DE102011079173B4

DE102011079173B4 - Brennstoffzellensystem mit Reformer

Info

Publication number: DE102011079173B4
Application number: DE102011079173.6A
Authority: DE
Inventors: Andreas Kaupert; Karsten Reiners; Christian Weiss
Original assignee: Eberspaecher Climate Control Systems GmbH and Co KG
Current assignee: Eberspaecher Climate Control Systems GmbH and Co KG
Priority date: 2011-07-14
Filing date: 2011-07-14
Publication date: 2020-07-09
Anticipated expiration: 2031-07-15
Also published as: US20130171530A1; US9147901B2; DE102011079173A1

Abstract

Brennstoffzellensystem (1), insbesondere für ein Kraftfahrzeug, mit einer zumindest eine Brennstoffzelle (3) umfassenden Brennstoffzelleneinheit (2), wobei- die Brennstoffzelle (3) eine Kathode (4) und eine Anode (5) aufweist,- die Brennstoffzelleneinheit (2) zumindest zwei elektrische Anschlüsse (7) zur Versorgung eines elektrischen Verbrauchers (8) aufweist,- das Brennstoffzellensystem (1) eine Anodengaszuführeinrichtung (11) zur Zuführung eines Reformatgases zur Anode (5) aufweist,- die Anodengaszuführeinrichtung (11) einen Reformer (12) zur Erzeugung des Reformatgases aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass- die Anodengaszuführeinrichtung (11) eine Reduktionseinrichtung (14) zur Reduzierung der Konzentration von höheren Kohlenwasserstoffen im Reformatgas aufweist,- die Reduktionseinrichtung (14) zwischen dem Reformer (12) und der Anode (5) angeordnet ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem, insbesondere für ein Kraftfahrzeug.
Ein Brennstoffzellensystem erzeugt eine elektrische Spannung und stellt diese elektrischen Verbrauchern zur Verfügung. Hierzu weist das Brennstoffzellensystem eine Brennstoffzelleneinheit auf, die in der Regel mehrere Brennstoffzellen umfasst. Die einzelnen Brennstoffzellen weisen dabei eine Anoden und eine Kathode auf, wobei die Kathode Sauerstoff disoziiert und ionisiert und der ionisierte Sauerstoff durch ein Elektrolyt der Brennstoffzelle zur Anode wandert und mit von der Anode ionisiertem Wasserstoff zu Wasser reagiert. Somit entsteht an den Elektroden der Brennstoffzelle, gemäß der Nernst-Gleichung, ein elektrisches Potential bzw. die elektrische Spannung, die dem elektrischen Verbraucher zur Verfügung gestellt wird. Die für die Funktionalität der Brennstoffzellen wesentlichen chemischen Reaktionen und insbesondere die Leitfähigkeit des Elektrolyts für ionisierten Sauerstoff setzen dabei ab einer gewissen Temperatur, die in der Regel einige 100° C beträgt, ein. Andererseits erfolgt die Versorgung der Anoden mit einem Anodengas üblicherweise über einen Reformer einer Anodengaszuführeinrichtung, der die Anoden mit einem Reformatgas als Anodengas versorgt. Dabei umfasst das Reformatgas im wesentlichen Kohlenwasserstoffe, wobei das Reformatgas in der Regel eine Temperatur von einigen 100° C aufweist. Weist die Anode eine Temperatur auf, die unterhalb einer kritischen Temperatur liegt, das heißt insbesondere bei einem Kaltstart, also bei einem Zustand, bei dem die Anode eine Umgebungstemperatur bzw. eine Raumtemperatur aufweist, so führt dies zu einer Ablagerung von Kohlenwasserstoffen des Reformatgases auf der Anodenoberfläche. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn die Brennstoffzelle, insbesondere wenn die Anode, mit dem Reformatgas auf Betriebstemperatur gebracht wird. Die Ablagerung von Kohlenwasserstoffen auf der Anodenoberfläche führt jedoch zu einer Reduzierung der chemischen Reaktionsfähigkeit der Anode, die zu einem Ausfall der Anode und somit des Brennstoffzellensystems führen kann.
Aus der US 2008/0070078 A1 ist der Einsatz einer Entschwefelungseinrichtung zum Entschwefeln des Reformatgases bei einer Brennstoffzelle mit Reformer gemäß dem Oberbegriff bekannt.
Die US 2005/0106428 A1 , US 2005/0158594 A1 , US 2008/0102328 A1 und US 2004/0163312 A1 zeigen Brennstoffzellensysteme, in denen eine Entschwefelungseinrichtung stromauf des Reformers zum Entschwefeln eines dem Reformer zugeführten Brennstoffs zum Einsatz kommt.
Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, für ein Brennstoffzellensystem eine verbesserte oder zumindest alternative Ausführungsform anzugeben, die sich insbesondere durch eine verminderte Ablagerung von Kohlenwasserstoffen auf einer Anoden des Brennstoffzellensystems auszeichnet. Die Publikation „J.K. MINDERHOUD, J.A.R. VAN VEEN: First-stage hydrocracking: process and catalytic aspects. In: Fuel Processing Technology, 35, 1993, 87 - 110. - ISSN 0378-3820“ beschreibt allgemein die Entschwefelung von Kohlenwasserstoffen.
Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, ein Brennstoffzellensystem mit einer Reduktionseinrichtung auszustatten, die höhere Kohlenwasserstoffe eines von einem Reformer einer Anodengaszuführeinrichtung des Brennstoffzellensystems erzeugten Reformatgases in niedrigere Kohlenwasserstoffe umwandelt. Dabei dient die Anodengaszuführeinrichtung der Zuführung des Reformatgases zu einer Anode einer Brennstoffzelle bzw. zu Anoden mehre rer Brennstoffzellen einer Brennstoffzelleneinheit des Brennstoffzellensystems. Die Reduktionseinrichtung wandelt also insbesondere Kohlenwasserstoffe mit der chemischen Formel C_nH_m in Kohlenwasserstoffe mit der chemischen Formel C_xH_y um, wobei n > x ist. Die Erfindung nutzt dabei die Kenntnis, dass eine Ablagerung von Kohlenwasserstoffen auf der Anode bei niedrigen Temperaturen der Anode, also insbesondere bei einem Kaltstart der Brennstoffzellensystems bzw. der Brennstoffzelleneinheit, verstärkt bei höheren Kohlenwasserstoffen auftritt. Eine Umwandlung von höheren Kohlenwasserstoffen zu niedrigeren Kohlenwasserstoffen führt also insbesondere bei einem Kaltstart des Brennstoffzellensystems bzw. der Brennstoffzelleneinheit, zu einer Verhinderung oder zumindest zu einer Reduzierung der Ablagerung von Kohlenwasserstoffen auf der Anode. Dem entsprechend kann die Reduktionseinrichtung derart ausgebildet sein, dass die Umwandlung von höheren Kohlenwasserstoffen zu niedrigeren Kohlenwasserstoffen regelbar ist. Diese Regelung kann weiter und insbesondere von der Temperatur der Anode bzw. der entsprechenden Brennstoffzelle abhängen.
Dem Erfindungsgedanken entsprechend, weist ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem eine Brennstoffzelleneinheit auf, die zumindest eine Brennstoffzelle umfasst. Weiter weist die Brennstoffzelle eine Anode und eine Kathode auf, wobei zumindest zwei mit den jeweiligen Elektroden, also der Anode bzw. der Kathode, verbundene elektrische Anschlüsse der Brennstoffzelleneinheit der elektrischen Versorgung eines Verbrauchers dienen. Die Anodengaszuführeinrichtung weist weiter den Reformer sowie die Reduktionseinrichtung auf, wobei die Reduktionseinrichtung zweckmäßig zwischen dem Reformer und der Anode angeordnet ist. Somit wandelt die Reduktionseinrichtung höhere Kohlenwasserstoffe des vom Reformer erzeugten Reformatgases vor einem Kontakt des Reformatgases mit der Anode in niedrigere Kohlenwasserstoffe um. Die Ablagerung von Kohlenwasserstoffen auf der Anode wird also, insbesondere bei einem Kaltstart des Brennstoffzellensystems, unterbunden oder zumindest reduziert. Diese Reduzierung der Ablagerung von Kohlenwasserstoffen erlaubt es nun beispielsweise die Brennstoffzelle und insbesondere die Anode mit Hilfe des Reformatgases aufzuheizen und auf eine entsprechende Betriebstemperatur zu bringen. Dies hat insbesondere zur Folge, dass etwaige Bestandteile des Brennstoffzellensystems bzw. externe Bestandteile, die ausschließlich dem Aufheizen der Anoden dienen, entfallen können.
Die Erfindung nutzt weiter die Kenntnis, dass die Umwandlung von höheren Kolbenwasserstoffen zu niedrigeren Kohlenwasserstoffen, insbesondere bei einer Heißgasentschwefelung, erfolgt. Die Erfindung nutzt also zudem die Kenntnis, dass bei einer Entschwefelung eines heißen Gases, also auch des Reformatgases, höhere Kohlenwasserstoffe zu niedrigere Kohlenwasserstoffe umgewandelt werden. Entsprechend weist die Reduktionseinrichtung bei einer bevorzugten Ausführungsform eine Entschwefelungseinrichtung auf. Optional ist eine Ausführungsform vorstellbar, bei der die Reduktionseinrichtung als Entschwefelungseinrichtung ausgebildet ist. Der Einsatz der Entschwefelungseinrichtung ist besonders deshalb sinnvoll, weil Entschwefelungseinrichtungen hinlänglich bekannt sind, womit das Ausstatten des Brennstoffzellensystems mit der Reduktionseinrichtung besonders vereinfacht und wirtschaftlich ist.
Hierzu weist die Reduktionseinrichtung bei einer weiteren Ausführungsform zumindest eine Entschwefelungsstufe auf. Weist die Reduktionseinrichtung mehrere Entschwefelungsstufen auf, so können diese entlang einer Strömungsrichtung des Reformatgases nebeneinander angeordnet sein. Dies führt insbesondere zu einer verstärkten Umwandlung von höheren Kohlenwasserstoffen zu niedrigeren Koh lenwasserstoffen.
Zusätzlich oder optional weist die Reduktionseinrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform eine Hydrodesulfuriereinrichtung auf, oder ist als solche ausgebildet. Die Umwandlung von höheren Kohlenwasserstoffen zu niedrigeren Kohlenwasserstoffen erfolgt hier also insbesondere durch den Einsatz von Wasserstoff.
Entsprechend einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die Reduktionseinrichtung zumindest einen Katalysator auf. Der Katalysator dient dabei insbesondere dem Zweck, eine Umwandlung der höheren Kohlenwasserstoffe zu niedrigeren Kohlenwasserstoff zu erlauben bzw. zu beschleunigen. Hierzu weist der Katalysator für diesen Zweck geeignete Materialien auf. Als Bespiel hierfür sei molybdänhaltige Materialien, insbesondere Nickelmolybdän und/oder Kobaltmolybdän hingewiesen.
Die Zuführung eines für die Erzeugung des Reformatgases benötigten Brennstoffes zum Reformer erfolgt entsprechend einer weiteren bevorzugten Ausführungsform mittels einer Brennstoffzuführeinrichtung. Die Brennstoffzuführeinrichtung dient also insbesondere dem Zweck, das vorzugsweise in einem Behälter, insbesondere in einem Tank, aufbewahrte Brennstoff dem Reformer zuzuführen. Hierzu weist die Brennstoffzuführeinrichtung beispielsweise eine Vordereinrichtung, insbesondere eine Pumpe, auf.
Zur Erzeugung des Reformatgases benötigt der Reformer üblicherweise ein Oxidatorgas, welches bei einer weiteren Ausführungsform durch eine Oxidatorzuführeinrichtung dem Reformer zuführbar ist. Als Oxidatorgas dient dabei insbesondere Luft, die beispielsweise über eine Fördereinrichtung der Oxidatorzuführeinrichtung dem Reformer zugeführt ist.
Zweckmäßig weist das Brennstoffzellensystem bei einer weiteren Ausführungsform eine Kathodengaszuführeinrichtung auf. Die Kathodengaszuführeinrichtung dient dabei dem Zweck, der Kathode der Brennstoffzelle bzw. den Kathoden der Brennstoffzellen ein Kathodengas zuzuführen. Dafür weist die Kathodengaszuführeinrichtung insbesondere eine Fördereinrichtung, beispielsweise eine Pumpe auf. Als Kathodengas dienen dabei zweckmäßig sauerstoffhaltige Gase, beispielsweise Luft.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist das Brennstoffzellensystem eine Rezirkulationseinrichtung auf. Die Rezirkulationseinrichtung relaubt dabei, ein Anodenabgas des Brennstoffzellensystems dem Reformer zuführbar zu machen. Die Rezirkulationseinrichtung führt also ein Teil des von der Brennstoffzelleneinheit erzeugten Anodenabgases zum Reformer. Damit werden etwaige und nutzbare Restbestandteile des Reformatgases wiederverwendet und somit eine Effizienz des Brennstoffzellensystems gesteigert.
Eine weitere Ausführungsform des Brennstoffzellensystems weist einen Restgasbrenner auf. Dabei verbrennt der Restgasbrenner zumindest einen Teil des Anodenabgases sowie einen Teil eines Kathodenabgases der Kathode. Weiter ist ein Restbrennerabgas des Restbrenners einem Wärmeübertrager zuführbar. Der Wärmeübertrager ist zudem vorzugsweise mit der Kathodengaszuführeinrichtung wärmeübertragend gekoppelt. Der Wärmeübertrager wärmt also das Kathodengas, also beispielsweise die Luft, vor dem Eintritt in die Brennstoffzelle bzw. in die Brennstoffzelleneinheit und somit vor dem Kontakt mit der Kathode auf.
Es sei darauf hingewiesen, dass die Brennstoffzelleneinheit mehrere Brennstoffzellen aufweisen kann, womit die Brennstoffzelleneinheit mehrere Anoden und mehrere Kathoden umfasst. Die Zuführung von Anodengas und Kathodengas, beispielsweise durch die Anodengaszuführeinrichtung bzw. durch die Kathodengaszuführeinrichtung kann dabei gemeinsam für alle Kathoden bzw. für alle Anoden erfolgen. Einzelne bzw. mehrere Kathoden oder Anoden können jedoch auch separat mit Kathodengas bzw. mit Anodengas versorgt werden. Werden die Anoden der Brennstoffzelleneinheit nicht durch eine einzige Anodengaszuführeinrichtung mit Anodengas versorgt, so können beliebig viele dieser Anodengaszuführeinrichtungen eine solche Reduktionseinrichtung, insbesondere eine solche Entschwefelungseinrichtung, aufweisen.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus der Zeichnung und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnung.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Die einzige 1 zeigt dabei eine schematische, schaltplanartige und stark vereinfachte Ausführungsform eines Brennstoffzellensystems.
Entsprechend 1 weist ein Brennstoffzellensystem 1 eine Brennstoffzelleneinheit 2 auf, die zumindest eine Brennstoffzelle 3 umfasst, wobei die gezeigte Ausführungsform eine einzige Brennstoffzelle 3 aufweist. Die Brennstoffzelle 3 weist eine Kathode 4 und eine Anode 5 auf, die durch ein Elektrolyt 6 voneinander getrennt sind. Eine von der Brennstoffzelle 3 erzeugte elektrische Spannung wird dabei über zwei elektrische Anschlüsse 7, die mit der Kathode 4 bzw. der Anode 5 verbunden sind, einem elektrischen Verbraucher 8 zur Verfügung gestellt. Zur Erzeugung der elektrischen Spannung wird die Brennstoffzelle 3 mit einem Kathodengas und einem Anodengas versorgt. Zur Versorgung der Kathode 4 mit Kathodengas weist das Brennstoffzellensystem 1 eine Kathodengaszuführeinrichtung 9 auf. Dabei weist die Kathodengaszuführeinrichtung 9 eine Fördereinrichtung 10 auf, die eine Luftmenge der Kathode 4 als Kathodengas zuführt. Zur Versorgung der Anode 5 mit Anodengas weist das Brennstoffzellensystem 1 eine Anodegaszuführeinrichtung 11 auf, die einen Reformer 12 umfasst. Der Reformer 12 erzeugt dabei ein Reformatgas als Anodengas, das über eine Zuführleitung 13 der Anode 5 zugeführt wird. Zur Reduzierung von höheren Kohlenwasserstoffen im Reformatgas, insbesondere durch deren Umformung in niedrigere Kohlenwasserstoffe, weist die Anodengaszuführeinrichtung 11 innerhalb der Zuführleitung 13 eine Reduktionseinrichtung 14 auf, die als eine Entschwefelungseinrichtung 15 ausgebildet sein kann. Die Reduktionseinrichtung 14 bzw. die Entschwefelungseinrichtung 15 ist also innerhalb der Anodengaszuführeinrichtung 11 zwischen dem Reformer 12 und der Anode 5 angeordnet. Die Entschwefelungseinrichtung 15 ist dabei derart ausgebildet, dass sie abschaltbar ist. Damit ist die Entschwefelungseinrichtung 15 insbesondere während eines Kaltstartes des Brennstoffzellensystems 1 einsetzbar, während dessen eine erhöhte Ablagerungswahrscheinlichkeit von höheren Kohlenwasserstoffen auf der Anode 5 besteht. Der Reformer 12 benötigt für die Erzeugung des Reformatgases einen Brennstoff und ein Oxidatorgas. Hierzu weist das Brennstoffzellensystem 1 eine Oxidatorzuführeinrichtung 16 sowie eine Brennstoffzuführeinrichtung 17 auf, wobei die Oxidatorzuführeinrichtung 16 über eine Fördereinrichtung 10 Luft als Oxidatorgas dem Reformer 12 zuführt. Die Brennstoffzuführeinrichtung 17 weist ebenfalls eine Fördereinrichtung 10 auf, die den Brennstoff aus einem Behälter 18 fördert und den Reformer 12 zuführt.
Das Brennstoffzellensystem 1 umfasst zudem eine Rezirkulationseinrichtung 19, die ein Anodenabgas der Anode 5 dem Reformer 12 zuführbar macht. Durch die Rezirkulationseinrichtung 19 ist also ein Teil des Anodenabgases dem Reformer 12 zuführbar. Dazu ist die Rezirkulationseinrichtung 19 einerseits mit einer Anodenabführleitung 20 und andererseits mit dem Reformer 12 fluidisch verbunden. Die Anodenabgasleitung 20 führt dabei das Anodenabgas der Anode 5 einem Restgasbrenner 21 des Brennstoffzellensystems 1 zu. Der Restgasbrenner 21 ist zudem durch eine Kathodenabgasleitung 22 mit der Brennstoffzelleneinheit 2 verbunden, wobei die Kathodenabgasleitung 22 ein Kathodenabgas der Kathode 4 dem Restgasbrenner 21 zuführt. Das Anodenabgas und das Kathodenabgas werden dabei innerhalb des Restgasbrenners 21 verbrannt, wobei ein Restgasbrennerabgas entsteht, dass einem Wärmeübertrager 23 zugeführt wird. Der Wärmeübertrager 23 ist andererseits mit der Kathodengaszuführeinrichtung 9 wärmeübertragend gekoppelt und wärmt somit das Kathodengas vor dem Eintritt in die Brennstoffzelleneinheit 2 bzw. vor dem Kontakt mit der Kathode 4 auf.

Claims

Brennstoffzellensystem (1), insbesondere für ein Kraftfahrzeug, mit einer zumindest eine Brennstoffzelle (3) umfassenden Brennstoffzelleneinheit (2), wobei - die Brennstoffzelle (3) eine Kathode (4) und eine Anode (5) aufweist, - die Brennstoffzelleneinheit (2) zumindest zwei elektrische Anschlüsse (7) zur Versorgung eines elektrischen Verbrauchers (8) aufweist, - das Brennstoffzellensystem (1) eine Anodengaszuführeinrichtung (11) zur Zuführung eines Reformatgases zur Anode (5) aufweist, - die Anodengaszuführeinrichtung (11) einen Reformer (12) zur Erzeugung des Reformatgases aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass - die Anodengaszuführeinrichtung (11) eine Reduktionseinrichtung (14) zur Reduzierung der Konzentration von höheren Kohlenwasserstoffen im Reformatgas aufweist, - die Reduktionseinrichtung (14) zwischen dem Reformer (12) und der Anode (5) angeordnet ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Reduktionseinrichtung (14) eine Entschwefelungseinrichtung (15) verwendet wird.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Reduktionseinrichtung (14) zumindest eine Entschwefelungsstufe aufweist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Reduktionseinrichtung (14) eine Hydrodesulfuriereinrichtung aufweist.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Reduktionseinrichtung (14) zumindest einen Katalysator umfasst, der insbesondere ein molybdänhaltiges Material aufweist
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoffzellensystem (1) eine Brennstoffzuführeinrichtung (17) zur Zuführung eines Brennstoffes zum Reformer (12) aufweist.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoffzellensystem (1) eine Oxidatorzuführeinrichtung (16) zur Zuführung eines Oxidatorgases zum Reformer (12) aufweist.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoffzellensystem (1) eine Kathodengaszuführeinrichtung (9) zur Zuführung eines Kathodengases zur Kathode (4) aufweist.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoffzellensystem (1) eine Rezirkulationseinrichtung (19) zur Rückführung eines Teils eines Anodenabgases zur Anodengaszuführeinrichtung (11) aufweist.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoffzellensystem (1) einen Restgasbrenner (21) zum Verbrennen des Anodenabgases und eines Kathodenabgases aufweist.