DE10329201B4

DE10329201B4 - Brennstoffzellensystem

Info

Publication number: DE10329201B4
Application number: DE10329201A
Authority: DE
Inventors: Edgar Kreis; Steffen Dr. Wieland
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2003-06-28
Filing date: 2003-06-28
Publication date: 2007-09-27
Anticipated expiration: 2023-06-29
Also published as: DE10329201A1

Abstract

Brennstoffzellensystem mit einem Strömungsweg für Kathodenzuluft oder für einer Reformierungseinrichtung zugeführte Luft oder zugeführtes Erdgas mit einer Befeuchtungseinrichtung, einem Strömungsweg für Kathodenabluft mit einer Entfeuchtungseinrichtung sowie einer Regeleinrichtung zur Überwachung und Regelung der Brennstoff- und Luftzufuhr zur Brennstoffzelle oder zur Reformierungseinrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungsweg der Kathodenabluft von dem Strömungsweg der der Brennstoffzelle zugeführten Kathodenzuluft oder der der Reformierungseinrichtung zugeführten Luft des der oder Reformierungseinrichtung zugeführten Erdgases durch eine flüssige Phase in einem Reservoir (R) für die abgeschiedene flüssige Phase im Strömungsweg für Kathodenabluft, in Kombination mit einem diffusionsfördernden Bauteil (D), getrennt ist, wobei die Kathodenzuluft oder die der Reformierungseinrichtung zugeführte Luft oder das dieser zugeführte Erdgas durch diffusionsförderndes Bauteil (D) leitbar sind, welches sich innerhalb des Reservoirs (R) immer unterhalb des Flüssigkeitspegels befindet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Mit Brennstoffzellen wird bei der Reaktion von Wasserstoff mit Sauerstoff elektrischer Strom erzeugt. Die dabei entstehende Wärme kann für Beheizungszwecke genutzt werden. Als Brennstoff für die Brennstoffzelle wird beispielsweise wasserstoffreiches Reformatgas aus einem Kohlenwasserstoff, unter Zugabe von Luft und Wasser, in einer Gaserzeugungseinrichtung gewonnen. Außerdem benötigen Brennstoffzellensysteme einen Brenner zur Verbrennung des restlichen Wasserstoffs in den niederkalorischen Brennstoffzellenabgasen sowie von wasserstoffreichen, hochkalorischen Synthesegasen aus der Reformierungs- bzw. Gaserzeugungseinrichtung.
Brennstoffzellensysteme besitzen eine Regeleinrichtung zur Überwachung und Regelung der Brennstoff- und Luftzufuhr zur Brennstoffzelle oder zur Reformierungseinrichtung sowie eine Befeuchtungseinrichtung im Strömungsweg für Kathodenzuluft. Bei Reformierungseinrichtungen kann entweder im Strömungsweg die zugeführte Luft oder das zugeführte Erdgas, insbesondere bei der Wasserdampfreformierung, befeuchtet werden. Weiterhin befindet sich im Strömungsweg für die Kathodenabluft eine Entfeuchtungseinrichtung. Eingangs- und ausgangsseitige Systeme zur Einstellung des Feuchtigkeitsgehalts arbeiten allerdings immer getrennt.
Allgemein bekannt sind sogenannte Membranbefeuchter für den einer Reformierungseinrichtung zugeführten Erdgasstrom, wobei allerdings auch die Befeuchtungseinrichtung vollkommen unabhängig vom Strömungsweg der Kathodenabluft bzw. der dortigen Entfeuchtungseinrichtung ist.

In der WO 01/59863 A2 wird ein Brennstoffzellensystem beschrieben, bei dem die Betriebsgase – also wasserstoffhaltiges und sauerstoffhaltiges Gas – in einer geeigneten Einrichtung befeuchtet werden. Das in der Brennstoffzelle entstehende Produktwasser wird durch entsprechende Wasserabscheider aus den Abgasen der Brennstoffzelle abgetrennt und in einen Wassersammelbehälter geleitet. Dieser Behälter ist in der Regal an den Befeuchter angeschlossen. Das Produktwasser wird zur Befeuchtung wieder in die Brennstoffzelle geleitet. Während des Betriebs der Brennstoffzelle strömt Betriebsgas in den Befeuchter. Der Befeuchter ist mit Wasser bis zu einem bestimmten Niveau gefüllt. Im Befeuchter wird das Betriebsgas erwärmt und bis zur Sättigung mit Wasser befeuchtet.

Die WO 02/11221 A2 betrifft ein Brennstoffzellensystem, das ebenfalls einen Befeuchter aufweist. Dabei wird flüssiges Wasser direkt in den Brennstoffzellenstapel eingeführt. Das aus den Öffnungen der Befeuchtungseinrichtung austretende Wasser wird durch die Betriebsgase mitgerissen und in dem anodenseitigen oder kathodenseitigen Reaktionsmittelraum fein und gleichmäßig verteilt.

Sowohl die DE 199 45 323 A1 als auch die DE 100 31 240 A1 beschreiben Regelsysteme zur gezielten Befeuchtung der Kathodenzuluft einer Brennstoffzelle. Das auskondensierte und abgetrennte Wasser der Kathodenzuluft wird über eine Wasserzuführleitung mit einem Durchflussregelventil gezielt der Kathodenzuluft zudosiert. Dabei wird die Durchflussmenge des Wassers in Abhängigkeit von der Detektion eines vorgegebenen Signals, welches den Betriebszustand des Gasverdichters anzeigt, reguliert.

Weiterhin geht aus der DE 199 18 849 C2 ein Bauteil zur gezielten Befeuchtung der Kathodenzuluft einer Brennstoffzelle hervor. Das Sorptionsrad ist in Segmente unterteilt, die abwechselnd von der Kathodenabluft und – zuluft durchströmt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein einfaches Verfahren und eine kompakte Anordnung zur kontinuierlichen Befeuchtung verschiedenster Gase mit dem aus dem Abgas eines Brennstoffzellensystems auskondensierten Wasser zu schaffen.

Erfindungsgemäß wird dies mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Das Brennstoffzellensystem ist dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungsweg der Kathodenabluft von dem der Kathodenzuluft oder der einer Reformierungseinrichtung zugeführten Luft oder des einer Reformierungseinrichtung zugeführten Erdgases durch eine flüssige Phase im Strömungsweg für Kathodenabluft getrennt ist. Diese Trennung wird in Kombination mit einem diffusionsfördernden Bauteil realisiert.

Geregelt wird dabei über den Druckunterschied zwischen den beiden Strömungswegen der Feuchtigkeitsübergang zwischen der Kathodenabluft sowie der Kathodenzuluft oder der der Reformierungseinrichtung zugeführten Luft oder dem dieser zugeführten Erdgas durch das diffusionsfördernde Bauteil. Dazu wird der Druckunterschied zwischen den beiden Strömungswegen gemessen und daraufhin der Druck über die Regeleinrichtung in mindestens einem Strömungsweg nach vorgegebenen Werten eingestellt.

Weiterhin ist im Strömungsweg für die Kathodenabluft ein Reservoir für die abgeschiedene flüssige Phase angeordnet. Die Kathodenzuluft oder die der Reformierungseinrichtung zugeführte Luft oder das zugeführte Erdgas strömt dann durch ein diffusionsförderndes Bauteil, beispielsweise mindestens ein rohrförmiger Kanal. Dieses Bauteil befindet sich innerhalb des Reservoirs immer unterhalb des Flüssigkeitspegels. Je nach Anordnung kann das diffusionsfördernde Bauteil vorzugsweise als poröse Membran oder als Vliesstoff ausgeführt sein. Außerdem ist eine Einrichtung zur Kühlung und/oder Erwärmung des Wassers im Bereich des Wasserreservoirs angeordnet und mit einer weiteren Einrichtung wird der Flüssigkeitsspiegels im Wasserreservoir geregelt.

Mit der Erfindung wird ein einfaches Verfahren bzw. eine einfache, kompakte Anordnung zur kontinuierlichen Befeuchtung verschiedenster gasförmiger Medien mit dem aus dem Abgas eines Brennstoffzellensystems auskondensierten Wasser geschaffen. Durch den relativ einfachen Aufbau ist eine Integration in unterschiedliche Brennstoffzellensysteme möglich.

Die Zeichnung stellt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dar und zeigt in einer einzigen Figur den schematischen Aufbau eines Brennstoffzellensystems.
Das Brennstoffzellensystem besitzt im Strömungsweg für das einer Reformierungseinrichtung zugeführte Erdgas eine Befeuchtungseinrichtung. Der Brennstoffzelle B ist im Strömungsweg für Kathodenabluft eine Entfeuchtungseinrichtung E nachgeschaltet, wobei das dort auskondensierte Wasser in ein Reservoir R gelangt.
Der einer Reformierungseinrichtung zugeführte Erdgasstrom wird unterhalb des Flüssigkeitsspiegels in das Reservoir R über eine Verteilereinrichtung V eingeleitet. Diese besitzt ein diffusionsförderndes Bauteil D, welches nur einen Erdgasdurchtritt in das umgebende Wasser zulässt. Das Erdgas perlt somit nach oben, steigt auf und gelangt vor dem Eintritt in die Reformierungseinrichtung noch in einen Tropfenabscheider A. Weiterhin ist im Bereich der Verteilereinrichtung V eine Einrichtung H zur Kühlung und/oder Erwärmung des Wassers im Reservoir R angeordnet.

Claims

Brennstoffzellensystem mit einem Strömungsweg für Kathodenzuluft oder für einer Reformierungseinrichtung zugeführte Luft oder zugeführtes Erdgas mit einer Befeuchtungseinrichtung, einem Strömungsweg für Kathodenabluft mit einer Entfeuchtungseinrichtung sowie einer Regeleinrichtung zur Überwachung und Regelung der Brennstoff- und Luftzufuhr zur Brennstoffzelle oder zur Reformierungseinrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungsweg der Kathodenabluft von dem Strömungsweg der der Brennstoffzelle zugeführten Kathodenzuluft oder der der Reformierungseinrichtung zugeführten Luft des der oder Reformierungseinrichtung zugeführten Erdgases durch eine flüssige Phase in einem Reservoir (R) für die abgeschiedene flüssige Phase im Strömungsweg für Kathodenabluft, in Kombination mit einem diffusionsfördernden Bauteil (D), getrennt ist, wobei die Kathodenzuluft oder die der Reformierungseinrichtung zugeführte Luft oder das dieser zugeführte Erdgas durch diffusionsförderndes Bauteil (D) leitbar sind, welches sich innerhalb des Reservoirs (R) immer unterhalb des Flüssigkeitspegels befindet.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Feuchtigkeitsübergang zwischen der Kathodenabluft sowie der Kathodenzuluft oder der der Reformierungseinrichtung zugeführten Luft oder dem dieser zugeführten Erdgas durch das diffusionsfördernde Bauteil (D) über den Druckunterschied zwischen den beiden Strömungswegen regelbar ist.
Brennstoffzellensystem nach Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckunterschied zwischen den beiden Strömungswegen messbar und dass der Druck über eine Regeleinrichtung in mindestens einem Strömungsweg nach vorgegebenen Werten einstellbar ist.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das diffusionsfördernde Bauteil (D) eine poröse Membran ist.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass das diffusionsfördernde Bauteil (D) ein Vliesstoff ist.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis dadurch gekennzeichnet, dass eine Einrichtung (H) zur Kühlung und/oder Erwärmung im Bereich des Wasserreservoirs (R) angeordnet ist.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einrichtung zur Regelung des Flüssigkeitsspiegels im Wasserreservoir (R) vorhanden ist.