DE19943248A1 - Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems und Anordnung zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents
Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems und Anordnung zur Durchführung des VerfahrensInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems mit einem Wasserhaushalt, bei dem ein wasserstoffhaltiges Medium oder Mediengemisch in einem Reformierungsreaktor mit einem Wasserbedarf unter Wasserzugabe zu einem wasserstoffreichen Reformat reformiert wird, das Reformat einem Anodenraum einer Brennstoffzelle über eine Anodenzuführung zugeführt und in der Brennstoffzelle mit Sauerstoff aus einem Kathodenraum der Brennstoffzelle zu Wasser umgesetzt wird, wobei der Wasserbedarf der Reformierungsreaktion und/oder der Wasserhaushalt des Brennstoffzellensystems direkt an eine Oxidationsrate einer teilweisen Verbrennung des wasserstoffhaltigen Mediums oder Mediengemischs in einer Oxidationseinheit stromauf des Reformierungsreaktors gekoppelt wird.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines
Brennstoffzellensystems nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1
sowie eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach dem
Oberbegriff des Anspruchs 15.
Derartige Brennstoffzellensysteme sind beispielsweise in
brennstoffzellenbetriebenen Kraftfahrzeugen einsetzbar. Über
die Anodenzuführung wird ein geeignetes flüssiges oder
gasförmiges Brennstoffgemisch, z. B. ein wasserstoffreiches
Gasgemisch oder ein flüssiges Wasser/Methanolgemisch, in den
Anodenraum der Brennstoffzelle eingespeist, wo das reagierte
Gemisch über die Anodenabführung aus dem Anodenraum abgeführt
wird.
Über die Kathodenzuführung wird ein sauerstoffhaltiges Gas, wie
Luft, in den Kathodenraum eingespeist, wo der Sauerstoff an der
Kathode unter Wasserbildung reduziert wird, wonach das
wasserhaltige Kathodenabgas über die Kathodenabführung aus dem
Kathodenraum abgeführt wird.
In vielen Anwendungsfällen ist es erwünscht, das im
Kathodenabgas enthaltene Wasser von den übrigen Bestandteilen
abtrennen zu können, z. B. um das Wasser und/oder das vom
enthaltenen Wasser gereinigte Kathodenabgas wieder im System zu
nutzen. Zu diesem Zweck dienen die in der Kathodenabführung
angeordneten Wasserabtrennmittel. Üblicherweise bestehen diese
aus einem Kondensator, in welchem das Wasser bei geeignet
niedriger Temperatur auskondensiert wird, was einen
entsprechend voluminösen Wärmeübertrageraufbau für den
Kondensator erfordert, um das Kathodenabgas ausreichend
herunterzukühlen.
Häufig ist in der Kathodenabführung auch ein Expander in Form
einer mit einem kathodenzufuhrseitigen Kompressor gekoppelten
Turbine vorgesehen, wobei stromaufwärts und/oder stromabwärts
des Expanders ein jeweiliger Kondensator angeordnet sein kann.
Ein solches Brennstoffzellensystem ist z. B. in der
Offenlegungsschrift DE 197 01 560 A1 beschrieben.
In der älteren Schrift DE 199 11 016 ist beschrieben, das
Wasser aus dem Kathodenabgas durch ein Verfahren
zurückzugewinnen, bei dem das Wasserabtrennmittel eine Membran
ist. Dort muß die Temperatur zur Wasserabscheidung nicht so
stark abgesenkt werden, jedoch wird ein ausreichend hohes
Druckgefälle vom auf der einen Membranseite angrenzenden
Gemischraum zum auf der anderen Membranseite angrenzenden
Wassersammelraum benötigt, um eine zufriedenstellend selektive
Wasserabscheidung vom restlichen Kathodenabgas zu leisten.
Bei einem Brennstoffzellensystem mit einem niedrigen
Systemdruck verschärft sich das Problem der Wasserabscheidung,
da bei geringerem Systemdruck einerseits keine ausreichend hohe
Druckdifferenz für Membranverfahren, andererseits die
Anforderungen an die Temperaturabsenkung bei der
Wasserabscheidung mittels Kondensator im Vergleich zu einem
Hochdrucksystem steigen und ein entsprechender
Wärmeübertrageraufbau noch voluminöser geraten muß.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und
ein Verfahren anzugeben, bei dem eine Wasserrückgewinnung in
einem Brennstoffzellensystem mit niedrigem Druck gegenüber dem
Stand der Technik verbessert ist.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Betreiben eines
Brennstoffzellensystems gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1
mit den Merkmalen im Kennzeichen des Anspruchs 1 und bei einer
Anordnung zur Durchführung des Verfahrens gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 14 mit den Merkmalen im Kennzeichen des Anspruchs
14 gelöst.
Im erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben eines
Brennstoffzellensystems mit einem Wasserhaushalt, bei dem ein
wasserstoffhaltiges Medium oder Mediengemisch als
Betriebsmittel verwendet wird, ist der Wasserbedarf einer
Reformierungsreaktion und/oder der Wasserhaushalt des
Brennstoffzellensystems direkt an eine Oxidationsrate einer
teilweisen Verbrennung des wasserstoffhaltigen Mediums oder
Mediengemischs in einer Oxidationseinheit stromauf des
Reformierungsreaktors gekoppelt.
Zweckmäßigerweise wird dabei bei erhöhtem Wasserbedarf der
Reformierungsreaktion die Oxidationsrate erhöht und bei
verringertem Wasserbedarf die Oxidationsrate gesenkt.
Vorzugsweise wird die Reformierungsreaktion direkt mit bei der
Verbrennung entstehender thermischer Energie unterstützt.
Besonders bevorzugt wird dabei die Reformierungsreaktion
thermisch nur durch bei der Verbrennung entstehende thermische
Energie unterstützt.
In einer bevorzugten Weiterbildung wird eine
Verdampfungsreaktion in einem ersten Verdampfer mit bei der
Verbrennung entstehender thermischer Energie unterstützt.
In einer weiteren bevorzugten Weiterbildung wird thermische
Energie aus Abgasen der Brennstoffzelle zur Verdampfung des
wasserstoffhaltigen Mediums oder Mediengemisch in einem zweiten
Verdampfer bereitgestellt, so daß das wasserstoffhaltige Medium
oder Mediengemisch dem ersten Verdampfer zumindest teilweise
gasförmig zugeführt wird.
Günstigerweise wird bei erhöhtem Wasserbedarf der
Reformierungsreaktion der zweite Verdampfer überbrückt.
In einer weiteren bevorzugten Weiterbildung der Erfindung wird
aus dem Reformat Kohlenmonoxid durch eine exotherme Reaktion
entfernt, wobei die Kühlung der exothermen Reaktion unabhängig
vom thermischen Bedarf der Reformierungsreaktion erfolgt.
In einer weiteren bevorzugten Weiterbildung wird thermische
Energie aus einem thermischen System bestehend aus erstem
Verdampfer, Oxidationseinheit und Reformierungseinheit oder
bestehend aus Oxidationseinheit und Reformierungseinheit
zusätzlich abgeführt, um die Oxidationsrate zu erhöhen.
Es ist günstig, eine Zufuhr von Sauerstoff in die
Oxidationseinheit in Abhängigkeit einer Temperatur in einem
Bereich der Verbrennung und/oder einem Bereich der
Reformierungsreaktion vorzunehmen.
Eine weitere günstige Maßnahme ist, eine Zufuhr von Sauerstoff
in die Oxidationseinheit in Abhängigkeit einer
Austrittstemperatur eines Mediums aus der Oxidationseinheit
und/oder einer Austrittstemperatur des Reformats aus der
Reformierungsreaktion vorzunehmen.
Die Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens
besteht aus einem Brennstoffzellensystem, bei dem in einer
Anodenzuführung ein Bauteil vorgesehen ist, welches eine
Oxidationseinheit zur Oxidation eines wasserstoffhaltigen
Mediums oder Mediengemischs und eine Reformierungseinheit zur
Erzeugung eines wasserstoffreichen Reformats aus dem
wasserstoffhaltigen Medium oder Mediengemisch aufweist, wobei
die Oxidationseinheit thermisch direkt mit der
Reformierungseinheit gekoppelt ist.
Eine vorteilhafte Weiterbildung ist, im Bauteil zusätzlich
einen ersten Verdampfer zum Verdampfen des wasserstoffhaltigen
Mediums oder Mediengemischs vorzusehen, der thermisch direkt
mit der Oxidationseinheit gekoppelt ist.
In einer bevorzugten Anordnung ist bezogen auf das
wasserstoffhaltige Medium oder Mediengemisch zustromseits vor
dem Bauteil zusätzlich ein zweiter Verdampfer angeordnet, der
mit Abgasen der Brennstoffzelle beheizbar ist.
Vorteilhaft ist, zwischen dem Bauteil und Anodenraum eine
Kohlenmonoxid-Entfernungseinheit zum Entfernen von
Kohlenmonoxid aus dem Reformat angeordnet ist, wobei besonders
bevorzugt die Kohlenmonoxid-Entfernungseinheit unabhängig von
der Reformierungseinheit kühlbar ist.
Die Erfindung ist besonders für Brennstoffzellensysteme mit
niedrigem Systemdruck geeignet, insbesondere für
Brennstoffzellensysteme in denen zumindest die
Kathodenableitung einen Mediendruck von höchstens 2 bar
aufweist. Eine solches niedriges Druckniveau ist beispielsweise
mit einfachen Gebläsen darstellbar, aufwendige Kompressoren und
andere Hochdruckkomponenten können eingespart werden. Das
System ist sehr einfach aufgebaut. Besonders vorteilhaft ist
das erfindungsgemäße System für Anwendungen, bei denen
Verbraucher mit geringer bis mittlerer elektrischer Leistung
mittels Brennstoffzelle versorgt werden sollen, insbesondere
Nebenaggregate in Fahrzeugen oder stationären Anlagen.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich
aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
Es versteht sich, daß die vorstehend genannten und die
nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der
jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen
Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den
Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispieles in der
Zeichnung schematisch dargestellt und wird im folgenden unter
Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben. Es zeigen
Fig. 1 ein bevorzugtes Brennstoffzellensystem zur Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens und
Fig. 2 eine bevorzugte Ausgestaltung auf der Abgasseite des
Brennstoffzellensystems.
In Fig. 1 ist ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem mit
einer Brennstoffzelle 1 dargestellt. Die Brennstoffzelle 1
weist einen Anodenraum A und einen Kathodenraum C auf. Der
Anodenraum A wird über eine eintrittsseitigen Anodenzuführung 2
und der Kathodenraum C mit eintrittsseitigen Kathodenzuführung 4
mit einem wasserstoffhaltigen Medium oder Mediengemisch
versorgt. Die zumindest teilweise in der Brennstoffzelle 1
umgesetzten Medien werden über eine austrittsseitige
Anodenabführung 3 und eine austrittsseitige Kathodenabführung 5
aus der Brennstoffzelle 1 abgeführt.
Die Brennstoffzelle 1 kann aus einer Einzelzelle bestehen oder
auch aus mehreren Brennstoffzellen, z. B. einem
Brennstoffzellenstapel, welche durch Reihenschaltung und/oder
Parallelschaltung elektrische Spannungen zur Verfügung stellen,
die z. B. zum Antrieb eines Fahrzeugs ausreichend sein können
oder bevorzugt zur Versorgung von Verbrauchern in solchen
Fahrzeugen geeignet sind.
In der Anodenzuführung 2 ist ein Bauteil B vorgesehen, welches
eine Oxidationseinheit 6, eine Reformierungseinheit 8 und einen
ersten Verdampfer 8 aufweist. Die Einheiten sind im Bauteil B
baulich und thermisch eng gekoppelt.
Die Oxidationseinheit 6 ist dazu vorgesehen, einen Teil des
wasserstoffhaltigen Mediums oder Mediengemischs zu oxidieren.
Das dabei erzeugte Wasser und die Abwärme durch die Verbrennung
des Mediums oder Mediengemischs wird in der
Reformierungsreaktion der Reformierungseinheit 7 reformiert.
Der dabei entstehende wasserstoffreiche Reformatstrom wird dem
Anodenraum A zugeführt.
Der erste Verdampfer 7 ist zum Verdampfen des
wasserstoffhaltigen Mediums oder Mediengemischs, z. B. Methanol,
vorgesehen. Er kann optional in dem Bauteil B vorgesehen sein
und ist besonders bei einem flüssigen wasserstoffhaltigen
Medium oder Mediengemisch günstig.
Die bei der Oxidation entstehende Abwärme der Oxidationseinheit
6 wird zur Unterstützung der Reformierungsreaktion eingesetzt.
Bevorzugt wird die Abwärme auch zur Verdampfung des
wasserstoffhaltigen Mediums oder Mediengemischs im ersten
Verdampfer 8 eingesetzt. Von der Oxidationseinheit 6 strömt
eine Wärmemenge ΔQ zur Reformierungseinheit 8 und/oder zum
Verdampfer 7.
Durch die Verbrennung in der Oxidationseinheit 6 wird
proportional zur Oxidationsrate des wasserstoffhaltigen Mediums
oder Mediengemischs Wasser erzeugt, welches in der
Reformierungseinheit 8 zur Reformierung zur Verfügung steht.
Dabei ist der Wasserbedarf im Wasserhaushalt der
Reformierungsreaktion direkt mit der Oxidationsrate gekoppelt.
Dabei kann abhängig vom Wasserbedarf bei der Reformierung die
Menge des wasserstoffhaltigen Mediums oder Mediengemischs
variiert werden, die zur Wassererzeugung verbrannt wird. Dies
kann auf mehrere Arten erfolgen.
Je mehr Abwärme abgeführt werden muß, bzw. in einem Prozeß
benötigt wird, desto mehr Medium wird in der Oxidationseinheit
6 verbrannt und um so mehr Wasser wird dort erzeugt. Wird mehr
Wasser benötigt, wird die Oxidationsrate erhöht, wird weniger
Wasser benötigt, wird die Oxidationsrate gesenkt.
Im erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben des
Brennstoffzellensystems stellt der Wasserbedarf der
Reformierungsreaktion eine Führungsgröße dar, an die die
Oxidationsrate der Verbrennung angepaßt wird. Der thermische
Haushalt des Bauteils B wird entsprechend nachgeführt.
In einer bevorzugten Weiterbildung wird das Bauteil B mit
Verdampfer 7, Oxidationseinheit 6 und Reformierungseinheit 8
aktiv gekühlt, insbesondere mediengekühlt, so daß in der
Oxidationseinheit 6 mehr wasserstoffhaltiges Medium oder
Mediengemisch verbrannt werden muß, um genügend Abwärme zur
Aufrechterhaltung der Reformierungsreaktion zu erzeugen. Eine
günstige Ausgestaltung ist, hierzu eine separate Wasserkühlung
des Bauteils B vorzusehen.
Es können auch jeweils die einzelnen Komponenten Verdampfer 7
und/oder Oxidationseinheit 6 und/oder Reformierungseinheit 8
für sich aktiv gekühlt werden oder Kombinationen der
Komponenten im Bauteil B. Da die Abwärme der Oxidationseinheit
6 sowohl die Reformierungsreaktion als auch die Verdampfung
unterstützt, bestimmt die Stärke der Kühlung dann die Menge des
erzeugten Wassers bei der Verbrennung.
Der Reformierungseinheit 8 ist zweckmäßigerweise eine
Kohlenmonoxid-Entfernungseinheit 9 nachgeschaltet, um das nach
der Reformierung wasserstoffreiche Medium vor dem Eintritt in
den Anodenraum zu reinigen. Dabei wird die Kohlenmonoxid-
Entfernungseinheit 9 vorzugsweise nicht mit der
Reformierungseinheit 8 thermisch gekoppelt, d. h. die Abwärme
der Kohlenmonoxid-Entfernungseinheit 9 wird nicht an die
endotherme Reformierungsreaktion abgeführt. Bevorzugt wird die
Kohlenmonoxid-Entfernungseinheit 9 wassergekühlt.
Damit wird wiederum mehr Wasser in der Oxidationseinheit 6
erzeugt, da die Abwärme der Verbrennung die
Reformierungsreaktion vollständig nährt, als wenn ein Teil des
thermischen Bedarfs durch die Kohlenmonoxid-Entfernungseinheit
9 gedeckt würde.
Austrittsseitig des Anodenraums A ist eine
Abgasverbrennungseinheit 12 angeordnet. Austrittsseitig des
Kathodenraums C ist in der Kathodenabführung 5 ein Abgaskühler
11 zur Kühlung des Kathodenabgases angeordnet. Diesem
nachgeschaltet ist ein Wasserabtrennmittel 10, vorzugsweise ein
Kondensator 10. Hinter dem Kondensator gelangt das
Kathodenabgas und das Anodenabgas in die
Abgasverbrennungseinheit 12.
Eine Zufuhr von Sauerstoff, bevorzugt eine Luftzudosierung, in
die Oxidationseinheit 6 und in möglicherweise vorhandene
Kohlenmonoxid-Entfernungseinheiten 9 erfolgt zweckmäßigerweise
über eine Regelung der Luftförderung, z. B. über die
Drehzahlsteuerung oder -regelung eines Gebläses. Dabei wird
bevorzugt die Temperatur des Systems auf einen vorgegebenen
Wert eingestellt und im Betrieb auf diesen Wert geregelt. Die
Versorgung mit Sauerstoff erfolgt vorzugsweise in Abhängigkeit
von einer Temperatur in der Oxidationszone der
Oxidationseinheit 6 und/oder einer Temperatur der
Reformierungszone der Reformierungseinheit 8 und/oder einer
Temperatur in der Kohlenmonoxid-Entfernungseinheit 9 und/oder
einer Austrittstemperatur aus den jeweiligen Zonen des in der
Oxidationseinheit 6 bzw. der Reformierungseinheit 7 und/oder
der Kohlenmonoxid-Entfernungseinheit 9 behandelten Mediums.
Zweckmäßigerweise ist die Zuführung des Sauerstoffs, bevorzugt
der Luft, möglichst druckverlustarm ausgeführt.
Vorzugsweise ist die Aufteilung der geförderten Luft über einen
Druckverlust von entsprechenden (nicht dargestellten)
Zuleitungen und/oder Ableitungen der Reformierungseinheit 8
und/oder Oxidationseinheit 6 auf einen vorgegebenen Wert
eingestellt. Eine weitere bevorzugte Möglichkeit besteht darin,
die Aufteilung der geförderten Luft über druckverlustarme
Mechanismen, z. B. Klappen, in den entsprechenden Leitungen zu
verändern.
In einem bevorzugten Niederdruck-Brennstoffzellensystem mit
einem höchsten vorkommenden Druck von höchstens 2 bar in einem
Sauerstoffzuführsystem des Brennstoffzellensystems erfolgt die
für eine Reformierungsreaktion und/oder eine Verdampfung
notwendige Wärme stromauf des Anodenraums A durch teilweise
Verbrennung von wasserstoffhaltigen Medien zu Wasser. Besonders
günstig ist, wenn Oxidationseinheit 6 und Kohlenmonoxid-
Entfernungseinheit 9 durch ein gemeinsames Fördermittel,
vorzugsweise ein Gebläse mit Sauerstoff oder Luft, versorgt
werden können.
Im Sauerstoff- oder Luftzuführsystem des
Brennstoffzellensystems sind an der oder den entsprechenden
Verzweigungen druckverlustarme Verteiler angeordnet, die einen
Druckverlust von höchstens 100 mbar verursachen, bevorzugt von
höchstens 10 mbar. Solche Verteiler sind z. B. Schieber und/oder
Klappen und/oder auch Nadelventile. Die Temperatur vorzugsweise
des Reformierungsreaktors 7 wird auf einen vorgegebenen Wert
eingestellt, und die Temperatur wird auf diesen Wert geregelt.
Der besonders Vorteil besteht darin, daß zur Luft- oder
Sauerstoffdosierung in die einzelnen Bereiche des
Brennstoffzellensystems sonst übliche aufwendige und teure
druckverlustgebende Dosiereinrichtungen vermieden werden
können. Dies ist besonders für ein Niederdrucksystem, bei dem
auch eine hohe Dynamik nicht unbedingt gefordert ist, besonders
günstig.
Besonders vorteilhaft ist, daß zur Unterstützung der
Reformierungsreaktion nunmehr nur ein Teil des Wassers aus dem
Kathodenabgas zurückgewonnen werden muß, da bereits in der
Anodenzuführung 2 zusätzliches Wasser erzeugt wird und für die
Reaktion zur Verfügung steht. Diese Menge kann durch die Menge
des wasserstoffhaltigen Mediums oder Mediengemischs, das in der
Oxidationseinheit 6 verbrannt wird, bedarfsabhängig eingestellt
werden.
Damit kann jedoch gleichzeitig das Temperaturniveau zur
Kondensation von Wasser in Wasserabscheidemitteln 10 in der
Kathodenabführung 5 insgesamt höher liegen. Der
Wärmeübertrageraufbau des Kondensators kann dann weniger
voluminös ausgelegt werden. Bei Membranverfahren ist
entsprechend auch eine weniger effiziente Abscheidung von
Wasser aus dem Kathodenabgas ausreichend, um den Wasserhaushalt
des Systems aufrechtzuerhalten. Damit steht auch bei einem
Brennstoffzellensystem mit niedrigem Systemdruck im
Gaserzeugungssystem, vorzugsweise von höchstens 2 bar,
ausreichend Wasser zum Betrieb des Brennstoffzellensystems zur
Verfügung. Das Brennstoffzellensystem ist stark vereinfacht und
daher billig.
Zusätzlich kann in einer Weiterbildung der Erfindung noch die
Wärme bei der Verbrennung des Anodenabgases und des
Kathodenabgases, die in der Abgasverbrennungseinheit 12
entsteht, vorteilhaft genutzt werden. Dies ist in Fig. 2
dargestellt.
Abstromseits der Abgasverbrennungseinheit 12 ist ein zweiter
Verdampfer 13 angeordnet, der zum Verdampfen von Medien in der
Anodenzuführung 2 vorgesehen ist. Der zweite Verdampfer 13 ist
zustromseitig vor dem ersten Verdampfer 7 in der
Anodenzuführung 2 angeordnet. Vorzugsweise ist der zweite
Verdampfer 13 ein Heißgasverdampfer.
Zur Überbrückung des zweiten Verdampfers ist eine
Überbrückungsleitung 14 vorgesehen, so daß der Anode A
zuzuführende Medien direkt zum ersten Verdampfer 7 gelangen
können. Dies ist bei kritischem Wasserhaushalt zweckmäßig, wenn
mehr Wasser in der Oxidationseinheit 6 erzeugt werden muß.
Die Oxidationsrate in der Oxidationseinheit 6 steigt an, weil
dann auch die Wärme zur Verdampfung des wasserstoffhaltigen
Mediums oder Mediengemischs vollständig durch die
Oxidationseinheit 6 bereitgestellt werden muß. Es wird
entsprechend mehr Wasser in der Oxidationseinheit 6 durch
Verbrennung erzeugt, und die Wasserbilanz wird entsprechend
positiv beeinflußt.
In einem Zustand mit kritischer Wasserbilanz wird das Ventil 16
und somit der Zugang zum zweiten Verdampfer 13 für das
wasserstoffhaltige Medium oder Mediengemisch geschlossen,
während das Ventil 15 geöffnet wird und den Weg für das Medium
oder das Mediengemisch in die Überbrückungsleitung 14 zum
ersten Verdampfer 7 freimacht.
Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße
Anordnung eignen sich ganz besonders für
Brennstoffzellensysteme, die einen geringen Systemdruck
aufweisen, sowie solche Systeme die keine hohen
Dynamikanforderungen haben. Solche Systeme können durch die
Erfindung sehr preiswert ausgelegt werden. Eine
Wirkungsgradverringerung des Gaserzeugungssystems kann gezielt
eingesetzt werden, um den thermischen und den Wasserhaushalt
des Brennstoffzellensystems zu versorgen, wobei unter
Wirkungsgrad das Verhältnis zwischen Energieinhalt des in der
Brennstoffzelle 1 abgegebenen Wasserstoffs zu dem Energieinhalt
des dem System zugeführten wasserstoffhaltigen Brennstoffs
verstanden wird. Das Brennstoffzellensystem wird dadurch
besonders einfach und billig.
Bevorzugt ist die Verwendung in Systemen, bei denen das
Brennstoffzellensystem zur Bordstromversorgung von
Nebenaggregaten in Fahrzeugen eingesetzt wird.
Claims (23)
1. Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems mit
einem Wasserhaushalt, bei dem ein wasserstoffhaltiges Medium
oder Mediengemisch in einem Reformierungsreaktor (8) mit einem
Wasserbedarf unter Wasserzugabe zu einem wasserstoffreichen
Reformat reformiert wird, das Reformat einem Anodenraum (A)
einer Brennstoffzelle (1) über eine Anodenzuführung (2)
zugeführt und in der Brennstoffzelle (1) mit Sauerstoff aus
einem Kathodenraum (C) der Brennstoffzelle (1) zu Wasser
umgesetzt wird,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Wasserbedarf der Reformierungsreaktion und/oder der
Wasserhaushalt des Brennstoffzellensystems direkt an eine
Oxidationsrate einer teilweisen Verbrennung des
wasserstoffhaltigen Mediums oder Mediengemischs in einer
Oxidationseinheit (6) stromauf des Reformierungsreaktors (8)
gekoppelt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Reformierungsreaktion direkt mit bei der Verbrennung
entstehender thermischer Energie unterstützt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Reformierungsreaktion thermisch nur durch bei der
Verbrennung entstehende thermische Energie unterstützt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß bei erhöhtem Wasserbedarf der Reformierungsreaktion
und/oder erhöhtem Wasserbedarf im Wasserhaushalt des
Brennstoffzellensystems die Oxidationsrate der Verbrennung
gesteigert wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß bei verringertem Wasserbedarf der Reformierungsreaktion
und/oder verringertem Wasserbedarf im Wasserhaushalt des
Brennstoffzellensystems die Oxidationsrate der Verbrennung
gesenkt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß eine Verdampfungsreaktion in einem ersten Verdampfer (7)
mit bei der Verbrennung entstehender thermischer Energie
unterstützt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß thermische Energie aus Abgasen der Brennstoffzelle (1) zur
Verdampfung des wasserstoffhaltigen Mediums oder Mediengemisch
in einem zweiten Verdampfer (13) bereitgestellt wird, so daß
das wasserstoffhaltige Medium oder Mediengemisch dem ersten
Verdampfer (7) zumindest teilweise gasförmig zugeführt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet,
daß bei erhöhtem Wasserbedarf der Reformierungsreaktion der
zweite Verdampfer (13) überbrückt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß aus dem Reformat Kohlenmonoxid durch eine exotherme
Reaktion entfernt wird, wobei die Kühlung der exothermen
Reaktion unabhängig vom thermischen Bedarf der
Reformierungsreaktion erfolgt.
10. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß thermische Energie aus einem thermischen System bestehend
aus erstem Verdampfer (7), Oxidationseinheit (6) und
Reformierungseinheit (8) oder bestehend aus Oxidationseinheit
(6) und Reformierungseinheit (8) zusätzlich abgeführt wird, um
die Oxidationsrate zu erhöhen.
11. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß eine Zufuhr von Sauerstoff in die Oxidationseinheit (6)
und/oder in die Kohlenmonoxid-Entfernungseinheit (9) in
Abhängigkeit einer Temperatur in einem Bereich der Verbrennung
und/oder einem Bereich der Reformierungsreaktion und/oder in
einem Bereich der Kohlenmonoxidentfernung erfolgt.
12. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß eine Zufuhr von Sauerstoff in die Oxidationseinheit (6)
und/oder in die Kohlenmonoxid-Entfernungseinheit (9) in
Abhängigkeit einer Austrittstemperatur eines Mediums aus der
Oxidationseinheit (6) und/oder einer Austrittstemperatur des
Reformats aus der Reformierungsreaktion und/oder einer
Austrittstemperatur aus der Kohlenmonoxid-Entfernungseinheit
(9) erfolgt.
13. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Brennstoffzellensystem auf eine vorgegebene Temperatur
des Reformierungsreaktors (7) eingestellt und die Temperatur
durch die Menge des zugeführten Sauerstoffs eingehalten wird.
14. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß in einem Niederdruck-Brennstoffzellensystem mit einem
höchsten vorkommenden Druck von höchstens 2 bar in einem
Sauerstoffzuführsystem des Brennstoffzellensystems die für eine
Reformierungsreaktion und/oder eine Verdampfung notwendige
Wärme stromauf des Anodenraums (A) durch teilweise Verbrennung
von wasserstoffhaltigen Medien zu Wasser erfolgt.
15. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens gemäß einem der
vorangegangenen Ansprüche 1-14, bestehend aus einem
Brennstoffzellensystem mit mindestens einer Brennstoffzelle
(1), die einen Anodenraum (A) mit eintrittsseitiger
Anodenzuführung (2) und austrittsseitiger Anodenabführung (3)
und einen Kathodenraum (C) mit eintrittsseitiger
Kathodenzuführung (4) und austrittsseitiger Kathodenabführung
(5) beinhaltet,
dadurch gekennzeichnet,
daß in der Anodenzuführung (2) ein Bauteil (B) vorgesehen ist,
welche eine Oxidationseinheit (6) zur teilweisen Oxidation
eines wasserstoffhaltigen Mediums oder Mediengemischs und eine
Reformierungseinheit (8) zur Erzeugung eines wasserstoffreichen
Reformats aus dem wasserstoffhaltigen Medium oder Mediengemisch
aufweist, wobei die Oxidationseinheit (6) thermisch direkt mit
der Reformierungseinheit (8) gekoppelt ist.
16. Anordnung nach Anspruch 15,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Bauteil (B) zusätzlich einen ersten Verdampfer (7) zum
Verdampfen des wasserstoffhaltigen Mediums oder Mediengemischs
aufweist, der thermisch direkt mit der Oxidationseinheit (6)
gekoppelt ist.
17. Anordnung nach Anspruch 15,
dadurch gekennzeichnet,
daß bezogen auf das wasserstoffhaltige Medium oder
Mediengemisch zustromseits vor dem Bauteil (B) zusätzlich ein
zweiter Verdampfer (12) angeordnet ist, der mit Abgasen der
Brennstoffzelle (1) beheizbar ist.
18. Anordnung nach Anspruch 15,
dadurch gekennzeichnet,
daß zwischen dem Bauteil (B) und Anodenraum (A) eine
Kohlenmonoxid-Entfernungseinheit (9) zum Entfernen von
Kohlenmonoxid aus dem Reformat angeordnet ist.
19. Anordnung nach Anspruch 18,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Kohlenmonoxid-Entfernungseinheit (9) unabhängig von der
Reformierungseinheit (9) kühlbar ist.
20. Anordnung nach Anspruch 15,
dadurch gekennzeichnet,
daß in der Anodenzuführung (2) eine Überbrückungsleitung (14)
zur Umgehung des zweiten Verdampfers (13) vorgesehen ist, so
daß das wasserstoffhaltige Medium oder Mediengemisch dem ersten
Verdampfer (7) direkt zuführbar ist.
21. Anordnung nach Anspruch 15,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Mediendruck in der Kathodenabführung (5) höchstens 2
bar beträgt.
22. Anordnung nach Anspruch 15,
dadurch gekennzeichnet,
daß zur Sauerstoffzufuhr in das Brennstoffzellensystem ein
Luftförderer mit regelbarer oder steuerbarer Drehzahl
vorgesehen ist.
23. Anordnung nach Anspruch 15,
dadurch gekennzeichnet,
daß ein druckverlustarmer Verteiler mit einem Druckverlust von
höchstens 100 mbar zur Sauerstoffversorgung im
Brennstoffzellensystem vorgesehen ist.
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Date | Code | Title | Description |
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OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
8127 | New person/name/address of the applicant |
Owner name: BALLARD POWER SYSTEMS AG, 70567 STUTTGART, DE |
|
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8327 | Change in the person/name/address of the patent owner |
Owner name: NUCELLSYS GMBH, 73230 KIRCHHEIM, DE |
|
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Effective date: 20120403 |