DE102006032470B4

DE102006032470B4 - Brennstoffzellensystem mit Reformer und Nachbrenner sowie dessen Verwendung in einem Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102006032470B4
Application number: DE102006032470A
Authority: DE
Inventors: Jeremy Lawrence; Stefan Käding
Original assignee: Enerday GmbH
Current assignee: Enerday GmbH
Priority date: 2006-07-13
Filing date: 2006-07-13
Publication date: 2008-07-10
Anticipated expiration: 2026-07-14
Also published as: US20110311892A1; AU2007272141A1; EA200970038A1; BRPI0714203A2; WO2008006333A1; CN101490888A; CA2657505A1; DE102006032470A1; EA013775B1; EP2041823A1; KR20090031406A; JP2009543304A

Abstract

Brennstoffzellensystem (10) umfassend:
– einen Reformer (12) mit einer Brennereinheit (48) zur Umsetzung von Brennstoff mit Oxidationsmittel in einer exothermen Oxidationsreaktion, um ein Produktgas auszubilden, welches stromabwärts der Brennereinheit (48) mit zusätzlichem Brennstoff vermischbar ist, wobei das daraus entstehende Gasgemisch im Reformer (12) zu Reformat umsetzbar ist;
– einen Brennstoffzellenstapel (26), welchem das Reformat zuführbar ist; und
– einen Nachbrenner (36), dem im Brennstoffzellenstapel (26) umgesetzte Stoffe zuführbar sind, mit einer Brennereinheit (54) zur Umsetzung von Brennstoff mit Oxidationsmittel in einer exothermen Oxidationsreaktion,
dadurch gekennzeichnet, dass die Brennereinheit (48) des Reformers (12) baugleich zur Brennereinheit (54) des Nachbrenners (36) ausgeführt ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem umfassend einen Reformer mit einer Brennereinheit zur Umsetzung von Brennstoff mit Oxidationsmittel in einer exothermen Oxidationsreaktion, um ein Produktgas auszubilden, welches stromabwärts der Brennereinheit mit zusätzlichem Brennstoff vermischbar ist, wobei das daraus entstehende Gasgemisch im Reformer zu Reformat umsetzbar ist; einen Brennstoffzellenstapel, welchem das Reformat zuführbar ist; und einen Nachbrenner, dem im Brennstoffzellenstapel umgesetzte Stoffe zuführbar sind, mit einer Brennereinheit zur Umsetzung von Brennstoff mit Oxidationsmittel in einer exothermen Oxidationsreaktion.
Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug mit solch einem Brennstoffzellensystem.
Brennstoffzellensysteme dienen der Umwandlung von chemischer Energie in elektrische Energie. Das zentrale Element bei derartigen Systemen ist eine Brennstoffzelle, bei der durch die kontrollierte Umsetzung von Wasserstoff und Sauerstoff elektrische Energie freigesetzt wird. Brennstoffzellensysteme müssen in der Lage sein, in der Praxis übliche Brennstoffe zu verarbeiten. Da in einer Brennstoffzelle Wasserstoff und Sauerstoff umgesetzt werden, muss der verwendete Brennstoff so aufbereitet werden, dass das der Anode der Brennstoffzelle zugeführte Gas einen möglichst hohen Anteil an Wasserstoff besitzt – dies ist Aufgabe des Reformers. Zu diesem Zweck werden einem Reformer Brennstoff und Oxidationsmittel, vorzugsweise Luft, zugeführt. In dem Reformer erfolgt dann eine Umsetzung des Brennstoffs mit dem Oxidationsmittel, beispielsweise indem das Verfahren der partiellen Oxidation durchgeführt wird. Ein Reformer des Standes der Technik ist aus der DE 103 59 205 A1 bekannt. Um einerseits Verbrennungsabgase des Brennstoffzellensystems möglichst schadstofffrei an die Umwelt abzugeben und andererseits eine Wärmequelle zum Vorwärmen verschiedener Komponenten und Medienzuführungen des Brennstoffzellensystems zur Verfügung zu stellen, ist ein Nachbrenner im Brennstoffzellensystem vorgesehen. Im Unterschied zum Reformer führt der Nachbrenner eine möglichst vollständige Verbrennung durch, um dadurch möglichst wenig Schadstoffe im Verbrennungsabgas zurückzulassen. Ein Nachbrenner des Standes der Technik ist aus der DE 10 2004 049 903 A1 bekannt.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, gattungsgemäße Brennstoffzellensysteme und Kraftfahrzeuge derart weiterzubilden, dass Kosteneinsparungen erzielbar sind.
Diese Aufgabe wird durch das Brennstoffzellensystem gemäß Anspruch 1 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem baut auf dem gattungsgemäßen Stand der Technik dadurch auf, dass die Brennereinheit des Reformers baugleich zur Brennereinheit des Nachbrenners ausgeführt ist. Im Vergleich zum Stand der Technik, wonach die in dem Reformer und Nachbrenner jeweils verbauten Brennereinheiten bisher je nach Platzangebot und Anforderung an die Verdampfungsqualität ausgewählt wurden, ergeben sich Kosteneinsparungen in zweifacher Hinsicht. Zum einen ist es kostengünstiger, eine Brennereinheit nur in einer Bauart herzustellen und zum anderen können weitere Kosteneinsparungen durch einen Stückzahleffekt realisiert werden, weil dadurch doppelt so viele Brennereinheiten der verbliebenen Bauart benötigt werden und sich der Stückpreis mit zunehmender Stückzahl verringert. Es wurde somit erkannt, dass die Auslegung des Brennstoffzellensystems derart, dass es mit baugleichen Brennereinheiten bestückt werden kann, rationeller ist, als eine anderweitig orientierte Auslegung, die eine individuelle Auswahl und Anpassung der Brennereinheiten erforderlich macht. Die Bestückung mit baugleichen Brennereinheiten kann sogar angesichts der Tat sache vorteilhaft sein, dass im Bereich der beiden Brennereinheiten durchaus unterschiedliche physikalische und chemische Umgebungsbegingungen vorliegen und durchaus unterschiedliche Oxidationsbedingungen zu wählen sind. Eine an sich vorteilhafte individuelle Auslegung der einzelnen Brennereinheiten ist bei angepasster Auslegung des Brennstoffzellensystems unter Umständen von geringerem Nutzen, als der Nutzen, der durch den erwähnten Stückzahleffekt erzielt wird. Weitere Vorteile sind in der vereinheitlichten Lagerhaltung zu erkennen, sowohl im Produktionsbetrieb als auch in der Werkstatt.
Dabei ist vorteilhafterweise vorgesehen, dass die Brennereinheit des Reformers und die Brennereinheit des Nachbrenners jeweils eine Brennstoffeinspritzdüse aufweisen.
Alternativ können die vorstehend genannten Vorteile in dem Zusammenhang erreicht werden, dass die Brennereinheit des Reformers und die Brennereinheit des Nachbrenners jeweils eine Brennstoffzuführeinrichtung der Verdampfungsbauart aufweisen.
Ferner betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug mit solch einem Brennstoffzellensystem, mit dem die vostehend beschriebenen Vorteile in übertragener Weise erreicht werden können.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend mit Bezug auf die begleitende Zeichnung beispielhaft erläutert.
Es zeigt:
1 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel.
1 zeigt eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel. Das in einem Kraftfahrzeug installierte Brennstoffzellensystem 10 umfasst einen Reformer 12, dem über einen ersten Brennstoffstrang 14 aus einem Brennstofftank 16 Brennstoff zugeführt wird. Ferner wird dem Reformer 12 an einer weiteren Zuführstelle mittels eines zweiten Brennstoffstrangs 18 aus dem Brennstofftank 16 Brennstoff zugeführt. Als Brennstoffsorten kommen Diesel, Benzin, Biogas, Erdgas und weitere aus dem Stand der Technik bekannte Brennstoffsorten in Frage. Weiterhin wird dem Reformer 12 über einen ersten Oxidationsmittelstrang 22 Oxidationsmittel, beispielsweise Luft, zugeführt.
Der Reformer 12 umfasst eine Brennereinheit 48, welche eine primäre Brennstoffzuführeinrichtung aufweist, mittels der der Brennereinheit 48 Brennstoff zuführbar ist. Die primäre Brennstoffzuführeinrichtung ist mit dem ersten Brennstoffstrang 14 verbunden. Ferner umfasst die Brennereinheit 48 eine mit dem ersten Oxidationsmittelstrang 22 verbundene Oxidationsmittelzuführeinrichtung, mittels der der Brennereinheit 48 Oxidationsmittel zuführbar ist. Innerhalb der Brennereinheit 48 findet eine Umsetzung von Brennstoff und Oxidationsmittel in einer Verbrennung bzw. exothermen voll ständigen Oxidationsreaktion statt. Der dabei entstehende heiße Produktgasstrom tritt dann stromabwärts, d. h. rechts in 1 in eine Mischzone 50 ein. In der Mischzone 50 wird dem entstandenen Produktgas mittels einer sekundären Brennstoffzuführeinrichtung 20 zusätzlicher Brennstoff beigemischt. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die primäre und sekundäre Brennstoffzuführeinrichtung jeweils eine Einspritzdüse und vorzugsweise eine Venturidüse, jedoch kann der Brennstoff auch mittels einer Brennstoffzuführeinrichtung der Verdampfungsbauart, die eine poröse Verdampfungseinheit aufweist, der Brennereinheit 48 bzw. der Mischzone 50 zugeführt werden. Die sekundäre Brennstoffzuführeinrichtung 20 ist mit dem zweiten Brennstoffstrang 18 verbunden. Zusätzlich kann vorgesehen sein, dass der Mischzone 50 Oxidationsmittel zugeführt wird. Das mit dem zusätzlichen Brennstoff vermischte Gasgemisch tritt in eine Reformierungszone 52 ein, wo es in einer endothermen Reaktion mit in ein wasserstoffreiches Gasgemisch umgesetzt wird, vorzugsweise mittels eines dort angeordneten Katalysators. Dieses Reformat, d. h. wasserstoffreiche Gasgemisch, verläßt den Reformer 12 über den Reformatstrang 24 und steht zur weiteren Nutzung für den Brennstoffzellenstapel 26 zur Verfügung.
Das Reformat wird in dem Brennstoffzellenstapel 26 mit Hilfe von über einen Kathodenzuluftstrang 28 geförderter Kathodenzuluft unter Erzeugung von Strom und Wärme umgesetzt. Der erzeugte Strom ist über elektrische Anschlüsse 30 abgreifbar. Im dargestellten Fall wird das Anodenabgas über einen Anodenabgasstrang 32 einer Mischeinheit 34 eines Nachbrenners 36 zugeführt. Dem Nachbrenner 36 ist über ei nen dritten Brennstoffstrang 38 Brennstoff aus dem Brennstofftank 16 zuführbar. Ferner ist dem Nachbrenner 36 über einen zweiten Oxidationsmittelstrang 40 Oxidationsmittel zuführbar.
Der Nachbrenner 36 umfasst eine Brennereinheit 54, welche eine Brennstoffzuführeinrichtung aufweist, über die der Brennereinheit 54 Brennstoff zuführbar ist. Die Brennstoffzuführeinrichtung ist mit dem dritten Brennstoffstrang 38 verbunden. Ferner umfasst die Brennereinheit 54 eine mit dem zweiten Oxidationsmittelstrang 40 verbundene Oxidationsmittelzuführeinrichtung, mittels der der Brennereinheit 54 Oxidationsmittel zuführbar ist. Innerhalb der Brennereinheit 54 findet eine Umsetzung von Brennstoff und Oxidationsmittel in einer exothermen Oxidationsreaktion, d. h. einer möglichst vollständigen Verbrennung, statt. Die dabei entstehenden Verbrennungsabgase treten dann stromabwärts, d. h. rechts in 1 in eine Mischzone 56 ein. In der Mischzone 56 wird den entstandenen Abgasen mittels einer Mischeinheit 34 Anodenabgas beigemischt. Das mit dem Anodenabgas vermischte Gasgemisch tritt in eine Verbrennungszone 58 ein, die in dem gezeigten Ausführungsbeispiel von einem Porenkörper ausgefüllt wird, in dem das Gasgemisch nahezu vollständig verbrennt, d. h. das Gasgemisch verglüht an dem Porenkörper in der Verbrennungszone 58.
Das Verbrennungsabgas aus dem Nachbrenner 36, welches in einer Mischeinheit 42 mit Kathodenabluft vermischt wird, die über einen Kathodenabluftstrang 44 von dem Brennstoffzellenstapel 26 zu der Mischeinheit 42 gefördert wird, durchströmt einen Wärmetauscher 46 zum Vorwärmen der Katho denzuluft und verläßt schließlich das Brennstoffzellensystem 10.
Die einzelnen Zonen des Reformers 12, d. h. die die Brennereinheit 48 aufnehmende Zone, die Mischzone 50 und die Reformierungszone 52, sowie die einzelnen Zonen des Nachbrenners 36, d. h. die die Brennereinheit 54 aufnehmende Zone, die Mischzone 56 und die Verbrennungszone 58, sind in 1 durch gestrichelte Linien bzw. durch Volllinien voneinander getrennt. Die Zonen können durch bauliche Merkmale voneinander getrennt sein oder fließend ineinander übergehen.
Obwohl in den beschriebenen Figuren dies nicht explizit dargestellt ist, können in den Brennstoffsträngen 14, 18 und 38, in den Oxidationsmittelsträngen 22 und 40 sowie im Kathodenzuluftstrang 28 entsprechende Fördereinrichtungen wie beispielsweise Pumpen bzw. Gebläse und/oder Steuerventile zur Durchflussregelung vorgesehen sein.
Die in der vorstehenden Beschreibung, in der Zeichnung sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung wesentlich sein.

10: Brennstoffzellensystem
12: Reformer
14: erster Brennstoffstrang
16: Brennstofftank
18: zweiter Brennstoffstrang
20: sekundäre Brennstoffzuführeinrichtung
22: erster Oxidationsmittelstrang
24: Reformatstrang
26: Brennstoffzellenstapel
28: Kathodenzuluftstrang
30: elektrische Anschlüsse
32: Anodenabgasstrang
34: Mischeinheit
36: Nachbrenner
38: dritter Brennstoffstrang
40: zweiter Oxidationsmittelstrang
42: Mischeinheit
44: Kathodenabluftstrang
46: Wärmetauscher
48: Brennereinheit
50: Mischzone
52: Reformierungszone
54: Brennereinheit
56: Mischzone
58: Verbrennungszone

Claims

Brennstoffzellensystem (10) umfassend: – einen Reformer (12) mit einer Brennereinheit (48) zur Umsetzung von Brennstoff mit Oxidationsmittel in einer exothermen Oxidationsreaktion, um ein Produktgas auszubilden, welches stromabwärts der Brennereinheit (48) mit zusätzlichem Brennstoff vermischbar ist, wobei das daraus entstehende Gasgemisch im Reformer (12) zu Reformat umsetzbar ist; – einen Brennstoffzellenstapel (26), welchem das Reformat zuführbar ist; und – einen Nachbrenner (36), dem im Brennstoffzellenstapel (26) umgesetzte Stoffe zuführbar sind, mit einer Brennereinheit (54) zur Umsetzung von Brennstoff mit Oxidationsmittel in einer exothermen Oxidationsreaktion, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennereinheit (48) des Reformers (12) baugleich zur Brennereinheit (54) des Nachbrenners (36) ausgeführt ist.
Brennstoffzellensystem (10) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennereinheit (48) des Reformers (12) und die Brennereinheit (54) des Nachbrenners (36) jeweils eine Brennstoffeinspritzdüse aufweisen.
Brennstoffzellensystem (10) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennereinheit (48) des Reformers (12) und die Brennereinheit (54) des Nachbrenners (36) jeweils eine Brennstoffzuführeinrichtung der Verdampfungsbauart aufweisen.
Verwendung eines 1 Brennstoffzellensystems (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, in einem Kraftzeug.