DE19954979A1 - Brennstoffzellensystem mit wasserstoffgewinnender Reaktoranlage und Sauerstoffabtrenneinheit - Google Patents

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Brennstoffzellensystem mit wenigstens einer Brennstoffzelle, einer dieser anodenseitig vorgeschalteten Reaktoranlage zur Erzeugung eines wasserstoffhaltigen Produktgases durch Umsetzung eines Kohlenwasserstoff- oder Kohlenwasserstoffderivat-Einsatzstoffs, wobei die Reaktoranlage eine Reaktoreinheit und einen nachgeschalteten Produktstrom-Wärmeübertrager mit einem Produktstrompfad zum abkühlenden Hindurchleiten des Produktgases aufweist, und mit einer der Brennstoffzellenkathodenseite vorgeschalteten Sauerstoffabtrenneinheit, die aus einem zugeführten sauerstoffhaltigen Rohgas durch selektive Sauerstoffabtrennung ein sauerstoffangereichertes Gas erzeugt. DOLLAR A Erfindungsgemäß bilden der Produktstrom-Wärmeübertrager und die Sauerstoffabtrenneinheit eine kombinierte Wärmeübertrager-Sauerstoffabtrenneinheit, in welcher die Sauerstoffabtrenneinheit mit dem Produktstrompfad in Wärmekontakt steht. DOLLAR A Verwendung z. B. in Brennstoffzellenfahrzeugen.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Brennstoffzellensystem nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Brennstoffzellensysteme dieser Art werden beispielsweise im mo­ bilen Einsatz in Brennstoffzellenfahrzeugen verwendet. Die der wenigstens einen Brennstoffzelle anodenseitig vorgeschaltete Re­ aktoranlage dient zur Gewinnung des auf der Brennstoffzellenan­ odenseite eingesetzten Wasserstoffs durch Umsetzung eines vor­ zugsweise flüssig im Brennstoffzellenfahrzeug mitgeführten Koh­ lenwasserstoff- oder Kohlenwasserstoffderivat-Einsatzstoffs, wie Benzin, Methanol oder dergleichen. Die Umsetzung kann beispiels­ weise durch Wasserdampfreformierung und/oder partielle Oxidation des Einsatzstoffs erfolgen.

Der Reaktoreinheit, in welcher die Umsetzungsreaktion meist un­ ter Verwendung eines geeigneten Katalysatormaterials erfolgt, ist ein Wärmeübertrager nachgeschaltet, der den erzeugten, was­ serstoffhaltigen Produktstrom abkühlt. Dies dient beispielsweise dem Zweck, den abgekühlten Produktgasstrom in einer oder mehre­ ren nachgeschalteten Gasreinigungsstufen von Kohlenmonoxid zu reinigen, das in der Brennstoffzelle bekanntermaßen vergiftend wirkt. Die Entfernung von Kohlenmonoxid kann z. B. durch Anwenden einer CO- bzw. Wassergas-Shiftreaktion erfolgen, für die ein Temperaturniveau bevorzugt ist, das niedriger liegt als dasjeni­ ge für die Umsetzungsreaktion in der Reaktoreinheit.

Durch eine der Brennstoffzellenkathodenseite vorgeschaltete Sau­ erstoffabtrenneinheit wird aus einem sauerstoffhaltigen Rohgas, wie Luft, ein sauerstoffangereichertes Gas erzeugt, worunter vorliegend ein Gas verstanden werden soll, das eine höhere Sau­ erstoffkonzentration als das sauerstoffhaltige Rohgas aufweist. Auf diese Weise kann die Brennstoffzelle bei gegebener, gefor­ derter Leistung im Vergleich zur Speisung mit dem sauerstoffhal­ tigen Rohgas kompakter und damit platzsparender ausgelegt sein.

Als geeignete Sauerstoffabtrennmittel sind beispielsweise Hohl­ fasermembranen aus Polymermaterialien, wie Polyimid und Poly­ ethersulfon, verwendbar, wie in den Patentschriften US 5.468.283 und US 5.393.323 beschrieben. Alternativ sind auch Keramikmem­ branen aus ZrO oder einem Perovskitmaterial verwendbar, welche die Fähigkeit aufweisen, Sauerstoffionen mit ausreichend hohen Temperaturen von über 350°C zu leiten und dadurch selektiv Sau­ erstoff beispielsweise aus Luft abzutrennen. Solche Keramikmem­ branen werden herkömmlicherweise in sogenannten oxidkeramischen Brennstoffzellen (SOFC) eingesetzt. Des weiteren sind auch auf anderen Prinzipien beruhende Sauerstoffabtrennmittel bekannt, z. B. solche, welche die unterschiedlichen magnetischen Suszepti­ bilitäten von Sauerstoff und Stickstoff ausnutzen, siehe die Of­ fenlegungsschrift EP 0 773 188 A2.

Bei einem in der Offenlegungsschrift EP 0 729 196 A1 offenbarten Brennstoffzellensystem der eingangs genannten Art steht der aus der Reaktoreinheit austretende Produktgasstrom nach Passieren einer Wasserstoffanreicherungsstufe in zwei seriell aufeinander­ folgenden Wärmeübertragern, zwischen denen im Produktstrompfad eine CO-Reinigungsstufe vorgesehen ist, jeweils mit einem Ein­ satzstoffgemisch aus Methanol und Wasser in Wärmekontakt, um das Einsatzstoffgemisch vor Einleitung in einen Verdampfer vorzuhei­ zen und dabei selbst vor Einspeisung in die Anodenseite einer Brennstoffzelle abgekühlt zu werden. Kathodenseitig wird der Brennstoffzelle ein von einem Kompressor verdichtetes und an ei­ nem Radiator abgekühltes sauerstoffangereichertes Gas zugeführt, das von einer dem Kompressor vorgeschalteten Sauerstoffabtrenneinheit vom Polymermembrantyp aus ihr zugeführter Luft gewonnen wird. Der Kompressor wird über eine Expandereinheit angetrieben, der das Abgas eines katalytischen Brenners zugeführt, wird, dem seinerseits das Kathodenabgas und das Anodenabgas der Brenn­ stoffzelle sowie bei Bedarf Methanol und/oder aus der Wasser­ stoffanreicherungsstufe austretendes Produktgas zugeführt wer­ den.

Bei einem in der Patentschrift US 4.595.642 beschriebenen Brenn­ stoffzellensystem wird verdichtete Luft einer Sauerstoffabtrenn­ einheit vom Druckwechsel-Adsorptionstyp (PSA) zugeführt, die daraus ein sauerstoffangereichertes Gas gewinnt, welches der Ka­ thodenseite einer Brennstoffzelle zugeführt wird. Anodenseitig wird die Brennstoffzelle mit einem wasserstoffreichen Gas ge­ speist, das von einer Reformierungsreaktoranlage erzeugt wird.

In der Patentschrift US 5.175.061 ist ein Brennstoffzellensystem mit einer oder mehreren Hochtemperatur-Brennstoffzellen be­ schrieben, die kathodenseitig von einem sauerstoffangereicherten Gas gespeist werden, das von einem Kompressor verdichtet und in einem anschließenden Wärmeübertrager erhitzt wird. Das sauer­ stoffangereicherte Gas wird von einer dem Kompressor vorgeschal­ teten Niedertemperatur-Sauerstoffabtrenneinheit aus zugeführter Luft erzeugt. Der Brennstoffzellenanodenseite wird ein wasser­ stoffhaltiges Produktgas einer Wasserdampfreformierungseinheit mit nachgeschalteter CO-Shiftstufe zugeführt, wobei es vor Ein­ tritt in die Anodenseite von einem dortigen Wärmeübertrager auf die Brennstoffzellenbetriebstemperatur von z. B. 600°C aufgeheizt wird.

Der Erfindung liegt als technisches Problem die Bereitstellung eines Brennstoffzellensystems der eingangs genannten Art zugrun­ de, das sich vergleichsweise kompakt bauen läßt, einen hohen Wirkungsgrad ermöglicht und sich besonders auch zum Einsatz in Brennstoffzellenfahrzeugen eignet.

Die Erfindung löst dieses Problem durch die Bereitstellung eines Brennstoffzellensystems mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Bei diesem System ist die Sauerstoffabtrenneinheit mit dem Produkt­ strom-Wärmeübertrager zu einer Baueinheit kombiniert, was einer kompakten Auslegung des gesamten Systems förderlich ist und zu­ dem ermöglicht, daß die Sauerstoffabtrenneinheit mit geringem Aufwand auf einer erhöhten Temperatur gehalten wird, um eine ho­ he Effektivität der Sauerstoffabtrennung z. B. bei Verwendung ei­ ner Keramikmembran zu erhalten.

Bei einem nach Anspruch 2 weitergebildeten Brennstoffzellensy­ stem ist ein Kompressor oder ein Gebläse vorgesehen, mit dem das sauerstoffhaltige Rohgas unter Druck der Sauerstoffabtrennein­ heit zugeführt werden kann. Der Kompressor oder das Gebläse kann wenigstens zum Teil von einem Elektromotor oder einer angekop­ pelten Expandereinheit angetrieben werden, mit der Energie aus dem Verbrennungsabgas einer katalytischen Brennereinheit genutzt wird, in welcher Brennstoffzellenanodenabgas mit Retentat aus der Sauerstoffabtrenneinheit katalytisch verbrannt wird. Diese Maßnahme fördert eine hohe Energieausnutzung des Gesamtsystems.

Bei einem nach Anspruch 3 weitergebildeten Brennstoffzellensy­ stem ist ein Rohgas-Wärmeübertrager vorgesehen, in welchem das aus der Sauerstoffabtrenneinheit austretende Restgas mit dem ihr zugeführten Rohgas in Wärmekontakt steht. Dadurch läßt sich ein Teil der im Retentat enthaltenen Wärmeenergie zur Vorheizung des sauerstoffhaltigen Rohgases nutzen.

Bei einem nach Anspruch 4 weitergebildeten Brennstoffzellensy­ stem ist ein Permeat-Wärmeübertrager vorgesehen, in welchem das von der Sauerstoffabtrenneinheit abgetrennte Permeatgas, d. h. das sauerstoffangereicherte Gas, abgekühlt wird, beispielsweise mittels Wärmekontakt mit der Umgebungsluft. Damit kann das sau­ erstoffangereicherte Gas vom höheren Temperaturniveau in der Sauerstoffabtrenneinheit auf das Temperaturniveau der Brenn­ stoffzellenkathodenseite heruntergekühlt werden.

Bei einem nach Anspruch 5 weitergebildeten Brennstoffzellensy­ stem ist im Permeatgasstrompfad zwischen der Sauerstoffabtrenn­ einheit und der Brennstoffzellenkathodenseite eine Permeat- Saugpumpe vorgesehen. Mit dieser kann zum einen ein Unterdruck auf der Permeatseite der Sauerstoffabtrenneinheit erzeugt und zum anderen das sauerstoffangereicherte Gas mit Überdruck in die Brennstoffzellenkathodenseite eingespeist werden.

Bei einem nach Anspruch 6 weitergebildeten Brennstoffzellensy­ stem ist ein Wasserabscheider vorgesehen, dem das Brennstoffzel­ lenkathodenabgas zwecks Wasserabscheidung zugeführt wird, wobei das solchermaßen von überschüssigem Wasser befreite Kathodenab­ gas zur Kathodeneintrittsseite rückgeführt wird. Dies realisiert einen geschlossenen Kathodenkreislauf, in welchem sich als Strö­ mungsmedien nur das im wesentlichen aus Sauerstoff bestehende Einsatzgas und Wasser befinden. Außerdem kann das gesamte, in der oder den Brennstoffzellen gebildete Wasser zurückgewonnen werden, so daß für das Gesamtsystem auch dann keine Wasserpro­ bleme auftreten, wenn eine externe Wasserversorgung fehlt und zur Umsetzung des Einsatzstoffs in der anodenseitig vorgeschal­ teten Reaktoranlage Wasser z. B. zur Durchführung einer Reformie­ rungsreaktion verwendet wird.

Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Hier­ bei zeigen:

Fig. 1 ein Blockdiagramm eines Brennstoffzellensystems mit an­ odenseitig vorgeschalteter Reaktoranlage zur Wasserstoff­ gewinnung und kathodenseitig vorgeschalteter Sauerstoff­ abtrenneinheit und

Fig. 2 eine Querschnittansicht durch eine im Brennstoffzellensy­ stem von Fig. 1 verwendete kombinierte Wärmeübertrager- Sauerstoffabtrenneinheit.

Das in Fig. 1 gezeigte Brennstoffzellensystem beinhaltet eine Brennstoffzelleneinheit 1 aus einer oder mehreren Brennstoffzel­ lenelementen, der anodenseitig eine Reaktoranlage zur Erzeugung eines wasserstoffhaltigen Brennstoffs durch Umsetzung eines Koh­ lenwasserstoff- oder Kohlenwasserstoffderivat-Einsatzstoffes, wie Benzin, Methanol oder dergleichen, vorgeschaltet ist. Die Reaktoranlage beinhaltet eine als Reformer ausgelegte Reaktor­ einheit 2, welcher der Einsatzstoff über eine erste Einlaßlei­ tung 3 zugeführt wird. Über eine zweite Einlaßleitung 4 wird der Reaktoreinheit 2 Wasser zugeführt, das vor oder in der Reformer­ einheit 2 verdampft wird. Unter der Wirkung eines geeigneten Ka­ talysatormaterials wird der Einsatzstoff in der Reaktoreinheit 2 mit dem Wasserdampf in einer endothermen Reformierungsreaktion zu einem wasserstoffreichen Produktgas umgesetzt. Optional kann der Reaktoreinheit 2 über eine dritte Einlaßleitung 5 Luft oder ein anderes sauerstoffhaltiges Gas zugeführt werden, um einen Teil des Einsatzstoffs durch partielle Oxidation exotherm umzu­ setzen. Je nach Bedarf kann somit die Reaktoreinheit 2 als rei­ ner Reformer oder als autothermer Reaktor ausgelegt sein, in welchem ein gewünschtes, erhöhtes Temperaturniveau durch Kombi­ nation der endothermen Wasserdampfreformierung und der exother­ men partiellen Oxidation selbsttätig aufrechterhalten wird. Die Betriebstemperatur in der Reaktoreinheit 2 liegt typischerweise bei einigen hundert Grad Celsius, z. B. bei ca. 600°C bis 900°C.

Das wasserstoffreiche Produktgas verläßt die Reaktoreinheit 2 über eine Auslaßleitung 6 und wird durch einen Produktstrompfad 7a einer kombinierten Wärmeübertrager-Sauerstoffabtrenneinheit 7 hindurchgeleitet, wo es auf ein zur effektiven CO-Entfernung mittels einer CO- bzw. Wassergas-Shiftreaktion geeignetes Tempe­ raturniveau in der Größenordnung von z. B. 400°C abgekühlt wird. Durch die CO-Entfernung wird vermieden, daß Kohlenmonoxid in schädlicher Konzentration mit dem Produktgas in die Anodenseite 1a der Brennstoffzelleneinheit 1 gelangt. Das abgekühlte Pro­ duktgas wird dementsprechend einer im gezeigten Beispiel minde­ stens zweistufigen Gasreinigung unterzogen, indem es zunächst über eine oder mehrere herkömmliche CO-Shiftstufen 8, z. B. eine Hochtemperatur- gefolgt von einer Niedertemperatur-Shiftstufe, und anschließend über eine weitere Gasreinigungsstufe 9, z. B. eine CO-Oxidationsstufe oder eine selektive CO-Abtrennstufe, ge­ führt wird, bevor es in die Brennstoffzellenanodenseite 1a ein­ gespeist wird.

Der Kathodenseite 1b der Brennstoffzelleneinheit 1 sind Mittel zur Speisung derselben mit einem sauerstoffangereicherten Gas vorgeschaltet, die als zentrales Element eine Sauerstoffabtrenn­ einheit 10 umfassen, die einen entsprechenden Teil der kombi­ nierten Wärmeübertrager-Sauerstoffabtrenneinheit 7 bildet. Der Sauerstoffabtrenneinheit 10 wird über eine Rohgaszufuhrleitung 11 ein sauerstoffhaltiges Rohgas, wie Luft, in einen Rohgas- bzw. Restgasraum 10a zugeführt, der über eine selektiv Sauer­ stoff abtrennende Membran 10b von einem Permeatabfuhrraum 10c getrennt ist. Die Sauerstoffabtrenneinheit 10 steht mit den er­ wähnten Komponenten 10a, 10b, 10c mit dem davon strömungstech­ nisch getrennten Produktstrompfad 7a des integrierten Wärmeüber­ tragers in Wärmekontakt, so daß das betreffende Bauteil 7 in in­ tegrierter Form eine Kombination von Produktgas-Wärmeübertrager und Sauerstoffabtrenneinheit 10 realisiert. Dies hat den er­ wünschten Effekt, daß die vom Produktgas abgegebene Wärme nicht verloren geht, sondern zur Aufrechterhaltung einer effektiven Sauerstoffabtrenntemperatur in der Sauerstoffabtrenneinheit 10 genutzt wird, was dem Gesamtwirkungsgrad des Systems zugute kommt. So kann beispielsweise bei Verwendung von hierfür bekann­ ten Keramiken aus Perovskitmaterialien oder keramischen Oxiden, wie ZrO, die Sauerstoffabtrenneinheit 10 auf einem Temperaturni­ veau von ca. 400°C oder mehr gehalten werden. In diesem Tempera­ turbereich sind diese Keramiken für Sauerstoffionen leitfähig und daher zur Bereitstellung von mit hoher Selektivität Sauer­ stoff aus Luft oder einem anderen sauerstoffhaltigen Rohgas ab­ trennenden Membranen verwendbar. Dabei Rekombinieren die von der keramischen Membran selektiv von der Rohgasseite zur Permeatsei­ te geleiteten Sauerstoffionen durch einen internen Kurzschluß auf der Permeatseite wieder zu Sauerstoff.

Wie aus Fig. 1 weiter ersichtlich, wird das sauerstoffhaltige Rohgas, hier die Luft, der Sauerstoffabtrenneinheit 10 mit Über­ druck zugeführt, indem es über eine Ansaugleitung 12 einem Kom­ pressor 13 zugeführt und von diesem verdichtet wird. Der vom Kompressor 13 verdichtete Rohgasstrom wird über eine Kompressor­ druckleitung 14 einem Rohgas-Wärmeübertrager 15 zugeführt, in welchem er vor Einspeisung in die Sauerstoffabtrenneinheit 10 mit dem Restgas, d. h. Retentat, in Wärmekontakt gebracht wird, welches die Sauerstoffabtrenneinheit 10 über eine zugehörige Re­ tentatgasleitung 16 verläßt. Durch den Rohgas-Wärmeübertrager 15 wird somit das verdichtete sauerstoffhaltige Rohgas vor Einspei­ sung in die Sauerstoffabtrenneinheit 10 durch Wärme vorgeheizt, die von dem in der Sauerstoffabtrenneinheit 10 erhitzten Reten­ tat abgegeben wird.

Das in dem Sauerstoff-Wärmeübertrager 15 abgekühlte Retentat wird dann gemeinsam mit dem aus der Brennstoffzellenanodenseite 1a austretenden Anodenabgas einem katalytischen Brenner 17 zuge­ führt, dessen energiereiches, heißes Verbrennungsgas einer me­ chanisch an den Kompressor 13 angekoppelten Expandereinheit 18 zugeführt wird, die somit im Verbrennungsgas des katalytischen Brenners 17 enthaltene Energie wenigstens teilweise zum Antrieb des Kompressors 13 nutzt. Soweit die hierdurch bereitgestellte Antriebsleistung für den Kompressor 13 nicht ausreicht, wird sie von einem mechanisch an den Kompressor 13 angekoppelten Motor 19 geliefert.

Zur Erzielung einer hohen Sauerstoffabtrenneffektivität ist es wünschenswert, ein hohes Partialdruckgefälle über die Sauer­ stoffabtrennmembran 10b hinweg aufrechtzuerhalten. Dadurch kann dann mit einer relativ geringen Membranfläche in der Sauerstoff­ abtrenneinheit 10 gearbeitet werden, die entsprechend kompakt gebaut sein kann. Dies ist zum einen durch die erwähnte Rohgas­ zuführung mit Überdruck möglich. Zusätzlich oder alternativ kann die Erzeugung eines Unterdrucks von z. B. zwischen etwa 0,1 bar und 0,5 bar im Permeatabfuhrraum 10c vorgesehen sein. Dazu ist in der aus dem Permeatabfuhrraum 10c abführenden Permeatgasleitung eine Permeat-Saugpumpe 20 vorgesehen, die das Permeat, d. h. den selektiv abgetrennten Sauerstoff, aus dem Permeatabfuhrraum 10c absaugt und auf etwa Atmosphärendruck bringt, so daß der Permea­ tabfuhrraum 10c auf dem gewünschten Unterdruck gehalten wird. Zur Abkühlung des Permeats wird dieses vor Erreichen der Saug­ pumpe 20 in einem Permeat-Wärmeübertrager 21 von Umgebungsluft auf ein zur Einspeisung in die Brennstoffzellenkathodenseite 1b gewünschtes Temperaturniveau abgekühlt. Wenn der im Permeatab­ zugsraum 10c erzeugte Unterdruck stark genug ist, z. B. einem Druck von nur noch ca. 0,1 bar entspricht, kann bei Bedarf auf eine Verdichtung des der Sauerstoffabtrenneinheit 10 zugeführten Rohgases verzichtet werden. Besonders auch in diesem Fall kann der Kompressor 13 durch ein Gebläse ersetzt werden. Die Expan­ dereinheit 18 und der zugeordnete katalytische Brenner 17 sowie der Kompressorantriebsmotor 19 können dann entfallen. In einer weiteren alternativen Realisierung wird der Kompressor oder das Gebläse unter Wegfall der Expandereinheit 18 und des katalyti­ schen Brenners 17 allein vom zugehörigen Antriebselektromotor 19 angetrieben. Eine insbesondere auch für diesen Fall passende al­ ternative Gestaltung des anodenseitigen Medienstroms für die Brennstoffzelle 1 besteht darin, das Anodenabgas zur Eintritts­ seite des Brennstoffzellen-Anodenteils 1a rückzuspeisen, wie in Fig. 1 durch eine gestrichelte Rückspeiseleitung 1c symbolisiert.

Zu dem von der Saugpumpe 20 geförderten, im wesentlichen aus Sauerstoff bestehenden Permeatstrom wird an einer Zuflußstelle 23 über eine Rückführleitung 24 rückgeführtes Kathodenabgas auf Atmosphärendruckniveau zugemischt, und dieses Gemisch wird von einem Gebläse 22 oder einer Pumpe in die Brennstoffzellenkatho­ denseite 1b eingespeist, in der ein Druckniveau zwischen etwa 1,2 bar und 1,5 bar herrscht. Das kathodenseitig austretende Ka­ thodenabgas besteht aus einem Gemisch von Wasser und unver­ brauchtem Sauerstoff und wird einem Wasserabscheider 25 zuge­ führt, bei dem es sich im Anwendungsfall eines Brennstoffzellen­ fahrzeugs z. B. um einen fahrzeugseitigen Kühler handeln kann. Im Wasserabscheider 25 wird das im Kathodenabgas enthaltene Wasser durch Kondensation abgetrennt und flüssig abgeführt. Es kann dann über die zugehörige Einlaßleitung 4 in die Reformierungsre­ aktoreinheit 2 eingespeist werden.

Das von überschüssigem Wasser befreite, aus dem Wasserabscheider 25 austretende Kathodenabgas kann in mittels eines Ventils 26 steuerbarer Menge nach außen abgeblasen werden und wird im übri­ gen über die Rückführleitung 24 zur Kathodeneintrittsseite rück­ geführt und dort, wie erwähnt, an der Zuflußstelle 23 mit dem sauerstoffangereicherten Permeatgas aus der Sauerstoffabtrenn­ einheit 10 vermischt. Dadurch ist ein geschlossener Kathoden­ kreislauf gebildet, der zum einen ermöglicht, daß nur soviel Sauerstoff zugeführt werden braucht, wie in der Brennstoffzel­ leneinheit 1 verbraucht wird, da der für einen optimalen Betrieb der Brennstoffzelle 1 im allgemeinen kathodenseitig notwendige Sauerstoffüberschuß durch die Kathodenabgasrückführung im Katho­ denkreislaufsystem verbleibt und nicht verloren geht. Zum ande­ ren kann ein ansonsten oftmals vorzusehender Befeuchter entfal­ len, da aus dem Wasserabscheider 25 bereits ein feuchtigkeitsge­ sättigtes Kathodenabgas austritt.

Da die Menge an im Kathodenkreislauf zirkulierendem Gasstrom größer ist als die Menge an frisch zugeführtem, sauerstoff­ angereichertem Gas aus der Sauerstoffabtrenneinheit 10, kann statt der Saugpumpe 20 mit der nachgeschalteten Zufuhrstelle 23 eine Strahlpumpe eingesetzt werden, mit der das frisch zuzufüh­ rende, sauerstoffangereicherte Gas in den Kathodenkreislauf ein­ gesaugt wird.

Fig. 2 zeigt eine Querschnittsansicht einer möglichen Realisie­ rung der kombinierten Wärmeübertrager-Sauerstoffabtrenneinheit 7 in einer Rohrkanal-Bauform. Wie aus Fig. 2 zu erkennen, beinhal­ tet diese kombinierte Wärmeübertrager-Sauerstoffabtrenneinheit 7 ein äußeres Sammelrohr 27, z. B. aus Edelstahl, an das sich radi­ al nach innen der hier ringförmige Permeatabfuhrraum 10c an­ schließt. Dieser umgibt einen ringförmigen Keramikhalbzeug- Körper 28, in den mehrere längsverlaufende Hohlkanäle mit äqui­ distantem Winkelabstand eingebracht sind, die in ihrer Gesamtheit die Rohgas- bzw. Retentatseite 10a der Sauerstoffabtrenn­ einheit bilden.

Die Hohlkanäle sind an ihrer Innenseite mit einer selektiv nur für Sauerstoff durchlässigen Beschichtung 29 versehen, welche mit dem Keramikringkörper 28 den aktiv sauerstoffabtrennenden Teil der Sauerstoffabtrenneinheit bildet, wozu der Keramikring­ körper 28 aus einem geeigneten Perovskitmaterial oder kerami­ schen Oxid besteht. Diese Materialien sind, wie erwähnt, in der Lage, im gewählten Prozeßtemperaturbereich von ca. 400°C oder darüber Sauerstoffionen zu leiten, so daß aus dem in die Hohl­ kanäle eingeleiteten, sauerstoffhaltigen Rohgas Sauerstoff mit hoher Selektivität in den Permeatabfuhrraum 10c abgetrennt und von dort entnommen werden kann.

Der Innenraum des Keramikringkörpers 28 wird von einer Wärme­ übertragungsstruktur 30 ausgefüllt, durch die das von der Reak­ toreinheit erzeugte Produktgas strömungstechnisch getrennt von den Gasströmen der radial umgebenden Sauerstoffabtrenneinheit hindurchgeleitet wird, wobei es über die Wärmeübertragungsstruk­ tur 30 mit dem Keramikringkörper 28 in Wärmekontakt steht. Im Einsatz der kombinierten Wärmeübertrager-Sauerstoffabtrennein­ heit 7 im System von Fig. 1 hält daher das mit einer Temperatur von typischerweise zwischen 600°C und 900°C aus der Reaktorein­ heit 2 austretende Produktgas die Sauerstoffabtrenneinheit auf der gewünschten Temperatur. Der Produktgasstrom kühlt sich da­ bei, wie erwünscht, auf ein zur effektiven Durchführung einer CO-Shiftreaktion geeignetes Temperaturniveau von z. B. etwa 400°C ab.

Ein etwaiger Membranfehler in der Sauerstoffabtrenneinheit 10 führt beim System von Fig. 1 nicht dazu, daß der gesamte Prozeß nicht mehr ablaufen kann, sondern wirkt sich allenfalls etwas selektivitätsmindernd auf die Sauerstoffabtrennung aus. Die An­ forderungen an die Qualität der zur Sauerstoffabtrennung ver­ wendbaren Keramikmembranen sind daher geringer als im Fall der SOFC-Brennstoffzelle. Das Restgas der Sauerstoffabtrenneinheit 10, das nur noch einen geringen Sauerstoffanteil von typischer­ weise unter 10% aufweist, läßt sich alternativ zur gezeigten Nutzung in einem katalytischen Brenner auch als ein Inertgas für andere anlageninterne Prozesse einsetzen.

Die obige Beschreibung eines exemplarischen Beispiels und von Varianten hiervon macht deutlich, daß sich das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem bei gegebener, geforderter Umsatzleistung durch die Ankopplung einer Sauerstoffabtrenneinheit in Wärmekon­ takt zu einem Produktgas-Wärmeübertrager mit vergleichsweise ge­ ringem Bauvolumen und geringem Gewicht realisieren läßt und da­ durch auch eine hohe Dynamik bei schwankendem Lastbedarf ermög­ licht, wie sie insbesondere für die Anwendung in Brennstoffzel­ lenfahrzeugen erwünscht ist. Durch weitreichende systeminterne Nutzung der entstehenden Wärmeenergie wird ein hoher Gesamtwir­ kungsgrad des Systems erreicht. Insbesondere wird die Prozeßgas­ wärme der Reaktoreinheit 2 direkt zur Aufrechterhaltung eines für eine effektive Sauerstoffabtrennung günstigen Temperaturni­ veaus in der Sauerstoffabtrenneinheit 10 genutzt. Als weitere Vorteile sind zu nennen, daß durch den hohen Sauerstoffgehalt des kathodenseitig zugeführten Einsatzgases die Brennstoffzel­ leneinheit 1 vergleichsweise kompakt ausgelegt sein kann, daß keine Befeuchtungseinheit für die Brennstoffzelleneinheit 1 er­ forderlich ist und daß der Kathodenkreislauf allein mit Sauer­ stoff und Wasser betreibbar ist, wobei das gesamte, in der Brennstoffzelleneinheit 1 entstehende Wasser zurückgewonnen wer­ den kann.

Es versteht sich, daß neben den oben erwähnten weitere Realisie­ rungen der Erfindung möglich sind. So kann gegebenenfalls der Rohgas-Wärmeübertrager entfallen. Alternativ zu der in Fig. 2 gezeigten Rohrkanal-Bauform kann die kombinierte Wärmeübertra­ ger-Sauerstoffabtrenneinheit in Plattenbauweise gefertigt sein, wie sie von herkömmlichen Plattenwärmeübertragern an sich be­ kannt ist. Wenn der Reaktoreinheit zur Umsetzung des Kohlenwas­ serstoff- bzw. Kohlenwasserstoffderivat-Einsatzstoffs ein sauer­ stoffhaltiges Gas, wie Luft, zugeführt wird, kann dies über einen Abzweig von der Kompressordruckleitung oder von der Rohgas­ zufuhrleitung der Sauerstoffabtrenneinheit erfolgen.

Claims (6)

1. Brennstoffzellensystem mit

• - wenigstens einer Brennstoffzelle (1),
• - einer der Brennstoffzellenanodenseite vorgeschalteten Reak­ toranlage zur Erzeugung eines wasserstoffhaltigen Produktgases durch Umsetzung eines Kohlenwasserstoff- oder Kohlenwasser­ stoffderivat-Einsatzstoffs, wobei die Reaktoranlage eine Reak­ toreinheit (2) und einen nachgeschalteten Produktstrom-Wärme­ übertrager mit einem Produktstrompfad (7a) zum abkühlenden Hindurchleiten des in der Reaktoreinheit erzeugten Produkt­ stroms aufweist, und
• - einer der Brennstoffzellenkathodenseite vorgeschalteten Sauer­ stoffabtrenneinheit (10), die aus einem zugeführten sauer­ stoffhaltigen Rohgas durch selektive Sauerstoffabtrennung ein sauerstoffangereichertes Gas erzeugt,

dadurch gekennzeichnet, daß

• - der Produktstrom-Wärmeübertrager und die Sauerstoffabtrennein­ heit (10) eine kombinierte Wärmeübertrager-Sauerstoffabtrenn­ einheit (7) bilden, in welcher die Sauerstoffabtrenneinheit (10) mit dem Produktstrompfad (7a) in Wärmekontakt steht.

2. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, weiter gekennzeichnet durch

• - einen Kompressor (13) oder ein Gebläse zum Verdichten des sauerstoffhaltigen Rohgases vor Einspeisung in die Sauerstoff­ abtrenneinheit (10) und
• - einem mechanisch an den Kompressor oder das Gebläse angekop­ pelten Elektromotor oder eine mechanisch an den Kompressor oder das Gebläse angekoppelte Expandereinheit (18), der das Abgas einer katalytischen Brennereinheit (17) zuführbar ist, die vom Retentatstrom der Sauerstoffabtrenneinheit (10) und dem Brennstoffzellenanodenabgas gespeist wird.

3. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1 oder 2, weiter gekennzeichnet durch einen Rohgas-Wärmeübertrager (15), in welchem der zur Sauer­ stoffabtrenneinheit (10) geführte sauerstoffhaltige Rohgasstrom mit dem aus ihr abgeführten Retentatstrom in Wärmekontakt steht.

4. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, weiter gekennzeichnet durch einen Permeat-Wärmeübertrager (21) zur Abkühlung des aus der Sauerstoffabtrenneinheit (10) austretenden, sauerstoffangerei­ cherten Gases.

5. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, weiter gekennzeichnet durch eine Permeat-Saugpumpe (20) zur Absaugung des sauerstoffangerei­ cherten Gases aus einem Permeatabzugsraum (10c) der Sauerstoff­ abtrenneinheit (10).

6. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, weiter gekennzeichnet durch

• - einen Wasserabscheider (25), dem das Brennstoffzellenkathoden­ abgas zugeführt wird, und
• - eine Kathodenabgasrückführleitung (24), über die das den Was­ serabscheider (25) verlassende Kathodenabgas zur Kathodenein­ trittsseite rückgeführt wird.