desorbed simultaneously. In the case of a drum structure made by continuous longitudinal channels, the proportion of the longitudinal channels desorbed at the same time and thus the proportion of the adsorber area operated in the desorption mode in the total volume of the adsorber drum 12 can be determined by the design of the desorption flow connection structures.
Claims (7)
- - ein CO-haltiger Brennstoffstrom vor Zufuhr zu einem Brenn stoffzellen-Anodenteil (1a) über einen CO-Adsorber (8) geführt wird, um ihm Kohlenmonoxid durch Adsorption zu entziehen, und
- - der CO-Adsorber ganz oder bereichsweise alternierend im Adsorptionsmodus, in welchem der entsprechende Adsorberbereich (8a) Kohlenmonoxid aus dem hindurchgeführten Brennstoffstrom adsorbiert, und im Desorptionsmodus betrieben wird, in welchem adsorbiertes Kohlenmonoxid aus dem entsprechenden Adsorberbe reich (8b) unter Verwendung eines sauerstoffhaltigen Desorpti onsstroms desorbiert wird,
- - der Desorptionsstrom aus einem Gasstrom (9), welcher vom dem Brennstoffzellen-Kathodenteil zugeführten Kathodenzufuhr gasstrom (2) abgezweigt wird, und/oder aus wenigstens einem Teil des vom Brennstoffzellen-Kathodenteil abgegebenen Katho denabgasstroms (4) besteht.
- - A CO-containing fuel stream is fed to a fuel cell anode part ( 1 a) via a CO adsorber ( 8 ) to remove carbon monoxide by adsorption, and
- - The CO adsorber in whole or in part alternating in the adsorption mode, in which the corresponding adsorber area ( 8 a) adsorbs carbon monoxide from the fuel stream passed, and is operated in the desorption mode, in which adsorbed carbon monoxide from the corresponding adsorbent area ( 8 b) using a oxygen-containing desorption stream is desorbed,
- - The desorption stream from a gas stream ( 9 ), which is branched from the fuel cell cathode part supplied cathode supply gas stream ( 2 ), and / or from at least part of the cathode part emitted from the fuel cell cathode part stream ( 4 ).
- - der betreffende Adsorberbereich nach einem jeweiligen Desorptionsvorgang vor dem nächsten Adsorptionsvorgang einem Kühlschritt unterworfen wird.
- - The respective adsorber area is subjected to a cooling step after a respective desorption process before the next adsorption process.
- - wenigstens einer Brennstoffzelle (1) mit einem Anodenteil (1a) und einem Kathodenteil (1b) und
- - einem CO-Adsorber (8), von dem variabel ein Adsorberbe reich (8a) einer Brennstoffzufuhrseite des Brennstoffzellen- Anodenteils und ein Desorptionsbereich (8b) entsprechenden Desorptionsmitteln zugeordnet ist, die Mittel zur Zuführung ei nes sauerstoffhaltigen Desorptionsstroms umfassen,
- - die Desorptionsmittel eine mit der Desorptionsstrom- Eintrittsseite des Desorptionsbereichs (8b) verbundene Desorp tionsstrom-Zuführung umfassen, die von einer Kathodengas- Zufuhrleitung (2) abzweigt und/oder mit einem Kathodenabgas auslaß des Brennstoffzellen-Kathodenteils (16) verbunden ist.
- - At least one fuel cell ( 1 ) with an anode part ( 1 a) and a cathode part ( 1 b) and
- - A CO adsorber ( 8 ), of which an adsorber region ( 8 a) is assigned to a fuel supply side of the fuel cell anode part and a desorption region ( 8 b) is assigned to corresponding desorbents, which comprise means for supplying an oxygen-containing desorption stream,
- - The desorbent include a desorption tion flow supply connected to the desorption flow inlet side of the desorption region ( 8 b), which branches off from a cathode gas supply line ( 2 ) and / or is connected to a cathode exhaust outlet of the fuel cell cathode part ( 16 ).
- - wenigstens einer Brennstoffzelle (1) mit einem Anodenteil (1a) und einem Kathodenteil (1b) und
- - einem CO-Adsorber (8), von dem variabel ein Adsorberbe reich (8a) einer Brennstoffzufuhrseite des Brennstoffzellen- Anodenteils und ein Desorptionsbereich (8b) entsprechenden Desorptionsmitteln zugeordnet ist, die Mittel zur Zuführung ei nes sauerstoffhaltigen Desorptionsstroms umfassen,
- - der CO-Adsorber einen trommelförmigen Rotationsadsorber körper (12) beinhaltet, der durch Trennwände (13) in einzelne Trommelsegmente (14) unterteilt ist oder aus einer Struktur mit getrennten, durchgehenden Längskanälen (20) besteht und dem stirnseitig sich über einen Teil der Trommelstirnfläche er streckende Desorptionsstrom-Anschlußstrukturen (15a, 15b) zuge ordnet sind.
- - At least one fuel cell ( 1 ) with an anode part ( 1 a) and a cathode part ( 1 b) and
- - A CO adsorber ( 8 ), of which an adsorber region ( 8 a) is assigned to a fuel supply side of the fuel cell anode part and a desorption region ( 8 b) is assigned to corresponding desorbents, which comprise means for supplying an oxygen-containing desorption stream,
- - The CO adsorber contains a drum-shaped rotary adsorber body ( 12 ), which is divided by partition walls ( 13 ) into individual drum segments ( 14 ) or consists of a structure with separate, continuous longitudinal channels ( 20 ) and the front face is part of the drum face he extending desorption stream connection structures ( 15 a, 15 b) are assigned.
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| OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
| 8139 | Disposal/non-payment of the annual fee |