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Gebiet der Erfindung
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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Brennstoffzellensystem, umfassend
- – eine Niedertemperatur-PEM-Brennstoffzelle,
in der ein an einem Brenngaseingang eingeleitetes, wasserstoffhaltiges
Brenngas mit einem an einem Oxidanzgaseingang eingeleiteten, sauerstoffhaltigen
Oxidanzgas bei Temperaturen unterhalb 100°C katalytisch
umsetzbar ist, wobei eine elektrische Leistung auskoppelbar ist,
- – eine dem Brenngaseingang vorgeschaltete Reinigungsvorrichtung,
die ein wasserstoffhaltiges und mit Kohlenmonoxid verunreinigtes
Gas zu dem Brenngas aufreinigt, und
- – eine Leistungselektronik, die die Einleitung von Brenngas
in Abhängigkeit von einer Verbraucheranforderung nach elektrischer
Leistung regelt.
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Stand der Technik
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Derartige
Niedertemperatur-PEM-Brennstoffzellensysteme sind allgemein bekannt.
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Unter
einer Brennstoffzelle versteht man eine Vorrichtung zur Erzeugung
elektrischer Energie aus der Umsetzung von Wasserstoff und Sauerstoff zu
Wasser. Diese Reaktion erfolgt katalytisch an einer Membran-Elektroden-Anordnung,
kurz MEA, aus einer polymeren ionenleitfähigen, und gasdichten Elektrolytmembran,
kurz PEM, und zwei Gasdiffusionselektroden, die an den beiden Seiten
der Membran flächig anliegen. Die Gasdiffusionselektroden umfassen üblicherweise
in Kontakt zur Elektrolytmembran eine Elektrodenschicht aus einem
Elektrokatalysator, welcher auf einem porösen Trägermaterial, üblicherweise
Ruß, fein dispergiert ist und eine Gasdiffusionslage aus
einem Fasermaterial, üblicherweise einem Graphitvlies,
welches die MEA nach außen abschließt. Begast
man nun die eine Elektrode, nämlich die als Anode wirksame
Elektrode mit einem wasserstoffhaltigen Brenngas und die andere
Elektrode, nämlich die als Kathode wirksame Elektrode mit
einem sauerstoffhaltigen Gas und verbindet die beiden Elektroden,
vorzugsweise über eine Leistungselektronik, wird der Wasserstoff
unter Bildung von Protonen und Elektronen oxidiert. Die Protonen
durchwandern die Membran, während die Elektronen über
den elektrischen Stromkreis zur Kathode fließen. An der
Kathode werden die Protonen mit den Elektronen und dem Sauerstoff
zu Wasser umgesetzt. Der in dem Stromkreis entstehende elektrische
Strom kann zur Speisung angeschlossener Verbraucher benutzt werden.
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Typischerweise
werden Brennstoffzellen nicht als Einzelzellen gefertigt, sondern
in Form von Zellenstapeln oder Stacks, in denen eine Vielzahl von MEAs
gestapelt und jeweils paarweise durch Bipolarplatten getrennt angeordnet
sind. Die Bipolarplatten stellen die elektrisch leitende Verbindung
zwischen den MEAs dar und weisen typischerweise in ihren den MEAs
zugewandten Plattenflächen offene Kanalsysteme auf, die
der Zuleitung von Brenngas bzw. Oxidanzgas bzw. der Ableitung von
Produktwasser dienen. Im Rahmen der vorliegenden Anmeldung werden
sowohl Einzelzellen als auch Stacks mit dem Oberbegriff ”Brennstoffzelle” bezeichnet.
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Man
unterscheidet so genannte Hochtemperatur-PEM-Brennstoffzellen, die
typischerweise bei Temperaturen oberhalb von 150°C arbeiten
von so genannten Niedertemperatur-PEM-Brennstoffzellen, die üblicherweise
bei Temperaturen unterhalb von 100°C arbeiten. Letztere
haben bekanntermaßen, bezogen auf den aktuellen Entwicklungsstand,
bei gleicher elektrischer Leistung einen deutlich höheren Wirkungsgrad.
So liefert beispielsweise eine typische Hochtemperatur-PEM-Brennstoffzelle,
die bei einer üblichen Stromdichte von etwa 0,5 Ampere
pro Quadratzentimeter Zellenfläche betrieben wird, eine
mittlere Zellspannung von etwa 0,5 Volt. Eine typische Niedertemperatur-PEM-Brennstoffzelle
liefert bei Betrieb bei der gleichen Stromdichte hingegen eine mittlere
Zellspannung von ca. 0,7 Volt. Die der Zelle entnehmbare elektrische
Leistung ist daher bei Niedertemperatur-PEM-Brennstoffzellen deutlich
höher als bei Hochtemperatur-PEM-Brennstoffzellen. Bezüglich
der elektrischen Effizienz gilt: Je höher die Zellspannung
bei gleichem Strom ist, desto höher ist der elektrische
Wirkungsgrad.
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Nachteilig
bei Niedertemperatur-PEM-Brennstoffzellen ist jedoch ihre hohe Empfindlichkeit
gegenüber Verunreinigungen des Brenngases, insbesondere
mit Kohlenmonoxid, CO. CO bindet an den Katalysator und wirkt so
als Katalysatorgift, welches nicht oder nur mit aufwendigen Reinigungsprozessen
entfernt werden kann. Niedertemperatur-PEM-Brennstoffzellen müssen
daher stets mit hochreinem Wasserstoff als Brenngas betrieben werden.
Eine übliche Quelle für Wasserstoff sind jedoch
sogenannte Reformer, die aus kohlenwasserstoffhaltigen Ausgangssubstanzen,
wie beispielsweise Alkohle, Methan, Ethan, Propan, Mineralöl
etc. unter Einsatz thermischer Energie Wasserstoff erzeugen. Das
entstehende Reformergas oder Reformatgas weist in der Regel CO-Anteile
auf, die deutlich über dem von Niedertemperatur-PEM-Brennstoffzellen
tolerierten Maß liegen. Entsprechend ist eine energieintensive
und z. T. nur bedingt realisierbare Feinreinigung des Reformatgases,
das hier zusammen mit anderen denkbaren, wasserstoff- und CO-haltigen
Gasen als Rohgas bezeichnet wird, erforderlich.
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Die
WO 2007/012388 A1 offenbart
eine katalytisch wirksame Reinigungsvorrichtung für Reformatgas,
deren Hauptbestandteil eine temperaturbeständige nicht-poröse
Polymermembran mit einer Deckschicht aus einem Edelmetall oder einer
Edelmetalllegierung ist. Das CO wird an der Edelmetallschicht abgeschieden,
die zur Verbesserung der Stabilität auf der Polymermembran
geträgert ist. Nachteilig bei dieser Vorrichtung ist die
Abhängigkeit des verbleibenden CO-Anteils im Brenngas von
dem Brenngas-Volumenstrom. Insbesondere bei Lastwechseln der Brennstoffzelle,
die schnelle Änderungen im Volumenstrom nach sich ziehen,
kann es zu CO-Spitzen im Brenngas kommen, die den Katalysator der
Brennstoffzelle nachhaltig vergiften können.
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Die
WO 97/40542 A1 offenbart
eine Brennstoffzelle mit integrierter Vorreinigung. Hierzu ist die Anode
als Doppelschichtanode ausgebildet, die eine CO-oxidationsselektive
Katalysatorschicht auf der der PEM abgewandten Seite sowie eine
elektrochemisch aktive Schicht zur Oxidation des Wasserstoff zu
Protonen auf der der PEM zugewandten Seite umfasst. Zur Oxidation
des CO muss anodenseitig Sauerstoff zugeführt werden. Dabei
ist die korrekte Dosierung des Sauerstoffs von wesentlicher Bedeutung.
Unterversorgung mit Sauerstoff hat einen zu hohen Restgehalt an
CO zur Folge, der den Katalysator der Brennstoffzelle vergiften
kann. Eine Überversorgung mit Sauerstoff führt
hingegen aufgrund der Oxidationsprozesse zu einer erheblichen Alterung
der MEA. Um auch bei Lastwechseln stets die richtige Sauerstoffdosierung
zu gewährleisten, muss eine derartige Brennstoffzelle mit
sehr empfindlichen Sauerstoffsensoren und einer sehr schnell arbeitenden
Regelung für die Sauerstoffzufuhr ausgestattet werden.
Dies ist technisch aufwendig, was sich in erheblichen Mehrkosten
niederschlägt.
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In Perry
K. A.: "Electrochemical hydrogen pumping using a high-temperature
polybenzimidazole (PBI) membrane", Journal of power sources
177 (2008), S. 478–484, ist eine sogenannte Protonenpumpe
zur Gewinnung von hochreinem Wasserstoff offenbart. Eine Protonenpumpe
ist im Wesentlichen eine elektrolytisch, d. h. nicht galvanisch
betriebene Brennstoffzelle. In einer Protonenpumpe wird zwischen
den Elektroden der MEAs eine Spannung angelegt. An der Anode zugeführter
Wasserstoff wird in Protonen und Elektronen aufgespalten. Die Protonen durchwandern
die Membran und werden auf der Kathodenseite mit von der Spannungsquelle
gelieferten Elektronen wieder zu molekularem Wasserstoff reduziert.
Protonenpumpen arbeiten bei hohen Temperaturen, sodass im Rohgas
enthaltendes Kohlenmonoxid zu Kohlendioxid oxidiert wird und so
nicht als Katalysatorgift wirken kann. Protonenpumpen werden zur
Gewinnung von reinem Wasserstoff in großen Maßstäben
eingesetzt.
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Aufgabenstellung
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Es
ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, gattungsgemäße
Brennstoffzellensysteme effizienter und kostengünstiger
zu gestalten.
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Darlegung der Erfindung
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Diese
Aufgabe wird in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs von
Anspruch 1 dadurch gelöst, dass die Reinigungsvorrichtung
eine Hochtemperatur-Protonenpumpe ist, in der unter Verbrauch elektrischer
Leistung aus einem wasserstoffhaltigen Rohgas bei Temperaturen über
150°C aufgereinigter Wasserstoff gewinnbar ist und an einem
Wasserstoffausgang der Protonenpumpe, der an den Brenngaseingang
der Brennstoffzelle angeschlossen ist, bereitgestellt wird, wobei
die Leistungselektronik eine die Wasserstoffgewinnung in der Protonenpumpe
steuernde elektrische Stromzufuhr zu der Protonenpumpe in Abhängigkeit
von dem Brenngasbedarf der Brennstoffzelle regelt.
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Bevorzugte
Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen
Ansprüche.
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Grundgedanke
der vorliegenden Erfindung ist es, die zum Betrieb einer Niedertemperatur-PEM-Brennstoffzelle
erforderliche Aufreinigung des Rohgases zur Gewinnung von im Wesentlichen reinem
Wasserstoff mittels einer als Protonenpumpe betriebenen, zweiten
Brennstoffzelle durchzuführen. Dies allein ist jedoch zur
Erzielung der erwünschten Vorteile nicht hinreichend. Insbesondere
würde ein statischer Betrieb der Protonenpumpe als kontinuierliche
Wasserstoffquelle zu einer nicht bedarfsgerechten Versorgung der
Brennstoffzelle mit Brenngas führen. Erfindungsgemäß ist
daher eine Regelung der Protonenpumpe in Abhängigkeit vom
Bedarf der Brennstoffzelle und somit vom Bedarf des Verbrauchers
an elektrischer Leistung vorgesehen. So entfällt unter
anderem die Notwendigkeit eines großen Speichertanks für
aufgereinigten Wasserstoff, was insbesondere bei mobilen Anwendungen
zu einer erhöhten Sicherheit des Systems führt.
Dies schließt jedoch nicht aus, dass, wie bei einer bevorzugten
Ausführungsform vorgesehen, ein vergleichsweiser kleiner
Puffertank für aufgereinigten Wasserstoff zwischen dem
Wasserstoffausgang der Protonenpumpe und dem Brenngaseingang der
Brennstoffzelle angeordnet sein kann. Es hat sich herausgestellt,
dass bei geeigneter relativer Dimensionierung der Protonenpumpe
und der Brennstoffzelle das erfindungsgemäße kombinierte
System trotz des Energiebedarfs der Protonenpumpe einen deutlich
höheren Wirkungsgrad aufweist als eine bekannte Hochtemperatur-PEM-Brennstoffzelle
vergleichbarer Dimension.
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Das
erfindungsgemäße System hat somit gegenüber
bekannten Hochtemperatursystemen den Vorteil eines höheren
Wirkungsgrades und gegenüber bekannten Niedertemperatursystemen
den Vorteil der einfacheren Konstruktion und höheren Flexibilität.
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Bevorzugt
ist an die Leistungselektronik ein elektrischer Energiespeicher
angeschlossen, aus dem die Leistungselektronik vor dem Start der
Brennstoffzelle den elektrischen Energiebedarf der Protonenpumpe
deckt. Während des Betriebs der Brennstoffzelle kann die
Protonenpumpe mit elektrischer Energie gespeist werden, die aus
der Brennstoffzelle stammt und über den aktuellen Bedarf
eines angeschlossenen Verbrauchers hinaus produziert wird. Dies
ist jedoch vor dem Start der Brennstoffzelle nicht möglich.
Gleichwohl benötigt die Brennstoffzelle für ihren
Start aufgereinigten Wasserstoff. Will man die Notwendigkeit eines
eigenen Wasserstofftanks für die Startphase der Brennstoffzelle
vermeiden, kann bereits der zum Start erforderliche Wasserstoff
aus der Protonenpumpe bezogen werden, wenn diese aus einer von der
Brennstoffzelle im Wesentlichen unabhängigen elektrischen
Energiequelle gespeist wird. Eine solche Energiequelle stellt der
bevorzugt vorgesehene Energiespeicher dar.
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Bei
einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Leistungselektronik
den Energiespeicher nach dem Start der Brennstoffzelle mit von der
Brennstoffzelle erzeugter elektrischer Leistung auflädt,
d. h. die beim Start verbrauchte Energie aus dem Energiespeicher
wird bei Betrieb der Brennstoffzelle wieder aufgefüllt.
Hierzu wird der Energiespeicher, der z. B. als Akkumulator ausgebildet
sein kann, von der Leistungselektronik als zusätzlicher
Verbraucher behandelt, sodass die Brennstoffzelle zur Lieferung
einer entsprechenden Überschussenergie angesteuert wird.
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Brennstoffzelle
und Protonenpumpe können von ihrem Grundaufbau sehr ähnlich
gestaltet sein. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Brennstoffzelle
bzw. die Protonenpumpe jeweils einen Stapel von Einzelzellen umfassen,
die jeweils eine aus einer katalysatorbeschichteten PEM und beidseitig
auf die PEM aufgebrachten Gasdiffusionselektroden aufgebaute MEA
aufweisen, wobei die einzelnen MEAs des Stapels durch Bipolarplatten paarweise
voneinander getrennt sind und die Bipolarplatten beidseitig Kanalsysteme
aufweisen. Im Fall der Brennstoffzelle dienen die Kanalsysteme zur
anodenseitigen Zufuhr von Brenngas und zur kathodenseitigen Zufuhr
von Oxidanzgas. Im Fall der Protonenpumpe dienen die Kanalsysteme
zur anodenseitigen Zufuhr von Rohgas und zur kathodenseitigen Abfuhr
von gereinigtem Wasserstoff.
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Wie
erwähnt richtet sich die Stromzufuhr zur Protonenpumpe
und damit deren Wasserstoffproduktion (der erzeugte Wasserstoffstrom
ist im Wesentlichen proportional zur Stromzufuhr) nach dem Brenngasbedarf
der Brennstoffzelle bzw. dem Strombedarf der Verbraucher. Bevorzugt
erfolgt diese bedarfsgerechte Regelung so, dass der aufgereinigte
Wasserstoff mit einem vorgegebenen Überdruck an dem Brenngaseingang
der Brennstoffzelle anliegt. Hierdurch entfällt jegliche
Notwendigkeit einer Gaspumpe. Auch ist das System gegen versehentliches
Ansaugen von Abgasen geschützt. Zudem wird hierdurch die
Toleranz des Systems erhöht. Bei plötzlichen Lastwechseln
kann es nämlich vorkommen, dass die Leistungselektronik
nicht vollkommen simultan folgen kann. Steht das Brenngas jedoch
mit Überdruck am Brenngaseingang an, führt eine
kurze Verzögerung der Stromnachführung nur zu
einer leichten Fluktuation des Überdrucks um seinen Sollwert, die
sich nicht in einer wesentlichen Fluktuation des Brenngasstroms
oder gar der in der Brennstoffzelle erzeugten elektrischen Leistung
niederschlägt. Zu einer weiteren Erhöhung der
Toleranz kann der zuvor bereits erwähnte Zwischenspeicher
für aufgereinigten Wasserstoff sorgen.
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Bei
einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Systems
ist vorgesehen, dass die Protonenpumpe einen Rohgaseingang aufweist,
der an einen Ausgang eines Reformers angeschlossen ist, der unter
Einsatz thermischer Energie aus einer kohlenwasserstoffhaltigen
Ausgangssubstanz das wasserstoffhaltige Rohgas erzeugt. Ein solches
System ist insbesondere für mobile Anlagen und dynamische Lastprofile
besonders geeignet, da der Ausgangs-Energieträger, beispielsweise
Mineralöl, in einer sehr sicheren und energiedichten, d.
h. volumengünstigen Form mitgeführt werden kann.
Die Erzeugung des Brenngases erfolgt dann stufenweise, wobei in
dem Reformer mit bekannten Techniken ein wasserstoffhaltiges Brenngas
erzeugt wird, das jedoch üblicherweise noch eine hohe CO-Kontamination
aufweist. Die Reinigung des Rohgases erfolgt dann in der Protonenpumpe,
die den im Wesentlichen reinen Wasserstoff für die im Hinblick
auf den Wirkungsgrad sehr günstige Niedertemperatur-PEM-Brennstoffzelle
liefert.
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Weitere
Merkmale und Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden, speziellen
Beschreibung und den Zeichnungen.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Es
zeigen:
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1:
ein schematisches Blockdiagramm eines erfindungsgemäßen
Brennstoffzellensystems
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2:
eine Schar von Strom/Spannungs-Kurven einer Protonenpumpe bei unterschiedlichen
Rohgas-Zusammensetzungen
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3:
Strom/Spannungs-Kurven einer typischen Hochtemperatur- und einer
typischen Niedertemperatur-PEM-Brennstoffzelle
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Ausführliche Beschreibung
bevorzugter Ausführungsformen
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1 zeigt
ein schematisches Blockdiagramm eines erfindungsgemäßen
Brennstoffzellensystems 10. Kern des Systems sind eine
Protonenpumpe 20, eine Brennstoffzelle 30 und
eine Leistungselektronik 40. Die Protonenpumpe 20 ist
der Anschaulichkeit halber nur durch eine Anode 22 und eine
Kathode 24 dargestellt. Eine realistische Ausbildung der
Protonenpumpe 20 als Hochtemperatur-PEM-Stapel soll weiter
unten detailliert beschrieben werden.
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Gleichermaßen
ist die Brennstoffzelle 30 ebenfalls nur durch eine Anode 32 und
eine Kathode 34 dargestellt. Eine realistische Ausführungsform
der Brennstoffzelle 30 als Niedertemperatur-PEM-Stapel soll
weiter unten detailliert beschrieben werden. Der Anode 22 der
Protonenpumpe 20 ist ein Reformer 50 vorgeschaltet,
dem aus einem geeigneten Reservoir, beispielsweise einem Tank 52,
eine kohlenwasserstoffhaltige Substanz zugeführt wird.
Bei der kohlenwasserstoffhaltigen Substanz kann es sich z. B. Alkohle,
wie etwa Methanol oder Ethanol, um Gas, wie beispielsweise Methan,
Ethan, Propan, Butan, Gemische davon, Erdgas etc., oder um Flüssigkeiten,
wie beispielsweise Diesel, Kerosin etc. handeln. In den Reformer 50,
der optional eine als Shift-Stufe bezeichnete, interne Reinigungsstufe
aufweisen kann, wird die kohlenwasserstoffhaltige Ausgangssubstanz in
bekannter Weise thermisch in ein wasserstoffreiches Rohgas umgesetzt.
Das Rohgas weist neben dem für den Betrieb der Brennstoffzelle 30 erwünschten
Wasserstoff auch einen vergleichsweise hohen Anteil an Kontaminationsgasen,
insbesondere Kohlenmonoxid auf, der bei der als Niedertemperatur-PEM-Brennstoffzelle
ausgelegten Brennstoffzelle 30 als Katalysatorgift wirken
würde. In der Protonenpumpe 20 anfallendes Restgas,
das insbesondere ein wasserstoffarmes Gemisch von Kontaminationsgasen
ist, kann als Abgas einer bevorzugt vorgesehenen Nachverbrennungseinheit 56 zugeführt
werden, die insbesondere das verbliebene Kohlenmonoxid unter Gewinnung
thermischer Energie zu Kohlendioxid oxidiert.
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Das
Rohgas wird der Anode 22 der Protonenpumpe 20 zugeführt.
Bevorzugt steht das Rohgas an der Anode 22 mit einem geringen Überdruck gegenüber
dem Umgebungsdruck an. Von der Leistungselektronik 40 wird
die Protonenpumpe 20 mit einem elektrischen Strom versorgt.
Solange die Brennstoffzelle 30 nicht in Betrieb ist, kann
die benötigte elektrische Energie aus einem bevorzugt angeschlossenen
Akkumulator 54 bezogen werden. Je nach der Stärke
des Stromflusses wird in der Anode 22 der Protonenpumpe 20 der
in dem Rohgas befindliche Wasserstoffanteil in Protonen und Elektronen oxidiert.
Die Protonen durchwandern die Membran der Protonenpumpe und werden
an der Kathode 24 mit von der Leistungselektronik 40 gelieferten
Elektronen zu molekularem Wasserstoff reduziert. Die einzelnen Teilreaktionen
an der Anode 32 und der Kathode 24 der Protonenpumpe 20 sind
in 1 dargestellt. Der entstehende Wasserstoff wird
der Anode 32 der Brennstoffzelle 30 zugeführt.
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Da
die Regelung des elektrischen Stroms durch die Protonenpumpe 20 von
der Leistungselektronik gemäß dem jeweils aktuellen
Wasserstoffbedarf der Brennstoffzelle 30 geregelt wird,
kann die Gasstromverbindung zwischen der Kathode 24 der Protonenpumpe 20 und
der Anode 32 der Brennstoffzelle 30 direkt erfolgen,
wobei das Wasserstoffgas an der Anode 32 bevorzugt mit
einem geringen Überdruck ansteht. Zur Abfederung von Spitzen,
insbesondere bei Lastwechseln der Brennstoffzelle 30 kann
jedoch optional ein in 1 gestrichelt dargestellter
Puffertank 58 eingesetzt werden. Der Puffertank kann jedoch
aufgrund der bedarfsgerechten Regelung der Protonenpumpe klein ausfallen,
was insbesondere bei mobilen Einrichtungen zur Erhöhung der
Sicherheit beiträgt.
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In
der Brennstoffzelle 30 findet der dem Fachmann bekannte
elektrochemische Prozess zur Gewinnung elektrischer Energie statt.
Die einzelnen Teilreaktionen an der Anode 32 und der Kathode 34 der
Brennstoffzelle 30 sind in 1 dargestellt.
Zur Durchführung der elektrochemischen Reaktion muss die
Kathode 34 der Brennstoffzelle 30 mit einem sauerstoffhaltigen
Gas versorgt werden. Je nach spezieller Ausführungsform
der Brennstoffzelle 30 kann dies herkömmliche,
angesaugte und vorzugsweise gefilterte Luft oder ein in einem optionalen
Tank 59 bevorratetes Gas, wie beispielsweise reiner Sauerstoff sein.
Die Abgase der Brennstoffzelle, insbesondere Wasserdampf, können
unter Druck oder drucklos in Dead-End- oder Open-End-Abgasvorrichtungen
abgeführt werden.
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Der
von der Brennstoffzelle 30 erzeugte elektrische Strom wird
der Leistungselektronik 40 zugeführt, die damit
bedarfsgerecht angeschlossene Verbraucher 60 speist. Sobald
die Brennstoffzelle 30 in Betrieb ist und elektrischen
Strom liefert, kann auch der Akkumulator 54 wieder aufgeladen
werden, wozu er von der Leistungselektronik 40 im Wesentlichen
wie ein zusätzlicher Verbraucher behandelt wird, sodass
sein Energiebedarf ebenfalls die bedarfsgemäße
Regelung der Protonenpumpe beeinflusst.
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Die
Vorteile der Erfindung gegenüber herkömmlichen
Hochtemperatur-PEM-Brennstoffzellen, die eine vergleichbare CO-Toleranz
aufweisen, wie das erfindungsgemäße System 10 und
die im Wesentlichen in dem deutlich höheren Wirkungsgrad
liegen, sollen nachfolgend an konkreten Beispielen erläutert
werden. Grundlage des Vergleichs der Systeme seien zwei im Wesentlichen
baugleiche Brennstoffzellen, die zum einen als Niedertemperatur-PEM-Brennstoffzelle
bei Temperaturen unter 100°C und zum anderen als Hochtemperatur-PEM-Brennstoffzelle
bei Temperaturen zwischen 150°C und 200°C betrieben
werden. Die Zellen weisen jeweils 60 Einzelzellen mit je 152 Quadratzentimeter
Zellenfläche, d. h. katalytisch aktiver Membranfläche
auf. Beide Zellen werden bei einer typischen Stromdichte ρ von
0,5 Ampere pro Quadratzentimeter betrieben. Beim Niedertemperaturbetrieb wird
diese Stromdichte bei einer mittleren Zellspannung von 0,71 Volt
erreicht, woraus eine Gesamtleistung der Brennstoffzelle von 3,2
Kilowatt resultiert. Im Hochtemperaturbetrieb wird hingegen dieselbe Stromdichte
bei einer mittleren Zellspannung von 0,51 Volt erreicht, woraus
eine Gesamtleistung von lediglich 2,3 Kilowatt resultiert. Diese
Verhältnisse sind in 2 grafisch
veranschaulicht, wo der Graph 70 die Strom/Spannungs-Kurve
der beschriebenen Niedertemperatur-PEM-Brennstoffzelle repräsentiert und
der Graph 80 die Strom/Spannungs-Kurve der beschriebenen
Hochtemperatur-PEM-Brennstoffzelle repräsentiert. Der oben
beschriebene Betriebspunkt bei einer Stromdichte von 0,5 Ampere
pro Quadratzentimeter Zellenfläche ist in 2 strichpunktiert
dargestellt.
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Für
die beiden oben beschriebenen Brennstoffzellen ergibt sich aus dem
Faradayschen Gesetz ein Wasserstoffverbrauch von 6,97 Norm-Milliliter
pro Minute und Ampere Nml/(min A). Als Norm-Milliliter wird die
Menge des Gases bezeichnet, die bei Normbedingungen von 0°C
und 1013 Millibar ein Volumen von einem Milliliter einnimmt. Analoges
gilt für die weiter unten verwendete Einheit des Normliters
(Nl). Bei einem geschätzten Brenngasumsatz von 80% ergibt
sich für beide Varianten die Erfordernis eines Wasserstoffstroms
von 39,7 Normlitern pro Minute (Nl/min). Der Vorteil der Hochtemperaturbrennstoffzelle
liegt darin, dass dieser Wasserstoffstrom aus im Wesentlichen ungereinigtem
Reformatgas bestritten werden kann, wohingegen die Niedertemperatur-PEM-Brennstoffzelle
im Wesentlichen reinen Wasserstoff benötigt (zum Zwecke
der Vereinfachung sei hier der Leistungsverlust der Hochtemperatur-PEM-Brennstoffzelle
aufgrund des geringeren Wasserstoffanteils und des höheren
CO-Anteils im Reformatgas vernachlässigt).
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Berücksichtigt
man, dass zur Aufreinigung eines Wasserstoffmoleküls in
der Protonenpumpe zwei Elektronen von der Leistungselektronik geliefert werden
müssen, lässt sich mit Hilfe der Zustandsgleichung
für ideale Gas und der Faradaykonstante, d. h. dem Produkt
aus Elementarladung und Avogadrozahl, leicht berechnen, dass zur
Aufreinigung eines Wasserstoff-Gasstroms von 39,7 Normlitern pro
Minute ein Strom ca. 5700 Ampere erforderlich ist.
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3 zeigt
Strom/Spannungs-Kurven realer Protonenpumpen, die sich bei Betrieb
mit unterschiedlich zusammengesetzten Rohgasen ergeben. Die durchgezogene
Linie (Kreise) repräsentiert das Verhalten bei einem feuchten
Reformatgas mit 47,2% Wasserstoff, 38,2% Wasser, 13,2% Kohlendioxid
und 1,4% Kohlenmonoxid. Die Steigung der Kurve lässt sich
als etwa 0,2 Ohm Quadratzentimeter (Ωcm2)
ablesen. Die gestrichelte Kurve (umgekehrte Dreiecke) repräsentiert
das Verhalten bei Reformatgas mit 76,3% Wasserstoff, 21,4% Kohlendioxid
und 2,3% Kohlenmonoxid. Die gepunktete Kurve (Quadrate) repräsentiert
das Verhalten bei Verwendung eines Reformatgases mit 61,8% Wasserstoff
und 38,2% Stickstoff. Die strichpunktierte Kurve (aufrechte Dreiecke)
repräsentiert das Verhalten bei Verwendung von 100% Wasserstoff.
Im weiteren soll als Beispiel das in der durchgezogenen Kurve (Kreise)
repräsentierte feuchte Reformatgas betrachtet werden.
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Bei
der Auslegung der Protonenpumpe hat der Fachmann einen für
den Einzelfall geeigneten Kompromiss zwischen der Zellenfläche
und dem elektrischen Leistungsbedarf des Betriebs zu wählen.
Wird die Protonenpumpe beispielsweise bei 0,1 Ampere pro Quadratzentimeter
(A/cm2) betrieben, ergibt sich aus 3 ein
Spannungsabfall von etwa 0,02 Volt. Um die oben genannten 5700 Ampere
zu liefern, bedarf es einer Zellfläche von 5,7 Quadratmetern,
die beispielsweise durch einen PEM-Stapel von 375 Zellen mit 152
Quadratzentimetern Zellfläche bereitgestellt werden kann.
Der resultierende Leistungsbedarf liegt bei ca. 0,114 Kilowatt.
Das Gesamtsystem aus Protonenpumpe und Niedertemperatur-PEM-Brennstoffzelle
würde somit insgesamt ca. 3,1 Kilowatt liefern und läge
somit ca. 34% über der von einer Hochtemperatur-PEM-Brennstoffzelle
gleicher Dimension lieferbaren Leistung.
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Zur
Verringerung der Kosten für die Protonenpumpe kann diese
bei geringerer Zellfläche und höherer Stromdichte
betrieben werden. Liegt die Stromdichte beispielsweise bei 0,3 Ampere
pro Quadratzentimetern wäre eine Gesamtzellfläche
von 1,9 Quadratmetern erforderlich, die beispielsweise durch 125
Zellen mit je 152 Quadratzentimetern Zellfläche bereitgestellt
werden können. Aus 3 ergibt
sich ein Spannungsabfall von etwa 0,06 Volt, woraus eine insgesamt
aufzubringende Leistung von ca. 0,342 Kilowatt resultiert. Das erfindungsgemäße
System würde daher insgesamt ca. 2,9 Kilowatt liefern können und
würde noch immer etwa 26% effizienter arbeiten als ein
herkömmlicher Hochtemperatur-PEM-Stapel.
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Bei
einer weiteren Reduzierung der Zellenfläche der Protonenpumpe,
beispielsweise auf 0,95 Quadratmeter, die beispielsweise in 63 Zellen
mit je 152 Quadratzentimetern Zellfläche bereitgestellt
werden können, wäre eine Stromdichte von 0,6 Ampere pro
Quadratzentimeter erforderlich. Mit dem aus 3 ablesbaren
Spannungsabfall von ca. 0,12 Volt ergibt sich eine insgesamt aufzubringende
Leistung von ca. 0,684 Kilowatt. Das erfindungsgemäße
System würde unter diesen Umständen insgesamt
ca. 2,5 Kilowatt liefern und damit noch immer ca. 9% effizienter
arbeiten als eine herkömmliche Hochtemperatur-PEM-Brennstoffzelle.
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Natürlich
stellen die in der speziellen Beschreibung diskutierten und in den
Figuren gezeigten Ausführungsformen nur illustrative Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung dar. Dem Fachmann ist im Lichte der hiesigen
Offenbarung ein breites Spektrum an Variationsmöglichkeiten
anhand gegeben. Insbesondere kann die konkrete Dimensionierung der
Brennstoffzelle sowie der Protonenpumpe im Hinblick auf Zellenzahl,
Zellengröße und Betriebspunkt an den jeweiligen
Einzelfall angepasst werden. Auch können die konkret gewählten
Materialien, insbesondere die PEM, das Katalysatormaterial und das
Elektrodenmaterial sowie die verwendeten Verfahren zur Herstellung
der erforderlichen MEAs wie auch die konkrete Bauweise der Bipolarplatten
im Lichte des jeweiligen Einzelfalls angepasst werden. Selbstverständlich
ist die Erfindung auch nicht auf die explizit genannten Zusammensetzungen
oder Quellen des Rohgases bzw. Reformatgas beschränkt.
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- 10
- Brennstoffzellensystem
- 20
- Protonenpumpe
- 22
- Anode
von 20
- 24
- Kathode
von 20
- 30
- Brennstoffzelle
- 32
- Anode
von 30
- 34
- Kathode
von 30
- 40
- Leistungselektronik
- 50
- Reformer
- 52
- Brennstofftank
- 54
- Akkumulator
- 56
- Nachverbrenner
- 58
- Puffertank
- 59
- Sauerstofftank
- 60
- Verbraucher
- 70
- Stromspannungskurve
einer Niedertemperatur-PEM-Brennstoffzelle
- 80
- Stromspannungskurve
einer Hochtemperatur-PEM-Brennstoffzelle
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
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Zitierte Patentliteratur
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- - WO 2007/012388
A1 [0007]
- - WO 97/40542 A1 [0008]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - Perry K. A.: ”Electrochemical
hydrogen pumping using a high-temperature polybenzimidazole (PBI)
membrane”, Journal of power sources 177 (2008), S. 478–484 [0009]