DE10341516A1

DE10341516A1 - Brennstoffzellensystem mit einer Abgasnachverbrennungsvorrichtung und Verfahren für den Betrieb eines Brennstoffzellensystems

Info

Publication number: DE10341516A1
Application number: DE10341516A
Authority: DE
Inventors: Jens Arik Almkermann; Michael Dr. Kahlich; Heinz Wilkening
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2003-08-28
Filing date: 2003-08-28
Publication date: 2005-03-24

Abstract

Brennstoffzellensystem (1), insbesondere für ein Kraftfahrzeug, mit mindestens einer Brennstoffzelle (5), mindestens einer Reformereinheit (14) und mit einer Abgasnachverbrennungsvorrichtung (18), der eine Luftzuführungseinrichtung (19) zum Zuführen eines Luftversorgungsstroms zugeordnet ist, wobei die Brennstoffzelle (5) mindestens einen Kathodenabgasstrom und mindestens einen Anodenabgasstrom aufweist und über eine Anodenabgaszuführung mindestens ein Anteil des Anodenabgasstroms der Abgasnachverbrennungsvorrichung (18) zugeführt wird, wobei die Luftzuführungseinrichtung (19) zum Zuführen mindestens eines Anteils des Kathodenabgasstroms zum/als der Abgasnachverbrennungsvorrichtung (18) zugeleiteten Luftversorgungsstrom mit der Brennstoffzelle (5) verbunden ist, und ein Verfahren für den Betrieb eines Brennstoffzellensystems (1) mit mindestens einer Brennstoffzelle (5), die mindestens einen Kathoden- und einen Anodenabgasstrom aufweist, bei dem Anodenabgas unter Zufuhr von Luft in einer Abgasnachverbrennungsvorrichtung (18) verbrannt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, mit mindestens einer Brennstoffzelle, mindestens einer Reformereinheit und mit einer Abgasnachverbrennungsvorrichtung gemäß dem unabhängigen Anspruch 1, sowie ein Verfahren für den Betrieb eines Brennstoffzellensystems gemäß dem unabhängigen Anspruch 7.

Brennstoffzellensysteme der hier zugrunde gelegten Art sind bekannt. Aufgrund ihres hohen elektrochemischen Wirkungsgrades und ihres umweltverträglichen Betriebs haben Brennstoffzellensysteme in eine Vielzahl von Anwendungsgebieten Einzug gehalten. Dabei wird die Brennstoffzelle sowohl stationär, zum Beispiel als kleines Kraftwerk mit Kraft-Wärme-Kopplung, als auch mobil eingesetzt, zum Beispiel in einem Kraftfahrzeug. Es sind verschiedene Arten von Brennstoffzellensystemen bekannt, wobei insbesondere in der automotiven Anwendung bevorzugt PEM-Brennstoffzellensysteme (Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzellensysteme) und SOFC-Brennstoffzellensysteme (Festoxid-Brennstoffzellensysteme) eingesetzt werden.

Bei den genannten Arten von Brennstoffzellensystemen kommt hauptsächlich Wasserstoff als einer der Betriebsstoffe zum Einsatz. Da insbesondere bei einer Verwendung des Brennstoffzellensystems in einem Kraftfahrzeug das Mitführen von Reinstwasserstoff nur mit erheblichem technischen Aufwand gelöst werden kann, wird in Brennstoffzellensysfemen eine Reformereinheit integriert, mit der der im Kraftfahrzeug mitgeführte Kraftstoff (beispielsweise Erdgas, Benzin, Methanol) in ein wasserstoffreiches Gas umgesetzt wird.

Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, einer Brennstoffzelle Abgasnachbehandlungs- und/oder Abgasrückführungseinrichtungen nachzuschalten. Dazu zählt insbesondere eine Abgasnachverbrennungsvorrichtung, in der das wasserstoff- und kohlenwasserstoffhaltige Anodenabgas unter Zufuhr von in der Umgebungsluft vorhandenem Sauerstoff verbrannt wird. Durch diese Verbrennung lassen sich Wärmeenergie und Wasserdampf gewinnen. Die Wärmeenergie kann beispielsweise zum Verdampfen der Betriebsstoffe genutzt werden, bevor diese der Reformereinheit zugeführt werden. Der Wasserdampf lässt sich nach seiner Abscheidung in einer Wasserrückgewinnungseinrichtung wieder als Wasser innerhalb des Brennstoffzellensystems zurückführen, wo es nach einer Verdampfung den Reformierungsprozess in der Reformereinheit unterstützen und eine Befeuchtung der Brennstoffzellenmembran bewirken kann.

Aufgabe der Erfindung ist es, die Effizienz des bekannten Brennstoffzellensystems zu steigern. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst durch ein Brennstoffzellensystem, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, mit mindestens einer Brennstoffzelle, mindestens einer Reformereinheit und mit einer Abgasnachverbrennungsvorrichtung, der eine Luftzuführungseinrichtung zum Zuführen eines Luftversorgungsstroms zugeordnet ist, wobei die Brennstoffzelle mindestens einen Kathodenabgasstrom und mindestens einen Anodenabgasstrom aufweist und über eine Anodenabgaszuführung mindestens ein Anteil des Anodenabgasstroms der Abgasnachverbrennungsvorrichtung zugeführt wird, wobei die Luftzuführungseinrichtung zum Zuführen mindestens eines Anteils des Kathodenabgasstroms zum/als der Abgasnachverbrennungsvorrichtung zugeleiteten Luftversorgungsstrom mit der Brennstoffzelle verbunden ist. Unter dem Begriff „Luft" soll im Rahmen dieser Anmeldung ein sauerstoffhaltiges Gas verstanden werden, welches bei seiner Zufuhr zum Brennstoffzellensystem üblicherweise der das Brennstoffzellensystem umgebenden Umgebungsluft entnommen wird. Dabei können sich innerhalb des Brennstoffzellensystems die prozentualen Anteile der Bestandteile dieser Luft verändern (zum Beispiel wird die Kathodenzuluft in der Kathodenanordnung befeuchtet) sowie Bestandteile hinzukommen oder entfernt werden, in der Luft ist aber stets ein Sauerstoffanteil vorhanden.

Die Erfindung beruht auf der neu gewonnenen Erkenntnis, dass sich das Kathodenabgas in vorteilhafter Wise bei der Abgasnachverbrennungsvorrichtung nutzen lässt. Kathodenabgas besitzt verschiedene Eigenschaften, wobei drei dieser Eigenschaften im Hinblick auf die Erfindung von Bedeutung sind. Die Kathodenanordnung einer Brennstoffzelle wird üblicherweise mit Umgebungsluft beschickt. In der Kathodenanordnung kombinieren sich die von der Anodenanordnung durch die Membran eintretenden Wasserstoffteilchen mit in der zugeführten Umgebungsluft enthaltenem Sauerstoff zu Wasserdampf. Das Kathodenabgas weist daher einen größeren Wasseranteil auf als die Umgebungsluft. Des Weiteren ist das Kathodenabgas sauerstoffhaltig, da sich nur ein Teil des in der Umgebungsluft vorhandenen Sauerstoffs in der Kathodenanordnung mit den Wasserstoffteilchen zu Wasser kombiniert. Schließlich ist das Kathodenabgas verdichtet, da die Umgebungsluft der Kathodenanordnung mittels eines Luftkompressors zugeführt wird.

Erfindungsgemäß wird mittels der Luftzuführungseinrichtung mindestens ein Anteil des Kathodenabgasstroms der Abgasnachverbrennungsvorrichtung zugeleitet. Dabei ist es insbesondere vorteilhaft, wenn mittels des Anteils des Kathodenabgasstroms die gesamte Luftversorgung der Abgasnachverbrennungsvorrichtung sichergestellt werden kann, wenngleich es ebenso möglich ist, den Anteil des Kathodenabgasstroms einem bereits bestehenden, der Abgasnachverbrennungsvorrichtung zugeleiteten Luftversorgungsstrom hinzuzumischen. Während üblicherweise ein Anteil des Kathodenabgasstroms der Abgasnachverbrennungsvorrichtung zugeführt wird, so ist es bei entsprechender Realisierung von Brennstoffzelle und Abgasnachverbrennungsvorrichtung auch möglich, den gesamten Kathodenabgasstrom der Abgasnachverbrennungsvorrichtung zuzuleiten.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung ergibt sich, wenn zwischen der Luftzuführungseinrichtung und der Abgasnachverbrennungsvorrichtung ein den Luftversorgungsstrom komprimierender Verdichter angeordnet ist. Falls eine Situation eintritt, in der der Kathodenabgasstrom nicht das Druckniveau der Abgasnachverbrennungsvorrichtung erreicht, so kann mittels des Verdichters der Druck des Kathodenabgases auf das notwendige Niveau angehoben werden. Da ein solcher Verdichter nur eine geringe Verdichterleistung erbringen muss, kann er sehr kompakt ausgeführt werden und hat einen geringen Energieverbrauch.

Mit Vorteil ist zwischen der Luftzuführungseinrichtung und der Abgasnachverbrennungsvorrichtung eine den Luftversorgungsstrom einstellende Dosiervorrichtung angeordnet. Es besteht die Möglichkeit, die Durchlassmenge der Dosiervorrichtung Wiest einzustellen oder aber mittels einer Steuer- oder Regelungsvorrichtung zu variieren. Damit lässt sich eine Abstimmung zwischen dem Betriebszustand der Brennstoffzelle und dem gewünschten Betriebszustand der Abgasnachverbrennungsvorrichtung sowie eventuell nachgeschalteter Abgasnachbehandlungs- und/oder Abgasrückführungseinrichtungen vornehmen.

Es ist vorteilhaft, wenn die Anodenabgaszuführung eine Anodenabgasdruckregelungs-, Anodenabgasdrucksteuerungs- oder Anodenabgasdruckreduzierungsvorrichtung aufweist. Eine solche Vorrichtung ermöglicht es, den Anodenabgasdruck einzustellen und damit das Druckniveau in der Abgasnachverbrennungsvorrichtung zu beeinflussen. Je nach Ausführung des Brennstoffzellensystems kann dabei eine Steuer- oder Regelungsvorrichtung verwendet werden oder aber ein Druckminderer mit konstanter Einstellung ausreichend sein.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ergibt sich, wenn das Brennstoffzellensystem als PEM-Brennstoffzellensystem oder SOFC-Brennstoffzellensystem ausgebildet ist. Diese genannten Bauarten eignen sich aufgrund ihres Funktionsprinzips insbesondere für einen mobilen Einsatz des Brennstoffzellensystems.

Vorteilhafterweise weist das Brennstoffzellensystem eine Wasserrückgewinnungseinrichtung auf, die das im Kathodenabgas, im Anodenabgas oder im Abgas der Abgasnachverbrennungsvorrichtung enthaltene Wasser rückgewinnt. Da das Kathodenabgas einen höheren Anteil an Wasserdampf als die Umgebungsluft aufweist, besitzt auch das Gesamtabgas (Kathodenabgas, Anodenabgas und Abgas der Abgasnachverbrennungsvorrichtung) einen höheren Wassergehalt je Volumeneinheit. Damit lässt sich der Wasserrückgewinnungsgrad des Brennstoffzellensystems verbessern.

Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren für den Betrieb eines Brennstoffzellensystems mit mindestens einer Brennstoffzelle, die mindestens einen Kathoden- und einen Anodenabgasstrom aufweist, bei dem Anodenabgas unter Zufuhr von Luft in einer Abgasnachverbrennungsvorrichtung verbrannt wird, wobei mindestens ein Anteil des Kathodenabgasstroms zum/als Luftversorgungsstrom der Abgasnachverbrennungsvorrichtung zugeführt wird. Ein solches Verfahren ermöglicht einen effizienteren Betrieb eines Brennstoffzellensystems.

Die Erfindung soll anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Dabei zeigt die
Figur eine beispielhafte Anordnung eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem.
Das Brennstoffzellensystem 1 weist eine Betriebsstoffaufbereitung 2, eine Brennstoffzelleneinheit 3 und eine Abgasnachbehandlungseinrichtung 4 auf. Die Brennstoffzelleneinheit 3 besteht aus einer Brennstoffzelle 5 mit einer Anodenanordnung 6 und einer Kathodenanordnung 7, sowie einer die Kühlung der Brennstoffzelle 5 bewirkenden Kühlvorrichtung 8. Die Betriebsstoffaufbereitung 2 umfasst ein Wasserbehältnis 9, ein Primärkraftstoffbehältnis 10, einen Wasserabzweig 11, einen ersten Bereich 12 eines Verdampfers 13, eine Reformereinheit 14, eine Gasreinigungsvorrichtung 15, sowie einen ersten Luftkompressor 16 und einen zweiten Luftkompressor 17. Die Abgasnachbehandlungseinrichtung 4 weist eine Abgasnachverbrennungsvorrichtung 18 auf, die über eine Luftzuführungseinrichtung 19 und eine Dosiervorrichtung 20 mit Luft versorgt wird, sowie einen zweiten Bereich 21 des Verdampfers 13, eine Abgaszusammenführung 22 und eine Wasserrückgewinnungseinrichtung 23. Die Wasserrückgewinnungseinrichtung 23 umfasst einen Wärmetauscher 24, einen Nebenkühler 25, einen Abgasexpander 26 und einen Kondensatabscheider 27.
Für das gezeigte Brennstoffzellensystem 1 ergibt sich folgende Funktionsweise: Die Betriebsstoffe des Brennstoffzellensystems, Wasser und Benzin (beispielhaft für den Primärkraftstoff), werden dem Wasserbehältnis 9 beziehungsweise dem Primärkraftstoffbehältnis 10 entnommen und mittels nicht dargestellter Pumpen dem ersten Bereich 12 des Verdampfers 13 zugeleitet. Hier werden die Betriebsstoffe verdampft und der Reformereinheit 14 zugeleitet. Unter Hinzugabe von mittels des ersten Luftkompressors 16 zugeführter Luft werden im Primärkraftstoff enthaltene Kohlenwasserstoffverbindungen aufgespalten, so dass nach der Reformierung ein wasserstoffreiches Gas an die Gasreinigungsvorrichtung 15 geleitet wird. In der Gasreinigungsvorrichtung 15 wird das eintreffende Gas unter Einsatz von Wasser, welches vom Wasserabzweig 11 zugeführt wird, gereinigt und der Anodenanordnung 6 der Brennstoffzelle 5 zugeführt. Von hier aus gelangen Wasserstoffteilchen durch eine Membran zur Kathodenanordnung 7 und kombinieren sich dort mit Sauerstoff, der in der mittels des zweiten Luftkompressors 17 zugeführten Luft enthalten ist, zu Wasserdampf. Das Anodenabgas gelangt von der Anodenanordnung 6 zur Abgasnachverbrennungsvorrichtung 18. Das Kathodenabgas, welches im Wesentlichen aus befeuchteter Umgebungsluft besteht, gelangt zur Luftzuführungseinrichtung 19, von wo ein Teil des Kathodenabgases der Abgaszusammenführung 22 und der verbleibende Teil der Dosiervorrichtung 20 zugeführt wird. Die Dosiervorrichtung 20 ermöglicht es, den Luftversorgungsstrom zur Abgasnachverbrennungsvorrichtung 18 zu dosieren. In der Abgasnachverbrennungsvorrichtung 18 werden wasserstoff- und kohlenwasserstoffhaltige Bestandteile des Anodenabgases mit dem sauerstoffhaltigen Kathodenabgas katalytisch verbrannt. Das heiße, wasserdampfhaltige Abgas der Abgasnachverbrennungsvorrichtung 18 wird dem zweiten Bereich 21 des Verdampfers 13 zugeführt, wo es mittels Wärmeabgabe an den ersten Bereich 12 des Verdampfers 13 gekühlt wird. Das gekühlte Abgas wird in der Abgaszusammenführung 22 mit dem Anteil des Kathodenabgases zusammengeführt, der nicht der Abgasnachverbrennungsvorrichtung 18 zugeleitet wurde. Nach der Abgaszusammenführung 22 wird dem Abgas auf der Primärseite des Wärmetauschers 24 Wärme entzogen, indem die Sekundärseite des Wärmetauschers 24 durch einen Nebenkühler 25 gekühlt wird. Im Abgasexpander 26 erfährt das Abgas eine weitere Abkühlung, und die flüssigen Wasseranteile im Abgas können im Kondensatabscheider aufgenommen und mittels einer nicht dargestellten Pumpe an das Wasserbehältnis 9 zurückgeführt werden.

1: Brennstoffzellensystem
2: Betriebsstoffaufbereitung
3: Brennstoffzelleneinheit
4: Abgasnachbehandlungseinrichtung
5: Brennstoffzelle
6: Anodenanordnung
7: Kathodenanordnung
8: Kühlvorrichtung
9: Wasserbehältnis
10: Primärkraftstoffbehältnis
11: Wasserabzweig
12: erster Bereich
13: Verdampfer
14: Reformereinheit
15: Gasreinigungsvorrichtung
16: erster Luftkompressor
17: zweiter Luftkompressor
18: Abgasnachverbrennungsvorrichtung
19: Luftzuführungseinrichtung
20: Dosiervorrichtung
21: zweiter Bereich
22: Abgaszusammenführung
23: Wasserrückgewinnungseinrichtung
24: Wärmetauscher
25: Nebenkühler
26: Abgasexpander
27: Kondensatabscheider

Claims

Brennstoffzellensystem (1), insbesondere für ein Kraftfahrzeug, mit mindestens einer Brennstoffzelle (5), mindestens einer Reformereinheit (14) und mit einer Abgasnachverbrennungsvorrichtung (18), der eine Luftzuführungseinrichtung (19) zum Zuführen eines Luftversorgungsstroms zugeordnet ist, wobei die Brennstoffzelle (5) mindestens einen Kathodenabgasstrom und mindestens einen Anodenabgasstrom aufweist und über eine Anodenabgaszuführung mindestens ein Anteil des Anodenabgasstroms der Abgasnachverbrennungsvorrichtung (18) zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftzuführungseinrichtung (19) zum Zuführen mindestens eines Anteils des Kathodenabgasstroms zum/als der Abgasnachverbrennungsvorrichtung (18) zugeleiteten Luftversorgungsstrom mit der Brennstoffzelle (5) verbunden ist.
Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Luftzuführungseinrichtung (19) und der Abgasnachverbrennungsvorrichtung (18) ein den Luftversorgungsstrom komprimierender Verdichter angeordnet ist.
Brennstoffzellensystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Luftzuführungseinrichtung (19) und der Abgasnachverbrennungsvorrichtung (18) eine den Luftversorgungsstrom einstellende Dosiervorrichtung (20) angeordnet ist.
Brennstoffzellensystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anodenabgaszuführung eine Anodenabgasdruckregelungs-, Anodenabgasdrucksteuerungs- oder Anodenabgasdruckreduzierungsvorrichtung aufweist.
Brennstoffzellensystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Ausbildung als PEM-Brennstoffzellensystem (Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzellensystem) oder SOFC-Brennstoffzellensystem (Festoxid-Brennstoffzellensystem).
Brennstoffzellensystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoffzellensystem (1) eine das im Kathodenabgas, im Anodenabgas oder im Abgas der Abgasnachverbrennungsvorrichtung (18) enthaltene Wasser rückgewinnende Wasserrückgewinnungseinrichtung (23) aufweist.
Verfahren für den Betrieb eines Brennstoffzellensystems (1) mit mindestens einer Brennstoffzelle (5), die mindestens einen Kathoden- und einen Anodenabgasstrom aufweist, bei dem Anodenabgas unter Zufuhr von Luft in einer Abgasnachverbrennungsvorrichtung (18) verbrannt wird, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Anteil des Kathodenabgasstroms zum/als Luftversorgungsstrom der Abgasnachverbrennungsvorrichtung (18) zugeführt wird.