DE10132949A1

DE10132949A1 - Gaserzeugungssystem für eine Brennstoffzelle

Info

Publication number: DE10132949A1
Application number: DE2001132949
Authority: DE
Inventors: Jens Arik Almkermann; Martin Gallinger; Thomas Hackl; Heinz Wilkening
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2001-07-06
Filing date: 2001-07-06
Publication date: 2003-01-16

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Gaserzeugungssystem für eine Brennstoffzelle, mit einer Reformereinheit zur Erzeugung eines wasserstoffreichen Synthesegases und zumindest einer Gasreinigungsstufe mit einem CO-selektiven Oxidationskatalysator zur Aufreinigung des Synthesegases. DOLLAR A Hierzu ist vorgesehen, dass der Gasreinigungsstufe (14) ein Wärmespeicher (21) zugeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Gaserzeugungssystem für eine Brennstoffzelle mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Merkmalen.

Brennstoffzellen sind elektrochemische Zellen, mit denen die chemische Energie eines geeigneten Brennstoffes mit Sauerstoff aus der Luft kontinuierlich in elektrische Energie gewandelt werden kann. Als Brennstoffe kommen hauptsächlich Wasserstoff, Methanol und Methan in Betracht. Gewöhnliche Kraftstoffe sind nicht direkt einsetzbar und müssen durch eine chemische Reformierungsreaktion in Wasserstoff umgewandelt werden. Letzterer Energieträger zeichnet sich jedoch durch seine gute Verfügbarkeit, geringeres Sicherheitsrisiko und geringen Logistikaufwand zur Bereitstellung des Treibstoffes aus.

Für den mobilen Einsatz von Brennstoffzellen eignen sich insbesondere so genannte Niedertemperatur-Brennstoffzellen. Diese Zellen können typischerweise mit 80 bis 100°C betrieben werden - unter Umständen besteht auch die Möglichkeit, diese Zellen bei Raumtemperatur zu betreiben (zum Beispiel eine Proton Exchange Membran Full Cell (PEM-FC)). Als Katalysatoren für den elektrochemischen Prozess eignen sich Edelmetalle. Aufgrund ihrer Affinität zu Kohlenmonoxid muss dieses weitestgehend aus dem bereitgestellten Synthesegas entfernt werden. Eine Toleranzgrenze für Kohlenmonoxid liegt derzeit bei etwa 10 CO-Teilchen pro 1 Million Katalysatorteilchen, so dass bei der Bereitstellung des Synthesegases durch Reformingprozesse eine Gasreinigung mit selektiver CO-Oxidation notwendig ist.

Beim Benzin- oder Methanolreforming zur Brenngasaufbereitung erfolgt zunächst in einer ersten Stufe eine katalytische Reformierung mit Wasserdampf bei hohen Temperaturen. Das entstehende Wasserstoff-, Kohlendioxid- und Kohlenmonoxidgemisch wird in nachfolgenden katalytischen Stufen mit Wasser zu Wasserstoff und Kohlendioxid umgesetzt. Ein verbleibender Rest von Kohlenmonoxid muss durch selektive Oxidation in einer Gasreinigungsstufe entfernt werden.

Beim Kaltstart des Systems müssen sowohl die Brennstoffzelle, als auch die zur Bereitstellung des Synthesegases benötigte Peripherie vor Inbetriebnahme auf ihre jeweilige Betriebstemperatur erhitzt werden. Zur Verkürzung der Systemstartdauer sind Brennstoffzellanlagen bekannt, bei denen die Brennstoffzelle mit einem Wärmespeicher zum Aufheizen in Kontakt tritt (beispielsweise aus der DE 199 30 877 A1 und der DE 40 13 269 A1). Bei über Reformierung bereitgestellten Synthesegasen ist der den Systemstart limitierende Faktor jedoch die CO-Konzentration. Erst mit Erreichen einer materialabhängigen Aktivitätstemperatur der Katalysatoren in der Gasreinigungsstufe ist ein störungsfreier, das heißt kohlenmonoxidfreier, Betrieb der Brennstoffzelle möglich. Der Aufheizprozess der Gasreinigungsstufe erfolgt bisher ausschließlich durch Wärmeaustausch mit dem zugeführten Gas.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Gaserzeugungssystem zu schaffen, mit dem möglichst frühzeitig ein zum Betrieb von Brennstoffzellen geeignetes Synthesegas bereitgestellt werden kann.

Diese Aufgabe wird durch das Gaserzeugungssystem mit den in dem Anspruch 1 genannten Merkmalen gelöst. Dadurch, dass der Gasreinigungsstufe ein Wärmespeicher zugeordnet ist, wird eine Dauer bis zum Erreichen der Betriebstemperatur des Katalysators und damit eine Systemstartzeit des Brennstoffzellensystems reduziert.

Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der Wärmespeicher ein Latentwärmespeicher. Dieser beinhaltet vorzugsweise Speichermedien wie Natriumacetat, Bariumhydroxid oder andere exotherm rekristallisierende Phasenwechselmaterialien.

Ferner ist bevorzugt, wenn der Wärmespeicher in die Gasreinigungsstufe integriert ist. So kann die Gasreinigungsstufe röhrenförmig mit einer axial vom Synthesegas durchströmten Katalysatorkammer ausgeformt sein und eine Wärmespeicherkammer des Wärmespeichers umfangsmäßig um die Katalysatorkammer angeordnet sein. Zur Einleitung der Kristallisation ist der Wärmespeicher vorzugsweise mit einem Kühlmedium durchsetzbar.

Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.

Die Erfindung wird nachfolgend in einem Ausführungsbeispiel anhand der zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine Prinzipskizze eines Gaserzeugungssystems für eine Brennstoffzelle mit einer Gasreinigungsstufe und
Fig. 2 ein Gaserzeugungssystem für eine Brennstoffzelle mit zwei Gasreinigungsstufen.
In der Fig. 1 ist ein Gaserzeugungssystem 10, bestehend aus einem Reformer 12 und einer Gasreinigungsstufe 14 schematisch dargestellt. Der Reformer 12 stellt ein wasserstoffreiches Synthesegas beispielsweise durch Reformierung von Kohlenwasserstoffen bei Temperaturen von 200 bis 1000°C bereit. Derartige Reformer sind aus dem Stand der Technik bekannt und werden daher an dieser Stelle nicht näher erläutert. Festzuhalten bleibt lediglich, dass zumindest in den Kaltstartphasen ein hoher Anteil von Kohlenmonoxid im Synthesegas einen Betrieb des Brennstoffzellensystems verhindert oder zumindest stark einschränkt.
Zur Minderung des Kohlenmonoxidanteils wird das Synthesegas durch die Gasreinigungsstufe 14 geleitet, die hier röhrenförmig mit einer axial vom Synthesegas durchströmten Katalysatorkammer 16 ausgeformt ist. In der Katalysatorkammer 16 ist auf einem geeigneten Träger zumindest ein Katalysator 18 fixiert, der eine selektive Oxidation des Kohlenmonoxids mit Luftsauerstoff zu Kohlendioxid ermöglicht. Der Katalysator 18 benötigt in der Regel Aktivierungstemperaturen von zirka 60 bis 90°C.
Die Katalysatorkammer 16 ist umfangsmäßig von einer Wärmespeicherkammer 20 umgeben. Der Wärmespeicher 21 ist als Latentwärmespeicher ausgebildet und beinhaltet als Speichermedium 22 Natriumacetat. Selbstverständlich können auch andere, exotherm rekristallisierende Phasenwechselmaterialien verwendet werden, wie beispielsweise Bariumhydroxid. Zur Kompensation von Volumenänderungen umfasst die Wärmespeicherkammer 20 einen Ausdehnungsraum 24.
In einer Kaltstartphase des Brennstoffzellensystems und damit auch des Gaserzeugungssystems 10 wird die Kristallisationswärme des Natriumacetats genutzt, um die Aufheizung zu beschleunigen. Ist die Aktivierungstemperatur des Katalysators 18 lokal erst einmal erreicht, erhitzt sich der Katalysator 18 durch die einsetzende Oxidation sehr schnell weiter, da die selektive Oxidationsreaktion exotherm verläuft. Über eine Pumpe 26 eines Kühlkreislaufes 28 wird ein leichteres Kühlmedium durch das Natriumacetat gefördert. Auf diese Weise ist ein schneller Wärmeaustausch zur Einleitung der Kristallisation möglich. Ist die Kristallisation initiiert, wird die Kühlmittelpumpe 26 abgeschaltet und die freiwerdende Kristallisationswärme erhitzt nur das noch im Bauteil befindliche Kühlmedium, so dass die Kristallisationswärme fast vollständig zum Aufheizen des Katalysators 18 zur Verfügung steht. Zur Temperierung des Kühlmediums des Kühlkreislaufes 28 ist ein Wärmeaustauscher 30 vorhanden. Im Standardbetrieb kann die hohe Energieaufnahme des Natriumacetats von bis zu 100 kWh/m³ durch erneutes Umpumpen des Kühlmediums im äußeren Wärmeaustauscher 30 wieder abgeführt werden.
Die Fig. 2 zeigt ein alternatives Brennstoffzellensystem mit einer Kombination aus einer ersten Gasreinigungsstufe 32, einer Fig. 1 entsprechenden Gasreinigungsstufe 14 und einem nachgeschalteten Brennstoffzellenstack 34. Die erste Gasreinigungsstufe 32 ist auf Standardbetriebsbedingungen optimiert, das heißt gewährleistet eine ausreichende Aufarbeitung des Synthesegases bei hohen Temperaturen und hoher Dynamik. Die Gasreinigungsstufe 14 mit dem erfindungsgemäßen Wärmespeicher 21 ist lediglich mit Hinsicht auf eine Synthesegasaufbereitung in der Aufwärmphase des Brennstoffzellensystems ausgelegt. Die Kühlmittelpumpe 26 und der Wärmeaustauscher 30 können eine geringere Förderleistung besitzen, als in dem in der Fig. 1 skizzierten Beispiel. Die Abwärme des Reformers 12, die bis zur Aktivierung der ersten Gasreinigungsstufe 32 entsteht, kann vollständig vom Natriumacetat des Wärmespeichers 21 aufgenommen werden. BEZUGSZEICHENLISTE 10 Gaserzeugungssystem
12 Reformer
14 Gasreinigungsstufe
16 Katalysatorkammer
18 Katalysator
20 Wärmespeicherkammer
21 Wärmespeicher
22 Speichermedium
24 Ausdehnungsraum
26 Kühlmittelpumpe
28 Kühlkreislauf
30 Wärmeaustauscher
32 erste Gasreinigungsstufe
34 Brennstoffzellenstack

Claims

1. Gaserzeugungssystem für eine Brennstoffzelle, mit einer Reformereinheit zur Erzeugung eines wasserstoffreichen Synthesegases und zumindest einer Gasreinigungsstufe mit einem CO-selektiven Oxidationskatalysator zur Aufreinigung des Synthesegases, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasreinigungsstufe (14) ein Wärmespeicher (21) zugeordnet ist.

2. Gaserzeugungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmespeicher (21) ein Latentwärmespeicher ist.

3. Gaserzeugungssystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Latentwärmespeicher als Speichermedien (22) Natriumacetat, Bariumhydroxid oder andere Phasenwechselmaterialien beinhaltet.

4. Gaserzeugungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmespeicher (21) in die Gasreinigungsstufe (14) integriert ist.

5. Gaserzeugungssystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasreinigungsstufe (14) röhrenförmig mit einer axial vom Synthesegas durchströmten Katalysatorkammer (16) ausgeformt ist und eine Wärmespeicherkammer (20) des Wärmespeichers (21) umfangsmäßig um die Katalysatorkammer (16) angeordnet ist.

6. Gaserzeugungssystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmespeicherkammer (20) zur Kristallisationseinleitung mit einem Kühlmedium durchsetzbar ist.

7. Gaserzeugungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Oxidationskatalysator eine Aktivierungstemperatur von 60 bis 90°C hat.