DE10130776A1

DE10130776A1 - Vorrichtung zum Entfernen von Schwefel aus einem Medium sowie Brennstoffzellensystem

Info

Publication number: DE10130776A1
Application number: DE2001130776
Authority: DE
Inventors: Guenter Hausinger; Peter Prechtl
Original assignee: P21 GmbH
Current assignee: P21 - POWER FOR THE 21ST CENTURY GMBH, 85649 BRUNN
Priority date: 2001-06-26
Filing date: 2001-06-26
Publication date: 2003-01-30
Anticipated expiration: 2021-06-27
Also published as: WO2003003491A2; WO2003003491A3; AU2002320896A1; DE10130776B4

Abstract

Es wird unter anderem beschrieben ein Brennstoffzellensystem (10), mit wenigstens einer Brennstoffzelle (11), die über eine Brennstoffzuleitung (17, 17') mit einem in einem Brennstoffreservoir (19) befindlichen Brennstoff versorgt wird. Um den Schwefelgehalt im Brennstoff auf ein für die Brennstoffzelle (11) beziehungsweise schwefelsensible Komponenten des Brennstoffzellensystems (10) verträgliches Maß zu reduzieren, ist zwischen einem Reformer (22) und der Brennstoffzelle (11) eine Vorrichtung (30) zum Entfernen von Schwefel vorgesehen, die zwei oder mehr Einrichtungen (32, 34) zum Entfernen des Schwefels aufweist. Die wenigstens zwei Einrichtungen (32, 34) zum Entfernen des Schwefels sind parallel geschaltet, wobei hierzu Umschaltmittel (35) vorgesehen sind, über die die Einrichtungen (32, 34) zum Entfernen des Schwefels alternierend zumindest zeitweilig mit der Brennstoffzuleitung (17) verbunden oder verbindbar sind. Weiterhin wird eine Vorrichtung (30) zum Entfernen von Schwefel aus einem Medium beschrieben, die beispielsweise in einem Brennstoffzellensystem (10) eingesetzt werden kann.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft zunächst eine Vorrichtung zum Entfernen von Schwefel aus einem Medium. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Brennstoffzellensystem, mit wenigstens einer Brennstoffzelle, die über eine Brennstoffzuleitung mit einem Brennstoff versorgt wird.

Heutzutage sind eine ganze Reihe von unterschiedlichen schwefelhaltigen Medien bekannt, die beispielsweise zum Betrieb entsprechender Antriebe eingesetzt werden. Zu nennen ist hier beispielsweise Benzin zum Betrieb von Verbrennungsmotoren oder dergleichen.

Weiterhin nimmt in jüngster Zeit immer mehr der Einsatz von Brennstoffzellensystemen zu, über die elektrischer Strom für entsprechende nachgeschaltete elektrische Antriebe, Verbraucher und dergleichen erzeugt wird. Auch Brennstoffzeilen können mit Brennstoffen, die zumindest als Ausgangsprodukt Schwefel enthalten, betrieben werden.

In einer Brennstoffzelle wird durch eine chemische Reaktion Strom erzeugt. Dabei wird ein Brennstoff und ein Oxidationsmittel in elektrische Energie umgewandelt. Eine Brennstoffzelle besteht im wesentlichen aus einem Anodenteil, einer Membran und einem Kathodenteil. Die Membran 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. Bei der Brennstoffzelle werden die im Redoxprozeß ablaufenden Oxidations- und Reduktionsprozesse somit über die Membran räumlich getrennt. Dabei hat die Membran die Fähigkeit, Protonen auszutauschen, Gase jedoch zurückzuhalten. Die bei der Reduktion abgegebenen Elektronen lassen sich als elektrischer Strom durch einen nachgeschalteten elektrischen Verbraucher leiten.

Will man die Brennstoffzelle mit einem leicht verfügbaren oder zu speichernden Brennstoff wie Erdgas, Methanol, Benzin, Diesel oder dergleichen betreiben, muß man den Kohlenwasserstoff in einer Anordnung zum Erzeugen/Aufbereiten eines Brennstoffs zunächst in einen für die Brennstoffzelle geeigneten Brennstoff umwandeln. Dabei entstehen unter anderem Produkte, die für die Brennstoffzelle beziehungsweise einzelne Komponenten des Brennstoffzellensystems schädlich sind. Hierbei handelt es sich beispielsweise um Kohlenmonoxid, das den Katalysator auf der Anodenseite unwirksam macht und deshalb vor Eintritt des Brennstoffs in die Brennstoffzelle beziehungsweise vor Eintritt in kohlenmonoxidsensible Komponenten des Brennstoffzellensystems entfernt werden muß. In der Brennstoffzelle kann Kohlenmonoxid ab einer bestimmten Konzentration dazu führen, daß sich die von der Brennstoffzelle abgegebene Leistung verringert und folglich der Wirkungsgrad der Brennstoffzelle stark reduziert wird.

In ähnlicher Weise sind auch andere Stoffe, beispielsweise schwefelhaltige Stoffe, schädlich für eine Brennstoffzelle beziehungsweise schwefelsensible Komponenten (Stufen) des Brennstoffzellensystems, so daß auch diese vor Eintritt in die Brennstoffzelle beziehungsweise schwefelsensiblen Komponenten aus dem Brennstoff entfernt, beziehungsweise auf ein tolerierbares Maß reduziert werden müssen. Bei einem solchen schädlichen Stoff handelt es sich beispielsweise um Schwefel oder um Schwefelverbindungen, der/die in Brennstoffen wie Benzin oder dergleichen vorhanden ist/sind.

Wenn also schwefelhaltige Brennstoffe für den Betrieb einer Brennstoffzelle eingesetzt werden sollen, besteht das Bedürfnis, den Gehalt an Schwefel im Brennstoff vor Eintritt in die Brennstoffzelle beziehungsweise vor Eintritt in schwefelsensible Komponenten zumindest soweit zu reduzieren, daß eine Beeinträchtigung (auch Vergiftung genannt) der Brennstoffzelle beziehungsweise der schwefelsensiblen Komponenten verhindert werden kann.

In der DE 100 40 011 A1 ist bereits ein regenerierbarer Schwefelfilter für eine Brennstoffzellenanordnung beschrieben. In dieser Anordnung ist der Schwefelfilter schwefelempfindlichen Reformerteilen in Strömungsrichtung des Brennstoffs vorgeordnet, wobei dem Schwefelfilter schwefelresistente Bauteile vorgeordnet sind. Um eine Regenerierung des Schwefelfilters zu ermöglichen, wird hier vorgeschlagen, daß dem Schwefelfilter unmittelbar ein Dreiwegeventil vorgeordnet wird. Dessen dritter Anschluß ist an einer Leitung angeschlossen, über die ein sauerstoffhaltiges Regeneriergas in den Schwefelfilter eingeleitet werden kann. Unmittelbar hinter dem Schwefelfilter ist ein weiteres Dreiwegeventil vorgesehen, an dem eine Abgasleitung angeschlossen ist. Über die Abgasleitung kann das den Schwefelfilter durchströmende Regeneriergas nach Austritt aus dem Schwefelfilter wieder abgeleitet werden.

Diese bekannte Lösung weist jedoch eine Reihe von Nachteilen auf. So ist bei der bekannten Lösung beispielsweise vorgesehen, daß das Regeneriergas und der Brennstoff über ein und dieselbe Leitung in den Schwefelfilter eintreten beziehungsweise auch austreten. Das bedeutet, daß während der Regenerationsphase des Schwefelfilters die Brennstoffzufuhr unterbunden werden muß. Während der Regenerationsphase des Schwefelfilters kann folglich die Brennstoffzelle nicht mit Brennstoff versorgt werden, so daß während der Regenerationsphase des Schwefelfilters ein Betrieb des Brennstoffzellensystems nicht möglich ist. Ein kontinuierlicher Betrieb des Brennstoffzellensystems unter Einsatz der bekannten Lösung ist daher nicht möglich. Weiterhin kann auch in dem dem Schwefelfilter nachgeschalteten Reformer während der Reformierungsprozesse zusätzlicher Schwefel freigesetzt werden. Dieser zusätzlich freigesetzte Schwefel kann dann ungehindert in die Brennstoffzelle beziehungsweise in schwefelsensible Komponenten des Brennstoffzellensystems eintreten und dort zu der nachteiligen Vergiftung führen.

Ausgehend vom genannten Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zu Grunde, eine Vorrichtung zum Entfernen von Schwefel aus einem Medium sowie ein Brennstoffzellensystem bereitzustellen, mit dem die im Zusammenhang mit dem Stand der Technik beschriebenen Nachteile vermieden werden können. Insbesondere soll ein kontinuierlicher Betrieb des Brennstoffzellensystems auch während der Regenerationsphasen des Schwefelfilters gewährleistet sein.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale der Vorrichtung zum Entfernen von Schwefel gemäß Patentanspruch 1 sowie des Brennstoffzellensystems gemäß Patentanspruch 11. Weitere Vorteile, Merkmale, Details, Aspekte und Effekte der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung sowie den Zeichnungen. Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung beschrieben sind, gelten dabei selbstverständlich auch für das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem, und umgekehrt.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zu Grunde, daß ein kontinuierlicher Betrieb eines mit einer Vorrichtung zum Entfernen von Schwefel versehenen Systems dadurch erreicht werden kann, daß mehr als eine Einrichtung zum Entfernen von Schwefel vorgesehen ist, so daß bei der Regeneration eine Einrichtung zum Entfernen von Schwefel immer noch wenigstens eine weitere Einrichtung zum Entfernen von Schwefel in Betrieb ist.

Gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung wird eine Vorrichtung zum Entfernen von Schwefel aus einem Medium bereitgestellt, die erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet ist, daß zwei oder mehr Einrichtungen zum Entfernen des Schwefels vorgesehen sind, daß wenigstens zwei der Einrichtungen zum Entfernen des Schwefels parallel geschaltet sind und daß Umschaltmittel vorgesehen sind, über die die Einrichtungen zum Entfernen des Schwefels alternierend zumindest zeitweilig mit einer Mediumzuleitung verbunden oder verbindbar sind.

Dabei ist die Erfindung nicht auf das Entfernen von Schwefel aus bestimmten Medien beschränkt. Vorteilhaft kann es sich bei den Medien um gasförmige und/oder flüssige Medien handeln, die Gehalte an Schwefel oder Schwefelverbindungen aufweisen, welche im Medium reduziert oder aus diesem entfernt werden sollen.

Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Vorrichtung zum Entfernen von Schwefel aus einem Brennstoff wird es möglich, daß die einzelnen Einrichtungen zum Entfernen des Schwefels regeneriert werden können, ohne daß das System, in dem eine solche Vorrichtung angeordnet ist, in seinem eigentlichen Betrieb unterbrochen werden müßte. Durch Verwendung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ist folglich ein kontinuierlicher Betrieb des Systems möglich.

Die Einrichtung zum Entfernen von Schwefel kann neben reinem Schwefel auch jede beliebige Form von organischen und anorganischen Schwefelverbindungen entfernen. Der Einfachheit halber wird in der Beschreibung allgemein nur von Schwefel gesprochen, wobei explizit auch Schwefelverbindungen mit umfaßt sind.

Ein Grundgedanke der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß im Vergleich zu der aus dem Stand der Technik bekannten Lösung nunmehr nicht mehr nur eine Einrichtung zum Entfernen des Schwefels vorgesehen ist, sondern daß mindestens zwei solcher Einrichtungen vorgesehen sind. Die wenigstens zwei Einrichtungen zum Entfernen des Schwefels sind dabei parallel geschaltet. Zusätzlich sind die Einrichtungen zum Entfernen des Schwefels mit Umschaltmitteln verbunden, wobei die Umschaltmittel weiterhin mit einer Mediumzuleitung verbunden oder verbindbar sind.

Je nach Betätigung der Umschaltmittel können einzelne Einrichtungen zum Entfernen des Schwefels von Medium durchströmt werden, während andere Einrichtungen zum Entfernen des Schwefels von der Mediumzufuhr abgeschnitten sind. Diejenigen Einrichtungen zum Entfernen des Schwefels, die nicht von Medium durchströmt werden, können problemlos regeneriert werden, während das Medium andere, parallel geschaltete Einrichtungen zum Entfernen des Schwefels durchströmt. Auf diese Weise wird sichergestellt, daß immer wenigstens eine Einrichtung zum Entfernen des Schwefels von Medium durchströmt wird, während andere Einrichtungen - gleichzeitig - regeneriert werden können. Auf diese Weise ist sichergestellt, daß einer nachgeschalteten Komponente, beispielsweise einer Brennstoffzelle, kontinuierlich Medium zugeführt werden kann.

Vorzugsweise sind die Einrichtungen zum Entfernen des Schwefels alternierend zumindest zeitweilig mit der Mediumzuleitung verbunden beziehungsweise verbindbar. Der Begriff "alternierend" ist dabei nicht nur in der Bedeutung von "abwechselnd" zu verstehen. "Alternierend" bedeutet vielmehr, daß wahlweise die Möglichkeit besteht, einzelne Einrichtungen zum Entfernen des Schwefels mit der Mediumzuleitung zu verbinden, beziehungsweise diese von einer Mediumzufuhr abzuschneiden.

Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Vorrichtung wird nunmehr nicht mehr nur eine einzige Einrichtung zum Entfernen des Schwefels verwendet. Vielmehr wird eine den jeweiligen Anforderungen an die Vorrichtung zum Entfernen von Schwefel angepaßte Anzahl von Einrichtungen zum Entfernen des Schwefels verwendet. Dies weist zusätzlich eine Reihe von Vorteilen auf. Vorzugsweise können die Einrichtungen zum Entfernen des Schwefels im Vergleich zu den bisher bekannten Einrichtungen wesentlich kleiner ausgebildet sein. Auf diese Weise lassen sich besonders kostengünstige und vor allem platzsparende Vorrichtungen zum Entfernen von Schwefel realisieren.

Die vorliegende Erfindung ist nicht auf eine bestimmte Anzahl von Einrichtungen zum Entfernen des Schwefels beschränkt. Ebenso ist die Erfindung nicht auf eine bestimmte Ausgestaltung der Einrichtungen zum Entfernen des Schwefels beschränkt. Derartige Einrichtungen sind grundsätzlich im Stand der Technik bereits bekannt und sind beispielsweise in Form von Schwefelfiltern, Schwefelfängern oder dergleichen ausgebildet.

Ebenfalls ist die Erfindung nicht auf eine bestimmte Ausgestaltung der Umschaltmittel beschränkt. Einige nicht ausschließliche Beispiele für geeignete Umschaltmittel werden im weiteren Verlauf der Beschreibung näher erläutert.

Schließlich ist die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Entfernen von Schwefel nicht auf den Einsatz in bestimmten Systemen sowie auf bestimmte Ausgestaltungsformen beschränkt.

Beispielsweise, jedoch nicht ausschließlich, kann die Vorrichtung zum Entfernen von Schwefel wenigstens zwei Zweige aufweisen, die jeweils eine Mediumleitung aufweisen. In jedem Zweig kann wenigstens eine Vorrichtung zum Entfernen des Schwefels vorgesehen sein. Die einzelnen Zweige können über die Umschaltmittel alternierend zumindest zeitweilig mit der Mediumzuleitung verbunden oder verbindbar sein.

Dabei ist die Erfindung nicht auf eine bestimmte Anzahl von Zweigen beschränkt. Ebenso ist die Anzahl der Einrichtungen zum Entfernen des Schwefels pro Zweig beliebig.

Die Anzahl der jeweils geeigneten Zweige, beziehungsweise Einrichtungen zum Entfernen des Schwefels pro Zweig, ergibt sich je nach Einsatzgebiet für die Vorrichtung sowie das bestehende Platzangebot.

Der Einsatz mehrerer Einrichtungen zum Entfernen des Schwefels pro Zweig hat den Vorteil, daß jede einzelne Einrichtung kleiner und damit kostengünstiger hergestellt werden kann. Der Einsatz einer größeren Menge paralleler Zweige und damit paralleler Einrichtungen zum Entfernen des Schwefels hat den Vorteil, daß die Belastung einer jeden Einrichtung zum Entfernen des Schwefels reduziert werden kann. So ist es beispielsweise denkbar, daß immer einige Einrichtungen zum Entfernen des Schwefels in Ruhestellung gehalten und nicht von Medium oder Regenerartionsgas durchströmt beziehungsweise regeneriert werden. Eine solche Ausgestaltung hat weiterhin den Vorteil, daß die Mediumzufuhr zu einer der Vorrichtung nachgeschalteten Komponente definiert gesteuert werden kann. Wenn die Komponente beispielsweise einen großen Mediumbedarf hat, können mehrere Einrichtungen zum Entfernen des Schwefels über die Umschaltmittel mit der Mediumzuleitung verbunden werden, so daß das Medium durch mehrere Einrichtungen zum Entfernen des Schwefels gleichzeitig hindurchströmen kann. Dennoch können andere Einrichtungen zum Entfernen des Schwefels über die Umschaltmittel gleichzeitig von der Mediumzufuhr abgeschnitten werden, so daß diese Einrichtungen regeneriert werden können. Wenn die Komponente beispielsweise nur einen geringen Mediumbedarf hat, können einzelne Einrichtungen zum Entfernen des Schwefels in eine Ruhestellung versetzt werden, so daß sie weder von Medium durchströmt noch regeneriert werden.

Die einzelnen Einrichtungen zum Entfernen des Schwefels können somit auch zur Regulierung der einer Komponente zugeleiteten Mediummenge herangezogen werden.

Vorzugsweise kann eine der Einrichtungen zum Entfernen des Schwefels eine hohe Raumgeschwindigkeit aufweisen. Als Raumgeschwindigkeit wird dabei im allgemeinen der einem Reaktor zugeführte Volumenstrom bezogen auf das im Reaktor befindliche Reaktionsvolumen und die Zeit verstanden. Die Raumgeschwindigkeit wird häufig auch als "Space Velocity" bezeichnet.

Eine hohe Raumgeschwindigkeit bewirkt, daß das Reaktionsvolumen, beispielsweise das Katalysatorvolumen, innerhalb der Einrichtung zum Entfernen des Schwefels klein sein kann. Damit ist aber eine Schwefelaufnahme nur für jeweils kurze Zeitdauern möglich. Derartige Einrichtungen müssen folglich häufig regeneriert werden. Dies ist mit der vorliegenden Erfindung nunmehr problemlos möglich, da auf einfache Weise insbesondere schnell zwischen verschiedenen Einrichtungen hin und her geschaltet werden kann. Die geringere Aufnahmefähigkeit von Schwefel pro Einrichtung hat weiterhin den Vorteil, daß bei jeder Regeneration nur geringe Schwefelkonzentrationen entsorgt werden müssen, was insbesondere auch aus umweltpolitischen Erwägungen relevant ist.

Durch eine häufige Regeneration kann folglich die Speicherkapazität für Schwefel einer jeden Einrichtung zum Entfernen von Schwefel reduziert werden, was nicht zuletzt auch zu Einsparungen im Bauraumbedarf für die gesamte Vorrichtung zum Entfernen von Schwefel führt. Dennoch wird die Leistungsfähigkeit der Vorrichtung nicht beeinträchtigt, da durch das Umschalten zwischen verschiedenen Einrichtungen eine kontinuierliche Entschwefelung des Mediums gewährleistet ist.

Vorteilhaft kann zumindest eine der Einrichtungen zum Entfernen des Schwefels als Monolith ausgebildet sein. Insbesondere mit Monolithen sind sehr hohe Raumgeschwindigkeiten realisierbar. Insbesondere im Vergleich zu Lösungen auf Schüttgutbasis haben Monolithe den zusätzlichen Vorteil, daß in ihnen wesentlich geringere Druckverluste auftreten.

Dennoch ist es in weiterer Ausgestaltung auch denkbar, daß in den Einrichtungen geeignetes Schüttgut vorgesehen ist, mittels dessen Schwefel aus dem Medium entfernt werden kann.

Einrichtungen mit hoher Raumgeschwindigkeit können beispielsweise derart realisiert werden, daß diese nur ein kleines Bauvolumen aufweisen. Solche Einrichtungen sind insbesondere dort, wo nur ein geringes Platzangebot zur Verfügung steht, von besonderem Vorteil. Der Nachteil, daß Einrichtungen mit hoher Raumgeschwindigkeit nur eine geringe Speicherkapazität aufweisen, kann dadurch umgangen werden, daß die einzelnen Einrichtungen - wie vorstehend beschrieben - auf einfache Weise schnell und zuverlässig regeneriert werden können, ohne daß der Betrieb des Gesamtsystems unterbrochen werden müßte.

Vorteilhaft können zumindest einzelne Komponenten der Vorrichtung zum Entfernen von Schwefel in Mikrostrukturtechnik ausgebildet sein. Bei solchen Komponenten handelt es sich allgemein um miniaturisierte Reaktionssysteme, die mit Methoden der Mikrotechnologie hergestellt wurden. Die charakteristischen Dimensionen interner Strukturen von Mikroreaktoren, wie beispielsweise Strömungskanälen und dergleichen, liegt typischerweise im Sub-Mikrometer bis Sub-Millimeter-Bereich.

In weiterer Ausgestaltung kann zumindest eine der Einrichtungen zum Entfernen des Schwefels eine Regenerationseinrichtung aufweisen. Über die Regenerationseinrichtung wird die Einrichtung zum Entfernen des Schwefels regeneriert, wenn diese einen festgelegten Grenzwert an entferntem Schwefel erreicht hat. Die Regenerationseinrichtung kann beispielsweise derart arbeiten, daß eine Regeneration der Einrichtung zum Entfernen des Schwefels in zeitlich festgelegten Abständen erfolgt. Ebenso ist es denkbar, daß eine Regenration der Einrichtung zum Entfernen des Schwefels nur dann durchgeführt wird, wenn die Einrichtung einen festgelegten Grenzwert erreicht hat. Wenn der aus dem Medium entfernte Schwefel in der Einrichtung zum Entfernen des Schwefels abgespeichert wird, kann eine Regeneration der Einrichtung beispielsweise dann eingeleitet werden, wenn eine bestimmte Höchstmenge an Schwefel in der Einrichtung zum Entfernen des Schwefels abgelagert worden ist. Natürlich sind auch andere Typen von Regenerationseinrichtungen denkbar, so daß die Erfindung nicht auf die genannten Beispiele beschränkt ist.

Die Regenration der Einrichtung zum Entfernen des Schwefels kann auf unterschiedlichste Art und Weise erfolgen. So ist es beispielsweise denkbar, daß die Regenerationseinrichtung Mittel zum Hindurchleiten von Luft durch die Einrichtung zum Entfernen des Schwefels aufweist.

Wenn Luft durch die Einrichtung zum Entfernen des Schwefels hindurchgeführt wird, bindet diese den in der Einrichtung befindlichen Schwefel, so daß der Schwefel aus der Einrichtung ausgetragen und diese anschließend erneut eingesetzt werden kann.

Beispielsweise ist es möglich, daß die Einrichtung zum Entfernen des Schwefels mit heißer Luft regeneriert wird. Hierbei kann es sich beispielsweise um während eines Prozesses entstandene Abwärme handeln. Wenn die Vorrichtung im Zusammenhang mit einem Brennstoffzellensystem eingesetzt wird, kann es sich bei der verwendeten heißen Luft beispielsweise um Abluft der Brennstoffzelle handeln. In anderer Ausgestaltung ist es denkbar, daß die für die Regenration der Einrichtung verwendete Luft auch auf andere Weise erwärmt werden kann. So ist es beispielsweise möglich, die Luft über an anderer Stelle entstehende Prozeßabwärme, über eine externe Heizeinrichtung, über Wärmetauscher und dergleichen zu erwärmen. Die Erfindung ist jedoch nicht auf die zuvor beschriebenen Beispiele beschränkt. Wichtig ist lediglich, daß die Temperatur der Luft auf eine für die Regeneration des Schwefels erforderliche Höhe gebracht wird. Ebenso ist es denkbar, daß die zur Regenration verwendete Luft zunächst zu heiß ist. In diesem Fall muß die Luft über eine entsprechende Kühleinrichtung, die beispielsweise ebenfalls als Wärmetauscher oder dergleichen ausgebildet sein kann, auf die erforderliche Temperatur abgekühlt werden.

Wenn als Brennstoffzelle beispielsweise ein Brennstoffzellentyp eingesetzt wird, bei dem die Abluft eine Temperatur aufweist, die nicht ausreicht, um den Schwefel in der Einrichtung zum Entfernen des Schwefels in der Regenerationsphase zu entfernen, kann in der Zuleitung zur Einrichtung zum Entfernen des Schwefels vorteilhaft eine geeignete Heizeinrichtung vorgesehen sein. Über die Heizeinrichtung kann das Regenerationsmedium, beispielsweise die Luft, auf die erforderliche Temperatur erwärmt werden. Dabei ist die Erfindung nicht auf bestimmte Typen von Heizeinrichtungen beschränkt. Diese können beispielsweise in Form von Wärmetauschern und dergleichen ausgebildet sein.

Eine Möglichkeit, wie eine Einrichtung zum Entfernen des Schwefels mittels Hindurchleitung von Luft regeneriert werden kann, ist in der im Rahmen der Beschreibungseinleitung bereits genannten DE 100 40 011 A1 beschrieben, deren Offenbarungsgehalt im Zusammenhang mit der grundsätzlichen Funktionsweise einer Regeneration mittels Luft insoweit in die Beschreibung der vorliegenden Erfindung miteinbezogen wird.

In weiterer Ausgestaltung können Verbindungsmittel vorgesehen sein, über die die Einrichtungen zum Entfernen des Schwefels, insbesondere alternierend, zumindest zeitweilig mit der Mediumzuleitung verbunden oder verbindbar sind. Die Verbindungsmittel haben eine ähnliche Funktionsweise wie die Umschaltmittel. Während die Umschaltmittel einen Mediumstrom aus der Mediumzuleitung zu einzelnen Einrichtungen zum Entfernen des Schwefels hinführen, sind die Verbindungsmittel dazu gedacht, den die Einrichtungen zum Entfernen des Schwefels durchströmenden Mediumstrom anschließend in die eigentliche Mediumzuleitung zurückzuführen.

Die Erfindung ist nicht auf bestimmte Typen von Umschaltmitteln und/oder Verbindungsmitteln beschränkt. Vorteilhaft können die Umschaltmittel und/oder die Verbindungsmittel in Form eines oder mehrerer Mehrwegeventile ausgebildet sein. Derartige Ventile können insbesondere problemlos gesteuert werden. Dabei ist die Erfindung nicht auf bestimmte Ventiltypen beschränkt.

Zum Steuern der Umschaltmittel und/oder der Verbindungsmittel und/oder der Regenerationseinrichtung ist vorteilhaft eine Steuereinrichtung vorgesehen. Die Steuereinrichtung hat die Aufgabe, die Umschaltmittel und/oder die Verbindungsmittel und/oder die Regenerationseinrichtung nach Vorgaben derart zu steuern, daß das Medium ausgewählte Einrichtungen zum Entfernen des Schwefels durchströmt, während andere Einrichtungen zum Entfernen des Schwefels regeneriert werden, oder - bei entsprechender Ausgestaltung der Vorrichtung - in Ruhestellung gehalten werden können.

Vorteilhaft kann die Steuereinrichtung eine Rechnereinheit aufweisen, in der geeignete Programmittel in Form von Computerprogrammen, beziehungsweise Software, abgelegt sind, über die die Steuerungsfunktionen der Steuereinrichtung durchgeführt werden. Die Steuereinrichtung kann vorteilhaft mit den einzelnen Komponenten der Vorrichtung zum Entfernen von Schwefel verbunden sein.

Vorzugsweise kann die wie vorstehend beschriebene erfindungsgemäße Vorrichtung zum Entfernen von Schwefel aus einem Brennstoff, insbesondere aus einem für eine Brennstoffzelle verwendet werden.

Gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Brennstoffzellensystem bereitgestellt, mit wenigstens einer Brennstoffzelle, die über eine Brennstoffzuleitung mit einem Brennstoff versorgt wird. Das Brennstoffzellensystem ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß in der Brennstoffzuleitung eine wie vorstehend beschriebene erfindungsgemäße Vorrichtung zum Entfernen von Schwefel vorgesehen ist.

Durch das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem wird es möglich, auf besonders einfache und zuverlässige Weise Schwefel aus dem Brennstoff für die wenigstens eine Brennstoffzelle entfernen zu können, wobei das Brennstoffzellensystem kontinuierlich und ohne Unterbrechungen betrieben werden kann. Auf diese Weise können die Brennstoffzelle beziehungsweise schwefelsensible Komponenten des Brennstoffzellensystems wirksam vor einer Vergiftung geschützt werden.

Vorteilhaft kann das Brennstoffzellensystem mehr als eine Brennstoffzelle aufweisen, wobei die einzelnen Brennstoffzellen zu einem Brennstoffzellen-Stack, beziehungsweise Brennstoffzellenstapel, zusammengefaßt sind. Die Größe des Stacks, beziehungsweise die Anzahl der darin befindlichen Brennstoffzellen, ergibt sich je nach Einsatzart und geforderter Leistung des Brennstoffzellensystems.

Die Erfindung ist nicht auf bestimmte Brennstoffzellentypen beschränkt

Vorteilhaft kann in der Brennstoffzuleitung eine Vorrichtung zum Erzeugen/Aufbereiten von Brennstoff vorgesehen sein, wobei die Vorrichtung zum Entfernen von Schwefel vorzugsweise zwischen der Vorrichtung zum Erzeugen/Aufbereiten von Brennstoff und der wenigstens einen Brennstoffzelle angeordnet ist.

Die Vorrichtung zum Erzeugen/Aufbereiten von Brennstoff besteht in der Regel aus einer Anzahl von einzelnen Komponenten, bei denen es sich beispielsweise um chemische Reaktoren wie Reformer, Shift-Reaktoren, Reaktoren für die selektive Oxidation, Verdampfer, Wärmetauscher, katalytische Brenner und dergleichen handeln kann.

In dem Reformer, der beispielsweise einem Verdampfer nachgeschaltet sein kann, wird ein verdampftes Medium zu einem entsprechenden Produkt reformiert. Wenn die Gehalte an schädlichen Bestandteilen, wie zum Beispiel Kohlenmonoxid für die Brennstoffzelle, im Medium nach Austritt aus dem Reformer noch zu hoch sind, können diese in einem nachgeschalteten Shift-Reaktor, beispielsweise durch eine homogene Wassergasreaktion, reduziert und anschließend in einem Reaktor zur selektiven Oxidation, beispielsweise zur selektiven Oxidation von Kohlenmonoxid zu Kohlendioxid, feingereinigt werden. Insbesondere beiden letztgenannten Reaktoren handelt es sich um schwefelsensible Komponenten.

In einigen der genannten Komponenten, die wiederum aus einer Anzahl von Einzelelementen bestehen können, finden exotherme Reaktionen statt, das heißt es wird Wärme frei. Diese Wärme muß abgeführt werden, was über einen Wärmetauscher oder dergleichen erfolgen kann. In anderen Vorrichtungen wird hingegen Wärme benötigt. Diese Wärme kann beispielsweise über geeignete katalytische Brenner bereitgestellt werden. Um aus einem - beispielsweise zunächst flüssigen - Energieträger wie Benzin oder dergleichen einen Brennstoff für die Brennstoffzelle herstellen zu können, wird dieser Energieträger beispielsweise zunächst in einem Verdampfer verdampft. In einem anschließenden Reformer wird das verdampfte Material dann in den für die Brennstoffzelle geeigneten Brennstoff reformiert. Das daraus entstehende reformierte Produkt kann dann in weiteren Reaktorelementen geeigneten Reinigungsschritten unterzogen werden.

Die Erfindung ist jedoch nicht auf derartig ausgestaltete Vorrichtungen zum Erzeugen/Aufbereiten von Brennstoff beschränkt. Insbesondere bei kleinen Brennstoffzellensystemen kann zur Reinigung, beziehungsweise Abtrennung, des Brennstoffs von unerwünschten Stoffen eine Vorrichtung mit Trennmembran oder dergleichen eingesetzt werden. Vorrichtungen mit Trennmembran arbeiten beispielsweise derart, daß die Trennmembran nur für den Brennstoff durchlässig ist, während andere Stoffe an der Trennmembran zurückgehalten werden und diese nicht passieren können.

Vorteilhaft können die einzelnen Bestandteile der Vorrichtung zum Erzeugen/Aufbereiten von Brennstoff in Mikrostrukturtechnik, also in Form von Mikroreaktoren, ausgebildet sein, so daß für die Vorrichtung nur ein geringer Platzbedarf erforderlich ist.

Ein geeignetes Reaktorelement zum Aufbereiten eines Brennstoffs für eine Brennstoffzelle aus einem Energieträger ist beispielsweise der Reformer. Ein solcher Reformer kann beispielsweise - ohne weitere Komponenten zur Aufbereitung des Brennstoffs - in der Brennstoffzuleitung angeordnet sein. Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, daß der Reformer Bestandteil einer Vorrichtung zum Erzeugen/Aufbereiten von Brennstoff ist.

Vorteilhaft kann die Vorrichtung zum Entfernen von Schwefel dem Reformer nachgeschaltet sein. Auf diese Weise wird es möglich, den Schwefelgehalt des Brennstoffs vor Eintritt in die Brennstoffzelle beziehungsweise schwefelsensible Komponenten des Brennstoffzellensystems, beispielsweise einen Shift-Reaktor und/oder einen Reaktor zur selektiven Oxidation, derart abzusenken, daß die Brennstoffzelle beziehungsweise die schwefelsensiblen Komponenten nicht mehr beschädigt werden kann/können. Insbesondere bei der aus dem Stand der Technik gemäß DE 100 40 011 A1 bekannten Lösung bestand ja die Möglichkeit, daß in dem Reformer freigesetzter Schwefel ungehindert in die Brennstoffzelle beziehungsweise schwefelsensible Komponenten eintreten konnte, da zwischen Brennstoffzelle und Reformer keine Einrichtung zum Entfernen des Schwefels vorgesehen war. Diese Nachteile können nunmehr umgangen werden.

Bisher wurden Vorrichtungen zum Entfernen von Schwefel in Heißbereichen des Brennstoffzellensystems nicht eingesetzt. Der Grund hierfür lag in der Tatsache, daß derartige Bereiche nur mit großem Aufwand erreichbar sind, etwa wenn darin befindliche Komponenten gewartet, repariert oder ausgetauscht werden sollen. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Vorrichtung zum Entfernen von Schwefel wird nunmehr der Wartungs- und Reparaturaufwand stark reduziert, da zunächst die Belastungen der einzelnen Komponenten der Vorrichtung, insbesondere der Einrichtungen zum Entfernen des Schwefels, minimiert werden können. Weiterhin kann durch eine entsprechende Anzahl von Einrichtungen zum Entfernen des Schwefels sowie deren Anordnung in Parallelbauweise erreicht werden, daß die Vorrichtung zum Entfernen von Schwefel an die Gesamtlebensdauer des Brennstoffzellensystems angepaßt ist, so daß ein Austausch der Vorrichtung zum Entfernen von Schwefel über die gesamte Lebensdauer des Brennstoffzellensystems nicht mehr notwendig wird. Aus diesem Grund kann eine derartige Vorrichtung auch in solchen Bereichen des Brennstoffzellensystems angeordnet werden - beispielsweise in Heißbereichen -, die bisher aus den zuvor beschriebenen nachteiligen Gründen hierfür ausgeschlossen waren.

Vorteilhaft kann in der Vorrichtung zum Erzeugen/Aufbereiten von Brennstoff wenigstens eine weitere Einrichtung zum Entfernen von Schwefel vorgesehen sein. In weiterer Ausgestaltung kann der Vorrichtung zum Erzeugen/Aufbereiten von Brennstoff wenigstens eine weitere Einrichtung zum Entfernen von Schwefel vorgeschaltet sein. Derartige zusätzliche Einrichtungen zum Entfernen von Schwefel sind optional und werden insbesondere dann eingesetzt, wenn der für den Brennstoff einer Brennstoffzelle ausgewählte Ausgangsstoff besonders schwefelhaltig ist.

Die Erfindung wird nun an Hand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt die einzige Fig. 1 in schematischer Ansicht ein Brennstoffzellensystem mit einer Vorrichtung zum Entfernen von Schwefel gemäß der vorliegenden Erfindung.
In der Fig. 1 ist ein Brennstoffzellensystem 10 dargestellt, bei dem mit Hilfe wenigstens einer Brennstoffzelle 11 elektrischer Strom für einen mit der Brennstoffzelle 11 verbundenen elektrischen Verbraucher (nicht dargestellt) erzeugt wird. Hierbei kann jede Art von elektrischem Verbraucher über das Brennstoffzellensystem 10 mit elektrischer Energie versorgt werden, so daß die Erfindung nicht auf bestimmte Einsatzmöglichkeiten für das Brennstoffzellensystem 10 beschränkt ist.
Üblicherweise weist ein Brennstoffzellensystem 10 eine ganze Anzahl von Brennstoffzellen 11 auf, die zu einem sogenannten Brennstoffzellenstapel, beziehungsweise Brennstoffzellen-Stack, zusammengefügt sind. Die Anzahl und Größe der jeweils verwendeten Brennstoffzellen 11 ergibt sich dabei nach der Leistungsanforderung an das Brennstoffzellensystem 10 beziehungsweise den für das Brennstoffzellensystem 10 zur Verfügung stehenden Bauraum. Der besseren Übersicht halber ist in der Fig. 1 jedoch nur eine einzige Brennstoffzelle 11 dargestellt.
Die Brennstoffzelle 11 weist zunächst eine Kathode 12 sowie eine Anode 14 auf, die über eine Membran 13 voneinander getrennt sind. Die Kathode 12 ist mit einer Oxidationsmittelzuleitung 15 sowie einer Oxidationsmittelableitung 16 verbunden. Bei dem Oxidationsmittel handelt es sich beispielsweise um aus der Luft entnommenen Sauerstoff. Die Anode 14 ist über eine Brennstoffzuleitung 17, 17' mit einem Brennstoffreservoir 19 verbunden. In dem Brennstoffreservoir 19 befindet sich ein Ausgangsprodukt für den Brennstoff, beispielsweise Benzin. Weiterhin ist die Anode 14 mit einer Brennstoffableitung 18 verbunden.
Um aus dem im Brennstoffreservoir 19 befindlichen Ausgangsprodukt einen Brennstoff für die Brennstoffzelle 11 erzeugen beziehungsweise aufbereiten zu können, ist zwischen der Brennstoffzelle 11 und dem Brennstoffreservoir 19 eine Vorrichtung 20 zum Erzeugen/Aufbereiten von Brennstoff vorgesehen. Die Vorrichtung 20 weist eine Reihe von Einzelkomponenten auf, wobei im vorliegenden Ausführungsbeispiel exemplarisch ein Verdampfer 21 sowie ein Reformer 22 dargestellt ist. Die Vorrichtung 20 zum Erzeugen/Aufbereiten von Brennstoff kann natürlich auch noch andere Reaktorkomponenten umfassen, wie beispielsweise Reaktorelemente zur Reinigung des Brennstoffs und dergleichen.
Wenn als Ausgangsprodukt für den Brennstoff der Brennstoffzelle 11 ein besonders schwefelhaltiges Produkt verwendet wird, kann zwischen der Vorrichtung 20 zum Erzeugen/Aufbereiten von Brennstoff und dem Brennstoffreservoir 19 zusätzlich eine Einrichtung 50 zum Entfernen von Schwefel vorgesehen sein. Diese Einrichtung 50 zum Entfernen von Schwefel, die als Schwefelfilter oder dergleichen ausgebildet sein kann, dient dabei zur ersten Grobreinigung des Brennstoffs.
Wenn ein schwefelhaltiges Ausgangsprodukt, beispielsweise Benzin, als Brennstoff für die Brennstoffzelle 11 verwendet werden soll, ist es erforderlich, daß vor Eintritt des Brennstoffs in die Brennstoffzelle 11 beziehungsweise schwefelsensible Komponenten des Brennstoffzellensystems 10 der Schwefelgehalt im Brennstoff zumindest soweit reduziert wird, daß eine Beschädigung, beziehungsweise Verringerung der Leistungsfähigkeit, der Brennstoffzelle 11 beziehungsweise der schwefelsensiblen Komponenten vermieden wird. Dazu ist im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 eine Vorrichtung 30 zum Entfernen von Schwefel vorgesehen, die zwischen dem Brennstoffreservoir 19 und der Brennstoffzelle 11 in der Brennstoffzuleitung 17 angeordnet ist. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Vorrichtung 30 zum Entfernen von Schwefel der Vorrichtung 20 zum Erzeugen/Aufbereiten des Brennstoffs - und hier insbesondere dem Reformer 22 - nachgeschaltet. Die Vorrichtung 20 weist weiterhin einen dem Reformer 22 vorgeschalteten Verdampfer 21 auf. Weiterhin sind zur Feinreinigung des Brennstoffs ein Shift-Reaktor 23 sowie ein Reaktor 24 zur selektiven Oxidation vorgesehen. Bei den beiden letztgenannten Reaktoren handelt es sich um schwefelsensible Reaktoren, die bei Beaufschlagung mit Schwefel deaktiviert werden könnten. Deshalb sind die beiden Reaktoren 23 und 24, ebenso wie die Brennstoffzelle 11, der Vorrichtung 30 zum Entfernen von Schwefel nachgeschaltet.
Die Vorrichtung 30 zum Entfernen von Schwefel weist zunächst zwei Leitungszweige 31, 33 auf, in denen jeweils eine Einrichtung 32 beziehungsweise 34 zum Entfernen von Schwefel angeordnet ist. Im Ausführungsbeispiel ist pro Zweig jeweils eine Einrichtung zum Entfernen von Schwefel vorgesehen. Selbstverständlich können pro Zweig auch zwei oder mehr Einrichtungen zum Entfernen von Schwefel vorgesehen sein. Ebenso ist es denkbar, daß die Vorrichtung 30 zum Entfernen von Schwefel mehr als zwei Zweige mit Einrichtungen zum Entfernen von Schwefel aufweist. Die Anzahl der Zweige, beziehungsweise die Anzahl der Einrichtungen zum Entfernen von Schwefel pro Zweig ergibt sich je nach Bedarf und Anwendungsfall. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind der besseren Übersicht halber nur zwei Zweige mit jeweils einer Einrichtung zum Entfernen von Schwefel dargestellt.
Wie aus Fig. 1 weiterhin ersichtlich ist, sind die Zweige 31, 33, beziehungsweise die darin befindlichen Einrichtungen 32, 34 zum Entfernen von Schwefel, parallel zueinander verschaltet. Jede der Einrichtungen 32, 34 zum Entfernen von Schwefel ist über eine Brennstoffleitung 38, 39 mit einem Umschaltmittel 35 verbunden, welches wiederum mit der Brennstoffzuleitung 17 verbunden ist. Bei dem Umschaltmittel 35 handelt es sich im vorliegenden Beispiel um ein Mehrwegeventil.
In ähnlicher Weise sind die Brennstoffleitungen 38, 39 der Zweige 31, 33 in Strömungsrichtung des Brennstoffs, die durch entsprechende Pfeile markiert ist, nach den Einrichtungen 32, 34 zum Entfernen von Schwefel über geeignete Verbindungsmittel 36 mit einem weiteren Teilbereich der Brennstoffzuleitung 17' verbunden. Bei den Verbindungsmitteln 36 kann es sich ebenfalls um ein Mehrwegeventil handeln.
Die Regeneration der einzelnen Einrichtungen 32, 34 zum Entfernen von Schwefel erfolgt über eine Regenerationseinrichtung 40. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel soll die Regeneration der einzelnen Einrichtungen 32, 34 mittels heißer Luft erfolgen, bei der es sich um Abluft der Brennstoffzelle 11 handelt. Dazu weist die Regenerationseinrichtung 40 zunächst ein Ventil 42 auf, das in der Oxidationsmittelableitung 16 integriert ist. Das Ventil 42 ist weiterhin mit einer Luftleitung 41 verbunden, die direkt in die Einrichtungen 32, 34 zum Entfernen von Schwefel führt.
Wenn die Abluft der Brennstoffzelle 11 nicht die für die Regeneration von Schwefel erforderliche Temperatur aufweist, muß diese mittels einer Heizeinrichtung 43, die in der Luftleitung 41 angeordnet ist, zunächst auf die erforderlichen Temperatur gebracht werden. Bei der Heizeinrichtung 43 kann es sich beispielsweise um einen Wärmetauscher handeln.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist eine solche Regenerationseinrichtung 40 der besseren Übersicht halber nur im Zusammenhang mit der Einrichtung 32 zum Entfernen von Schwefel dargestellt. Selbstverständlich kann eine solche Regenerationseinrichtung 40 auch für die Einrichtung 34 zum Entfernen von Schwefel, sowie für jede weitere Einrichtung zum Entfernen von Schwefel vorgesehen sein.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, daß die Regenerationsluft über eine eigene Luftleitung 41 in die Einrichtung 32 zum Entfernen von Schwefel eingeführt wird. Ebenso ist es jedoch denkbar, daß in der Brennstoffleitung 38 in Strömungsrichtung des Brennstoffs vor der Einrichtung 32 zum Entfernen von Schwefel ein entsprechendes Ventil vorgesehen ist, welches zusätzlich mit der Luftleitung 41 verbunden ist. In einem solchen Fall ist vorteilhaft in Strömungsrichtung des Brennstoffs nach der Einrichtung 32 zum Entfernen von Schwefel ein weiteres Ventil in der Brennstoffleitung 38 vorgesehen, das zusätzlich mit einer Abgasableitung verbunden ist. Eine solche Ausgestaltung, die ebenfalls in der bereits bekannten DE 100 40 011 A1 beschrieben ist, deren Offenbarungsgehalt insoweit in die Beschreibung der vorliegenden Erfindung miteinbezogen wird, hat den Vorteil, daß nur eine einzige Zuleitung, beziehungsweise Ableitung, für die Einrichtung zum Entfernen von Schwefel erforderlich ist. Dennoch kann bei der Regeneration das Brennstoffzellensystem 10 kontinuierlich weiter betrieben werden, da der Brennstoff während der Regeneration einer Einrichtung zum Entfernen des Schwefels gleichzeitig durch eine andere Einrichtung geleitet werden kann.
Die Steuerung der Vorrichtung 30 zum Entfernen von Schwefel erfolgt über eine Steuereinrichtung 37. Die Steuereinrichtung 37 ist über geeignete Signalleitungen, die in Fig. 1 als gestrichelte Linien markiert sind, mit den Umschaltmitteln 35, den Verbindungsmitteln 36 sowie den Einrichtungen 32 und 34 zum Entfernen von Schwefel verbunden. Zusätzlich ist die Steuereinrichtung 37 noch mit dem Ventil 42 der Regenerationseinrichtung 40 verbunden. Weiterhin kann die Steuereinrichtung 37 auch mit der Heizeinrichtung 43 verbunden sein, so daß die Temperatur des Luftstroms immer auf den für die Regeneration erforderlichen Wert geregelt werden kann.
Nachfolgend wird nun die Funktionsweise des Brennstoffzellensystems 10 beschrieben. Zu den Vorteilen, Merkmalen, Wirkungen, Effekten und der Funktionsweise eines solchen Verfahrens wird weiterhin auf die Ausführungen zu dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem sowie der Vorrichtung zum Entfernen von Schwefel vollinhaltlich Bezug genommen und hiermit verwiesen.
Das aus dem Brennstoffreservoir 19 entnommene Ausgangsprodukt für den Brennstoff der Brennstoffzelle 11, bei dem es sich im vorliegenden Ausführungsbeispiel um Benzin handelt, wird in der Einrichtung 50 zum Entfernen von Schwefel zunächst grob von Schwefel gereinigt, bevor es in die Vorrichtung 20 zum Erzeugen/Aufbereiten von Brennstoff eintritt. Im Verdampfer 21 wird das Ausgangsprodukt zunächst verdampft und anschließend im Reformer 22 zu einem für die Brennstoffzelle 11 geeigneten Brennstoff, beispielsweise unter Zusatz von Wasser, reformiert. Der auf diese Weise reformierte Brennstoff tritt über die Brennstoffzuleitung 17 in die Vorrichtung 30 zum Entfernen von Schwefel ein. Die Vorrichtung 30 zum Entfernen von Schwefel dient dazu, den Schwefelgehalt des Brennstoffs auf ein für die Brennstoffzelle 11 beziehungsweise schwefelsensible Komponenten des Brennstoffzellensystems 10 verträgliches Maß zu reduzieren. Da insbesondere während der Reformierung im Reformer 22 organische Schwefelverbindungen im Brennstoff als Schwefelwasserstoff im Brennstoff freigesetzt werden, ist die Vorrichtung 30 zum Entfernen von Schwefel bevorzugt zwischen der Vorrichtung 20 zum Erzeugen/Aufbereiten von Brennstoff - insbesondere zwischen dem Reformer 22 - und der Brennstoffzelle 11 sowie dem Shift-Reaktor 23 und dem Reaktor 24 zur selektiven Oxidation angeordnet. In der Vorrichtung 30 zum Entfernen von Schwefel wird der Schwefelgehalt des Brennstoffs soweit reduziert, daß der Brennstoff anschießend über die weitere Teilleitung 17' der Brennstoffzuleitung direkt in die Brennstoffzelle eintreten kann.
Um nun einen kontinuierlichen Betrieb des Brennstoffzellensystems 10 zu gewährleisten, kann über die Umschaltmittel 35 zwischen den verschiedenen Zweigen 31, 33 hin- und hergeschaltet werden. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist eine Situation dargestellt, in der die Einrichtung 34 zum Entfernen von Schwefel aktiv ist, während die Einrichtung 32 zum Entfernen von Schwefel regeneriert wird.
Dazu wird über die Steuereinrichtung 37 das Umschaltmittel 35 derart geschaltet, daß die Brennstoffleitung 38 gesperrt ist. Die Brennstoffleitung 39 hingegen ist geöffnet, so daß der die Brennstoffzuleitung 17 durchströmende Brennstoff in die Brennstoffleitung 39 eintritt und über diese durch die Einrichtung 34 zum Entfernen von Schwefel hindurchgeleitet wird. Nachdem der im Brennstoff befindliche Schwefel in der Einrichtung 34 entfernt worden ist, wird der Brennstoff über die Brennstoffleitung 39 weiter zum Verbindungsmittel 36 geleitet. Das Verbindungsmittel 36 ist dabei so geschaltet, daß die Verbindung zur Brennstoffleitung 38 gesperrt und die Verbindung zur Brennstoffzuleitung 17' geöffnet ist. Auf diese Weise tritt der gereinigte Brennstoff über die Verbindungsmittel 36 in den weiteren Teilbereich der Brennstoffzuleitung 17' ein und wird von dort zur Anode 14 der Brennstoffzelle 11 weitergeleitet.
Um nun die einzelnen Komponenten der Vorrichtung 30 in geeigneter Weise steuern zu können, ist die Steuereinrichtung 37 zusätzlich mit den Einrichtungen 32, 34 zum Entfernen von Schwefel verbunden. Auf diese Weise erhält die Steuereinrichtung 37 Informationen darüber, wann die Vorrichtung 30 umgeschaltet werden muß, das heißt wann die Einrichtung 34 zum Entfernen von Schwefel regeneriert und die Einrichtung 32 zum Entfernen von Schwefel aktiviert werden soll. Dazu können in den Einrichtungen 32, 34 entsprechende Sensorelemente vorgesehen sein, die die Menge des in den Einrichtungen 32, 34 entfernten Schwefels messen. Derartige Sensorelemente können beispielsweise in Form von Sensorelementen zur Konzentrationsmessung oder dergleichen vorgesehen sein. Ebenso ist es denkbar, daß die einzelnen Einrichtungen 32, 34 in regelmäßigen Zeitabständen umgeschaltet werden. In diesem Fall kann auf eine Konzentrationsmessung des Schwefels in den Einrichtungen 32, 34 verzichtet werden, was den konstruktiven und schaltungstechnischen Aufwand der Vorrichtung 30 zum Entfernen von Schwefel weiter reduziert.
Bei dem in Fig. 1 dargestellten Betriebszustand, bei dem der zu reinigende Brennstoff durch die Einrichtung 34 zum Entfernen von Schwefel geleitet wird, wird gleichzeitig die Einrichtung 32 zum Entfernen von Schwefel regeneriert, indem Abluft der Brennstoffzelle 11 über die Luftleitung 41 in die Einrichtung 32 hineingeleitet wird. Die die Einrichtung 32 durchströmende Luft bindet den darin befindlichen Schwefel, so daß dieser aus der Einrichtung 32 abgeführt und diese erneut einsatzfähig wird. Die Steuerung des Luftstroms erfolgt dabei über die Steuereinrichtung 37, die mit dem entsprechenden Ventil 42 verbunden ist. Wenn nun in der Steuereinrichtung 37 registriert wird, daß die Einrichtung 34 zum Entfernen von Schwefel einem Regenerationsschritt unterzogen werden muß, werden die Umschaltmittel 35, beziehungsweise die Verbindungsmittel 36, über die Steuereinrichtung 37 derart umgestellt, daß der Brennstoffstrom aus der Brennstoffzuleitung 17 nunmehr über die Brennstoffleitung 38 und damit die frisch regenerierte Einrichtung 32 zum Entfernen von Schwefel strömt. Gleichzeitig wird das Ventil 42 über die Steuereinrichtung 37 derart umgestellt, daß Regenerationsluft über eine entsprechende Luftleitung (nicht dargestellt) in die Einrichtung 34 zum Entfernen von Schwefel eintreten kann, so daß diese erneut regeneriert wird. Zur Durchführung der Steuerung kann die Steuereinrichtung 37 eine nicht näher dargestellte Rechnereinheit aufweisen, in der geeignete Programmittel zur Durchführung des Regenerationsverfahrens abgelegt sind.
Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Brennstoffzellensystems 10 wird es zum einen möglich, den Schwefelgehalt des Brennstoffs vor Eintritt in die Brennstoffzelle 11 beziehungsweise schwefelsensible Komponenten des Brennstoffzellensystems 10 derart zu reduzieren, daß eine Beeinträchtigung beziehungsweise Beschädigung der Brennstoffzelle 11 beziehungsweise der schwefelsensiblen verhindert werden kann. Weiterhin ist mit dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem 10 ein kontinuierlicher Betrieb möglich, da immer zumindest eine der Einrichtungen zum Entfernen von Schwefel aktiv ist. Gleichzeitig wird die nicht aktive Einrichtung zum Entfernen von Schwefel regeneriert, so daß alternierend immer eine der Einrichtungen zum Entfernen von Schwefel mit der Brennstoffzuleitung 17 verbunden ist. Durch die einfache und dennoch zuverlässige Regenerierbarkeit der einzelnen Einrichtungen zum Entfernen von Schwefel können diese als kleine Bauteile, insbesondere in Mikrostrukturtechnik, ausgebildet sein. Da auch die einzelnen Komponenten der Vorrichtung 20 zum Erzeugen/Aufbereiten von Brennstoff vorzugsweise in Mikrostrukturtechnik ausgebildet sind, kann das gesamte Brennstoffzellensystem 10 klein und damit besonders platzsparend ausgebildet werden. Bezugszeichenliste 10 Brennstoffzellensystem
11 Brennstoffzelle
12 Kathode
13 Membran
14 Anode
15 Oxidationsmittelzuleitung
16 Oxidationsmittelableitung
17 Mediumzuleitung (beispielsweise Brennstoffzuleitung)
17' Mediumzuleitung (beispielsweise Brennstoffzuleitung)
18 Mediumableitung (beispielsweise Brennstoffableitung)
19 Brennstoffreservoir
20 Vorrichtung zum Erzeugen/Aufbereiten von Brennstoff
21 Verdampfer
22 Reformer
23 Shift-Reaktor
24 Reaktor zur selektiven Oxidation
30 Vorrichtung zum Entfernen von Schwefel
31 Zweig
32 Einrichtung zum Entfernen von Schwefel
33 Zweig
34 Einrichtung zum Entfernen von Schwefel
35 Umschaltmittel (beispielsweise Mehrwegeventil)
36 Verbindungsmittel (beispielsweise Mehrwegeventil)
37 Steuereinrichtung
38 Mediumleitung (beispielsweise Brennstoffleitung)
39 Mediumleitung (beispielsweise Brennstoffleitung)
40 Regenerationseinrichtung
41 Luftleitung
42 Ventil
43 Heizeinrichtung
50 Einrichtung zum Entfernen von Schwefel

Claims

1. Vorrichtung zum Entfernen von Schwefel aus einem Medium, dadurch gekennzeichnet, daß zwei oder mehr Einrichtungen (32, 34) zum Entfernen des Schwefels vorgesehen sind, daß wenigstens zwei der Einrichtungen zum Entfernen des Schwefels parallel geschaltet sind, und daß Umschaltmittel (35) vorgesehen sind, über die die Einrichtungen (32, 34) zum Entfernen des Schwefels alternierend zumindest zeitweilig mit einer Mediumzuleitung (17) verbunden oder verbindbar sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß diese wenigstens zwei Zweige (31, 33) aufweist, die eine Mediumleitung (38, 39) aufweisen, daß in jedem Zweig (31, 33) wenigstens eine Einrichtung (32, 34) zum Entfernen des Schwefels vorgesehen ist und daß die Zweige (31, 33) über die Umschaltmittel (35) alternierend zumindest zeitweilig mit der Mediumzuleitung (17) verbunden oder verbindbar sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eine der Einrichtungen (32, 34) zum Entfernen des Schwefels eine hohe Raumgeschwindigkeit aufweist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eine der Einrichtungen (32, 34) zum Entfernen des Schwefels als Monolith ausgebildet ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eine der Einrichtungen (32, 34) zum Entfernen des Schwefels ein Schüttgut aufweist, welches zum Entfernen von Schwefel ausgebildet ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest einzelne Komponenten der Vorrichtung (30) in Mikrostrukturtechnik ausgebildet sind.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eine der Einrichtungen (32, 34) zum Entfernen des Schwefels eine Regenerationseinrichtung (40) aufweist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Regenerationseinrichtung (40) Mittel (41, 42) zum Hindurchleiten von Luft durch die Einrichtung (32, 34) zum Entfernen des Schwefels aufweist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß Verbindungsmittel (36) vorgesehen sind, über die die Einrichtungen (32, 34) zum Entfernen des Schwefels, insbesondere alternierend, zumindest zeitweilig mit der Mediumzuleitung (17') verbunden oder verbindbar sind.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine Steuereinrichtung (37) zum Steuern der Umschaltmittel (35) und/oder der Verbindungsmittel (36) und/oder der Regenerationseinrichtung (40) vorgesehen ist.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Umschaltmittel (35) und/oder die Verbindungsmittel (36) in Form wenigstens eines Mehrwegeventils ausgebildet sind.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11 zum Entfernen von Schwefel aus einem Brennstoff, insbesondere aus einem Brennstoff für eine Brennstoffzelle (11).

13. Brennstoffzellensystem, mit wenigstens einer Brennstoffzelle (11), die über eine Brennstoffzuleitung (17, 17') mit einem Brennstoff versorgt wird, dadurch gekennzeichnet, daß in der Brennstoffzuleitung (17, 17') eine Vorrichtung (30) zum Entfernen von Schwefel nach einem der Ansprüche 1 bis 12 vorgesehen ist.

14. Brennstoffzelle nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß in der Brennstoffzuleitung (17) eine Vorrichtung (20) zum Erzeugen/Aufbereiten von Brennstoff vorgesehen ist und daß die Vorrichtung (30) zum Entfernen von Schwefel zwischen der Vorrichtung (20) zum Erzeugen/Aufbereiten von Brennstoff und der wenigstens einen Brennstoffzelle (11) angeordnet ist.

15. Brennstoffzelle nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Reformer (22) vorgesehen ist, der in der Brennstoffzuleitung (17) angeordnet und/oder Bestandteil der Vorrichtung (20) zum Erzeugen/Aufbereiten von Brennstoff ist und daß die Vorrichtung (30) zum Entfernen von Schwefel dem Reformer (22) nachgeschaltet ist.

16. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß in der Vorrichtung (20) zum Erzeugen/Aufbereiten von Brennstoff wenigstens eine weitere Einrichtung zum Entfernen von Schwefel vorgesehen ist, oder daß der Vorrichtung (20) zum Erzeugen/Aufbereiten von Brennstoff wenigstens eine weitere Einrichtung (50) zum Entfernen von Schwefel vorgeschaltet ist.