DE19961057A1 - Brennstoffzellensystem - Google Patents
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Abstract
Ein Brennstoffzellensystem hat einen Brennstoffzellenstapel (4) zum Erzeugen von Elektrizität unter Anwendung eines Brennstoffgases und eines Oxidiergases, eine Verbrennungseinrichtung (3) zum Verbrennen einer Gasabströmung des Brennstoffgases und eine Wasserwiedergewinnungseinrichtung (8) zum Wiedergewinnen von Dampf aus einem Abgas, das aus dem Verbrennen resultiert.
Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Brennstoffzellensystem.
Eines der herkömmlichen Brennstoffzellensysteme ist
beispielsweise in der Japanischen Patentoffenlegungsschrift
Nummer Hei. 6-325780 offenbart, das ungeprüft am 25. November
1994 veröffentlicht worden ist.
In diesem Brennstoffzellensystem wird Wasser, das in einer
Brennstoffgas-Gasabströmung und in eine Oxidationsmittelgas-
Gasabströmung enthalten ist, wiedergewonnen. Für diesen Zweck
wird ein Wasserdampf oder in der Gasphase befindliches Wasser
der Brennstoffgas-Gasabströmung an einem Gasseparator
kondensiert, der in einem Kanal vorgesehen ist, durch den die
Brennstoffgas-Gasabströmung passiert, während Wasserdampf oder
in der Gasphase befindliches Wasser der Oxidationsmittelgas-
Gasabströmung an einem Gasseparator kondensiert wird, der in
einem Kanal vorgesehen ist, durch den die Brennstoffgas-
Gasabströmung passiert.
Wenn allerdings in dem vorangegangenen herkömmlichen
Brennstoffzellensystem die Wasserwiedergewinnung
erwünschtermaßen effizient ist, wird ein Druckverlust in jedem
Kanal groß, wodurch die Gefahr besteht, die Effizienz des
Brennstoffzellensystems als solche zu verringern.
Eine prinzipielle Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht
daher darin, ein Brennstoffzellensystem zu verschaffen, das
frei von dem vorangegangenen Nachteil ist.
Um die vorangegangene Aufgabe zu erzielen, sieht die
vorliegende Erfindung ein Brennstoffzellensystem vor, das
aufweist:
einen Brennstoffszellenstapel zur Erzeugung von Elektrizität unter Anwendung eines Brennstoffgases und eines Oxidiergases;
eine Verbrennungseinrichtung zum Verbrennen einer Brennstoffgas-Gasabströmung; und
einer Wasserwiedergewinnungseinrichtung zum Wiedergewinnen eines Wasserdampfes aus einem Abgas, das sich aus der Verbrennung ergibt.
einen Brennstoffszellenstapel zur Erzeugung von Elektrizität unter Anwendung eines Brennstoffgases und eines Oxidiergases;
eine Verbrennungseinrichtung zum Verbrennen einer Brennstoffgas-Gasabströmung; und
einer Wasserwiedergewinnungseinrichtung zum Wiedergewinnen eines Wasserdampfes aus einem Abgas, das sich aus der Verbrennung ergibt.
Diese und weitere Merkmale sowie Vorteile der vorliegenden
Erfindung sind aus der folgenden ausführlichen Beschreibung
leichter verständlich, sofern diese in Verbindung mit der
beigefügten Zeichnung gelesen wird, die einen Teil dieser
Ursprungsoffenbarung bildet, wobei die einzige Zeichnung ein
schematisches Diagramm eines Brennstoffzellensystems der Bauart
mit Polyelektrolyt im Festzustand gemäß einem
Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist.
Mit Bezug auf die Zeichnung ist ein schematisches Diagramm
eines Brennstoffzellensystems einer Bauart mit Polyelektrolyt
im Festzustand gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden
Erfindung veranschaulicht.
Das Brennstoffsystem enthält als Hauptbauteile einen
Wasserbehälter 1, einen Methanolbehälter 2 zum Speichern einer
Menge an Methanol, das eine Brennstoffsorte aus der
Kohlenwasserstoff-Familie ist, eine Reformiereinrichtung 3,
einen Brennstoffzellenstapel 4, einen Brenner 5, einen
turbounterstützten Kompressor 6, eine Befeuchtungseinrichtung 7
und eine Wasserauffangeinrichtung 8. Der Brenner 5 verfeuert
oder verbrennt eine Wasserstoffgas-Gasabströmung unter
Anwendung einer Sauerstoff-Gasabströmung als eine
Verbrennungsunterstützungssubstanz.
Der Behälter 1 speichert eine Menge an Wasser, das als ein
Rohmaterial des Brennstoffgases und als ein Befeuchtungsmedium
verwendet wird. Der Behälter 1 ist über einen Kanal 11 mit der
Reformiereinrichtung 3 verbunden und über einen Kanal 13 auch
mit einer Befeuchtungsvorrichtung 7 verbunden. Es ist
anzumerken, dass separate Behälter zur Speicherung von jeweils
Wasser für das Brennstoffgas und Wasser für die Feuchtigkeit
bereitgestellt werden können.
Der Methanolbehälter 2 speichert das Methanol als ein
Rohmaterial des Brennstoffgases und ist über einen
Methanolkanal 12 mit der Reformiereinrichtung verbunden.
Die Reformiereinrichtung 3 reformiert das Wasser und Methanol,
wobei jedes davon als ein Brennstoff zur Formung des
Brennstoffgases behandelt wird, dessen Hauptkomponente
Wasserstoff ist. Die Reformiereinrichtung 3 ist mit dem
Brennstoffzellenstapel 4 verbunden, und zwar über den
Brennstoffkanal 14, wobei eine Drainiereinrichtung D1
vorgesehen ist, die Kondenswasser wiederauffängt.
Der turbounterstützte Kompressor 6 hat eine Turbine 61, einen
Motor 62 und einen Kompressor 63. Der Kompressor 63
druckbeaufschlagt Luft, die diesem zugeführt worden ist, wobei
die resultierende Luft als eine Oxidiersubstanz zu einer
Oxidierplatte des Brennstoffzellenstapels 4 gespeist ward. Der
Kompressor 63 ist über einen Luftkanal 19 mit der
Befeuchtungseinrichtung 7 verbunden. Die
Befeuchtungseinrichtung 7 ist über eine Luftleitung 15 mit dem
Brennstoffzellenstapel 4 verbunden.
Die Gasabströmung des Brennstoffgases, das in dem
Brennstoffzellenstapel 4 nicht verwendet worden ist, wird über
einen Brennstoff-Gasabströmungskanal 16 zu dem Brenner 5
gespeist, während die Luft-Gasabströmung über einen Luft-
Gasabströmungskanal 17 zu dem Brenner 5 geführt wird. Der
Brennstoff-Gasabströmungsgaskanal 16 ist mit einer
Drainiereinrichtung D2 versehen, um das Kondenswasser
wiederaufzufangen. Gleichermaßen ist der Luft-
Gasabströmungsgaskanal 17 mit einer Drainiereinrichtung D3
versehen, um das Kondenswasser wiederaufzufangen.
Der Brenner 5 ist über einen Abgaskanal 18 mit der Turbine 61
des turbounterstützten Kompressor 6 verbunden.
Die Wasserauffangeinrichtung 8 besteht aus einer
Kondensiereinrichtung 81, einer Drainiereinrichtung 82 und
einer Pumpe 83. Die Kondensiereinrichtung 81 und die
Drainiereinrichtung 82 sind über einen Wiederauffangkanal 21
verbunden. Die Pumpe 83 ist an der Drainiereinrichtung 82
angebracht oder an diese angehängt.
Die Turbine 61 ist über einen Abgaskanal 20 mit der
Kondensiereinrichtung 81 verbunden. Die Pumpe 83 ist über eine
Wasserwiederauffangkanal 22 mit dem Wasserbehälter 1 verbunden.
Zusätzlich ist die Drainiereinrichtung D1 über
Kondenswasserkanäle 24 und 25 mit dem Wasserbehälter 1
verbunden. Die Drainiereinrichtung D2 ist über die
Kondenswasserkanäle 23a, 23 und 25 mit dem Wasserbehälter 1
verbunden. Die Drainiereinrichtung D3 ist über
Kondenswasserkanäle 23b, 23 und 25 mit dem Wasserbehälter 1
verbunden.
Die Reformiereinrichtung 3 reformiert das Wasser und Methanol,
das ihr ausgehend von dem Wasserbehälter 1 über den Kanal 11
und ausgehend von dem Methanolbehälter 3 über den Kanal 12
zugeführt worden ist, um das Brennstoffgas auszubilden, dessen
Hauptkomponente Wasserstoff ist.
Zum Reformieren des Wassers und des Methanols in das
Brennstoffgas gibt es zwei bevorzugte Verfahren, nämlich das
Reformierverdampfungsverfahren und das Teilreformierverfahren.
Das Reformierverdampfungsverfahren besteht darin, Brennstoffgas
zu erzeugen, dessen Hauptkomponente Wasserstoff ist, und zwar
indem verdampftes Methanol und Wasser mit einem Katalysator aus
der Kupfer-Zink-Familie in Kontakt gebracht werden, der die
folgende chemische Reaktion begleitet:
CH.sub.3OH + H.sub.2O → 3H.sub.2 + CO.sub.2
CH.sub.3OH + H.sub.2O → 3H.sub.2 + CO.sub.2
Das Teilreformierverfahren besteht darin, Brennstoffgas zu
erzeugen, dessen Hauptkomponente Wasserstoff ist, indem ein
Gemisch aus Luft, verdampftes Methanol und verdampftes Wasser
mit einem oxidierten Katalysator und einem Katalysator aus der
Kupfer-Zink-Familie in Kontakt gebracht wird, der die folgende
chemische Reaktion begleitet:
CH.sub.3OH + 0.13Osub.2 + 0.47N.sub.2 + 0.75H.sub.2O → 2.75H.sub.2 + CO.sub.2 + 0.47N.sub.2.
CH.sub.3OH + 0.13Osub.2 + 0.47N.sub.2 + 0.75H.sub.2O → 2.75H.sub.2 + CO.sub.2 + 0.47N.sub.2.
In jeder chemischen Reaktion wird aufgrund der Tatsache, dass
sich Wasser zusammen mit Bewegungen von H.sup.+ ausgehend von
der Brennstoffelektrode bewegt, um in der Gasphase befindliches
Wasser oder Wasserdampf dem Brennstoffgas hinzuzufügen, eine
größere Menge an Wasser als die erforderliche hinreichende
Wassermenge in jeder chemischen Reaktion zu der
Reformiereinrichtung 3 gespeist. Im Falle, dass der Elektrolyt
von der Bauart eines Polyelektrolyten im Festzustand ist, muss,
um seine Leistung aufrechtzuerhalten, das Brennstoffgas weit
mehr als eine hinreichende Menge an Wasser enthalten.
Das Brennstoffgas, das in der Reformiereinrichtung 3 erzeugt
wird, wird über den Kanal 14 zu einer Brennstoffelektrodenseite
des Brennstoffzellenstapels 4 geführt. Im Falle, dass ein Teil
des Brennstoffgases in dem Kanal 14 kondensiert wird, wird das
resultierende oder kondensierte Wasser an der
Drainiereinrichtung D1 aufgefangen und über Kanäle 24 und 25 im
Wasserbehälter 1 wiederaufgefangen.
Andererseits wird der Motor 62 des turbounterstützten
Kompressors 6 eingeschaltet, wodurch der Kompressor 63
angetrieben wird. Die resultierende Luft oder
druckbeaufschlagte Luft wird über den Kanal 19 der
Befeuchtungseinrichtung 7 zugeführt. An der
Befeuchtungseinrichtung 7 enthält diese Luft Wasser - und zwar
als Dampf - welches von dem Wasserbehälter 1 über den Kanal 13
zu der Befeuchtungseinrichtung 7 gespeist wird. Die
resultierende Luft oder dampfhaltige Luft wird über den Kanal
15 zu der Oxidierelektrodenseite des Brennstoffzellenstapels 4
gespeist.
Das eingespeiste Brennstoffgas und die jeweils zu der
Brennstoffelektrode und der Oxidierelektrode des
Brennstoffzellenstapels 4 gespeiste Luft erzeugen oder
verschaffen eine Elektrizität gemäß einer der vorangegangenen
chemischen Reaktionen. Zu diesem Zeitpunkt ist das
resultierende Wasser in einem Luft-Gasabströmungsgas enthalten
und wird in dem Kanal 17 drainiert. Das Luft-Gasabströmungsgas
enthält, zusätzlich zu diesem Wasser, die ausgehend von der
Befeuchtungseinrichtung 7 zugeführte Luft sowie Wasser, das
ausgehend von der Brennstoffelektrode zusammen mit H+ zu der
Oxidierelektrode bewegt wird.
In dem Brennstoffzellenstapel 4 wird ein 100%-iger Verbrauch
von Wasserstoff nicht erreicht, wobei ein 80%-iger Verbrauch am
häufigsten auftritt. Die Gasabströmung des Brennstoffs, der
während der chemischen Reaktion nicht verbraucht worden ist,
wird über den Kanal 16 zu dem Brenner 5 geführt. Das
verbleibende Wasser, das zu der Oxidierelektrode bewegt wird,
ist als Wasserdampf in der Gasabströmung des Brennstoffgas
enthalten. Die in den Kanal 17 ausgelassene Luft wird ebenso in
den Brenner 5 gespeist.
Im Falle, dass ein Teil des Dampfes in der Gasabströmung des
Brennstoffgases in dem Kanal 16 kondensiert wird, wird das
resultierende oder Kondenswasser an der Drainiereinrichtung D2
aufgefangen und über Kanäle 23a, 23 und 25 im Wasserbehälter 1
wiederaufgefangen. Gleichermaßen wird im Falle, dass ein Teil
des Luft-Gasabströmung in dem Brennstoffgas in dem Kanal 17
kondensiert wird, das resultierende oder Kondenswasser in der
Drainiereinrichtung D3 aufgefangen und über Kanäle 23b, 23 und
25 im Wasserbehälter 1 wiederaufgefangen.
In dem Brenner 5 wird das Wasserstoff in der Gasabströmung des
Brennstoffgases unter Anwendung des Sauerstoffes in der Luft-
Gasabströmung als ein Verbrennungsverbesserer verbrannt,
wodurch Wasser erzeugt oder hergestellt wird. Das resultierende
Abgas, das von dem Brenner 5 ausgegeben wird, wird zu der
Turbine 61 des turbounterstützten Kompressors 6 gespeist, wobei
die resultierende Drehung der Turbine 61 als eine
Antriebseinrichtung zum Antrieb des Kompressors 63 verwendet
wird. Unmittelbar nach dem Starten der Turbine 61 wird die zu
dem Motor 62 gespeiste elektrische Energie gestoppt oder
reduziert, wodurch eine Einsparung der elektrischen Energie
ermöglicht wird, die an dem turbounterstützten Kompressor 6
verbraucht wird.
In dem Abgas ist das Befeuchtungswasser, das erzeugte Wasser
sowie das Wasser enthalten, das aus einem Oxidieren des
Wasserstoffes in der Brennstoff-Gasabströmung resultiert. Das
Abgas wird über den Kanal 20 zu der Kondensiereinrichtung 81
der Wasserauffangeinrichtung 8 gespeist. Somit wird der, Dampf
in dem Abgas über Kondensation zu Wasser umgewandelt, wobei das
resultierende Wasser über den Kanal 21 zu der
Drainiereinrichtung 82 gespeist wird, was die Pumpe 93 dazu
bringt, dieses Wasser in den Wasserbehälter 1 zu bewegen.
In dem vorangegangenen Brennstoffzellensystem kann
Wasserstoffenergie in der Gasabströmung des Brennstoffgases als
eine dynamische Energie verwendet werden, und zwar zusätzlich
zu dem nahezu vollständigen Auffangen des Wassers in der
Gasabströmung des Brennstoffgases und der Luft-Gasabströmung.
Überdies werden die Drücke der Gasabströmung des
Brennstoffgases und der Luft-Gasabströmung im Brenner 5
freigesetzt, wodurch Druckverluste in den jeweiligen Kanälen
minimiert werden.
Die Erfindung ist somit anhand der Beschreibung mit Bezug auf
bestimmte Ausführungsbeispiele gezeigt worden, wobei jedoch
verständlich ist, dass die Erfindung keinesfalls auf
Einzelheiten der veranschaulichten Strukturen beschränkt sein
soll, sondern Änderungen und Abwandlungen bewerkstelligt werden
können, ohne den Bereich der beigefügten Ansprüche zu
verlassen.
Ein Brennstoffzellensystem hat einen Brennstoffzellenstapel 4
zum Erzeugen von Elektrizität unter Anwendung eines
Brennstoffgases und eines Oxidiergases, eine
Verbrennungseinrichtung 3 zum Verbrennen einer Gasabströmung
des Brennstoffgases und eine Wasserwiedergewinnungseinrichtung
8 zum Wiedergewinnen von Dampf aus einem Abgas, das aus dem
Verbrennen resultiert.
Claims (5)
1. Brennstoffzellensystem mit:
einem Brennstoffzellenstapel zur Erzeugung von Elektrizität unter Anwendung eines Brennstoffgases und eines Oxidiergases;
einer Verbrennungseinrichtung zum Verbrennen einer Gasabströmung des Brennstoffgases; und
einer Wasserwiedergewinnungseinrichtung zum Wiedergewinnen von Wasserdampfes aus einem aus dem Verbrennen resultierenden Abgas.
einem Brennstoffzellenstapel zur Erzeugung von Elektrizität unter Anwendung eines Brennstoffgases und eines Oxidiergases;
einer Verbrennungseinrichtung zum Verbrennen einer Gasabströmung des Brennstoffgases; und
einer Wasserwiedergewinnungseinrichtung zum Wiedergewinnen von Wasserdampfes aus einem aus dem Verbrennen resultierenden Abgas.
2. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei eine
Gasabströmung des Oxidiergases als ein Verbrennungsverbesserer
in der Verbrennung verwendet wird.
3. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei die
Wasserwiedergewinnungseinrichtung eine Kondensiereinrichtung
zum Kondensieren des Dampfes des Abgases, eine
Drainiereinrichtung zum Auffangen von Wasser, das an der
Kondensiereinrichtung kondensiert ist, und eine
Fördereinrichtung zum Fördern des Wassers von der
Drainiereinrichtung zu einer Speichereinrichtung enthält.
4. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, ferner mit einer
Turbine und einer Sauerstoffgaszufuhreinrichtung zwischen der
Verbrennungseinrichtung und der
Wasserwiedergewinnungseinrichtung, wobei die Turbine mit
Energie angetrieben wird, die von der Verbrennungseinrichtung
während der Verbrennung erzeugt wird, wobei die
Sauerstoffgaszufuhreinrichtung durch die Turbine angetrieben
wird und dazu dient, Oxidiermittelgas druckzubeaufschlagen.
5. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 4, wobei die
Sauerstoffgaszufuhreinrichtung einen Motor enthält, und der
Motor sowie die Turbine den Kompressor antreiben.
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