DE102016213143A1 - System zur Bereitstellung von Wasserstoff - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein System (10) zur Bereitstellung von Wasserstoff, umfassend einen Dampfreformer (30) und eine stromabwärts des Dampfreformers (30) angeordnete Brennstoffzelleneinheit (20). Dabei ist stromabwärts des Dampfreformers (30) eine Wasserstoff-Trenneinheit (32) angeordnet.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein System zur Bereitstellung von Wasserstoff, welches einen Dampfreformer und eine stromabwärts des Dampfreformers angeordnete Brennstoffzelleneinheit umfasst.
  • Stand der Technik
  • Es ist bekannt, in Dampfreformersystemen konventionelles Erdgas mittels Hochtemperaturdampfumformung in Gegenwart von Wasserdampf in Wasserstoff umzuwandeln. Als Nebenprodukte fallen dabei Kohlenstoffmonoxid und Kohlenstoffdioxid an. Zum Betrieb eines Dampfreformersystems wird sowohl Wärme als auch elektrischer Strom benötigt.
  • Mittels eines Wasser-Gas-Konvertierungsreaktors kann Kohlenstoffmonoxid in Gegenwart von Wasserdampf mittels Wasser-Gas-Konvertierungsreaktion zu Wasserstoff umgewandelt werden. Die Wasser-Gas-Konvertierungsreaktion ist eine exotherme Reaktion, und daher muss diese Reaktion bei möglichst niedrigen Temperaturen ablaufen, um eine maximale Ausbeute an Wasserstoff zu erhalten.
  • Der Wasserstoff muss von dem Kohlenstoffmonoxid und Kohlenstoffdioxid sowie dem restlichen Wasserdampf getrennt werden um sehr hohe Reinheitsgrade zu erreichen. Beispielsweise mittels Druckwechselabsorption kann der Wasserstoff von dem Kohlenstoffmonoxid und Kohlenstoffdioxid sowie dem restlichen Wasserdampf getrennt werden, und dabei sind Reinheitsgrade von 99,9% erreichbar.
  • Ferner ist es bekannt, mittels Elektrolyse reinen Wasserstoff und reinen Sauerstoff durch Aufspaltung von entsalztem Wasser zu gewinnen. Für die Elektrolyse von Wasser wird dabei Energie in Form von elektrischem Gleichstrom benötigt.
  • Ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Konditionieren von Wasserstoff sind aus der DE 10 2013 224 062 A1 bekannt. Dabei wird insbesondere mittels Elektrolyse unter Verwendung von elektrischer Energie Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff gespalten. Der gewonnene Wasserstoff wird in einem Druckspeicher gespeichert.
  • Zur Erzeugung von elektrischer Energie sind Brennstoffzellen, insbesondere Festoxid-Brennstoffzellen, bekannt. Der Brennstoffzelle wird dabei ein Brennstoff in Form von Wasserstoff oder Kohlenstoffmonoxid sowie Luft zugeführt. Der in der Luft enthaltene Sauerstoff reagiert in der Brennstoffzelle mit dem zugeführten Brennstoff, und es werden Wasser oder Kohlenstoffdioxid sowie auch überschüssiger Brennstoff abgegeben. Bei dieser Reaktion wird auch elektrischer Strom erzeugt.
  • Aus der DE 10 2013 226 305 A1 ist ein Brennstoffzellensystem bekannt, welches unter anderem einen Dampfreformer und eine stromabwärts des Dampfreformers angeordnete Festoxid-Brennstoffzelleneinheit umfasst. Im Betrieb wird dem Dampfreformer des Brennstoffzellensystems Erdgas zugeführt. In dem Dampfreformer wird Wasserstoff erzeugt, welcher der Festoxid-Brennstoffzelleneinheit zugeführt wird. Zusätzlich ist eine Speichervorrichtung vorgesehen, in welcher der erzeugte Wasserstoff zwischengespeichert werden kann. In der Festoxid-Brennstoffzelleneinheit werden dann elektrischer Strom und Wärme erzeugt.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Es wird ein System zur Bereitstellung von Wasserstoff vorgeschlagen, welches einen Dampfreformer und eine stromabwärts des Dampfreformers angeordnete Brennstoffzelleneinheit umfasst.
  • Dem Dampfreformer des Systems zur Bereitstellung von Wasserstoff werden Erdgas und Wasserdampf zugeführt. Der Dampfreformer umfasst insbesondere einen Katalysator, welcher die nachfolgend beschriebenen chemischen Reaktionen der zugeführten Stoffe Erdgas und Wasserdampf unterstützt. In dem Dampfreformer werden mittels Hochtemperaturdampfumformung insbesondere Wasserstoff und Kohlenstoffmonoxid erzeugt. Die entsprechende Reaktionsgleichung hierfür lautet: CnHm + nH2O → (n + m/2)H2 + nCO
  • Sofern es sich bei dem Erdgas um Methan handelt, lautet die entsprechende Reaktionsgleichung: CH4 + H2O → 3H2 + CO
  • Die Brennstoffzelleneinheit umfasst galvanische Zellen zur kontinuierlichen elektrochemischen Stromerzeugung. Dazu wird der Brennstoffzelleneinheit ein Brennstoff, insbesondere in Form von Wasserstoff und/oder Kohlenstoffmonoxid, sowie Luft zugeführt. Der Brennstoff reagiert in der Brennstoffzelleneinheit mit dem in der zugeführten Luft enthaltenen Sauerstoff, und es entstehen insbesondere Wasser und/oder Kohlenstoffdioxid. Bei dieser Reaktion wird auch elektrischer Strom erzeugt. Die entsprechenden Reaktionsgleichungen hierfür lauten: 2H2 + O2 → 2H2O 2CO + O2 → 2CO2
  • Erfindungsgemäß ist stromabwärts des Dampfreformers eine Wasserstoff-Trenneinheit angeordnet. Die Wasserstoff-Trenneinheit ist vorzugsweise als Druckwechsel-Adsorptionsanlage ausgestaltet und erlaubt eine Trennung von Gasgemischen unter Druck mittels Adsorption. In der Wasserstoff-Trenneinheit wird aus dem zugeführten Gasgemisch der Wasserstoff von den enthaltenen Nebenprodukten, insbesondere Kohlenstoffmonoxid, Kohlenstoffdioxid und/oder Wasserdampf, getrennt.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Wasserstoff-Trenneinheit stromabwärts der Brennstoffzelleneinheit des Systems zur Bereitstellung von Wasserstoff angeordnet.
  • Gemäß einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Wasserstoff-Trenneinheit stromaufwärts der Brennstoffzelleneinheit des Systems zur Bereitstellung von Wasserstoff angeordnet.
  • Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist stromabwärts des Dampfreformers ein Wasser-Gas-Konvertierungsreaktor angeordnet. In dem Wasser-Gas-Konvertierungsreaktor werden Kohlenstoffmonoxid und Wasserdampf zu Wasserstoff und Kohlenstoffdioxid umgesetzt. Der Wasser-Gas-Konvertierungsreaktor umfasst hierzu insbesondere einen Katalysator. Die entsprechende Reaktionsgleichung hierfür lautet: CO + H2O → CO2 + H2
  • Gemäß einer möglichen Ausgestaltung der Erfindung ist der Wasser-Gas-Konvertierungsreaktor stromabwärts der Brennstoffzelleneinheit des Systems zur Bereitstellung von Wasserstoff angeordnet.
  • Gemäß einer weiteren möglichen Ausgestaltung der Erfindung ist der Wasser-Gas-Konvertierungsreaktor stromaufwärts der Brennstoffzelleneinheit des Systems zur Bereitstellung von Wasserstoff angeordnet.
  • Vorzugsweise ist der Wasser-Gas-Konvertierungsreaktor stromaufwärts der Wasserstoff-Trenneinheit des Systems zur Bereitstellung von Wasserstoff angeordnet.
  • Bevorzugt umfasst die Brennstoffzelleneinheit mindestens eine Festoxid-Brennstoffzelle. Die Festoxid-Brennstoffzelle umfasst einen Elektrolyt aus einem keramischen Werkstoff, der in der Lage ist, Sauerstoffionen zu leiten, aber für Elektronen isolierend ist.
  • Wasserstoff, welcher von dem erfindungsgemäßen System bereitgestellt wird, findet vorteilhaft Verwendung zum Betanken eines wasserstoffbetriebenen Kraftfahrzeugs.
  • Elektrische Energie, welche von dem erfindungsgemäßen System zur Bereitstellung von Wasserstoff bereit gestellt wird, findet vorteilhaft Verwendung zum Laden einer Batterie eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eines Elektrofahrzeugs (EV), eines Hybridfahrzeugs (HEV) oder in eines Plug-In-Hybridfahrzeugs (PHEV).
  • Vorteile der Erfindung
  • Mittels des erfindungsgemäßen Systems kann Wasserstoff besonders effizient bereitgestellt werden, insbesondere zur Betankung von Fahrzeugen. Ferner wird elektrischer Strom erzeugt, welcher insbesondere zum Laden von Kraftfahrzeugbatterien verwendet werden kann. So können beispielsweise dezentrale duale Tank/Lade-Stellen für wasserstoffbetriebene Fahrzeuge und für Elektrofahrzeuge besonders wirtschaftlich betrieben werden. Auch die entstehende Abwärme kann vorteilhaft genutzt werden, insbesondere zur Erwärmung von Brauchwasser.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
  • 1 ein vereinfachtes Blockschaltbild eines Systems zur Bereitstellung von Wasserstoff,
  • 2 eine schematische Darstellung eines Systems zur Bereitstellung von Wasserstoff gemäß einer ersten Ausführungsform und
  • 3 eine schematische Darstellung eines Systems zur Bereitstellung von Wasserstoff gemäß einer zweiten Ausführungsform.
  • Ausführungsformen der Erfindung
  • In der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung werden gleiche oder ähnliche Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente in Einzelfällen verzichtet wird. Die Figuren stellen den Gegenstand der Erfindung nur schematisch dar.
  • In 1 ist ein vereinfachtes Blockschaltbild eines Systems 10 zur Bereitstellung von Wasserstoff dargestellt. Das System 10 zur Bereitstellung von Wasserstoff umfasst einen Gaseinlass 81, über welchen ein gasförmiges Medium, insbesondere Erdgas oder Methan, dem System 10 zur Bereitstellung von Wasserstoff zugeführt wird.
  • Das System 10 zur Bereitstellung von Wasserstoff umfasst ferner einen Wassereinlass 82, über welchen Frischwasser dem System 10 zur Bereitstellung von Wasserstoff zugeführt wird. Auch umfasst das System 10 zur Bereitstellung von Wasserstoff einen Lufteinlass 83, über welchen sauerstoffhaltige Umgebungsluft dem System 10 zur Bereitstellung von Wasserstoff zugeführt wird.
  • Das System 10 zur Bereitstellung von Wasserstoff umfasst einen Wasserstoffauslass 92, über welchen der erzeugte Wasserstoff dem System 10 zur Bereitstellung von Wasserstoff entnommen werden kann. Der entnommene Wasserstoff dient insbesondere zum Betanken wasserstoffbetriebener Fahrzeuge.
  • Das System 10 zur Bereitstellung von Wasserstoff umfasst ferner einen Stromausgang 95, über welchen der erzeugte Strom dem System 10 zur Bereitstellung von Wasserstoff entnommen werden kann. Der entnommene Strom dient insbesondere zum Laden von Batterien von Kraftfahrzeugen. Der erzeugte Strom kann beispielsweise auch in das Stromnetz eingespeist werden oder kann zum Betrieb lokaler Verbraucher, beispielsweise Beleuchtung sowie Ventilatoren, verwendet werden.
  • Das System 10 zur Bereitstellung von Wasserstoff umfasst auch einen Abgasauslass 91, über welchen erzeugte Abgase, die insbesondere Kohlenstoffdioxid enthalten, aus dem System 10 zur Bereitstellung von Wasserstoff abgeführt werden.
  • Weiterhin umfasst das System 10 zur Bereitstellung von Wasserstoff einen Heißwasserauslass 93, über welchen durch Abwärme erwärmtes Brauchwasser aus dem System 10 zur Bereitstellung von Wasserstoff entnommen werden kann. Zusätzlich umfasst das System 10 zur Bereitstellung von Wasserstoff einen Heißluftauslass 94, über welchen durch Abwärme erwärmte Luft aus dem System 10 zur Bereitstellung von Wasserstoff entnommen werden kann. Das erwärmte Brauchwasser sowie die erwärmte Luft sind beispielsweise beim Betrieb einer Waschanlage zum Waschen sowie zum anschließenden Trocknen von Fahrzeugen verwendbar.
  • 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Systems 10 zur Bereitstellung von Wasserstoff gemäß einer ersten Ausführungsform. Das System 10 umfasst dabei, wie bereits aus 3 bekannt, einen Gaseinlass 81, einen Wassereinlass 82, einen Lufteinlass 83, einen Abgasauslass 91, einen Wasserstoffauslass 92, einen Heißwasserauslass 93, einen Heißluftauslass 94 und einen Stromausgang 95.
  • Das System 10 umfasst ferner eine Entschwefelungseinheit 40, in welcher durch den Gaseinlass 81 eingeleitetes Gas entschwefelt wird. Stromabwärts der Entschwefelungseinheit 40 ist ein Eingangswärmetauscher 55 angeordnet, in welchem das Gas erwärmt wird. Stromabwärts des Eingangswärmetauschers 55 ist ein Zwischenwärmetauscher 56 angeordnet, in welchem das Gas weiter erwärmt wird.
  • Stromabwärts des Zwischenwärmetauschers 56 wird durch den Wassereinlass 82 eingeleitetes Wasser mit dem Gas gemischt. Weiter stromabwärts ist ein erster Wärmetauscher 51 angeordnet, in welchem das Gas und das Wasser weiter erwärmt werden, wodurch das Wasser verdampft.
  • Stromabwärts des ersten Wärmetauschers 51 ist ein Dampfreformer 30 angeordnet, dem das Gas sowie der Wasserdampf zugeführt werden. In dem Dampfreformer 30 werden mittels Hochtemperaturdampfumformung Wasserstoff und Kohlenstoffmonoxid als Brennstoffe erzeugt. Der Dampfreformer 30 wird mit einem Überschuss an Wasserdampf betrieben, so dass auch Wasserdampf aus dem Dampfreformer 30 austritt.
  • Stromabwärts des Dampfreformers 30 ist eine Brennstoffzelleneinheit 20 angeordnet, welche als Festoxid-Brennstoffzellenstapel ausgeführt ist. Die Brennstoffzelleneinheit 20 weist einen Anodeneingang 21, einen Kathodeneingang 22, einen Anodenausgang 23 und einen Kathodenausgang 24 auf. Die Brennstoffzelleneinheit 20 ist ferner mit dem Stromausgang 95 elektrisch verbunden.
  • Die aus dem Dampfreformer 30 austretenden Brennstoffe Wasserstoff und Kohlenstoffmonoxid sowie der austretende Wasserdampf werden dem Anodeneingang 21 der Brennstoffzelleneinheit 20 zugeleitet. Durch den Lufteinlass 83 eingeleitete Luft, die Sauerstoff enthält, wird in einem zweiten Wärmetauscher 52 erwärmt und dem Kathodeneingang 22 der Brennstoffzelleneinheit 20 zugeleitet.
  • Ein Teil der erwärmten Luft wird über den Heißluftauslass 94 dem System 10 entnommen. Der Heißluftauslass 94 ist vorliegend stromaufwärts des Kathodeneingangs 22 der Brennstoffzelleneinheit 20 angeordnet. Der Heißluftauslass 94 kann beispielsweise auch stromabwärts des Kathodenausgangs 24 der Brennstoffzelleneinheit 20 angeordnet sein.
  • In der Brennstoffzelleneinheit 20 reagieren die Brennstoffe Wasserstoff und Kohlenstoffmonoxid mit dem Sauerstoff. Bei dieser Reaktion entstehen Wasser und Kohlenstoffdioxid. Dabei wird elektrischer Strom erzeugt, welcher über den Stromausgang 95 dem System 10 entnommen werden kann.
  • Entstandenes Wasser und Kohlenstoffdioxid sowie überschüssige Brennstoffe in Form von Wasserstoff und Kohlenstoffmonoxid treten am Anodenausgang 23 der Brennstoffzelleneinheit 20 aus und werden dem stromabwärts angeordneten Zwischenwärmetauscher 56 zugeführt. Dort erwärmen die am Anodenausgang 23 ausgetretenen Stoffe das eingeleitete Gas und werden dabei abgekühlt.
  • Ein Teil der am Anodenausgang 23 ausgetretenen Stoffe, insbesondere Wasser, wird über einen Rücklauf 48 wieder dem Dampfreformer 30 zugeführt. Der Rücklauf 48 ist dabei optional und kann auch entfallen, wenn Wasser über den Wassereinlass 82 stromaufwärts des Dampfreformers 30 eingeleitet wird. Ebenso kann die Einleitung von Wasser über den Wassereinlass 82 stromaufwärts des Dampfreformers 30 entfallen, wenn Wasser über den Rücklauf 48 dem Dampfreformer 30 zugeführt wird.
  • Stromabwärts des Zwischenwärmetauschers 56 ist ein Wasser-Gas-Konvertierungsreaktor 34 angeordnet, dem die am Anodenausgang 23 ausgetretenen Stoffe zugeleitet werden. In dem Wasser-Gas-Konvertierungsreaktor 34 werden Kohlenstoffmonoxid und Wasserdampf zu Wasserstoff und Kohlenstoffdioxid umgesetzt.
  • Aus dem Wasser-Gas-Konvertierungsreaktor 34 treten insbesondere Kohlenstoffdioxid, verbleibendes Kohlenstoffmonoxid und Wasserstoff aus und werden dem stromabwärts angeordneten Eingangswärmetauscher 55 zugeführt. Dort erwärmen die aus dem Wasser-Gas-Konvertierungsreaktor 34 ausgetretenen Stoffe das eingeleitete Gas und werden dabei abgekühlt.
  • Stromabwärts des Eingangswärmetauschers 55 ist eine Wasserstoff-Trenneinheit 32 angeordnet, der die aus dem Wasser-Gas-Konvertierungsreaktor 34 ausgetretenen Stoffe zugeleitet werden. Die Wasserstoff-Trenneinheit 32 ist dabei als Druckwechsel-Adsorptionsanlage ausgestaltet. In der Wasserstoff-Trenneinheit 32 wird der Wasserstoff von übrigen Stoffen, insbesondere Kohlenstoffdioxid getrennt. Der abgetrennte Wasserstoff kann dann über den Wasserstoffauslass 92 dem System 10 entnommen werden.
  • Stromabwärts der Wasserstoff-Trenneinheit 32 ist ein Nachbrenner 42 angeordnet. Dem Nachbrenner 42 werden die Stoffe zugeleitet, die in der Wasserstoff-Trenneinheit 32 von dem Wasserstoff getrennt wurden, also insbesondere Kohlenstoffdioxid und Kohlenstoffmonoxid. Aus dem Kathodenausgang 24 der Brennstoffzelleneinheit 20 tritt überschüssige Luft aus, die ebenfalls dem Nachbrenner 42 zugeleitet wird.
  • Aus dem Nachbrenner 42 austretende Stoffe werden dem stromabwärts des Nachbrenners 42 angeordneten zweiten Wärmetauscher 52 zugeleitet und erwärmen die durch den Lufteinlass 83 eintretende Luft. Die aus dem zweiten Wärmetauscher 52 austretenden Stoffe werden dem stromabwärts des zweiten Wärmetauschers 52 angeordneten ersten Wärmetauscher 51 zugeleitet und erwärmen das in den Dampfreformer 30 eintretende Gas.
  • Stromabwärts des ersten Wärmetauschers 51 ist ein dritter Wärmetauscher 53 angeordnet, dem die aus dem ersten Wärmetauscher 51 austretenden Stoffe zugeleitet werden um Wasser, welches durch den Wassereinlass 82 eingetreten ist, zu erwärmen. Das in dem dritten Wärmetauscher 53 erwärmte Wasser kann über den Heißwasserauslass 93 dem System 10 entnommen werden. Die aus dem dritten Wärmetauscher 53 austretenden Stoffe werden über den Abgasauslass 91 aus dem System 10 abgegeben.
  • 3 zeigt eine schematische Darstellung eines Systems 10 zur Bereitstellung von Wasserstoff gemäß einer zweiten Ausführungsform. Das System 10 umfasst dabei, wie bereits aus 3 bekannt, einen Gaseinlass 81, einen Wassereinlass 82, einen Lufteinlass 83, einen Abgasauslass 91, einen Wasserstoffauslass 92, einen Heißwasserauslass 93, einen Heißluftauslass 94 und einen Stromausgang 95.
  • Das System 10 umfasst ferner eine Entschwefelungseinheit 40, in welcher durch den Gaseinlass 81 eingeleitetes Gas entschwefelt wird. Stromabwärts der Entschwefelungseinheit 40 ist ein Vorlaufwärmetauscher 57 angeordnet, in welchem das Gas erwärmt wird.
  • Stromabwärts des Vorlaufwärmetauschers 57 wird durch den Wassereinlass 82 eingeleitetes Wasser mit dem Gas gemischt. Weiter stromabwärts ist ein erster Wärmetauscher 51 angeordnet, in welchem das Gas und das Wasser weiter erwärmt werden, wodurch das Wasser verdampft.
  • Stromabwärts des ersten Wärmetauschers 51 ist ein Dampfreformer 30 angeordnet, dem das Gas sowie der Wasserdampf zugeführt werden. In dem Dampfreformer 30 werden mittels Hochtemperaturdampfumformung Wasserstoff und Kohlenstoffmonoxid als Brennstoffe erzeugt. Der Dampfreformer 30 wird mit einem Überschuss an Wasserdampf betrieben, so dass auch Wasserdampf aus dem Dampfreformer 30 austritt.
  • Die aus dem Dampfreformer 30 austretenden Stoffe und werden dem stromabwärts angeordneten Vorlaufwärmetauscher 57 zugeführt. Dort erwärmen die aus dem Dampfreformer 30 ausgetretenen Stoffe das eingeleitete Gas und werden dabei abgekühlt.
  • Stromabwärts des Vorlaufwärmetauschers 57 ist eine Wasserstoff-Trenneinheit 32 angeordnet, der die aus dem Dampfreformer 30 ausgetretenen Stoffe zugeleitet werden. Die Wasserstoff-Trenneinheit 32 ist dabei als Druckwechsel-Adsorptionsanlage ausgestaltet. In der Wasserstoff-Trenneinheit 32 wird der Wasserstoff von übrigen Stoffen, insbesondere Kohlenstoffmonoxid und Wasser, getrennt. Der abgetrennte Wasserstoff kann dann über den Wasserstoffauslass 92 dem System 10 entnommen werden.
  • Stromabwärts der Wasserstoff-Trenneinheit 32 ist eine Brennstoffzelleneinheit 20 angeordnet, welche als Festoxid-Brennstoffzellenstapel ausgeführt ist. Die Brennstoffzelleneinheit 20 weist einen Anodeneingang 21, einen Kathodeneingang 22, einen Anodenausgang 23 und einen Kathodenausgang 24 auf. Die Brennstoffzelleneinheit 20 ist ferner mit dem Stromausgang 95 elektrisch verbunden.
  • Die Stoffe, die in der Wasserstoff-Trenneinheit 32 von dem Wasserstoff getrennt wurden, also insbesondere Kohlenstoffmonoxid und Wasser, werden durch einen Rücklaufwärmetauscher 58 hindurch geleitet, dort erwärmt, und dem Anodeneingang 21 der Brennstoffzelleneinheit 20 zugeleitet. Der Rücklaufwärmetauscher 58 ist dabei optional und kann auch entfallen. Durch den Lufteinlass 83 eingeleitete Luft, die Sauerstoff enthält, wird in einem zweiten Wärmetauscher 52 erwärmt und dem Kathodeneingang 22 der Brennstoffzelleneinheit 20 zugeleitet.
  • Ein Teil der erwärmten Luft wird über den Heißluftauslass 94 dem System 10 entnommen. Der Heißluftauslass 94 ist vorliegend stromaufwärts des Kathodeneingangs 22 der Brennstoffzelleneinheit 20 angeordnet. Der Heißluftauslass 94 kann beispielsweise auch stromabwärts des Kathodenausgangs 24 der Brennstoffzelleneinheit 20 angeordnet sein.
  • In der Brennstoffzelleneinheit 20 reagiert der Brennstoff Kohlenstoffmonoxid mit dem Sauerstoff. Bei dieser Reaktion entsteht Kohlenstoffdioxid. Dabei wird elektrischer Strom erzeugt, welcher über den Stromausgang 95 dem System 10 entnommen werden kann.
  • Eingeleitetes Wasser und entstandenes Kohlenstoffdioxid sowie eventuell überschüssige Brennstoffe treten am Anodenausgang 23 der Brennstoffzelleneinheit 20 aus. Ein Teil der am Anodenausgang 23 ausgetretenen Stoffe, insbesondere Wasser, wird über einen Rücklauf 48 durch den Rücklaufwärmetauscher 58 geführt, dort gekühlt und wieder dem Dampfreformer 30 zugeführt.
  • Der Rücklauf 48 ist dabei optional und kann auch entfallen, wenn Wasser über den Wassereinlass 82 stromaufwärts des Dampfreformers 30 eingeleitet wird. In diesem Fall entfällt auch der Rücklaufwärmetauscher 58. Ebenso kann die Einleitung von Wasser über den Wassereinlass 82 stromaufwärts des Dampfreformers 30 entfallen, wenn Wasser über den Rücklauf 48 dem Dampfreformer 30 zugeführt wird.
  • Stromabwärts der Brennstoffzelleneinheit 20 ist ein Nachbrenner 42 angeordnet. Dem Nachbrenner 42 werden die Stoffe zugeleitet, die am Anodenausgang 23 der Brennstoffzelleneinheit 20 austreten und nicht durch den Rücklauf 48 zurückgeführt werden. Aus dem Kathodenausgang 24 der Brennstoffzelleneinheit 20 tritt überschüssige Luft aus, die ebenfalls dem Nachbrenner 42 zugeleitet wird.
  • Aus dem Nachbrenner 42 austretende Stoffe werden dem stromabwärts des Nachbrenners 42 angeordneten zweiten Wärmetauscher 52 zugeleitet und erwärmen die durch den Lufteinlass 83 eintretende Luft. Die aus dem zweiten Wärmetauscher 52 austretenden Stoffe werden dem stromabwärts des zweiten Wärmetauschers 52 angeordneten ersten Wärmetauscher 51 zugeleitet und erwärmen das in den Dampfreformer 30 eintretende Gas.
  • Stromabwärts des ersten Wärmetauschers 51 ist ein dritter Wärmetauscher 53 angeordnet, dem die aus dem ersten Wärmetauscher 51 austretenden Stoffe zugeleitet werden um Wasser, welches durch den Wassereinlass 82 eingetreten ist, zu erwärmen. Das in dem dritten Wärmetauscher 53 erwärmte Wasser kann über den Heißwasserauslass 93 dem System 10 entnommen werden. Die aus dem dritten Wärmetauscher 53 austretenden Stoffe werden über den Abgasauslass 91 aus dem System 10 abgegeben.
  • Optional kann ein Wasser-Gas-Konvertierungsreaktor 34 stromaufwärts der Brennstoffzelleneinheit 20 und stromabwärts des Dampfreformers 30 angeordnet sein. Der Wasser-Gas-Konvertierungsreaktor 34 kann dabei stromaufwärts sowie stromabwärts der Wasserstoff-Trenneinheit 32 angeordnet sein.
  • Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102013224062 A1 [0006]
    • DE 102013226305 A1 [0008]

Claims (10)

  1. System (10) zur Bereitstellung von Wasserstoff, umfassend einen Dampfreformer (30) und eine stromabwärts des Dampfreformers (30) angeordnete Brennstoffzelleneinheit (20) dadurch gekennzeichnet, dass stromabwärts des Dampfreformers (30) eine Wasserstoff-Trenneinheit (32) angeordnet ist.
  2. System (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wasserstoff-Trenneinheit (32) stromabwärts der Brennstoffzelleneinheit (20) angeordnet ist.
  3. System (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wasserstoff-Trenneinheit (32) stromaufwärts der Brennstoffzelleneinheit (20) angeordnet ist.
  4. System (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass stromabwärts des Dampfreformers (30) ein Wasser-Gas-Konvertierungsreaktor (34) angeordnet ist.
  5. System (10) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasser-Gas-Konvertierungsreaktor (34) stromabwärts der Brennstoffzelleneinheit (20) angeordnet ist
  6. System (10) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasser-Gas-Konvertierungsreaktor (34) stromaufwärts der Brennstoffzelleneinheit (20) angeordnet ist.
  7. System (10) nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasser-Gas-Konvertierungsreaktor (34) stromaufwärts der Wasserstoff-Trenneinheit (32) angeordnet ist.
  8. System (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzelleneinheit (20) mindestens eine Festoxid-Brennstoffzelle umfasst.
  9. Verwendung von Wasserstoff, welcher von dem System (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche bereitgestellt wird, zum Betanken eines wasserstoffbetriebene Kraftfahrzeugs.
  10. Verwendung von elektrischer Energie, welche von dem System (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 bereit gestellt wird, zum Laden einer Batterie eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eines Elektrofahrzeugs (EV), eines Hybridfahrzeugs (HEV) oder in eines Plug-In-Hybridfahrzeugs (PHEV).
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