DE19755116C1 - PEM-Brennstoffzellensystem sowie Verfahren zum Betreiben eines PEM-Brennstoffzellensystems - Google Patents

PEM-Brennstoffzellensystem sowie Verfahren zum Betreiben eines PEM-Brennstoffzellensystems

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines PEM-Brennstoffzellen­ systems nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein PEM-Brennstoffzel­ lensystem nach dem Oberbegriff des Anspruchs 6. Eine PEM-Brennstoffzelle umfaßt als wesentliche Komponente eine protonenleitende Elektrolytmembran (Proton Exchange Membran).
In der EP 0 629 013 B1 sowie der DE 43 18 818 A1 ist jeweils ein Brenn­ stoffzellensystem bekannt, bei dem die Brennstoffzelle über einen Kompressor mit Prozeßluft versorgt wird. Der Kompressor wird mittels eines Elektromotors an­ getrieben. Zur Rückgewinnung der in der Abluft der Brennstoffzelle enthaltenen Energie ist der Kompressor außerdem mit einem Expander gekoppelt. Dazu sind Kompressor und Expander auf derselben Welle angeordnet. Ähnlich auf­ gebaut ist das Brennstoffzellensystem nach der DE 40 21 097 A1, bei der die Abluft der Brennstoffzelle an eine Entspannungsturbine geleitet wird. Die Entspannungsturbine ist mit einem Frischluftverdichter für die Luftversorgung der Brennstoffzelle gekoppelt.
Als Wärmequelle ist in den bekannten Brennstoffzellensystemen außerdem ein katalytischer Brenner vorhanden, dem Brennstoff in Form von feuchtem Ano­ denabgas (H2 und CO2) und zusätzlich auch Methanol zugeführt wird.
Bei der Verdichtung der Prozeßluft auf den üblichen Arbeitsdruck von z. B. 3 bar wird ein Anteil von ca. 20% der erzeugten Leistung der Brennstoffzelle für die Kompression benötigt. Bei der Nutzung der Energierückgewinnung im Expan­ der reduziert sich dieser Anteil auf ca. 10 bis 15%. Damit trägt die Luftversor­ gung der Brennstoffzelle immer noch erheblich zur Wirkungsgradminderung des Systems bei.
Gleichzeitig besteht aus Gründen der Kostensenkung und Volumensenkung ein Bedarf an höheren Arbeitsdrücken auf der Kathodenseite (Luft), um die Brennstoffzelle aufgrund engerer Gaskanäle kleiner bauen zu können und eine höhere flächenbezogene Leistungsausbeute in der Brennstoffzelle zu erzielen.
Aus der DE 44 46 841 A1 ist ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoff­ zellensystems bekannt, bei dem sowohl das Anodenabgas wie auch die Abluft der Brennstoffzelle in den katalytischen Brenner geleitet werden.
Aus der DE 40 32 993 C1 ist eine Anlage zur kombinierten Erzeugung elek­ trischer und mechanischer Energie offenbart. Dabei werden die in einem Bren­ ner unter Zuführung eines sauerstoffhaltigen und eines wasserstoffhaltigen Ga­ ses erzeugten Verbrennungsgase zur Gewinnung mechanischer Energie in ei­ ner nachgeschalteten Gasturbine genutzt. Die erzeugte mechanische Energie wird zu einem Teil für den Antrieb eines Kompressors verwendet, mit dem das dem Brenner zuzuführende sauerstoffhaltige Gas verdichtet wird. Die Anlage umfaßt zur Erzeugung elektrischer Energie außerdem eine Brennstoffzelle, de­ ren wasserstoffhaltiges Anodenabgas in den Brenner geleitet wird.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein PEM-Brennstoffzellensystem bzw. ein Verfah­ ren zum Betreiben eines PEM-Brennstoffzellensystems zu schaffen, mit dem ein höherer Wirkungsgrad erreicht werden kann.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des Anspruchs 1 bzw. des An­ spruchs 6 gelöst. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
Grundlegend für die Erfindung ist die Erkenntnis, daß die Expanderleistung deutlich gesteigert werden kann, wenn dem Expander mehr Luftmassenstrom, eine höhere Temperatur und ggf. ein höherer Druck zugeführt wird. Eine Erhö­ hung des Luftmassenstroms und der Temperatur wird erfindungsgemäß er­ reicht, indem die Luft am Kathodenausgang der PEM-Brennstoffzelle vor der Expansion zunächst als Luftversorgung dem katalytischen Brenner zugeführt wird, und der Expander mit der Abluft des katalytischen Brenners betrieben wird. Das Kathodenabgas ist durch die Brennstoffzellenreaktion zwar an Sau­ erstoff abgereichert, enthält aber immer noch ausreichende Mengen an Sauer­ stoff für die Reaktion im katalytischen Brenner. Durch diese Anordnung wird der an den Expander geführte Massenstrom verglichen mit den bekannten Vorrich­ tungen erhöht, da dem katalytischen Brenner Brennstoff, üblicherweise feuch­ tes Anodenabgas und Methanol, zugeführt wird, dessen Reaktionsprodukte so­ mit ebenfalls zu dem Expander gelangen. Gleichzeitig wird der gesamte, dem Expander zuzuführende Luftmassenstrom von Brennstoffzellentemperatur (ty­ pische Temperatur bei PEM-Brennstoffzellen ca. 80°C) auf die Arbeitstempera­ tur des katalytischen Brenners (ca. 350°C) erhöht. Mit dem derart erwärmten Massenstrom kann nun direkt ein geeigneter, für diese Temperaturen ausge­ legter Expander betrieben werden. In einer vorteilhaften Ausführung kann die­ ser Massenstrom teilweise auch zur Vorwärmung des Kathodenabgases vor Eintritt in den katalytischen Brenner genutzt werden.
Durch den zusätzlichen Energieeintrag in den Expander in Form von Wärme und Massenstrom wird dessen Leistung soweit erhöht, daß der Kompressoran­ trieb (Elektromotor und Umrichter) deutlich kleiner ausfallen kann und bei opti­ maler Abstimmung von Druckniveau und/oder zusätzlicher Brenngaszufuhr im katalytischen Brenner auch ganz wegfallen kann.
Bei PEM-Brennstoffzellensystemen, bei der das Brenngas für die Brennstoffzel­ len durch ein Hochdruckgaserzeugungssystem (z. B. bei der Methanolreformie­ rung) erzeugt wird, eröffnet sich eine weitere Möglichkeit zur Steigerung der Expanderleistung bzw. Senkung der Kompressorleistung, indem mittels einer zweiten Verdichterstufe vor dem Kathodeneingang der PEM-Brennstoffzelle das Druckniveau erhöht wird. Die zweite Verdichterstufe wird durch Expansion des in dem Hochdruckgaserzeugungssystems vorhandenen Gases betrieben, wobei der Gasdruck vom Systemdruck des Hochdruckgaserzeugungssystems (< 15 bar, insbesondere zwischen 20 und 30 bar) auf Arbeitsdruck des katalyti­ schen Brenners (ca. 3 bar) fällt. Das expandierte Gas wird nach Durchlaufen der zweiten Verdichterstufe dem katalytischen Brenner zugeführt und erhöht somit den dem Expander der ersten Verdichterstufe zugeführten Massenstrom. Die zweite Verdichterstufe kann in Form eines mit einem Expander gekoppel­ ten Kompressor ohne Motor oder eines Turboladers ausgebildet sein.
Durch diese Ausführung wird nicht nur die elektrische Kompressorleistung re­ duziert (Systemwirkungsgraderhöhung und geringere Baugröße), sondern auch der Wirkungsgrad und die Baugröße der Brennstoffzelle positiv beein­ flußt.
Die Erfindung wird anhand von Figur näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein bekanntes Brennstoffzellensystem, wie in der Beschreibungseinlei­ tung erläutert,
Fig. 2 und 3 jeweils eine Ausführung eines erfindungsgemäßen Brennstoffzel­ lensystems.
Fig. 1 zeigt ein bekanntes Brennstoffzellensystem, wie in der Beschreibungs­ einleitung erwähnt. Es umfaßt die PEM-Brennstoffzelle BZ mit der Zuführleitung 2 für das Brenngas, z. B. einem Gemisch aus H2 und CO2, welches in einem separaten Gaserzeugungssystem GES erzeugt wird, sowie die Zu- und Abfuhr­ leitungen 4, 6 für die Prozeßluft. Die Prozeßluft wird vor Eintritt in die Brennstoff­ zelle BZ mittels eines Kompressors K, der von einem Motor M angetrieben wird, komprimiert. Zur Rückgewinnung der in der Abluft der Brennstoffzelle BZ enthaltenen Energie ist in der Abluftleitung 6 ein Expander E angeordnet, wel­ cher mit dem Kompressor K gekoppelt ist. Expander E und Kompressor K sit­ zen auf derselben Welle 7.
Desweiteren ist ein katalytischer Brenner KatBr vorhanden, der als Wärme­ quelle für das System dient. Als Brennstoff wird ihm über die Leitung 8 das feuchte Anodenabgas aus der Brennstoffzelle BZ, z. B. H2 und CO2 und über die Leitung 10 Methanol zugeführt. Der für die Reaktion im Brenner KatBr au­ ßerdem benötigte Sauerstoff wird über die Luftzufuhrleitung 30 nach Kompres­ sion im Kompressor K zugeführt. Die Abluft des Brenners KatBr in der Leitung 32 weist eine Temperatur von 350°C auf und wird zur Vorwärmung der dem Brenner zuzuführenden Luft verwendet (Luftvorwärmer LV). Beim Verlassen des Luftvorwärmers LV weist die Abluft noch eine Temperatur von ca. 150°C auf. Diese Wärme kann bisher im System nicht weiter genutzt werden.
Fig. 2 zeigt eine Ausführung des erfindungsgemäßen Systems. Das Brenngas für die PEM-Brennstoffzelle wird in dieser Ausführung mittels eines Nieder­ druckgaserzeugungssystems GES, z. B. durch CO-Oxidation, erzeugt und über die Leitung 2 in die Brennstoffzelle BZ geführt. Anders als bei dem System nach Fig. 1 wird die Abluft am Kathodenausgang der Brennstoffzelle BZ nicht sofort expandiert, sondern über die Leitung 6 dem katalytischen Brenner KatBr zugeführt, wo sie als Luftversorgung dient. Die Abluft des katalytischen Brenners KatBr wird über die Leitung 32 an dem mit dem Kompressor K ge­ koppelten Expander E geführt. Kompressor K und Expander E sitzen auf der­ selben Welle 7. Optional kann ein Teil der Abluft des Brenners KatBr zur Luft­ vorwärmung des dem Brenner zuzuführenden Luftstroms verwendet werden. Der entsprechende Luftvorwärmer LV ist gestrichelt eingezeichnet. Die Abluft der Brennstoffzelle BZ, die am Kathodenausgang der Brennstoffzelle eine Temperatur von ca. 80°C aufweist, wird im Brenner KatBr auf ca. 350°C er­ wärmt. Die Abluft des Brenners KatBr weist beim Eintritt in den Expander E, abhängig von der Luftvorwärmung im Luftvorwärmer LV, eine Temperatur zwi­ schen 150 und 350°C auf. Nach dem Verlassen des Expanders E beträgt die Temperatur etwa 50°C. Die Abluft des Brenners KatBr verläßt das System so­ mit bei einer wesentlich geringeren Temperatur als bei den bekannten Syste­ men. Gleichzeitig wird dem Expander ein größerer Massenstrom zugeführt, der zudem eine höhere Temperatur aufweist. Es ergibt sich somit ein wesentlich er­ höhter Gesamtwirkungsgrad des Systems.
Fig. 3 zeigt eine weitere Ausführung des erfindungsgemäßen PEM-Brennstoff­ zellensystems. Bei diesem System wird das Brenngas für die PEM-Brennstoff­ zelle BZ durch eine Methanolreformierungsreaktion unter Einsatz eines Hoch­ druckgaserzeugungssystems erzeugt. Dieses umfaßt z. B. eine Pd-Membran-Ein­ heit PDM. Das Brenngas (H2) wird über die Leitung 2 in die Brennstoffzelle BZ geführt. Die der Brennstoffzelle BZ zuzuführende Prozeßluft wird wie bei den bisher beschriebenen Ausführungen mittels eines Kompressors K1 kom­ primiert. Entsprechend Fig. 2 wird auch hier die Abluft der PEM-Brennstoffzelle BZ über eine Leitung 6 an den katalytischen Brenner KatBr für dessen Luftver­ sorgung geführt, und das Abgas des Brenners, ggf. mit Luftvorwärmung (Luft­ vorwärmer LV gestrichelt gezeichnet), über die Leitung 32 an den mit dem Kompressor K1 gekoppelten Expander E1 geführt, die auf derselben Welle 7 sitzen. Zur weiteren Steigerung des Expanderleistung bzw. Senkung der Komm­ pressorleistung ist in dieser Ausführung eine zweite Verdichterstufe vorhanden, die hier aus dem Kompressor K2 und einem damit gekoppelten Expander E2 besteht. Kompressor K2 und Expander E2 sind auf einer gemeinsamen Welle 18 angeordnet. Über die Leitung 16 wird das Gas aus der Pd-Membran-Ein­ heit PDM des Hochdruckerzeugungssystem, in welcher ein Druck höher 15 bar, bevorzugt zwischen 20 und 30 bar, vorliegt, auf den Systemdruck des kata­ lytischen Brenners (ca. 3 bar) KatBr expandiert. Das expandierte Gas wird an­ schließend über die Leitung 20 an den katalytische Brenner KatBr geführt, wo es als Brennstoff für die Brennerreaktion dient. Da der Expander E2 der zwei­ ten Verdichterstufe von der Expansion des Gases im Gaserzeugungssystem betrieben wird, wird für ihn kein zusätzlichen Antrieb benötigt. Mit der beschrie­ benen Ausführung wird nicht nur eine Erhöhung des Systemwirkungsgrads er­ reicht, sondern darüberhinaus der Wirkungsgrad und die Baugröße der Brenn­ stoffzelle positiv verändert.

Claims (7)

1. Verfahren zum Betreiben eines PEM-Brennstoffzellensystems, enthaltend
  • - eine PEM-Brennstoffzelle (BZ),
  • - einen Kompressor (K, K1) zur Komprimierung der der Brennstoffzelle (BZ) zuzuführenden Prozeßluft,
  • - einen mit dem Kompressor (K, K1) gekoppelten Expander (E, E1) zum Antrieb des Kompressors (K, K1),
  • - einen katalytischen Brenner (KatBr) als Wärmequelle,
dadurch gekennzeichnet, daß das Kathodenabgas der PEM-Brenn­ stoffzelle (BZ) dem katalytischen Brenner (KatBr) zur Luftversorgung zuge­ führt wird und der Expander (E, E1) mit der Abluft des katalytischen Bren­ ners (KatBr) betrieben wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das PEM-Brennstoffzellensystem ein Hochdruckgaserzeugungssystem (PDM) zur Erzeugung des Brenngases für die PEM-Brennstoffzelle (BZ) sowie einen zweiten Kompressor (K2), der eine zweite Stufe zur Komprimierung der Prozeßluft bildet, umfaßt, wobei der zweite Kompressor (K2) mit einem zweiten Expander (E2) gekoppelt ist, und der zweite Expander (E2) durch Expansion des unter hohem Druck stehenden Gases aus dem Hochdruck­ gaserzeugungssystem (PDM) betrieben wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das aus dem Hochdruckgaserzeugungssystem (PDM) stammende Gas auf einem Druck von höher als 15 bar, insbesondere auf 20 bis 30 bar gehalten wird.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das den zweiten Expander (E2) betreibende Gas nach Durchlaufen des zwei­ ten Expanders (E2) dem katalytischen Brenner (KatBr) zur Luftversorgung zugeführt wird.
5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Abluft des katalytischen Brenners (KatBr) zur Vor­ wärmung des Kathodenabgases der Brennstoffzelle (BZ) vor seinem Ein­ tritt in den katalytischen Brenner (KatBr) eingesetzt wird.
6. PEM-Brennstoffzellensystem, enthaltend
  • - eine PEM-Brennstoffzelle (BZ),
  • - einen Kompressor (K, K1) zur Komprimierung der der Brennstoffzelle (BZ) zuzuführenden Prozeßluft,
  • - einen mit dem Kompressor (K, K1) gekoppelten Expander (E, E1) zum Antrieb des Kompressors (K, K1),
  • - einen katalytischen Brenner (KatBr) als Wärmequelle,
dadurch gekennzeichnet, daß eine Leitung (6) vorhanden ist, mittels der das Kathodenabgas der PEM-Brennstoffzelle (BZ) dem katalytischen Brenner (KatBr) zur Luftversorgung zugeführt werden kann und eine weite­ re Leitung (32), mittels der die Abluft des katalytischen Bren­ ners (KatBr) an den Expander (E, E1) geführt werden kann, vorhanden ist.
7. PEM-Brennstoffzellensystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeich­ net, daß es ein Hochdruckgaserzeugungssystem (PDM) zur Erzeugung des Brenngases für die PEM-Brennstoffzelle (BZ) sowie einen zweiten Kompressor (K2), der eine zweite Stufe zur Komprimierung der Prozeßluft bildet, umfaßt, wobei der zweite Kompressor (K2) mit einem zweiten Ex­ pander (E2) gekoppelt ist, und der zweite Expander (E2) über eine Leitung (16) mit dem Hochdruckgaserzeugungssystem (PDM) in Verbindung steht, über die das aus dem Hochdruckgaserzeugungssystem (PDM) stammende, unter hohem Druck stehende Gas in den zweiten Expander (E2) gelangt.
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