DE19958830B4

DE19958830B4 - Brennstoffzellensystem sowie dessen Verwendung

Info

Publication number: DE19958830B4
Application number: DE19958830A
Authority: DE
Inventors: Michael Dr.-Ing. Kah; Holger Dr. Klos; Walter Dr.rer.nat. Schütz
Original assignee: P21 - POWER FOR 21ST CENTURY GmbH; P21 Power for the 21st Century GmbH
Current assignee: P21 - Power For 21st Century 85649 Brunn GmbH
Priority date: 1999-11-30
Filing date: 1999-11-30
Publication date: 2005-09-22
Anticipated expiration: 2019-12-01
Also published as: WO2001041240A2; DE19958830A1; WO2001041240A3

Abstract

Brennstoffzellensystem, mit einer Brennstoffzelle (11), die einen Anodenraum (12) mit einer Zuleitung (13) und einer Ableitung (14) für einen Brennstoff, und einen Kathodenraum (16) mit einer Zuleitung (17) und einer Ableitung (18) für ein Oxidationsmittel aufweist, ferner mit einer Vorrichtung (20) zum Erzeugen/Aufbereiten eines wasserstoffreichen Gases als Brennstoff für die Brennstoffzelle aus einem Kraftstoff, die eine Anzahl von Reaktorelementen aufweist und die ausgangsseitig (22) mit der Brennstoffzuleitung (13) und eingangsseitig (21) über eine Kraftstoffzuleitung (31) mit einem Kraftstofftank (30) verbunden ist, wobei zur Einstellung eines bestimmten Druckniveaus und/oder Temperaturniveaus des Brennstoffs für die Brennstoffzelle (11) in der Kraftstoffzuleitung (31) wenigstens eine druckerhöhende Fördereinrichtung (32; 35) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass in der Brennstoffzuleitung (13) und/oder in der Brennstoffableitung (14) wenigstens ein Druckregler (40; 41) sowie zwischen zwei oder mehreren der Reaktorelemente (23, 24, 25, 26) jeweils ein oder mehrere weitere Druckregler (44, 45, 46) angeordnet sind.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem gemäß dem Gattungsbegriff des Patentanspruchs 1.
Brennstoffzellen sind bereits seit langem bekannt und haben insbesondere im Bereich der Automobilindustrie in den letzten Jahren erheblich an Bedeutung gewonnen.
In einer Brennstoffzelle wird durch eine chemische Reaktion Strom erzeugt. Dabei wird ein Brennstoff und ein Oxidationsmittel in elektrische Energie und Wasser als Reaktionsprodukte umgewandelt. Eine Brennstoffzelle besteht im wesentlichen aus einem Anodenraum, einer Membran und einem Kathodenraum. Die Membran besteht aus einem gasdichten und protonenleitenden Material und ist zwischen dem Anodenraum und dem Kathodenraum angeordnet, um Ionen auszutauschen. Auf der Seite der Anode wird der Brennstoff zugeführt, während auf der Seite der Kathode das Oxidationsmittel zugeführt wird. An der Anode werden durch katalytische Reaktionen Protonen beziehungsweise Wasserstoffionen erzeugt, die sich durch die Membran zur Kathode bewegen. An der Kathode reagieren die Wasserstoffionen mit dem Sauerstoff, und es bildet sich Wasser. Die bei der Reaktion abgegebenen Elektronen lassen sich als elektrischer Strom durch einen Verbraucher leiten, beispielsweise den Elektromotor eines Automobils.
Als gasförmige Reaktionspartner für die Brennstoffzelle werden beispielsweise Wasserstoff oder ein wasserstoffreiches Gas als Brennstoff und reiner Sauerstoff oder Luft als Oxidationsmittel verwendet. Will man die Brennstoffzelle mit einem leicht verfügbaren oder zu speichernden Brennstoff wie Erdgas, Methanol oder dergleichen betreiben, muss man diese Kohlenwasserstoffe in einer entsprechenden Vorrichtung zum Erzeugen/Aufbereiten des Brennstoffs zunächst in ein wasserstoffreiches Gas umwandeln.

Diesbezüglich sind bereits verschiedene Lösungen bekannt geworden. Aus der WO99/30380A1 ist bereits ein Brennstoffzellensystem mit vorgeschalteten Einrichtungen zum Erzeugen eines wasserstoffreichen Gases bekannt. Ausgangspunkt hierbei ist ein Brennstofftank, in dem beispielsweise ein Gemisch aus Methanol und Wasser enthalten ist. Dieser flüssige Brennstoff wird über eine Fördereinrichtung in eine Brennstofferzeugungseinrichtung eingespeist und dort in ein wasserstoffreiches Gas umgewandelt. Die DE 198 22 689 A1 offenbart ein Brennstoffzellensystem für ein Kraftfahrzeug, bei dem eine Vorrichtung zum Erzeugen eines wasserstoffreichen Gases mittels einer Reformereinheit mit nachgeschalteter Oxidationsstufe für die Entfernung von Kohlenmonoxid vorgesehen ist. Aus der DE 195 40 842 A1 ist ein Brennstoffzellensystem bekannt, bei dem unmittelbar vor dem Anodenraum der Brennstoffzelle ein Druckregler in der Brennstoffzuleitung angeordnet ist.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Brennstoffzellensystem bereitzustellen, bei dem der Brennstoff auf einfache Weise hergestellt sowie in die Brennstoffzelle eingespeist und in dieser verwertet werden kann. Dabei sollen die einzelnen Komponenten des Brennstoffzellensystems möglichst platzsparend ausgebildet werden können. Weiterhin soll auch ein möglichst vorteilhafter Wärmeübergang zwischen den einzelnen Komponenten des Brennstoffzellensystems realisiert werden.

Diese Aufgabe wird durch ein Brennstoffzellensystem gelöst, mit einer Brennstoffzelle, die einen Anodenraum mit einer Zuleitung und einer Ableitung für einen Brennstoff und einen Kathodenraum mit einer Zuleitung und einer Ableitung für ein Oxidationsmittel aufweist. Ferner ist eine Vorrichtung zum Erzeugen/Aufbereiten eines wasserstoffreichen Gases als Brennstoff für die Brennstoffzelle aus einem Kraftstoff vorgesehen. Die Vorrichtung weist eine Anzahl von Reaktorelementen auf und ist ausgangsseitig mit der Brennstoffzuleitung und eingangsseitig über eine Kraftstoffzuleitung mit einem Kraftstofftank verbunden, wobei zur Einstellung eines bestimmten Druckniveaus und/oder Temperaturniveaus des Brennstoffs für die Brennstoffzelle in der Kraftstoffzuleitung wenigstens eine druckerhöhende Fördereinrichtung vorgesehen ist. Dieses Brennstoffzellensystem ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, dass in der Brennstoffzuleitung und/oder der Brennstoffableitung wenigstens ein Druckregler sowie zwischen zwei oder mehreren der Reaktorelemente jeweils ein oder mehrere weitere Druckregler angeordnet sind.

Durch das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem wird es auf einfache und kostengünstige Weise möglich, den Brennstoff für die Brennstoffzelle zu erzeugen beziehungsweise aufzubereiten und der Brennstoffzelle zur Verfügung zu stellen. Weiterhin ist es möglich, die einzelnen Komponenten des Brennstoffzellensystems besonders klein auszubilden, wobei dennoch ein guter Wärmeübergang zwischen den einzelnen Komponenten realisiert werden kann. Die Schaffung eines Brennstoffzellensystems mit nur geringem Platzbedarf ist insbesondere in der Fahrzeugtechnik von Vorteil, wo bekanntermassen nur ein geringes Raumangebot zur Verfügung steht.

Die vorliegende Erfindung geht von dem Grundgedanken aus, dass Flüssigkeiten nahezu inkompressibel sind und daher mit sehr geringem Aufwand auf einen hohen Druck zu bringen sind. Bei den Flüssigkeiten für das Brennstoffzellensystem handelt es sich beispielsweise um den im Kraftstofftank gespeicherten Kraftstoff (z. B. Methanol), der das Ausgangsmaterial für den Brennstoff der Brennstoffzelle bildet. Ein weiterer Grundgedanke der Erfindung liegt darin, den Druck des als Ausgangsmaterial für den Brennstoff dienenden Kraftstoffs von Anfang an auf ein für die verschiedenen Stufen der Brennstoffaufbereitung ausreichend hohes Niveau zu bringen, so dass keine zwischengeschaltete Druckerhöhungsstufen mehr erforderlich sind. Durch die Erhöhung des Drucks können die einzelnen Komponenten des Brennstoffzellensystems und damit das Brennstoffzellensystem insgesamt wesentlich kleiner ausgebildet werden. Der Grund hierfür liegt unter anderem darin, dass in den einzelnen Komponenten des Brennstoffzellensystems, beispielsweise einem Reformer, einem Shift-Reaktor, einer selektiven Oxidation oder dergleichen chemische Reaktionen ablaufen, bei denen eine Druckerhöhung zu einer Gleichgewichtsverschiebung des chemischen Gleichgewichts hin zu kleineren Molvolumina führt. Weiterhin kann durch die Erhöhung beziehungsweise Einstellung des Drucks der Wärmeübergang zwischen dem jeweiligen Reaktionsraum und externen Wärmeübertragungsmedien wesentlich verbessert werden.

Darüber hinaus kann durch die geregelte Einstellung des Drucks eines gas- oder dampfförmigen Materials auch dessen Temperaturniveau eingestellt werden. Beispielsweise kann durch Entspannung eines zuvor auf erhöhten Druck gebrachten Materials eine geregelte Abkühlung dieses Materials realisiert werden. Dies kann, wie im weiteren Verlauf der Beschreibung noch näher erläutert wird, im Brennstoffzellenprozess von besonderem Vorteil sein. Weiterhin lässt sich beispielsweise durch Erhöhung des Drucks die Verdampfung einer Flüssigkeit kontrollieren beziehungsweise verzögern. Unter erhöhtem Druck wird eine Flüssigkeit erst bei höherer Temperatur verdampfen, als dies bei Umgebungsdruck der Fall wäre. Diesen Effekt einer Temperaturerhöhung bei erhöhtem Druck über die normale Siedetemperatur hinaus nennt man "Überhitzung von Flüssigkeiten". Wenn eine solche unter höherem Druck stehende überhitzte Flüssigkeit entspannt wird, setzt schlagartig die Verdampfung ein. Dies kann im Brennstoffzellenprozess vorteilhaft sein.

Um die beiden vorstehend beschriebenen exemplarischen Effekte, die nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen sind, im Brennstoffzellensystem realisieren zu können, ist in diesem zunächst wenigstens eine druckerhöhende Fördereinrichtung vorgesehen, die in der Kraftstoffzuleitung angeordnet ist. Über diese Fördereinrichtung wird der Kraftstoff aus dem Kraftstofftank herausgepumpt und in die Vorrichtung zum Erzeugen/Aufbereiten des Brennstoffs unter vergleichsweise hohem Druck hineingepumpt. Mit diesem zu Anfang der Prozesskette eingestellten Druckniveau wird der Kraftstoff also zur Vorrichtung zum Erzeugen/Aufbereiten des Brennstoffs geleitet und in dieser bei in den einzelnen Prozessstufen abnehmendem Druck aufbereitet.

Vorteilhaft ist die Fördereinrichtung regelbar ausgestaltet, so dass je nach unterschiedlichen Betriebszuständen des Brennstoffzellensystems, unterschiedlichen Umgebungstemperaturen oder dergleichen, ein individuelles Druckniveau und/oder Temperaturniveau für den Kraftstoff eingestellt werden kann.

In Förderrichtung hinter der Vorrichtung zum Erzeugen/Aufbereiten des Brennstoffs ist wenigstens ein Druckregler vorgesehen, der den Druck in den einzelnen Komponenten des Systems auf dem jeweils gewünschten Niveau hält. Dieser Druckregler kann beispielsweise in der Brennstoffzuleitung und damit zwischen der Vorrichtung zum Erzeugen/Aufbereiten des Brennstoffs und der Brennstoffzelle angeordnet sein. Es ist auch möglich, den Druckregler in der Brennstoffableitung und damit der Brennstoffzelle nachgeschaltet vorzusehen. Weiterhin ist es auch möglich, sowohl in der Brennstoffzuleitung als auch in der Brennstoffableitung jeweils einen Druckregler vorzusehen.

Der oder die Druckregler haben die Funktion, ein individuelles Druckniveau beziehungsweise Temperaturniveau für den Brennstoff in der/den jeweiligen Prozessstufe/n einzustellen.

Die Vorrichtung zum Erzeugen/Aufbereiten eines wasserstoffreichen Gases weist eine Anzahl von Reaktorelementen auf. Zwischen zwei oder mehreren der Reaktorelemente ist/sind jeweils ein oder mehrere weitere Druckregler, insbesondere einstellbare Druckregler, vorgesehen. Ähnlich wie die weiter oben beschriebenen Druckregler können diese Druckregler dazu verwendet werden, zwischen den einzelnen Reaktorelementen individuelle Druckniveaus und/oder Temperaturniveaus einzustellen. Dabei ist die Erfindung nicht auf eine bestimmte Anzahl oder Anordnungsvariante der Druckregler beschränkt. Im einfachsten Fall kann nur ein einziger Druckregler vorgesehen sein, der zwischen zwei benachbarten Reaktorelementen angeordnet ist. Maximal kann zwischen jedem der Reaktorelemente ein solcher Druckregler vorgesehen sein. Darüber hinaus ist es auch möglich, vor dem ersten Reaktorelement und/oder nach dem letzten Reaktorelement noch einen Druckregler vorzusehen. Durch die den einzelnen Reaktorelementen jeweils vor- beziehungsweise nachgeschalteten Druckregler kann das jeweils für die Reaktorelemente optimale Druckniveau und/oder Temperaturniveau des Kraftstoffs beziehungsweise des Brennstoffs eingestellt werden.

Vorteilhaft sind die Druckregler zumindest teilweise als einstellbare Druckregler ausgebildet, so dass für unterschiedliche Betriebszustände für das Brennstoffzellensystem, unterschiedliche Umgebungstemperaturen oder dergleichen jeweils individuelle Druckniveaus, beziehungsweise Temperaturniveaus, eingestellt werden können.

Der Druckregler ist stets auf einen Wert eingestellt, der niedriger liegt als der durch die Fördereinrichtung erzeugte Druck. Der Kraftstoff durchläuft nach Verlassen der Fördereinrichtung verschiedene Komponenten (Prozessstufen) des Brennstoffzellensystems. In diesen Komponenten findet zwangsläufig ein gewisser Druckabfall statt, so dass der Druck des Kraftstoffs beziehungsweise des aus diesem gebildeten Brennstoffs auf seinem Weg zur Brennstoffzelle abnimmt. Weiterhin kann sich die Temperatur des Brennstoffs während seiner Aufbereitungsphase beziehungsweise Erzeugungsphase stark erhöhen. Durch den der Vorrichtung zum Erzeugen/Aufbereiten des Brennstoffs nachgeschalteten Druckregler wird der Brennstoff entspannt, wodurch sich dieser abkühlt. Durch Verwendung des Druckreglers, kann somit auch erreicht werden, dass der Brennstoff mit einer definierten Temperatur in die Brennstoffzelle eingeleitet beziehungsweise aus dieser abgeleitet wird. Weiterhin wird sichergestellt, dass der Brennstoff immer mit einem definierten Druck in die Brennstoffzelle eingeleitet und durch diese hindurchgeleitet wird, wodurch eine mögliche Beschädigung der Brennstoffzelle, insbesondere von deren Membran, verhindert wird.

Vorzugsweise wird als Brennstoff für die Brennstoffzelle Wasserstoff verwendet. Als Kraftstoff beziehungsweise Ausgangsmaterial für den Wasserstoff kann in diesem Fall beispielsweise Methanol, Methan, Benzin, Erdgas, Biogas, Kohlegas oder dergleichen verwendet werden. Als Oxidationsmittel wird vorzugsweise Sauerstoff verwendet, der der Umgebungsluft entnommen werden kann.

Vorteilhafte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Vorzugsweise kann das Druckniveau des Brennstoffs auf einen Wert größer als der Umgebungsdruck eingestellt sein. In besonderer Ausgestaltung kann ein Druckniveau des Brennstoffs von größer oder gleich 1 bar, insbesondere zwischen 3 und 10 bar, eingestellt sein. Natürlich sind auch noch höhere Drücke denkbar. Der über die Fördereinrichtung auf erhöhten Druck gebrachten Kraftstoff kann während seiner Umwandlung in den Brennstoff die verschiedenen Komponenten des Brennstoffzellensystems durchströmen und gleichzeitig mit einem geeigneten, vorzugsweise erhöhten, Druck in die Brennstoffzelle eingeleitet werden. Grundsätzlich ist die Erfindung nicht auf die Einstellung bestimmter Druckniveaus beschränkt. Wichtig ist lediglich, dass der Druck über die Fördereinrichtung derart hoch eingestellt wird, dass die an beziehungsweise in den einzelnen Komponenten auftretenden Druckverluste berücksichtigt werden.

In vorteilhafter Ausgestaltung kann die Fördereinrichtung als Doppelpumpe ausgebildet sein, die mit der Kraftstoffzuleitung und zusätzlich mit einer Wasserzuleitung verbunden ist. Eine solche Doppelpumpe hat den Effekt, dass der aus dem Kraftstofftank herausgepumpte Kraftstoff, der als Ausgangsmaterial für den Brennstoff dient, vor Eintritt in die Vorrichtung zum Erzeugen/Aufbereiten des Brennstoffs oder in die Brennstoffzelle mit dem Wasser zunächst zu einem Brennstoff/Wassergemisch vermischt wird.

Das der Doppelpumpe über die Wasserzuleitung zugeleitete Wasser kann beispielsweise aus einer externen Wasserquelle zugeleitet werden. Vorteilhaft wird als Wasser für die Doppelpumpe jedoch solches Wasser verwendet, das während des Brennstoffzellenprozesses aus der Brennstoffzelle ausgetragen, beziehungsweise aus deren Abgasströmen zurückgewonnen wird.

In anderer Ausgestaltung kann die Fördereinrichtung beispielsweise als Verdichter oder Kraftstoffpumpe ausgebildet sein. Solche Fördereinrichtungen werden beispielsweise dann verwendet, wenn dem Kraftstoff kein Wasser zugemischt werden muss.

Es ist auch denkbar, in der Kraftstoffzuleitung mehr als eine Fördereinrichtung zu verwenden. So ist es beispielsweise denkbar, eine Doppelpumpe und zusätzlich eine Kraftstoffpumpe zu verwenden. Über die Kraftstoffpumpe wird der Kraftstoff dann aus dem Kraftstofftank herausgepumpt und möglicherweise bereits auf einen erhöhten Druck gebracht, bevor er in die Doppelpumpe eingespeist, in dieser mit Wasser vermischt und auf das gewünschte Druckniveau gebracht wird.

Vorteilhaft kann zwischen der Fördereinrichtung und der Eingangsseite der Vorrichtung zum Erzeugen/Aufbereiten des Brennstoffs ein Druckregler, insbesondere ein einstellbarer Druckregler, in der Kraftstoffzuleitung angeordnet sein. Dieser Druckregler hat den gleichen Effekt wie der beziehungsweise die weiter oben beschriebenen Druckregler. Er dient dazu, für den Kraftstoff vor dem Eintritt in die Vorrichtung zum Erzeugen/Aufbereiten des Brennstoffs ein individuelles Druckniveau und/oder Temperaturniveau einzustellen.

In weiterer Ausgestaltung kann zwischen der Fördereinrichtung und der Eingangsseite der Vorrichtung zum Erzeugen/Aufbereiten des Brennstoffs ein Zwischentank in der Kraftstoffzuleitung angeordnet sein. Dabei ist vorgesehen, dass insbesondere in Strömungsrichtung vor und/oder nach dem Zwischentank wenigstens ein Druckregler, insbesondere ein regelbarer Druckregler, in der Kraftstoffzuleitung angeordnet ist. Ähnlich wie weiter oben beschrieben wurde, kann über den beziehungsweise die Druckregler ein individuelles Druckniveau und/oder Temperaturniveau des Kraftstoffs eingestellt werden.

In einer anderen Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass die Kraftstoffzuleitung vom Kraftstofftank bis hin zum Zwischentank nahezu drucklos betrieben wird. Zwischen dem Zwischentank und der Vorrichtung zum Erzeugen/Aufbereiten des Brennstoffs kann dann eine Fördereinrichtung, beispielsweise eine Flüssigkeitsdruckpumpe oder dergleichen, vorgesehen sein, die den erforderlichen Druck für die Vorrichtung zum Erzeugen/Aufbereiten des Brennstoffs erzeugt. In diesem Fall könnte auf einen zusätzlichen Druckregeler direkt vor der Vorrichtung verzichtet werden.

In dem Zwischentank wird das beispielsweise in der als Doppelpumpe ausgebildeten Fördereinrichtung erzeugte Gemisch aus Kraftstoff und Wasser zwischengespeichert, bevor es in die Vorrichtung zum Erzeugen/Aufbereiten des Brennstoffs oder in die Brennstoffzelle eingespeist wird.

Der Zwischentank hat die Aufgabe, dass zum Betrieb der Vorrichtung zum Erzeugen/Aufbereiten des Brennstoffs oder zum Betrieb der Brennstoffzelle immer eine genügend große Menge an Kraftstoff/Wasser-Gemisch zur Verfügung steht.

Das Vorhandensein einer genügend großen Menge an Kraftstoff/Wasser-Gemisch ist insbesondere in der Startphase, beziehungsweise Hochfahrphase, des Brennstoffzellensystems von Bedeutung.

Vorteilhaft ist der Zwischentank in Strömungsrichtung hinter der Fördereinrichtung vorgesehen. Auf diese Weise wird gewährleistet, dass immer genügend Kraftstoff/Wasser-Gemisch zur Verfügung steht, was insbesondere für eine kurze Startphase für das Brennstoffzellensystem von Vorteil ist.

Vorteilhaft kann die Vorrichtung zum Erzeugen/Aufbereiten des Brennstoffs eine Anzahl von Reaktorelementen aufweisen, insbesondere einen Verdampfer, einen Reformer, einen Shift-Reaktor und eine selektive Oxidation. Die einzelnen Reaktorelemente können über entsprechende Leitungen miteinander verbunden sein, so dass der Brennstoff während seiner Erzeugung, beziehungsweise Aufbereitung, die einzelnen Reaktorelemente durchströmt.

In einigen Reaktorelementen finden dabei exotherme Reaktionen statt, das heißt es wird Wärme frei. In anderen Reaktorelementen wird hingegen Wärme benötigt.

Eines dieser Reaktorelemente ist beispielsweise ein Verdampfer. Ein solcher Verdampfer ist etwa erforderlich, wenn Wasserstoff aus Methanol, Erdgas oder dergleichen reformiert werden soll. Dem Verdampfer muss zum Betrieb Wärme zugeführt werden.

Bei einem anderen Reaktorelement handelt es sich um einen Reformer, der dem Verdampfer nachgeschaltet ist, und in dem das Brennstoff/Wasser-Gemisch zu Wasserstoff reformiert wird.

Ein weiteres Reaktorelement kann beispielsweise als selektive Oxidation ausgebildet sein. Dieses Reaktorelement ist zweckmäßig, wenn der Wasserstoff durch das Verfahren der partiellen Oxidation erzeugt und anschließend gereinigt wird. Hierbei wird das Gas z. B. durch eine homogene Wassergasreaktion zunächst in einem Shift- Reaktor vorgereinigt und in der nachfolgenden Stufe – der selektiven Oxidation – feingereinigt.

Zur Verdeutlichung wird nachfolgend ein konkretes Beispiel für einen Druckregler beschrieben, ohne dass die Erfindung auf dieses Beispiel beschränkt wäre. Hierbei handelt es sich um einen dem Verdampfer vorgeschalteten Druckregler. Wenn beispielsweise von dem weiter oben beschriebenen Effekt der "überhitzten Flüssigkeit" Gebrauch gemacht wird, kann der Kraftstoff bei erhöhtem Druck beispielsweise dem Verdampfer mit einer Temperatur zugeführt werden, bei der dieser unter Umgebungsdruck schon verdampfen würde. Auf Grund des erhöhten Drucks verbleibt der Kraftstoff jedoch in der flüssigen Phase. Wird nun der Kraftstoff über den Druckregler in den nachfolgenden Reaktor geleitet, so wird er entspannt und verdampft. Dadurch geht der Kraftstoff schlagartig (idealerweise vollständig) von der flüssigen in die gasförmige Phase über. Zumindest ein Teil des Kraftstoffs könnte somit beim Eintritt in den Verdampfer in gasförmigem Zustand vorliegen, so dass der Verdampfer wesentlich leistungsschwächer und damit auch räumlich kleiner und kostengünstiger dimensioniert werden kann. In diesem Fall fungiert der Verdampfer im wesentlichen als Wärmetauscher zur Temperaturerhöhung.

Die Erfindung ist nicht auf bestimmte Ausführungsformen der Druckregler beschränkt. Somit sind grundsätzlich alle Druckreglertypen möglich, mit denen die Druckregelung einer Flüssigkeit oder eines Gases realisiert werden kann. Beispielsweise können solche Druckregler als federbelastete Druckregler ausgebildet sein, die bereits bekannt sind und in der Praxis einen weiten Anwendungsbereich haben. Auch ist es denkbar, den oder die Druckregler als Ventil, beispielsweise als Entspannungsventil oder dergleichen, auszubilden.

Vorteilhaft können die Druckregler, insbesondere wenn sie als einstellbare Druckregler ausgebildet sind, über eine gemeinsame Steuereinrichtung angesteuert werden. Zusätzlich können ein oder mehrere Drucksensoren zur Erfassung des Drucks vorgesehen sein. Diese Drucksensoren können je nach Bedarf und Anwendungsfall an verschiedenen Orten des Brennstoffzellensystems vorgesehen sein. Über die Steuereinrichtung können die Druckregler derart betätigt werden, dass an den jeweiligen Orten, an denen sich diese befinden, ein zweckmäßiges individuelles Druckniveau und/oder Temperaturniveau eingestellt werden kann. Die Überwachung des Druckniveaus erfolgt dabei über den oder die Drucksensoren. Die Überwachung der Temperaturniveaus kann beispielsweise über geeignete Temperatursensoren erfolgen.

Vorzugsweise kann ein wie vorstehend beschriebenes erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem in einem oder für ein Fahrzeug verwendet werden. Auf Grund der rasanten Entwicklung der Brennstoffzellentechnologie im Fahrzeugsektor bietet eine solche Verwendung derzeit besonders gute Einsatzmöglichkeiten. Dennoch sind auch andere Einsatzmöglichkeiten gegeben. Zu nennen sind hier unter anderem Brennstoffzellen für mobile Geräte wie Computer oder dergleichen bis hin zu stationäre Einrichtungen wie Kraftwerksanlagen. Hier eignet sich die Brennstoffzellentechnik besonders für die dezentrale Energieversorgung von Häusern, Industrieanlagen oder dergleichen.

In bevorzugter Weise wird die vorliegende Erfindung in Verbindung mit Brennstoffzellen mit Polymermembranen (PEM) verwendet. Diese Brennstoffzellen haben einen hohen elektrischen Wirkungsgrad, verursachen nur minimale Emissionen, weisen ein optimales Teillastverhalten auf und sind im wesentlichen frei von mechanischem Verschleiß.

Die Erfindung wird nun auf exemplarische Weise an Hand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert. Es zeigt die einzige Figur in schematischer Darstellung ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem.
In der Figur ist ein Brennstoffzellensystem 10 dargestellt, das zum Betreiben eines elektrischen Antriebs in einem Fahrzeug verwendet wird.
Das Brennstoffzellensystem 10 weist eine Brennstoffzelle 11 auf, mit einem Anodenraum 12, einem Kathodenraum 16 und einer dazwischen liegenden Membran 15. Der Anodenraum 12 ist mit einer Zuleitung 13 und einer Ableitung 14 für einen Brennstoff, im vorliegenden Fall Wasserstoff, verbunden. Der Kathodenraum 16 ist mit einer Zuleitung 17 und einer Ableitung 18 für ein Oxidationsmittel, im vorliegenden Fall Sauerstoff oder Luft, verbunden.
Weiterhin ist eine Vorrichtung 20 zum Erzeugen/Aufbereiten des Brennstoffs vorgesehen, die über eine Anzahl von Reaktorelementen verfügt. Im vorliegenden Fall sind diese Reaktorelemente als Verdampfer 23, Reformer 24, Shift-Reaktor 25 und selektive Oxidation 26 ausgebildet. An ihrer Ausgangsseite 22 ist die Vorrichtung 20 mit der Brennstoffzuleitung 13 verbunden. An ihrer Eingangsseite 21 ist die Vorrichtung 20 über eine Kraftstoffzuleitung 31 mit einem Kraftstofftank 30 verbunden. Im Kraftstofftank 30 befindet sich das Ausgangsmaterial für den Brennstoff, beispielsweise Methanol, Benzin oder dergleichen, aus dem in der Vorrichtung 20 der Brennstoff, das heißt Wasserstoff, hergestellt wird.
In der Kraftstoffzuleitung 31 ist eine als Doppelpumpe 32 ausgebildete Fördereinrichtung vorgesehen, die weiterhin mit einer Wasserzuleitung 33 verbunden ist. Zwischen dem Kraftstofftank 30 und der Doppelpumpe 32 sind eine Kraftstoffpumpe 35 sowie ein Kraftstoffilter 36 in die Kraftstoffzuleitung 31 eingeschaltet. In Strömungsrichtung S hinter der Doppelpumpe 32 und vor der Vorrichtung 20 zum Erzeugen/Aufbereiten des Brennstoffs ist in der Kraftstoffzuleitung 31 ein Zwischentank 34 für ein Kraftstoff/Wasser-Gemisch vorgesehen.
Um an verschiedenen Stellen des Brennstoffzellensystems 10 individuelle Druckniveaus und/oder Temperaturniveaus einstellen zu können, sind eine Reihe von Druckreglern, insbesondere von einstellbaren Druckreglern, vorgesehen. Im Nahbereich der Brennstoffzelle 11 befinden sich in der Brennstoffzuleitung 13 sowie der Brennstoffableitung 14 jeweils ein Druckregler 40, 41. In der Kraftstoffzuleitung 31 sind zwei Druckregler 42, 43 vorgesehen, die in Strömungsrichtung S jeweils vor und nach dem Zwischentank 34 angeordnet sind. In der Vorrichtung 20 zum Erzeugen/Aufbereiten des Brennstoffs sind insgesamt drei Druckregler 44, 45, 46 vorgesehen, die sich jeweils zwischen den Reaktorelementen 23, 24, 25, 26 befinden. Je nach Bedarf und Anwendungsfall kann auch in der Oxidationsmittelzuleitung 17 und/oder der Oxidationsmittelableitung 18 wenigstens ein Druckregler (nicht dargestellt) vorgesehen sein.
Nachfolgend wird nun die Funktionsweise des Brennstoffzellensystems 10 beschrieben.
Um die Brennstoffzelle 11 betreiben zu können, wird in diese als Brennstoff Wasserstoff und als Oxidationsmittel Sauerstoff oder Luft eingespeist. Dies erfolgt über die Brennstoffzuleitung 13 sowie die Oxidationsmittelzuleitung 17. Da Wasserstoff in der Regel nicht in Reinform vorliegt, wird dieser in der Vorrichtung 20 zunächst erzeugt und aufbereitet. Dazu wird der als Ausgangsmaterial für den Brennstoff dienende Kraftstoff, beispielsweise Methanol oder Benzin, aus dem Kraftstofftank 30 heraus und über die Kraftstoffzuleitung 31 in die Vorrichtung 20 gepumpt. Der Kraftstoff wird mittels der Kraftstoffpumpe 35 über den Kraftstoffilter 36 in die Doppelpumpe 32 gefördert und dort zu einem Brennstoff/Wasser-Gemisch vermischt. Das dafür benötigte Wasser wird der Doppelpumpe 32 über die Wasserzuleitung 33 zugeführt. Das so erzeugte Brennstoff/Wasser-Gemisch wird im Zwischentank 34 zwischengespeichert und von dort in die Vorrichtung 20 eingeleitet, wo aus dem Brennstoff/Wasser-Gemisch ein wasserstoffreiches Gas zum Betreiben der Brennstoffzelle 11 erzeugt wird.
Um die einzelnen Komponenten des Brennstoffzellensystems 10 möglichst klein halten und dennoch einen guten Wärmeübergang zwischen den einzelnen Komponenten realisieren zu können, ist es vorteilhaft, dass der Kraftstoff beziehungsweise der Brennstoff mit einem erhöhten Druck durch die entsprechenden Komponenten hindurchgeleitet wird. Als erhöhter Druck wird in diesem Fall ein Druckniveau verstanden, das deutlich oberhalb des Umgebungsdruckniveaus liegt, vorzugsweise in einem Bereich zwischen 3 und 10 bar. Dieses Druckniveau des Kraftstoffs wird im wesentlichen über die Doppelpumpe 32 und/oder die Kraftstoffpumpe 35 eingestellt. Die Feineinstellung des Druckniveaus vor Eintritt in die Vorrichtung 20 erfolgt über die einstellbaren Druckregler 42, 43. Vorteilhaft ist der Druckregler 43 als Entspannungsventil ausgebildet.
In einer anderen Ausführungsform ist es möglich, den Kraftstoff nahezu drucklos bis in die unmittelbare Nähe der Vorrichtung 20 zu leiten. In diesem Fall können einzelne oder mehrere Druckregler 42, 43 und auch die Pumpen 35, 32 in der Kraftstoffzuleitung 31 entfallen. Stattdessen kann eine als Flüssigkeitsdruckpumpe ausgebildete Fördereinrichtung (nicht dargestellt) vorgesehen sein, die zwischen dem Zwischentank 34 und der Vorrichtung 20 angeordnet ist. Über diese Pumpe wird dann der für die Vorrichtung 20 erforderliche Druck im Kraftstoff eingestellt.
Das Brennstoff/Wasser-Gemisch wird in den Verdampfer 23 eingeleitet und im Verdampfer 23 verdampft. Es kann aber auch vorgesehen sein, dass nur ein Teil der Verdampfung im Verdampfer stattfindet und die restliche Verdampfung im Sinne eines Vergasers im nachgeschalteten Reaktor infolge einer Druckverminderung erfolgt. Alternativ könnte der durch die Fördereinrichtungen 32, 35 erzeugte Druck auch für eine Zerstäubung des Kraftstoff/Wasser-Gemischs eingesetzt werden, um durch die extrem große Oberfläche der Flüssigkeitsteilchen in einem am Eingang der Vorrichtung 20 angeordneten Reaktor eine sehr schnelle Verdampfung zu bewirken. Hierzu ist die Verwendung eines Wärmetauschers in Mikrostrukturtechnik, der nicht nur als Erwärmungsgerät arbeitet, sondern dessen Ausgangsseite gleichzeitig als Zerstäubungsdüse für einen nachgeschalteten Reaktor fungiert, besonders vorteilhaft. Eine weitere Variante der Erfindung besteht darin, an der Ausgangsseite eines solchen Wärmetauschers in Mikrostrukturtechnik eine Zuführung für einen Gasstrom vorzusehen, der die fein zerstäubten Flüssigkeitströpfchen mit fortreißt und in den nachgeschalteten Reaktor führt. Bei diesem Gasstrom kann es sich beispielsweise um ein im Kreislauf geführtes wasserstoffreiches Gas oder auch um einen von außen als Reaktionspartner in den Aufbereitungsprozess geführten Medienstrom handeln.
Wenn zwischen den einzelnen, dem Verdampfer nachgeschalteten Reaktorelementen 24, 25, 26 keine Druckregler vorgesehen sind, wird das auf diese Weise eingestellte Druckniveau des Brennstoffs beim Durchlaufen der Reaktorelemente jeweils aufgrund des auftretenden Druckabfalls abnehmen. Vor dem Eintritt in die Brennstoffzelle 11 ist dann der Druckregler 40 vorgesehen, der den für die Brennstoffzelle 11 erforderlichen Druck einstellt.
Es ist aber auch denkbar, vor der Eingangsseite 21 der Vorrichtung 20 den Druckregler 43 vorzusehen. Wenn dieser Druckregler als Entspannungsventil ausgebildet ist, kann die Entspannung des flüssigen Brennstoff/Wassergemischs bereits vor dessen Eintritt in den Verdampfer 23 zu dessen teilweiser Verdampfung führen. Ein Teil des Gemischs tritt somit bereits in dampfförmigem Zustand in den Verdampfer 23 ein, so dass dieser entsprechend klein dimensioniert werden kann.
Über die in der Vorrichtung 20 zum Erzeugen/Aufbereiten des Brennstoffs vorgesehenen Druckregler 45, 46 lassen sich jeweils die für die einzelnen Reaktorelemente erforderlichen Druckniveaus und/oder Temperaturniveaus einstellen. Zusätzlich kann nach dem Verdampfer 23 je nach Bedarf noch der Druckregler 44 vorgesehen sein. Dieser ist aber nicht unbedingt erforderlich.
Der in der Brennstoffzuleitung 13 und/oder der Brennstoffableitung 14 vorgesehene Druckregler 40, 41 hat die Aufgabe, den Brennstoff mit einem bestimmten vorgegebenen Druck in die Brennstoffzelle 11 einzuleiten. Dabei muss durch den beziehungsweise die Druckregler 40, 41 gewährleistet werden, dass das zur Erzielung der oben beschriebenen Vorteile eingestellte Druckniveau im Brennstoff wieder auf ein erforderliches Maß abgebaut wird. Würde der Brennstoff nämlich mit zu hohem Druck in die Brennstoffzelle 11 eintreten, könnte dies zu deren Beschädigung, insbesondere zu einer Beschädigung der Brennstoffzellenmembran 15 führen.

10: Brennstoffzellensystem
11: Brennstoffzelle
12: Anodenraum
13: Brennstoffzuleitung
14: Brennstoffableitung
15: Membran
16: Kathodenraum
17: Oxidationsmittelzuleitung
18: Oxidationsmittelableitung
20: Vorrichtung zum Erzeugen/Aufbereiten von Brennstoff
21: Eingangsseite
22: Ausgangsseite
23: Verdampfer
24: Reformer
25: Shift-Reaktor
26: selektive Oxidation
30: Kraftstofftank
31: Kraftstoffzuleitung
32: Doppelpumpe
33: Wasserzuleitung
34: Zwischentank
35: Kraftstoffpumpe
36: Kraftstoffilter
40: Druckregler
41: Druckregler
42: Druckregler
43: Druckregler
44: Druckregler
45: Druckregler
46: Druckregler
S: Strömungsrichtung

Claims

Brennstoffzellensystem, mit einer Brennstoffzelle (11), die einen Anodenraum (12) mit einer Zuleitung (13) und einer Ableitung (14) für einen Brennstoff, und einen Kathodenraum (16) mit einer Zuleitung (17) und einer Ableitung (18) für ein Oxidationsmittel aufweist, ferner mit einer Vorrichtung (20) zum Erzeugen/Aufbereiten eines wasserstoffreichen Gases als Brennstoff für die Brennstoffzelle aus einem Kraftstoff, die eine Anzahl von Reaktorelementen aufweist und die ausgangsseitig (22) mit der Brennstoffzuleitung (13) und eingangsseitig (21) über eine Kraftstoffzuleitung (31) mit einem Kraftstofftank (30) verbunden ist, wobei zur Einstellung eines bestimmten Druckniveaus und/oder Temperaturniveaus des Brennstoffs für die Brennstoffzelle (11) in der Kraftstoffzuleitung (31) wenigstens eine druckerhöhende Fördereinrichtung (32; 35) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass in der Brennstoffzuleitung (13) und/oder in der Brennstoffableitung (14) wenigstens ein Druckregler (40; 41) sowie zwischen zwei oder mehreren der Reaktorelemente (23, 24, 25, 26) jeweils ein oder mehrere weitere Druckregler (44, 45, 46) angeordnet sind.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckniveau des Brennstoffs auf einen Überdruck grösser 1 bar, insbesondere zwischen 3 und 10 bar, eingestellt ist.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Fördereinrichtung als Doppelpumpe (32) ausgebildet ist, die mit der Kraftstoffzuleitung (31) und zusätzlich mit einer Wasserzuleitung (33) verbunden ist.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Fördereinrichtung (32; 35) und der Eingangsseite (21) der Vorrichtung (20) zum Erzeugen/Aufbereiten des Brennstoffs ein Druckregler (43; 42) in der Kraftstoffzuleitung (31) angeordnet ist.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Fördereinrichtung (32; 35) und der Eingangsseite (21) der Vorrichtung (20) zum Erzeugen/Aufbereiten des Brennstoffs ein Zwischentank (34) in der Kraftstoffzuleitung (31) angeordnet ist und dass in Strömungsrichtung (S) vor und/oder nach dem Zwischentank (34) wenigstens ein Druckregler (42, 43) in der Kraftstoffzuleitung (31) angeordnet ist.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (20) zum Erzeugen/Aufbereiten des Brennstoffs einen Verdampfer (23), einen Reformer (24), einen Shift-Reaktor (25) und eine selektive Oxidation (26) aufweist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckregler (40 bis 46) zumindest teilweise als einstellbare Druckregler ausgebildet sind.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass am Eingang der Vorrichtung (20) ein Wämetauscher in Mikrostrukturtechnik angeordnet ist, dessen Ausgangsseite als Zerstäubungsdüse für ein nachgeschaltetes Reaktorelement fungiert.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der Ausgangsseite des Wärmetauschers eine Zuführung für einen Gasstrom angeordnet ist.
Verwendung eines Brennstoffzellensystems (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 in einem oder für ein Fahrzeug.