DE102005004427A1 - Vorwärmer für Brennstoffzellensystem mit Venturi-Gaszufuhr - Google Patents

Abstract

Es wird ein Brennstoffzellensystem beschrieben, bei dem zumindest eine Brennstoffzelle (5) zumindest zeitweise mit einem Gasgemisch gespeist wird, das in einer Venturi-Düse (3) aus einem Druckgas, insbesondere aus einem Oxidationsdruckgas, und Umgebungsluft gemischt wird, wobei das Druckgas an der Venturi-Düse (3) Umgebungsluft mitreißen kann und zur zumindest einen Brennstoffzelle (5) führen kann oder führt.

Description

• Die vorliegende Erfindung ist auf ein zumindest zeit- oder teilweise Druckgas, insbesondere Oxidationsdruckgas gespeistes Brennstoffzellensystem gerichtet.
• Brennstoffzellensysteme sind bereits seit langem bekannt und haben in den letzten Jahren erheblich an Bedeutung gewonnen. Ähnlich wie Batteriesysteme erzeugen Brennstoffzellen elektrische Energie auf chemischem Weg durch eine Redoxreaktion von Kraftstoff (beispielsweise Wasserstoff) und Sauerstoff, wobei die einzelnen Reaktanten kontinuierlich zugeführt und die Reaktionsprodukte kontinuierlich abgeführt werden.
• Bei einer Brennstoffzelle werden die zwischen elektrisch neutralen Molekülen oder Atomen ablaufenden Oxidations- und Reduktionsprozesse in der Regel über einen Elektrolyten räumlich getrennt. Eine Brennstoffzelle besteht grundsätzlich aus einem Anodenteil, an dem ein Kraftstoff zugeführt wird. Weiterhin weist die Brennstoffzelle einen Kathodenteil auf, an dem ein Oxidationsmittel zugeführt wird. Räumlich getrennt sind der Anoden- und Kathodenteil durch den Elektrolyten. Bei einem derartigen Elektrolyten kann es sich beispielsweise um eine Membran handeln. Solche Membranen haben die Fähigkeit, Ionen durchzuleiten, Gase jedoch zurückzuhalten. Die bei der Oxidation abgegebenen Elektronen werden nicht lokal von Atom zu Atom übertragen, sondern als elektrischer Strom durch einen Verbraucher geleitet.
• Als gasförmiger Reaktionspartner für die Brennstoffzelle können beispielsweise Wasserstoff als Kraftstoff und Sauerstoff als Oxidationsmittel im Kathodenteil verwendet werden.
• Will man die Brennstoffzelle mit einem leicht verfügbaren oder leichter zu speichernden Kraftstoff, wie etwa Erdgas, Methanol, Propan, Benzin, Diesel oder anderen Kohlenwasserstoffen, anstelle von reinem Wasserstoff betreiben, muss man den Kohlenwasserstoff in einer Vorrichtung zum Erzeugen/Aufbereiten eines Kraftstoffs in einem sogenannten Reformierungsprozess zunächst in ein wasserstoffreiches Gas umwandeln. Diese Vorrichtung zum Erzeugen/Aufbereiten eines Brennstoffs besteht beispielsweise aus einer Dosiereinheit mit Verdampfer, einem Reaktor für die Reformierung, beispielsweise für die Wasserdampfreformierung, einer Gasreinigung sowie häufig auch wenigstens einem katalytischen Brenner zur Bereitstellung der Prozesswärme für die endothermen Prozesse, beispielsweise den Reformierungsprozess.
• Ein Brennstoffzellensystem besteht in der Regel aus mehreren Brennstoffzellen, die beispielsweise wiederum aus einzelnen Schichten gebildet sein können. Die Brennstoffzellen sind vorzugsweise hintereinander angeordnet, beispielsweise sandwichartig übereinander gestapelt. Ein derart ausgebildetes Brennstoffzellensystem wird dann als Brennstoffzellenstapel beziehungsweise Brennstoffzellenstack bezeichnet.
• Ein wichtiges Einsatzgebiet für Brennstoffzellen ist die Notstromversorgung im Falle von Stromausfällen bei wichtigen Verbrauchern, wie zum Beispiel Datenverarbeitungszentren, im Krankenhausbereich oder Telekommunikationseinrichtungen. Ein Brennstoffzellensystem zur Notstromversorgung sollte bei einem Stromausfall innerhalb kürzester Zeit die vom zu überwachenden Verbraucher benötigte Energie bereitstellen. Um die Anlaufphase des Brennstoffzellensystems bei einer Stromunterbrechung zu überbrücken, ist das System mit Kondensatoren oder Batterien ausgestattet. Für ein konventionelles System mit der Versorgung durch Wasserstoff aus einer Druckgasflasche und der Versorgung mit Luftsauerstoff durch ein Gebläse stellt sich dabei das Problem, dass beim Systemstart des Brennstoffzellensystems ein Teil der in den Kondensatoren oder Batterien gespeicherten Energie für die Versorgung des Luftgebläses zur Bereitstellung von Reaktionsluft verbraucht wird. Außerdem benötigt das Gebläse eine gewisse Zeit, bis es einen ausreichenden Arbeitsdruck und Volumenstrom bereitstellt. Damit müssen die Kondensatoren oder Batterien wesentlich größer ausgelegt sein, um das Mehr an Energie und die verlängerte Anfahrtszeit zu überbrücken.
• Zudem kann aufgrund der notwendigen kurzen Startzeit des Brennstoffzellensystems zur Notstromversorgung von wenigen Sekunden ein Aufheizen der eigentlichen Brennstoffzellenelemente auf die übliche Betriebstemperatur nicht erfolgen. Dennoch muss auch bei den dann noch vorhandenen niedrigen Betriebstemperaturen eine sichere Luftversorgung gewährleistet werden. Ein Hauptproblem hierbei ist der Abtransport des Produktwassers. Es gibt einen Zusammenhang zwischen Taupunkt der Abluft und dem Luftvolumenstrom. Bei niedrigen Temperaturen ist ein teilweise vielfach höherer Luftvolumenstrom notwendig, um zu verhindern, dass die Luft in der Brennstoffzelle ihren Taupunkt erreicht, was zum Auskondensieren des Produktwassers führen würde. Dieses Auskondensieren würde wiederum bewirken, dass zuerst einzelne Luftkanäle verstopfen und in der Folge ganze Zellen ausfallen, da es sich um einen selbstverstärkenden Effekt handelt. Bei relativ großen Luftvolumenströmen treten auch relativ hohe Druckverluste auf. Einen Lüfter für den ganzen Bereich des benötigten Luftvolumenstroms beziehungsweise Druckverlusts auszulegen und zu betreiben, würde bedeuten, dass dieser Lüfter einerseits sehr leistungsstark sein muss, um die hohen Volumenströme und Druckverluste zu erbringen beziehungsweise auszugleichen und auf der anderen Seite beim Normalbetrieb, zum Beispiel einer Zellentemperatur von etwa 50°C, nur noch sehr wenig Luft transportieren müsste, um ein zu starkes Austrocknen der Zellen zu verhindern. Somit wird der Lüfter praktisch nie in seinem idealen Betriebspunkt betrieben.
• Der Erfindung liegt damit die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Brennstoffzellensystem bereitzustellen, das es ermöglicht, eine Anlaufphase einer Brennstoffzelle ohne oder mit möglichst geringem externem Energieaufwand und luftstromoptimiert durchzuführen.
• Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Bereitstellung eines Brennstoffzellensystems mit den Merkmalen gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen, Aspekte und Details ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen, der Beschreibung und der beigefügten Zeichnung.
• Der Erfindung liegt das Prinzip zugrunde, die anfängliche Versorgung des Brennstoffzellensystems mit einem erforderlichen Druckgas, insbesondere mit einem Oxidationsgas nicht mittels eines Gebläses, sondern über eine von einem unter Druck stehenden Gas angetriebene Venturi-Düse zu erzielen.
• Dementsprechend ist die Erfindung gerichtet auf ein Brennstoffzellensystem, bei dem zumindest eine Brennstoffzelle zumindest zeitweise mit einem Gasgemisch gespeist wird, das in einer Venturi-Düse aus einem Druckgas, insbesondere einem Oxidationsdruckgas und Umgebungsluft gemischt wird, wobei das Druckgas an der Venturi-Düse Umgebungsluft mitreißen kann und zur zumindest einen Brennstoffzelle führen kann oder führt.
• Unter einem Brennstoffzellensystem ist hierbei eine Anordnung von einer oder mehreren Brennstoffzellen, beispielsweise Stacks von Brennstoffzellen oder Gruppen solcher Stacks mit den zugehörigen Hilfsaggregaten zu verstehen, das insgesamt benötigt wird, um eine Stromversorgung einem Verbraucher bereitzustellen. Unter einem Druckgas ist generell ein unter einem höher als Atmosphärendruck befindliches Gas zu verstehen. Unter einem Oxidationsdruckgas ist ein unter einem höher als Atmosphärendruck befindliches Gas zu verstehen, welches in der Lage ist, mit dem für die Brennstoffzelle verwendeten Kraftstoff oxidativ zu reagieren. In aller Regel handelt es sich bei dem oxidativen Stoff um Sauerstoff, so dass das Oxidationsdruckgas Sauerstoffgas oder ein Sauerstoffgasgemisch mit anderen Gasen sein kann.
• Eine Venturi-Düse ist eine im Stand der Technik an sich bekannte Vorrichtung zum Mitführen von Fluiden in einem Fluidstrom durch Unterdruck, der von dem Fluidstrom in einem Rohr oder einer anders geformten geeigneten Vorrichtung an Engstellen erzeugt wird. Ein bekanntes Beispiel einer Venturi-Vorrichtung ist die Wasserstrahlpumpe, bei der ein in einem Rohr fließender Wasserstrahl einen in den Rohr mündenden Luftbereich ansaugt. Dem Fachmann sind geeignete Ausgestaltungen geläufig, um mit Hilfe eines schnellen Stroms von Gas, wie dem erfindungsgemäß verwendeten Oxidationsgas, einen zweiten Strom, der aus Umgebungsluft besteht, mitzuziehen.
• Durch die Venturi-Düse kann der sehr hohe Druck des Druckgases in ein ungleich größeres Gesamtoxidationsgasvolumen umgesetzt werden, so dass man mit einer relativ kleinen Menge an Druckgas zum Anfahren des Brennstoffzellensystems auskommt. Die Venturi-Düse kann beispielsweise in einer Leitung zwischen Gasspeicher und Brennstoffzellen angeordnet sein. Durch das erfindungsgemäße System kann durch Regeln des Drucks des Druckgases auch die Menge an mitgerissener Umgebungsluft gesteuert werden. Dadurch ist es möglich, die zugeführte Menge an oxidierbarem Gas dem Betriebszustand der Brennstoffzelle(n) anzupassen.
• In einer bevorzugten Ausführungsform weist das System zumindest einen Druckgasspeicher auf, der unter Druck stehendes Gas, insbesondere Oxidationsgas enthält, das über eine Leitung der Venturi-Düse und danach der Kathodenseite zumindest einer Brennstoffzelle des Systems zugeführt werden kann.
• In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform tritt an die Stelle des Druckgasspeichers eine äußere Druckgasquelle, beispielsweise eine Druckluftversorgung von außerhalb, die beispielsweise über einen Kompressor den notwendigen Druck aufrecht erhält. Dies kann zum Beispiel sinnvoll sein bei Notstromversorgungen einzelner Funktionsbereiche oder Gebäude, bei denen ein erhöhtes Risiko für einen vom Rest eines Campus und dergleichen unabhängigen Stromausfalls vorhanden ist. Auch ist es möglich, einen von der Brennstoffzelle selbst betriebenen Kompressor verwenden, wenn es sich nicht um eine Notstromversorgung handelt, aber dennoch aufgrund der anderen Vorteile der vorliegenden Erfindung die Integration einer Venturi-Düse in das System gewünscht ist.
• Weiterhin wird es bevorzugt, dass in der Leitung ein Ventil angeordnet ist, das die Zufuhr von Druckgas zur Venturi-Düse steuern kann. Ein solches Ventil kann dann geöffnet werden, um ein entsprechendes Brennstoffzellensystem, beispielsweise das einer Notstromversorgung, anzufahren und die oben beschriebene Mengensteuerung des Systems vorzunehmen.
• Das Ventil ist vorzugsweise ein elektrisch betätigtes Ventil. Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist das Ventil ein elektrisch betätigtes Ventil, das durch Anlegen eines Stroms in eine geschlossene Position gebracht wird. Im Falle eines Stromausfalls öffnet sich das Ventil autark vollständig oder zu einem vorgegebenen Maße, durch das Ausbleiben der Spannung am Ventilantrieb und nimmt dadurch ohne die Notwendigkeit einer zusätzlichen Stromversorgung die Zufuhr des Druckgases auf. Bei nicht besonders zeitkritischen Notstromversorgungen, bei denen ein Stromausfall bis zu einem gewissen Zeitraum, beispielsweise mehreren Sekunden, akzeptabel ist, kann auch die Kraftstoffversorgung mit einem entsprechenden Ventil ausgestattet sein, so dass das System vollständig auf Kondensatoren oder Batterien verzichten kann.
• Das Ventil kann vorzugsweise ein Rückschlagventil sein.
• Bevorzugterweise ist das Druckgas komprimierte Luft. Diese steht als Umgebungsluft zur Verfügung und kann daher besonders einfach aus der Umgebung gewonnen werden. Hierzu kann beispielsweise am Druckgasspeicher ein Kompressor zum Auffüllen des Druckgasspeichers angeschlossen sein, der dann betrieben wird, wenn das Brennstoffzellensystem entweder im vollen Betriebszustand hinreichend Strom liefert, um den Kompressor mit zu betreiben, das heißt wenn kein Druckgas mehr benötigt wird, oder wenn das Brennstoffzellensystem nicht in Betrieb ist, als quasi einsatzvorbereitende Maßnahme.
• Alternativ kann das Druckgas auch reiner Sauerstoff oder ein sauerstoffreiches Gas sein. Dieses Gas kann vorteilhaft in einer entsprechend ausgestalteten Sauerstoffflasche gespeichert sein. Die Verwendung einer Sauerstoffflasche hat den Vorteil, dass für die Reaktion in der Brennstoffzelle ein noch höherer Sauerstoffpartialdruck zur Verfügung steht und somit eine höher Stapelleistung und damit ein verbesserter Wirkungsgrad, erreicht werden kann.
• Vorteilhaft kann generell vorgesehen sein, dass das Druckgas in einem Druckgasspeicher gespeichert ist, welcher aus wenigstens einer Druckgasflasche gebildet ist. Die Anzahl und Größer der eingesetzten Druckgasflaschen ergibt sich dabei aus der Menge des benötigten Druckgases. Die Verwendung einer Druckgasflasche hat den Vorteil, dass diese an einem anderen Ort befüllt und in bereits befülltem Zustand im Brennstoffzellensystem angeordnet werden kann. Das reduziert den konstruktiven Aufwand für das Brennstoffzellensystem weiter.
• Besonders vorteilhaft kann das wie vorstehend beschriebene erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem als Notstromversorgung oder als Bestandteil einer Notstromversorgung verwendet werden.
• Die vorliegende Erfindung soll nunmehr anhand eines abstrakten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden, wobei auf die beigefügte Zeichnung Bezug genommen werden soll, in der folgendes dargestellt ist:
  Die einzige Figur zeigt in schematischer Darstellung eine Ausführungsform des Brennstoffzellensystems gemäß der vorliegenden Erfindung.
• Die erfinderische Lösung des skizzierten Problems liegt in der Verwendung einer Venturi-Düse, die mit Druckluft betrieben wird. Ein Druckgasbehälter 1 ist über eine Leitung 2 mit einer Venturi-Düse 3 verbunden, die das Druckgas aus dem Behälter 1 mit Umgebungsluft (Pfeil) mischt und über Leitung 4 den Brennstoffzellen 5 zuführt.
• Da das Brennstoffzellensystem insbesondere bei Notstromversorgungen nicht permanent benötigt wird, sondern nur beim Ausfall der normalen Stromversorgung, kann während der Phase mit Netzstromversorgung ein Druckluftgefäß mittels eines Kompressors über eine Leitung aufgeladen werden. Der Energieverbrauch des Kompressors spielt keine wesentliche Rolle, da er direkt aus einem Stromnetz des Verbrauchers gespeist wird und nicht in der Leistungsbilanz des Brennstoffzellensystems erscheint. Alternativ kann auch wenigstens eine Druckgasflasche verwendet werden. Zur Steuerung der Zufuhr von Druckgas beziehungsweise Umgebungsluft über die Leitung 2 kann ein Rückschlagventil zwischen Brennstoffzellen 5 und Druckgasbehälter 1 angeordnet werden.
• In einer beispielhaften Rechnung benötigt ein Brennstoffzellensystem für 1 kW elektrische Leistung ca. 1 m³/h Wasserstoff und 1 m³/h Sauerstoff, das heißt ca. 5 m³/h Umgebungsluft. Wird eine Druckluftflasche mit demselben Füllvolumen wie eine ebenfalls für das Brennstoffzellensystem verwendete Kraftstoff-Flasche, beispielsweise eine Wasserstoff Gasflasche, verwendet, müssen mit 1 m³ aus der Druckgasflasche 4 m³ Umgebungsluft angesaugt werden. Bei Verwendung einer Sauerstoff-Druckflasche muss für die gleiche Sauerstoffmenge mit 0,5 m³ reinem Sauerstoff nur 2,5 m³ Luft über die Venturi-Düse angesaugt werden, was die Vorteile mit sich brächte, dass einerseits eine kleiner Flasche verwendet werden kann und andererseits durch die geringere Luftmenge auch der Wasserhaushalt im Brennstoffzellenstapel verbessert wird.
• Bei richtiger Auslegung des erfindungsgemäßen Systems könnte eine Druckgasflasche mit Druckluft oder Sauerstoff über den Verdünnungseffekt durch die Umgebungsluft im selben zeitlichen Abstand ausgetauscht werden wie die im System verwendete Wasserstoffflasche (oder ein anderer Kraftstoff). Auf ein aufwendiges Luftführungssystem, das bei der Verwendung von Gebläsen beziehungsweise Lüftern notwendig ist, kann verzichtet werden, da durch den höheren Luftdruck eine Gleichverteilung der Reaktionsluft (Oxidationsgas) wesentlich vereinfacht wird.
• Die vorliegende Erfindung ermöglicht einen Anfahrbetrieb eines Brennstoffzellensystems mit minimalem Energieeinsatz bei optimaler Effizienz.

Claims (12)

1. Brennstoffzellensystem, bei dem zumindest eine Brennstoffzelle (5) zumindest zeitweise mit einem Gasgemisch gespeist wird, das in einer Venturi-Düse (3) aus einem Druckgas, insbesondere einem Oxidationsdruckgas und Umgebungsluft gemischt wird, wobei das Druckgas an der Venturi-Düse (3) Umgebungsluft mitreißen kann und zur zumindest einen Brennstoffzelle (5) führen kann oder führt.
2. Brennstoffzellensystem gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es zumindest einen Druckgasspeicher (1) aufweist, der unter Druck stehendes Gas, insbesondere Oxidationsgas enthält, das über eine Leitung (2) der Venturi-Düse (3) und danach der Kathodenseite zumindest einer Brennstoffzelle (5) des Systems zugeführt werden kann.
3. Brennstoffzellensystem gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass in der Leitung (2) ein Ventil angeordnet ist, dass die Zufuhr von Druckgas zur zumindest einen Venturi-Düse (3) steuern kann.
4. Brennstoffzellensystem gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil ein elektrisch betätigtes Ventil ist.
5. Brennstoffzellensystem gemäß Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil ein Rückschlagventil ist.
6. Brennstoffzellensystem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckgas komprimierte Luft ist.
7. Brennstoffzellensystem gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die komprimierte Luft aus der Umgebung entnommene Luft ist.
8. Brennstoffzellensystem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckgas Sauerstoffgas oder ein sauerstoffreiches Gas ist
9. Brennstoffzellensystem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass am Druckgasspeicher (1) ein Kompressor zur Auffüllung des Druckgasspeichers (1) angeschlossen ist.
10. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckgasspeicher (1) aus wenigstens einer Druckgasflasche gebildet ist.
11. Brennstoffzellensystem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoffzellensystem zu einer Notromversorgung gehört oder als Notstromversorgung ausgebildet ist.
12. Verwendung eines Brennstoffzellensystems nach einem der Ansprüche 1 bis 11 als Notstromversorgung oder als Bestandteil einer Notstromversorgung.