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Die Erfindung betrifft eine Festoxid-Brennstoffzelle (Solid Oxide Fuel Cell, SOFC) als Hilfsantrieb oder Stromerzeuger (Auxiliary Power Unit, APU), sowie ein geeignetes Verfahren zum Betreiben derselben.
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Stand der Technik
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Die Versorgung mit elektrischer Energie an Bord von LkW und Nutzfahrzeugen gewinnt mehr und mehr an Bedeutung. Diese elektrische Energie soll effizient und mit minimaler Abgas- und Lärmbelästigung erfolgen. Vor allem seit dem Verbot des so genannten ”Truck Idling” in den USA, d. h. der Stromerzeugung mit dem Antriebsdiesel im Leerlauf, wird hier nach effizienten Lösungen gesucht. Neben batterieelektrischen Hilfsaggregaten, der Fahrzeugbatterie, on-board- und off-board-Netzstromeinrichtungen und thermischen Energie-Speichersystemen kommt für diese Aufgabe besonders auch die Festoxid-Brennstoffzelle (SOFC) in Frage.
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Konventionell werden als Hilfsaggregate (APU) kleine Dieselaggregate eingesetzt, um Strom für die Heizung und Kühlung in der Fahrerkabine und zusätzliche Kabineneinrichtungen zu generieren. Der Dieselmotor kann zudem für die Vorheizung des Motorblocks bei kaltem Wetter und zur Aufladung der LKW-Batterie eingesetzt werden. Da das Dieselaggregat in der Regel sehr viel kleiner als die Hauptantriebsmaschine ist, benötigt sie auch nur einen Bruchteil des Diesels, der für die gleiche Stromerzeugung im Leerlauf der Hauptantriebsmaschine nötig wäre.
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Aus [1] ist bereits bekannt, dass neben Dieselaggregaten auch kleine Brennstoffzellen in herkömmlichen Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor als APU zur Stromerzeugung genutzt werden können. Der Verbrennungsmotor dient weiterhin zum Antrieb des Fahrzeugs. Die elektrische Energieerzeugung wird weitgehend vom Antrieb getrennt und der APU übertragen. Der Vorteil der Brennstoffzellen-APU ist, dass sie unabhängig vom Verbrennungsmotor arbeitet und so auch im Stand elektrische Energie erzeugen kann. Außerdem wandelt sie Kraftstoff direkt in Strom um und verspricht so gegenüber der herkömmlichen Motor-Generator-Kombination einen höheren Wirkungsgrad bei der Stromerzeugung. Es gibt verschiedene Brennstoffzellentypen, wobei im Zusammenhang mit einer APU prinzipiell die Niedertemperatur-Brennstoffzelle (Polymer Elektrolyte Membran Fuel Cell, PEMFC) und die SOFC als geeignete Kandidaten angesehen wurden. Die SOFC-Technologie hat den Vorteil, dass bei der Nutzung heutiger Kraftstoffe (Benzin und Diesel) im Vergleich zur PEMFC eine relativ einfache Kraftstoffaufbereitung ausreicht.
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Daher wird weltweit insbesondere an der Entwicklung einer geeigneten SOFC mit Dieselreformer als umweltfreundliche Alternative gearbeitet. Dazu wird angestrebt, den im LKW bereits vorhandenen und benötigten Diesel auch als Brennstoff für die SOFC einzusetzen.
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Bereits seit 2002 werden Hilfsstromaggregate für Trucks auf Basis von Hochtemperaturbrennstoffzellen-Technologie (SOFC – Solid Oxide Fuel Cell) mit konventionellem Diesel getestet.
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In [2] wird beispielsweise eine on-board SOFC-Brennstofzelle als APU vorgestellt, die mit Diesel betrieben werden kann. Zur Bereitstellung des notwendigen Brenngases für die SOFC aus flüssigem Betriebsmittel stehen unterschiedliche Technologien zur Verfügung.
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Die Pyrolyse von Kohlenwasserstoffen (Gl. 1) erfolgt bei hohen Temperaturen. Neben dem erwünschten Wasserstoff (H2) bildet sich auch fester Kohlenstoff, der sich nachteilig im Reaktor anlagert. Diese Ablagerungen müssen nachteilig in regelmäßigen Abständen entfernt werden.
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Die katalytische partielle Oxidation (CPO) mit einem unterstöchiometrischen Verhältnis von Kohlenwasserstoffen ist schwach exotherm. Als Hauptprodukte entstehen H2 und CO.
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Für die endotherme Dampfreformierung (steam reforming, SR) wird Wasser für die Umwandlung der Kohlenwasserstoffe benötigt.
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Die autotherme Reformierung (ATR) kombiniert vorteilhaft die katalytische partielle Oxidation mit der Dampfreformierung derart, dass der Prozess thermisch neutral abläuft.
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Die SOFC ist zwar die für Dieselreformat am besten geeignete Brennstoffzelle, trotzdem hat sie nachteilig mit verschiedenen Problemen zu kämpfen.
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Einerseits ist der Dieselreformer ein komplexes und aufwendiges Gerät, das vor allem in transienten Betriebszuständen Probleme macht, da nicht ausreichend Wasser im System vorhanden ist und es dadurch zu Rußabscheidung in der Anlage und vor allem in der Brennstoffzelle kommt, wodurch die Funktion beeinträchtigt wird und es über längere Zeit zur Zerstörung des Katalysators kommen kann.
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Andererseits stellen die Verunreinigungen im Diesel ein weiteres Problem dar. Vor allem Schwefelverbindungen können regelmäßig nicht komplett entfernt werden und führen ebenfalls zur Deaktivierung des Anodenkatalysators. Zudem verbraucht die Reformierung des Diesels ca. 25% des eingesetzten Brennstoffs, wodurch der Systemwirkungsgrad deutlich verschlechtert wird.
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Aufgabe und Lösung
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Die Aufgabe der Erfindung ist es, die Versorgung mit elektrischer Energie an Bord von LkW und Nutzfahrzeugen effizient mit minimaler Abgas- und Lärmbelästigung sicherzustellen.
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Die Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch ein Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellen-APU gemäß Hauptanspruch. Ferner wird die Aufgabe gelöst durch die Bereitstellung einer zur Durchführung des Verfahrens geeigneten Brennstoffzellen-APU gemäß Nebenanspruch.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens oder der Vorrichtung finden sich in den jeweils darauf rückbezogenen, abhängigen Ansprüchen.
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Gegenstand der Erfindung
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Die Idee dieser Erfindung ist ein einfacheres und effizienteres APU-System dadurch zu schaffen, dass ein alternativer Brennstoff verwendet wird. Hierfür bietet sich Harnstoff (CH4N2O) und dabei insbesondere eine Wasserstoffhaltige, z. B. wässrige Harnstofflösung als Brennstoff für eine SOFC an. Harnstoff ist ein großtechnisches Produkt der chemischen Industrie und kann aus Kohlendioxid und Ammoniak hergestellt werden.
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Harnstoff kommt schon jetzt zur Reduktion von Stickoxiden in der Abgasreinigung zunehmend im Lkw zum Einsatz. Die selektive katalytische Reduktion (SCR) mit Harnstoff gilt zurzeit als das aussichtsreichste Verfahren zur NOx-Verminderung von Nutzfahrzeug-Dieselmotoren. Die hohe Temperatur im Abgasstrang wandelt den Harnstoff in Ammoniak um, welcher im keramischen NOx-Katalysator die giftigen Stickoxide in unbedenkliche Verbindungen wie Stickstoff und Wasser umwandelt. Dabei wird der Harnstoff in der Regel als wässrige Lösung mit 32,5% Harnstoffanteil (AdBlue®) eingesetzt.
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Die erfindungsgemäße Verwendung von Harnstofflösung als Brennstoff für die SOFC bietet gegenüber Diesel aber den entscheidenden Vorteil, dass kein Reformer notwendig ist, da sich Harnstoff beim Erhitzen in Ammoniak und CO2 zersetzt. Das Wasser der wässrigen Lösung verhindert zuverlässig Rußbildung und Ammoniak ist nachgewiesenermaßen als Brennstoff in der SOFC sehr gut geeignet [3]. Er liefert vergleichbare Ergebnisse wie ein Wasserstoff-Stickstoff-Gemisch.
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Reaktionen:
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CH4N2O + 2H2O + (Wärme) ⇒ 2NH3 + CO2 + H2O (+ SOFC – Anode) ⇒ 3H2 + N2 + CO2 + H2O
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Die für die Verdampfung erforderliche Wärme kann vorteilhaft direkt aus der Abwärme des Brennstoffzellensystems entnommen werden.
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Als weiterer Vorteil des Einsatzes von Harnstoff als Brennstoff für die SOFC ist zu nennen, dass keine aufwändige Reinigung des Harnstoffs notwendig ist, wie beispielsweise die Entschwefelung beim Diesel, da er als chemisches Produkt keine für die SOFC kritischen Komponenten enthält.
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Des Weiteren ist die Aufspaltung von Ammoniak in der SOFC ein endothermer Prozess, der vorteilhaft durch die in der SOFC entstehende Abwärme beheizt wird. Dadurch wird weniger Kathodenluft zur Kühlung der SOFC notwendig, was den Systemwirkungsgrad erhöht, da weniger Kompressorleistung erforderlich ist.
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Als Brennstoff für eine SOFC wird der Harnstoff insbesondere als Lösung mit Konzentrationen zwischen 20 und 50% eingesetzt, vorteilhaft zwischen 30 und 40%. Besonders geeignet als Lösungsmittel ist Wasser. Besonders vorteilhaft kann eine wässrige Lösung mit 32,5% Harnstoffanteil (AdBlue®) eingesetzt werden, die schon kommerziell verfügbar ist.
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Das erfindungsgemäße Verfahren, Harnstoff in einer Brennstoffzelle zu verwenden, kann insbesondere in einer SOFC eingesetzt werden. Besondere Vorteile ergeben sich bei dem Einsatz in einer als Hilfsaggregat fungierenden Brennstoffzelle. Derzeitige Hilfsaggregate liegen bei 3 bis 5 kW, allerdings ist das Verfahren nicht nur auf die vorgenannten Hilfsaggregate eingeschränkt. So bietet sich das Verfahren vorteilhaft für eine APU an, die neben der eigentlichen Antriebsmaschine in einem Fahrzeug zur Unterstützung der elektrischen Stromgewinnung für Hilfsanwendungen im Fahrzeug, wie beispielsweise Heizung oder Kühlung, eingesetzt wird. Unter Fahrzeug wird im Rahmen dieser Erfindung jedes mobile Verkehrsmittel verstanden, welches dem Transport von Gütern, Werkzeugen oder Personen dient. Die Antriebsart oder die Verwendung ist für die Einordnung dabei ohne Belang. Die Erfindung ist besonders vorteilhaft für Nutzfahrzeuge, wie beispielsweise LKW geeignet, da diese in der Regel schon über einen Harnstofftank verfügen.
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Das Verfahren ist aber nicht darauf beschränkt, nur in einer SOFC als APU eingesetzt zu werden, sondern kann darüber hinaus auch als vorteilhafte Einzellösung zur Stromerzeugung angesehen werden.
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Die Erfindung betrifft zudem eine Vorrichtung umfassend eine Brennstoffzelle, insbesondere eine Festoxid-Brennstoffzelle (SOFC), mit einem Vorratstank für Harnstoff oder eine wässrige Harnstofflösung, der über eine Zuleitung mit der Anodenseite der Brennstoffzelle verbunden ist. Vorteilhaft wird die Brennstoffzelle als APU in einem Fahrzeug eingesetzt. Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben dieser Brennstoffzelle ist dadurch gekennzeichnet, dass als Brennstoff auf der Anodenseite der SOFC Harnstoff oder eine wässrige Harnstofflösung eingesetzt wird. Dieser liefert vergleichbare Ergebnisse wie ein Wasserstoff-Stickstoff-Gemisch und weist zudem den Vorteil auf, dass keine Reinigung des Brennstoffs notwendig ist und eine Reformierung, wie bislang beim Diesel notwendig, entfallen kann.
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Zudem kann eine solche SOFC als Hilfsantrieb oder Stromerzeuger (Auxiliary Power Unit, APU), in einem Nutzfahrzeug, beispielsweise einem LKW, besonders vorteilhaft den häufig dort schon vorhandenen Harnstofftank nutzen, der für die Reduzierung der Stickoxide im Abgas vorgesehen ist.
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Spezieller Beschreibungsteil
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert, ohne dass dadurch eine Einschränkung des Schutzbereiches zu verstehen ist.
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Die 1 und 2 zeigen schematisch Anlagenschaltungen einer erfindungsgemäßen Brennstoffzellen-APU, die mit Harnstoff, bzw. einer wässrigen Harnstofflösung betrieben werden können. Als Brennstoffzelle wird jeweils eine Festoxid-Brennstoffzelle (SOFC) verwendet.
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In 1 wird Luft als Oxidationsmittel über einen Lüfter zur Kathodenseite der SOFC geleitet, wobei die Luft zunächst über einem Wärmeaustauscher vorgewärmt wird. Die flüssige, wässrige Harnstofflösung als Brennstoff wird ebenfalls zunächst über einen Wärmeaustauscher vorgewärmt und der Anodenseite der SOFC zugeführt. Dazu ist eine Einspritzpumpe vorgesehen. Die Abgase aus der Anoden – und der Kathodenseite der SOFC werden einem Nachbrenner zugeführt und dort verbrannt, wobei die Abluft in den zuvor genannten Wärmetauschern die Wärme auf die der SOFC zugeführten Betriebsmittel überträgt. Gegebenenfalls kann eine weitere Wärmenutzung angeschlossen werden, bevor das Abgas in die Abluft entlassen wird.
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In 2 ist eine alternative Anlagenform dargestellt. Auch hier wird Luft als Oxidationsmittel über einen Lüfter zur Kathodenseite der SOFC geleitet, wobei die Luft zunächst über einem Wärmeaustauscher vorgewärmt wird. Die flüssige, wässrige Harnstofflösung als Brennstoff wird über eine Einspritzpumpe dosiert, wobei er zusammen mit einem Teil des Abgases der Anodenseite der SOFC zunächst in eine Strahlpumpe geleitet wird, und von dort der Anodenseite der SOFC zugeführt wird. Das Abgas der Kathodenseite der SOFC und das restliche Abgas der Anodenseite werden, wie in 1, einem Nachbrenner zugeführt und dort verbrannt. Die Wärme des Abgases des Nachbrenners wird wiederum mittels eines Wärmetauschers auf die der SOFC zugeführte Luft übertragen. Gegebenenfalls kann eine weitere Wärmenutzung angeschlossen werden, bevor das Abgas in die Abluft entlassen wird.
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Die 2 zeigt eine Ausgestaltung der Erfindung mit Anodenabgasrückführung. Diese Schaltung erlaubt eine höhere Brenngasnutzung und damit einen höheren Wirkungsgrad als Schaltung 1. In diesem Fall kann die Rückführung über eine Strahlpumpe erfolgen, die direkt mit unter Hochdruck eingespritzter Harnstofflösung angetrieben wird. Der Harnstoff verdampft durch die Mischung mit dem ca. 800°C heißen Anodenabgas.
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Der elektrische Nettowirkungsgrad dieser Systeme liegt nahe beim Wirkungsgrad von mit Erdgas betriebenen Systemen, der mindestens 10 bis 15%-Punkte über dem, von mit Diesel betriebenen Systemen liegt.
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Beispielrechnung:
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Es wird davon ausgegangen, dass der durchschnittliche AdBlue®-Verbrauch für die bisherige Reduzierung der Stickoxide im Abgas bei rund 5% des Diesel-Verbrauchs bei Euro IV- und rund 6% bei Euro V-Fahrzeugen liegt. Das entspricht einem AdBlue®-Verbrauch von ca. 1,7 Litern auf 100 km oder bei einer durchschnittlichen Fahrleistung von 55.000 km pro Jahr einem AdBlue®-Verbrauch von 935 Litern.
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Ein Mol Harnstoff (Molmasse 60,06 g/mol) enthält zwei Mol Wasserstoff (Molmasse 2 g/mol), was einer Menge von 33 mol oder 746 Litern Wasserstoff pro kg Harnstoff entspricht. Durch die Verdampfung und Reaktion mit Wasser entsteht ein weiteres Mol Wasserstoff, so dass in der SOFC pro Mol einsetztem Harnstoff drei Mol Wasserstoff verfügbar sind, bzw. 1120 Liter Wasserstoff pro kg Harnstoff. Bei einer Konzentration von 32,5 Massenprozent Harnstoff in Wasser entspricht dies einer Menge von 364 Liter Wasserstoff pro Liter AdBlue®.
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Unter der Annahme einer durchschnittlichen APU-Leistung von ca. 3 kW bei einer Wasserstoffnutzung von 80% entspricht dies einem Verbrauch von ca. 2000 Litern Wasserstoff pro Stunde bzw. einer Menge AdBlue® von 5,5 Litern pro Stunde. Bei einer Betriebszeit von 1800 Stunden pro Jahr entspricht dies einem AdBlue®-Verbrauch von 9900 Litern, bzw. bei 35 Stunden pro Woche von ca. 200 Litern pro Woche. Bei einem Durchschnittsverbrauch von 40 Litern Diesel auf 100 km liegt der Dieselverbrauch bei ca. 420 Liter pro Woche. Der Harnstoffverbrauch liegt also bei ca. 50% des Dieselverbrauchs, weshalb der Harnstofftank gegenüber der reinen SCR-Anwendung deutlich vergrößert werden müsste.
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Der Energieinhalt der AdBlue®-Harnstofflösung bezogen auf den oberen Heizwert von Wasserstoff liegt ohne Tank bei 4.650 kJ/l (364 l Wasserstoff × 12,8 kJ/l). Flüssig-Wasserstoff liegt bei ca. 4.000 kJ/l (incl. Vakuumtank) und Druck-Wasserstoff von 700 bar liegt bei ca. 3.000 kJ/l (incl. Druckbehälter). Der Energieinhalt ist also vergleichbar, wobei der Tank weder vom Volumen, Gewicht noch Kosten ins Gewicht fällt.
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In der Anmeldung zitiert:
[1]
Christian B. Diegelmann, „Potenzial einer SOFC-APU bei der Verbrauchsoptimierung von Kraftfahrzeugen", Dissertation, Lehrstuhl für Energiewirtschaft und Anwendungstechnik der Technischen Universität München, 28.04.2008.
[2]
A. Lindermeir, S. Kah, S. Kavurucu, M. Mühlner, "On-board diesel fuel processing for an SOFC–APU – Technical challenges for catalysis and reactor design", Applied Catalysis B: Environmental, Volume 70, Issues 1–4, 31 January 2007, Pages 488–497.
[3]
Meng Ni, Michael K. H. Leung, Dennis Y. C. Leung, „Ammonia-fed solid oxide fuel cells for power generation – A review", Int. J. Energy Res., 2009, 33, Seiten 943–959, Veröffentlicht online 8. Juli 2009 in Wiley InterScience.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Christian B. Diegelmann, „Potenzial einer SOFC-APU bei der Verbrauchsoptimierung von Kraftfahrzeugen”, Dissertation, Lehrstuhl für Energiewirtschaft und Anwendungstechnik der Technischen Universität München, 28.04.2008 [0039]
- A. Lindermeir, S. Kah, S. Kavurucu, M. Mühlner, ”On-board diesel fuel processing for an SOFC–APU – Technical challenges for catalysis and reactor design”, Applied Catalysis B: Environmental, Volume 70, Issues 1–4, 31 January 2007, Pages 488–497 [0039]
- Meng Ni, Michael K. H. Leung, Dennis Y. C. Leung, „Ammonia-fed solid oxide fuel cells for power generation – A review”, Int. J. Energy Res., 2009, 33, Seiten 943–959, Veröffentlicht online 8. Juli 2009 in Wiley InterScience [0039]
