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Die Erfindung betrifft ein restgasreduziertes Brennstoffzellensystem gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1; ein derartiges Brennstoffzellensystem ist z. B. durch die
US 3 664 873 A bekannt.
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In einer Brennstoffzelle wird üblicherweise durch die Zusammenführung von Wasserstoff und Sauerstoff in einer elektrochemischen Reaktion Energie und Wärme erzeugt, wobei als einziges Nebenprodukt Wasser entsteht. Zu diesem Zweck werden der Wasserstoff in einen Anodengasraum und der Sauerstoff in einen Kathodengasraum der Brennstoffzelle geleitet. Der Wasserstoff kann entweder als reiner Wasserstoff oder als ein wasserstoffhaltiges Brenngas dem Anodengasraum zugeführt werden. Der Sauerstoff kann als reiner Sauerstoff oder auch beispielsweise in Form von Luft dem Kathodengasraum zugeführt werden.
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Eine Brennstoffzelle alleine liefert eine Betriebsspannung von unter einem Volt. Daher werden üblicherweise eine Vielzahl von Brennstoffzellen aufeinander gestapelt und zu einem Brennstoffzellenblock zusammengefasst. In der Fachliteratur wird ein solcher Block auch „Stack” genannt. Durch das In-Reihe-Schalten der Brennstoffzellen des Brennstoffzellenblocks kann die Betriebsspannung eines Brennstoffzellensystems einige 100 Volt betragen.
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Auch technisch reiner Wasserstoff und Sauerstoff enthalten jedoch Bestandteile (z. B. Inertgasanteile), die nicht an der Reaktion teilnehmen. Diese Bestandteile müssen als Restgase aus der Brennstoffzelle abgeführt werden. In den Restgasen können jedoch auch noch Anteile des jeweiligen Reaktionsgases enthalten sein. Während ein Sauerstoffanteil in der Regel problemlos mit der Umgebungsluft gemischt werden kann, besteht durch einen Wasserstoffanteil eine inhärente Brandgefahr.
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Bei bekannten Brennstoffzellensystemen wird deshalb das wasserstoffhaltige Restgas mit Hilfe einer Leitung in einen ungefährdeten Bereich geführt und dort in die Umgebungsluft abgelassen. Ist das Brennstoffzellensystem in einem Einbauraum installiert, handelt es sich bei dem ungefährdeten Bereich beispielsweise um einen Bereich in Überkopfhöhe von Betriebspersonal des Brennstoffzellensystems. In der Nähe des Restgasauslasses ist jedoch immer eine brennbare Gasmischung vorhanden, von der Zündquellen sicher ferngehalten werden müssen.
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Aus der
US 3 664873 A ist bereits ein Brennstoffzellensystem mit einem in einem Gehäuse angeordneten Brennstoffzellenmodul bekannt, bei dem sauerstoffhaltiges und wasserstoffhaltiges Restgas des Brennstoffzellenmoduls in die Atmosphäre des Raums zwischen dem Gehäuse und dem Brennstoffzellenmodul abgelassen wird. Zur Vermeidung zündfähiger Gemische in der Atmosphäre wird die Atmosphäre mit Hilfe eines Lüfters durch einen katalytischen Reaktor zirkuliert, in dem der Wasserstoff mit dem Sauerstoff unter Wärmeentwicklung in Wasser oder Wasserdampf umgesetzt wird. Für die Führung des Gasstromes bei der Zirkulation durch den Gehäuseinnenraum zu dem Reaktor sind jedoch aufwendige Maßnahmen notwendig. So ist im bekannten Fall der Innenraum speziell für eine derartige Zirkulation gestaltet. Außerdem ist eine derartige Zirkulation der Atmosphäre durch einen Reaktor zwar in einem nicht begehbaren, abgeschlossenen Einbauraum, wie z. B. einem Gehäuse, möglich, gestaltet sich jedoch als nahezu unmöglich, wenn sich das Brennstoffzellenmodul in einem großräumigen, z. B. durch Bedienpersonal begehbaren, Einbauraum befindet oder ohne Gehäuse im Freien aufgestellt ist.
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Die
DE 2 008 489 A offenbart ein Brennstoffzellensystem, bei dem aus einer Brennstoffzellen-Batterie austretendes Brennstoffabgas und austretende (an O2 abgereicherte) Luft einem Nachverbrennungskatalysator zugeführt wird. Dies kann auf der gleichen oder auf der entgegengesetzten Seite einer porösen Katalysatorwand geschehen, an der das Brennstoffabgas zugeführt wird. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß
1 werden das Brennstoffabgas und die Luft in einem Raum miteinander gemischt und dann einem porösen Katalysatorrohr zugeführt. Die Mischung der beiden Restgase findet somit bereits vor dem porösen Katalysatorrohr
10 und nicht erst in dem porösen Katalysatorrohr statt. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß
2 wird die abgereicherte Luft durch einen Raum an dem porösen Katalysatorrohr vorbeigeleitet, durch welches von der Innenseite des Katalysatorrohres das Brennstoffabgas strömt. Die Mischung der beiden Restgase findet somit an der Oberfläche derjenigen Seite des porösen Katalysatorrohrs statt, an der die abgereicherte Luft vorbeigeleitet wird, und nicht innerhalb des porösen Katalysatorrohres.
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Die
DE 41 93 026 T1 offenbart ein Abführen von Abfallprodukten aus einer Brennstoffzelle. Ein katalytischer Reaktor zur Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff zu Wasser ist dagegen nicht offenbart.
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Die
DE 44 46 841 A1 offenbart ein Brennstoffzellenmodul mit einer katalytischen Verbrennungseinrichtung zur Verbrennung brennbarer Restbestandteile des verbrannten Brenngases. Die Verbrennungseinrichtung ist dabei in den Kathodenkreislauf zwischen den Kathodenausgang und den Kathodeneingang einer Brennstoffzellenanordnung geschaltet und zum Beimischen des verbrannten Brenngases vom Anodenausgang der Brennstoffzelle in den Kathodengasstrom unter Verbrennung der brennbaren Restbestandteile des beigemischten verbrannten Brenngases ausgebildet. Dabei kann vorgesehen sein, dass die katalytische Verbrennungseinrichtung durch eine auf der gasseitigen Oberfläche eines Wärmetauschers aufgebrachte katalytisch wirksame Beschichtung gebildet ist, wobei das zu verbrennende Anodengas (Brenngas) dem Kathodengasstrom vor oder in dem Wärmetauscher beigemischt wird. Eine Mischung der beiden Restgase in einem feinporigen Körper ist nicht offenbart.
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Die
DE 101 05 088 A1 offenbart ein Verfahren zum Wärmemanagement eines mit Brennstoffzellen betriebenen Fahrzeuges. Ein katalytischer Reaktor zur Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff zu Wasser ist in dieser Schrift jedoch nicht offenbart.
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Die
DE 101 42 578 A1 offenbart ein System zum Erzeugen elektrischer Energie mit einer Brennstoffzelle, bei in einer ersten Variante das Anodenabgas und die Kathodenabluft über Rohrleitungen einem Nachbrenner zugeführt werden, in dem eine vollständige Umsetzung der vorhandenen Brenngase mit dem Restsauerstoff der Kathodenabluft erfolgt. In einer zweiten in Absatz [0073] offenbarten Variante wird das Anodenabgas und die Kathodenabluft einem Wärmetauscher mit katalytisch beschichteten Gasführungen zugeführt. Eine Zusammenführung von Anodenabgas und Kathodenabluft in einem feinporigen Körper ist in dieser Entgegenhaltung nicht offenbart.
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Es ist deshalb Aufgabe vorliegender Erfindung, ein Brennstoffzellensystem anzugeben, mit dem die Menge brennbaren Restgases auch bei einem in einem durch Bedienpersonal begehbaren, großräumigen oder nicht von einem Gehäuse umschlossenen Einbauraum angeordneten Brennstoffzellensystems reduziert werden kann, wobei der Wirkungsgrad des Brennstoffzellensystems sogar noch verbessert werden kann.
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Die Lösung dieser Aufgabe gelingt erfindungsgemäß durch ein Brennstoffzellensystem gemäß Patentanspruch 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche 2 bis 6.
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Durch die Leitungsverbindungen für wasserstoffhaltiges und sauerstoffhaltiges Restgas zwischen dem Brennstoffzellenblock und dem Reaktor können die Restgase des Brennstoffzellenblocks direkt, d. h. ohne Einleitung der Restgase in einen Einbauraum des Brennstoffzellenblocks, dem Reaktor zugeführt und dort der in dem wasserstoffhaltigen Restgas enthaltene Restwasserstoff mit dem Sauerstoff des sauerstoffhaltigen Restgases zu Wasser umgesetzt werden. Hierdurch kann die Menge wasserstoffhaltigen und sauerstoffhaltigen Restgases reduziert und somit die Bildung zündfähiger Gasgemische in der Nähe eines Restgasauslasses des Brennstoffzellensystems sicher verhindert werden.
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Unter einem katalytischen Reaktor wird hierbei ein Reaktor verstanden, bei dem die Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff zu Wasser unter Wärmefreisetzung mit Hilfe eines Katalysators, z. B. Platin, erfolgt. Die bei der Reaktion freiwerdende Wärme kann dann zur Wirkungsgradverbesserung des Brennstoffzellensystems genutzt werden kann.
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Der Wirkungsgrad kann insbesondere dadurch verbessert werden, dass ein Wärmeübertrager zur Übertragung von Wärme an ein Kühlmittel des Brennstoffzellensystems, insbesondere ein Kühlmittel des Brennstoffzellenblocks, vorgesehen ist. Bei dem Kühlmittel kann es sich beispielsweise um Luft oder eine Flüssigkeit handeln. Das Kühlmittel kann hierbei offen geführt sein (z. B. in Form einer offenen Luftkühlung mit Hilfe eines Ventilators). Eine besonders gute Wirkungsgradverbesserung ist jedoch dadurch möglich, dass das Kühlmittel in einem Kreislauf geführt ist. Wenn der Kreislauf ein Kühlmittelkreislauf des Brennstoffzellenblocks ist, kann die Wärme des Reaktors beim Kaltstart des Brennstoffzellenblocks zum schnelleren Aufheizen des Kühlmittelkreislaufes verwendet werden und verkürzt die Zeit, in der der Brennstoffzellenblock wegen niedriger Temperatur nicht seine Nennleistung erzeugt. Außerdem kann der Brennstoffzellenblock im niedrigen Lastbereich geheizt werden, wenn die Wärmeverluste größer als die erzeugte Verlustwärme sind. Der Brennstoffzellenblock weist damit einen höheren elektrischen Wirkungsgrad auf als bei niedriger Temperatur.
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Alternativ oder zusätzlich kann das Brennstoffzellensystem auch einen Wärmeübertrager zur Übertragung von Wärme aus dem Reaktor an einen Heizwasserkreislauf aufweisen. Das Wasser des Heizwasserkreislaufes kann beispielsweise durch Heizungen eines Hauses oder eines Fahrzeuges geleitet werden und wärmt somit das Haus bzw. das Fahrzeug.
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Bevorzugt weist das Brennstoffzellensystem eine Steuerungseinrichtung zur Steuerung der Restgasvolumenströme von dem Brennstoffzellenblock zu dem Reaktor auf. Die Volumenströme können dann so aufeinander angepasst werden, dass eine gewünschte optimale Aufheizzeit des Kühlmittelkreislaufes oder des Heizwasserkreislaufes erreicht wird.
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Eine besonders gute Wärmeübertragung von dem Reaktor an ein Kühlmittel oder einen Heizwasserkreislauf kann dadurch erzielt werden, dass der Wärmeübertrager in den Reaktor integriert ist.
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Die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung gemäß Merkmalen der Unteransprüche werden im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen in den Figuren näher erläutert. Es zeigt:
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1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems,
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2 ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems,
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3 ein erstes Beispiel für einen katalytischen Reaktor mit integriertem Wärmetauscher und
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4 ein zweites Beispiel für einen katalytischen Reaktor mit integriertem Wärmetauscher.
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Ein in 1 gezeigtes Brennstoffzellensystem 1 umfasst einen Brennstoffzellenblock 2 mit einer Anzahl Brennstoffzellen, einen katalytischen Reaktor 3 zur Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff zu Wasser, eine Wasserstoffversorgung 4 und eine Luftversorgung 5. Das Brennstoffzellensystem 1 ist ohne ein das System umschließendes Gehäuse beispielsweise in einem größeren Einbauraum an Bord eines Schiffes aufgestellt, wobei der Einbauraum auch durch Schiffspersonal begehbar ist.
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Bei dem Reaktor 3 handelt es sich um einen katalytischen Reaktor, d. h. die Reaktion des Wasserstoffes und Sauerstoffes erfolgt unter Wärmefreisetzung mit Hilfe eines Katalysators, z. B. Platin. In den Reaktor 3 ist ein Wärmetauscher 11 zur Übertragung von Wärme des Reaktors an Leitungen 12, 13 eines Heizwasserkreislaufes 15 integriert.
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Wie aus dem Stand der Technik bekannt, kann der Reaktor 3 ein Rohrbündelwärmetauscher sein, dessen Rohrinnen- oder -außenwände mit dem Katalysator beschichtet sind (siehe 3). Erfindungsgemäß ist der Reaktor jedoch ein feinporigen Körper, dessen Porenoberflächen mit dem Katalysator beschichtet sind (siehe 4).
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Der Brennstoffzellenblock ist eingangsseitig über Leitungen 6, 7 mit der Wasserstoffversorgung 4 bzw. der Luftversorgung 5 verbunden. Ausgangsseitig ist der Brennstoffzellenblock über Leitungen 8, 9 mit dem Reaktor 3 verbunden.
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Beim Betrieb des Brennstoffzellensystems 1 werden dem Brennstoffzellenblock 2 über die Leitung 6 Wasserstoff H2 und über die Leitung 7 Luft L zugeführt.
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In den Brennstoffzellen des Brennstoffzellenblocks 2 wird durch Zusammenführung des Wasserstoffs H2 und des in der Luft enthaltenen Sauerstoffs in einer elektrochemischen Reaktion Strom, Wärme und Wasser erzeugt. Nicht an der elektrochemischen Reaktion teilnehmende Restgase werden über die Leitungen 8, 9 aus dem Brennstoffzellenblock 2 ab- und dem Reaktor 3 zugeleitet. Über die Leitung 8 wird hierbei Restwasserstoff RH2 und über die Leitung 9 sauerstoffhaltige Abluft AL dem Reaktor 3 zugeleitet. In dem Reaktor 3 reagiert der Restwasserstoff RH2 und der in der Abluft AL enthaltene Restsauerstoff zu Wasser, wobei Wärme entsteht. Diese Wärme wird über den Wärmeübertrager 11 in die Leitungen 12, 13 des Heizwasserkreislaufes 15 übertragen, der beispielsweise durch Heizungen eines Schiffes führt und somit das Schiff wärmt. Das den Reaktor 3 durch eine Leitung 10 verlassende Restgas RG enthält somit nahezu keinen Restwasserstoff RH2 mehr, wodurch ein zündbares Gasgemisch im Bereich des Auslasses 14 der Leitung 10 verhindert werden kann.
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Bei dem in 2 gezeigten Brennstoffzellensystem 20 wird die Wärme des Reaktors 3 statt an einen Heizwasserkreislauf an einen Kühlmittelkreislauf 25 eines Kühlsystems 21 des Brennstoffzellenblocks 2 übertragen. Hierbei dient die Wärme beim Kaltstart des Brennstoffzellenblocks 2 zum schnelleren Aufheizen des Kühlmittelkreislaufes 25 und verkürzt die Zeit, in der der Brennstoffzellenblock 2 wegen niedriger Temperatur nicht seine Nennleistung erreicht. Außerdem kann der Brennstoffzellenblock 2 im niedrigen Lastbereich beheizt werden, wenn die Wärmeverluste größer als die erzeugte Verlustwärme sind. Hierdurch kann der elektrische Wirkungsgrad des Brennstoffzellenblocks 2 verbessert werden.
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Das Brennstoffzellensystem 20 weist weiterhin eine Steuerungseinrichtung 22 zur Steuerung der dem Reaktor 3 zugeleiteten Volumenströme an Restwasserstoff RH2 und Abluft AL auf. Der Volumenstrom an Restwasserstoff RH2 wird hierbei durch die Steuerungseinrichtung 22 über ein in die Leitung 8 geschaltetes Ventil 23 und der Volumenstrom an Abluft AL durch Steuerung der dem Brennstoffzellenblock 2 über die Leitung 7 zugeführten Luft L gesteuert.
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Durch die Steuerungseinrichtung 22 werden die Volumenströme an Restwasserstoff RH2 und Abluft AL derart gesteuert, dass eine gewünschte optimale Aufheizzeit des Kühlmittelkreislaufes 25 erreicht wird. Dazu werden dem Brennstoffzellenblock 2 höhere als die zur elektrischen Stromerzeugung erforderlichen Volumenströme an Wasserstoff H2 und Luft L zugeführt. Zur Steuerung diese Prozesses können eine Reihe von Größen alleine oder in Kombination verwendet werden, z. B. Temperatur der Abluft AL, Temperatur des Kühlmittels in der Leitung 13 nach dem Reaktor 3, Temperatur des Brennstoffzellenblocks 2, Strom und/oder Leistung des Brennstoffzellenblocks 2, Wasserstoffkonzentration im Restgas in der Leitung 8 oder die Sauerstoffkonzentration in der Abluft AL.
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Wie vereinfacht in 3 dargestellt, handelt es sich bei dem Reaktor mit integriertem Wärmeübertrager gemäß Stand der Technik um einen Rohrbündelwärmetauscher 30, der eine Anzahl von Rohre 31 aufweist, die von einem Mantel 32 umfasst werden. Das Ausführungsbeispiel zeigt hierbei einen Vierwegrohrbündeltauscher. Die Rohre 31 sind beispielsweise aus Blech oder aus einer Keramik. Die Rohrinnenwände 33 der Rohre 31 sind mit einem Katalysator wie z. B. Platin beschichtet. Der Restwasserstoff und die Abluft werden durch die Rohre 31 geführt und reagieren aufgrund des Katalysators unter Wärmeabgabe zu Wasser. Die Wärme wird über die Wände der Rohre 31 an Wasser eines Heizwasserkreislaufes oder Kühlkreislaufes übertragen, das im Mantelraum 34 des Rohrbündelwärmetauschers 30 strömt.
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Erfindungsgemäß wird als Reaktor mit integriertem Wärmeübertrager – wie vereinfacht in 4 dargestellt – ein feinporiger Körper 40, z. B. ein Sinterkörper, verwendet, dessen Porenoberflächen mit einem Katalysator wie z. B. Platin beschichtet sind. Der feinporige Körper kann beispielsweise aus Edelstahl oder Keramik bestehen. Die Zuführung des Restwasserstoffes RH2 und der Abluft AL zu dem feinporigen Körper 40 erfolgt dann bevorzugt jeweils über eine gleiche Seitenfläche 41 des Körpers, z. B. mit Hilfe nicht näher dargestellter, kammartig angeordneter Gaszufuhrdüsen. Der Restwasserstoff RH2 und die Abluft AL breiten sich innerhalb des Körpers 40 kegelförmig aus. In den schraffiert gezeichneten Bereichen 42 kommt es zu einer Mischung des Restwasserstoffes RH2 mit dem Restsauerstoff der Abluft AL und somit zu deren Umsetzung zu Wasser unter Wärmeentwicklung. Diese Wärme wird an Wasser übertragen, das in Leitungen 43 geführt wird, die durch den Körper 40 verlaufen. Der feinporige Körper ermöglicht einen Durchsatz großer Restgasvolumenströme, wobei aber die Zusammenführung der wasserstoffhaltigen und sauerstoffhaltigen Restgase in jeweils derart kleinen Mengen erfolgt, dass eine Explosionsgefahr vermieden wird.
