-
Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem
mit einer Brennstoffzellenanordnung und einem Injektor zum Rückführen von
Abgas in die Brennstoffzellenanordnung, wobei der Injektor eine Einlaßöffnung,
eine nachfolgend angeordnete Düse, einen
nachfolgend angeordneten Diffusor mit einer Auslaßöffnung und
eine Ansaugöffnung
zur Zuführung
eines Anodenabgases der Brennstoffzellenanordnung in eine im Bereich
der Düse
und des Eintrittsbereichs des Diffusors gebildete Kammer aufweist.
Außerdem
betrifft die Erfindung ein Brennstoffzellensystem mit einer Brennstoffzellenanordnung, einem
Reformer zur Reformierung eines flüssigen oder gasförmigen Brennstoffs
zu einer wasserstoffhaltigen Gas und einem Injektor zum Rückführen von Abgas
in den Reformer, wobei der Injektor eine Einlaßöffnung, eine nachfolgend angeordnete
Düse, einen
nachfolgend angeordneten Diffusor mit einer Auslaßöffnung und
eine Ansaugöffnung
zur Zuführung
eines Anodenabgases der Brennstoffzellenanordnung in eine im Bereich
der Düse
und des Eintrittsbereichs des Diffusors gebildete Kammer aufweist.
-
Grundsätzlich wird der einer Brennstoffzelle zugeführte Brennstoff
in der Brennstoffzelle nicht vollständig verbraucht, sondern es
entsteht ein Anodenabgas mit restlichen Brenngasen H
2 und
CO sowie N
2, CO
2 und
H
2O. Das Anodenabgas kann in einem Brenner
nachverbrannt und als Abgas in die Umgebung entlassen werden. Eine
andere Möglichkeit
ist eine Rezirkulation des Anodenabgases in den der Brennstoffzelle
zugeführten
Brennstoff. Bei Brennstoffzellensystemen ist es beispielsweise aus der
EP 0 800 708 B1 bekannt,
das Anodenabgas unter Verwendung von Injektoren der Brennstoffzellenanordnung
wieder zuzuführen.
Die dort verwendeten Injektoren sind in der oben angegebenen Weise
aufgebaut.
-
Darüber hinaus sind Brennstoffzellensysteme
bekannt, die einen Reformer aufweisen, durch den aus einem flüssigen oder
gasförmigen
Brennstoff ein wasserstoffhaltiges Gas erzeugt wird, das wiederum
der Brennstoffzellenanordnung als Brennstoff zugeführt wird.
Solche Brennstoffzellensysteme sind insbesondere im mobilen Einsatz
von Vorteil, da die Ausgangsbrennstoffe für die Reformierung zur Erzeugung
des wasserstoffhaltigen Gases wesentlich einfacher zu transportieren
und handzuhaben sind als Wasserstoff, wie er in einem System gemäß der
EP 0 800 708 B1 eingesetzt
wird. Ein geeigneter Brennstoff für einen Reformer ist beispielsweise
Benzin oder Diesel. Bei Fahrzeugen ergibt sich durch solche Systeme
der Vorteil, daß der
Reformer mit dem gleichen Brennstoff betrieben werden kann, wie
ein Verbrennungsmotor des Fahrzeuges.
-
Der im Rahmen der vorliegenden Anmeldung
verwendete Begriff "Brennstoff" unfaßt dabei nicht
nur den verwendeten Energieträger,
sondern auch ein Brennstoffgemisch beispielsweise aus dem Energieträger und
dem zur Reformierung erforderlichen Oxidationsmittel, zum Beispiel
in Form von Luft.
-
Ein geeignetes Verfahren für die Reformierung
ist die sogenannte partielle Oxidation. Bei diesem Verfahren erfolgt
eine Oxidation des Brennstoffes mit Luftsauerstoff durch eine unterstöchiometrische
Verbrennung. Die Reformierungsreaktion läuft unter hohen Temperaturen
im Bereich von 1300° C ab.
Ein bekanntes Problem bei der partiellen Oxidation ist die Rußbildung.
Die Gefahr der Rußbildung kann
dadurch verringert werden, daß dem
beispielsweise dampfförmig
dem Reformer zugeführten Brennstoff
Wasser beigemischt wird. Durch diese Befeuchtung des Brennstoffes
verringert sich die Gefahr der Rußbildung. Auch zu diesem Zweck
eignet sich das Anodenabgas zur Beimischung. Wie oben erläutert, entsteht
an der Anode der Brennstoffzellenanordnung Wasser, wobei die gebildete
Menge ausreicht, um die Rußbildung
in dem Reformierungsprozeß zu
verringern. Zur Zuführung
des Brennstoffs zu dem Reformer und zur Vermischung mit dem Anodenabgas
kann ebenso ein In jektor eingesetzt werden, wie er oben in einer
Anwendung zur Injektion eines Brennstoffs in die Brennstoffzellenanordnung
beschrieben wurde.
-
Sowohl bei der Zuführung eines
Brennstoffs zu einer Brennstoffzellenanordnung als auch bei der Zuführung eines
Brennstoffs zu einem Reformer besteht das Problem, daß in einer
Startphase des Systems die zugeführten
Brennstoffe noch nicht geeignet sind, bzw. der Reformer und die
Brennstoffzellenanordnung noch nicht die notwendige Betriebstemperatur
erreicht haben, um einen ordnungsgemäßen Betrieb zu ermöglichen.
Es muß daher
verhindert werden, daß trotzdem
Brennstoff zugeführt
wird.
-
Eine geeignete Maßnahme für die Startphase des Brennstoffzellensystems
besteht darin, den Brennstoff vor dem Eintritt in den Reformer bzw.
die Brennstoffzellenanordnung abzuleiten und einer anderweitigen
Verwertung zuzuführen.
Dazu kann ein Ventil vorgesehen werden, das den Brennstoff entweder
dem Reformer oder einem Nachbrenner zuleitet. Gleichfalls kann vor
der Brennstoffzellenanordnung ein solches Ventil vorgesehen werden.
-
Durch eine derartige Anordnung ist
zwar das Problem der Startphase gelöst, allerdings ist ein solches
System verhältnismäßig teuer.
Sowohl die Ventile als auch die Injektoren sind kompliziert im Aufbau. Es
entsteht darüber
hinaus eine zusätzliche
Verrohrung, was den Systemaufbau komplizierter macht und zu Druckverlusten
und höheren
Kosten führt.
-
Aufgabe der Erfindung ist es, Brennstoffzellensysteme
der eingangs genannten Arten anzugeben, die einen sicheren Betrieb
in der Startphase und eine Rezirkulation des Anodenabgases ermöglichen, wobei
das Anodenabgas entweder dem Reformer oder der Brennstoffzellenanordnung
zugeführt
wird, und wobei das System einfacher und kostengünstiger ist, als das Vorsehen
jeweils eines Ventils und eines Injektors.
-
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch Brennstoffzellensysteme
mit einem Injektor gelöst, der
dadurch gekennzeichnet ist, daß der
Eintrittsbereich des Diffusors als Schieber ausgestaltet ist, wobei
in einer ersten Schieberstellung der Durchtritt eines Brennstoffs
von der Düse
zur Auslaßöffnung ermöglicht ist
und in einer zweiten Schieberstellung der Durchtritt eines Fluids
von der Düse
zur Auslaßöffnung verhindert
ist.
-
Der Vorteil erfindungsgemäßer Brennstoffzellensysteme
besteht darin, daß zur
Realisierung von mehreren unabhängigen
Systemfunktionen nur noch eine Komponente benötigt wird. Im konkreten Fall
wird die Funktion eines Ventils in den Injektor integriert. Dadurch
kann der Bauraum eines Brennstoffzellensystems verringert und die
Herstellungskosten reduziert werden. Durch die vereinfachte Verrohrung
der Komponenten entsteht darüber
hinaus ein funktionaler Vorteil durch Reduzierung des Druckabfalls.
-
Vorteilhaft ist die Ansaugöffnung des
Injektors sowohl mit einer Anode der Brennstoffzellenanordnung zur
Rezirkulation des Anodenabgases verbunden und andererseits mit einem
Brenner verbunden zur Ableitung des Brennstoffs in der zweiten Schieberstellung.
Die in dem Brenner erzeugte Wärme
kann dann zur Aufheizung des Systems verwendet werden.
-
In einer Weiterbildung der Erfindung
kann der Schieber Zwischenstellungen einnehmen, wodurch sich die
Diffusorgeometrie verändert.
Durch Einstellung der Diffusorgeometrie kann die Rezirkulationsrate,
also das Verhältnis
des rezirkulierten Anodenabgases zu dem zugeführten neuen Brennstoff variiert
werden.
-
Die Erfindung wird nachfolgend anhand
eines Ausführungsbeispieles
näher erläutert. Es
zeigt:
-
1 ein
Brennstoffzellensystem mit einem Injektor zum Rückführen von Abgas zu einem Reformer,
-
2 eine
detaillierte Darstellung des Injektors in einer ersten Schieberstellung,
-
3 den
Injektor von 2 in einer
zweiten Schieberstellung und
-
4 ein
Brennstoffzellensystem, bei dem der Injektor zum Rückführen von
Abgas zu einer Brennstoffzellenanordnung dient.
-
Bei dem in der 1 gezeigten Brennstoffzellensystem wird
aus einem flüssigen
oder gasförmigen
Brennstoff, beispielsweise Benzin, durch eine Reformierungsreaktion
ein wasserstoffhaltiges Gas erzeugt, wofür ein Reformer 2 vorgesehen
ist, und das Reformat einer Brennstoffzellenanordnung 1 zugeführt. Die
Brennstoffzellenanordnung 1 verfügt selbstverständlich über Anschlüsse, an
denen direkt ein elektrischer Strom abgegriffen werden kann. In der
Zuführung
des Brennstoffs zu dem Reformer 2 ist ein Injektor 3 vorgesehen,
der den über
eine Leitung 5 zugeführten
Brennstoff beschleunigt und damit den statischen Druck absenkt.
Durch diesen Unterdruck wird über
die Ansaugöffnung 35 und
die Leitung 7 Anodenabgas angesaugt. Im Diffusor 33 erhöht sich der
Druck wieder. Über
die Brennstoffleitung 5 kann dem Injektor im vorliegenden
Ausführungsbeispiel nicht
nur der Brennstoff zugeführt
werden, sondern es kann sich bereits um ein Brennstoff-Luft-Gemisch handeln,
das dem Reformer 2 zugeführt werden soll.
-
Diese Betriebsweise liegt im stationären Betrieb
vor, wenn sämtliche
Komponenten des Brennstoffzellensystems auf Betriebstemperatur sind.
-
An der Anode der Brennstoffzellenanordnung 1 wird
mehr Abgas erzeugt, als durch den Injektor 3 dem Reformer
wieder zugeführt
werden kann. Das übrige
Anodenabgas wird einem Brenner 4 zugeführt, der das Anodengas verbrennt.
Das Abgas des Brenners 4 kann in die Umgebung entweichen.
-
Der Injektor 3 in dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem
ist derart ausgestaltet, daß er auch
eine zweite Betriebsweise des Brennstoffzellensystems ermöglicht.
In der zweiten Betriebsweise ist die Verbindung zwischen einer Einlaßöffnung 31 des Injektors
und einer Auslaßöffnung 34 unterbrochen. Stattdessen
wird der über
die Brennstoffleitung 5 zugeführte Brennstoff zu einer Ansaugöffnung 35 des Injektors
geleitet, über
die in der zuvor beschriebenen Betriebsweise das Anodenabgas zugeführt wird. In
dieser zweiten Betriebsweise arbeitet der Injektor 6 also
als Ventil.
-
Der durch die Ansaugöffnung 35 austretende Brennstoff
wird über
das Leitungsstück 7 dem
Brenner 4 zugeleitet. An der Verbindung zwischen dem Leitungsstück 7 und
der Anodenabgasleitung 6 sind keine besonderen Maßnahmen
erforderlich, da in der Ventilbetriebsweise des Injektors 3 der
Leitungszweig über
den Reformer 2 und die Brennstoffzellenanordnung 1 unbenutzt
ist. Der von dem Injektor 3 zu dem Brenner 4 transportierte
Brennstoff kann deswegen nicht in die Anodenabgasleitung 6 so
eindringen, daß er
in die Brennstoffzellenanordnung 1 gelangt.
-
In der 2 ist
der Aufbau des Injektors 3 in einer detaillierteren Darstellung
gezeigt. In Verbindung mit der 3 ist
erkennbar, wie die Umschaltung zwischen den beiden Betriebsweisen
des Injektors 3 funktioniert. Auf der in der Darstellung
von 2 linken Seite des
Injektors 3 befindet sich die Einlaßöffnung 31, die sich
in Richtung der Auslaßöffnung 34 verjüngt und
in eine Düse 32 mündet. In
der rechten Hälfte
des Injektors 3 ist ein Diffusor 33 gebildet,
dessen Querschnitt sich in Richtung der Auslaßöffnung 34 weitet.
-
Der Eintrittsbereich des Diffusors 33,
in den der aus der Düse 32 austretende
Brennstoff als erstes gelangt, ist als Schieber 36 ausgestaltet.
Im Bereich der Düse 32 und
des Eintrittsbereichs des Diffusors 33 ist eine Kammer 37 gebildet.
Diese Kammer 37 ist mit einer Ansaugöffnung 35 verbunden.
An die Ansaugöffnung 35 ist
der Leitungsabschnitt 7 des Brennstoffzellensystems angeschlossen.
-
Der die Düse 32 passierende
Brennstoffstrom besitzt eine hohe Geschwindigkeit und am Düsenaustritt
und in der Kammer 37 einen geringen Druck. Das durch die
Ansaugöffnung 35 eintretende Anodenabgas
besitzt dagegen einen vergleichsweise höheren Druck, Der aus der Düse 32 austretende Brennstoffstrom
saugt das Anodenabgas an. Der Brennstoff und das Anodenabgas vermischen
sich anschließend
beim Einströmen
in den Diffusor 33. Das Verhältnis des Brennstoffs, der
durch die Düse 32 tritt,
und des Anodenabgases, das durch den Brennstoffstrom angesaugt wird,
hängt von
der Geometrie der Düse 32 und
des Diffusors 33 ab. Dieses Verhältnis ist normalerweise nicht
einstellbar.
-
In der 3 ist
der Injektor 3 in einer Betriebsweise gezeigt, in der er
als Ventil arbeitet. Diese zweite Betriebsweise wird dadurch ermöglicht,
daß der
Eintrittsbereich des Diffusors 33 als Schieber 36 ausgestaltet
ist. Der Schieber 36 wird in der Kammer 37 nach
oben verschoben, so daß der
Eintritt von Brennstoff aus der Düse 32 in den Diffusor 33 verhindert
wird. Stattdessen füllt
der Brennstoff die Kammer 37 und verläßt diese über die Ansaugöffnung 35.
-
Neben den beschriebenen extremen
Stellungen des Schiebers 36 sind Zwischenstellungen möglich, in
denen der Schieber 36 gegenüber seiner in der ersten Betriebsweise
eingenommenen Position leicht verschoben ist. Dadurch ändert sich
die Geometrie des Diffusors 33 derart, daß es zu
einer veränderten
Einstellung des Verhältnisses
zwischen dem zugeführten
Brennstoff und dem rezirkulierten Anodenabgas kommt.
-
Die beschriebene Kombination zwischen
einem Injektor und einem Ventil ist konstruktiv sehr einfach und
wesentlich billiger als das Vorsehen separater Komponenten.
-
Der in den 2 und 3 gezeigte
prinzipielle Aufbau eines kombinierten Injektors/Ventils ist auch für einen
Injektor eines sogenannten "Wasserstoffsystems" anwendbar, bei dem
bereits Wasserstoff als Brennstoff für die Brennstoffzellenanordnung 1 zur Verfügung steht.
In diesem Fall wird das Anodenabgas der Brennstoffzellenanordnung 1 so
zurückgeführt, daß es dem
vor der Brennstoffzellenanordnung 1 angeordneten Injektor
zur Verfügung
gestellt wird zur Beimischung zu dem über die Brennstoffleitung 5 zugeführten Wasserstoff.
-
Während
bei einem System gemäß der 1 der Injektor in der Ventilfunktion
bewirkt, daß sowohl
der Reformer 2 als auch die Brennstoffzellenanordnung 3 überbrückt werden,
bewirkt der Injektor 3 in der Ventilfunktion in der 4, daß nur die Brennstoffzellenanordnung 1 überbrückt wird.
In der Startphase des Brennstoffzellensystems, wenn die Brennstoffzellenanordnung 1 noch
nicht ihre Betriebstemperatur erreicht hat, wird der Brennstoff über die Ansaugöffnung 35 sowie
den Leitungsabschnitt 7 wiederum dem Brenner 4 zugeführt.
-
Im Ausführungbeispiel der 2 und 3 ist der Schieber so vorgesehen, daß er eine
translatorische Bewegung ausführt.
Von der Erfindung umfaßt sind
aber ebenso andere Ausgestaltungen, die die Funktion des beschriebenen
Schiebers erfüllen.
-
- 1
- Brennstoffzellenanordnung
- 2
- Reformer
- 3
- Injektor
- 4
- Brenner
- 5
- Brennstoffleitung
- 6
- Anodenabgasleitung
- 7
- Leitungsabschnitt
- 31
- Einlaßöffnung
- 32
- Düse
- 33
- Diffusor
- 34
- Auslaßöffnung
- 35
- Ansaugöffnung
- 36
- Schieber
- 37
- Kammer