DE19950143A1

DE19950143A1 - Brennstoffzellensystem

Info

Publication number: DE19950143A1
Application number: DE19950143A
Authority: DE
Inventors: Kenji Kurita
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd
Current assignee: Aisin Corp
Priority date: 1998-10-19
Filing date: 1999-10-18
Publication date: 2000-05-18
Also published as: JP2000123846A; US6544675B1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Brennstoffzel lensystem.

Ein herkömmliches Brennstoffzellensystem ist beispielsweise in der Japanischen Patentoffenlegungsschrift Nr. Hei.8-293312 be schrieben, die ungeprüft am 05. November 1996 veröffentlicht ist.

In diesem Brennstoffzellensystem werden beim Anfahren und Ab schalten davon das Brennstoffgas, welches eine hohe Konzentra tion an CO (Kohlenmonoxid) hat, und das in einer Reformierein richtung verbleibende Brennstoffgas jeweils vorübergehend in einen Verdampferabschnitt anstelle eines Brennstoffzellensta pels oder einer Brennstoffzellenreihe zugeführt, in welchem Wasser und ein Brennstoff aus der Familie der Kohlenwasserstof fe verdampft bzw. verbrannt werden sollen. Somit kann auf einen CO-Katalysator verzichtet werden oder dieser vermieden werden.

Jedoch muß beim Anfahren des obigen herkömmlichen Brennstoff zellensystems jeweils die Menge des Wassers und des Kohlenwas serstoffbrennstoffs, die verdampft werden sollen, mit der ver brannten Menge in den Verdampferabschnitt ausgeglichen sein, was Schwierigkeiten bei der Steuerung hervorruft, wenn das Brennstoffzellensystem angefahren wird. Zudem ist, wenn das Brennstoffzellensystem abgeschaltet werden soll, der Verdamp ferabschnitt weiterhin im Verbrennungsbetrieb, die Abkühlungs phase des Brennstoffzellensystems wird länger und es besteht zusätzlich die Gefahr eines Betriebs der Reformiereinrichtung in einem leeren Zustand.

Es ist folglich eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Brennstoffzellensystem zu schaffen, welches von den vorgenann ten Nachteilen befreit ist.

Um die vorgenannte Aufgabe zu lösen, ist mit der Erfindung ein Brennstoffzellensystem geschaffen, mit:
einer Reformiereinrichtung zum Reformieren eines Brenn stoffs aus der Familie der Kohlenwasserstoffe in ein Brenn stoffgas, dessen Hauptkomponente Wasserstoff ist;
einem Brennstoffzellenstapel zur Erzeugung von Elektrizi tät, indem das Brennstoffgas und ein oxidierendes Agens oder ein Oxidationsmittel verwendet werden;
einer Meßeinrichtung zur Bestimmung einer Konzentration von CO in einem Brennstoffgas, das von der Reformiereinrichtung abgegeben wird;
einer Verbrennungseinrichtung zur Verbrennung des Brenn stoffgases, wobei die Verbrennungseinrichtung von dem Brenn stoffzellenstapel unabhängig ist; und
einer Umschalteinrichtung zur Auswahl der Zuführung des Brennstoffgases zu entweder dem Brennstoffzellenstapel oder der Verbrennungseinrichtung.

Diese und andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfin dung werden aus der nachfolgenden genauen Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung deutlicher, welche ei nen Teil dieser Offenbarung bildet, wobei die einzige Zeichnung eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems vom Festkörper-Polyelektrolyt-Typ gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist.

In der Zeichnung ist eine schematische Darstellung eines Brenn stoffzellensystems vom Festkörper-Polyelektrolyt-Typ gemäß ei nem Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt.

Das Bennstoffzellensystem umfaßt als Hauptelemente eine Refor miereinrichtung 1, einen Brennstoffzellenstapel 2, einen Bren ner 3 als die Verbrennungseinrichtung und einen Turbohilfskom pressor 4. Zudem umfaßt dieses System einen Wassertank 5, um darin eine Wassermenge zu speichern, einen Methanoltank 6, um darin eine Menge an Methanol zu speichern, eine CO- Konzentrationsmeßeinrichtung 7 als eine Einrichtung zur Erfas sung von CO, 3-Wege-Schaltventile 8 und 9 als Umschalteinrich tung sowie andere Elemente.

Die Reformiereinrichtung 1 reformiert das Wasser und das Metha nol, von denen jedes als ein Brennstoff behandelt wird, um ein Brennstoffgas zu bilden, dessen Hauptkomponente Wasserstoff ist. Die Reformiereinrichtung 1 umfaßt einen Verbrennungsab schnitt 101, einen Verdampferabschnitt 102, einen Reformierab schnitt 103 und einen CO-Entfernungsabschnitt 104. Der Verbren nungsabschnitt 101 ist mittels einer Methanolpumpe P3 mit dem Methanoltank 6 verbunden und ausgelegt, verdichtete Luft über eine Luftleitung 13 von einem Luftverdichter C1 zu empfangen. Der Verdampferabschnitt 102 ist mit dem Wassertank 5 und dem Methanoltank 6 über eine Wasserpumpe P1 bzw. eine Methanolpumpe P2 verbunden.

Die Reformiereinrichtung 1 ist mit einem ersten Anschluß des 3- Wege-Schaltventils 8 über eine Brennstoffgasleitung 14 verbun den, an der die Meßeinrichtung 7 vorgesehen ist, um eine CO- Konzentration in dem von der Reformiereinrichtung 1 abgegebenen möglichen Brennstoffgas zu bestimmen. Ein zweiter Anschluß des 3-Wege-Schaltventils 8 ist in Fluidverbindung mit einem Einlaß 21 des Brennstoffzellenstapels 2, während ein dritter Anschluß des 3-Wege-Schaltventils 8 über eine Brennstoffgasleitung 12 in Fluidverbindung mit einem Einlaß 31 des Brenners 3 ist.

Der Turbohilfskompressor 4 umfaßt eine Turbine 41, einen Motor 42 und einen Verdichter 43. Der Verdichter 43 dient als Oxida tionsagenszuführeinrichtung oder Oxidationsmittelzuführeinrich tung, welche Luft als Oxidationsmittel nach ihrer Verdichtung über eine Luftleitung 16 zu einem ersten Anschluß des 3-Wege- Schaltventils 9 zuführt. Der Verdichter 43 ist mit Durchfluß steuerventilen V1 und V2 verbunden, welche jeweils in Zweigen 16a bzw. 16b der Luftleitung 16 vorgesehen sind. Die Durchfluß steuerventile V1 und V2 sind mit dem Reformierabschnitt 103 und dem CO-Entfernungsabschnitt 104 der Reformiereinrichtung 1 über Luftleitungen 16c bzw. 16d verbunden.

Ein zweiter Anschluß des 3-Wege-Schaltventils 9 ist mit einem Luftzuführanschluß 34 des Brenners 3 verbunden, während ein dritter Anschluß des 3-Wege-Schaltventils 9 mit einem Luftzu führanschluß 22 des Brennstoffzellenstapels 2 über eine Luft leitung 17 verbunden ist.

Der Brennstoffzellenstapel 2 hat einen Auslaßanschluß 23, aus dem ein unbehandeltes oder ungenutztes Gas abgegeben wird. Der Auslaßanschluß 23 ist über eine Leitung 19 mit einem 1-Weg- Ventil oder Schalt- bzw. Rückschlagventil 11 verbunden, welches über eine Leitung 25 mit einem Brennstoffgaszuführanschluß 32 des Brenners 3 verbunden ist.

Der Brennstoffzellenstapel 2 hat einen Auslaßanschluß 24, von dem Luft, die unbehandelt oder ungenutzt bleibt, abgegeben wird. Der Auslaßanschluß 24 ist über eine Leitung 20 mit einem 1-Weg-Ventil oder einem Schalt- bzw. Rückschlagventil 10 ver bunden, welches über eine Leitung 26 mit einem Luftzuführan schluß 33 des Brenners 3 verbunden ist.

Der Brenner 3 verbrennt das ungenutzte Brennstoffgas und das Brennstoffgas, das eine hohe CO-Konzentration hat. Der Brenner 3 verbrennt zudem das in der Reformiereinrichtung 1 verbliebene Brennstoffgas, wenn das Brennstoffzellensystem ausgeschaltet wird oder in Ruhe gebracht wird. Ein Auslaßanschluß 35 des Brenners 3 ist mit der Turbine 41 des Turbohilfskompressors 4 über eine Abgasleitung 27 verbunden.

Im Betrieb wird sofort, wenn das Brennstoffzellensystem ange schaltet oder angelassen wird, das Methanol von dem Methanol tank zu dem Verbrennungsabschnitt 101 der Reformiereinrichtung 1 durch die laufende Methanolpumpe P3 zugeführt, der Verdichter 43 wird als Ergebnis des Einschaltens des Motors 42 des Kom pressors 4 angetrieben und der Luftverdichter C1 wird gestar tet, die somit in Lauf gebracht sind.

Das dem Verbrennungsabschnitt 101 zugeführte Methanol wird dar in mit Unterstützung der von dem Luftverdichter C1 zugeführten Luft verbrannt, wodurch der Verdampferabschnitt 102 erhitzt wird.

Der Verdampferabschnitt 102 der Reformiereinrichtung 1 wird mit Wasser aus dem Wassertank 5 durch die laufende Wasserpumpe P1 versorgt und er wird zudem mit Methanol aus dem Methanoltank 6 durch die laufende Methanolpumpe P2 versorgt. Die Luft und das Methanol werden in dem Verdampferabschnitt 102 der Refor miereinrichtung 1 verdampft, wodurch sie in den Reformierab schnitt 103 überführt oder gefördert werden.

Das Wasser und das Methanol welche gasförmig sind, werden mit der Luft vermischt, welche von dem Verdichter 43 des Turbo hilfskompressors 4 mittels des Durchflußsteuerventils V1 zuge führt ist, wobei die resultierende Mischung in ein Brennstoff gas reformiert wird, dessen Hauptbestandteil Wasserstoff ist, gemäß der nachfolgenden chemischen Reaktion in Anwesenheit ei nes reformierenden Katalysators, wie einer Kombination von Pd- Katalysator und Cu-Zn-Katalysator etc., und das resultierende Brennstoffgas wird dem CO-Entfernungsabschnitt 104 zugeführt.

CH₃OH + 0,13 O₂ + 0,47 N₂ + 0,75 H₂O → 2,75 H₂O + CO₂ + 0,47 N₂

Das Brennstoffgas enthält 0,5 bis 1% an CO und das CO wird in Anwesenheit eines CO-Entfernungskatalysators, wie einem Pt- Katalysator, durch die von dem Verdichter 43 über das Durch flußsteuerventil V2 zugeführte Luft zu CO₂ oxidiert, um die CO- Konzentration auf kleiner oder gleich 10 ppm zu senken, und das resultierende CO₂ wird dem Brennstoffzellenstapel 2 zugeführt.

Unmittelbar nach dem Anfahren des Brennstoffzellensystems ist die Temperatur der Reformiereinrichtung 103 weiterhin auf einer nicht ausreichenden Höhe, was dazu führt, daß die Konzentration des CO weiterhin nicht niedriger ist als ein Sollwert von bei spielsweise 10 ppm. Wenn die Erfassung der Meßeinrichtung 7 an zeigt, daß die Konzentration von CO oberhalb des Sollwerts ist, wird das 3-Wege-Schaltventil 8 in Richtung auf den Brenner 3 umgeschaltet oder verstellt, wodurch das Brennstoffgas über die Leitung 12 dem Brenner 3 zugeführt wird. Zu dieser Zeit gestat tet das 3-Wege-Schaltventil 9 eine Luftzuführung von dem Ver dichter 43 über die Leitung 18 zu dem Brenner 3.

Im Brenner 3 wird das diesem von der Reformiereinrichtung 1 zu geführte Brennstoffgas mit Hilfe der von dem Verdichter 43 zu geführten Luft verbrannt. Das resultierende Abgas wird der Tur bine 41 des Turbohilfskompressors 4 zugeführt, wodurch dieser in Drehung versetzt wird.

Wenn die Turbine 41 in Drehung versetzt wird, wird der Verdich ter 43 zusammen mit der Turbine 41 gedreht, was eine Verminde rung der Belastung des Motors 42 bewirkt, wodurch der Stromver brauch des Motors 42 vermindert wird. Angesichts der Tatsache, daß eine Hilfsstromquelle in Kraftfahrzeugen beschränkt ist, ist eine solche Wirkung oder ein solcher Vorteil von besonderer Bedeutung.

Wenn gefunden wird, daß die CO-Konzentration an der Meßeinrich tung 7 nicht größer ist als der Sollwert, wird das 3-Wege- Schaltventil 8 in Richtung auf den Brennstoffzellenstapel 2 ge schaltet, was eine Zuführung des Brennstoffgases zu dem Einlaß anschluß 21 bewirkt, wodurch das Brennstoffgas einer Brenn stoff-elektrodenseite (nicht gezeigt) des Brennstoffzellensta pels 2 zugeführt wird. Gleichzeitig steht das 3-Wege- Schaltventil 9 ebenfalls in Richtung auf den Brennstoffzellen stapel 2, was eine Zuführung der Luft zu dem Einlaßanschluß 22 bewirkt, wodurch die Luft zu einer Sauerstoffelektrodenseite (nicht gezeigt) zugeführt wird.

In dem Brennstoffzellenstapel 2 wird, wie bekannt ist, chemi sche Energie in elektrische Energie umgewandelt, wobei elektri scher Strom als ein Teil einer chemischen Reaktion zwischen dem Elektrolyt und dem Brennstoffgas erzeugt wird. In dem Brenn stoffzellenstapel 2 wird der in dem Brennstoffgas enthaltene Wasserstoff nicht vollständig oder zu 100% für die Reaktion verwendet, sondern es werden etwa 80% genutzt. Der ungenutzte Wasserstoff wird zu dem Brennstoffgaszuführanschluß 32 des Brenners 3 über die Leitungen 19 und 25 zugeführt, die in Serie angeordnet sind.

Andererseits wird der Brennstoffzellenstapel 2 mit Luft im Überschuß versorgt, was einen Ausstoß der ungenutzten Luft aus dem Auslaßanschluß 24 bewirkt. Die resultierende Luft wird über die Leitungen 20 und 26, die in Serie angeordnet sind, zu dem Einlaßanschluß 34 des Brenners 3 zugeführt.

In dem Brenner 3 wird das sich ergebende ungenutzte Brennstoff gas in der Umgebung der resultierenden Luft verbrannt. Das sich ergebende Abgas oder das von dem Brenner 3 ausgestoßene Gas wird der Turbine 41 zugeführt, was in deren Drehung resultiert. Dann nimmt das Brennstoffzellensystem einen stabilen Betriebs zustand ein.

Die resultierende Drehung der Turbine 41 bringt die gleichzei tige Drehung des Verdichters 43, was die Belastung des Motors 42 vermindert, wodurch der elektrische Stromverbrauch des Mo tors 42 gespart wird. Wenn das Brennstoffzellensystem in dem stabilen Betriebszustand ist, ist die Energie in dem ungenutz ten Brennstoffgas so ergiebig, daß der Motor 42 nicht angetrie ben muß, so daß der Motor 42 ausgeschaltet ist.

Wenn das Brennstoffzellensystem abgeschaltet oder herunterge fahren werden soll, werden die 3-Wege-Schaltventile 8 und 9 in Richtung auf den Brenner 3 geschaltet, um die Zuführung von so wohl Brennstoffgas als auch Luft zu dem Brennstoffzellenstapel 2 zu unterbrechen. Das in dem Brennstoffzellenstapel 2 verblei bende Brennstoffgas wird in Folge des Restdrucks in den Brenner 3 herausgedrückt.

Gleichzeitig werden die Durchflußsteuerventile V1 und V2 ge schlossen, die Pumpen P1, P2 und P3 abgeschaltet und der Luft verdichter C1 wird angehalten. Das Wasser und das Methanol in dem Verdampferabschnitt 102, das Methanol und die Luft in dem Verbrennungsabschnitt 101 und die Luft in dem CO- Entfernungsabschnitt 104 sind voneinander isoliert oder ge trennt.

Der Restdruck der Luft in der Reformiereinrichtung 1 drückt das darin enthaltene Wasser und das Methanol in den Brenner 3.

In dem vorhergehenden Aufbau werden das Methanol und das Wasser in der Reformiereinrichtung 1 und das Brennstoffgas in dem Brennstoffzellenstapel 2, die nach dem Abschalten des Brenn stoffzellensystems übrigbleiben, dem Brenner 3 zugeführt, wel cher unabhängig von der Reformiereinrichtung 1 betreibbar ist, wodurch ein schnellstmögliches Abkühlen der Reformiereinrich tung 1 ohne Schwierigkeiten ermöglicht ist, so daß die Schnellabschaltung des Brennstoffzellensystems vereinfacht ist.

In dem vorhergehenden Aufbau wird die erforderliche Luftzuführ menge durch Betrieb der Turbine erhalten, welche durch die Brennstoffenergie des ungenutzten Brennstoffgases angetrieben ist, was das Brennstoffzellensystem sehr effizient macht. Fer ner kann die von der Turbine abgeleitete Kraft verwendet wer den, um eine zusätzliche Lichtmaschine oder einen Dynamo anzu treiben, wodurch ein System realisiert ist, welches Strom und Versorgungsluft gleichzeitig erzeugen kann.

Die Erfindung wurde unter Bezugnahme auf spezifische Ausfüh rungsformen gezeigt und beschrieben, es ist jedoch anzumerken, daß die Erfindung in keinster Weise auf die Einzelheiten der gezeigten Strukturen beschränkt ist, sondern daß Veränderungen und Modifikationen vorgenommen werden können, ohne den Bereich der nachfolgenden Ansprüche zu verlassen.

Ein Brennstoffzellensystem umfaßt eine Reformiereinrichtung 1 zum Reformieren eines Brennstoffs aus der Kohlenwasserstoff familie in ein Brennstoffgas, dessen Hauptbestandteil Wasser stoff ist, einen Brennstoffzellenstapel 2 zur Erzeugung von Elektrizität unter Verwendung des Brennstoffgases und eines Oxidationsmittels, eine Meßeinrichtung 7 zur Bestimmung einer Konzentration von CO in einem Brennstoffgas, das von der Refor miereinrichtung 1 abgegeben ist, eine Verbrennungseinrichtung 3 zur Verbrennung des Brennstoffgases, wobei die Verbrennungsein richtung 3 von dem Brennstoffzellenstapel 2 unabhängig ist, und eine Schalteinrichtung 8 zur wahlweisen Zuführung des Brenn stoffgases zu entweder dem Brennstoffzellenstapel 2 oder der Verbrennungseinrichtung 3. In einem solchen Brennstoffzellensy stem ist die Steuerung beim Anfahren erleichtert und die Ab kühlzeit beim Abschalten wird kürzer.

Claims

1. Brennstoffzellensystem, mit:
einer Reformiereinrichtung (1) zum Reformieren eines Brennstoffs aus der Familie der Kohlenwasserstoffe zu einem Brennstoffgas, dessen Hauptbestandteil Wasserstoff ist;
einem Brennstoffzellenstapel (2) zur Erzeugung von Elek trizität unter Verwendung des Brennstoffgases und eines Oxida tionsmittels;
einer Meßeinrichtung (7) zur Bestimmung einer Konzentrati on von CO in einem Brennstoffgas, das von der Reformiereinrich tung (1) abgegeben ist;
einer Verbrennungseinrichtung (3) zur Verbrennung des Brennstoffgases, wobei die Verbrennungseinrichtung (3) von dem Brennstoffzellenstapel (2) unabhängig ist; und
einer Schalteinrichtung (8) zum wahlweisen Zuführen des Brennstoffgases zu entweder dem Brennstoffzellenstapel (2) oder der Verbrennungseinrichtung (3).

2. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei das in der Ver brennungseinrichtung (3) verbrannte Brennstoffgas ein ungenutz tes Brennstoffgas ist, das von dem Brennstoffzellenstapel (2) abgegeben ist.

3. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 2, wobei eine Verbren nungsenergie, die bei der Verbrennung in der Verbrennungsein richtung (3) erhalten wird, verwendet wird, um eine Turbine (41) zur Nutzung der Verbrennungsenergie anzutreiben.

4. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 3, wobei die Turbine (41) zudem einen Dynamo antreibt.

5. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 3, wobei die Turbine (41) zudem als eine Antriebsquelle zum Antrieb einer Oxidati onsmittelzuführeinrichtung (43) verwendet ist, um das Oxidati onsmittel zu dem Brennstoffzellensystem zuzuführen.

6. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 5, wobei die Oxidati onsmittelzuführeinrichtung (43) das Oxidationsmittel dem Brenn stoffzellenstapel (2) zuführt.