DE10330123A1 - Fuel cell system with reformer supplied with hydrocarbons and air-water mixture and fuel cell has arrangement for returning part of fuel cell output gas to device for producing air-water mixture - Google Patents

Fuel cell system with reformer supplied with hydrocarbons and air-water mixture and fuel cell has arrangement for returning part of fuel cell output gas to device for producing air-water mixture Download PDF

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Abstract

Fuel cell system has a reformer (20) supplied with hydrocarbons and an air-water mixture and a fuel cell (12). The system has a return arrangement for returning part of the output gas of the fuel cell to a device for producing the air-water mixture. The device for producing the air-water mixture is a jet pump. An independent claim is also included for the following: (a) a method of operating a fuel cell system.

Description

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems gemäß Oberbegriff des Anspruchs 5.The The invention relates to a fuel cell system according to the preamble of claim 1 and a method of operating a fuel cell system according to the generic term of claim 5.

Brennstoffzellensysteme sind bekannt. Aufgrund ihres hohen elektrochemischen Wirkungsgrades eignen sich derartige Systeme insbesondere für einen mobilen Einsatz, bspw. in Kraftfahrzeugen. Ein Brennstoffzellensystem kann als Hauptenergiequelle für ein elektrisches Antriebsaggregat oder als Ergänzung zu Batteriespeichern eingesetzt werden. Weiterhin bieten sich Brennstoffzellensysteme als zusätzliche Energieerzeugungseinheiten (sogenannte APU – Auxiliary Power Unit) für den mobilen Einsatz an, da die Erzeugung elektrischer Energie mittels einer Brennstoffzelle in der Regel wirkungsgradgünstiger ist als ein von einer Brennkraftmaschine angetriebener elektrischer Generator. Besonders bei Fahrzeugen mit einer Vielzahl von Stromverbrauchern kann der Betrieb eines solchen Brennstoffzellensystems sehr effektiv sein. Ein derartiges Brennstoffzellensystem für den mobilen Einsatz umfasst üblicherweise eine Membranbrennstoffzelle (sogenannte PEM oder PEMFC – Polymer Electrolyte Membran Fuel Cell) mit einem Kraftstoffreformer, so dass die Mitführung eines zusätzlichen Kraftstoffes vermieden werden kann.Fuel cell systems are known. Due to its high electrochemical efficiency Such systems are particularly suitable for mobile use, eg. in motor vehicles. A fuel cell system can be used as a main source of energy for an electric Drive unit or as a supplement used for battery storage. Furthermore, fuel cell systems are available as additional Power generation units (so-called APU - Auxiliary Power Unit) for the mobile Use, since the generation of electrical energy by means of a Fuel cell is usually more efficient than one of one Internal combustion engine driven electric generator. Especially in vehicles with a variety of power consumers, the Operation of such a fuel cell system to be very effective. Such a fuel cell system for mobile use usually includes a membrane fuel cell (so-called PEM or PEMFC - polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell) with a fuel reformer, so that entrainment an additional one Fuel can be avoided.

Der zur Brenngaserzeugung für die Brennstoffzelle notwendige Reformierungsprozess basiert auf der katalytischen Umsetzung des jeweils verwendeten Kraftstoffs unter Zuhilfenahme von Wasserdampf und Sauerstoff. Üblicherweise werden zu diesem Zweck flüssiges Wasser und Umgebungsluft gemischt, verdampft und anschließend überhitzt. In den heißen komprimierten Gasstrom wird dann der Kraftstoff eingedüst. Das verwendete Wasser kann aus dem Abgas abgeschieden werden, indem dieses gekühlt und das im Abgas enthaltene Wasser anschließend mit einer Kondensatabscheidung zurück gewonnen wird.Of the for fuel gas production for the fuel cell necessary reforming process is based on the catalytic conversion of the fuel used in each case with the help of water vapor and oxygen. Usually become liquid for this purpose Water and ambient air mixed, evaporated and then overheated. In the hot compressed gas stream is then injected into the fuel. The used water can be separated from the exhaust gas by this cooled and the water contained in the exhaust gas then with a condensate separation back is won.

Nachteilig bei den bekannten Systemen ist die notwendige Verdichterarbeit zur Erzeugung des erforderlichen Drucks für den dem System zugeführten Luftsauerstoff.adversely in the known systems, the necessary compressor work to Generation of the required pressure for the atmospheric oxygen supplied to the system.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Brennstoffzellensystem bzw. ein Verfahren zum Betrieb eines solchen zur Verfügung zu stellen, das sich durch einen möglichst günstigen Gesamtwirkungsgrad auszeichnet.It is therefore an object of the invention to provide a fuel cell system or to provide a method of operating such a device one possible Great Overall efficiency.

Zur Lösung der Aufgabe wird ein Brennstoffzellsystem mit einem mit Kohlenwasserstoffen und einem Luft-Wasser-Gemisch gespeisten Reformer und einer Brennstoffzelle mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 geschaffen, das sich durch eine Rückführung eines Abgasteilstroms der Brennstoffzelle zu einer Einrichtung zur Erzeugung des Luft-Wasser-Gemischs für den Reformer auszeichnet. Hierdurch erfolgt eine effiziente Rückgewinnung von bereits im System vorhandenen Gaskomponenten, die noch für den Reformierungsprozess genutzt werden können. Auf diese Weise kann ein Gesamtwirkungsgrad des Brennstoffzellensystems erhöht werden. Die Rückführung ist deshalb möglich, da die im Betrieb der Brennstoffzelle anfallenden Abgase ausreichende Mengen an Sauerstoff und Wasser enthalten, um den Reformer ohne zusätzliche Zufuhr von außen betreiben zu können.to solution The task is a fuel cell system with a hydrocarbon and an air-water mixture fed reformer and a fuel cell created with the features of the preamble of claim 1, the through a return of a Partial exhaust gas flow of the fuel cell to a device for generating the Air-water mixture for distinguishes the reformer. This results in an efficient recovery of gas components already in the system that are still in the process of reforming can be used. In this way, an overall efficiency of the fuel cell system elevated become. The return is therefore possible, there sufficient in the operation of the fuel cell exhaust gases Contain quantities of oxygen and water to the reformer without additional Supply from the outside to be able to operate.

Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Einrichtung zur Erzeugung des Luft-Wasser-Gemischs eine Mischstufe in Form einer Strahlpumpe ist. Eine solche Strahlpumpe arbeitet nach dem Venturi-Prinzip und ermöglicht eine feinfühlige Regulierung der Anteile an Luft und Wasser im Gemisch.A Embodiment of the invention provides that the device for Generation of the air-water mixture, a mixing stage in the form of a Jet pump is. Such a jet pump works on the venturi principle and allows a sensitive regulation the proportions of air and water in the mixture.

Weiterhin kann eine Einrichtung zur Wasserrückgewinnung aus den Abgasen der Brennstoffzelle vorgesehen sein, wobei das rückgewonnene Wasser insbesondere zur Einrichtung zur Erzeugung des Luft-Wasser-Gemischs zugeführt werden kann. Auf diese Weise ist eine sehr weitgehende Nutzung der Endprodukte der Brennstoffzelle zur Rückgewinnung als Ausgangsprodukte ermöglicht.Farther can be a device for water recovery from the exhaust gases the fuel cell may be provided, wherein the recovered water in particular be supplied to the device for generating the air-water mixture can. In this way is a very extensive use of the final products the fuel cell for recovery as Allows starting products.

Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems, bei dem Kohlenwasserstoffe und ein Luft-Wasser-Gemisch reformiert und einer Brennstoffzelle zugeführt werden, zeichnet sich dadurch aus, dass ein Teil des Abgases der Brennstoffzelle zu einer Einrichtung zur Erzeugung des Luft-Wasser-Gemischs zurückgeführt wird. Die Ansaugung des Abgasteilstroms kann insbesondere mittels einer Strahlpumpe erfolgen. Vorteilhaft erweist sich hierbei, statt der Ansaugung von zusätzlichen Betriebstoffen bei Umgebungszustand auf bereits im Gesamtsystem vorhandene Medienströme zurückgreifen zu können. Der Vorteil dieses Verfahrens liegt in dem günstigen Energiehaushalt des Systems. Die Verdichtungsarbeit bei der Wasserstrahlpumpe muss lediglich für das inkompressible Medium, nämlich das Wasser, aufgebracht werden, so dass sich eine deutliche Verringerung der parasitären Leistungsaufnahme ergibt.One inventive method for operating a fuel cell system, wherein hydrocarbons and an air-water mixture reformed and a fuel cell supplied Be characterized by the fact that a part of the exhaust gas of the Fuel cell to a device for generating the air-water mixture is returned. The Intake of the exhaust gas partial stream can in particular by means of a jet pump respectively. It proves advantageous here, instead of the suction of additional Operating conditions at ambient condition already in the overall system resort to existing media streams to be able to. The advantage of this method lies in the favorable energy budget of the System. The compression work on the water jet pump only needs for the incompressible medium, namely the water, be applied, leaving a significant reduction the parasitic power consumption results.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung lassen sich den abhängigen Ansprüchen sowie der nachfolgenden Figurenbeschreibung entnehmen.Further Features and advantages of the invention can be deduced from the dependent claims as well take the following description of the figures.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert. Die einzige Figur zeigt ein Brennstoffzellensystem, wie es bspw. als Energieversorgungseinheit für mobile Einsatzzwecke zur Anwendung kommen kann.The Invention will be described below with reference to a preferred embodiment explained in more detail with reference to the accompanying drawings. The only figure shows a fuel cell system, such as, for example, as a power supply unit for mobile Applications can be used.

Ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem 10 umfasst eine Brennstoffzelle 12 zur Bereitstellung elektrischer Energie, beispielsweise zum Antrieb eines Fahrzeugs oder für ein elektrisches Bordnetz eines Fahrzeugs oder dergleichen. Aus einem Treibstofftank 14 mit darin gespeicherten Kohlenwasserstoffen – insbesondere Benzin, Diesel oder sonstiger Treibstoff – wird der Kraftstoff über eine Förderpumpe 16 zu einer ersten Mischstufe 18 befördert, bei der die Kohlenwasserstoffe mit einem Luft-Wasser-Gemisch beaufschlagt werden. Nach Durchlaufen einer Reformerstufe 20 sowie einer Gasreinigungsstufe 22 werden die aufbereiteten Kohlenwasserstoffe und das Luft-Wasser-Gemisch einer Anodenseite 24 der Brennstoffzelle 12 zugeführt. Die Abgase der Brennstoffzelle 12 werden in einem nachgeschalteten Nachverbrenner 26, einem sogenannten TGC (Tail Gas Combustor) von restlichen Wasserstoffanteilen befreit, durchlaufen anschließend eine erste Wärmertauscherstufe 28 und werden danach einer zweiten Wärmetauscherstufe 30 zugeführt, die als Abgaskühler fungiert. Dem Abgas können damit Wärmeanteile entzogen und als Abwärme genutzt werden. Eine nachgeschalteter Expander 32 treibt einen Generator 34 an, so dass weitgehend die gesamte Abgasenergie ausgenutzt werden kann. Ein Kondensatabscheider 36 trennt flüssiges Kondensat 39 vom gasförmigen Abgas 38, das zu einem Auspuff geleitet und/oder weiteren Reinigungsstufen zugeführt werden kann.An inventive fuel cell system 10 includes a fuel cell 12 for providing electrical energy, for example for driving a vehicle or for an electrical system of a vehicle or the like. From a fuel tank 14 with hydrocarbons stored therein - especially gasoline, diesel or other fuel - the fuel is pumped via a feed pump 16 to a first mixing stage 18 transported in which the hydrocarbons are treated with an air-water mixture. After passing through a reformer stage 20 and a gas purification stage 22 become the treated hydrocarbons and the air-water mixture an anode side 24 the fuel cell 12 fed. The exhaust gases of the fuel cell 12 be in a downstream afterburner 26 , a so-called TGC (Tail Gas Combustor) freed from residual hydrogen fractions, then pass through a first heat exchanger stage 28 and thereafter a second heat exchanger stage 30 supplied, which acts as an exhaust gas cooler. The exhaust gas can thus be withdrawn heat shares and used as waste heat. A downstream expander 32 drives a generator 34 so that largely the entire exhaust gas energy can be exploited. A condensate separator 36 separates liquid condensate 39 from the gaseous exhaust gas 38 that can be routed to an exhaust and / or supplied to further purification stages.

Über einen motorbetriebenen Verdichter 40 wird dem Brennstoffzellensystem 10 Luft 42 zugeführt und über eine regelbare Abzweigung 44 einer Kathodenseite 46 der Brennstoffzelle 12 und/oder dem Nachverbrenner (TGC) 26 zugeführt. Die die Kathodenseite 46 der Brennstoffzelle 12 verlassende Luft wird teilweise einer zweiten Mischstufe 48 zugeführt, die sich vor der zweiten Wärmetauscherstufe 30 befindet, so dass die Luft das System als Abgas verlassen kann.About a motor-driven compressor 40 becomes the fuel cell system 10 air 42 fed and via an adjustable branch 44 a cathode side 46 the fuel cell 12 and / or the afterburner (TGC) 26 fed. The the cathode side 46 the fuel cell 12 leaving air is partly a second mixing stage 48 fed, located in front of the second heat exchanger stage 30 is located so that the air can leave the system as exhaust.

Ein Teil der Luft wird jedoch über eine dritte Mischstufe 50 in das System zurückgeleitet. Die dritte Mischstufe 50 kann im gezeigten Ausführungsbeispiel insbesondere als Strahlpumpe ausgebildet sein, die nach dem Venturi-Prinzip arbeitet, so dass aus einem Wassertank 52 geförderter Wasserstrom in der dritten Mischstufe (Strahlpumpe) 50 mit Luft vermischt wird. Auf diese Weise kann unter Verwendung rückgewonnener Luft ein Luft-Wasser-Gemisch 52 gebildet werden, wie es zum Betrieb der Brennstoffzelle 12 notwendig ist. Das Luft-Wasser-Gemisch 52 wird über die erste Wärmetauscherstufe 28 geleitet, die als Verdampfer fungiert, dort erhitzt und als dampfförmiges Luft-Wasser-Gemisch der ersten Mischstufe 18 zugeführt. Die erste Wärmetauscherstufe 28 ermöglicht die Erhitzung des Luft-Wasser-Gemischs durch Ausnutzung der im Abgas der Brennstoffzelle 12 enthaltenen Abgastemperatur.Part of the air, however, is via a third mixing stage 50 returned to the system. The third mixing stage 50 may be formed in the illustrated embodiment, in particular as a jet pump, which operates on the Venturi principle, so that from a water tank 52 pumped water flow in the third mixing stage (jet pump) 50 is mixed with air. In this way, using recovered air, an air-water mixture 52 be formed, as it is to operate the fuel cell 12 necessary is. The air-water mixture 52 is over the first heat exchanger stage 28 which acts as an evaporator, heated there and as a vaporous air-water mixture of the first mixing stage 18 fed. The first heat exchanger stage 28 allows the heating of the air-water mixture by utilizing the exhaust gas in the fuel cell 12 contained exhaust gas temperature.

Mit der gezeigten Anordnung kann der Kathodenluftsauerstoff für die Reformierung zurückgewonnen werden, ohne dass eine zusätzliche Verdichterarbeit zur Erzeugung des Systemdrucks notwendig ist. Der Vorteil dieser Verschaltung liegt unter anderem in dem günstigen Energiehausalt des Systems. Im Falle der Rezirkulation müssen sämtliche Druckverlust zwischen Reformeraustritt und Kathodenaustritt kompensiert werden. Im Falle der Frischluftzufuhr sogar die vollständige Differenz zum Umgebungsdruck. Im Gegensatz zu einem Reformerverdichter oder einem Rezirkulationsgebläse muss die Verdichtungsarbeit bei der Wasserstrahlpumpe 50 nur für das inkompressible Medium (Wasser) aufgebracht werden, so dass sich eine deutliche Verringerung der parasitären Leistungsaufnahme ergibt.With the arrangement shown, the cathode oxygen for reforming can be recovered without the need for additional compressor work to produce the system pressure. The advantage of this interconnection lies among other things in the favorable energy balance of the system. In the case of recirculation all pressure loss between reformer outlet and cathode outlet must be compensated. In the case of fresh air supply even the full difference to the ambient pressure. In contrast to a reformer compressor or a recirculation fan, the compression work has to be done with the water jet pump 50 only for the incompressible medium (water) are applied, so that there is a significant reduction in parasitic power consumption.

Dieses System bietet sich im Falle des Brennstoffzellensystems mit Reformer daher besonders an, da das Saugmedium gleichzeitig als Ausgangsprodukt für den Reformierungsprozess fungiert. In Abhängigkeit vom zu erzielenden dynamischen Druckverlust kann über die Kondensator-Rückgewinnungseinheit, bevorzugt bestehend aus Wärmetauscher und/oder Expansionsmaschine, die Menge und Relation an Arbeitsmedium (Wasser) und angesaugtem Medium (z.B. Kathodenangas oder Umgebungsluft) eingestellt werden.This System offers itself in the case of the fuel cell system with reformer Therefore, especially because the suction medium at the same time as the starting product for the Reforming process acts. Depending on the achievable dynamic pressure loss can over the condenser recovery unit, preferably consisting of heat exchangers and / or expansion machine, the amount and relation to working medium (Water) and aspirated medium (e.g., cathode gas or ambient air) be set.

Claims (8)

Brennstoffzellensystem mit einem, mit Kohlenwasserstoffen und einem Luft-Wasser-Gemisch gespeisten Reformer und einer Brennstoffzelle, gekennzeichnet durch eine Rückführung eines Abgasteilstroms der Brennstoffzelle (12) zu einer Einrichtung zur Erzeugung des Luft-Wasser-Gemischs für den Reformer (20).Fuel cell system with a, fed with hydrocarbons and an air-water mixture reformer and a fuel cell, characterized by a return of a partial exhaust gas flow of the fuel cell ( 12 ) to a device for producing the air-water mixture for the reformer ( 20 ). Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur Erzeugung des Luft-Wasser-Gemischs eine Strahlpumpe ist.Fuel cell system according to claim 1, characterized in that that the device for generating the air-water mixture a Jet pump is. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zur Wasserrückgewinnung aus den Abgasen der Brennstoffzelle (12).Fuel cell system according to claim 1 or 2, characterized by a device for recovering water from the exhaust gases of the fuel cell ( 12 ). Brennstoffzellensystem nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch eine Zufuhr des rückgewonnenen Wassers zur Einrichtung zur Erzeugung des Luft-Wasser-Gemischs.Fuel cell system according to claim 3, characterized by a supply of the recovered Water for the device for producing the air-water mixture. Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellenssystems, bei dem Kohlenwasserstoffe und ein Luft-Wasser-Gemisch reformiert und einer Brennstoffzelle zugeführt werden, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil des Abgases der Brennstoffzelle (12) zu einer Einrichtung zur Erzeugung des Luft-Wasser-Gemischs zurück geführt wird.Method for operating a fuel cell system in which hydrocarbons and an air-water mixture are reformed and supplied to a fuel cell, characterized in that a part of the exhaust gas of the fuel cell ( 12 ) is returned to a means for generating the air-water mixture. Verfahren nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch eine Ansaugung des Abgasteilstroms mittels einer Strahlpumpe.Method according to claim 5, characterized by a Intake of the partial exhaust gas flow by means of a jet pump. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, gekennzeichnet durch eine Rückgewinnung von Wasser aus den Abgasen der Brennstoffzelle (12).A method according to claim 5 or 6, characterized by a recovery of water from the exhaust gases of the fuel cell ( 12 ). Verfahren nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch eine Zufuhr des rückgewonnenen Wassers zur Einrichtung zur Erzeugung des Luft-Wasser-Gemischs.Method according to claim 7, characterized by a Feed of the recovered Water for the device for producing the air-water mixture.
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