DE10156349B4 - fuel cell plant - Google Patents

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Abstract

Brennstoffzellenanlage mit:
– einer Sauerstoff verbrauchenden Komponente,
– einer elektrochemischen Sauerstoffpumpe (4), die eine stromleitende Kathode (7), eine stromleitende Anode (8) und einen dazwischen angeordneten Elektrolyten (6) aufweist, wobei dem Elektrolyt (6) kathodenseitig ein sauerstoffhaltiges Medium zuführbar ist, und wobei anodenseitig Sauerstoff an die Sauerstoff verbrauchende Komponente abführbar ist, und
– einer Heizeinrichtung (11) zur Beheizung des Elektrolyten (6) der Sauerstoffpumpe (4), wobei die Heizeinrichtung (11) dazu eingerichtet ist, den Elektrolyten (6) zumindest teilweise durch die Abwärme einer in der Sauerstoff verbrauchenden Komponente ablaufenden Reaktion zu beheizen.Fuel cell system with:
An oxygen-consuming component,
- An electrochemical oxygen pump (4), which has a current-conducting cathode (7), a current-conducting anode (8) and an electrolyte arranged therebetween (6), wherein the electrolyte (6) on the cathode side, an oxygen-containing medium can be fed, and wherein the anode side to oxygen the oxygen-consuming component is dischargeable, and
- A heater (11) for heating the electrolyte (6) of the oxygen pump (4), wherein the heating device (11) is adapted to heat the electrolyte (6) at least partially by the waste heat of a running in the oxygen-consuming component reaction.

Figure 00000001
Figure 00000001

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenanlage mit einer Sauerstoff verbrauchenden Komponente und einer elektrochemischen Sauerstoffpumpe.The The invention relates to a fuel cell system with an oxygen consuming component and an electrochemical oxygen pump.

Brennstoffzellenanlagen sind aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Beispielsweise können diese über ein Gaserzeugungssystem verfügen; in welchem aus entsprechenden Ausgangsstoffen, wie Wasser, Luft und einer Kohlenstoff und Wasserstoff aufweisenden Verbindung, ein wasserstoffreiches Reformat für die Brennstoffzelle erzeugt wird. In derartigen Gaserzeugungssystemen werden die Edukte Wasser bzw. Wasserdampf, Kraftstoff bzw. Kraftstoffdampf, hierunter ist die kohlenstoff- und wasserstoffhaltige Verbindung, beispielsweise ein Alkohol zu verstehen, und Luft in einem festen Verhältnis zueinander dosiert. Die Dosierung kann dabei getrennt oder gemeinsam in Verbindung mit einer Vormischung der Edukte stattfinden. Die dann in dem Gaserzeugungssystem ablaufenden Reaktionen, wie beispielsweise eine Wasserdampfreformierung, eine partielle Oxidation, eine autotherme Reformierung, eine selektive Oxidation von Kohlenmonoxid oder andere geeignete Vorgänge, welche zur Erzeugung des wasserstoffhaltigen Gases bzw. zur Reinigung desselben vonnöten sind, können dann sowohl katalytischer als auch nichtkatalytischer, also beispielsweise thermischer, Natur sein.fuel cell systems are known from the general state of the art. For example, these can be over Gas generating system; in which from appropriate starting materials, such as water, air and a compound having carbon and hydrogen hydrogen-rich reformate for the fuel cell is generated. In such gas generating systems the educts are water or steam, fuel or fuel vapor, including the carbon- and hydrogen-containing compound, for example, to understand an alcohol, and air in a solid relationship metered to each other. The dosage can be separated or together take place in conjunction with a premix of the educts. The then occurring in the gas generating system reactions, such as a steam reforming, a partial oxidation, an autothermal Reforming, a selective oxidation of carbon monoxide or others suitable processes, which for generating the hydrogen-containing gas or for cleaning of the same are, can then both catalytic and noncatalytic, for example, thermal, Be nature.

Bei sämtlichen der oben angeführten Reaktionen, welche Sauerstoff zu ihrem Ablauf benötigen, wird dabei in der Regel gereinigte oder im allgemeinen gefilterte Luft dosiert. Die entsprechenden Reaktionen könnten beispielsweise die partielle Oxidation, eine autotherme Reformierung oder die selektive Oxidation des Kohlenmonoxids sein. Die Verwendung von vorgereinigter Luft ist dabei mit entscheidenden Nachteilen behaftet.at all the above Reactions that need oxygen to run it is usually purified or generally filtered air dosed. The corresponding reactions could be, for example, the partial Oxidation, autothermal reforming or selective oxidation of carbon monoxide. The use of pre-cleaned air is associated with significant disadvantages.

Ein erster Nachteil ist, daß die Luft mittels einer Verdichtereinheit, beispielsweise eines Kompressors, auf ein höheres Druckniveau gebracht werden muß. Aufgrund des im allgemeinen sehr niedrigen Wirkungsgrads von derartigen Verdichtereinheiten ist dies mit einem erheblichen Aufwand an Energie verbunden. In diesem Energieaufwand stecken weitere Nachteile durch die mit der Verdichtung verbundenen Lärmemissionen. Des weiteren ist mit einer derartigen Verdichtereinheit ein nicht unerheblicher Aufwand an Kosten, Bauraum und Masse in dem jeweiligen Gaserzeugungssystem verbunden.One first disadvantage is that the Air by means of a compressor unit, for example a compressor, to a higher one Pressure level must be brought. Due to the generally very low efficiency of such Compressor units, this is a considerable amount of energy connected. In this energy expenditure are further disadvantages the noise emissions associated with compression. Furthermore is a not inconsiderable with such a compressor unit Expenditure on costs, installation space and mass in the respective gas generating system connected.

Ein weiterer Nachteil ist sicherlich darin zu sehen, daß die Sauerstoffdosierung über einen großen Lastbereich, wie er insbesondere beim Einsatz für mobile Anwendungen, wie beispielsweise in einem Kraftfahrzeug, auftreten kann, nur sehr schwer oder zum Teil mit einem Kompressor praktisch gar nicht möglich ist. Der Aufbau erfordert daher eine weitere zusätzliche Do siereinheit.One Another disadvantage is certainly to be seen in the fact that the oxygen dosage over a huge Load range, in particular when used for mobile applications, such as in a motor vehicle, can occur only with great difficulty or for Part with a compressor is practically impossible. The construction requires therefore another additional Do siereinheit.

Weitere Nachteile bei der Verdichtung von Luft sind auch aufgrund der Zusammensetzung der Luft mit ihrem hohen Anteil an inerten Bestandteilen, beispielsweise Stickstoff, gegeben. Die inerten Bestandteile, welche ca. 80 % des Volumens ausmachen, müssen ebenfalls verdichtet werden und werden im allgemeinen auch mit in das Gaserzeugungssystem dosiert. Dort verdünnen sie den produzierten Wasserstoff und beeinflussen damit den Wirkungsgrad der Brennstoffzelle negativ. Zusätzlich erschwert die Verdünnung des erzeugten Wasserstoffes mit den inerten Bestandteilen aus der Luft aufgrund der Taupunkterhöhung eine Kondensation des Produkt- bzw. Überschuss-Wassers. Um dies zu kompensieren und einen autarken Wasserhaushalt in der Brennstoffzellenanlage zu gewährleisten, wird in der Regel durch eine Anhebung des Systemdrucks reagiert, um dies wieder auszugleichen. Dies trägt jedoch den Nachteil einer Erhöhung der parasitären Leistung in sich.Further Disadvantages in the compression of air are also due to the composition the air with its high content of inert constituents, for example Nitrogen, given. The inert components, which are about 80% of the Volume are also condensed and are generally also in dosed the gas generating system. There they dilute the produced hydrogen and thus negatively affect the efficiency of the fuel cell. additionally complicates the dilution the hydrogen produced with the inert components from the Air due to dew point increase a condensation of the product or excess water. To compensate for this and a self-sufficient water balance in the To ensure fuel cell plant is usually reacted by raising the system pressure, to compensate for this. However, this has the disadvantage of increase the parasitic power in itself.

Um die einwandfreie Funktion der Luftzufuhr zu gewährleisten, muss die Luft gereinigt bzw. gefiltert werden, bevor sie die Verdichtereinheit erreicht. Des Weiteren sind im allgemeinen ölgeschmierte Verdichtereinheiten eingesetzt, so dass die verdichtete Luft gegebenenfalls mit Ölresten aus den Verdichtereinheiten verunreinigt ist. Auch diese Verschmutzungen müssen sorgfältig entfernt werden, da diese ansonsten zu einem sehr schnellen Versagen der Brennstoffzellenanlage aufgrund von Katalysatorvergiftungen sowohl in dem Gaserzeugungssystem als auch in der Brennstoffzelle selbst führen könnten.Around To ensure the proper function of the air supply, the air must be cleaned or filtered before it reaches the compressor unit. Of Further, oil-lubricated compressor units are generally used used, so that the compressed air possibly with oil residues contaminated from the compressor units. Also these soiling have to careful otherwise they cause a very quick failure of the Fuel cell plant due to catalyst poisoning both in the gas generating system as well as in the fuel cell itself could lead.

Die Verwendung von bisher gemäß dem allgemeinen Stand der Technik üblichen Luftmodulen zur Zufuhr von Luft als sauerstoffhaltiges Medium zu der Brennstoffzellenanlage weist, wie oben beschrieben, also eine sehr große Anzahl gravierender Nachteile auf.The Use of hitherto according to the general State of the art usual Air modules for supplying air as an oxygen-containing medium to the Fuel cell system, as described above, so a very size Number of serious disadvantages.

Aus dem allgemeinen Stand der Technik sind des weiteren elektrochemische Sauerstoffpumpen bekannt. Bei solchen elektrochemischen Sauerstoffpumpen kann es sich beispielsweise um sauerstoffionenleitede Membranen von Brennstoffzellen, insbesondere von SOFC's (Solid Oxide Fuel Cells), handeln. Bestandteile von derartigen elektrochemischen Sauerstoffpumpen sind dabei in der Regel eben diese Membran als gasdichter sauerstoffionenleitede Elektrolyt sowie zwei stromleitende Elektroden, die in direktem Kontakt mit dem Elektrolyten stehen. Als Elektrolyte sind keramische Werkstoffe, wie beispielsweise ZrO2, CeO2, und weitere Elektrolyte, beispielsweise in Form von wässerigen Lösungen, denkbar. An den beiden Elektroden, also der Anode und der Kathode, laufen die folgenden Teilreaktionen ab: O2 + 4e– 2O2– Kathodenreaktion 2O2– → O2 + 4e– Anodenreaktion Furthermore, electrochemical oxygen pumps are known from the general state of the art. Such electrochemical oxygen pumps may, for example, be oxygen-ion-layered membranes of fuel cells, in particular of SOFCs (Solid Oxide Fuel Cells). Components of such electrochemical oxygen pumps are usually just this membrane as a gas-tight oxygen ionleitede electrolyte and two current-conducting electrodes, which are in direct contact with the electrolyte. As electrolytes are ceramic materials, as in For example, ZrO 2 , CeO 2 , and other electrolytes, for example in the form of aqueous solutions conceivable. At the two electrodes, ie the anode and the cathode, the following partial reactions take place: O 2 + 4e - 2O 2- cathode reaction 2O 2- → O 2 + 4e - anodic reaction

Derartige elektrochemische Sauerstoffpumpen werden kathodenseitig mit Umgebungsluft oder gegebenenfalls auch einem anderen sauerstoffhaltigen Medium angeströmt. Der Sauerstoff wird reduziert und die entstehenden Anionen werden durch die gasdichte aber sauerstoffionenleitede Membran bzw. den Elektrolyten transportiert. Anschließend erfolgt eine Oxidation auf der Anode und der entstandene Sauerstoff kann abtransportiert oder direkt abreagiert werden. Die treibende Kraft ist eine anliegende Spannung und ein äußerer Stromfluss.such Electrochemical oxygen pumps are on the cathode side with ambient air or optionally also another oxygen-containing medium incident flow. The oxygen is reduced and the resulting anions become by the gas-tight but oxygen ionleitede membrane or the Electrolytes transported. Subsequently, an oxidation takes place on the anode and the resulting oxygen can be transported away or reacted directly. The driving force is an adjoining one Voltage and an external current flow.

Zum allgemeinen Stand der Technik hinsichtlich derartiger Sauerstoffpumpen soll auf die EP 0 438 902 B2 verwiesen werden, welche einen elektrochemischen Membranreaktor beschreibt. Die Sauerstoffproduktion für die partielle Oxidation von Kohlenwasserstoffen wird durch die US 5,714,091 beschrieben. Weitere elektrochemische Sauerstoffpumpen, Sauerstoffgeneratoren bzw. elektrochemische Sauerstoffkompressoren sind in beispielhafter Weise durch die US 6,117,288 ; die EP 0 771 759 A1 , die WO 91/06691 A1, die EP 0 761 284 A1 die US 4,877,506 sowie die US 5,785,839 beschrieben.The general state of the art with regard to such oxygen pumps should be based on the EP 0 438 902 B2 which describes an electrochemical membrane reactor. The oxygen production for the partial oxidation of hydrocarbons is by the US 5,714,091 described. Other electrochemical oxygen pumps, oxygen generators and electrochemical oxygen compressors are exemplified by the US 6,117,288 ; the EP 0 771 759 A1 , WO 91/06691 A1, the EP 0 761 284 A1 the US 4,877,506 as well as the US 5,785,839 described.

Des Weiteren berichten neueste Veröffentlichungen, wie z.B. der Artikel "A Low-Operating-Temperature Solid Oxide Fuel Cell in Hydrocarbon-Air Mixtures" in "SCIENCE; VOL 288; 16 June 2000; Seite 2031ff', über keramische Membrane auf Basis von yttriumstabilisierten Zirkoniuoxiden, welche bereits bei Temperaturen ab 350°C eine Leitfähigkeit für Sauerstoffionen aufweisen.Of Further recent publications, such as. the article "A Low Operating Temperature Solid Oxide Fuel Cell in Hydrocarbon Air Mixtures "in" SCIENCE; VOL 288; 16 June 2000; Page 2031ff ', about ceramic Membrane based on yttrium-stabilized zirconium oxides, which already at temperatures above 350 ° C a conductivity for oxygen ions exhibit.

Die EP 0 682 379 B1 und die EP 0 834 950 B1 beschreiben jeweils eine elektrochemische Einrichtung zur Abtrennung von Sauerstoff aus einem sauerstoffhaltigen Gasgemisch, die eine Mehrzahl von übereinander gestapelten elektrochemischen Zellen aufweist. Jede Zelle umfasst eine erste Elektrodenschicht, an der Sauerstoff reduziert wird. Die dabei entstehenden Sauerstoffanionen werden durch einen Elektrolyten transportiert und an einer zweiten Elektrodenschicht zu Sauerstoff oxidiert.The EP 0 682 379 B1 and the EP 0 834 950 B1 each describe an electrochemical device for separating oxygen from an oxygen-containing gas mixture comprising a plurality of stacked electrochemical cells. Each cell comprises a first electrode layer, at which oxygen is reduced. The resulting oxygen anions are transported through an electrolyte and oxidized to oxygen at a second electrode layer.

Es ist nun die Aufgabe der Erfindung, eine Brennstoffzellenanlage mit einer Sauerstoff verbrauchenden Komponente zu schaffen, bei der in jedem Lastpunkt auf besonders energieeffiziente Art und Weise eine exakte Sauerstoffdosierung in die Sauerstoff verbrauchende Komponente und damit ein bestmöglicher Wirkungsgrad der Brennstoffzellenanlage möglich ist.It Now is the object of the invention, a fuel cell system with an oxygen-consuming component to create, in the in every load point in a particularly energy efficient way an exact oxygen dosage in the oxygen-consuming Component and thus a best possible Efficiency of the fuel cell system is possible.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Brennstoffzellenanlage mit den im Anspruch 1 genannten Merkmalen gelöst.According to the invention this Task by a fuel cell system with the mentioned in claim 1 Characteristics solved.

Die entscheidenden Vorteile der erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanlage sind sicherlich darin zu sehen, dass in jedem einzelnen Lastpunkt über den Stromfluss an den Elektroden eine exakte Sauerstoffdosierung, also eine exakte vorgegebene Menge an zu dosierenden Sauerstoff, eingestellt werden kann. Dabei ist in besonders vorteilhafter Weise keine Lastabhängigkeit eines Verdichterwirkungsgrades mit zu berücksichtigen.The decisive advantages of the fuel cell system according to the invention are certainly to be seen in the fact that in each individual load point over the Current flow at the electrodes an exact oxygen dosage, ie an exact predetermined amount of oxygen to be metered set can be. It is in a particularly advantageous manner no load dependence a compressor efficiency to be considered.

Des Weiteren kann auf den Aufbau eines Drucks mit Hilfe eines Verdichters vollkommen verzichtet werden. Die Sauerstoffdosierung kann nämlich auch gegen einen höheren Druck arbeiten, sie stellt also neben der reinen Dosiereinheit gleichzeitig auch eine Verdichtereinheit dar, welche ohne bewegte Teile, ohne Lärmemission, ohne zusätzliches Gewicht und ohne zusätzliche Kosten auskommt. Für die Dosierung entscheidend ist bei einem derartigen Aufbau dabei lediglich die Sauerstoff-Partialdruckdifferenz. Diese sollte im allgemeinen wenigstens annähern konstant sein, insbesondere kann dazu der im Bereich der Anode entstehende Sauerstoff beispielsweise über ein Spülgas abtransportiert oder in einer Reaktion direkt abreagiert werden.Of Further, on building a pressure with the help of a compressor be completely dispensed with. The oxygen dosage can also against a higher one Pressure work, so it also provides next to the pure dosing unit at the same time a compressor unit which, without moving parts, without noise emission, without additional Weight and without additional Costs get along. For the Dosage is crucial in such a structure only the oxygen partial pressure difference. This should generally be at least approximately constant, in particular For this purpose, the oxygen produced in the region of the anode can be introduced via, for example, a purge be transported away or directly reacted in a reaction.

Gegenüber der Verdichtung und Dosierung von Luft wird bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Dosierung von Sauerstoff reiner Sauerstoff dosiert. Dadurch kommt es nicht zu der oben bereits erwähnten nachteiligen Verdünnung des erzeugten wasserstoffreichen Gases durch die inerten Bestandteile der Luft. Damit kann eine Erhöhung des Taupunkts vermieden werden, was in besonders vorteilhafter Weise wiederum die geschlossene Wasserbilanz der Brennstoffzellenanlage ermöglicht, also einen wasserautarken Betrieb, ohne zusätzliche Maßnahmen, wie z.B. eine Druckerhöhung.Opposite the Compression and metering of air is in the inventive device for Dosage of oxygen dosed pure oxygen. This comes it does not belong to the one already mentioned above adverse dilution the generated hydrogen-rich gas by the inert components the air. This can be an increase the dew point can be avoided, which is particularly advantageous again the closed water balance of the fuel cell system allows So a water-autonomous operation, without additional measures, such as. an increase in pressure.

Des Weiteren wird aufgrund der höheren Wasserstoffkonzentration bei der Verwendung von reinem Sauerstoff in dem Bereich des Gaserzeugungssystems, also aufgrund der fehlenden Verdünnung mit inerten Gasanteilen, eine Verbesserung des Wirkungsgrads der Brennstoffzelle selbst erreicht.Of Further becomes due to the higher hydrogen concentration when using pure oxygen in the region of the gas generating system, So because of the lack of dilution with inert gas components, an improvement in the efficiency of Reached fuel cell itself.

Gegenüber einer grundsätzlich auch möglichen Verdichtung und Dosierung von reinem Sauerstoff über entsprechende Verdichtungsanlagen weist die erfindungsgemäße Vorrichtung entscheidende Vorteile auf, da die Verdichtung von reinem Sauerstoff auf der einen Seite sehr gefährlich und auf der anderen Seite energetisch sehr ungünstig ist. Sauerstoff weist nämlich einen sehr positiven Joule-Thompson Koeffizienten auf.Compared to a basically possible compression and metering of pure oxygen via corresponding compression systems, the inventive device has crucial Advantages because the compression of pure oxygen on the one hand very dangerous and on the other hand is energetically very unfavorable. In fact, oxygen has a very positive Joule-Thompson coefficient.

Auf die Verwendung eines Luftfilters zur Reinigung des dem Elektrolyten zugeführten sauerstoffhaltigen Mediums, wobei hier insbesondere Luft Verwendung finden kann, kann bei dem erfindungsgemäßen Aufbau ebenfalls verzichtet werden. Die Verunreinigungen werden nicht durch die sauerstoffionenleitende Membran gelangen und lagern sich allenfalls kathodenseitig auf derselben ab. Sie können beispielsweise oxidativ entfernt oder periodisch abgebrannt werden.On the use of an air filter to clean the electrolyte supplied oxygen-containing medium, in particular air use here can find, can also be omitted in the structure of the invention become. The impurities are not affected by the oxygen ion-conducting Membrane arrive and store at most on the cathode side on the same from. You can, for example oxidatively removed or periodically burned off.

Die Nutzung der Abwärme einer in der Sauerstoff verbrauchenden Komponente des Gaserzeugungssystems ablaufenden Reaktion zur Beheizung des Elektrolyten ermöglicht einen besonders energieeffizienten Betrieb der erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanlage.The Use of waste heat an oxygen consuming component of the gas generating system expiring reaction to heat the electrolyte allows one particularly energy-efficient operation of the fuel cell system according to the invention.

Durch die Möglichkeit der Integration der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Dosierung von Sauerstoff in die Komponente, in welche der Sauerstoff dosiert wird, lassen sich außerdem entscheidende Einsparungen an Masse und Volumen realisieren, was insbesondere bei der Verwendung in einem Gaserzeugungssystem für mobile Anwendungen, z.B. bei Kraftfahrzeugen, ein entscheidender Vorteil hinsichtlich des Energieverbrauchs und der Unterbringung.By the possibility the integration of the device according to the invention for dosing of oxygen into the component into which the oxygen is metered will be, as well realize significant savings in mass and volume, what especially when used in a gas generating system for mobile Applications, e.g. in motor vehicles, a decisive advantage in terms of energy consumption and housing.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und den anhand der Zeichnung nachfolgend dargestellten Ausführungsbeispielen.Further advantageous embodiments of the invention will become apparent from the dependent claims and the embodiments illustrated below with reference to the drawing.

Es zeigt:It shows:

1 eine erste Ausführungsform einer Vorrichtung zur Dosierung von Sauerstoff in eine Sauerstoff verbrauchende Komponente; und 1 a first embodiment of a device for metering oxygen into an oxygen-consuming component; and

2 eine alternative Ausführungsform einer Vorrichtung zur Dosierung von Sauerstoff. 2 an alternative embodiment of a device for metering oxygen.

In 1 ist eine prinzipmäßig angedeutete Vorrichtung 1 zur Dosierung von Sauerstoff dargestellt. Der Sauerstoff stammt bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel aus Luft als sauerstoffhaltigem Medium. Über eine Zuleitung 2 und einen Wärmetauscher 3 gelangt diese Luft in den Bereich einer elektrochemischen Sauerstoffpumpe 4. Nach dem Durchströmen eines Kathodenbereichs der elektrochemischen Sauerstoffpumpe 4 gelangt die Luft als Abluft über den Wärmetauscher 3 unter Abgabe der in ihr enthaltenen thermischen Energie an die Zuluft durch eine Abluftleitung 5 in die Umgebung.In 1 is a principle indicated device 1 shown for the dosage of oxygen. The oxygen comes in the embodiment shown here from air as the oxygen-containing medium. Via a supply line 2 and a heat exchanger 3 this air enters the area of an electrochemical oxygen pump 4 , After flowing through a cathode region of the electrochemical oxygen pump 4 the air passes as exhaust air through the heat exchanger 3 under delivery of the thermal energy contained in it to the supply air through an exhaust duct 5 in the nearby areas.

Der für die Vorrichtung 1 interessante Teilbereich ist die eigentliche Sauerstoffpumpe 4. Die Sauerstoffpumpe 4 besteht aus einem gasdichten sauerstoffionenleitenden Elektrolyten 6. Als Elektrolyt 6 könnte beispielsweise ein keramischer Elektrolyt auf Basis von Zirkoniumoxiden eingesetzt werden. Ein solcher keramischer Elektrolyt 6 soll Bestandteil des hier dargestellten Ausführungsbeispiels sein. Dem allgemeinen Sprachgebrauch folgend wird dieser nachfolgend als keramische Membran 6 bezeichnet.The one for the device 1 interesting subsection is the actual oxygen pump 4 , The oxygen pump 4 consists of a gas-tight oxygen ion-conducting electrolyte 6 , As electrolyte 6 For example, a ceramic electrolyte based on zirconium oxides could be used. Such a ceramic electrolyte 6 should be part of the embodiment shown here. In accordance with common usage, this will hereinafter be referred to as a ceramic membrane 6 designated.

Neben diesen beschriebenen Elektrolyten sind auch andere Elektrolyte denkbar. Beispielsweise wässrige Elektrolyte, welche ebenfalls gasdicht und sauerstoffionenleitend ausgebildet sein können. Bei wässrigen Elektrolyten wäre es denkbar, diese in entsprechende Trägermaterialien, z.B. poröse Keramiken oder, Polymermembranen einzulagern oder so an diese zu binden, dass diese Elektrolyte leichter zu.Next These electrolytes described other electrolytes are conceivable. For example, aqueous Electrolytes, which are also gas-tight and oxygen-ion conducting can be trained. In aqueous Electrolytes would be it is conceivable to incorporate them into corresponding carrier materials, e.g. porous ceramics or to store or bind polymer membranes such that these electrolytes easier too.

Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel soll die keramische Membran 6 eingesetzt werden. Neben der keramischen Membran 6 weist die Sauerstoffpumpe 4 eine Kathode 7 und eine Anode 8 auf. Diese beiden Elektroden 7, 8 stehen in direktem Kontakt zum Elektrolyten bzw. der Membran 6. Die Elektroden 7, 8 sind stromleitend ausgebildet, so dass an ihnen bei anliegender Spannung und fließendem Strom folgende Teilreaktionen ablaufen: O2 + 4e– → 202– Kathodenreaktion 2O2– → O2 + 4e– Anodenreaktion In the illustrated embodiment, the ceramic membrane 6 be used. Next to the ceramic membrane 6 indicates the oxygen pump 4 a cathode 7 and an anode 8th on. These two electrodes 7 . 8th are in direct contact with the electrolyte or the membrane 6 , The electrodes 7 . 8th are current-conducting, so that the following partial reactions take place in the case of applied voltage and flowing current: O 2 + 4e - → 20 2- cathode reaction 2O 2- → O 2 + 4e - anodic reaction

Bei kathodenseitiger Anströmung mit einem sauerstoffhaltigen Medium, hier der Luft, wird der Luftsauerstoff also reduziert, die entstehenden Anionen können durch die Membran 6 transportiert wurden. Treibende Kraft hierzu ist ein Sauerstoffkonzentrationsgefälle zwischen den beiden Seiten der Membran 6. Anschließend erfolgt eine Oxidation der Anionen an der Anode 8 und der entstehende Sauerstoff O2 gelangt in den Bereich einer Mischkammer 9.With cathode-side flow with an oxygen-containing medium, here the air, the atmospheric oxygen is thus reduced, the resulting anions can through the membrane 6 were transported. The driving force for this is an oxygen concentration gradient between the two sides of the membrane 6 , Subsequently, an oxidation of the anions takes place at the anode 8th and the resulting oxygen O 2 enters the area of a mixing chamber 9 ,

Die elektrochemische Sauerstoffpumpe 4 soll in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel also in der Mischkammer 9 eines autothermen Reformers 10 integriert sein, welcher in Strömungsrichtung abwärts von der Mischkammer 9 angeordnet ist. In dieser Mischkammer 9 werden einströmende Edukte A, dies kann z.B. Wasser bzw. Wasserdampf und Kraftstoff bzw. Kraftstoffdampf sein, in bestimmten Verhältnissen gemischt und anschließend in die eigentliche Reaktionszone des autothermen Reformers 10 gebracht. In dieser Mischkammer herrschen dabei zum Teil Temperaturen von mehr als 400°C. D.h. die Membran 6 befindet sind in einem Temperaturbereich, in welchem sie die Sauerstoffionen problemlos leitet. Über die elektrochemische Sauerstoffpumpe 4 kann also der benötigte Sauerstoff für die autotherme Reformierung zugeführt werden.The electrochemical oxygen pump 4 should in the embodiment shown here in the mixing chamber 9 an autothermal reformer 10 be integrated, which downstream in the flow direction of the mixing chamber 9 is arranged. In this mixing chamber 9 be incoming reactants A, this may be, for example, water or water vapor and fuel or fuel vapor, mixed in certain proportions and then in the actual reaction zone of the autothermal reformer 10 brought. In this mixing chamber prevail partly temperatures of more than 400 ° C. That is the membrane 6 are located in a temperature range in which it conducts the oxygen ions easily. About the electrochemical oxygen pump 4 Thus, the required oxygen for the autothermal reforming can be supplied.

Die hohen Temperaturen im Bereich der Membran 6 werden dabei zum einen durch die Vorheiztemperatur der Edukte A und andererseits auch durch eine direkte Beheizung mit thermischer Energie Q aus dem Bereich von Heizelementen 11 erzeugt. Zudem wird die thermische Energie, welche sich in der Abluft befindet, über den Wärmetau scher 3, wie oben bereits erwähnt, an die durch die Zuleitung 2 einströmende Zuluft abgegeben, so daß die im Bereich der elektrochemischen Sauerstoffpumpe 4 benötigte thermische Energiezufuhr weiter reduziert werden kann.The high temperatures in the area of the membrane 6 be on the one hand by the preheating of the educts A and on the other hand by a direct heating with thermal energy Q from the range of heating elements 11 generated. In addition, the thermal energy, which is located in the exhaust air, over the Wärmetau shear 3 , as already mentioned, to the through the supply line 2 incoming supply air discharged, so that in the range of the electrochemical oxygen pump 4 required thermal energy supply can be further reduced.

Die Sauerstoffpumpe 4 wird auf der Seite der Kathode 7 jeweils von Umgebungsluft umströmt, welche z.B. mit Hilfe eines Gebläses gefördert werden kann. Auf der Seite der Anode 8 wird dann der erzeugte reine Sauerstoff mit Hilfe der Edukte A als Spülgas aus der Mischkammer 9 in die eigentliche Reaktionszone des autothermen Reformers 10 gefördert. So wird gewährleistet, daß über die Membran 6 immer ein nahezu gleichbleibend hohes Sauerstoffkonzentrationsgefälle herrscht, die Sauerstoffpumpe 4 kann dann ideal arbeiten.The oxygen pump 4 gets on the side of the cathode 7 flows around each of ambient air, which can be promoted for example by means of a fan. On the side of the anode 8th Then, the generated pure oxygen with the aid of educts A as purge gas from the mixing chamber 9 into the actual reaction zone of the autothermal reformer 10 promoted. This ensures that over the membrane 6 always an almost constant high oxygen concentration gradient prevails, the oxygen pump 4 can then work perfectly.

Über den Stromfluß, welcher bei anliegender Spannung auf die beiden Elektroden 7, 8 gegeben wird, läßt sich die zu dosierende Menge an Sauerstoff einstellen. Diese Einstellung unterliegt dabei keinerlei Abhängigkeit, beispielsweise einer Last, so daß zu jedem Zeitpunkt und jeder beliebigen Last bei geringem Regelungsaufwand die exakte benötigte Sauerstoffmenge über den Stromfluß zudosiert werden kann.About the flow of current, which at applied voltage to the two electrodes 7 . 8th is given, can be adjusted to be metered amount of oxygen. This setting is subject to no dependence, such as a load, so that at any time and any load with little regulatory effort, the exact amount of oxygen required can be added via the flow of current.

Die Heizeinrichtungen 11 können beispielsweise als katalytische Brenner ausgelegt sein, welche an verschiedenen anderen Stellen zur Erzeugung von thermischer Energie in Gaserzeugungssystemen von Brennstoffzellenanlagen ohnehin eingesetzt werden. Alternativ oder parallel dazu wäre es jedoch auch denkbar, die Membran 6 mit Hilfe anderer Wärmequellen, beispielsweise mit Hilfe von Reaktionsabwärme oder gegebenenfalls auch mit einer elektrischen Beheizung über Widerstandsheizelemente zu beheizen.The heaters 11 For example, they may be designed as catalytic burners which are used anyway at various other locations to generate thermal energy in gas generating systems of fuel cell plants. Alternatively or in parallel, however, it would also be conceivable to use the membrane 6 to heat with the help of other heat sources, for example by means of reaction heat or possibly also with an electric heating via resistance heating elements.

2 zeigt nun eine alternative Ausführungsform der oben beschriebenen Vorrichtung 1. Die Vorrichtung 1 funktioniert hinsichtlich des Einsatzes der Sauerstoffpumpe 4 in analoger Weise. Lediglich erfolgt bei dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel die Dosierung des Sauerstoffs durch die Membranen 6 nicht in eine Mischkammer 9, sondern direkt in den autothermen Reformer 10, in welchem der Sauerstoff dann unmittelbar abreagiert, so daß auch hier ein entsprechend hohes Sauerstoffkonzentrationsgefälle über die Membranen 6 herrscht. 2 now shows an alternative embodiment of the device described above 1 , The device 1 works with regard to the use of the oxygen pump 4 in an analogous way. Only occurs in the in 2 illustrated embodiment, the dosage of oxygen through the membranes 6 not in a mixing chamber 9 but directly into the autothermal reformer 10 in which the oxygen then reacts off immediately, so that here too a correspondingly high oxygen concentration gradient across the membranes 6 prevails.

Neben den beiden hier dargestellten Ausführungsbeispielen, welche sich jeweils auf einen autothermen Reformer 10 beziehen, sind selbstverständlich auch andere Aufbauten denkbar, insbesondere Aufbauten, bei denen über die elektrochemische Sauerstoffpumpe 4 der bereitgestellte Sauerstoff in andere sauerstoffbenötigende Komponenten als in den oben beispielhaft erwähnten autothermen Reformer 10 eindosiert wird. Beispiele für derartige Komponenten sind im Bereich eines Gaserzeugungssystems in der Brennstoffzellenanlage selektive Oxidationsstufen, in welchen zur Gasreinigung Kohlenmonoxid, welches in dem Reaktionsprodukt der vorgeschalteten Stufen enthalten ist, zu Kohlendioxid auf oxidiert wird. Auch bei diesen Stufen sind Betriebstemperaturen notwendig, welche so liegen, daß der Einsatz von keramischen Elektrolyten 6 denkbar ist.In addition to the two embodiments shown here, which each have an autothermal reformer 10 Obviously, other constructions are also conceivable, in particular constructions in which via the electrochemical oxygen pump 4 the oxygen provided to other oxygen-requiring components than in the autothermal reformer exemplified above 10 is metered. Examples of such components are in the field of a gas generating system in the fuel cell system selective oxidation stages in which carbon monoxide, which is contained in the reaction product of the upstream stages, is oxidized to carbon dioxide for gas purification. Even at these levels operating temperatures are necessary, which are such that the use of ceramic electrolytes 6 is conceivable.

Eine weitere Anwendung wäre selbstverständlich auch die elektrochemische Sauerstoffpumpe 4 zur Sauerstoffproduktion für die Kathodenversorgung der Brennstoffzelle der Brennstoffzellenanlage. Dies könnte beispielsweise bei einer PEM-Brennstoffzelle in der Art erfolgen, daß die Dosierung des Sauerstoffs in eine vorgeschaltete Mischkammer erfolgt und der Sauerstoff von dort mit einem Spülgas in den Bereich der Kathode transportiert wird.Another application would of course be the electrochemical oxygen pump 4 for oxygen production for the cathode supply of the fuel cell of the fuel cell system. This could be done, for example, in a PEM fuel cell in such a way that the metering of the oxygen takes place in an upstream mixing chamber and the oxygen is transported from there with a purge gas in the region of the cathode.

Grundlegend läßt sich eine derartige elektrochemische Sauerstoffdosierung für eine Brennstoffzellenanlage sowohl bei mobilen als auch bei stationären Brennstoffzellensystemen zur elektrochemischen Dosierung von Sauerstoff und zur Verdichtung des Sauerstoffs einsetzen. Aufgrund der erst lastunabhängigen Dosierung des Sauerstoffs über den Stromfluß an den Elektroden 7, 8 ist die Anwendung jedoch besonders günstig, wenn sehr hohe Lastspreizungen beim Betrieb der Brennstoffzellenanlage auftreten, beispielsweise in mobilen Systemen für Kraftfahrzeuge.Fundamentally, such an electrochemical oxygen metering for a fuel cell system can be used both in mobile and in stationary fuel cell systems for the electrochemical metering of oxygen and for the compression of the oxygen. Due to the first load-independent dosage of oxygen over the current flow at the electrodes 7 . 8th However, the application is particularly favorable when very high load spreads occur during operation of the fuel cell system, for example in mobile systems for motor vehicles.

Claims (12)

Brennstoffzellenanlage mit: – einer Sauerstoff verbrauchenden Komponente, – einer elektrochemischen Sauerstoffpumpe (4), die eine stromleitende Kathode (7), eine stromleitende Anode (8) und einen dazwischen angeordneten Elektrolyten (6) aufweist, wobei dem Elektrolyt (6) kathodenseitig ein sauerstoffhaltiges Medium zuführbar ist, und wobei anodenseitig Sauerstoff an die Sauerstoff verbrauchende Komponente abführbar ist, und – einer Heizeinrichtung (11) zur Beheizung des Elektrolyten (6) der Sauerstoffpumpe (4), wobei die Heizeinrichtung (11) dazu eingerichtet ist, den Elektrolyten (6) zumindest teilweise durch die Abwärme einer in der Sauerstoff verbrauchenden Komponente ablaufenden Reaktion zu beheizen.Fuel cell system comprising: - an oxygen-consuming component, - an electrochemical oxygen pump ( 4 ), which has a current-conducting cathode ( 7 ), a current-conducting anode ( 8th ) and an intermediate electrolyte ( 6 ), wherein the electrolyte ( 6 ) on the cathode side, an oxygen-containing medium can be fed, and wherein on the anode side oxygen to the oxygen-consuming component is dissipatable, and - a heating device ( 11 ) for heating the Elek trolytes ( 6 ) of the oxygen pump ( 4 ), the heating device ( 11 ) is adapted to the electrolyte ( 6 ) at least partially by the waste heat of a running in the oxygen-consuming component reaction to heat. Brennstoffzellenanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrolyt (6) als keramische Membran ausgebildet ist, welche gasdicht und sauerstoffionenleitend ist.Fuel cell system according to claim 1, characterized in that the electrolyte ( 6 ) is formed as a ceramic membrane, which is gas-tight and oxygen ion conductive. Brennstoffzellenanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizeinrichtung (11) dazu eingerichtet ist, den Elektrolyten (6) zumindest teilweise mittels eines katalytischen Brenners zu beheizen.Fuel cell system according to claim 1 or 2, characterized in that the heating device ( 11 ) is adapted to the electrolyte ( 6 ) at least partially by means of a catalytic burner to heat. Brennstoffzellenanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizeinrichtung (11) dazu eingerichtet ist, den. Elektrolyten (6) teilweise mittels einer elektrischen Widerstandsheizung zu beheizen.Fuel cell system according to one of claims 1 to 3, characterized in that the heating device ( 11 ) is adapted to the. Electrolytes ( 6 ) partially to heat by means of an electrical resistance heater. Brennstoffzellenanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrolyt (6) als Elektrolyt auf wässeriger Basis ausgebildet ist.Fuel cell system according to claim 1, characterized in that the electrolyte ( 6 ) is formed as an aqueous-based electrolyte. Brennstoffzellenanlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der wässerige Elektrolyt (6) in eine Trägersubstanz eingebettet ist.Fuel cell system according to claim 5, characterized in that the aqueous electrolyte ( 6 ) is embedded in a carrier substance. Brennstoffzellenanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass in die Sauerstoffpumpe (4) ein Spülgas (A) einleitbar ist, mit dem der abgeführte Sauerstoff zu der Reaktion transportierbar ist. Fuel cell system according to one of claims 1 to 6, characterized in that in the oxygen pump ( 4 ), a purge gas (A) can be introduced, with which the discharged oxygen is transportable to the reaction. Brennstoffzellenanlage nach Anspruch 7, An dadurch gekennzeichnet, dass in die Sauerstoffpumpe (4) ein zumindest teilweise aus der Reaktion zugeführten Edukten bestehendes Spülgas (A) einleitbar ist. Fuel cell system according to claim 7, characterized in that in the oxygen pump ( 4 ) an at least partially from the reaction supplied reactants existing purge gas (A) can be introduced. Brennstoffzellenanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Sauerstoff verbrauchende Komponente unmittelbar im Bereich der Reaktion, angeordnet ist. Fuel cell system according to one of claims 1 to 6, characterized in that the oxygen consuming component immediately in the area of the reaction, is arranged. Brennstoffzellenanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Sauerstoff verbrauchende Komponente ein Reaktor (10) zur autothermen Reformierung eines Gemisches aus zumindest Kohlenstoff und Wasserstoff aufweisenden Verbindungen ist.Fuel cell system according to one of claims 1 to 9, characterized in that the oxygen-consuming component is a reactor ( 10 ) is for autothermal reforming of a mixture of at least carbon and hydrogen-containing compounds. Brennstoffzellenanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Sauerstoff verbrauchende Komponente eine Stufe zur selektiven Oxidation von Kohlenmonoxid ist.Fuel cell system according to one of claims 1 to 9, characterized in that the oxygen consuming component is a step for the selective oxidation of carbon monoxide. Brennstoffzellenanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Sauerstoff verbrauchende Komponente ein Kathodenraum einer Brennstoffzelle, insbesondere einer Brennstoffzelle mit einer protonenleitenden Membran ist.Fuel cell system according to one of claims 1 to 9, characterized in that the oxygen consuming component a cathode compartment of a fuel cell, in particular a fuel cell with a proton-conducting membrane.
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