DE112019002490T5 - Brennstoffzellensystem für ein U-Boot mit selektiver Oxidationsreaktion - Google Patents

Brennstoffzellensystem für ein U-Boot mit selektiver Oxidationsreaktion Download PDF

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Kangsub Ahn
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Bumhan Fuel Cell Co Ltd
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Abstract

In einem Brennstoffzellensystem für ein U-Boot gemäß der vorliegenden Erfindung kann Wasserstoffgas mit einem reduzierten Kohlenmonoxidgehalt, während das Wasserstoffgas eine Reinigungseinheit mit einer selektiven Oxidationsreaktion durchläuft, als Rohmaterial einer Brennstoffzelle zugeführt werden, so dass eine durch Kohlenmonoxid verursachte Verschlechterung der Elektrodenaktivität verhindert werden kann. Darüber hinaus kann das Brennstoffzellensystem für ein U-Boot miniaturisiert und gewichtsreduziert werden und ermöglicht in einem Brennstoffzellenstapel unreagiertes Gas zu verbrennen und wiederzuverwenden, um Wärme an eine Reformierungseinheit zuzuführen, wodurch die Menge des Abgases minimiert wird.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem für U-Boote. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein Brennstoffzellensystem für U-Boote, das eine Reinigungseinheit mit einer bevorzugten Oxidationsreaktion umfasst.
  • Hintergrund
  • Im Allgemeinen ist eine Brennstoffzelle eine Stromerzeugungsvorrichtung, die die chemische Energie von Wasserstoff und Sauerstoff in der Luft direkt in elektrische Energie umwandelt. Je nach Art des verwendeten Elektrolyten werden Brennstoffzellen in alkalische Brennstoffzellen (AFC), Phosphorsäurebrennstoffzellen (PAFC), Schmelzkarbonatbrennstoffzellen (MCFC) und Polymerelektrolytbrennstoffzellen (PEMFC) eingeteilt.
  • Unter den oben genannten wird die Polymerelektrolytbrennstoffzelle (PEMFC) auch als Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle bezeichnet, da sie Wasserstoffgas direkt als Brennstoff verwendet. Sie hat den Vorteil, dass sie im Vergleich zu anderen Brennstoffzellen bei einer relativ niedrigen Temperatur betrieben werden kann und dass es möglich ist, die Größe und das Gewicht der Vorrichtung zu reduzieren, da die Leistungsdichte groß ist. Um eine Polymerelektrolytbrennstoffzelle (PEMFC) zu kommerzialisieren ist jedoch eine stabile Zuführung von Wasserstoff das wichtigste technische Problem, das im Vorfeld gelöst werden muss.
  • Als eine Alternative zu diesem technischen Problem ist eine Direktmethanolbrennstoffzelle (DMFC) bekannt, die anstelle von Wasserstoff direkt Methanol als Brennstoff verwendet (siehe offengelegte koreanische Patentpublikation Nr. 2007-0036502). Darüber hinaus ist es als weitere Alternative möglich, Wasserstoffgas durch einen Reformer unter Verwendung von Ethanol, Methanol, Flüssiggas (LPG), Benzin und dergleichen für Brennstoffzellen zu erzeugen, der Ethanol, Methanol, verwendet. Es besteht das Problem, dass das durch einen Reformer erzeugte Gas neben Wasserstoff auch Kohlendioxid und Kohlenmonoxid enthält.
  • Unter diesen ist Kohlenmonoxid die Hauptursache für die Verschlechterung der Elektrodenaktivität in der Brennstoffzelle. Daher ist es notwendig, den Kohlenmonoxidgehalt im Wasserstoffgas auf ungefähr 10 ppm oder weniger zu reduzieren, bevor es als Brennstoff für Brennstoffzellen verwendet werden kann. Da Brennstoffzellen keine Luft zur Verbrennung benötigen, werden sie insbesondere auch auf U-Booten eingesetzt, die heimlich unter Wasser betrieben werden müssen. Die in solchen U-Booten eingesetzten Brennstoffzellen müssen den Kohlenmonoxidgehalt im Wasserstoffgas weiter reduzieren.
  • Darüber hinaus können beim Einsatz von Brennstoffzellen in U-Booten große Mengen an Emissionen die Möglichkeiten erhöhen, dass die U-Boote entdeckt werden und zusätzliche Leistung ist notwendig, um den Druck des Abgases entsprechend der Tiefe des U-Bootes zu erhöhen, damit das Gas aus den U-Booten nach außen abgegeben werden kann. Daher ist es notwendig, die Menge der Abgase zu minimieren.
  • Offenbarung einer Erfindung
  • Technisches Problem
  • Demzufolge ist es ein Gegenstand der vorliegenden Erfindung ein Brennstoffzellensystem für U-Boote bereitzustellen, dessen Größe und Gewicht reduziert werden kann, wobei Wasserstoffgas mit einem niedrigen Gehalt an Kohlenmonoxid als Rohstoff zugeführt und die Abgasmenge minimiert wird.
  • Lösung des Problems
  • Gemäß dem oben genannten Gegenstand wird ein Brennstoffzellensystem für U-Boote bereitgestellt, umfassend eine Wasserstoffversorgungseinheit zur Zuführung von Wasserstoffgas; eine Sauerstoffspeichereinheit zur Zuführung von Sauerstoffgas; eine Brennstoffzelleneinheit, umfassend einen Brennstoffzellenstapel umfasst und verbunden mit der Wasserstoffversorgungseinheit und der Sauerstoffspeichereinheit, um Wasserstoffgas und Sauerstoffgas zur Erzeugung elektrischer Energie aufzunehmen; und eine Reinigungseinheit, angeordnet zwischen der Wasserstoffversorgungseinheit und der Brennstoffzelleneinheit, um das von der Wasserstoffversorgungseinheit zugeführte Wasserstoffgas zu reinigen und dann an die Brennstoffzelleneinheit abzugeben, wobei die Reinigungseinheit eine erste Reinigungseinheit umfasst, um Kohlenmonoxid in dem von der Wasserstoffversorgungseinheit zugeführten Wasserstoffgas durch eine bevorzugte Oxidationsreaktion zu reduzieren.
  • Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung
  • In dem Brennstoffzellensystem für U-Boote gemäß der vorliegenden Erfindung kann den Brennstoffzellen Wasserstoffgas mit einem geringeren Kohlenmonoxidgehalt als Rohstoff zugeführt werden, während das Wasserstoffgas die Reinigungseinheit durchläuft, so dass eine Verringerung der Elektrodenaktivität aufgrund von Kohlenmonoxid verhindert werden kann. Darüber hinaus weist das Brennstoffzellensystem für U-Boote eine Reformierungseinheit auf, die Methanol und Wasser als Rohmaterial verwendet, wdurch eine Miniaturisierung und Gewichtsreduzierung ermöglicht wird und unreagiertes Gas im Brennstoffzellenstapel wird verbrannt und zurückgeführt, um der Reformierungseinheit Wärme zuzuführen, wodurch die Abgasmenge minimiert werden kann.
  • Figurenliste
    • 1 zeigt schematisch den Aufbau eines Brennstoffzellensystems für U-Boote gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
    • 2a und 2b zeigen schematisch den Aufbau und das Funktionsprinzip eines mehrstufigen Brennstoffzellenstapels.
  • Bezugszeichenliste
    • 100:
    Wasserstoffversorgungseinheit
    120:
    Methanolspeichereinheit
    200:
    Sauerstoffspeichereinheit
    310:
    erste Reinigungseinheit
    500:
    Brennstoffzelleneinheit
    511:
    erster Brennstoffzellenstapel
    513:
    dritter Brennstoffzellenstapel
    110:
    Wasserspeichereinheit
    150:
    Reformierungseinheit
    300:
    Reinigungseinheit
    400:
    Wärmeversorgungseinheit
    510:
    Brennstoffzellenstapel
    512:
    zweiter Brennstoffzellenstapel
  • Beste Art zur Durchführung der Erfindung
  • Im Folgenden werden Aufbau und Funktion gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen ausführlich beschrieben. Die folgende Beschreibung zeigt einen von mehreren beanspruchbaren Aspekten der Erfindung und die folgende Beschreibung kann einen Teil der detaillierten Techniken der Erfindung darstellen.
  • Bei der Beschreibung der vorliegenden Erfindung kann jedoch zur Verdeutlichung der vorliegenden Erfindung auf detaillierte Beschreibungen des bekannten Aufbaus und Funktionsprinzips verzichtet werden.
  • Da die vorliegende Erfindung auf verschiedene Weise modifiziert werden kann und verschiedene Ausführungsformen enthalten kann, werden spezifische Ausführungsformen in den Zeichnungen dargestellt und in der detaillierten Beschreibung beschrieben. Es ist jedoch nicht beabsichtigt, die vorliegende Erfindung auf eine bestimmte Ausführungsform zu beschränken. Vielmehr ist es so zu verstehen, dass alle Änderungen, Äquivalente oder Substitute umfasst sind, die im Ideal und Umfang der vorliegenden Erfindung enthalten sind.
  • Begriffe umfassend Ordnungszahlen, wie erste und zweite, können zur Beschreibung verschiedener Elemente verwendet werden, aber die entsprechenden Elemente werden durch diese Begriffe nicht eingeschränkt. Diese Begriffe werden nur zum Zweck der Unterscheidung eines Elements von einem anderen verwendet.
  • Wenn ein Element als mit einem anderen Element „verbunden“ bezeichnet wird, ist es so zu verstehen, dass es zwar direkt mit dem anderen Element verbunden sein kann, dass aber ein anderes Element zwischen diesen eingefügt sein kann.
  • Wenn ein Element als einen bestimmten Stoff an ein anderes Element „zuführend“ bezeichnet wird, ist dies so zu verstehen, dass eine Versorgungsleitung vorgesehen ist, die geeignet ist den Stoff an die andere Komponente zuzuführen und dass der Stoff durch die Versorgungsleitung zugeführt wird.
  • Die in der vorliegenden Anmeldung verwendeten Begriffe werden nur zur Beschreibung spezifischer Ausführungsformen verwendet und sind nicht dazu bestimmt, die vorliegende Erfindung einzuschränken. Singuläre Ausdrücke umfassen auch Pluralausdrücke, es sei denn, aus dem Kontext geht eindeutig etwas anderes hervor.
  • 1 zeigt schematisch den Aufbau eines Brennstoffzellensystems für U-Boote gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung (in 1 stellt ein Quadrat jedes Element dar, ein durchgezogener Pfeil stellt einen Rohstoffstrom dar, insbesondere stellt ein dicker durchgezogener Pfeil einen Wasserstoffgasstrom und ein gestrichelter Pfeil einen Wärmestrom dar).
  • Unter Bezugnahme auf 1 umfasst das Brennstoffzellensystem für U-Boote gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine Wasserstoffversorgungseinheit (100) zum Zuführen von Wasserstoffgas; eine Sauerstoffspeichereinheit (200) zum Zuführen von Sauerstoffgas; eine Brennstoffzelleneinheit (500), umfassend einen Brennstoffzellenstapel (510) und verbunden mit der Wasserstoffversorgungseinheit (100) und mit der Sauerstoffspeichereinheit (200), um Wasserstoffgas und Sauerstoffgas zur Erzeugung elektrischer Energie aufzunehmen; und eine Reinigungseinheit (300), angeordnet zwischen der Wasserstoffversorgungseinheit (100) und der Brennstoffzelleneinheit (500), um das von der Wasserstoffversorgungseinheit (100) zugeführte Wasserstoffgas zu reinigen und es dann an die Brennstoffzelleneinheit (500) abzugeben, wobei die Reinigungseinheit (300) eine erste Reinigungseinheit (310) umfasst, um Kohlenmonoxid in dem von der Wasserstoffversorgungseinheit (100) zugeführten Wasserstoffgas durch eine bevorzugte Oxidationsreaktion zu reduzieren.
  • Wasserstoffversorgungseinheit
  • Die Wasserstoffversorgungseinheit (100) kann eine Wasserspeichereinheit (110) zur Zuführung von Wasser, eine Methanolspeichereinheit (120) zur Zuführung von Methanol und eine Reformierungseinheit (150) umfassen, die mit der Wasserspeichereinheit (110) und der Methanolspeichereinheit (120) verbunden ist, um aus Wasser und Methanol reformiertes Wasserstoffgas zu erzeugen.
  • Die Reformierungseinheit (150) erhitzt das aus der Wasserspeichereinheit (110) zugeführte Wasser und das aus der Methanolspeichereinheit (120) zugeführte Methanol auf etwa 250 bis 300°C, um sie zu verdampfen. Anschließned werden das verdampfte Methanol und der Wasserdampf einer katalytischen Reaktion unterzogen, um ein reformiertes Gas zu erzeugen, in das H2, CO, CO2 und dergleichen gemischt werden. Zusätzlich kann, sofern erforderlich, ein Wasser-Gas-Shift-Reaktor zur Verfügung gestellt werden, um in die Gasproduktion einzusteigen.
  • Insbesondere wird in der Reformierungseinheit (150) Methanol am Katalysator in Wasserstoff, Kohlenmonoxid, Formaldehyd oder Methylformiat umgewandelt. Eine Reformierungsreaktion wird in Anwesenheit von Wasser zur Umwandlung in Wasserstoff und Kohlenmonoxid oder Kohlendioxid durchgeführt (siehe die folgenden Reaktionsschemata). CH3OH --> HCHO + H2 HCHO + CH3OH --> H2(OH)OCH3 --> HCOOCH3 + H2 HCOOCH3 --> CO + CH3OH (or CO2 + CH4)
  • Wie oben dargestellt, enthält das Gas, das schließlich durch die Reaktion in der Reformierungseinheit (150) aus der Wasserstoffversorgungseinheit (100) austritt, andere Arten von Gasen als Wasserstoff. Daher ist es notwendig, die Reinheit des Wasserstoffgases zu erhöhen und den Gehalt anderer Gasarten in der nachfolgenden Reinigungseinheit (300) zu verringern.
  • Insbesondere ist das im Wasserstoffgas enthaltene Kohlenmonoxid die Hauptursache für die Verschlechterung der Elektrodenaktivität in den Brennstoffzellen. Daher ist es notwendig, seinen Gehalt in der nachfolgenden Reinigungseinheit (300) zu reduzieren.
  • Reinigungseinheit
  • Die Reinigungseinheit (300) ist zwischen der Wasserstoffversorgungseinheit (100) und der Brennstoffzelleneinheit (500) angeordnet und reinigt das von der Wasserstoffversorgungseinheit (100) zugeführte Wasserstoffgas, um es an die Brennstoffzelleneinheit (500) abzugeben.
  • Die Reinigungseinheit (300) umfasst eine erste Reinigungseinheit (310), um Kohlenmonoxid in dem von der Wasserstoffversorgungseinheit (100) zugeführten Wasserstoffgas durch eine bevorzugte Oxidationsreaktion (selektive Oxidation) zu reduzieren.
  • In der ersten Reinigungseinheit (310) für die bevorzugte Oxidationsreaktion wird Sauerstoff mit dem zugeführten Gas gemischt und anschließend wird Kohlenmonoxid aus dem Wasserstoffgas mit Hilfe eines Katalysators mit hoher Kohlenmonoxidselektivität entfernt (siehe folgendes Reaktionsschema). CO + 1/2 O2 --> CO2
  • In einem solchen Fall kann ein Platinkatalysator als Katalysator für die bevorzugte Oxidationsreaktion verwendet werden. Um die Selektivität der Reaktion und die Reaktionsgeschwindigkeit zu erhöhen, ist es bevorzugt die Reaktionstemperatur in dem Bereich von 130 bis 250°C zu halten.
  • Da die bevorzugte Oxidationsreaktion einen Sauerstoffüberschuss erfordert, ist es außerdem bevorzugt, dass die Sauerstoffspeichereinheit (200) zusätzlich an die erste Reinigungseinheit (310) angeschlossen wird, um der ersten Reinigungseinheit (310) Sauerstoffgas zuzuführen.
  • Das Wasserstoffgas, das schließlich aus der Reinigungseinheit (300) durch die erste Reinigungseinheit (310) abgegeben wird, kann einen sehr niedrigen Kohlenmonoxidgehalt und eine hohe Reinheit aufweisen. Zum Beispiel kann das Wasserstoffgas, das aus der Reinigungseinheit (300) abgegeben wird, einen Kohlenmonoxidgehalt von 10 ppm oder weniger aufweisen.
  • Insbesondere kann das aus der Reinigungseinheit abgegebene Wasserstoffgas einen Kohlenmonoxidgehalt von 1 ppm oder weniger aufweisen.
  • Brennstoffzellenei nheit
  • Die Brennstoffzelleneinheit (500) besteht aus einem Brennstoffzellenstapel (510) und ist mit der Wasserstoffversorgungseinheit (100) und mit der Sauerstoffspeichereinheit (200) verbunden, um Wasserstoffgas und Sauerstoffgas zur Erzeugung elektrischer Energie aufzunehmen.
  • Der Brennstoffzellenstapel kann ein Stapel von Polymerelektrolytbrennstoffzellen (PEMFC) sein.
  • Der Brennstoffzellenstapel kann zum Beispiel eine Struktur haben, in der eine Vielzahl von Brennstoffzellen gestapelt sind. Jede Brennstoffzelle umfasst eine Anodenelektrode, eine der Anodenelektrode gegenüberliegende Kathodenelektrode und eine Elektrolytmembran, die zwischen der Anodenelektrode und der Kathodenelektrode angeordnet ist.
  • Insbesondere kann die Anodenelektrode Wasserstoff verwenden, der von der Wasserstoffversorgungseinheit (100) zugeführt wird und die Kathodenelektrode kann Sauerstoff verwenden, der von der Sauerstoffspeichereinheit (200) zugeführt wird. In diesem Fall wird an der Anodenelektrode eine Oxidationsreaktion, wie im folgenden Reaktionsschema (1) dargestellt, und an der Kathodenelektrode eine Reduktionsreaktion, wie im folgenden Reaktionsschema (2) dargestellt, durchgeführt. Die Nettoreaktion der Brennstoffzelleneinheit (500) ist wie im folgenden Reaktionsschema (3) dargestellt. H2 →2H+ + 2e- (1) 1/2 O2 + 2 H+ + 2e- → H2O (2) H2+ 1/2 O2 → H2O (3)
  • Als ein Beispiel kann der Brennstoffzellenstapel (510) ein einstufiger Brennstoffzellenstapel sein.
  • Wenn anfänglich 100 % Wasserstoff- und Sauerstoffgas zugeführt werden, können etwa 10 bis 20 % des Wasserstoff- und Sauerstoffgases, bezogen auf den Ausgangszustand, ungenutzt bleiben und bei der Erzeugung von elektrischer Energie im Brennstoffzellenstapel abgegeben werden. Dieses nicht verwendete Gas ist in einem geschlossenen Raum wie einem U-Boot nicht erwünscht, da es ein separates Verfahren für seine Abgabe erfordert. Dementsprechend kann durch die vorliegende Erfindung die Abgasmenge auch bei Verwendung eines einstufigen Brennstoffzellenstapels durch Zurückführung des nicht verwendeten Gases vom Brennstoffzellenstapel zur Wärmeversorgungseinheit minimiert werden (400). Alternativ kann die Abgasmenge durch die Verbrennung des nicht verwendeten Gases im Brennstoffzellenstapel minimiert werden (510).
  • Als weiteres Beispiel kann der Brennstoffzellenstapel (510) ein mehrstufiger Brennstoffzellenstapel sein. Ein solcher mehrstufiger Brennstoffzellenstapel eignet sich für einen geschlossenen Raum wie z.B. ein U-Boot, da die Menge des schließlich abgegebenen Gases minimiert wird.
  • Vorzugsweise kann der Brennstoffzellenstapel (510) ein Brennstoffzellenstapel sein, der aus 2 bis 10 Stufen besteht und nicht verwendetes Wasserstoffgas in einer Menge von 0,5% oder weniger im Verhältnis zum zugeführten Wasserstoffgas abgeben kann.
  • 2a und 2b zeigen schematisch den Aufbau und das Funktionsprinzip eines mehrstufigen Brennstoffzellenstapels.
  • Unter Bezugnahme auf 2a kann es sich bei dem mehrstufigen Brennstoffzellenstapel nach einem konkreten Beispiel um einen solchen handeln, bei dem mehrere Brennstoffzellenstapel (511, 512 und 513) zur Verbesserung des Verbrauchs in Reihe geschaltet sind. In einem solchen Fall werden zunächst 100% des Brennstoffs (Wasserstoffgas und Sauerstoffgas) dem ersten Brennstoffzellenstapel (511) zugeführt, um elektrische Energie zu erzeugen, und dann werden 10 bis 20% des nicht verwendeten Brennstoffs abgeführt. Der nicht verwendete Brennstoff wird dem zweiten Brennstoffzellenstapel (512) zugeführt, um elektrische Energie zu erzeugen, und 1 bis 4% des nicht verwendeten Brennstoffs im Verhältnis zum anfänglich zugeführten Brennstoff werden dann abgegeben. Der nicht verwendete Brennstoff wird dem dritten Brennstoffzellenstapel (513) zugeführt, um elektrische Energie zu erzeugen, und weniger als 0,5% des nicht verwendeten Brennstoffs, bezogen auf den anfänglich zugeführten, können dann abgegeben werden.
  • Unter Bezugnahme auf 2b kann es sich nach einem weiteren konkreten Beispiel um einen mehrstufigen Brennstoffzellenstapel handeln, bei dem innerhalb eines Brennstoffzellenstapels eine mehrstufige Reaktion zur Verbesserung des Verbrauchs durchgeführt wird. In einem solchen Fall werden dem mehrstufigen Brennstoffzellenstapel zunächst 100 % des Brennstoffs (Wasserstoffgas und Sauerstoffgas) zugeführt, in der ersten Stufe wird elektrische Energie erzeugt und anschließend 20 bis 40 % des nicht verwendeten Brennstoffs, bezogen auf den ursprünglich zugeführten, abgegeben; in der zweiten Stufe wird elektrische Energie erzeugt und anschließend 5 bis 15 % des nicht verwendeten Brennstoffs, bezogen auf den ursprünglich zugeführten, abgegeben; in der dritten Stufe wird elektrische Energie erzeugt und anschließend 1 bis 5 % des nicht verwendeten Brennstoffs, bezogen auf den ursprünglich zugeführten, abgegeben; in der vierten Stufe wird elektrische Energie erzeugt und 0,5 % oder weniger des nicht verwendeten Brennstoffs im Verhältnis zu dem anfänglich zugeführten Brennstoff abgegeben.
  • Sauerstoffspeichereinheit
  • Die Sauerstoffspeichereinheit (200) speichert darin Sauerstoff, der der Kathode (oder Sauerstoffelektrode) des Brennstoffzellenstapels (510) und dergleichen zugeführt wird.
  • Die Sauerstoff-Speichereinheit (200) kann einen Tank zur Speicherung von flüssigem Sauerstoff umfassen. Unter normalen Bedingungen kann der Sauerstoff in der Atmosphäre als Sauerstoffquelle einer Brennstoffzelle verwendet werden. Flüssiger Sauerstoff wird jedoch vorzugsweise unter geschlossenen Bedingungen wie in einem U-Boot verwendet, da keine Atmosphäre zur Verfügung steht.
  • Wärmeversorgungseinheit
  • Darüber hinaus kann das Brennstoffzellensystem für U-Boote weiterhin eine Wärmeversorgungseinheit (400) umfassen, die mit der Methanolspeichereinheit (120) und der Sauerstoffspeichereinheit (200) verbunden ist und Methanol und Sauerstoffgas verbrennt, um die Reformierungseinheit (150) mit Wärme zu versorgen.
  • Darüber hinaus sind die Wärmeversorgungseinheit (400) und die Brennstoffzelleneinheit (500) miteinander verbunden, so dass das in der Brennstoffzelleneinheit (500) nicht verwendete Gas in die Wärmeversorgungseinheit (400) zurückgeführt werden kann. Da das in der Brennstoffzelleneinheit (500) nicht verwendete Gas aus Wasserstoffgas und Sauerstoffgas besteht, wird es in der Wärmeversorgungseinheit (400) verbrannt, um die Reformierungseinheit (150) mit Wärme zu versorgen. Dadurch ist es möglich, die Menge an Gas, die schließlich aus dem Brennstoffzellensystem abgegeben wird, weiter zu reduzieren.
  • Die Wärmeversorgungseinheit (400) kann aus einem Brenner und einem Wärmetauscher bestehen. Beispielsweise werden die der Wärmeversorgungseinheit (400) zugeführten Gase im Brenner verbrannt und die Wärme kann dann über den Wärmetauscher der Reformierungseinheit (150) zugeführt werden.
  • Als weiteres Beispiel kann ein Verbrennungsbrenner um die Reformierungseinheit (150) herum installiert werden, so dass die Verbrennungswärme direkt der Reformierungseinheit (150) zugeführt werden kann. Da dieser Typ keinen Wärmetauscher benötigt, weist er den Vorteil auf, dass die Größe reduziert werden kann.
  • Verbrennungseinheit
  • Darüber hinaus kann das Brennstoffzellensystem auch eine Verbrennungseinheit (nicht abgebildet) umfassen, die mit der Brennstoffzelleneinheit (500) verbunden ist. Die Verbrennungseinheit kann nicht verwendetes Gas verbrennen, insbesondere nicht verwendetes Wasserstoff- und Sauerstoffgas, das aus der Brennstoffzelleneinheit austritt (500).
  • Dadurch ist es möglich, die Menge des schließlich aus dem Brennstoffzellensystem abgegebenen Gases weiter zu reduzieren.
  • Steuereinheit
  • Darüber hinaus kann das Brennstoffzellensystem weiterhin eine Steuereinheit (nicht dargestellt) zur Steuerung von mindestens einer der Wasserstoffversorgungseinheit (100), der Sauerstoffspeichereinheit (200), der Reinigungseinheit (300), der Wärmeversorgungseinheit (400) und der Brennstoffzelleneinheit (500) umfassen.
  • Die Steuereinheit kann z.B. aus einem kleinen eingebauten Computer bestehen und mit einer Datenverarbeitungseinheit versehen sein, die aus einem Programm, einem Speicher, einer CPU und dergleichen besteht.
  • Das Programm der Steuereinheit kann einen Algorithmus zur Steuerung des Betriebs der Wasserstoffversorgungseinheit (100), der Sauerstoffspeichereinheit (200), der Reinigungseinheit (300), der Wärmeversorgungseinheit (400) und der Brennstoffzelleneinheit (500) auf der Grundlage der von ihnen gemessenen oder analysierten Daten umfassen. Ein solches Programm kann in einer Speichereinheit, wie einem Computerspeichermedium, wie einer flexiblen Platte, einer Kompaktplatte, einer Festplatte oder einer magneto-optischen (MO) Platte, die in der Steuereinheit installiert wird, gespeichert werden.
  • Wirkungen und Anwendungen
  • Bei dem Brennstoffzellensystem für U-Boote gemäß den oben beschriebenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann den Brennstoffzellen Wasserstoffgas mit einem geringeren Kohlenmonoxidgehalt als Rohstoff zugeführt werden, während das Wasserstoffgas die Reinigungseinheit durchläuft, so dass ein Absinken der Elektrodenaktivität durch Kohlenmonoxid verhindert werden kann. Darüber hinaus verfügt das Brennstoffzellensystem für U-Boote über eine Reformierungseinheit, die Methanol und Wasser als Rohmaterial verwendet, was eine Miniaturisierung und Gewichtsreduzierung ermöglicht, und die Menge des nicht reagierten Gases im Brennstoffzellenstapel minimiert. Somit kann es vorteilhaft als Brennstoffzellensystem zur Energieversorgung in einem geschlossenen Zustand wie z.B. in einem U-Boot eingesetzt werden.
  • Die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben worden. Fachleuten auf dem Gebiet, auf das sich die vorliegende Erfindung bezieht, wird jedoch klar, dass die vorliegende Erfindung in anderen spezifischen Formen umgesetzt werden kann, ohne die technische Idee oder ihre wesentlichen Merkmale zu verändern. Beispielsweise kann der Fachmann das Material, die Größe und dergleichen jedes Elements je nach Anwendungsgebiet ändern oder die zu realisierenden Ausführungsformen kombinieren oder ersetzen, und zwar in einer Form, die in den Beschreibungen der vorliegenden Erfindung nicht eindeutig offenbart ist und die nicht aus dem Anwendungsbereich der vorliegenden Erfindung herausfällt. Daher haben die oben beschriebenen Ausführungsformen in jeder Hinsicht illustrativen Charakter und sollten nicht so verstanden werden, dass sie den Erfindungsgegenstand einschränken. Diese modifizierten Ausführungsformen fallen unter die in den Ansprüchen der vorliegenden Erfindung beschriebene technische Idee.

Claims (10)

  1. Brennstoffzellensystem für U-Boote, umfassend: eine Wasserstoffversorgungseinheit zur Zuführung von Wasserstoffgas; eine Sauerstoffspeichereinheit zur Zuführung von Sauerstoffgas; eine Brennstoffzelleneinheit, umfassend einen Brennstoffzellenstapel und verbunden mit der Wasserstoffversorgungseinheit und mit der Sauerstoffspeichereinheit, um Wasserstoffgas und Sauerstoffgas zur Erzeugung elektrischer Energie aufzunehmen; und eine Reinigungseinheit, angeordnet zwischen der Wasserstoffversorgungseinheit und der Brennstoffzelleneinheit, um das von der Wasserstoffversorgungseinheit zugeführte Wasserstoffgas zu reinigen und es dann an die Brennstoffzelleneinheit abzugeben, wobei die Reinigungseinheit eine erste Reinigungseinheit umfasst, um Kohlenmonoxid in dem von der Wasserstoffversorgungseinheit zugeführte Wasserstoffgas durch eine bevorzugte Oxidationsreaktion zu reduzieren.
  2. Brennstoffzellensystem für U-Boote nach Anspruch 1, wobei das aus der Reinigungseinheit abgegebene Wasserstoffgas einen Kohlenmonoxidgehalt von 10 ppm oder weniger aufweist.
  3. Brennstoffzellensystem für U-Boote nach Anspruch 1, wobei der Brennstoffzellenstapel ein einstufiger oder mehrstufiger Brennstoffzellenstapel ist.
  4. Brennstoffzellensystem für U-Boote nach Anspruch 1, wobei der Brennstoffzellenstapel ein Stapel von Polymerelektrolyt-Brennstoffzellen (PEMFC) ist.
  5. Brennstoffzellensystem für U-Boote nach Anspruch 1, wobei die Sauerstoffspeichereinheit zusätzlich mit der ersten Reinigungseinheit verbunden ist, um der ersten Reinigungseinheit Sauerstoffgas zuzuführen.
  6. Brennstoffzellensystem für U-Boote nach Anspruch 1, wobei die Wasserstoffversorgungseinheit umfasst: eine Wasserspeichereinheit zur Zuführung von Wasser; eine Methanolspeichereinheit zur Zuführung von Methanol; und eine Reformierungseinheit, die mit der Wasserspeichereinheit und der Methanolspeichereinheit verbunden ist, zur Erzeugung von aus Wasser und Methanol reformiertem Wasserstoffgas.
  7. Brennstoffzellensystem für U-Boote nach Anspruch 6, ferner umfassend eine Wärmeversorgungseinheit, die mit der Methanolspeichereinheit und der Sauerstoffspeichereinheit verbunden ist und Methanol und Sauerstoffgas verbrennt, um die Reformierungseinheit mit Wärme zu versorgen.
  8. Brennstoffzellensystem für U-Boote nach Anspruch 7, wobei die Wärmeversorgungseinheit und die Brennstoffzelleneinheit miteinander verbunden sind, so dass das in der Brennstoffzelleneinheit nicht verwendete Gas in die Wärmeversorgungseinheit zurückgeführt wird.
  9. Brennstoffzellensystem für U-Boote nach Anspruch 8, wobei das in der Brennstoffzelleneinheit nicht verwendete Gas Wasserstoffgas und Sauerstoffgas umfasst.
  10. Brennstoffzellensystem für U-Boote nach Anspruch 1, ferner umfassend eine mit der Brennstoffzelleneinheit verbundene Verbrennungseinheit, wobei die Verbrennungseinheit das in der Brennstoffzelleneinheit nicht verwendete Gas verbrennt.
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