DE19856942C1 - Verfahren und Vorrichtung zur Bereitstellung von Sauerstoff - Google Patents

Abstract

Verfahren zur Bereitstellung von Sauerstoff für eine Brennstoffzelle und/oder ein Gaserzeugungssystem zur Herstellung von Wasserstoff, mit folgenden Schritten: DOLLAR A - Verdichtung von Umgebungsluft, DOLLAR A - Beaufschlagung eines Membranmoduls (4) mit der verdichteten Umgebungsluft zur Erzeugung von Luft mit einer höheren Sauerstoffkonzentration und Luft mit einer niedrigeren Sauerstoffkonzentration, DOLLAR A - Einspeisung der Luft höherer Sauerstoffkonzentration in die Brennstoffzelle und/oder das Gaserzeugungssystem.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vor­ richtung zur Bereitstellung von Sauerstoff für eine Brenn­ stoffzelle und/oder ein Gaserzeugungssystem zur Herstellung von Wasserstoff.

Die Grundsätze der Brennstoffzellentechnik sind an sich be­ kannt. Gemäß eines bevorzugten Reaktionsverfahrens reagieren bei­ spielsweise Wasserstoff und Sauerstoff auf einem Polymersub­ strat unter Verwendung eines Katalysators, wie etwa eines Ka­ talysators auf Platingrundlage, miteinander. Der für die Reaktion H₂ + 1/2 O₂ → H₂O + Wärme benötigte Wasserstoff wird üblicherweise in einem Gaserzeugungssystem bzw. Reaktor hergestellt, in welchem Kohlenwasserstoffe mit Sauerstoff und Wasser zum Erhalt eines Synthesegases reagieren. Von diesem Synthesegas ist Wasserstoff über bekannte Trennprozes­ se, beispielsweise unter Verwendung von Metallmembranen, ab­ trennbar. Das bei diesem Vorgang entstehende Restgas wird her­ kömmlicherweise trotz seines hohen Energiegehaltes nicht wei­ ter verwendet, wodurch der Wirkungsgrad des Gaserzeugungssy­ stems bzw. der Brennstoffzelle relativ gering ist.

Ferner wird für die dargestellten Reaktionen der benötigte Sauerstoff herkömmlicherweise in Form von Umgebungsluft be­ reitgestellt. In der Umgebungsluft liegt Sauerstoff jedoch le­ diglich mit einer Konzentration von etwa 21% vor. Dies führt dazu, daß Reaktoren und Bauelemente, in welchen derartige Pro­ zesse ablaufen, ein hohes Bauvolumen aufweisen. Dies führt un­ ter anderem zu einem erhöhten Gewicht der Komponenten, wodurch der Wirkungsgrad beispielsweise von mobilen Brennstoffzellen­ antrieben weiter verringert ist.

Es ist ferner bekannt, kleinere Mengen an Sauerstoff mit Hilfe von Membransystemen aus Luft zu gewinnen. Die notwendigen Reinheiten differieren hierbei je nach Anwendungsfall. Für ge­ ringe Sauerstoffkonzentrationen werden beispielsweise gemäß der US 4,468,283 A Hohlfasermodule aus Polyimid oder Polyether­ sulfon verwendet. Aus der EP 0 024 718 A2 ist eine Vorrichtung zur Erhöhung oder Verminderung des Sauerstoffanteils von einem Verbraucher, insbesondere einem Brennraum, zuzuführender Luft bekannt. Die Vorrichtung weist eine große Zahl parallel zuein­ ander in einem Gehäuse angeordneter Hohlfasern mit mikroporö­ ser Wand auf, die eine sehr dünne semipermeable Membran an der inneren oder äußeren Umfangsfläche aufweisen. Einander gegen­ überliegende Stirnwände eines Gehäuses sind von Enden der Hohlfasern durchsetzt, wobei diese Enden an ihrem Außenumfang abgedichtet sind.

Aus der DE 42 01 795 A1 sind ein Verfahren und eine Anlage zur Leistungssteigerung einer Wasserstoff/Luft-Brennstoffzelle be­ kannt. Diese Druckschrift beschäftigt sich mit dem Problem, daß bei diversen Anwendungsfällen von Wasserstoff/Luft- Brennstoffzellen kurzfristig Stromentnahmen entstehen können, die deutlich über der Nennleistung liegen. Hierzu wird vorge­ schlagen, daß der Sauerstoffpartialdruck der der Brennstoff­ zelle zuströmenden Luft erhöht werden kann.

Aus der DE 39 32 217 A1 ist ferner ein Verfahren für den Be­ trieb von Hochtemperatur-Brennstoffzellen bekannt. Zur Wir­ kungsgradverbesserung wird hierbei vorgeschlagen, der Kathode der Brennstoffzelle sauerstoffangereichertes Gas zuzuführen, daß einem Luftzerleger entstammt, wobei zu dessen Herstellung bevorzugt ein Tieftemperatur-Luftzerleger Verwendung findet.

Aufgabe der Erfindung ist die Erhöhung des Wirkungsgrades ei­ ner Brennstoffzelle bzw. eines Gaserzeugungssystems zur Her­ stellung von Wasserstoff.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Bereitstel­ lung von Sauerstoff für eine Brennstoffzelle und/oder für ein Gaserzeugungssystem zur Herstellung von Wasserstoff mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie eine entsprechende An­ ordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 5.

Aufgrund der erfindungsgemäßen Lehre können wesentlich kleine­ re Gaserzeugungssysteme zur Herstellung von Wasserstoff bzw. Brennstoffzellen bereitgestellt werden, wodurch insbesondere bei mobilen Systemen mit Brennstoffzellenantrieb die Komponen­ ten für die Gaserzeugung mit einem kleineren Gewicht und Bau­ volumen ausgelegt sein können. Hierdurch ist der Wirkungsgrad des Brennstoffzellenantriebs insgesamt erhöht. Erfindungsgemäß sind nun Gaserzeugungssysteme in hohen Stückzahlen zu geringen Herstellungskosten herstellbar.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Zweckmäßigerweise wird die in dem Membranmodul erzeugte Luft höherer Sauerstoffkonzentration vor ihrer Einspeisung in die Brennstoffzelle und/oder das Gaserzeugungssystem ein weiteres Mal verdichtet. Ferner ist durch die weitere Komprimierung der Luft mit höherer Sauerstoffkonzentration eine entsprechend weitere Verkleinerung der Komponenten beispielsweise des Ga­ serzeugungssystems möglich. Es sei angemerkt, daß ein Unter­ druck im Permeat, welcher durch Ansaugen des Kompressors be­ wirkt wird, zur Folge hat, daß ein größerer Transmembrandruck entsteht, wodurch eine bessere Ausbeute der Membran erreicht wird.

Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfin­ dungsgemäßen Verfahrens erfolgt die Verdichtung der Umgebungs­ luft mittels eines Abgasturboladers unter Ausnutzung der Wär­ me- bzw. Druckenergie von Restgas des Gaserzeugungssystems. Ein derartiger Abgasturbolader (Expander-Kompressoreinheit) kann dazu verwendet werden, die Umgebungsluft beispielsweise auf einen Druck von 2 bis 2,5 bar zu verdichten. Durch diese Ausnutzung der Wärmeenergie des Restgases des Gaserzeugungssy­ stems ist der Wirkungsgrad des Brennstoffzellenantriebssystems insgesamt weiter erhöht.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird die che­ mische Energie des Restgases des Gaserzeugungssystems in Wärme umgewandelt, welche dem Gaserzeugungssystem als Prozeßwärme wieder zugeführt wird. Die Umwandlung der chemischen Energie des Restgases in Wärmeenergie kann beispielsweise mittels ei­ nes nachgeschalteten katalytischen Brenners (Kat-Brenner) er­ folgen. Auch hierdurch ist es möglich, den Wirkungsgrad des Brennstoffzellenantriebs weiter zu erhöhen.

Zweckmäßigerweise wird die in dem Membranmodul erzeugte Luft niedriger Sauerstoffkonzentration als Inertgas für kraftfahr­ zeugspezifische Anwendungen genutzt. Hierdurch kann die geson­ derte Bereitstellung von Inertgas vermieden bzw. reduziert werden, wodurch der Wirkungsgrad des Kraftfahrzeug- Gesamtsystems weiter günstig beeinflußt ist.

Zweckmäßigerweise wird schließlich die in dem Membranmodul er­ zeugte Luft höherer Sauerstoffkonzentration einem Kompressor bzw. Verdichter, und die Luft niedrigerer Sauerstoffkonzentra­ tion einem Expander bzw. einer Turbine einer Kompex-Einheit zugeführt. Bei einer derartigen Kompex-Einheit kann beispiels­ weise die durch die Luft niedrigerer Sauerstoffkonzentration angetriebene Turbine zum Betrieb des Kompressors mit herange­ zogen werden. Hierdurch kann die zusätzlich, beispielsweise durch einen Motor, aufzubringende Energie wirksam reduziert werden.

Bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Anordnung bzw. des erfindungsgemäßen Verfahrens werden nun anhand der beigefügten Zeichnung im einzelnen erläutert. In dieser zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer ersten bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung,

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung,

Fig. 3 eine schematische Darstellung einer dritten bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung, und

Fig. 4 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäß verwendeten Membranmoduls.

In Fig. 1 ist eine erste bevorzugte Ausführungsform einer An­ ordnung zur Bereitstellung von Sauerstoff für eine Brennstoff­ zelle dargestellt.

Hierbei werden in einem Reaktor bzw. Gaserzeugungssystem 1 Kohlenwasserstoffe (beispielsweise durch Reaktion mit Sauer­ stoff und Wasser) in ein Synthesegas umgewandelt, von welchem Wasserstoff über bekannte Trennprozesse, beispielsweise unter Verwendung einer Metallmembran, abgetrennt wird. Das Restgas des Gaserzeugungssystems, welches einen hohen thermischen und chemischen Energiegehalt aufweist, wird über eine Leitung ei­ nem nachgeschalteten (nicht dargestellten) katalytischen Bren­ ner (Kat-Brenner) sowie einem Abgasturbolader 2, 3 zugeführt. Der Abgasturbolader weist eine Expandereinheit 2 und eine Kom­ pressoreinheit 3 auf. Typischerweise beträgt hierbei der Druck des Restgases 6 bar, und seine Temperatur 450°C.

In dem katalytischen Brenner wird die chemische Energie des Restgases in Wärmeenergie umgewandelt. Diese Wärmeenergie wird bevorzugt wiederum dem Gaserzeugungssystem 1 zugeführt und dort zur weiteren Synthesegaserzeugung als Prozeßwärme be­ nutzt. Mittels des Abgasturboladers 2, 3 wird die verbleibende Energie des Restgases, welche in Form von Druck bzw. Tempera­ tur vorliegt, dazu genutzt, Umgebungsluft auf einen Druck von 2 bis 2,5 bar zu verdichten. Die verdichtete Umgebungsluft weist typischerweise einen Druck von 2 bar, und eine Tempera­ tur von 100°C auf. Die verdichtete Umgebungsluft, welche einen natürlichen Sauerstoffgehalt von etwa 21% aufweist, wird ei­ nem Membranmodul 4 zugeführt, welches vorzugsweise als Poly­ mer- oder Keramikmembranmodul ausgeführt ist. Hier wird der Sauerstoff durch bekannte Trennprozesse entsprechend dem Mem­ brantyp abgetrennt und somit angereichert. Insgesamt entsteht Luft mit höherem Sauerstoffgehalt (und entsprechend niedrige­ rem Stickstoffgehalt) sowie Luft mit niedrigerem Sauerstoffge­ halt (und entsprechen höherem Stickstoffgehalt). Bei einstufi­ ger Verdichtung kann beispielsweise eine Sauerstoffkonzentra­ tion in der Luft mit erhöhtem Sauerstoffgehalt x_p von etwa 50%, insbesondere 48%, erreicht werden.

Die aus dem Membranmodul 4 austretende Luft niedrigerer Sauer­ stoffkonzentration weist je nach Druckverlauf des Membranmo­ duls einen Druck von 1,8 bis 2,3 bar auf. Dieser Druck kann in einer nachfolgenden Expander- bzw. Turbineneinheit 5, welcher die Luft niedrigerer Sauerstoffkonzentration zugeführt wird, ausgenutzt werden. Die Expandereinheit 5 kann beispielsweise zur Unterstützung des Antriebs eines Kompressors 6 verwendet werden, welcher die Luft mit erhöhter Sauerstoffkonzentration weiter verdichtet. Zweckmäßigerweise sind hierbei der Expander 5 und der Kompressor 6 zu einer Kompex-Einheit 7 zusammenge­ faßt, welche mit einem Motor M, beispielsweise einem Elektro­ motor, in Wirkverbindung steht. Von der Kompressoreinheit 6 wird die Luft höherer Sauerstoffkonzentration (angereicherte Luft) der (in Fig. 1 nicht dargestellten) Brennstoffzelle zu­ geführt.

Die Membraneigenschaften des Membranmoduls 4 sind entsprechend einem gewünschten Luftdurchfluß (Luftdurchfluß zur Kompres­ soreinheit 6 bzw. zur Brennstoffzelle) zu wählen. Wird ein hö­ herer Durchfluß angestrebt, müssen Membranen mit geringerer Selektivität und höherer Permeabilität zum Einsatz kommen. Be­ rechnungen haben ergeben, daß beispielsweise für 50 kW Brenn­ stoffzellenleistung nach der Membran noch eine zusätzliche Zu­ dosierung von Umgebungsluft notwendig ist, um den geforderten Sauerstoffmassenstrom zu erreichen. Die Zudosierung von Umge­ bungsluft ist schematisch mittels des Pfeiles 8 in der Fig. 1 dargestellt. Vorteilhafterweise erfolgt die Zufuhr der Umge­ bungsluft (bzw. eines anderen geeigneten Mischergases, insbe­ sondere eines Mischergases mit einem Sauerstoffgehalt von 21%) über das Membranmodul, da mit dieser Maßnahme bessere Abrei­ cherungsraten zu erzielen sind. Für Membranen mit höherer Se­ lektivität und Permeabilität ist diese zusätzliche Zudosierung mittels eines Regelventils optional. Je nach Zudosierung von Umgebungsluft weist die der Brennstoffzelle zugeführte ange­ reicherte Luft eine niedrigere Sauerstoffkonzentration als die Sauerstoffkonzentration der durch das Membranmodul 4 erzeugten angereicherten Luft auf. Im dargestellten Ausführungsbeispiel beträgt die Sauerstoffkonzentration der der Brennstoffzelle zugeführten Luft beispielsweise x = 0,3.

In den Fig. 2 und 3 sind weitere Ausführungsformen der erfin­ dungsgemäßen Anordnung dargestellt. Der Fig. 1 entsprechende Komponenten sind mit gleichen Bezugszeichen versehen Die An­ ordnung der Fig. 2 unterscheidet sich von derjenigen der Fig. 1 dadurch, daß die in dem Membranmodul 4 erzeugte Luft niedri­ gerer Sauerstoffkonzentration einem Expander bzw. einer Turbi­ ne 10 zugeführt wird, welche ihrerseits die Kompressoreinheit 3 des Turboladers 2, 3 beaufschlagt. Die in dem Membranmodul 4 erzeugte Luft höherer Sauerstoffkonzentration wird dem Kom­ pressor 6 einer Kompex-Einheit 7 zugeführt. Die in dem Kom­ pressor 6 komprimierte Luft wird der in Fig. 2 mit 15 bezeich­ neten Brennstoffzelle sowie einem Expander der Kompex-Einheit 7 zugeführt. Zur Optimierung des Wirkungsgrades des Systems ist es beispielsweise möglich, daß von der Brennstoffzelle 15 erzeugte Wärme dem Expander 5 der Kompex-Einheit 7 wieder zu­ geführt wird. Das aus dem Expander 5 austretende Gas kann, analog zum Abgas des Expanders 2 des Turboladers 2, einem Kat- Brenner zugeführt oder als Inertgas verwendet werden.

In Fig. 3 ist als Gaserzeugungssystem eine Einheit 20 zur au­ tothermen Reformierung von Kohlenwasserstoffen vorgesehen. Die Anordnung zur Verwertung des bei der autothermen Reformierung entstehenden Restgases ist im wesentlichen wie die Vorrichtun­ gen der Fig. 1 und 2 aufgebaut, wobei jedoch die Möglichkeit besteht, mittels eines Kompressors 21 komprimierte Luft wieder der Einheit 20 zur autothermen Reformierung zuzuführen. Durch die Zufuhr komprimierter Luft ist die Einheit 20 kleiner di­ mensionierbar. Eine ebenfalls mögliche Zuführung komprimierter Luft zu einer Brennstoffzelle ist nicht im einzelnen darge­ stellt.

In Fig. 4 ist das Membranmodul 4 schematisch dargestellt. Eine Membran des Membranmoduls ist hier mit 4a bezeichnet. Im obe­ ren Membranmodulbereich, welcher mit der Kompressoreinheit 3 sowie der Turbine 10 kommuniziert, herrscht ein Druck P₁. Im unteren, durch die Membran 4a vom ersten Bereich getrennten Membranbereich, welcher mit der Luftzufuhr 8 sowie dem Kom­ pressor 21 (bzw. der Kompex-Einheit 7) kommuniziert herrscht ein Druck P₂ < P₁.

Durch den hohen Sauerstoffgehalt der angereicherten Luft sind geringere Volumenströme notwendig, was zu einer Energieeinspa­ rung in den jeweiligen Kompressionen bzw. dem Kompex 7 führt. Die Brennstoffzelle kann bei niedrigerer Luftüberschußzahl durch einen entsprechend höheren Sauerstoffgehalt gefahren werden. Durch die Komprimierung der Umgebungsluft können die Gaserzeugungskomponenten sowie die Brennstoffzellen bzw. Brennstoffzellensets gegenüber herkömmlichen Ausführungen ver­ kleinert werden.

Die erfindungsgemäß dargestellte Luftanreicherung ist sowohl bei Gaserzeugungssystemen, beispielsweise der Dampfreformie­ rung, der autothermen Reformierung oder der partiellen Oxida­ tion für Brennstoffzellensysteme - wie dargestellt - sowie beispielsweise auch für eine Luftanreicherung für Verbren­ nungsmotoren verwendbar.

Claims (8)

1. Verfahren zur Bereitstellung von Sauerstoff für eine Brenn­ stoffzelle und/oder ein Gaserzeugungssystem zur Herstellung von Wasserstoff, mit folgenden Schritten:

• 1. Verdichtung von Umgebungsluft,
• 2. Beaufschlagung eines Membranmoduls (4) mit der verdichteten Umgebungsluft zur Erzeugung von Luft mit einer höheren Sauer­ stoffkonzentration und Luft mit einer niedrigeren Sauerstoff­ konzentration,
• 3. Einspeisung der Luft höherer Sauerstoffkonzentration in die Brennstoffzelle und/oder das Gaserzeugungssystem.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die in dem Membranmodul (4) erzeugte Luft höherer Sauerstoffkon­ zentration vor ihrer Einspeisung in die Brennstoffzelle und/oder das Gaserzeugungssystem noch einmal verdichtet wird.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Verdichtung der Umgebungsluft mittels eines Abgasturboladers (2, 3) unter Ausnutzung der Wärme- oder Druckenergie des Restgases des Gaserzeugungssystems durchgeführt wird.

4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die chemische Energie des Restgases des Gaserzeugungssystems in Wärme umgewandelt wird, welche dem Ga­ serzeugungssystem als Prozeßwärme wieder zugeführt wird.

5. Anordnung zur Bereitstellung von Sauerstoff für eine Brenn­ stoffzelle und/oder ein Gaserzeugungssystem zur Herstellung von Wasserstoff, gekennzeichnet durch Mittel (2, 3) zur Ver­ dichtung von Umgebungsluft, Mittel zur Zufuhr der verdichteten Umgebungsluft zu einem Membranmodul (4) zur Erzeugung von Luft mit einer höheren Sauerstoffkonzentration und Luft mit einer niedrigeren Sauerstoffkonzentration, und Mittel zur Einspei­ sung der Luft höherer Sauerstoffkonzentration in die Brenn­ stoffzelle und/oder das Gaserzeugungssystem.

6. Anordnung nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch Mittel zur nochmaligen Verdichtung der in dem Membranmodul (4) erzeugten Luft höherer Sauerstoffkonzentration vor ihrer Einspeisung in die Brennstoffzelle und/oder das Gaserzeugungssystem.

7. Anordnung nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Mittel (2, 3) zur Verdichtung der Umge­ bungsluft von einem Abgasturbolader gebildet werden, welchem Restgas des Gaserzeugungssystems zuführbar ist.

8. Anordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche 5 bis 7, gekennzeichnet durch einen katalytischen Brenner zur Umwand­ lung der chemischen Energie des Restgases des Gaserzeugungssy­ stems in Wärme, welche dem Gaserzeugungssystem als Prozeßwärme wieder zuführbar ist.