DE102013009244A1

DE102013009244A1 - Nullemissionsantrieb mit Brennstoffzelle und CO2-Abscheidung

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Publication number: DE102013009244A1
Application number: DE102013009244.2A
Authority: DE
Inventors: Reinhard Leithner; Ulrike Krewer
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2013-06-01
Filing date: 2013-06-01
Publication date: 2014-12-04

Abstract

CO2-emissionsfreie Brennstoffzellenautos mit z. B. PEM-Brennstoffzellen würden ein Wasserstofftankstellennetz benötigen und zudem ist wegen der geringen Energiedichte des Wasserstoffs die Reichweite eingeschränkt. Erfindungsgemäß werden, diese Probleme dadurch gelöst, dass ein üblicher Kraftstoff wie Benzin, Diesel, Autogas oder bevorzugt Erdgas verwendet wird, für die ein enges Tankstellennetz existiert, die eine hohe Energiedichte aufweisen und daher eine große Reichweite ermöglichen. Diese Kraftstoffe werden mit Wasserdampf bzw. Wasser aus der Brennstoffzelle in einem allothermen, d. h. über Heizflächen beheizten, Wasserdampfreformer mit Shiftreaktor in ein Produktgas bestehend aus Wasserstoff, CO2 und Restwasserdampf umgewandelt. Der Wasserstoff kann entweder in der Brennstoffzelle selbst (Fall 1) oder in einem Wasserstoff Membranabscheider mit Wasserdampf als Spülgas (Fall 2) gegebenenfalls mit Unterdruck oder mit Unterdruck allein (Fall 3) vom CO2 und dem Restwasserdampf abgetrennt werden. In allen drei Fällen bleibt ein Gemisch aus CO2 und Restwasserdampf übrig und die Kondensation des Restwasserdampfs führt zu weitgehend reinem CO2, das in einem Druckbehälter zwischengespeichert und beim Tanken an den Tankstellen zur Weiterverwendung oder Deponierung abgegeben wird. Im Fall von Methan nimmt das aus dem Methan entstehende CO2 bei gleichem Druck und gleicher Temperatur in etwa das gleiche Volumen ein wie das Methan, weshalb ein aus DE 10 2004 018 493 bekannter Doppelkammertank, bei dem das Methan und das CO2 z. B. durch eine flexible Membran getrennt sind, vorteilhaft eingesetzt werden kann. Der Wasserdampf für den Reformer stammt aus der Brennstoffzelle bzw. aus der Verdampfung von Kondensat der Brennstoffzelle. Die Beheizung des Reformers erfolgt durch die Verbrennung von Wasserstoff mit Luft. Dieser Wasserstoff muss im Fall 1 durch einen separaten Wasserstoff-Membranabscheider mit Wasserdampf als Spülgas und/oder Unterdruck erzeugt werden und kann im Fall 2 einfach vom Wasserstoff-Wasserdampfstrom des ohnehin vorhandenen Wasserstoff-Membranabscheiders abgezweigt werden. Im Fall 3 wird das wasserstoffhaltige Anodenabgas verwendet. Die Beheizung des Reformers kann auch direkt durch Verbrennung der verwendeten Kraftstoffe mit Luft erfolgen, was die Vorrichtung vereinfacht, aber zu einem geringen CO2-Ausstoß mit dem Abgas dieser Verbrennung führt.

Description

Dem Vorteil emissionsfreien Autofahrens z. B. mit PEM- und HT-PEM-Brennstoffzellen steht der Nachteil gegenüber, dass es kein flächendeckendes Wasserstofftankstellennetz gibt, Wasserstoff selbst bei hohen Drücken eine niedrige Energiedichte hat, d. h. nur geringe Reichweiten zulässt und die Wasserstoffspeicherung und -verwendung im Auto nicht unproblematisch ist. Demgegenüber gibt es schon ein enges Erdgas-, Autogas- und natürlich Benzin- und Dieseltankstellennetz und kommerzialisierte Fahrzeuge, die Erdgas und Autogas bzw. Benzin oder Diesel verwenden. Die mit Erdgas, Autogas, Benzin oder Diesel – also Kohlenwasserstoffen – betriebenen Fahrzeuge stoßen jedoch bisher CO₂ aus, denn das Abgas der herkömmlichen Verbrennungsmotoren enthält große Anteile Luftstickstoff und das CO₂ ließe sich nur mit großem Aufwand abtrennen.
Erfindungsgemäß werden diese Probleme dadurch gelöst, dass die üblichen Kraftstoffe wie Erdgas, Autogas, Benzin oder Diesel – also Kohlenwasserstoffe – in einem allothermen, d. h. über Heizflächen beheizten, Wasserdampfreformer mit Shiftreaktor in ein Produktgas bestehend aus Wasserstoff, CO₂ und Restwasserdampf umgewandelt werden. Der Wasserstoff kann entweder in der Brennstoffzelle selbst (Fall 1, siehe 1 und 2) oder in einem Wasserstoff-Membranabscheider mit Wasserdampf als Spülgas (Fall 2, siehe 3) gegebenenfalls mit Unterdruck oder mit Unterdruck. allein (Fall 3) vom CO₂ und dem Restwasserdampf abgetrennt werden. In allen drei Fällen bleibt ein Gemisch aus CO₂ und Restwasserdampf übrig und die Kondensation des Restwasserdampfs führt zu weitgehend reinem CO₂, das in einem Druckbehälter zwischengespeichert wird. Der Wasserdampf für den Reformer stammt aus der Brennstoffzelle bzw. aus der Verdampfung von Kondensat der Brennstoffzelle.
Die Beheizung des Reformers erfolgt durch die Verbrennung von Wasserstoff mit Luft. Dieser Wasserstoff muss im Fall 1 durch einen separaten Wasserstoff-Membranabscheider mit Wasserdampf als Spülgas (siehe 1 und 2) abgetrennt werden und kann im Fall 2 einfach vom Wasserstoff-Wasserdampfstrom des ohnehin vorhandenen Wasserstoff-Membranabscheiders abgezweigt werden (siehe 3). Die Beheizung des Reformers kann im Fall 1 auch durch die Verbrennung von Wasserstoff erfolgen, der aus dem Anodenabgas in einem Wasserstoff-Membranabscheider durch einen entsprechenden Unterdruck abgeschieden und mittels eines Gebläses zur Reformerheizung gefördert wurde (siehe 4), oder im Fall 3 direkt mit dem Anodenabgas. Die Reformerbeheizung kann aber auch direkt durch die Abgase der Verbrennung der verwendeten Kraftstoffe mit Luft erfolgen, was die Vorrichtung vereinfacht aber zu einem geringen CO₂-Ausstoß mit dem Abgas dieser Verbrennung führt.
Aus DE 10 2004 018 493 ist ein Doppelkammertank (siehe 1 bis 4) bekannt, in dem sowohl das Methan als auch das CO₂ gespeichert werden kann. Der im Methan enthaltene Kohlenstoff wird in Form von CO₂ im Doppelkammertank z. B. auf der anderen Seite einer flexiblen Membran oder eines verschiebbaren Kolbens bei gleichem Druck und gleicher Temperatur wie das Methan gespeichert. Dies ist problemlos möglich, weil ein Mol Methan unter gleichen Bedingungen in etwa dasselbe Volumen einnimmt wie ein Mol CO₂, das daraus entsteht. Dabei wird das Methan vor und gegebenenfalls während der Expansion mit Abwärme von anderen Komponenten wie z. B. der Kühlung zwischen Reformer und Shiftreaktor vorgewärmt, sodass der Expander Leistung für den CO₂-Kompressor, der vorzugsweise mit mindestens einer Zwischenkühlung samt Köndensatabscheidung versehen ist, und eventuell auch noch für einen Generator zur Stromerzeugung liefern kann. Falls z. B. beim Anfahren die Leistung des Expanders nicht ausreicht liefert der als Motor geschaltete Generator die Differenzleistung zum Antrieb des CO₂-Kompressors.
In einer weiteren Ausformung der Patentidee werden auch andere Kraftstoffe wie Autogas, Benzin oder Diesel eingesetzt und das entstandene CO₂ in einem einfachen Druckbehälter zwischengespeichert. In beiden Fällen wird das CO₂ beim Betanken an den Tankstellen zur weiteren Verwendung und/oder Deponierung abgegeben.
Zur Vereinfachung kann auch insbesondere bei gasförmigen Brennstoffen das Brenngas mit dem Kathodenabgas befeuchtet werden (siehe 4). Reicht das nicht aus oder bei flüssigen Kraftstoffen/Brennstoffen, kann Kondensat (Wasser) auch direkt dem befeuchteten Brenngas bzw. dem Kraftstoff zugemischt und in einer Vorwärmung mit Abwärme oder direkt im Reformer verdampft werden (siehe 4).
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102004018493 [0004]

Claims

Verfahren und Vorrichtung zum Betreiben einer PEM-Brennstoffzelle oder einer anderen Brennstoffzelle, die Wasserstoff nutzen kann, gekennzeichnet dadurch, dass in einem allothermen, d. h. über Heizflächen, beheizten Reformer aus Autogas, Benzin oder Diesel oder bevorzugt Methan – also aus den bekannten Kraftstoffen, die alle Kohlenwasserstoffe sind, – und Wasserdampf oder Wasser aus der Brennstoffzelle in einem Dampfreformierungs- und anschließenden Shiftprozeß in einem Shiftreaktor ein Gemisch aus Wasserstoff, CO₂ und Restwasserdampf erzeugt wird, das direkt als Brenngas auf der Anodenseite einer PEM-Brennstoffzelle oder einer anderen Brennstoffzelle, die Wasserstoff nutzen kann, verwendet wird. Die Beheizung des Reformers erfolgt entweder durch die Abgase der Verbrennung von zur Verfügung stehendem Kraftstoff mit Luft, wodurch kleine CO₂-Emissionen in Kauf genommen werden müssen, oder durch Verbrennung von Wasserstoff, der aus dem Produktgas des Reformer-Shift-Prozesses oder aus dem Anodenabgas z. B. mittels einer Membran und z. B. Wasserdampf als Spülgas und/oder Unterdruck abgetrennt wird, mit Luft. Aus dem Anodenabgas wird der Wasserdampf auskondensiert und das verbleibende CO₂ durch einen Kompressor verdichtet und in einem Druckbehälter, oder bei Verwendung von gasförmigen Kraftstoffen, insbesondere bei Methan, in einem Doppelkammertank, gespeichert, wobei das mit Abwärme aufgeheizte Methan bei der Entspannung in einer Expansionsmaschine den CO₂-Kompressor antreibt und eventuell noch überschüssige Leistung an einen Generator zur Stromerzeugung abgibt. Der Generator kann bei zu geringer Leistung der Expansionsmaschine auch als Motor betrieben werden und ggf., wenn auf eine Expansionsmaschine verzichtet wird, alleine den CO₂-Kompressor antreiben. Flüssige Brennstoffe können durch eine Pumpe auf Druck gebracht, durch Abwärme insbesondere des Reformers verdampft und ebenfalls in einer Entspannungsmaschine Leistung für den CO₂-Kompressor und eventuell einen Generator abgeben, bevor sie ggf. mit Wasser bzw. Wasserdampf der Brennstoffzelle gemischt in den Reformer geleitet werden.
Verfahren und Vorrichtung zum Betreiben einer PEM-Brennstoffzelle oder einer anderen Brennstoffzelle, die Wasserstoff nutzen kann, gekennzeichnet dadurch, dass in einem allothermen, d. h. über Heizflächen, beheizten Reformer aus Autogas, Benzin oder Diesel oder bevorzugt Methan – also aus den bekannten kraftstoffen, die alle Kohlenwasserstoffe sind, – und Wasserdampf oder Wasser aus der Brennstoffzelle in einem Dampfreformierungs- und anschließenden Shiftprozeß in einem Shiftreaktor ein Gemisch aus Wasserstoff, CO₂ und Restwasserdampf erzeugt wird. Dieses Produktgas wird auf die eine Seite eines Wasserstoff-Membranabscheiders geleitet, auf dessen zweiter Seite Wasserdampf gegebenenfalls mit Unterdruck strömt, der den Wasserstoff aufnimmt. Dieses Gemisch aus Wasserdampf und Wasserstoff wird als Brenngas auf der Anodenseite einer PEM-Brennstoffzelle oder einer anderen Brennstoffzelle, die Wasserstoff nutzen kann, verwendet und das Anodenabgas, d. h. der Wasserdampf, wird z. B. durch ein Gebläse zum Wasserstoff-Membranabscheider zurück d. h. also im Kreis gefördert. Die Beheizung des Reformers erfolgt entweder durch die Abgase der Verbrennung von zur Verfügung stehendem Kraftstoff mit Luft, wodurch kleine CO₂-Emissionen in Kauf genommen werden müssen, oder durch Verbrennung von Wasserstoff, der aus dem Produktgas des Reformer- Shift-Prozesses oder aus dem Anodenabgas z. B. mittels einer Membran und z. B. Wasserdampf als Spülgas und/oder Unterdruck abgetrennt wird, mit Luft. Aus dem Abgas der ersten Seite des Wasserstoffmembran-Abscheiders wird der Wasserdampf auskondensiert und das verbleibende CO₂ durch einen Kompressor verdichtet und in einem Druckbehälter, oder bei Verwendung von gasförmigen Kraftstoffen, insbesondere bei Methan, in einem Doppelkammertank, gespeichert, wobei das mit Abwärme aufgeheizte Methan bei der Entspannung in einer Expansionsmaschine den CO₂-Kompressor antreibt und eventuell noch überschüssige Leistung an einen Generator zur Stromerzeugung abgibt. Der Generator kann bei zu geringer Leistung der Expansionsmaschine auch als Motor betrieben werden und ggf., wenn auf eine Expansionsmaschine verzichtet wird, alleine den CO₂-Kompressor antreiben. Flüssige Brennstoffe können durch eine Pumpe auf Druck gebracht, durch Abwärme insbesondere des Reformers verdampft und ebenfalls in einer Entspannungsmaschine Leistung für den CO₂-Kompressor und eventuell einen Generator abgeben, bevor sie ggf. mit Wasser bzw. Wasserdampf der Brennstoffzelle gemischt in den Reformer geleitet werden.
Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1 zum Betreiben einer PEM-Brennstoffzelle oder einer anderen Brennstoffzelle, die Wasserstoff nutzen kann, gekennzeichnet dadurch, dass in einem mit Wasserstoff und Luft allotherm, d. h. über Heizflächen, beheizten Reformer aus Methan, Autogas, Benzin oder Diesel – also den bekannten Kraftstoffen, die alle Kohlenwasserstoffe sind, – und Wasserdampf in einem Dampfreformierungs- und anschließenden Shiftprozeß in einem Shiftreaktor ein Gemisch aus Wasserstoff, CO₂ und Restwasserdampf erzeugt wird. Sowohl zwischen Reformer und Shiftreaktor als auch nach dem Shiftreaktor und damit vor der PEM-Brennstoffzelle oder einer anderen geeigneten Brennstoffzelle wird über Wärmeübertrager Wärme abgeführt, um das jeweilige Temperaturniveau des Shiftreaktors bzw. der Brennstoffzelle einzustellen. Falls nötig werden auch Abscheider für Schadstoffe wie z. B. Schwefelverbindungen zwischengeschaltet. Die Wärme wird vorzugsweise dazu verwendet, um den Kraftstoff und die Luft vorzuwärmen und/oder in einem Verdampfer durch eine Pumpe gefördertes Kondensat (flüssiges Wasser) zu verdampfen und zu überhitzen, bzw. wird Restwärme an die Umgebung abgegeben. Der Wasserdampf aus diesem Verdampfer wird bis auf einen kleineren Teilstrom dem Reformer zugeführt. Das aus Wasserstoff, CO₂ und Restwasserdampf bestehende Produktgas aus dem Reformer und Shiftreaktor wird bis auf einen kleineren Teilstrom der Anodenseite einer PEM-Brennstoffzelle oder einer anderen geeigneten Brennstoffzelle zugeführt. Das Anodenabgas besteht nur noch aus CO₂ und Wasserdampf, weil der Wasserstoff in der Brennstoffzelle zur Stromerzeugung verwendet wurde, und wird einem Kompressor zugeführt. Vor dem Kompressor wird ein Großteil des Wasserdampfs und nach dem Kompressor bzw. der zweiten und gegebenenfalls weiteren Kompressorstufen wird der restliche Wasserdampf durch Wärmeabgabe auskondensiert. Die Wärme wird vorzugsweise dazu verwendet, um den Kraftstoff und die Luft vorzuwärmen und/oder in einem Verdampfer durch eine Pumpe gefördertes Kondensat zu verdampfen und zu überhitzen, bzw. wird Restwärme an die Umgebung abgegeben. Der Kompressor wird vorzugsweise durch einen Elektromotor angetrieben und drückt das CO₂ in einen Druckbehälter. Alle Kondensatströme aus dem Anoden- und Kathodenabgas etc. werden einer Pumpe zugeführt, die das für die Reformierung benötigte Kondensat zum Verdampfer fördert. Überschüssiges Kondensat wird in einen Kondensatsammelbehälter gepumpt und schließlich an die Umgebung abgegeben. Der bereits erwähnte kleinere Teilstrom des Reformer-Shift-Prozeß-Produktgases wird zu einem Wasserstoff-Membranabscheider geführt, in dem mittels des ebenfalls bereits erwähnten kleineren Teilstroms des Wasserdampfs aus dem Verdampfer als Spülgas der Wasserstoff abgetrennt und mit einem kleineren Teilstrom der Luft verbrannt wird. Die Verbrennungsgase werden zur allothermen Beheizung des Reformers und anschließend vorzugsweise dazu verwendet, um den Kraftstoff und die Luft vorzuwärmen und/oder in einem Verdampfer durch eine Pumpe gefördertes Kondensat zu verdampfen und zu überhitzen und werden schließlich an die Umgebung abgegeben. Das verbleibende CO₂-Wasserdampf-Gemisch aus diesem Wasserstoff-Membranabscheider wird dem Anodenabgas beigemischt. Ein Gebläse saugt Luft aus der Umgebung an, liefert sie größtenteils zur Kathodenseite der Brennstoffzelle und wie bereits erwähnt in einem kleineren Teilstrom zur Verbrennung von Wasserstoff für die allotherme Reformerheizung. Gegebenenfalls wird die Luft befeuchtet und vorgewärmt. Aus dem Kathodenabgas wird unter Wärmeabgabe Wasserdampfauskondensiert und das Kondensat der Pumpe zugeführt. Die Wärme wird soweit möglich zur Luftvorwärmung etc. verwendet. Das restliche Kathodenabgas, das aus Stickstoff, Restsauerstoff und Restfeuchte besteht, wird an die Umgebung abgegeben.
Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 10 zum Betreiben einer PEM-Brennstoffzelle oder anderen Brennstoffzelle, die Wasserstoff nutzen kann, gekennzeichnet dadurch, dass in einem mit Wasserstoff und Luft allotherm, d. h. über Heizflächen, beheizten Reformer aus Methan, Autogas, Benzin oder Diesel – also den bekannten Kraftstoffen, die alle Kohlenwasserstoffe sind, – und Wasserdampf in einem Dampfreformierungs- und anschließenden Shiftprozeß in einem Shiftreaktor ein Gemisch aus Wasserstoff, CO₂ und Restwasserdampf erzeugt wird. Sowohl zwischen Reformer und Shiftreaktor als auch zwischen dem Shiftreaktor und dem nachfolgenden Wasserstoff-Membranabscheider wird durch Wärmeübertrager Wärme abgeführt, um das jeweilige Temperaturniveau des Shiftreaktors bzw. des Wasserstoff-Membranabscheiders einzustellen. Falls nötig werden auch Abscheider für Schadstoffe wie z. B. Schwefelverbindungen zwischengeschaltet. Die Wärme wird vorzugsweise dazu verwendet, um den Kraftstoff und die Luft vorzuwärmen und gegebenenfalls Kondensat (flüssiges Wasser) zu verdampfen, bzw. wird Restwärme an die Umgebung abgegeben. Das aus Wasserstoff, CO₂ und Restwasserdampf bestehende Produktgas aus dem Reformer und Shiftreaktor wird wie bereits erwähnt in einen Wasserstoff-Membranabscheider geleitet, durch den der Wasserstoff auf einen Wasserdampfstrom übertragen wird, der mittels einer Fördereinrichtung wie z. B. eines Gebläses im Kreis die Anodenseite der Brennstoffzelle und den Wasserstoff-Membranabscheider durchströmt. Aus diesem Kreislauf wird vor dem Wasserstoff-Membranabscheider Wasserdampf für den Reformer und nach dem Wasserstoff-Membranabscheider Wasserdampf und Wasserstoff für die Reformerbeheizung abgezweigt. Überschüssiges Wasser dieses Kreislaufs wird durch Tröpfchenabscheider und gegebenenfalls mittels eines Kondensators abgeschieden, benötigter Wasserdampf wird aus einem Verdampfer zugeführt, der Anoden- und/oder Kathodenkondensat und/oder Kondensat aus dem Reformer-Shiftreaktor-Produktgas und/oder des CO₂-Kompressors etc. z. B. mittels Abwärme des Reformers und/oder Shiftreaktors und/oder des CO₂-Kompressors verdampft und gegebenenfalls überhitzt. Das CO₂ und der Restwasserdampf verlassen den Wasserstoff-Membranabscheider, der Wasserdampf wird kondensiert und das CO₂ komprimiert, in einem Druckbehälter gespeichert und beim Tanken an der Tankstelle abgegeben. Das gesamte Kondensat aus dem Anoden- und Kathodenabgas, gegebenenfalls aus dem Reformer-Shiftreaktor-Produktgas und vor bzw. nach der CO₂-Kompression etc. wird in einem Kondensatsammelbehälter gesammelt, aus dem das gegebenenfalls für die Verdampfung benötigte Kondensat wiederentnommen werden kann, falls nicht ausreichend Kondensat direkt dem Verdampfer zugeleitet wird. Das Kathodenabgas und das Abgas der Reformerheizung bestehend aus Stickstoff, Restluft und Restfeuchte wird nach Abgabe von Wärme an den Kraftstoff und die Luft und gegebenenfalls an den Verdampfer und Abscheidung von Kondensat an die Umgebung abgegeben. Die Luft wird von einem Gebläse aus der Umgebung angesaugt, gegebenenfalls mittels des Kathodenabgases und des Abgases der Reformerheizung befeuchtet und vorgewärmt bzw. auch durch andere Wärmezufuhr vorgewärmt und durch Wasserdampf aus einem Verdampfer befeuchtet größtenteils der Kathodenseite der Brennstoffzelle und zum kleineren Teil der allothermen Reformerheizung zugeführt.
Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 3 zum Betreiben einer PEM-Brennstoffzelle oder anderen geeigneten Brennstoffzelle unter Verwendung eines Doppelkammertanks, in dem Methan und CO₂ getrennt z. B. durch eine flexible Membran oder einen verschieblichen Kolben etc. gespeichert werden, gekennzeichnet dadurch, dass das mit Abwärme vor allem aus dem Reformer- und Shiftreaktor und dem CO₂-Kompressor vorgewärmte Methan in einer Entspannungsmaschine mechanische Leistung abgibt, die zum Antrieb des CO₂-Kompressors und gegebenenfalls zum Antrieb eines Generators zur Stromerzeugung verwendet wird. Reicht die Leistung der Entspannungsmaschine z. B. beim Start nicht aus, um den Kompressor anzutreiben, wird der Generator als Motor geschaltet und liefert die nötige restliche Antriebsleistung für den CO₂-Kompressor.
Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 3 und 5, gekennzeichnet dadurch, dass zwischen dem vorzugsweise gas- oder dampfförmigen Brennstoffstrom vor dem Reformer und dem Anodenabgasstrom ein Membranabscheider geschaltet wird, dessen Aufgabe es ist, gegebenenfalls noch im Anodenabgas enthaltenen Wasserstoff an den Brennstoffstrom zu übertragen. Dieser Membranabscheider kann entweder beim Druck der Brennstoffzelle oder auch bei höheren Drücken und entsprechenden Druckstufen des Kompressors und gegebenenfalls einer Entspannungsmaschine angeordnet sein.
Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 4 zum Betreiben einer PEM-Brennstoffzelle oder anderen geeigneten Brennstoffzelle unter Verwendung eines Doppelkammertanks, in dem Methan und CO₂ getrennt durch eine flexible Membran oder einen verschieblichen Kolben etc. gespeichert werden, gekennzeichnet dadurch, dass das mit Abwärme vor allem aus dem Reformer- und Shiftreaktor und dem CO₂-Kompressor vorgewärmte Methan in einer Entspannungsmaschine mechanische Leistung abgibt, die zum Antrieb des CO₂-Kompressors und gegebenenfalls zum Antrieb eines Generators zur Stromerzeugung verwendet wird. Reicht die Leistung der Entspannungsmaschine z. B. beim Start nicht aus, um den Kompressor anzutreiben, wird der Generator als Motor geschaltet und liefert die nötige restliche Antriebsleistung für den CO₂-Kompressor.
Verfahren und Vorrichtung nach den Ansprüchen 1, 3, 5, 6 und 10 zum Betreiben einer PEM-Brennstoffzelle oder einer anderen Brennstoffzelle, die Wasserstoff nutzen kann, gekennzeichnet dadurch, dass in einem mit Wasserstoff und Luft allotherm, d. h. über Heizflächen, beheizten Reformer aus Methan, Autogas, Benzin oder Diesel – also den bekannten Kraftstoffen, die alle Kohlenwasserstoffe sind, – und Wasserdampf in einem Dampfreformierungs- und anschließenden Shiftprozeß in einem Shiftreaktor ein Gemisch. aus Wasserstoff, CO₂ und Restwasserdampf erzeugt wird. Sowohl zwischen Reformer und Shiftreaktor als auch nach dem Shiftreaktor und damit vor der PEM-Brennstoffzelle oder einer anderen geeigneten Brennstoffzelle wird über Wärmeübertrager Wärme abgeführt, um das jeweilige Temperaturniveau des Shiftreaktors bzw. der Brennstoffzelle einzustellen. Falls nötig werden auch Abscheider für Schadstoffe wie z. B. Schwefelverbindungen zwischengeschaltet. Die Wärme wird vorzugsweise dazu verwendet, um den mit Wasser bzw. Wasserdampf vermischten Kraftstoff und die Luft vorzuwärmen bzw. wird Restwärme an die Umgebung abgegeben. Die Kraftstoffe werden zuerst in einem Membranbefeuchter durch das Kathodenabgas befeuchtet und, wenn dies nicht ausreicht, wird vor dem Reformer und der Vorwärmung, die zugleich eine Verdampfung des gegebenenfalls zugesetzten Kondensats (Wasser) ist, Kondensat zugesetzt. Kondensate können entstehen bei der Abkühlung des Produktgases nach dem Reformierungs- und Shiftprozess, der Anoden- und Kathodenabgase und bei der CO₂-Kompression etc. und werden in einem Kondensatsammelbehälter gesammelt. Die Reformerheizung wird mit Wasserstoff betrieben, der durch einen Wasserstoff-Membranabscheider z. B. über ein Gebläse durch einen entsprechenden Unterdruck aus dem Anodenabgas der Brennstoffzelle abgetrennt wird. Die Luft wird von einem Gebläse aus der Umgebung angesaugt, gegebenenfalls mittels des Kathodenabgases und des Abgases der Reformerheizung befeuchtet und vorgewärmt bzw. auch durch Wärmezufuhr von anderen Komponenten oder Abgasen, die gekühlt werden können oder müssen, vorgewärmt und durch Kondensat befeuchtet größtenteils der Kathodenseite der Brennstoffzelle und zum kleineren Teil der allothermen Reformerheizung zugeführt. Nach dem Wasserstoff-Membranabscheider wird aus dem Anodenabgas ein Großteil des Wasserdampfs und nach dem Kompressor bzw. der zweiten und gegebenenfalls weiteren Kompressorstufen wird der restliche Wasserdampf durch Wärmeabgabe auskondensiert. Die Wärme wird vorzugsweise dazu verwendet, um den Kraftstoff und die Luft vorzuwärmen, bzw. wird Restwärme an die Umgebung abgegeben. Der Kompressor wird vorzugsweise durch einen Elektromotor angetrieben und drückt das CO₂ in einen Druckbehälter. Falls Methan als Kraftstoff und ein Doppelkammertank verwendet wird, wird das mit Abwärme vor allem aus dem Reformer- und Shiftreaktor und dem CO₂-Kompressor vorgewärmte Methan in einer Entspannungsmaschine entspannt und gibt mechanische Leistung ab, die zum Antrieb des CO₂-Kompressors und gegebenenfalls zum Antrieb eines Generators zur Stromerzeugung verwendet wird. Reicht die Leistung der Entspannungsmaschine z. B. beim Start nicht aus, um den Kompressor anzutreiben, wird der Generator als Motor geschaltet und liefert die nötige restliche Antriebsleistung für den CO₂-Kompressor.
Verfahren und Vorrichtungen nach den Ansprüchen 1 bis 8 und 10, gekennzeichnet dadurch, dass auf die Wasserverdampfung für den Reformer verzichtet sondern diesem direkt Kondensat zugeführt wird.
Verfahren und Vorrichtung zum Betreiben einer PEM-Brennstoffzelle oder einer anderen Brennstoffzelle, die Wasserstoff nutzen kann, gekennzeichnet dadurch, dass in einem allothermen, d. h. über Heizflächen, beheizten Reformer aus Autogas, Benzin oder Diesel oder bevorzugt Methan – also aus den bekannten Kraftstoffen, die alle Kohlenwasserstoffe sind, – und Wasserdampf oder Wasser aus der Brennstoff-zelle in einem Dampfreformierungs- und anschließenden Shiftprozeß in einem Shiftreaktor ein Gemisch aus Wasserstoff, CO₂ und Restwasserdampf erzeugt wird. Dieses Produktgas wird auf die eine Seite eines Wasserstoff-Membranabscheiders geleitet, auf dessen zweiter Seite durch Unterdruck Wasserstoff und gegebenenfalls auch etwas Leckwasserdampf mit einem Gebläse abgezogen wird. Dieser Wasserstoff bzw., dieses Gemisch aus Wasserdampf und Wasserstoff wird als Brenngas auf der Anodenseite einer PEM-Brennstoffzelle oder einer anderen Brennstoffzelle, die Wasserstoff nutzen kann, verwendet und das Anodenabgas wird gegebenenfalls durch ein weiteres Gebläse zur Reformerheizung gefördert und wird mit Luft verbrannt. Die Abgase dieser Verbrennung beheizen den allothermen Reformer. Alternativ kann der Reformer auch durch die Abgase der Verbrennung des zur Verfügung stehenden Kraftstoffes mit Luft beheizt werden. Aus dem Abgas der ersten Seite des Wasserstoffmembran-Abscheiders wird der Wasserdampf auskondensiert und das verbleibende CO₂ durch einen Kompressor verdichtet und in einem Druckbehälter, oder bei Verwendung von gasförmigen Kraftstoffen, insbesondere bei Methan, in einem Doppelkammertank, gespeichert, wobei das mit Abwärme aufgeheizte Methan bei der Entspannung in einer Expansionsmaschine den CO₂-Kompressor antreibt und eventuell noch überschüssige Leistung an einen Generator zur Stromerzeugung abgibt. Der Generator kann bei zu geringer Leistung der Expansionsmaschine auch als Motor betrieben werden und ggf., wenn auf eine Expansionsmaschine verzichtet wird, alleine den CO₂-Kompressor antreiben. Flüssige Brennstoffe können durch eine Pumpe auf Druck gebracht, durch Abwärme insbesondere des Reformers verdampft und ebenfalls in einer Entspannungsmaschine Leistung für den CO₂-Kompressor und eventuell einen Generator abgeben, bevor sie ggf. mit Wasser bzw. Wasserdampf der Brennstoffzelle gemischt in den Reformer geleitet werden.