DE10108187A1 - Brennstoffzellensystem mit einer Druckwechseladsorptionseinheit - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem mit einer Druckwechseladsorptionseinheit zur Erhöhung des Sauerstoffanteils im Oxidationsmittel-Medienstrom der Brennstoffzelle. Die Verdichtung des Oxidationsmittel-Medienstroms erfolgt zweistufig, wobei jeweils stromauf und stromab der Druckwechseladsorptionseinheit jeweils ein Verdichter angeordnet sind. Weiterhin ist in der Abgasleitung der Druckwechseladsorptionseinheit ein Verdichter zur Verdichtung des Abgases der Druckwechseladsorptionseinheit auf Umgebungsdruck. Schließlich ist in der Kathodenabgasleitung der Brennstoffzelle eine Turbine zur Rückgewinnung von im Abgas enthaltener Energie vorgesehen, wobei der stromauf der Druckwechseladsorptionseinheit angeordnete Verdichter, der in der Abgasleitung der Druckwechseladsorptionseinheit angeordnete Verdichter und die Turbine auf einer gemeinsamen Welle angeordnet sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Versorgung einer Brennstoffzelle mit einem Oxidationsmittel-Medienstrom mit er­ höhtem Sauerstoffanteil gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1.

In Brennstoffzellen reagieren Wasserstoff und Sauerstoff zu Wasser unter Abgabe von elektrischem Strom. Hierbei hängt der Wirkungsgrad der Brennstoffzelle unter anderem von der Reinheit der Reaktanden ab. Insbesondere auf der Kathodenseite von Brennstoffzellen, die mit Umgebungsluft betrieben werden, erge­ ben sich gravierende Verbesserungen, wenn der natürliche Sauer­ stoffanteil von 21% durch geeignete Maßnahmen auf Werte größer 30% erhöht wird.

Eine Möglichkeit zur Erhöhung des Sauerstoffanteils in Umge­ bungsluft bietet eine Druckwechseladsorptionseinheit. Bei der PSA wird in einem kontinuierlichen Prozeß die Adsorption bezie­ hungsweise Desorption von Gasen bei unterschiedlichen Drücken genutzt, um eine gewünschte Komponente anzureichern. Das Druck­ verhältnis zwischen dem zugeführten Edukt und einem abzuführen­ den Abgasstrom muß für einen effizienten Betrieb möglichst groß sein. Dieses Druckverhältnis kann entweder über einen hohen Vordruck gegenüber Umgebungsdruck auf der Eduktseite oder über einen geringen Vordruck gegenüber Umgebungsdruck auf der Edukt­ seite und einem zusätzlichen Unterdruck auf der Abgasseite er­ reicht werden. Der Unterdruck auf der Abgasseite kann beispielsweise mittels einer Vakuumpumpe realisiert werden. Wei­ terhin sollte die Einlaßtemperatur der Druckwechseladsorptions­ einheit für einen effizienten Betrieb möglichst gering gehalten werden. Solche Druckwechseladsorptionseinheiten gehören seit langem zum Stand der Technik.

Weiterhin ist es bekannt, in Brennstoffzellensystemen eine Druckwechseladsorptionseinheit zur Erhöhung des Sauerstoffan­ teils in der Luftzufuhr von Brennstoffzellen einzusetzen. Ein solches Brennstoffzellensystem mit einer Druckwechseladsorpti­ onseinheit ist beispielsweise aus der WO 00/16425 bekannt. Dort sind verschiedene Verschaltungen offenbart. In einem Beispiel ist der Verdichter auf der Eduktseite über eine gemeinsame Wel­ le mit der Vakuumpumpe auf der Abgasseite gekoppelt. In einem zweiten Beispiel ist ein zweistufiger Verdichter auf der Edukt­ seite offenbart. Die erste Stufe dient zur Eduktversorgung der Druckwechseladsorptionseinheit. Die zweite Stufe dient zur Luftversorgung eines katalytischen Brenners, in welchem ein brennstoffhaltiges Abgas des Brennstoffzellensystems oxidiert wird. Das energiereiche Abgas des katalytischen Brenners wird über eine Turbine geleitet, die zum Antrieb des zweistufigen Kompressors der Druckwechseladsorptionseinheit auf einer ge­ meinsamen Welle angeordnet ist. In einem dritten Beispiel ist ein Verdichter auf der Eduktseite einer Druckwechseladsorpti­ onseinheit mit einer Vakuumpumpe auf der Abgasseite der Druck­ wechseladsorptionseinheit und einer Abgasturbine des Brenn­ stoffzellensystems gemeinsam mit einem zusätzlichen elektri­ schen Antriebsmotor auf einer gemeinsamen Welle angeordnet.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Brennstoffzellensystem mit einer Druckwechseladsorptionseinheit mit weiter verbessertem Gesamtwirkungsgrad zu schaffen.

Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des Anspruches 1 ge­ löst. Vorteilhafte Ausführungen sind Gegenstand weiterer An­ sprüche.

Erfindungsgemäß wird die Luft auf der Eduktseite der Druckwech­ seladsorptionseinheit mit einem ersten Verdichter nur so weit wie nötig komprimiert. Dadurch kann der Energieaufwand für der ersten Verdichter reduziert und gleichzeitig aufgrund der mode­ raten Temperaturerhöhung auf einen Ladeluftkühler verzichtet werden. In einer zweiten Kompressionsstufe wird dann mittels eines zweiten Verdichters der angereicherte Luftstrom auf ein für die Brennstoffzelle gewünschtes Druckniveau weiter verdich­ tet. Der Energieaufwand ist hierbei reduziert, weil der Volu­ menstrom durch die Anreicherung beziehungsweise die Abtrennung des Abgasstromes bereits reduziert wurde. Insgesamt ergibt sich eine guter Wirkungsgrad und eine erhöhte Betriebstemperatur für die Brennstoffzelle selbst, weil diese bei erhöhtem Sauerstof­ fanteil und gleichzeitig bei erhöhtem Druck betrieben werden kann.

Anstelle der Vakuumpumpe wird der Abgasstrom mittels eines wei­ teren Verdichters, der zusammen mit dem zweiten Verdichter über eine gemeinsame Welle durch eine im Brennstoffzellenabluftstrom angeordnete Turbine angetrieben wird, auf Umgebungsdruck ver­ dichtet. Somit kann auf eine separate Vakuumpumpe mit zugehöri­ gem Elektromotor verzichtet werden. Gleichzeitig kann aufgrund des reduzierten Energiebedarfs für den ersten Verdichter ein kleinerer Elektromotor mit hoher Nettoleistung verwendet wer­ den.

Durch die Anordnung eines Brenners stromauf der Turbine in der Oxidationsmittel-Abführleitung kann der Energieinhalt im Abgas und somit die durch die Turbine auf die beiden Verdichter über­ tragbare Leistung erhöht bzw. eingestellt werden. Die Regelung kann sehr einfach über die Brennstoffdosierung realisiert wer­ den. Vorteilhaft ist es weiterhin, das Anodenabgas als Brenn­ stoff zu verwenden. Die Verwendung eines katalytischen Brenners ermöglicht im Vergleich zu Brennern mit offener Flamme verbes­ serte Abgasemissionswerte.

Durch die Anordnung eines Wärmetauschers stromab der Turbine in der Oxidationsmittel-Abführleitung kann die im Abgas noch vor­ handene thermische Energie noch weiter verwertet werden, was zu einer Verbesserung des Gesamtwirkungsgrades des Brennstoffzel­ lensystems führt. Enthält das Brennstoffzellensystem eine Sy­ stem zur Wasserstofferzeugung aus einem flüssigen oder gasför­ migen Rohkraftstoff, so kann mit Hilfe des Wärmetauschers Ener­ gie auf Komponenten der Wasserstofferzeugung übertragen werden. Beispielsweise kann ein Verdampfer oder ein endothermer Refor­ mierungsreaktor über das heiße Abgas beheizt werden.

Weitere Vorteile gehen aus den Unteransprüchen und der Be­ schreibung hervor. Die Erfindung wird nun anhand der beigefüg­ ten Zeichnung näher beschrieben, die ein vereinfachtes Block­ schaltbild eines Brennstoffzellensystems mit einer Druckwechse­ ladsorptionseinheit zeigt.

Das insgesamt mit 1 gekennzeichnete Brennstoffzellensystem ent­ hält eine mit Sauerstoff betriebene Brennstoffzelle 2. Vorzugs­ weise handelt es sich hierbei um eine PEM-Brennstoffzelle 2, die einen Anodenraum 3 und einen hiervon durch eine protonen­ leitende Membran 5 getrennten Kathodenraum 4 aufweist. Die nur schematisch dargestellte Brennstoffzelle 2 ist vorzugsweise in bekannter Weise als Brennstoffzellenstapel aus einer Vielzahl von Anoden- und Kathodenräumen 3, 4 aufgebaut. Im folgenden wird die Erfindung anhand einer PEM-Brennstoffzelle beschrie­ ben. Der Schutzbereich soll aber dadurch nicht auf dieses Aus­ führungsbeispiel beschränkt werden.

Der Anodenraum 3 wird über eine Brennmittel-Zuführleitung 6 mit einem wasserstoffreichen Gas versorgt, welches nach dem Durch­ strömen des Anodenraumes 3 über eine Brennmittel-Abführleitung 9 abgeführt wird. Gleichzeitig wird der Kathodenraum 4 über ei­ ne Oxidationsmittel-Zuführleitung 7 mit einem sauerstoffhalti­ gen Gas versorgt, welches nach dem Durchströmen des Kathoden­ raumes 4 über eine Oxidationsmittel-Abführleitung 8 abgeführt wird. In der Brennstoffzelle 2 reagiert in bekannter Weise ein Teil des Wasserstoffs aus dem Brennmittelstrom mit einem Teil des Sauerstoffs aus dem Oxidationsmittelstrom unter Bildung von Wärme und elektrischem Strom zu Wasser.

In der Oxidationsmittel-Zuführleitung 7 ist eine Druckwechse­ ladsorptionseinheit 10 zur Erhöhung des sauerstoffanteils im Oxidationsmittelstrom angeordnet. Solche Druckwechseladsorpti­ onseinheiten 10 sind aus dem Stand der Technik allgemein be­ kannt. Deshalb wird deren Funktionsweise hier nur noch kurz be­ schrieben. In einer Druckwechseladsorptionseinheit wird im all­ gemeinen ein Eduktgasstrom in einen angereicherten Produkt­ gasstrom und einen abgereicherten Abgasstrom aufgeteilt. Der Grad der Anreicherung wird hierbei maßgeblich durch die Druck­ differenz zwischen dem Eduktgasstrom und dem Abgasstrom beein­ flußt. Somit kann die Druckwechseladsorptionseinheit entweder mit einem hohen Druck in der Eduktgasleitung und/oder einem ho­ hen Unterdruck in der Abgasleitung betrieben werden. Das Edukt­ gas wird der Druckwechseladsorptionseinheit 10 über die Oxida­ tionsmittel-Zuführleitung 7 zugeführt. Anschließend wird das angereicherte Produktgas ebenfalls über die Oxidationsmittel- Zuführleitung 7 dem Kathodenraum 4 der Brennstoffzelle 2 zuge­ führt. Der Abgasstrom der Druckwechseladsorptionseinheit wird über eine Abgasleitung 11 abgeführt.

In der Oxidationsmittel-Zuführleitung 7 ist stromauf der Druck­ wechseladsorptionseinheit 10 ein erster Verdichter 12, der mit Hilfe eines Elektromotors 13 angetrieben wird, angeordnet. Mit Hilfe dieses ersten Verdichters 12 wird das Eduktgas nur so­ weit, wie für die Druckwechseladsorptionseinheit 10 notwendig, komprimiert. Außerdem wird das Eduktgas nur soweit komprimiert, daß durch die damit verbundene Temperaturerhöhung noch kein Ladeluftkühler benötigt wird, sondern das Eduktgas der Druck­ wechseladsorptionseinheit 10 ungekühlt zugeführt werden kann. Das in der Druckwechseladsorptionseinheit 10 angereicherte Pro­ duktgas wird anschließend über die Oxidationsmittel-Zuführ­ leitung 7 dem Kathodenraum 4 der Brennstoffzelle 2 zugeführt. In der Oxidationsmittel-Zuführleitung 7 ist zwischen der Druck­ wechseladsorptionseinheit 10 und er Brennstoffzelle 2 ein zwei­ ter Verdichter 14 angeordnet, mit dessen Hilfe das Produktgas auf das für die Brennstoffzelle 2 benötigte Druckniveau (z. B. 2,5 bis 5 bar a) weiter verdichtet wird. Hierbei wird im Ver­ gleich zu herkömmlichen Systemen weniger Kompressionsenergie benötigt, da nicht der gesamte Volumenstrom, sondern nur der bereits angereicherte und um den Abgasstrom reduzierte Produkt­ gasstrom komprimiert werden muß.

In der Abgasleitung 11 ist ein dritter Verdichter 15 vorgese­ hen, mit dessen Hilfe der Abgasstrom der Druckwechseladsorpti­ onseinheit 10 komprimiert wird. Der Abgasstrom der Druckwechse­ ladsorptionseinheit 10, der vorzugsweise einen Unterdruck (z. B. 0,5 bis 0,9 bar a) aufweist, wird durch den dritten Verdichter 15 im wesentlichen auf Umgebungsdruck komprimiert. In der Oxi­ dationsmittel-Abführleitung 8 ist schließlich eine Turbine 16 zur Rückgewinnung von Abgasenergie angeordnet. Die Turbine 16 ist zusammen mit dem zweiten Verdichter 14 und dem dritten Ver­ dichter 15 auf einer gemeinsamen Welle 17 angeordnet, so daß der zweite und dritte Verdichter 14, 15 durch die Turbine 16 angetrieben werden. Für den Fall, daß die im Abgas vorhandene Energie zum Antreiben der beiden Verdichter 14, 15 nicht aus­ reicht, kann in der Oxidationsmittel-Abführleitung 8 zwischen der Brennstoffzelle 2 und der Turbine 16 zusätzlich eine Oxida­ tionsvorrichtung 18 angeordnet werden, in der ein stromauf der Oxidationsvorrichtung 18 zugeführtes Brennmittel oxidiert wird. Vorzugsweise mündet die Brennmittel-Abführleitung 9 stromauf der Oxidationsvorrichtung 18 in die Oxidationsmittel-Abführ­ leitung 8, so daß das Anodenabgas der Brennstoffzelle 2 als Brennmittel verwendet werden kann. Besonders bevorzugt handelt es sich bei der Oxidationsvorrichtung 18 um einen katalytischen Brenner. Durch die Verwendung eines solchen katalytischen Bren­ ners 18 können verbesserte Abgasemissionswerte gewährleistet werden. Prinzipiell kann jedoch auch jeder andere geeignete Oxidationsvorrichtung, beispielsweise ein Brenner mit offener Flamme, verwendet werden.

Ist eine verbesserte Regelung der Turbinenleistung notwendig sein, so kann diese auf einfache Weise durch eine entsprechende Dosierung von zusätzlichem Kraftstoff in die Oxidationsvorrich­ tung 18 gewährleistet werden.

Ein solches Brennstoffzellensystem 1 ist sowohl für einen Be­ trieb mit reinem Wasserstoff als auch für einen Betrieb, bei dem der Wasserstoff mittels eines Gaserzeugungsystems aus einem flüssigen Rohkraftstoff erzeugt wird, geeignet. Im letzteren Fall kann jedoch zusätzlich noch Abgasenergie, die stromab der Turbine 16 noch in der Oxidationsmittel-Abführleitung 8 vorhan­ den ist, über einen Wärmetauscher 19 auf eine Komponente 20 im Gaserzeugungssytem übertragen werden. Damit kann der Gesamtwir­ kungsgrad des Brennstoffzellensystems 1 weiter verbessert wer­ den. Hierfür kommen alle Komponenten 20 im Gaserzeugungssystem mit einem entsprechenden Wärmebedarf in Frage, beispielsweise Verdamfer oder Reformierungskomponenten.

Als Verdichter eignen sich prinzipiell alle Maschinen, die un­ ter Aufnahme von Energie ein gasförmiges Medium verdichten kön­ nen. Entsprechend eignen sich als Turbine prinzipiell alle Ma­ schinen, die durch Expansion eines gasförmigen Mediums mechani­ sche Energie erzeugen. Vorzugsweise sind die beiden Verdichter 14, 15, die zusammen mit der Turbine 16 auf einer gemeinsamen Welle 17 angeordnet sind, als Turbolader ausgeführt.

Claims (6)

1. Vorrichtung zur Versorgung einer Brennstoffzelle (2) mit ei­ nem Oxidationsmittel-Medienstrom mit erhöhtem Sauerstoffanteil, mit einer Oxidationsmittel-Zuführleitung (7), einer Oxidations­ mittel-Abführleitung (8), einer Brennmittel-Zuführleitung (6), einer Brennmittel-Abführleitung (9), einer in der Oxidations­ mittel-Zuführleitung (7) angeordneten Druckwechseladsorptions­ einheit (10), welche zusätzlich eine Abgasleitung (11) zur Ab­ fuhr eines abgereicherten Oxidationsmittel-Medienstromes auf­ weist, einem stromauf der Druckwechseladsorptionseinheit (10) in der Oxidationsmittel-Zuführleitung (7) angeordneten ersten Verdichter (12) zur Erhöhung des Druckes gegenüber Umgebungs­ druck des der Druckwechseladsorptionseinheit (10) zugeführten Oxidationsmittel-Medienstromes, einem zwischen Druckwechselad­ sorptionseinheit (10) und Brennstoffzelle (2) in der Oxidati­ onsmittel-Zuführleitung (7) angeordneten zweiten Verdichter (14) zur weiteren Erhöhung des Druckes des der Brennstoffzelle (2) zugeführten Oxidationsmittel-Medienstromes, einem stromab der Druckwechseladsorptionseinheit (10) in der Abgasleitung (11) angeordneten dritten Verdichter (15) und einer in der Oxi­ dationsmittel-Abführleitung (8) angeordneten Turbine (16), wo­ bei der zweite und der dritte Verdichter (14, 15) sowie die Turbine (16) auf einer gemeinsamen Welle (17) angeordnet sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß in der Oxidationsmittel-Abführleitung (8) zwischen der Brennstoffzelle (2) und der Turbine (16) eine Vorrichtung (18) zur Oxidation eines in den Oxidationsmittel-Abgasstrom einge­ brachten Brennstoffes vorgesehen ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennmittel-Abführleitung (9) stromauf der Oxidations­ vorrichtung (18) in die Oxidationsmittel-Abführleitung (8) mün­ det.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Oxidationsvorrichtung (18) als katalytischer Brenner ausgebildet ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß stromab der Turbine (16) in der Oxidationsmittel-Abführ­ leitung (8) ein Wärmetauscher (19) zur Übertragung von Abgas­ wärme in eine Komponente (20) einer Vorrichtung zur Erzeugung eines wasserstoffreichen Gases für die Brennstoffzelle (2) vor­ gesehen ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Verdichter (12) elektrisch angetrieben ist.