DE10324213A1

DE10324213A1 - Brennstoffzellenvorrichtung

Info

Publication number: DE10324213A1
Application number: DE10324213A
Authority: DE
Inventors: Frank Brenner; Rainer Saliger
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2003-05-28
Filing date: 2003-05-28
Publication date: 2004-12-16
Also published as: CN100454631C; US7504169B2; US20040241515A1; CN1574432A

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenvorrichtung mit einer Brennstoffzelle und einem Wasserstoffspeicher, sie ist dadurch gekennzeichnet, dass ein aus dem Wasserstoffspeicher (2) gespeister Wasserstoffbrenner (9) vorgesehen ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenvorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Bei der Entwicklung von Fahrzeugantrieben spielt die Brennstoffzelle eine immer größere Rolle. Hierbei ist unter anderem die Frage, wie das Brennstoffzellensystem beim Betriebsstart auf die notwendige Betriebstemperatur gebracht wird, von großer Bedeutung.
Aufgabe und Vorteile der Erfindung:
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Brennstoffzellenvorrichtung vorzuschlagen, bei der innerhalb kurzer Zeit die notwendige Starttemperatur zu erreichen ist.
Diese Aufgabe wird ausgehend von einer Brennstoffzellenvorrichtung mit einer Brennstoffzelle und einem Wasserstoffspeicher durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 erreicht.
Durch die in den Unteransprüchen angegebenen Maßnahmen sind vorteilhafte Ausführungen und Weiterbildungen möglich.
Dementsprechend zeichnet sich eine erfindungsgemäße Brennstoffzelle dadurch aus, dass ein Wasserstoffbrenner vorgesehen ist, der aus dem Wasserstoffspeicher gespeist wird. Mit Hilfe des aus dem Wasserstoffspeicher gespeisten Wasserstoffbrenners lässt sich die zum Erreichen der erforderlichen Betriebstemperatur einer oder mehrerer Komponenten der Brennstoffzellenvorrichtung erforderliche Wärme innerhalb kurzer Zeit erzeugen und auf die entsprechende Baukomponente, z.B. die Brennstoffzelle übertragen.
Eine erfindungsgemäße Brennstoffzellenvorrichtung kann beispielsweise als Fahrzeugantrieb mit Wasserstoffdirektsystem oder mit einer vorgelagerten Reformierung oder als sogenannte Hilfskrafteinheit (APU Auxiliary Power Unit) Verwendung finden.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird daher eine thermische Kopplung des Brenners zur Brennstoffzelle vorgeschlagen. Auf diese weise kann die Anlaufzeit der Brennstoffzelle erheblich verkürzt werden. Insbesondere kann eine Vorheizung bereits vor dem Anlaufen der Brennstoffzelle erfolgen.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird eine thermische Kopplung zwischen dem Wasserstoffbrenner zu einem Befeuchter in der Wasserstoffzufuhr für die Brennstoffzelle vorgesehen. Eine Brennstoffzelle benötigt für einen reibungslosen Betrieb eine gewisse Menge Wasserdampf, der in vielen Anwendungen dem Kraftstoff, d.h. dem hierzu üblicherweise vorgesehenen Wasserstoff beigemischt wird. Erfindungsgemäß kann nun der Befeuchter über den Wasserstoffbrenner geheizt werden, so dass eine schnelle Verdampfung des zugeführten Prozesswassers möglich ist. Auch hierdurch wird die Startphase der Brennstoffzelle beschleunigt.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wird weiterhin eine thermische Kopplung an eine externe Baueinheit zur externen Wärmenutzung des Wasserstoffbrenners vorgesehen. Eine solche externe Wärmenutzung ermöglicht die sinnvolle Verwendung des Wasserstoffbrenners nach Ablauf der Startphase der Brennstoffzellenvorrichtung. So können weitere Heizvorrichtungen für etwaige vorgesehene externe Wärmeanwendungen entfallen.
Als externe Nutzung für den Wasserstoffbrenner kommt beispielsweise eine Heizung für einen Fahrzeuginnenraum in Frage. Der Einsatz von Brennstoffzellenvorrichtungen ist insbesondere im Bereich der Kraftfahrzeugantriebe in nächster Zukunft zu erwarten. Funktionsfähige Prototypen sind bereits bekannt geworden.
Ein Kraftfahrzeug benötigt jedoch eine Innenraumheizung, die in der Regel als separate Baueinheit vorgesehen wird. Bei einer erfindungsgemäßen Brennstoffzellenvorrichtung kann nunmehr der ohnehin vorhandene Wasserstoffbrenner hierzu genutzt werden, so dass der Aufwand für eine weitere Fahrzeugheizung entfallen kann.
Weiterhin ist die Anwendung einer Brennstoffzellenvorrichtung in der Haustechnik denkbar. In der Haustechnik wird neben einer Stromversorgung regelmäßig auch Heißwasser als Brauchwasser benötigt. Der Einsatz des Wasserstoffbrenners bei einer erfindungsgemäßen Brennstoffzellenvorrichtung im Bereich der Haustechnik erübrigt demnach ein zusätzliches Heizelement für die Heißwassererzeugung.
Eine vorteilhafte Möglichkeit der Wärmekopplung der Brennstoffzelle mit dem Wasserstoffbrenner besteht darin, dass die der Brennstoffzelle zuzuführenden Luft mit Hilfe des Wasserstoffbrenners angewärmt wird. Die Vorwärmung der Luft kann auch in Kombination mit weiteren Wärmeübertragungen in die Brennstoffzelle, beispielsweise über den Brennstoffzellenkühlkreislauf, usw. kombiniert werden.
Der erfindungsgemäße Wasserstoffbrenner ist auch von Vorteil, falls zusätzlich ein Kraftstoffreformer zur Umsetzung von Kohlenwasserstoff in Wasserstoff als Kraftstoff für die Brennstoffzelle vorgesehen ist. Auch bei solchen Vorrichtungen ist ein Reformatgas- oder Wasserstoffspeicher oder auch ganz allgemein ein Speicher zur Bevorratung eines H₂-haltigen Gases in Verbindung mit einem aus diesem (Wasserstoff) Speicher gespeisten (Wasserstoff) Brenner von Vorteil, um die Startphase der Brennstoffzellenvorrichtung zu vereinfachen und zu verkürzen. In diesem Fall kann über den erfindungsgemäßen (Wasserstoff) Brenner auch der Kraftstoffreformer schnell auf die erforderliche Betriebstemperatur gebracht werden.
Die gleiche Anwendung ist auch bei nachgeschalteten Reinigungsstufen zur Aufbereitung des Reformatgases aus einem Reformer von Vorteil. Derartige Reinigungsstufen sind üblicherweise vorgesehen, um Kohlenmonoxid im Reformatgas möglichst weitgehend zu Kohlendioxid zu oxidieren, da Kohlenmonoxid den bislang bekannten Brennstoffzellen schadet. Die Reinigungsstufen, die in der Regel als katalytische Reaktoren mit unterschiedlichen Betriebstemperaturen ausgebildet sind, können mit Hilfe des Wasserstoffbrenners bzw. Reformatgasbrenners ebenfalls schneller auf Betriebstemperatur gebracht werden, so dass sich auch hierdurch die Anlaufzeit der gesamten Vorrichtung verkürzt.
Ein großer Vorteil eines Wasserstoffbrenners gegenüber einem Kohlenwasserstoffbrenner besteht darin, dass als Endprodukt reiner Wasserdampf entsteht. Dieser Wasserdampf kann unmittelbar in der Brennstoffzellenvorrichtung genutzt werden, so dass auch die Abwärme des Brenners ohne Zusatzmaßnahmen in der Brennstoffzellenvorrichtung nutzbar ist.
So wird in einer vorteilhaften Ausführungsform der heiße, im Wasserstoffbrenner entstehende Wasserdampf dadurch genutzt, dass eine wasserdampfzufuhr vom Brenner in die Brennstoffzelle und/oder in die Luft- oder Wasserstoffzufuhr der Brennstoffzelle vorgesehen ist. Dieser Wasserdampf dient demnach entweder unmittelbar zum Herstellen geeigneter angefeuchteter Betriebsbedingungen in der Brennstoffzelle oder zur Befeuchtung des der Brennstoffzelle zuzuführenden Wasserstoffs oder der Luft und somit mittelbar ebenfalls dem Ziel, geeignete Betriebsbedingungen in der Brennstoffzelle herzustellen. Insbesondere wird bei dieser Ausführungsform auch die Abwärme des Wasserstoffbrenners unmittelbar genutzt.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird eine Anodenrestgasleitung in dem Wasserstoff-Brenner vorgesehen. Der Wasserstoff wird in der Regel nicht vollständig in der Brennstoffzelle umgesetzt. Demnach resultiert aus der Brennstoffzelle ein Anodenrestgas mit brennfähigen Bestandteilen. Dieses Anodenrestgas kann im Wasserstoffbrenner nachverbrannt werden, so dass der Energieinhalt einer weiteren Nutzung zugänglich gemacht wird.
Auch für die Startphase kann eine Dosierung des Wasserstoffs auf den Brenner aus der Anodenrestgasleitung z. B. durch Öffnen eines ohnehin im System vorhandenen Purge- oder Entlüftungsventils vorgesehen sein.
Ein erfindungsgemäßer Wasserstoffbrenner kann sowohl als katalytischer Brenner als auch als Flammtopf ausgebildet werden. Ein Flammtopf bietet den Vorteil der sehr schnellen Wärmeerzeugung, während bei einem katalytischen Brenner der Aufwand der Verdüsung und der Zündung entfällt.
Ausführungsbeispiel:
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird anhand der beigefügten Figur näher erläutert.
Die einzige Figur zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Brennstoffzellenvorrichtung.
Die Brennstoffzellenvorrichtung 1 gemäß der Figur umfasst einen Wasserstofftank 2, der mit einem Druckminderer 3 verbunden ist. Der Druckminderer 3 ist mit einem Druckregler 4 verbunden, der den Arbeitsdruck des Wasserstoffs für die Brennstoffzelle 5 regelt. Zwischen dem Druckregler 4 und der Brennstoffzelle 5 ist weiterhin ein Befeuchter 6 angeordnet.
Zwischen dem Druckminderer 3 und dem Druckregler 4 zweigt eine Leitung 7 ab, die über eine Drossel 8 zu dem Wasserstoffbrenner 9 führt. Die Funktion der Drossel kann u. U. durch das für das Anodenrestgas vorgesehene Purge- oder Entlüftungsventil 14 übernommen werden, das entsprechende Mengen Wasserstoff aus der Anodenrestgasleitung 15 auf den Brenner dosiert. Der Wasserstoffbrenner 9 ist als katalytischer Brenner oder als Flammtopf ausgeführt.
weiterhin ist eine Luftzufuhr 10 in den Wasserstoffbrenner 9 vorgesehen. Anstelle der Luftzufuhr 10 kann auch eine reine Sauerstoffzufuhr vorgesehen sein. Wesentlich ist, dass der Wasserstoffbrenner 9 ausreichend Sauerstoff zur Umsetzung von Wasserstoff und Sauerstoff in Wasserdampf erhält.
Die vom Wasserstoffbrenner 9 erzeugte Wärme wird über die Leitung Q₁ der Brennstoffzelle 5 zugeführt. Darüber hinaus ist eine Wärmeabgabe über die Leitung Q₂ zu einer externen Wärmenutzung, beispielsweise zur Heizung eines Fahrzeuginnenraums vorgesehen.
Eine Wärmeabgabe Q₃ vom Wasserstoffbrenner 9 ist auch in den Befeuchter 6 möglich. Weiterhin besteht bei der dargestellten Vorrichtung die Möglichkeit, über die Leitung Q₄ die Brennerwärme einem Luftstrom zuzuführen, der über die Luftleitung 11 der Brennstoffzelle 5 zugeführt wird.
Der im Wasserstoffbrenner 9 entstehende heiße Wasserdampf kann, wie mit der gestrichelt dargestellten Wasserdampfleitung 12 vorgesehen, dem Wasserstoff in der Wasserstoffleitung 13 für die Brennstoffzelle 5 zugesetzt werden. Auch eine Beimischung des heißen Wasserdampfes in den Luftstrom über die Leitung 12 ist möglich Für den Wärmeübertrag in den Wärmeleitungen Q₁, Q₂, Q₃, Q₄ können je nach Bedarf die entsprechenden Vorrichtungen zur Wärmeübertragung vorgesehen werden. In Frage kommt beispielsweise der Einsatz von Wärmetauschern oder eine Wärmeübertragung durch Wärmestrahlung usw. Gegebenenfalls kann der Wärmefluss zu den einzelnen Einheiten der Brennstoffzellenvorrichtung steuerbar oder auch regelbar ausgebildet werden, um einen gewünschten zeitlichen Ablauf und/oder die Einhaltung gewünschter Temperaturen zu gewährleisten.
Die Luftströme in der Luftzufuhr 10 und der Luftleitung 11 können je nach Bedarf über nicht näher dargestellte Gebläse vorgenommen werden.
Der Wasserstoffbrenner 9 ermöglicht die schnelle Aufheizung der Brennstoffzelle 5, so dass die Startphase erheblich verkürzt wird. Er verbrennt beim H₂-Direkt-Brennstoffzellensystem reinen Wasserstoff, so dass keinerlei Abgasproblem vorhanden ist. Der bei der Verbrennung entstehende Wasserdampf kann vielmehr sinnvollerweise genutzt, d.h. in der vorliegenden Ausführung der Wasserstoffleitung 13 zugeführt werden. Darüber hinaus kann die Zuluft für die Brennstoffzelle 5 in der Luftleitung 11 ebenso über den Brenner 9 angewärmt werden, wie der Befeuchter 6. Beide Maßnahmen beschleunigen die Startphase der Brennstoffzellenvorrichtung 1.
Die Wärme des Wasserstoffbrenners 9 kann darüber hinaus auf vielfältige andere Arten eingesetzt werden, beispielsweise zur gesamten oder teilweisen Heizung eines Systems zur Kraftstoffreformierung von Wasserstoff aus einem Kohlenwasserstoff. Wesentlich bei der Erfindung ist die Verwendung eines Wasserstoffbrenners 9, der aus dem Wasserstofftank 2 gespeist wird, um die oben genannten erfinderischen Vorteile zu erzielen.

Claims

Brennstoffzellenvorrichtung mit einer Brennstoffzelle und einem Wasserstoffspeicher, dadurch gekennzeichnet, dass ein aus dem Wasserstoffspeicher (2) gespeister Wasserstoffbrenner (9) vorgesehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine thermische Kopplung des Wasserstoffbrenners (9) mit der Brennstoffzelle (5) vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine thermische Kopplung der der Brennstoffzelle (5) zuzuführenden Luft mit dem Wasserstoffbrenner (9) vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine thermische Kopplung eines Befeuchters (6) in der Wasserstoffzufuhr für die Brennstoffzelle (5) mit dem Wasserstoffbrenner (9) vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine thermische Kopplung mit einer Baueinheit zur externen Wärmenutzung vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Baueinheit zur externen Wärmenutzung eine Heizung für einen Fahrzeuginnenraum ist.
Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, die Baueinheit zur externen Wärmenutzung eine Heizung von Brauchwasser ist.
Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine thermische Kopplung mit einem zusätzlich vorhandenen Kraftstoffreformer und/oder Reinigungsstufen für ein Reformatgas vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Wasserdampfzufuhr (12) für den vom Wasserstoffbrenner (9) erzeugten Wasserdampf in die Brennstoffzelle (5) und/oder in die Wasserstoffzufuhr (13) und/oder in die Luftzufuhr (11) der Brennstoffzelle (5) vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Anodenrestgasleitung von der Brennstoffzelle (5) in den Wasserstoffbrenner (9) vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Dosierung von Wasserstoff auf den Wasserstoffbrenner (9) ein in der Anodenrestgasleitung (15) angeordnetes Entlüftungs- oder Purgeventil (14) und/oder eine in der Leitung (7) für die Anodengaszufuhr angeordnete Drossel (8) vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserstoffbrenner (9) als katalytischer Brenner und/oder als Flammtopf ausgebildet ist.