DE102021214213A1

DE102021214213A1 - Brennstoffzellenvorrichtung und System mit einer Brennstoffzellenvorrichtung

Info

Publication number: DE102021214213A1
Application number: DE102021214213.3A
Authority: DE
Inventors: Sebastian Egger; Maxime Carre
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2021-12-13
Filing date: 2021-12-13
Publication date: 2023-06-15
Also published as: WO2023110199A1

Abstract

Die Erfindung geht aus von einer Brennstoffzellenvorrichtung mit zumindest einer Ammoniakzufuhr (16a; 16b), in dem zumindest ein Ammoniak als Primärenergieträger gelagert ist, und mit zumindest einem Brennstoffzellenmodul (12a; 12b), dem aus dem Ammoniakzufuhr (16a; 16b) Ammoniak als Primärenergieträger zugeführt wird.Es wird vorgeschlagen, dass die Brennstoffzellenvorrichtung einen Gasausgang (34a; 34b) aufweist, der an einer Anodenabgasleitung (28a; 28b) des Brennstoffzellenmoduls (12a; 12b) angeordnet ist, wobei der Gasausgang (34a; 34b) dazu vorgesehen ist, dass durch ihn ein wasserstoffhaltiges Anodenabgas zu einem weiteren Gebrauch ausleitbar ist.

Description

Stand der Technik
Es ist bereits eine Brennstoffzellenvorrichtung mit zumindest einer Ammoniakzufuhr, in dem zumindest ein Ammoniak als Primärenergieträger gelagert ist und mit zumindest einem Brennstoffzellenmodul, dem aus der Ammoniakzufuhr Ammoniak als Primärenergieträger zugeführt wird, vorgeschlagen worden.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung geht aus von einer Brennstoffzellenvorrichtung mit zumindest einer Ammoniakzufuhr, in dem zumindest ein Ammoniak als Primärenergieträger gelagert ist und mit zumindest einem Brennstoffzellenmodul, dem aus der Ammoniakzufuhr Ammoniak als Primärenergieträger zugeführt wird.
Es wird vorgeschlagen, dass die Brennstoffzellenvorrichtung einen Gasausgang aufweist, der an einer Anodenabgasleitung des Brennstoffzellenmoduls angeordnet ist, wobei der Gasausgang dazu vorgesehen ist, dass durch ihn ein wasserstoffhaltiges Anodenabgas zu einem weiteren Gebrauch ausleitbar ist. Unter einem „Brennstoffzellenmodul“ soll vorzugsweise ein Brennstoffzellen-Stack verstanden werden. Vorzugsweise ist das zumindest eine Brennstoffzellenmodul dazu vorgesehen, chemische Reaktionsenergie eines kontinuierlich zugeführten Brennstoffes und eines Oxidationsmittels in elektrische Energie umzuwandeln. Der Brennstoff bildet den Primärenergieträger des Brennstoffzellenmoduls aus. Vorzugsweise ist das zumindest eine Brennstoffzellenmodul dazu vorgesehen, elektrische Energie aus dem Brennstoff zu gewinnen. Vorzugsweise weist das zumindest eine Brennstoffzellenmodul wenigstens eine Anode auf, die in Kontakt mit dem Brennstoff steht. Vorzugsweise ist das zumindest eine Brennstoffzellenmodul dazu vorgesehen, bei einer Temperatur von mindestens 450 °C betrieben zu werden. Vorzugsweise ist das zumindest eine Brennstoffzellenmodul als ein Hochtemperaturbrennstoffzellenmodul ausgebildet. Besonders bevorzugt ist das zumindest eine Brennstoffzellenmodul als ein Festoxidbrennstoffzellenmodul ausgebildet. Vorzugsweise umfasst das zumindest eine Festoxidbrennstoffzellenmodul wenigstens einen Elektrolyten, der aus einem festen keramischen Werkstoff gebildet ist und der dazu vorgesehen ist, Sauerstoffionen zu leiten, wobei insbesondere der keramische Werkstoff für Elektronen isolierend wirkt. Unter „vorgesehen“ soll vorzugsweise speziell programmiert, ausgelegt und/oder ausgestattet verstanden werden. Darunter, dass ein Objekt zu einer bestimmten Funktion vorgesehen ist, soll insbesondere verstanden werden, dass das Objekt diese bestimmte Funktion in zumindest einem Anwendungs- und/oder Betriebszustand erfüllt und/oder ausführt. Unter einer „Ammoniakzufuhr“ soll vorzugsweise eine Vorrichtung verstanden werden, über die der Brennstoffzellenvorrichtung ein Ammoniak als Primärenergieträger bzw. Brennstoff zugeführt werden kann. Die Ammoniakzufuhr kann dabei eine Pipeline und/oder Rohrleitung aufweisen, über die der Brennstoffzellenvorrichtung ein Ammoniak von einer externen Ammoniakquelle, wie beispielsweisen einem externen Ammoniakspeicher oder Ammoniaktank, zugeführt werden kann. Vorzugsweise kann die Ammoniakzufuhr der Brennstoffzellenvorrichtung auch selbst einen Ammoniaktank aufweisen, in dem ein Ammoniak zur Verwendung in der Brennstoffzellenvorrichtung zumindest zwischengespeichert werden kann. Der Ammoniaktank der Ammoniakzufuhr kann dabei beispielsweise auch über eine Rohrleitung von einer externen Ammoniakquelle gespeichert werden, oder beispielsweise einen Tankstutzen aufweisen, über den ein Ammoniak in den Ammoniaktank gefüllt werden kann. Unter einem „Primärenergieträger“ soll vorzugsweise ein Gas oder Gasgemisch verstanden werden, das zur Erzeugung einer elektrischen Energie dem Brennstoffzellenmodul zugeführt wird. Unter einem „Gasausgang“ soll vorzugsweise ein Ausgang verstanden werden durch den ein Gas aus der Brennstoffzellenvorrichtung ausgeleitet werden kann. Über den Gasausgang kann ein Anodenabgas zu einer Verwendung außerhalb der Brennstoffzellenvorrichtung aus der Brennstoffzellenvorrichtung ausgeleitet werden. Ein aus dem Gasausgang strömendes Anodenabgas wird nicht mehr als Rezirkulat der Brennstoffzellenvorrichtung bzw. dem Brennstoffzellenmodul zurückgeführt. Unter einer „Anodenabgasleitung“ soll vorzugsweise eine Leitung verstanden werden, die an einem Anodenaustritt des Brennstoffzellenmoduls angeschlossen ist und über die ein während des Betriebs aus dem Brennstoffzellenmodul strömendes Anodenabgas abgeleitet wird. Unter einem „Anodenaustritt“ soll vorzugsweise eine Austrittsöffnung der zumindest einen Anode des Brennstoffzellenmoduls verstanden werden, über die das weitere Prozessgasgemisch während eines Betriebs von der zumindest einen Anode des Brennstoffzellenmoduls weggelangt. Unter einem „Anodenabgas“ soll vorzugsweise ein aus der Anode des Brennstoffzellenmoduls ausströmendes wasserstoffhaltiges Anodenproduktgas verstanden werden. Das Anodenabgas ist ein Gasgemisch, das als Produkt der in dem Brennstoffzellenmodul stattfindenden Reaktion aus dem Anodenaustritt aus der Anode des Brennstoffzellenmoduls austritt. Die Bezeichnung „Abgas“ in dem Wort Anodenabgas soll sich nicht darauf beziehen, dass Gasgemisch ein Abgas im Sinne von einem nicht mehr zu gebrauchenden Gasgemisch ist. Das Anodenabgas ist ein aus dem Brennstoffzellenmodul aus der Anode abströmendes Gasgemisch, das einen Wasserstoffanteil aufweist, der für weitere Zwecke verwendet werden kann.
Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Brennstoffzellenvorrichtung kann vorteilhaft effizient ein wasserstoffhaltiges Gas erzeugt werden, das zu einem weiteren Gebrauch aus der Brennstoffzellenvorrichtung ausgeleitet werden kann. Das wasserstoffhaltige Gas kann vorteilhaft in einem Gesamtsystem direkt weiterverwendet werden, oder zu einer späteren Verwendung in einem entsprechenden Tank gelagert oder abgefüllt werden.
Weiter wird vorgeschlagen, dass die Anodenabgasleitung frei von einem Nachbrenner ausgebildet ist. Unter „frei von einem Nachbrenner ausgebildet“ soll vorzugsweise insbesondere verstanden werden, dass die Brennstoffzellenvorrichtung in ihrer Anodenabgasleitung keinen Nachbrenner aufweist, der ein von der Anode wegströmendes Anodenabgas (Anodenproduktgas) verbrennt. Das aus der Anode der Brennstoffzellenvorrichtung ausströmende Anodenabgas wird unverbrannt durch die Anodenabgasleitung geleitet. Dadurch kann das Anodenabgas besonders vorteilhaft einen hohen Wasserstoffanteil aufweisen.
Ferner wird vorgeschlagen, dass das Ammoniak als Primärenergieträger direkt dem Brennstoffzellenmodul zur Verstromung zugeführt wird. Unter „direkt zur Verstromung zuführen“ soll vorzugsweise verstanden werden, dass das Ammoniak der Anode der Brennstoffzelle direkt zur Verstromung zugeführt wird und insbesondere nicht vorher in andere Brenngase, wie beispielsweise Wasserstoff aufgespalten wird. Dadurch kann die Brennstoffzellenvorrichtung besonders einfach und vorteilhaft effektiv ausgebildet werden.
Es wird weiterhin vorgeschlagen, dass die Brennstoffzellenvorrichtung zumindest eine Ammoniak-Cracker-Einheit aufweist, die dem Brennstoffzellenmodul vorgeschaltet und dazu vorgesehen ist, das Ammoniak zumindest teilweise aufzuspalten. Unter einer „Ammoniak-Cracker-Einheit“ soll vorzugsweise eine Einheit verstanden werden, die das als Ammoniak ausgebildete Brenngas zumindest teilweise in seine Bestandteile Wasserstoff und Stickstoff aufspaltet. Ein aus der Ammoniak-Cracker-Einheit ausströmendes Gasgemisch würde bei teilweiser Aufspaltung zu Anteilen jeweils aus Wasserstoff, Stickstoff und Ammoniak bestehen. Grundsätzlich ist es auch denkbar, dass die Ammoniak-Cracker-Einheit das als Ammoniak ausgebildete Brenngas vollständig in seine Bestandteile Wasserstoff und Stickstoff aufspaltet. Ein aus der Ammoniak-Cracker-Einheit ausströmendes Gasgemisch würde bei vollständiger Aufteilung zu Anteilen jeweils aus Wasserstoff und Stickstoff bestehen. Dadurch kann ein Molanteil an Ammoniak im Brenngas verringert werden, und dadurch ein vorteilhafter Betrieb des Brennstoffzellenmoduls verbessert werden.
Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass die Ammoniak-Cracker-Einheit eine Heizeinheit aufweist, oder das Brennstoffzellenmodul dazu vorgesehen ist, die Ammoniak-Cracker-Einheit zu erwärmen. Unter einer „Heizeinheit“ soll vorzugsweise eine Einheit zum Erhitzen der Ammoniak-Cracker-Einheit und/oder des durch die Ammoniak-Cracker-Einheit strömenden Ammoniaks verstanden werden, um die Ammoniak-Cracker-Einheit auf einer Betriebstemperatur zu halten, bei der eine Spaltung des Ammoniaks in Wasserstoff und Stickstoff prozesssicher stattfinden kann. Darunter, dass das Brennstoffzellenmodul dazu vorgesehen ist, die Ammoniak-Cracker-Einheit zu erwärmen soll vorzugsweise verstanden werden, dass eine thermische Energie, die bei einer Verwendung des Brennstoffzellenmoduls entsteht, zur Erwärmung der Ammoniak-Cracker-Einheit genutzt wird, um diese auf Betriebstemperatur zu halten. Dadurch kann die Ammoniak-Cracker-Einheit besonders vorteilhaft betrieben werden.
Weiterhin wird ein System mit zumindest einer Brennstoffzellenvorrichtung vorgeschlagen, wobei das System zumindest ein Gastrenn-Funktionsmodul aufweist, das dazu vorgesehen ist, ein Wasserstoff aus dem abgeleiteten Anodenabgas herauszutrennen. Unter einem „Gastrenn-Funktionsmodul“ soll vorzugsweise ein Modul verstanden werden, das ein hindurchströmendes Gasgemisch, wie insbesondere das Anodenabgas, in seine Bestandteile auftrennt und diese Bestandteile durch gesonderte Ausgänge getrennt ausgeben kann. Vorzugsweise ist das Gastrenn-Funktionsmodul dazu vorgesehen, das Anodenabgas in reinen Wasserstoff, Wasser und Sticksoff aufzutrennen und die einzelnen Bestandteile über gesonderte Ausgänge gesondert abzugeben. Vorzugsweise ist das Gastrenn-Funktionsmodul dazu vorgesehen, ein reines Wasserstoffgas aus dem Anodenabgas herauszufiltern / herauszutrennen. Dadurch kann das aus der Anodenabgasleitung ausgeleitete Gas vorteilhaft aufbereitet und ein Wasserstoffgehalt erhöht werden.
Außerdem wird vorgeschlagen, dass das Gastrenn-Funktionsmodul zumindest eine Druckwechsel-Adsorptionseinheit und/oder eine Temperaturwechsel-Adsorptionseinheit aufweist. Unter einer „Druckwechsel-Adsorptionseinheit“ soll vorzugsweise eine Einheit verstanden werden, die durch einen Druckwechsel und eine Adsorption ein Gasgemisch, wie insbesondere das Anodenabgas in seine Bestandteile auftrennt. Unter einer „Temperaturwechsel-Adsorptionseinheit“ soll vorzugsweise eine Einheit verstanden werden, die durch einen Temperaturwechsel und eine Adsorption ein Gasgemisch, wie insbesondere das Anodenabgas in seine Bestandteile auftrennt. Dadurch kann das Gastrenn-Funktionsmodul besonders einfach ausgebildet werden.
Es wird weiter vorgeschlagen, dass das System zumindest eine Polymerelektrolytbrennstoffzelleneinheit und/oder zumindest einen Wasserstoff und/oder Ammoniak-Verbrennungsmotor aufweist. Dadurch kann das System besonders flexibel zur Erzeugung eines Stroms ausgebildet werden.
Zudem wird ein Verfahren für das System mit zumindest einer Brennstoffzellenvorrichtung vorgeschlagen, wobei in einem Verfahrensschritt ein Ammoniak als Primärenergieträger in der Brennstoffzellenvorrichtung verstromt wird und ein wasserstoffhaltiges Anodenabgas zu einer weiteren Verwendung unverbrannt abgeleitet wird. Dadurch kann ein besonderes vorteilhaftes und effizientes Verfahren zur Erzeugung eines Wasserstoffs bereitgestellt werden.
Ferner wird vorgeschlagen, dass aus dem abgeleiteten wasserstoffhaltigen Anodenabgas in einem Verfahrensschritt ein Wasserstoff herausgetrennt wird, und/oder in einem weiteren Verfahrensschritt durch Verbrennung verstromt und/oder abgefüllt wird. Dadurch kann vorteilhaft ein Verfahren zur Erzeugung eines reinen Wasserstoffs bereitgestellt werden. Ferner kann ein besonders vorteilhaft flexibles Verfahren bereitgestellt werden, bei dem je nach Lastanforderung mehr Strom oder mehr Wasserstoff erzeugt werden kann.
Die erfindungsgemäße Brennstoffzellenvorrichtung und das erfindungsgemäße System mit einer Brennstoffzellenvorrichtung sollen hierbei nicht auf die oben beschriebene Anwendung und Ausführungsform beschränkt sein. Insbesondere kann die erfindungsgemäße Brennstoffzellenvorrichtung und das erfindungsgemäße System mit einer Brennstoffzellenvorrichtung zu einer Erfüllung einer hierin beschriebenen Funktionsweise eine von einer hierin genannten Anzahl von einzelnen Elementen, Bauteilen und Einheiten sowie Verfahrensschritten abweichende Anzahl aufweisen. Zudem sollen bei den in dieser Offenbarung angegebenen Wertebereichen auch innerhalb der genannten Grenzen liegende Werte als offenbart und als beliebig einsetzbar gelten.
Figurenliste
Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In der Zeichnung sind zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Die Zeichnung, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäße Brennstoffzellenvorrichtung in einem ersten Ausführungsbeispiel,
2 einen beispielhaften verfahrenstechnischen Schaltplan eines Systems mit einer Brennstoffzellenvorrichtung umfassend ein Gastrenn-Funktionsmodul und
3 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Brennstoffzellenvorrichtung in einem zweiten Ausführungsbeispiel.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele
In der 1 ist eine Brennstoffzellenvorrichtung 10a in einem ersten Ausführungsbeispiel gezeigt. Die Brennstoffzellenvorrichtung 10a wird genutzt, um chemisch gebundene Energie direkt, und insbesondere nicht über einen Verbrennungsprozess, in elektrische Energie zu wandeln. Im vorliegenden Fall ist die Brennstoffzellenvorrichtung 10a als eine Festoxidbrennstoffzellvorrichtung (SOFC) ausgebildet.
Die Brennstoffzellenvorrichtung 10a umfasst ein Brennstoffzellenmodul 12a. Das Brennstoffzellenmodul 12a ist als ein Brennstoffzellenstack ausgebildet. Das Brennstoffzellenmodul 12a ist als ein Festoxidbrennstoffzellenstack ausgebildet. Grundsätzlich wäre es auch denkbar, dass die Brennstoffzellenvorrichtung 10a mehrere Brennstoffzellenmodule 12a aufweist. Die Brennstoffzellenvorrichtung 10a weist ein Gehäuse 14a auf. Das Gehäuse 14a ist als Außengehäuse ausgebildet. Das Gehäuse 14a ist als Aufnahmegehäuse ausgebildet. Das Gehäuse 14a ist geschlossen ausgebildet. Das Gehäuse 14a ist thermisch isoliert. Das Gehäuse 14a ist als Hotbox ausgebildet. Das Brennstoffzellenmodul 12a ist in dem Gehäuse 14a angeordnet. Das Brennstoffzellenmodul 12a ist dazu vorgesehen, bei Temperaturen über 450 Grad Celsius in dem als Hotbox ausgebildeten Gehäuse 14a betrieben zu werden. Das Brennstoffzellenmodul 12a ist hier vereinfacht als eine einzelne Brennstoffzelle dargestellt. Das Brennstoffzellenmodul 12a ist im vorliegenden Fall als Festoxid-Brennstoffzelle ausgeführt. Das Brennstoffzellenmodul 12a ist dazu vorgesehen, mit einem Brennstoff und/oder Brennstoff-Gemisch und einem Oxidationsmittel betrieben zu werden. Der Brennstoff bildet den Primärenergieträger für die Brennstoffzellenvorrichtung 10a aus. Der Primärenergieträger als der Brennstoff ist als ein Ammoniak (NH3) ausgebildet. Das Brennstoffzellenmodul 12a weist wenigstens eine Anode und wenigstens eine Kathode auf. Darüber hinaus könnte eine Brennstoffzellenvorrichtung 10a mehrere Brennstoffzellenmodule 12a aufweisen, wie beispielsweise zumindest zwei, zumindest drei und/oder zumindest vier und/oder eine andere, dem Fachmann als sinnvoll erscheinende Anzahl an Brennstoffzellenmodulen 12a aufweisen.
Die Brennstoffzellenvorrichtung 10a weist eine Ammoniakzufuhr 16a auf, durch die der als Ammoniak ausgebildete Primärenergieträger der Brennstoffzellenvorrichtung 10a zuführbar ist. Die Ammoniakzufuhr 16a umfasst einen Ammoniaktank, in dem das Ammoniak gelagert ist. Grundsätzlich ist es auch denkbar, dass die Ammoniakzufuhr 16a der Brennstoffzellenvorrichtung 10a lediglich von einer Rohrleitung oder einer Pipeline gebildet ist, über die ein Ammoniak von einer externen Ammoniakquelle der Brennstoffzellenvorrichtung 10a zugeführt wird. Die Brennstoffzellenvorrichtung 10a weist eine erste Zuführleitung 18a auf, über die der Primärenergieträger aus dem Ammoniumtank 16a dem Brennstoffzellenmodul 12a zugeführt werden kann. Die Brennstoffzellenvorrichtung 10a weist ein Absperrventil 20a auf, das in der ersten Zuführleitung 18a der Ammoniakzufuhr 16a nachgeschaltet ist. Dadurch kann ein Zufluss des Brennstoffs aus der Ammoniakzufuhr 16a in Richtung des Brennstoffzellenmoduls 12a geschlossen oder freigegeben werden. Die Brennstoffzellenvorrichtung 10a weist einen Massedurchflussregler 22a auf, der in der Zuführleitung 18a dem Absperrventil 20a nachgeschaltet ist. Der Massedurchflussregler 22a ist dazu vorgesehen, einen Volumenstrom des Brennstoffs, der durch ihn hindurchströmt, zu regeln. Durch den Massedurchflussregler 22a kann eine Menge an Brennstoff, der dem Brennstoffmodul 12a zugeführt wird, eingestellt werden. Die oben beschriebene Regelung des Volumenstroms an Brenngas, der der Brennstoffzellenvorrichtung 10 zugeführt wird, ist für eine Ammoniakzufuhr 16a vorgesehen, bei der ein Ammoniakdruck, beispielsweise innerhalb des Ammoniaktanks groß genug ist. Grundsätzlich wäre es auch denkbar, dass die Ammoniakzufuhr 16a eine Pumpe oder ein Gebläse aufweist, über die/das das Ammoniak der Brennstoffzellenvorrichtung 10a zugeführt werden kann. Vorzugsweise könnte eine Dosierung des Volumenstroms des als Ammoniak ausgebildeten Brenngases, das der Brennstoffzellenvorrichtung 10a durch die entsprechende Pumpe oder das entsprechende Gebläse zugeführt wird, über die entsprechende Pumpe oder das entsprechende Gebläse erfolgen, wobei auf den Massedurchflussregler 22a verzichtet werden könnte.
Die Brennstoffzellenvorrichtung 10a weist eine Rezirkulationseinheit 24a auf. Die Rezirkulationseinheit 24a ist als eine Rezirkulationspumpe oder als ein Rezirkulationsgebläse ausgebildet. Über die erste Zufuhrleitung 20a und die nachgeschaltete Rezirkulationseinheit 24a wird dem Brennstoffzellenmodul 12a der Brennstoff zugeführt. Die Rezirkulationseinheit 24a ist dem Massedurchflussregler 22a nachgeschaltet. Der Brennstoff kann im vorliegenden Fall mit einem Rezirkulat zu einem Brennstoff-Gemisch vermischt werden. Alternativ ist jedoch auch denkbar, reinen Brennstoff zu verwenden. Die Brennstoffzellenvorrichtung 10a weist eine Brennstoffvorheizeinheit 26a auf. Die Brennstoffvorheizeinheit 26a ist dem Brennstoffzellenmodul 12a vorgeschaltet und ist dazu vorgesehen, den Brennstoff vor Einströmen in das Brennstoffzellenmodul 12a zu erhitzen. Aus der Brennstoffvorheizeinheit 26a strömt der Brennstoff über einen Anodeneingang in eine Anode des Brennstoffzellenmoduls 12a. Die Brennstoffvorheizeinheit 26a ist vorzugsweise innerhalb des als Hotbox ausgebildeten Gehäuses 14a angeordnet.
Die Brennstoffzellenvorrichtung 10a weist eine Anodenabgasleitung 28a auf. Die Anodenabgasleitung 28a ist an einem Anodenausgang des Brennstoffzellenmoduls 12a angeschlossen. Durch die Anodenabgasleitung 28a kann ein Anodenabgas aus dem Brennstoffzellenmodul 12a ausgeleitet werden. Die Anodenabgasleitung 28a ist mit der Brennstoffvorheizeinheit 26a gekoppelt. Das durch die Anodenabgasleitung 28a strömende heiße Anodenabgas ist dazu vorgesehen, in der Brennstoffvorheizeinheit 26a thermische Energie an das durch die Zuführleitung 20a in die Brennstoffvorheizeinheit 26a strömende Anodenabgas abzugeben, um dieses aufzuheizen.
Die Brennstoffzellenvorrichtung 10a weist eine Kondensationseinheit 30a auf, die in der Anodenabgasleitung 28a angeordnet. Die Kondensationseinheit 30a ist außerhalb des als Hotbox ausgebildeten Gehäuses 14a angeordnet. Die Kondensationseinheit 30a ist dazu vorgesehen, dem in der Anodenabgasleitung 28a strömenden Anodenabgas Feuchtigkeit zu entziehen. Die Brennstoffzellenvorrichtung 10a weist eine Abführleitung 32a auf, über die in der Kondensationseinheit 30a abgesonderte Feuchtigkeit abgelassen werden kann.
Die Brennstoffzellenvorrichtung 10a weist einen Gasausgang 34a auf. Der Gasausgang 34a ist an der Anodenabgasleitung 28a des Brennstoffzellenmoduls 12a angeordnet. Der Gasausgang 34a ist der Kondensationseinheit 30a nachgeschaltet. Der Gasausgang 34a ist dazu vorgesehen, dass durch ihn ein wasserstoffhaltiges Anodenabgas (Anodenproduktgas) zu einem weiteren Gebrauch aus der Brennstoffzellenvorrichtung 10a ausleitbar ist. Die Anodenabgasleitung 28a weist eine Zweigstelle 36a auf. Die Zweigstelle 36a ist der Kondensationseinheit 30a nachgeschaltet. Ein erster Ausgang der Zweigstelle 36a ist dem Gasausgang 34a fluidtechnisch zugewandt. Durch den ersten Ausgang der Zweigstelle 36a kann ein Anodenabgas dem Gasausgang 34a zugeleitet werden. Ein zweiter Ausgang der Zweigstelle 36a ist der ersten Zuführleitung 18a der Brennstoffzellenvorrichtung 10a fluidtechnisch zugewandt. Über den zweiten Ausgang kann ein Anodenabgas der Zuführleitung 18a als Rezirkulat zugeführt werden. Über den zweiten Ausgang wird das Anodenabgas als Rezirkulat der Zuführleitung 18a zwischen dem Massedurchflussregler 22a und der Rezirkulationseinheit 24a zugeführt. Die Zweigstelle 36a kann dabei als einfache Gabelung in der Anodenabgasleitung 28a ausgebildet sein. Der Gasausgang 34a ist grundsätzlich an einer beliebigen Stelle in der Anodenabgasleitung 28a anordenbar.
Die Brennstoffzellenvorrichtung 10a weist eine zweite Zuführleitung 38a auf. Die zweite Zuführleitung 38a ist dazu vorgesehen, dem Brennstoffzellenmodul 12a ein Oxidationsmittel zuzuführen. Das Oxidationsmittel ist insbesondere als eine Umgebungsluft ausgebildet. Die Brennstoffzellenvorrichtung 10a weist einen Luftfilter 40a auf, der das als Umgebungsluft ausgebildete Oxidationsmittel filtert. Der Luftfilter 40a ist der zweiten Zuführleitung 38a vorgeschaltet. Die Brennstoffzellenvorrichtung 10a weist eine Pumpeneinheit 42a auf, die in der zweiten Zuführleitung 38a angeordnet ist. Grundsätzlich wäre es auch denkbar, dass statt der Pumpeneinheit 42a eine Gebläseeinheit vorgesehen ist. Die Pumpeneinheit 42a ist dazu vorgesehen, das als Umgebungsluft ausgebildet Oxidationsmittel dem Brennstoffzellenmodul 12a zuzuführen. Die Brennstoffzellenvorrichtung 10a weist eine Heizeinheit 44a auf, die in der zweiten Zuführleitung 38a angeordnet ist. Die Heizeinheit 44a ist der Pumpeneinheit 42a nachgeschaltet. Die Heizeinheit 44a ist dazu vorgesehen, das dem Brennstoffzellenmodul 12a zugeführte Oxidationsmittel zu erwärmen. Die zweite Zuführleitung 38a ist an einen Kathodeneingang des Brennstoffzellenmoduls 12a angeschlossen. Durch die zweite Zuführleitung 38a strömt das Oxidationsmittel aus der Heizeinheit 44a, über den Kathodeneingang in das Brennstoffzellenmodul 12a.
Die Brennstoffzellenvorrichtung 10a weist eine Kathodenausgangsleitung 46a auf. Die Kathodenausgangsleitung 46a ist an einen Kathodenausgang der Brennstoffzellenvorrichtung 12a angeschlossen. Die Kathodenausgangsleitung 46a leitet ein Kathodenabgas, also insbesondere eine erhitzte, sauerstoffarme Luft, aus dem Brennstoffzellenmodul 12a aus. Die Kathodenausgangsleitung 46a ist mit der Heizeinheit 44a gekoppelt. Das durch die Kathodenausgangsleitung 46a strömende heiße Kathodenabgas ist dazu vorgesehen, in der Heizeinheit 44a eine thermische Energie an das durch die zweite Zuführleitung 38a strömende Oxidationsmittel abzugeben, um dieses zu erhitzen. Die Kathodenausgangsleitung 46a endet in einem Auslass 48a, durch den das Kathodenabgas, nachdem es durch die Heizeinheit 44a geströmt ist, zurück in die Umwelt geleitet werden kann.
Das Brennstoffzellenmodul 12a ist zur Erzeugung elektrischer und thermischer Energie vorgesehen, welche insbesondere über eine Stromleitung 50a der Brennstoffzellenvorrichtung 10a und im vorliegenden Fall insbesondere einen nachgeschalteten, beispielsweise als Gleichrichter und/oder Wechselrichter ausgebildeten, Stromrichter 52a abgreifbar ist.
Durch die direkte Zufuhr des als Ammoniakgas ausgebildeten Brennstoffs in das Brennstoffzellenmodul 12a wird beim Verstromen ein Anodenabgas mit einem Wasserstoffanteil in einem zweitstelligen Prozentpunktbereich erzeugt. Die Anodenabgasleitung 28a ist frei von einem Nachbrenner ausgebildet. Die Brennstoffzellenvorrichtung 10a weist keinen Nachbrenner auf, in dem das Anodenabgas nach einem Austritt aus dem Brennstoffzellenmodul 12a verbrannt wird, um Wärme zu erzeugen. Das aus dem Brennstoffzellenmodul 12a austretende Anodenabgas mit einem Wasserstoffgehalt in einem zweiprozentigen Prozentpunktebereich wird unverbrannt dem Gasausgang 34a zugeführt. Durch die Brennstoffvorheizeinheit 26a wird dem Anodenabgas dabei zuvor eine thermische Energie entzogen. In der Kondensationseinheit 30a kann dem Anodenabgas zusätzlich eine Feuchtigkeit entzogen werden. Vorzugsweise weist das Anodenabgas an dem Anodenausgang eine Gaszusammensetzung von 17% Wasser (H20a), 26% Wasserstoff (H2a) und 57% Stickstoff (N2a) auf.
Die 2 zeigt ein erfindungsgemäßes System mit einer Brennstoffzellenvorrichtung 10a. Die 2 zeigt eine beispielhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Systems mit der Brennstoffzellenvorrichtung. Die in der 2 als Blackbox dargestellte Brennstoffzellenvorrichtung 10a umfasst alle oben beschriebenen Elemente. Die Ammoniakzufuhr 16a ist zur Verdeutlichung nochmals dargestellt. Ferner sind in der 2 die Kathodenausgangsleitung 46a und die Abführleitung 32a dargestellt, über die ein sauerstoffarmes, warmes Kathodenabgas, bzw. ein Kondenswasser aus der Brennstoffzellenvorrichtung 12a ausgeleitet werden. Dabei ist es denkbar, dass das ausgeleitete Kathodenabgas und/oder das Kondenswasser weiteren Verwendungszwecken zugeführt wird. In der 2 sind schematisch Stromleitungen gestrichelt und Fluidleitungen durchgängig dargestellt.
Das System umfasst ein Gastrenn-Funktionsmodul 54a. Das Gastrenn-Funktionsmodul 54a ist der Brennstoffzellenvorrichtung 10a nachgeschaltet. Das Gastrenn-Funktionsmodul 54a ist einem Gasausgang 34a der Brennstoffzellenvorrichtung 10a nachgeschaltet. Das Gastrenn-Funktionsmodul 54a ist fluidtechnisch dem Gasausgang 34a der Brennstoffzellenvorrichtung 10a nachgeschaltet. Ein aus dem Gasausgang 34a der Brennstoffzellenvorrichtung 10a strömendes Anodenabgas wird über eine Verbindungsleitung 56a des Systems, dem Gastrenn-Funktionsmodul 54a zugeführt. Das Gastrenn-Funktionsmodul 54a ist dazu vorgesehen, das wasserstoffhaltige Anodenabgas mit Wasserstoff anzureichern. Das Gastrenn-Funktionsmodul 54a ist insbesondere dazu vorgesehen, das Anodenabgas zumindest teilweise in seine Bestandteile aufzuteilen. Vorzugsweise ist das Gastrenn-Funktionsmodul 54a dazu vorgesehen, das aus der Brennstoffzellenvorrichtung 10a ausgeleitete Anodenabgas im Wesentlichen in seine Bestandteile zu trennen. Insbesondere werden in dem Gastrenn-Funktionsmodul 54a die Moleküle unterschiedlicher Bestandteile des Anodenabgases voneinander getrennt. Das Gastrenn-Funktionsmodul 54a ist dazu vorgesehen, den Wasserstoff aus dem Anodenabgas herauszutrennen. Das Gastrenn-Funktionsmodul 54a ist dazu vorgesehen, den Wasserstoff in dem Anodenabgas von weiteren Bestandteilen, wie Stickstoff (N2a) und Wasser (H2Oa) zu trennen. Grundsätzlich ist es auch denkbar, dass weitere Bestandteile in dem Anodenabgas von dem Wasserstoff getrennt werden. Das Gastrenn-Funktionsmodul 54a weist einen Wasserstoffgasausgang 76a auf. Aus dem Wasserstoffgasausgang 76a strömt der aus dem Gastrenn-Funktionsmodul 54a herausgetrennte Wasserstoff aus dem Gastrenn-Funktionsmodul 54a. Der aus dem Wasserstoffgasausgang 76a strömende Wasserstoff ist vorzugsweise als ein im Wesentlichen reiner Wasserstoff ausgebildet. Vorzugsweise handelt es sich bei dem ausströmenden Wasserstoff um ein feuchtes Wasserstoffgas mit 3 - 5% Feuchte. Das Gastrenn-Funktionsmodul 54a weist für die von dem Wasserstoff getrennten Bestandteile des Anodenabgases jeweils eine Ausgangsleitung 58a auf, über die die jeweiligen Bestandteile, wie insbesondere Stickstoff und Wasser getrennt von dem Gastrenn-Funktionsmodul 54a abgeleitet und weiteren Anwendungsfällen zugeführt werden können. Das Gastrenn-Funktionsmodul 54a wird zum Betrieb über eine Stromleitung 60a direkt von der Brennstoffzellenvorrichtung 10a mit Strom versorgt.
Das Gastrenn-Funktionsmodul 54a weist eine Druckwechsel-Adsorptionseinheit auf. Die Druckwechsel-Adsorbtionseinheit ist dazu vorgesehen, das Anodenabgas durch ein physikalisches Verfahren zur Trennung von Gasgemischen unter Druck mittels Adsorption in seine Bestandteile zu trennen. Eine Trennung des Anodenabgases mittels der Druckwechsel-Adsorptionseinheit kann dabei aufgrund der Gleichgewichtsadsorption oder der Molekularsiebwirkung erfolgen. Die Druckwechsel-Adsorptionseinheit ist entsprechend dem Stand der Technik ausgebildet und soll deshalb hier nicht näher beschrieben werden.
In einer alternativen Ausgestaltung weist das Gastrenn-Funktionsmodul 54a eine Temperaturwechsel-Adsorptionseinheit auf. Die Temperaturwechsel-Adsorptionseinheit ist dazu vorgesehen, das Anodenabgas durch ein physikalisches Verfahren zur Trennung von Gasgemischen, unter Einsatz von thermischer Energie mittels Adsorption in seine Bestandteile zu trennen. Die Temperaturwechsel-Adsorptionseinheit ist entsprechend dem Stand der Technik ausgebildet und soll deshalb hier nicht näher beschrieben werden. Vorzugsweise wird die Temperaturwechsel-Adsorptionseinheit des Gastrenn-Funktionsmoduls 54a direkt von der Brennstoffzellenvorrichtung 10a mit einer thermischen Energie versorgt.
Grundsätzlich wäre es auch denkbar, dass das Gastrenn-Funktionsmodul 54a in einer alternativen Ausgestaltung eine Kombination aus einer Temperaturwechsel-Adsorptionseinheit und einer Druckwechsel-Adsorptionseinheit aufweist.
Das System weist weiter eine Polymerelektrolytbrennstoffzelleneinheit 62a auf. Die Polymerelektrolytbrennstoffzelleneinheit 62a ist der Brennstoffzellenvorrichtung 10a nachgeschaltet. Die Polymerelektrolytbrennstoffzelleneinheit 62a ist einem Gasausgang 34a der Brennstoffzellenvorrichtung 10a nachgeschaltet. Die Polymerelektrolytbrennstoffzelleneinheit 62a ist fluidtechnisch dem Gasausgang 34a der Brennstoffzellenvorrichtung 10a nachgeschaltet. Ein aus dem Gasausgang 34a der Brennstoffzellenvorrichtung 10a strömendes Anodenabgas ist über die Verbindungsleitung 56a des Systems dem der Polymerelektrolytbrennstoffzelleneinheit 62a zuführbar. Die Polymerelektrolytbrennstoffzelleneinheit 62a ist zu dem Gastrenn-Funktionsmodul 54a parallelgeschaltet. Die Polymerelektrolytbrennstoffzelleneinheit 62a ist dazu vorgesehen, mit einem Brennstoff und/oder Brennstoff-Gemisch und einem Oxidationsmittel betrieben zu werden. Die Polymerelektrolytbrennstoffzelleneinheit 62a ist zur Erzeugung elektrischer und thermischer Energie vorgesehen. Die Polymerelektrolytbrennstoffzelleneinheit 62a ist dazu vorgesehen, mit dem aus der Brennstoffzellenvorrichtung ausgeleiteten Anodenabgas betrieben zu werden und einen elektrischen Strom zu erzeugen. Die Polymerelektrolytbrennstoffzelleneinheit 62a ist insbesondere dazu vorgesehen, zusätzlich zu dem von der Brennstoffzellenvorrichtung 10a bereitgestellten elektrischen Strom, einen elektrischen Strom zu erzeugen. Dadurch können Stromanforderungsspitzen von dem System vorteilhaft bereitgestellt werden. Der von der Polymerelektrolytbrennstoffzelleneinheit 62a erzeugte elektrische Strom kann über eine entsprechende Stromleitung 72a abgegriffen werden.
Das System weist weiter einen Wasserstoff und Ammoniak-Verbrennungsmotor 64a auf. Der Wasserstoff und Ammoniak-Verbrennungsmotor 64a ist der Brennstoffzellenvorrichtung 10a nachgeschaltet. Der Wasserstoff und Ammoniak-Verbrennungsmotor 64a ist einem Gasausgang 34a der Brennstoffzellenvorrichtung 10a nachgeschaltet. Der Wasserstoff und Ammoniak- Verbrennungsmotor 64a ist fluidtechnisch dem Gasausgang 34a der Brennstoffzellenvorrichtung 10a nachgeschaltet. Ein aus dem Gasausgang 34a der Brennstoffzellenvorrichtung 10a strömendes Anodenabgas wird über die Verbindungsleitung 56a des Systems, dem Wasserstoff und Ammoniak-Verbrennungsmotor 64a zuführbar. Der Wasserstoff und Ammoniak-Verbrennungsmotor 64a ist zu dem Gastrenn-Funktionsmodul 54a parallelgeschaltet. Der Wasserstoff und Ammoniak- Verbrennungsmotor 64a ist zur Erzeugung elektrischer Energie vorgesehen. Der Wasserstoff und Ammoniak-Verbrennungsmotor 64a ist dazu vorgesehen, mit dem aus der Brennstoffzellenvorrichtung 10a ausgeleiteten Anodenabgas betrieben zu werden und einen elektrischen Strom zu erzeugen. Der Wasserstoff und Ammoniak- Verbrennungsmotor 64a weist einen Verbrennungsmotor und einen dadurch angetriebenen Generator auf, der zur Erzeugung eines elektrischen Stroms vorgesehen ist. Der Wasserstoff und Ammoniak- Verbrennungsmotor 64a ist insbesondere dazu vorgesehen, zusätzlich zu dem von der Brennstoffzellenvorrichtung 10a bereitgestellten elektrischen Strom, einen elektrischen Strom zu erzeugen. Dadurch können Stromanforderungsspitzen von dem System vorteilhaft bereitgestellt werden. Der von dem Wasserstoff und Ammoniak- Verbrennungsmotor 64a erzeugte elektrische Strom kann über eine entsprechende Stromleitung 72a abgegriffen werden.
Vorzugsweise ist in der Verbindungsleitung 56a zumindest ein nicht näher dargestelltes schaltbares Ventil 78a angeordnet, welches das aus der Brennstoffzellenvorrichtung 10a strömende Anodenabgas proportional einstellbar an die Polymerelektrolytbrennstoffzelleneinheit 62a, an das Gastrenn-Funktionsmodul 54a und/oder den Wasserstoff und Ammoniak-Verbrennungsmotor 64a leiten kann. Das schaltbare Ventil 78a ist dabei vorzugsweise in Abhängigkeit einer Last, beispielsweise einer Stromanforderung, dazu vorgesehen, das Anodenabgas an die Polymerelektrolytbrennstoffzelleneinheit 62a, an das Gastrenn-Funktionsmodul 54a und/oder den Wasserstoff und Ammoniak-Verbrennungsmotor 64a zu leiten. Ist keine hohe Stromanforderung gegeben, so kann das erzeugte Wasserstoffgas komplett in das Gastrenn-Funktionsmodul 54a geleitet werden, um dort in seine Bestandteile aufgeteilt zu werden und ein reines Wasserstoffgas zu erzeugen. Sollte eine Stromanforderung höher sein, als es die Brennstoffzellenvorrichtung 10a bereitstellen kann, so kann das Anodenabgas der Polymerelektrolytbrennstoffzelleneinheit 62a und/oder dem Wasserstoff und Ammoniak- Verbrennungsmotor 64a zugeführt werden, um zusätzlichen elektrischen Strom zu produzieren. Dadurch kann das System sehr variabel ausgebildet werden.
Das System weist weiter eine weitere Polymerelektrolytbrennstoffzelleneinheit 66a auf. Die weitere Polymerelektrolytbrennstoffzelleneinheit 66a ist dem Gastrenn-Funktionsmodul nachgeschaltet. Die weitere Polymerelektrolytbrennstoffzelleneinheit 66a ist dem Wasserstoffgasausgang 76a des Gastrenn-Funktionsmoduls 54a nachgeschaltet. Die weitere Polymerelektrolytbrennstoffzelleneinheit 66a ist fluidtechnisch dem Wasserstoffgasausgang 76a des Gastrenn-Funktionsmoduls 54a nachgeschaltet. Ein aus dem Wasserstoffgasausgang 76a des Gastrenn-Funktionsmoduls 54a strömendes reines Wasserstoffgas ist über eine Verbindungsleitung 68a des Systems der weiteren Polymerelektrolytbrennstoffzelleneinheit 66a zuführbar. Die weitere Polymerelektrolytbrennstoffzelleneinheit 66a ist dazu vorgesehen, mit einem Brennstoff und/oder Brennstoff-Gemisch und einem Oxidationsmittel betrieben zu werden. Die weitere Polymerelektrolytbrennstoffzelleneinheit 66a ist zur Erzeugung elektrischer und thermischer Energie vorgesehen. Die weitere Polymerelektrolytbrennstoffzelleneinheit 66a ist dazu vorgesehen, mit dem aus dem Gastrenn-Funktionsmodul 54a strömenden Wasserstoffgas betrieben zu werden und einen elektrischen Strom zu erzeugen. Die weitere Polymerelektrolytbrennstoffzelleneinheit 66a ist insbesondere dazu vorgesehen, zusätzlich zu dem von der Brennstoffzellenvorrichtung 10a bereitgestellten elektrischen Strom, einen elektrischen Strom zu erzeugen. Dadurch können Stromanforderungsspitzen von dem System vorteilhaft bereitgestellt werden. Der von der weiteren Polymerelektrolytbrennstoffzelleneinheit 66a erzeugte elektrische Strom kann über die entsprechende Stromleitung 72a abgegriffen werden
Das System weist weiter einen Wasserstoff-Verbrennungsmotor 70a auf. Der Wasserstoff-Verbrennungsmotor 70a ist dem Gastrenn-Funktionsmodul 54a nachgeschaltet. Der Wasserstoff-Verbrennungsmotor 70a ist dem Wasserstoffgasausgang 76a des Gastrenn-Funktionsmoduls 54a nachgeschaltet. Der Wasserstoff-Verbrennungsmotor 70a ist fluidtechnisch dem Wasserstoffgasausgang 76a des Gastrenn-Funktionsmoduls 54a nachgeschaltet. Ein aus dem Wasserstoffgasausgang 76a des Gastrenn-Funktionsmoduls 54a strömendes reines Wasserstoffgas ist über die Verbindungsleitung 68a des Systems dem Wasserstoff-Verbrennungsmotor 70a zuführbar. Der Wasserstoff-Verbrennungsmotor 68a ist zu der weiteren Polymerelektrolytbrennstoffzelleneinheit 66a parallelgeschaltet. Der Wasserstoff-Verbrennungsmotor 68a ist zur Erzeugung elektrischer Energie vorgesehen. Der Wasserstoff-Verbrennungsmotor 68a ist dazu vorgesehen, mit dem dem Gastrenn-Funktionsmodul 54a ausgeleiteten Wasserstoffgas betrieben zu werden und einen elektrischen Strom zu erzeugen. Der Wasserstoff-Verbrennungsmotor 68a weist einen Verbrennungsmotor und einen dadurch angetriebenen Generator auf, der zur Erzeugung eines elektrischen Stroms vorgesehen ist. Der Verbrennungsmotor des Wasserstoff-Verbrennungsmotors 68a wird mit dem aus dem Gastrenn-Funktionsmodul 54a ausgeleiteten Wasserstoffgas befeuert. Der Wasserstoff-Verbrennungsmotor 68a ist insbesondere dazu vorgesehen, zusätzlich zu dem von der Brennstoffzellenvorrichtung 10a bereitgestellten elektrischen Strom, einen elektrischen Strom zu erzeugen. Dadurch können Stromanforderungsspitzen von dem System vorteilhaft bereitgestellt werden. Der von dem Wasserstoff-Verbrennungsmotor 68a erzeugte elektrische Strom kann über die entsprechende Stromleitung 72a abgegriffen werden.
Das System weist weiter eine Gasabfüll- und/oder Gaslagervorrichtung 74a auf. Die Gasabfüll- oder Gaslagervorrichtung 74a ist dem Gastrenn-Funktionsmodul 54a nachgeschaltet. Die Gasabfüll- oder Gaslagervorrichtung 74a ist dem Wasserstoffgasausgang 76a des Gastrenn-Funktionsmoduls 54a nachgeschaltet. Die Gasabfüll- oder Gaslagervorrichtung 74a ist fluidtechnisch dem Wasserstoffgasausgang 76a des Gastrenn-Funktionsmoduls 54a nachgeschaltet. Ein aus dem Wasserstoffgasausgang 76a des Gastrenn-Funktionsmoduls 54a strömendes reines Wasserstoffgas ist über die Verbindungsleitung 68a des Systems der Gasabfüll- oder Gaslagervorrichtung 74a zuführbar. Die Gasabfüll- oder Gaslagervorrichtung 74a ist mit der weiteren Polymerelektrolytbrennstoffzelleneinheit 66a und dem Wasserstoff-Verbrennungsmotor 70a parallelgeschaltet. Die Gasabfüll- und/oder Gaslagervorrichtung 74a weist vorzugsweise einen nicht näher dargestellten Wasserstofftank auf. In dem Wasserstofftank kann das in die Gasabfüll- und/oder Gaslagervorrichtung 74a einströmende Wasserstoffgas zumindest zwischengelagert werden. Die Gasabfüll- und/oder Gaslagervorrichtung 74a weist weiter eine Abfülleinheit auf, über die das einströmende und/oder gelagerte Wasserstoffgas abgefüllt oder an weitere Einheiten weitergeleitet werden kann. Dadurch kann ein in dem System erzeugtes Wasserstoffgas anderen Verwendungszwecken in anderen Systemen oder Anlagen zugeführt werden, oder in anderen Lagervorrichtungen gelagert werden.
Vorzugsweise ist in der Verbindungsleitung 68a zumindest ein nicht näher dargestelltes schaltbares Ventil 80a angeordnet, welches das aus dem Gastrenn-Funktionsmodul 54a strömende Wasserstoffgas proportional einstellbar an die weitere Polymerelektrolytbrennstoffzelleneinheit 66a, an den Wasserstoff-Verbrennungsmotor 70a und/oder die Gasabfüll- und/oder Gaslagervorrichtung 74a leiten kann. Das schaltbare Ventil 80a ist dabei vorzugsweise in Abhängigkeit einer Last, beispielsweise einer Stromanforderung, dazu vorgesehen, das Wasserstoffgas an die weitere Polymerelektrolytbrennstoffzelleneinheit 66a, an den Wasserstoff-Verbrennungsmotor 70a und/oder die Gasabfüll- und/oder Gaslagervorrichtung 74a zu leiten. Ist keine hohe Stromanforderung gegeben, so kann das erzeugte Wasserstoffgas komplett in die Gasabfüll- und/oder Gaslagervorrichtung 74a geleitet werden. Sollte eine Stromanforderung höher sein, als es die Brennstoffzellenvorrichtung 10a bereitstellen kann, so kann das Wasserstoffgas der weiteren Polymerelektrolytbrennstoffzelleneinheit 66a und/oder dem Wasserstoff-Verbrennungsmotor 70a zugeführt werden, um zusätzlichen elektrischen Strom zu produzieren. Dadurch kann das System sehr variabel ausgebildet werden.
Das in 2 gezeigte und im vorherigen beschriebene System ist lediglich beispielhaft für ein erfindungsgemäßes System gezeigt. Grundsätzlich ist es denkbar, dass das System neben der Brennstoffzellenvorrichtung 10a eine andere Anzahl oder Ausgestaltung an Verbrauchern für das ausgeleitete Anodenabgas aufweist. Die oben beschriebenen Verbraucher, also das Gastrenn-Funktionsmodul 54a, die Polymerelektrolytbrennstoffzelleneinheit 62a, der Wasserstoff und Ammoniak-Verbrennungsmotor 64a, die weitere Polymerelektrolytbrennstoffzelleneinheit 66a, der Wasserstoff-Verbrennungsmotor 70a und die Gasabfüll- und/oder Gaslagervorrichtung 74a können ebenso in einer anderen Anordnung oder in einer anderen Zusammensetzung zu einem erfindungsgemäßen System zusammengestellt sein. Grundsätzlich ist es auch denkbar, dass zumindest einer der Verbraucher, wie die Polymerelektrolytbrennstoffzelleneinheit 62a, der Wasserstoff und Ammoniak-Verbrennungsmotor 64a, die weitere Polymerelektrolytbrennstoffzelleneinheit 66a, der Wasserstoff-Verbrennungsmotor 70a oder die Gasabfüll- und/oder Gaslagervorrichtung 74a nicht Teil des Systems sind.
Im Folgenden soll beispielhaft ein Verfahren für das System mit der Brennstoffzellenvorrichtung 10a beschrieben werden. In einem Verfahrensschritt wird das Ammoniak als Primärenergieträger in der Brennstoffzellenvorrichtung 10a verstromt. In dem Verfahrensschritt wird das wasserstoffhaltige Anodenabgas zu einer weiteren Verwendung unverbrannt abgeleitet. Dem Anodenabgas wird nach einem Austritt aus dem Brennstoffzellenmodul 12a in einem Verfahrensschritt lediglich eine thermische Energie und/oder eine Feuchtigkeit entzogen. Das wasserstoffhaltige Anodenabgas wird dabei insbesondere nicht durch einen Nachbrenner in der Brennstoffzellenvorrichtung 10a nachverbrannt. Die Brennstoffzellenvorrichtung 10a ist in der Anodenabgasleitung 28a frei von einem Nachbrenner. Das wasserstoffhaltige Anodenabgas wird in dem Verfahrensschritt aus der Brennstoffzellenvorrichtung 10a ausgeleitet. Grundsätzlich ist es denkbar, dass in dem Verfahrensschritt oder einem anderen Verfahrensschritt zumindest ein Teil des Anodenabgases als Rezirkulat dem Anodeneingang des Brennstoffzellenmoduls 12a wieder zugeführt wird.
In einem weiteren Verfahrensschritt wird aus dem abgeleiteten wasserstoffhaltigen Anodenabgas ein Wasserstoff herausgetrennt. In dem Verfahrensschritt wird das Anodenabgas in dem Gastrenn-Funktionsmodul 54a in seine Bestandteile getrennt. Der aus dem Anodenabgas vorhandene Wasserstoff wird von den restlichen Bestandteilen des Anodenabgases getrennt und separat in einem Wasserstoffgasausgang ausgeleitet. In einem weiteren Verfahrensschritt kann das Anodenabgas zur Erzeugung eines zusätzlichen elektrischen Stroms in der Polymerelektrolytbrennstoffzelleneinheit 62a und/oder dem Wasserstoff und Ammoniak-Verbrennungsmotor 64a durch Verbrennung verstromt werden.
In einem weiteren Verfahrensschritt kann das aus dem Anodenabgas herausgetrennte reine Wasserstoffgas zu einer weiteren Verwendung in anderen Systemen abgefüllt oder weitergeleitet werden. In einem weiteren Verfahrensschritt kann das aus dem Anodenabgas herausgetrennte reine Wasserstoffgas auch zur Erzeugung eines zusätzlichen elektrischen Stroms in der weiteren Polymerelektrolytbrennstoffzelleneinheit 66a und/oder dem Wasserstoff-Verbrennungsmotor 70a durch Verbrennung verstromt werden.
In der 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt. Die nachfolgenden Beschreibungen und die Zeichnungen beschränken sich im Wesentlichen auf die Unterschiede zwischen den Ausführungsbeispielen, wobei bezüglich gleich bezeichneter Bauteile, insbesondere in Bezug auf Bauteile mit gleichen Bezugszeichen, grundsätzlich auch auf die Zeichnungen und/oder die Beschreibung der anderen Ausführungsbeispiele, insbesondere der 1 und 2, verwiesen werden kann. Zur Unterscheidung der Ausführungsbeispiele ist der Buchstabe a den Bezugszeichen des Ausführungsbeispiels in den 1 und 2 nachgestellt. In dem Ausführungsbeispiel der 3 ist der Buchstabe a durch den Buchstaben b ersetzt.
In der 3 ist eine Brennstoffzellenvorrichtung 10b in einem zweiten Ausführungsbeispiel gezeigt. Die Brennstoffzellenvorrichtung 10b wird genutzt, um chemisch gebundene Energie direkt, und insbesondere nicht über einen Verbrennungsprozess, in elektrische Energie zu wandeln. Die Brennstoffzellenvorrichtung 10b ist im Wesentlichen gleich ausgebildet wie im ersten Ausführungsbeispiel. Im Folgenden sind deshalb die Hauptkomponenten der Brennstoffzellenvorrichtung 10b lediglich kurz erwähnt und lediglich die Unterschiede zu dem ersten Ausführungsbeispiel näher beschrieben.
Die Brennstoffzellenvorrichtung 10b umfasst ein Brennstoffzellenmodul 12b. Das Brennstoffzellenmodul 12b ist dazu vorgesehen, mit einem Brennstoff und/oder Brennstoff-Gemisch und einem Oxidationsmittel betrieben zu werden. Der Brennstoff bildet den Primärenergieträger für die Brennstoffzellenvorrichtung 10b aus. Der Primärenergieträger als der Brennstoff ist als ein Ammoniak (NH3) ausgebildet. Die Brennstoffzellenvorrichtung 10b weist eine Ammoniakzufuhr 16b auf, in dem der als Ammoniak ausgebildeter Primärenergieträger der Brennstoffzellenvorrichtung gelagert ist. Die Brennstoffzellenvorrichtung 10b weist eine erste Zuführleitung 18b auf, über die der Primärenergieträger aus dem Ammoniumtank 16b dem Brennstoffzellenmodul 12b zugeführt werden kann. Die Brennstoffzellenvorrichtung 10b weist eine Rezirkulationseinheit 24b auf. Über die erste Zufuhrleitung18b und die nachgeschaltete Rezirkulationseinheit 24b wird dem Brennstoffzellenmodul 12b der Brennstoff zugeführt. Die Brennstoffzellenvorrichtung 10b weist eine Brennstoffvorheizeinheit 26b auf. Die Brennstoffvorheizeinheit 26b ist dem Brennstoffzellenmodul 12b vorgeschaltet und ist dazu vorgesehen, den Brennstoff vor Einströmen in das Brennstoffzellenmodul 12b zu erhitzen.
Die Brennstoffzellenvorrichtung 10b weist eine Anodenabgasleitung 28b auf. Die Anodenabgasleitung 28b ist an einem Anodenausgang des Brennstoffzellenmoduls 12b angeschlossen. Die Brennstoffzellenvorrichtung 10b weist einen Gasausgang 34b auf. Der Gasausgang 34b ist an der Anodenabgasleitung 28b des Brennstoffzellenmoduls 12b angeordnet. Der Gasausgang 34b ist einer Kondensationseinheit 30b nachgeschaltet. Der Gasausgang 34b ist dazu vorgesehen, dass durch ihn ein wasserstoffhaltiges Anodenabgas zu einem weiteren Gebrauch aus der Brennstoffzellenvorrichtung 10b ausleitbar ist.
Im Unterschied zu dem ersten Ausführungsbeispiel wird der als Ammoniak ausgebildete Primärenergieträger dem Brennstoffzellenmodul 12b nicht direkt zur Verstromung zugeführt. Die Brennstoffzellenvorrichtung 10b weist im Unterschied zu dem ersten Ausführungsbeispiel eine Ammoniak-Cracker-Einheit 82b auf. Die Ammoniak-Cracker-Einheit 82b ist dazu vorgesehen, das als Ammoniak ausgebildete Brenngas vor einem Eintreten in das Brennstoffzellenmodul 12b aufzuspalten. In der Ammoniak-Cracker-Einheit 82b wird das als Ammoniak ausgebildete Brenngas in Wasserstoff und Stickstoff aufgespalten. Die Ammoniak-Cracker-Einheit 82b ist dabei entsprechend dem Stand der Technik gebildet und soll deshalb hier nicht näher beschrieben werden. Die Ammoniak-Cracker-Einheit 82b weist eine Heizeinheit 84b auf. Die Heizeinheit 84b der Ammoniak-Cracker-Einheit 82b ist dazu vorgesehen, das einströmende Brenngas zu erhitzen. Dadurch kann ein Trennvorgang des als Ammoniak ausgebildeten Primärenergieträgers in Wasserstoff und Stickstoff verbessert werden. Die Heizeinheit 84b ist dazu vorgesehen, die Ammoniak-Cracker-Einheit 82b auf Betriebstemperatur zu halten. In einer alternativen Ausgestaltung kann auf die Heizeinheit 84b verzichtet werden. Auf die Heizeinheit 84b kann verzichtet werden, indem die Ammoniak-Cracker-Einheit 82b so in dem Brennstoffzellenmodul 12b angeordnet ist, dass es von dem Brennstoffzellenmodul 12b selbst auf Betriebstemperatur gehalten wird.
Die in dem zweiten Ausführungsbeispiel beschriebene Brennstoffzellenvorrichtung 10b ist in dem gleichen System verwendbar wie es in dem ersten Ausführungsbeispiel beschrieben ist. Um Dopplungen zu vermeiden wird an dieser Stelle auf eine weitere Ausführung zu dem System oder einem Verfahren für das System verzichtet. Die Ausführungen zu dem System und dem entsprechenden Verfahren aus dem ersten Ausführungsbeispiel der 1 und 2 sind alle auf das zweite Ausführungsbeispiel und dessen Brennstoffzellenvorrichtung 10b übertragbar.

Claims

Brennstoffzellenvorrichtung mit zumindest einer Ammoniakzufuhr (16a; 16b), in dem zumindest ein Ammoniak als Primärenergieträger gelagert ist, und mit zumindest einem Brennstoffzellenmodul (12a; 12b), dem aus der Ammoniakzufuhr (16a; 16b) Ammoniak als Primärenergieträger zugeführt wird, gekennzeichnet durch einen Gasausgang (34a; 34b), der an einer Anodenabgasleitung (28a; 28b) des Brennstoffzellenmoduls (12a; 12b) angeordnet ist, wobei der Gasausgang (34a; 34b) dazu vorgesehen ist, dass durch ihn ein wasserstoffhaltiges Anodenabgas zu einem weiteren Gebrauch ausleitbar ist.
Brennstoffzellenvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anodenabgasleitung (28a; 28b) frei von einem Nachbrenner ausgebildet ist.
Brennstoffzellenvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Ammoniak als Primärenergieträger direkt dem Brennstoffzellenmodul (12a) zur Verstromung zugeführt wird.
Brennstoffzellenvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch zumindest eine Ammoniak-Cracker-Einheit (82b), die dem Brennstoffzellenmodul (12b) vorgeschaltet und dazu vorgesehen ist, das Ammoniak aufzuspalten.
Brennstoffzellenvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ammoniak-Cracker-Einheit (82b) eine Heizeinheit (84b) aufweist, oder das Brennstoffzellenmodul (12b) dazu vorgesehen ist, die Ammoniak-Cracker-Einheit (82b) zu erwärmen.
System mit zumindest einer Brennstoffzellenvorrichtung (12a; 12b) nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch zumindest ein Gastrenn- Funktionsmodul (54a), das dazu vorgesehen ist, einen Wasserstoff aus dem abgeleiteten Anodenabgas herauszutrennen.
System nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Gastrenn-Funktionsmodul (54a) zumindest eine Druckwechsel-Adsorptionseinheit und/oder eine Temperaturwechsel-Adsorptionseinheit aufweist.
System nach Anspruch 6 oder 7, gekennzeichnet durch zumindest eine Polymerelektrolytbrennstoffzelleneinheit (62a, 66a) und/oder zumindest einen Wasserstoff und/oder Ammoniak-Verbrennungsmotor (64a, 70a) aufweist.
Verfahren für ein System nach einem der Ansprüche 6 bis 8 mit zumindest einer Brennstoffzellenvorrichtung (10a; 10b), dadurch gekennzeichnet, dass in einem Verfahrensschritt ein Ammoniak als Primärenergieträger in der Brennstoffzellenvorrichtung (10a; 10b) verstromt wird und ein wasserstoffhaltiges Anodenabgas zu einer weiteren Verwendung unverbrannt abgeleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem abgeleiteten wasserstoffhaltigen Anodenabgas in einem Verfahrensschritt ein Wasserstoff herausgetrennt wird, und/oder in einem weiteren Verfahrensschritt durch Verbrennung verstromt und/oder abgefüllt wird.