DE10029481C2 - Vorrichtung zum Zuleiten von Brennstoff in die Brennstoffzelle eines Brennstoffzellensystems sowie Brennstoffzellensystem - Google Patents

Abstract

Es wird ein Brennstoffzellensystem (10) mit einer Brennstoffzelle (11) sowie eine Vorrichtung (30) zum Zuleiten von Brennstoff in die Brennstoffzelle (11) beschrieben, die eine Kraftstoffzuleitung (40) sowie eine Wasserzuleitung (50) aufweist. Weiterhin weist die Vorrichtung (30) eine Vorrichtung (31) zum Erzeugen/Aufbereiten des Brennstoffs auf. Die Vorrichtung (30) zum Zuleiten von Brennstoff weist eine Doppelpumpe (42) auf, in der ein in einem Kraftstofftank (34) gespeichertes Ausgangsmaterial für den Brennstoff (Kraftstoff), beispielsweise Methanol, sowie über eine Teilleitung (51) der Wasserzuleitung (50) zugeführtes Wasser, bei dem es sich beispielsweise um während des Brennstoffzellenprozesses erzeugtes Prozeßwasser handelt, zu einem Kraftstoff/Wasser-Gemisch vermischt werden. Dieses Kraftstoff/Wasser-Gemisch wird in einem Zwischentank (43) zwischengespeichert, bevor es der Vorrichtung (31) zum Erzeugen/Aufbereiten des Brennstoffs zugeführt wird. Um das Kraftstoff/Wasser-Gemisch variabel einstellen zu können, sind weiterhin Bypassleitungen (54; 45) für das Wasser beziehungsweise den Kraftstoff zur Umgehung der Doppelpumpe (42) und des Zwischentanks (43) vorgesehen, in denen separate Pumpen (55; 46) vorgesehen sind. Über die Bypassleitungen (54; 45) kann zusätzliches Wasser beziehungsweise zusätzlicher Kraftstoff direkt in die Vorrichtung (31) eingespeist werden, wenn eine vorübergehende kurzfristige Änderung des Kraftstoff-Wasser-Gemischs zweckmäßig ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Zuleiten von Brennstoff in die Brennstoffzelle eines Brennstoffzellensystems sowie ein Brennstoffzellensystem.

Brennstoffzellen sind bereits seit langem bekannt und haben insbesondere im Bereich der Automobilindustrie in den letzten Jahren erheblich an Bedeutung gewonnen.

In einer Brennstoffzelle, beispielsweise einer PEM-Brennstoffzelle, wird durch eine chemische Reaktion Strom erzeugt. Dabei wird ein Brennstoff, wie beispielsweise Wasserstoff, und ein Oxidationsmittel, wie beispielsweise aus der Luft entnommener Sauerstoff, in elektrische Energie und ein Reaktionsprodukt wie beispielsweise Wasser umgewandelt. Eine Brennstoffzelle besteht im wesentlichen aus einem Anodenteil, einer Membran und einem Kathodenteil. Die Membran einer PEM-Brennstoffzelle besteht aus einem gasdichten und protonenleitenden Material und ist zwischen der Anode und der Kathode angeordnet, um Ionen auszutauschen. Auf der Seite der Anode wird der Brennstoff zugeführt, während auf der Seite der Kathode das Oxidationsmittel zugeführt wird. An der Anode werden durch katalytische Reaktionen Protonen, also Wasserstoffionen erzeugt, die sich durch die Membran zur Kathode bewegen. An der Kathode reagieren die Wasserstoffionen mit dem Sauerstoff zu Wasser. Die bei der Reaktion abgegebenen Elektronen lassen sich extern als elektrischer Strom durch einen Verbraucher leiten, beispielsweise den Elektromotor eines Automobils.

Will man die Brennstoffzelle mit einem leicht verfügbaren oder zu speichernden Kraftstoff wie Erdgas, Methanol oder dergleichen betreiben, muss man diese Kohlenwasserstoffe in einer entsprechenden Vorrichtung zum Erzeugen/Aufbereiten des Brennstoffs zunächst in ein wasserstoffreiches Gas umwandeln.

Üblicherweise wird das hier als Kraftstoff bezeichnete Ausgangsmaterial für den Brennstoff nicht in Reinform, sondern als Kraftstoff/Wasser-Gemisch in die Vorrichtung zum Erzeugen/Aufbereiten des Brennstoffs oder die Brennstoffzelle eingeleitet. Aus diesem Grund muss der, Kraftstoff, zunächst mit einer geeigneten Menge an Wasser vermischt werden. Für den jeweiligen chemischen Prozess der Brennstoffaufbereitung gibt es ein optimales Mischungsverhältnis Kraftstoff/Wasser, bei dem bei einem möglichst geringen Wärmebedarf für die Reformierung besonders viel Wasserstoff und besonders wenig Kohlenmonoxid erzeugt wird. Daher ist es vorteilhaft, eine Mischeinrichtung für diese beiden Prozessmedien zu verwenden, die beispielsweise in Form einer Doppelpumpe von vornherein mit einem entsprechenden konstanten Mischungsverhältnis arbeiten. Dennoch kann es erwünscht sein, das Verhältnis von Kraftstoff zu Wasser während des Betriebs des Brennstoffzellensystems zu variieren, um beispielsweise einen veränderten Wärmebedarf im Brennstoffzellensystem zu befriedigen.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Zuleiten von Brennstoff in die Brennstoffzelle eines Brennstoffzellensystems sowie ein Brennstoffzellensystem bereitzustellen, bei der/dem einerseits auf einfache und kostengünstige Weise ein erforderliches beziehungsweise gewünschtes konstantes Kraftstoff/Wasser-Gemisch hergestellt und in die Vorrichtung zum Erzeugen/Aufbereiten des Brennstoffs oder die Brennstoffzelle eingeleitet werden kann, andererseits aber die Durchflussmengen des Wassers beziehungsweise des Kraftstoffs bei Bedarf in kürzester Zeit verändert werden können.

Diese Aufgabe wird gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung durch eine Vorrichtung zum Zuleiten von Brennstoff in die Brennstoffzelle eines Brennstoffzellensystems gelöst, die einen Kraftstofftank aufweist, der über eine Kraftstoffzuleitung mit einer Vorrichtung zum Erzeugen/Aufbereiten des Brennstoffs verbunden ist (im folgenden Brennstofferzeugungsvorrichtung genannt). Weiterhin ist eine Wasserzuleitung, zur Bildung eines Kraftstoff/Wasser-Gemischs vorgesehen. Hierzu sind die Kraftstoffzuleitung und die Wasserzuleitung an eine Mischeinrichtung angeschlossen, deren Ausgang mit der Eingangsseite der Brennstofferzeugungsvorrichtung über eine Mischleitung verbunden ist. In der Mischeinrichtung wird eine Mischung aus Kraftstoff und Wasser in konstantem Mischungsverhältnis erzeugt. Erfindungsgemäß ist mindestens eine mit einer Dosiereinrichtung versehene Bypassleitung vorgesehen, durch die jeweils ein steuerbarer Mengenstrom an Wasser und/oder Kraftstoff an der Mischeinrichtung vorbei in die Brennstofferzeugungsvorrichtung einleitbar ist.

Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung wird es auf einfache und kostengünstige Weise möglich, ein konstantes Kraftstoff/Wasser-Gemisch herzustellen und der Vorrichtung zum Erzeugen/Aufbereiten des Brennstoffs oder der Brennstoffzelle selbst zur Verfügung zu stellen. Dabei kann das Verhältnis von Kraftstoff zu Wasser während des Betriebs des Brennstoffzellensystems aber unter Fortführung der konstanten Gemischherstellung dennoch zugunsten einer kurzfristigen, d. h. praktisch verzögerungsfreien Erhöhung des Wasser- oder Kraftstoffanteils entsprechend den sich momentan verändernden Bedürfnissen frei variiert werden, indem durch die Bypassleitung bzw. -leitungen Wasser oder Kraftstoff an der Mischeinrichtung vorbei direkt in die Brennstofferzeugungsvorrichtung eingeleitet wird. Durch Messung des aktuell aus der Mischeinrichtung entnommenen Megenstroms kann der Bedarf an zusätzlichem Wasser oder Kraftstoff einfach bestimmt und der Megenstrom in der oder den Bypassleitungen entsprechend gesteuert werden. Alternativ könnte selbstverständlich auch eine Konzentrationsmessung die erforderlichen Daten liefern.

Das Ausgangsmaterial für den Brennstoff ist als Kraftstoff zunächst im Kraftstofftank gespeichert. Wenn als Brennstoff Wasserstoff verwendet werden soll, kann es sich bei dem Kraftstoff beispielsweise um einen Alkohol wie Methanol oder um Methan, Benzin, Erdgas, Kohlegas, Biogas oder dergleichen handeln. Der Kraftstoff wird über die Kraftstoffzuleitung zur Brennstofferzeugungsvorrichtung transportiert. Vor seinem Eintritt in diese Vorrichtung wird der Kraftstoff mit von über die Wasserzuleitung zugeführtem Wasser in der Mischeinrichtung zu einem Kraftstoff/Wasser-Gemisch vermischt. Dieses Gemisch wird anschließend in die Brennstofferzeugungsvorrichtung eingespeist.

In der Brennstofferzeugungsvorrichtung wird dann der Kraftstoff in den Brennstoff umgewandelt. Dieser wird anschließend der Brennstoffzelle zugeführt. Vorzugsweise wird der Brennstoff in angefeuchtetem Zustand in die Brennstoffzelle eingeleitet, um deren Austrocknung, insbesondere ein Austrocknen der Brennstoffzellenmembran, zu verhindern. Die Befeuchtung des Brennstoffs kann auf beliebige Weise erfolgen.

Vorteilhaft wird hierzu ein Teil des Wassers verwendet, das während des Brennstoffzellenprozesses aus der Brennstoffzelle ausgetragen wird und aus deren Abgasströmen zurückgewonnen werden kann, wobei ein anderer Teil dieses Wassers für die Brennstofferzeugungsvorrichtung vorgesehen werden kann. Diese Lösung wird im weiteren Verlauf der Beschreibung näher erläutert, ohne dass die Erfindung auf diese spezielle Lösung beschränkt wäre. In anderer Ausgestaltung kann das Wasser beispielsweise auch aus einer externen Wasserquelle zugeleitet werden.

Zur Bildung des konstanten Kraftstoff/Wasser-Gemischs werden die Kraftstoffzuleitung und die Wasserzuleitung in der Mischeinrichtung zusammengeführt. Diese Mischeinrichtung kann vorteilhaft aus einer Doppelpumpe gebildet sein, die in einem fest eingestellten Verhältnis gleichzeitig Kraftstoff und Wasser fördert und als Gemisch abgibt. Die Mischeinrichtung kann aber beispielsweise auch lediglich einen Zwischentank umfassen, an dem die Kraftstoffzuleitung und die Wasserzuleitung angeschlossen sind und in dem die Vermischung stattfindet. Selbstverständlich kann auch vorgesehen sein, dass bereits ein fertiges Gemisch aus einer Doppelpumpe in den Zwischentank gefördert wird. In diesem Fall kommt dem Zwischentank beispielsweise die Funktion eines Pufferspeichers zur Abdeckung eines kurzzeitigen Spitzenbedarfs in der benötigten Menge an Kraftstoff/Wasser-Gemisch zu, wenn die Leistung der Doppelpumpe etwa aus Kostengründen nur auf einen unterhalb des Spitzenbedarfs liegenden Maximalwert ausgelegt ist. Die Befüllung des Zwischentanks mit Wasser und Kraftstoff kann auch über zwei einzelne Pumpen erfolgen, die in die Kraftstoffzuleitung bzw. in die Wasserzuleitung eingeschaltet sind.

Das konstante Kraftstoff/Wasser-Gemisch sollte in seiner Zusammensetzung so eingestellt sein, dass es für den normalen Betrieb der Brennstofferzeugungsvorrichtung optimal ist. Im Falle der Brennstofferzeugung durch Dampfreformierung von Methanol liegt ein günstiges Verhältnis Methanol : Wasser in Bereich von 1 : 1 bis 1 : 1,5. Bei diesem Verhältnis entsteht besonders viel Wasserstoff als Brennstoff und relativ wenig Kohlenmonoxid, das für die Brennstoffzelle schädlich sein kann (je nach Typ der Brennstoffzelle). Die Brennstofferzeugung aus dem eingesetzten Kohlenwasserstoff kann aber auch beispielsweise durch eine partielle Oxidation oder durch eine Kombination von Dampfreformierung und partieller Oxidation erfolgen. Insbesondere bei der letztgenannten Möglichkeit kann eine Verschiebung des Schwerpunktes der Brennstofferzeugung zwischen den beiden Verfahren während des Betriebs erwünscht sein, was durch Änderung der Gemischzusammensetzung erreichbar ist.

Eine Gemischänderung kann aber auch zweckmäßig sein, um beispielsweise eine schnelle Kühlung der Brennstofferzeugungsvorrichtung zu erreichen, wenn eine Überhitzung droht. Dies kann vorteilhaft durch eine Erhöhung der relativen Wassermenge erfolgen, die in die Brennstofferzeugungsvorrichtung mit dem Gemisch eingeführt wird. Umgekehrt kann eine schnelle Temperaturerhöhung, die insbesondere in einer Anfahrphase (Kaltstart) erwünscht ist, durch vorübergehende Erhöhung des Kraftstoffanteils im Gemisch gefördert werden.

Ein anderer Grund für die Zweckmäßigkeit etwa eines kurzzeitig erhöhten Anteils an Kraftstoff im Kraftstoff/Wasser-Gemisch kann darin bestehen, dass die Brennstofferzeugungsvorrichtung so ausgelegt ist, dass sie auch bei maximaler Mengenzufuhr an Gemisch mit der "optimalen" Zusammensetzung nur weniger Brennstoff liefern kann, als die Brennstoffzelle für eine maximale Stromerzeugung benötigt. Bedarf für eine maximale Stromerzeugung kann beispielsweise während eines Überholvorgangs eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs mit Brennstoffzellen oder auch bei der Fahrzeugbeschleunigung auf der Einfädelspur einer Autobahnauffahrt bestehen. Durch Erhöhung des Kraftstoffanteils im zugeführten Gemisch kann die Brennstofferzeugungsvorrichtung für einen solchen Fall kurzzeitig in die Lage versetzt werden, einen erhöhten Wasserstoffanteil zu erzeugen, auch wenn gleichzeitig die erzeugte Menge an unerwünschtem Kohlenmonoxid erhöht wird. Letzteres ist kurzzeitig tolerierbar. Die Erhöhung der Wasserstofferzeugung ist möglich, weil durch die Verringerung des Wärmebedarfs für die Verdampfung des kleiner gewählten Wasseranteils mehr Wärme für die Umwandlung des zugeführten Kraftstoffs zur Verfügung steht.

Um alle Optionen für eine Variierung der Zusammensetzung des Kraftstoff/Wasser- Gemischs offen zu halten, empfiehlt es sich, sowohl für den Kraftstoff auch für das Wasser jeweils eine Bypassleitung vorzusehen.

Die Bypassleitung für Wasser zweigt über eine Schnittstelle von einer Teilleitung der Wasserzuleitung ab, führt an der Mischeinrichtung vorbei und mündet dann entweder direkt in die Brennstofferzeugungsvorrichtung oder ist vorzugsweise über eine weitere Schnittstelle mit der zur Brennstofferzeugungsvorrichtung führenden Mischleitung verbunden.

Diese Schnittstellen können beispielsweise als Flansch, Schweißverbindung, Klemmringkopplung oder dergleichen ausgebildet sein. In anderer Ausgestaltung ist es auch möglich, eine solche Schnittstelle als Ventil, insbesondere als mengenregelbares Ventile auszugestalten. Allerdings sind auch andere Verbindungsmöglichkeiten denkbar, so dass die Erfindung nicht auf die genannten Beispiele beschränkt ist.

Die Dosiereinrichtung in der Bypassleitung kann als mengenregelbare Fördereinrichtung (Pumpe) ausgebildet sein, die in die Bypassleitung eingebaut ist und zusätzlich zu beispielsweise einer Doppelpumpe betrieben wird, welche das Gemisch mit konstanter Zusammensetzung liefert.

Es ist aber auch möglich, dass lediglich eine einzige Pumpe zur Förderung des gesamten benötigten Wassers, also auch des Anteils für das konstante Gemisch, eingesetzt wird, wobei diese Pumpe nicht mengenregelbar sein muss. In einem solchen Fall wird die Bemessung der Mengenströme an Wasser, die in die Mischeinrichtung bzw., durch die Bypassleitung gefördert werden sollen, über Mengenregelventile in der erforderlichen Weise gesteuert. Zur Aufteilung des von der Pumpe geförderten Gesamtwasserstroms empfiehlt sich der Einsatz von Mehrwegeventilen, die mit Mengenregelventilen kombiniert werden oder auch selbst bereits mengenregelbar ausgebildet sein können. Insoweit können solche Ventile den wesentlichen Teil der Dosiereinrichtung der Bypassleitung bilden.

Für die Bypassleitung für Kraftstoff gelten die zuvor in Zusammenhang mit der Bypassleitung für Wasser gemachten Ausführungen über die Bestückung mit Pumpen und Ventilen in entsprechender Weise, so dass hierauf verwiesen und auf eine Wiederholung verzichtet werden kann.

Es versteht sich von selbst, dass in dem Falle, wenn eine Förderung sowohl des gesamten Wassers als auch des gesamten Kraftstoffs durch lediglich jeweils eine einzige Pumpe erfolgt und somit eine rein ventilgesteuerte Mengenstromeinstellung für das konstante Gemisch vorliegt, die Ventileinstellung für die unmittelbar zur Mischeinrichtung führende Teilleistung der Kraftstoffzuleitung bzw. der Wasserzuleitung auf Druckänderungen regelnd reagiert, wenn plötzlich die von der jeweiligen Teilleistung abzweigende Bypassleistung zugeschaltet wird.

Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Vorrichtung zum Zuleiten von Brennstoff wird erreicht, dass die Grundlast zur Versorgung der Brennstofferzeugungsvorrichtung über das beispielsweise in einer Doppelpumpe hergestellte Kraftstoff/Wasser-Gemisch erfolgt, und dass der Brennstofferzeugungsvorrichtung im Dynamikbereich über die in den Bypassleitungen vorgesehenen Fördereinrichtungen zusätzliches Wasser beziehungsweise zusätzlicher Kraftstoff zugeführt werden kann. Durch die Fördereinrichtungen und/oder die jeweiligen Ventile lassen sich diese zusätzlichen Mengen sehr genau einstellen.

Der vorzugsweise in der Kraftstoffzuleitung vorgesehene Zwischentank kann sicherstellen, dass zum Betrieb der Brennstofferzeugungsvorrichtung oder zum Betrieb der Brennstoffzelle immer eine genügend große Menge an Kraftstoff/Wasser-Gemisch zur Verfügung steht. Das Vorhandensein einer genügend großen Menge an Kraftstoff/Wasser-Gemisch ist insbesondere in der Startphase beziehungsweise Hochfahrphase des Brennstoffzellensystems von Bedeutung. Wahrend der Startphase - insbesondere während eines Kaltstarts - ist es notwendig, das Kraftstoff/Wasser- Gemisch möglichst ohne Zeitverzug in die Vorrichtung zum Erzeugen/Aufbereiten des Brennstoffs oder in die Brennstoffzelle einzuleiten, damit die Brennstoffzelle möglichst rasch ihre optimale Leistungsfähigkeit erreicht. Durch die Verwendung eines Zwischentanks in der Kraftstoffzuleitung wird erreicht, dass immer - insbesondere auch nach dem Abschalten der Brennstoffzelle - eine bestimmte Menge an Kraftstoff/Wasser-Gemisch im Brennstoffzellensystem verbleibt, so dass für einen erneuten Start des Brennstoffzellensystems sofort genügend Kraftstoff/Wasser- Gemisch für die erste Betriebsphase zur Verfügung steht.

Die Verwendung eines Zwischentanks kann auch dann vorteilhaft sein, wenn die Brennstoffzelle und damit auch deren Vorrichtung zum Zuleiten von Brennstoff bei tiefen Umgebungstemperaturen eingesetzt wird. Bei tiefen Temperaturen besteht die Gefahr, dass Flüssigkeiten, insbesondere Wasser, einfrieren können. Derart eingefrorenes Wasser muss in der Startphase der Brennstoffzelle zunächst aufgetaut werden, was zu Zeitverzögerungen führt. Die Brennstoffzelle ist nach dem Start schnell einsatzbereit, da sich im Zwischentank ein Kraftstoff/Wasser-Gemisch befindet, das aufgrund des gefrierpunkterniedrigenden Kraftstoffgehalts (z. B. Methanol) nicht einfriert.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann in der Wasserzuleitung ein Wassertank vorgesehen sein. Ein solcher Wassertank ist beispielsweise dann von Vorteil, wenn zum Herstellen des Kraftstoff/Wasser-Gemischs Wasser verwendet wird, das während des Brennstoffzellenprozesses aus der Brennstoffzelle ausgetragen beziehungsweise aus den Abgasströmen der Brennstoffzelle zurückgewonnen wird. Derartiges Prozesswasser wird aber nur während des Betriebs der Brennstoffzelle erzeugt, so dass es insbesondere in der Startphase des Brennstoffzellensystems noch nicht zur Verfügung steht. Aus diesem Grund dient der Wassertank als Wasserreservoir, aus dem Wasser auch bereits während der Startphase des Brennstoffzellensystems entnommen werden kann, um möglichst schnell das erforderliche Kraftstoff/Wasser- Gemisch zur Verfügung stellen zu können.

Vorzugsweise ist die Wasserzuleitung und/oder der Wassertank mit einem Ablassventil verbunden. Über das Ablassventil kann das Prozesswasser bei Bedarf abgelassen werden. So ist es beispielsweise möglich, dass zur Vermeidung eines Einfrierens das Wasser aus der Wasserzuleitung und/oder dem Wassertank abgeleitet wird, wenn das Brennstoffzellensystem für längere Zeit oder bei tiefen Temperaturen abgeschaltet wird. Es kann aber auch vorgesehen sein, über das Ablassventil nie eine komplette Entwässerung des Wassertanks vorzunehmen, so dass immer ein Restbestand an Wasser im Wassertank und damit im Wasserzuleitungssystem verbleibt.

Gemäß dem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Brennstoffzellensystem bereitgestellt, mit einer oder mehreren Brennstoffzelle(n), die wenigstens einen Anodenteil mit wenigstens einer Zuleitung und wenigstens einer Ableitung für einen Brennstoff und wenigstens einen Kathodenteil mit wenigstens einer Zuleitung und wenigstens einer Ableitung für ein Oxidationsmittel aufweist/aufweisen. Weiterhin ist eine wie vorstehend beschriebene erfindungsgemäße Vorrichtung zum Zuleiten von Brennstoff vorgesehen, wobei die Vorrichtung an der Ausgangsseite der Brennstofferzeugungsvorrichtung mit der Brennstoffzuleitung zur Brennstoffzelle verbunden ist.

In einem derart ausgebildeten Brennstoffzellensystem wird es auf einfache und kostengünstige Weise möglich, die Brennstofferzeugungsvorrichtung immer mit einer ausreichenden Menge an Kraftstoff/Wasser-Gemisch zu versorgen. Insbesondere ist es dabei gewährleistet, dass die Menge des in die Brennstofferzeugungsvorrichtung zum eingeleiteten Wassers beziehungsweise Kraftstoffs je nach Bedarf variabel einstellen zu können. Dies ist insbesondere aus den weiter oben beschriebenen Gründen von Vorteil. Zu den Vorteilen, Effekten, Wirkungen und der Funktionsweise des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems wird auf die vorstehenden Ausführungen zur erfindungsgemäßen Vorrichtung vollinhaltlich Bezug genommen und hiermit verwiesen.

In der Vorrichtung zum Zuleiten von Brennstoff wird zunächst das Kraftstoff/Wasser- Gemisch in dem erforderlichen Mischungsverhältnis hergestellt. Anschließend wird dieses Kraftstoff/Wasser-Gemisch in die Vorrichtung zum Erzeugen/Aufbereiten des Brennstoffs eingeleitet, wo es in ein wasserstoffreiches Gas umgewandelt wird. Anschließend wird dieses wasserstoffreiche Gas über die Brennstoffzuleitung in die Brennstoffzelle eingeleitet.

Vorzugsweise kann in der wenigstens einen Brennstoffableitung und/oder der wenigstens einen Oxidationsmittelableitung ein Wasserabscheider vorgesehen sein, der mit der Wasserzuleitung verbunden ist. Über diesen Wasserabscheider kann das während des Brennstoffzellenprozesses produzierte Wasser gesammelt und anschließend weiter verwertet werden. Während des Betriebs der Brennstoffzelle wird nämlich neben elektrischem Strom und Wärme unter anderem auch Wasser produziert, das in Form von Wasserdampf im Abgasstrom des Oxidationsmittels und/oder des Brennstoffs abgeleitet wird. Um dieses dampfförmige Wasser in den flüssigen Zustand überführen zu können, so dass es für andere Prozesse, beispielsweise die Prozesswasserzumischung zum Kraftstoff, verfügbar ist, durchströmt der den Wasserdampf enthaltende Gasstrom nach dem Austritt aus der Brennstoffzelle den Wasserabscheider, in dem der Wasserdampf zu flüssigem Wasser kondensiert.

Vorzugsweise kann eine wie vorstehend beschriebene erfindungsgemäße Vorrichtung und/oder ein wie vorstehend beschriebenes erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem in einem oder für ein Fahrzeug verwendet werden. Auf Grund der rasanten Entwicklung der Brennstoffzellentechnologie im Fahrzeugsektor bietet eine solche Verwendung zur Zeit besonders gute Einsatzmöglichkeiten. Dennoch sind auch andere Einsatzmöglichkeiten denkbar. Zu nennen sind hier unter anderem Brennstoffzellen für mobile Geräte wie Computer oder dergleichen bis hin zu stationären Einrichtungen wie Kraftwerksanlagen. Hier eignet sich die Brennstoffzellentechnik besonders für die dezentrale Energieversorgung von Häusern, Industrieanlagen oder dergleichen.

In bevorzugter Weise wird die vorliegende Erfindung in Verbindung mit Brennstoffzellen mit Polymermembranen (PEM) verwendet. Diese Brennstoffzellen haben einen hohen elektrischen Wirkungsgrad, verursachen nur minimale Emissionen, weisen ein optimales Teillastverhalten auf und sind im wesentlichen frei von mechanischem Verschleiss.

Die Erfindung wird nun an Hand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert. Es zeigen die beiden Fig. 1 und 2 in schematischer Darstellung jeweils ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem mit einer Vorrichtung zum Zuleiten von Brennstoff.

In Fig. 1 ist ein Brennstoffzellensystem 10 dargestellt, das im vorliegenden Beispiel zum Betreiben eines elektrischen Antriebs in einem nicht dargestellten Fahrzeug verwendet wird.

Das Brennstoffzellensystem 10 weist eine Brennstoffzelle 11 auf mit einem Anodenteil 12, einem Kathodenteil 15 und einer Membran 18. Der Anodenteil 12 ist mit einer Zuleitung 13 und einer Ableitung 14 für einen Brennstoff, im vorliegenden Fall Wasserstoff, verbunden. Der Kathodenteil 15 ist mit einer Zuleitung 16 und einer Ableitung 17 für ein Oxidationsmittel, im vorliegenden Fall Sauerstoff oder Luft, verbunden. In der Oxidationsmittelableitung 17 befindet sich ein Wasserabscheider 19, über den Prozesswasser aus dem Abgasstrom des Kathodenteils 15 der Brennstoffzelle 11 zurückgewonnen werden kann.

Die Brennstoffzelle 11 ist über die Brennstoffzuleitung 13 mit einer Vorrichtung 30 zum Zuleiten von Brennstoff verbunden. Die Vorrichtung 30 weist eine Brennstofferzeugungsvorrichtung 31 auf, die an ihrer Ausgangsseite 33 mit der Brennstoffzuleitung 13 verbunden ist. An ihrer Eingangsseite 32 ist die Brennstofferzeugungsvorrichtung 31 über eine Kraftstoffzuleitung 40 mit einem Kraftstofftank 34 verbunden, in dem ein Kraftstoff, der das Ausgangsmaterial für den Brennstoff bildet, beispielsweise Methanol, Benzin, Erdgas oder dergleichen, gespeichert ist.

Die Kraftstoffzuleitung 40 besteht zunächst aus einer Teilleitung 41, in der eine Doppelpumpe 42, ein Zwischentank 43 sowie ein Kraftstoffilter 44 vorgesehen sind. Weiterhin weist die Kraftstoffzuleitung 40 eine Bypassleitung 45 auf, in der eine als Pumpe ausgebildete zusätzliche Fördereinrichtung 46 angeordnet ist. Die Bypassleitung 45 ist über entsprechende Schnittstellen 47, 48 mit einer Mischleitung 49 als Teil der Kraftstoffzuleitung 40 verbunden. Dabei ist die Schnittstelle 47 vorzugsweise als Flansch, Schweißverbindung oder dergleichen ausgebildet, während die Schnittstelle 48 vorzugsweise als mengenregelbares Wegeventile ausgestaltet ist.

Weiterhin weist die Vorrichtung 30 zum Zuleiten von Brennstoff eine Wasserzuleitung 50 auf. Die Wasserzuleitung 50 besteht zunächst aus einer Teilleitung 51, die auf der einen Seite mit dem Wasserabscheider 19 und auf der anderen Seite mit der Doppelpumpe 42 verbunden ist. In der Teilleitung 51 ist weiterhin ein Wassertank 52 vorgesehen, der mit einem Ablassventil 53 versehen ist.

In der Doppelpumpe 42 wird aus dem Kraftstoff und dem Wasser ein Kraftstoff/Wasser-Gemisch mit konstanter Zusammensetzung hergestellt, das dann über die Teilleitung 41 der Kraftstoffzuleitung 40, die in diesem Bereich als Mischleitung 49 ausgebildet ist, der Vorrichtung 31 zum Erzeugen/Aufbereiten des Brennstoffs zugeführt wird.

Zwischen dem Wassertank 52 und der Doppelpumpe 42 ist in der Teilleitung 51 eine Schnittstelle 56 vorgesehen, die mit einer die Doppelpumpe 42 umgehenden Bypassleitung 54 verbunden ist. Die Schnittstelle 56 ist wie die Schnittstelle 47 ebenfalls als Flansch, Schweißverbindung oder dergleichen ausgebildet. In der Bypassleitung 54 ist eine als Pumpe ausgebildete zweite zusätzliche Fördereinrichtung 55 vorgesehen. Die Bypassleitung 54 ist ebenfalls mit der Schnittstelle 48 verbunden.

Nachfolgend wird nun die Funktionsweise des Brennstoffzellensystems 10 beschrieben.

Während des normalen Betriebs der Brennstoffzelle 11 wird in dieser Strom und Wärme sowie Wasser in Form von Wasserdampf erzeugt. Der Wasserdampf wird beispielsweise über die Oxidationsmittelableitung 17 aus der Brennstoffzelle 11 abgeleitet. Zur Rückgewinnung des Wassers ist in der Oxidationsmittelableitung 17 der Wasserabscheider 19 vorgesehen, in dem der Wasserdampf zu flüssigem Wasser kondensiert. Das flüssige Wasser wird über die Teilleitung 51 der Wasserzuleitung 50 zur Doppelpumpe 42 gefördert. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist in der Teilleitung 51 zusätzlich der Wassertank 52 vorgesehen, in dem während des Brennstoffzellenprozesses erzeugtes Prozesswasser zwischengespeichert wird. Dieses Prozesswasser wird in der Doppelpumpe 42 zusammen mit aus dem Kraftstofftank 34 entnommenem Kraftstoff zu einem Kraftstoff/Wasser-Gemisch vermischt, das anschließend im Zwischentank 43 zwischengespeichert wird. Von dort wird das Kraftstoff/Wasser-Gemisch in die Brennstofferzeugungsvorrichtung 31 eingeleitet, wo es für den Betrieb der Brennstoffzelle 11 in ein wasserstoffreiches Gas reformiert wird.

Über die Doppelpumpe 42 wird das für den Normalbetrieb der Brennstoffzelle 11 erforderliche Kraftstoff/Wasser-Gemisch in einem festgelegten, nicht veränderlichen Verhältnis hergestellt. In bestimmten Fällen kann es jedoch wünschenswert sein, das Verhältnis des Kraftstoff/Wasser-Gemischs zu variieren.

Insbesondere während der Startphase des Brennstoffzellensystems 10 ist es erforderlich, die einzelnen Komponenten, insbesondere die Brennstofferzeugungsvorrichtung 31, möglichst schnell auf Betriebstemperatur zu bringen. Da Wasser aufgrund der Verdampfungsenthalpie einer schnellen Aufheizung des Systems entgegenwirkt, ist während der Startphase des Brennstoffzellensystems 10 vorteilhaft vorgesehen, nur gerade so viel Wasser wie eben nötig in die Vorrichtung 31 eintreten kann. In diesem Fall wird die Pumpe 55 nicht betätigt, wodurch diese als eine Art Leitungsverschluss fungiert, so dass kein zusätzliches Wasser über die Bypassleitung 54 an der Doppelpumpe 42 vorbeigeführt wird. Stattdessen wird aber durch Betätigung der Pumpe 46 ein zusätzlicher Kraftstoffanteil in die Brennstofferzeugungsvorrichtung 31 gefördert, um den dort beispielsweise teils als partielle Oxidation und teils als reine Dampfreformierung ablaufenden Umwandlungsprozess stärker zur partiellen Oxidation hin zu verschieben, da dieser Prozess exotherm verläuft, während die Dampfreformierung endotherm ist. Dadurch kann die Temperatur in der Brennstofferzeugungsvorrichtung 31 besonders schnell ansteigen.

Während des Betriebs des Brennstoffzellensystems 10 können jedoch auch Situationen auftreten, in denen die Brennstofferzeugungsvorrichtung 31 beispielsweise gekühlt werden muss. In diesem Fall wird über einen entsprechenden Betrieb der Pumpe 55 soviel Wasser über die Bypassleitung 54 an der Doppelpumpe 42 vorbei und via Schnittstelle 48 direkt in die Vorrichtung 31 eingeleitet, dass der gewünschte Kühleffekt erzielt wird. Die genaue Steuerung der Durchflußmenge des Wassers durch die Bypassleitung 54 hindurch wird dabei über die entsprechende Ansteuerung und Regulierung der Pumpe 55 und/oder der als mengenregelbares Wegeventil ausgeführten Schnittstelle 48 erreicht. Auf gleiche Weise kann auch die Pumpe 46 betätigt werden, so dass auch zusätzlicher Kraftstoff, der (insbesondere bei der Dampfreformierung) ebenfalls eine Kühlwirkung haben kann, direkt in die Vorrichtung 31 eingeleitet wird.

In anderen Fällen können Situationen auftreten, in denen die Brennstoffzelle 11 mehr Leistung benötigt als im Normalbetrieb des Brennstoffzellensystems zur Verfügung gestellt wird. Solche Situationen treten beispielsweise auf, wenn mit dem Fahrzeug ein Überholvorgang durchgeführt oder das Fahrzeug im beladenen Zustand bewegt wird. In diesem Fall benötigt die Brennstoffzelle 11 zusätzlichen Brennstoff, der in der Vorrichtung 31 zum Erzeugen/Aufbereiten des Brennstoffs hergestellt werden muss.

Neben dem durch die Doppelpumpe 42 erzeugten Kraftstoff/Wasser-Gemisch wird es durch entsprechende Betätigung der Pumpen 55, 46 ermöglicht, dass der Vorrichtung 31 über die Bypassleitungen 54, 45 zusätzliches Wasser und zusätzlicher Kraftstoff direkt zur Verfügung gestellt wird. Das zusätzliche Wasser beziehungsweise der zusätzliche Kraftstoff werden über die Bypassleitungen 54, 45 an der Doppelpumpe 42 vorbeigeführt und hinter der Doppelpumpe 42 über die als Ventil ausgebildete Schnittstelle 48 in der Teilleitung 41 der Kraftstoffzuleitung 40, die in diesem Bereich als Mischleitung 49 ausgebildet ist, zusammengeführt. Das so entstehende zusätzliche Kraftstoff/Wasser-Gemisch wird dann neben dem durch die Doppelpumpe 42 erzeugten Kraftstoff/Wasser-Gemisch direkt in die Vorrichtung 31 zum Erzeugen/Aufbereiten des Brennstoffs eingespeist. Die Bereitstellung der in der entsprechenden Situation erforderlichen zusätzlichen Mengen an Wasser oder Kraftstoff erfolgt über eine entsprechende Regelung der Fördereinrichtungen 55 und 46 sowie möglicherweise über eine entsprechende Stellung des(r) Ventils(e) 48. Da alle genannten Komponenten regelbar sind, lassen sich die gewünschten Mengen auf einfache Weise hochgenau einstellen. Diese Betriebsweise ist insbesondere dann sinnvoll, wenn ein Zwischentank 43 für einen Puffervorrat an Kraftstoff/Wasser- Gemisch nicht vorgesehen ist.

Das in Fig. 2 dargestellte Ausführungsbeispiel der Erfindung unterscheidet sich von demjenigen aus Fig. 1 nur in wenigen Punkten, so dass nur auf diese Unterschiede näher eingegangen wird. Funktionsgleiche Teile der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen worden wie in Fig. 1.

Statt einer Doppelpumpe 42 und der beiden zusätzlichen Pumpen 46, 55 in den Bypassleitungen 54, 45 in Fig. 1 weist das Ausführungsbeispiel in Fig. 2 lediglich eine unmittelbar hinter dem Wassertank 52 angeordnete Pumpe 61 zur Förderung von Wasser und eine weitere Pumpe 60 auf, die in Förderrichtung S hinter dem Kraftstofffilter 44 angeordnet ist und zur Kraftstoffförderung vorgesehen ist. In Förderrichtung S hinter den beiden Pumpen 60, 61 ist jeweils eine als mengenregelbares Wegeventil ausgebildete Schnittstelle 47, 56 angeordnet, von der aus die jeweilige Bypassleitung 45, 54 von der zugehörigen Teilleitung 41, 51 der Kraftstoffzuleitung 40 bzw. Wasserzuleitung 50 abzweigt und hinter dem Zwischentank 43 an der Schnittstelle 48 in die Mischleitung 49 führt. Die beiden Abgänge der Wegeventile 47 und 56 sind mengenregelbar, so dass auch bei konstanter Förderleistung der beiden Pumpen 60, 61 nicht nur im Verhältnis zueinander konstant eingestellt Mengenströme an Wasser und Kraftstoff in den Zwischentank 43 gelangen und sich vermischen, sondern auch je nach Bedarf vorgegebene Mengenströme an Wasser und/oder Kraftstoff durch die Bypassleitungen 54, 55 unter Umgehung des Zwischentanks direkt in die Brennstofferzeugungsvorrichtung 31 eingespeist werden können. Eine Mengenregelung für die beiden Bypassleitungen 45, 54 kann selbstverständlich alternativ auch in der Schnittstelle 48 erfolgen, wenn diese entsprechende Ventilfunktionen aufweist, sie könnte aber auch durch separate Ventile vorgenommen werden, die in die Bypassleitungen selbst eingebaut sind.

Bezugszeichenliste

10

Brennstoffzellensystem

11

Brennstoffzelle

12

Anodenteil

13

Brennstoffzuleitung

14

Brennstoffableitung

15

Kathodenteil

16

Oxidationsmittelzuleitung

17

Oxidationsmittelableitung

18

Membran

19

Wasserabscheider

30

Vorrichtung zum Zuleiten von Brennstoff

31

Brennstofferzeugungsvorrichtung

32

Eingangsseite

33

Ausgangsseite

34

Kraftstofftank

40

Kraftstoffzuleitung

41

Teilleitung

42

Doppelpumpe

43

Zwischentank

44

Kraftstoffilter

45

Bypassleitung

46

Fördereinrichtung (Pumpe)

47

Schnittstelle

48

Schnittstelle (Ventil)

49

Mischleitung

50

Wasserzuleitung

51

Teilleitung

52

Wassertank

53

Ablaßventil

54

Bypassleitung

55

Fördereinrichtung (Pumpe)

56

Schnittstelle

61

Fördereinrichtung (Pumpe)

62

Fördereinrichtung (Pumpe)
S Strömungsrichtung

Claims (15)

1. Vorrichtung zum Zuleiten von Brennstoff in die Brennstoffzelle eines Brennstoffzellensystems, mit einem Kraftstofftank (34), der über eine Kraftstoffzuleitung (40), mit einer Brennstofferzeugungsvorrichtung (31) verbunden ist, und mit einer Wasserzuleitung (50), wobei die Kraftstoffzuleitung (40) und die Wasserzuleitung (50) an eine Mischeinrichtung (42, 43) angeschlossen sind, deren Ausgang über eine Mischleitung (49) mit der Eingangsseite (32) der Brennstofferzeugungsvorrichtung (31) verbunden ist und in der eine Mischung aus Kraftstoff und Wasser in konstantem Mischungsverhältnis erzeugt wird, und wobei mindestens eine mit einer Dosiereinrichtung versehene Bypassleitung (54, 45) vorgesehen ist, durch die zur Beeinflussung der Zusammensetzung der Mischung aus Kraftstoff und Wasser jeweils ein steuerbarer Mengenstrom an Wasser und/oder Kraftstoff an der Mischeinrichtung (42, 43) vorbei in die Brennstofferzeugungsvorrichtung (31) einleitbar ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischeinrichtung eine Doppelpumpe (42) zur gleichzeitigen Förderung von Kraftstoff und Wasser umfasst.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischeinrichtung einen Zwischentank (43) umfasst.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl eine Bypassleitung (54) für Wasser als auch eine Bypassleitung (45) für Kraftstoff vorgesehen ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Bypassleitung (54) für Wasser über eine Schnittstelle (56) mit einer Teilleitung (51) der Wasserzuleitung (50) sowie über eine Schnittstelle (48) mit der Mischleitung (40) verbunden ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Schnittstelle (56) und/oder die Schnittstelle (48) als Wegeventil, insbesondere als mengenregelbares Wegeventil als Bestandteil der Dosiereinrichtung, ausgebildet sind/ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Bypassleitung (45) für Kraftstoff über eine Schnittstelle (47) mit einer Teilleitung (41) der Kraftstoffzuleitung (40) sowie über eine Schnittstelle (48) mit der Mischleitung (49) verbunden ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Schnittstelle (47) und/oder die Schnittstelle (48) als Wegeventil, insbesondere als mengenregelbares Wegeventil als Bestandteil der Dosiereinrichtung, ausgebildet ist/sind.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Dosiereinrichtung in der Bypassleitung (45, 54) als mengenregelbare Fördereinrichtung (46, 55) ausgebildet ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 3 und mindestens einem der Ansprüche 6 und 8; dadurch gekennzeichnet, dass in der Teilleitung (51) der Wasserzuleitung (50) und in der Teilleitung (41) der Kraftstoffzuleitung (40) jeweils eine separate Fördereinrichtung (60, 61) angeordnet ist, wobei in Strömungsrichtung S zumindest hinter einer der Fördereinrichtungen (60, 61) die mindestens eine Bypassleitung (54, 45) von der Teilleitung (41, 51) abzweigt und die durch die beiden Teilleitungen (41, 51) in den Zwischentank (43) gehenden Mengenströme an Wasser und Kraftstoff in einem festen Mengenverhältnis zueinander eingestellt gehalten werden durch mindestens ein mengenregelbares Ventil (47, 56) in mindestens einer der in den Zwischentank (43) führenden Teilleitungen (41, 51).

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass in der Wasserzuleitung (50) ein Wassertank (52) vorgesehen ist.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass dies Wasserzuleitung (50) und/oder der Wassertank (52) mit einem Ablaßventil (53) verbunden ist/sind.

13. Brennstoffzellensystem mit einer oder mehreren Brennstoffzelle(n) (11), die einen Anodenteil (12) mit wenigstens einer Zuleitung (13) und wenigstens einer Ableitung (14) für einen Brennstoff und einen Kathodenteil (15) mit wenigstens einer Zuleitung (16) und wenigstens einer Ableitung (17) für ein Oxidationsmittel aufweist/aufweisen, und mit einer Vorrichtung (30) zum Zuleiten von Brennstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei die Vorrichtung (30) an der Ausgangsseite (33) der Brennstofferzeugungsvorrichtung (31) mit der Brennstoffzuleitung (13) für die Brennstoffzelle (11) verbunden ist.

14. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass in der wenigstens einen Brennstoffableitung (14) und/oder der wenigstens einen Oxidationsmittelableitung (17) ein Wasserabscheider (19) vorgesehen ist, der insbesondere mit der Wasserzuleitung (50) verbunden ist.

15. Verwendung einer Vorrichtung (30) nach einem der Ansprüche 1 bis 12 und/oder eines Brennstoffzellensystems (10) nach Anspruch 13 oder 14 in einem oder für ein Fahrzeug.