DE19982376B4

DE19982376B4 - Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzellensystem

Info

Publication number: DE19982376B4
Application number: DE19982376T
Authority: DE
Inventors: Soichiro Yokohama Shimotori; Makoto Yokohama Harada; Kazuo Glastonbury Saito; Yasuji Yokohama Ogami; Atsushi Yokohama Ohma; Atsuo Yokohama Sonai; Michio Yokohama Hori
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1998-10-26
Filing date: 1999-10-26
Publication date: 2010-05-27
Anticipated expiration: 2019-10-27
Also published as: CA2316375A1; JP2009193973A; WO2000025379A1; US6572994B1; DE19982376T1; CA2316375C; JP4476489B2; JP4482057B2

Abstract

Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzellensystem mit:
einem Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzellenstapel (100) für reformierten Brennstoff und ein Oxidationsmittelgas;
einem Reformer (101) zum Erzeugen des reformierten Brennstoffes durch Reformieren eines Brennstoffes mit Wasserdampf;
einem Gesamt-Enthalpie-Wärmeaustauschmittel (110) zum Austauschen von Wärme und Feuchtigkeit zwischen einem Abgas des Brennstoffzellenstapels (100) und dem dem Brennstoffzellenstapel (100) zuzuführenden Oxidationsmittelgas;
einem Trennmittel (112) zum Trennen von Wasser aus dem reformierten Brennstoff oder aus dem über das Gesamt-Enthalpie-Wärmeaustauschmittel (110) zugeführten Abgas des Brennstoffzellenstapels (100), wobei das Trennmittel (112) einen ersten Behälter (112a) zum Durchleiten des Abgases des Brennstoffzellenstapels (100) oder des reformierten Brennstoffes enthält, der ausgestaltet ist, so dass Wasser aufgrund von Kondensation abgetrennt wird;
einem Mischer (113) zum Mischen des von dem Trennmittel (112) gelieferten Wassers mit Brennstoff oder mit einem mit Wasser mischbaren Frostschutzmittel mit einem Gefrierpunkt von 0°C oder weniger und einem Siedepunkt höher als Wasser;
einem ersten Zufuhrmittel (114) zum Liefern des Brennstoffes oder...

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzellensystem, bei dem ein ionenleitendes Feststoffpolymer als Elektrolyt verwendet wird.
In jüngster Zeit haben Brennstoffzellen Aufmerksamkeit erregt, da sie als eine Energieumwandlungsvorrichtung mit hohem Wirkungsgrad verwendet werden können. Die Aufmerksamkeit richtet sich insbesondere auf eine sogenannte Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzelle (PEFC = polymer electrolyte fuel cell), die als eine Energieversorgungsquelle in der Raumfahrt und bei elektrischen Fahrzeugen eingesetzt werden kann. Dies liegt daran, daß die PEFC, in der eine Protonen-Austauschmembrane verwendet wird, eine hohe Leistungsdichte bei einer kompakten Struktur hat und in einem einfachen System betrieben werden kann.
Ein herkömmliches PEFC-System ist in 1 dargestellt. Das System umfaßt einen Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzellenstapel 100; einen Reformer 101 zum Umwandeln bzw. Reformieren eines Brennstoffs, etwa eines Kohlenwasserstoffs, wie beispielsweise Methan und Benzin, oder ein Alkohol, wie beispielsweise Methanol, um ein wasserstoffreiches Gas zu erzeugen; einen katalytischen Konverter (shift converter) 102 zum Reduzieren von in dem wasserstoffreichen Gas enthaltenem Kohlenmonoxid CO; eine selektive Oxidationsvorrichtung 103; einen Kompressor 104 zum Zuführen von Luft als Oxidationsmittel; und einen Kühlwassertank 105, der ein Kühlsystem zum Zuführen von Kühlwasser bildet, um die durch die elektrochemische Reaktion erzeugte Wärme abzuführen. Als Reformer 101 sind Dampfreformer (steam reformer) zum Reformieren des Brennstoffs mit Wasserdampf und Selbsterwärmungs-Reformer (auto thermal reformer) bekannt. Der Selbsterwärmungs-Reformer ist eine Kombination des Dampfreformers und eines Partialoxidationsreformers zum Reformieren des Brennstoffs mit Luft. Der zum Reformieren des Brennstoffs erforderliche Wasserdampf wird aus dem Wasserdampf eines Oxidationsmittelgases gewonnen, indem dieser mittels eines Kondensators 106 abgetrennt wird. Der Wasserdampf wird an den Reformer 101 über das Kühlsystem geliefert.
Da der Wasserdampf durch den Kondensator 106 in dem herkömmlichen Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzellensystem wiedergewonnen wird, ist ein Tank zum Speichern des wiedergewonnenen Wassers, nämlich des aus der elektrochemischen Reaktion gewonnenen Reinwassers, erforderlich. Das Reinwasser ist jedoch bei 0°C oder darunter gefroren. Insbesondere wenn das Brennstoffzellensystem in einem elektrischen Automobilsystem installiert ist, das auch in einer kalten Region angefahren werden muß, wo das Automobilsystem einer Außenlufttemperatur von –40°C ausgesetzt sein kann, ist dies problematisch.
Um dieses Problem zu lösen, wurden die folgenden Verfahren vorgeschlagen. Bei dem in der japanischen Patentanmeldung JP 08-185 877 A offenbarten Verfahren wird ein Gefrierschutzmittel als Kühlwasser verwendet, wohingegen Reinwasser durch ein in dem Kühlsystem vorgesehenes Wassertrennmittel erzeugt wird und als „befeuchtendes Wasser” verwendet wird. Bei diesem Verfahren wird ein Gefrieren des Kühlwassersystems verhindert. Außerdem kann Reinwasser zum Befeuchten sowie als Dampf für den Reformer verwendet werden. Da jedoch das Reinwasser durch das Wassertrennmittel erzeugt und mittels eines Rohrs geliefert wird, friert in einer Umgebung unter 0°C nicht nur das Rohr zu, sondern es platzt auch durch die thermische Ausdehnung.
Andererseits wird bei dem in der japanischen Patentanmeldung JP 03-295176 A offenbarten Verfahren ein Wasserabsorptionsmittel, wie beispielsweise Calciumchlorid oder Propylenglykol, in einem Durchgang, in dem Oxidationsmittelgas fließt, innerhalb einer Zelle zugeführt. Wasser wird durch das Absorptionsmittel wiedergewonnen und dann von dem Absorptionsmittel durch einen Regenerator regeneriert. Da bei diesem Verfahren Wasser in einem dampfförmigen Zustand in dem Durchgang, in dem das Oxidationsmittelgas fließt, wiedergewonnen wird, wird kein Reinwasserspeichertank benötigt. Ferner ist es möglich, ein Gefrieren von Wasser durch Absenkung des Gefrierpunkts des Absorptionsmittels zu minimieren. Es gibt jedoch kein Mittel, um zu verhindern, daß sich das Absorptionsmittel mit dem Oxidationsmittelgas vermischt. Folglich tritt das Absorptionsmittel in eine Elektrode ein, wobei es mit der elektrochemischen Reaktion interferiert. Da der Wasserdampf außerdem in einem Oxidationsmittelabgas als gesättigter Wasserdampf enthalten ist, wird das erzeugte Wasser nicht vollständig wiedergewonnen.
Die oben erwähnten Probleme werden auch dann nicht bewältigt, wenn die in den beiden japanischen Patentanmeldungen beschriebenen Methoden kombiniert werden, mit anderen Worten sogar dann nicht, wenn ein Absorptionsmittel, das auch als ein Gefrierschutzmittel dient, in dem Durchgang innerhalb der Zelle, in dem das Oxidationsmittelgas fließt, vorgesehen wird, um Wasser aus dem Oxidationsmittelgas wiederzugewinnen, und das wiedergewonnene Wasser durch einen Regenerator regeneriert wird, während ein Gefrierschutzmittel als Kühlwasser verwendet wird, und Reinwasser durch das Wassertrennmittel als Reformierungsdampf erzeugt wird.
JP 10-22 32 49 A offenbart ein ähnliches System, das das Problem des Gefrierens des Wassers löst, indem eine Leitung vorgesehen ist, um Methanol aus einem Methanoltank in den Abgasstrom der Brennstoffzelle einzuspeisen, so daß in einem Behälter eine Mischung aus Methanol und Wasser kondensiert, die nicht ausfriert.
Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzellensystem bereitzustellen, das ein schnelles Anfahren des Systems sogar in einer Umgebung unter 0°C ermöglicht.
Die Aufgabe wird durch eine Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzelle nach Anspruch 1 gelöst. Die abhängigen Ansprüche betreffen vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
Da das Trennmittel und der Mischer erfindungsgemäß als getrennte Einheiten bereitgestellt werden, kann das Trennmittel klein sein. Daher kann sogar dann, wenn das in dem Trennmittel gespeicherte Wasser gefroren ist, das gefrorene Wasser innerhalb einer kurzen Zeit aufgetaut werden. Es folgt, daß das Anfahren des Systems nicht nachteilig beeinflußt wird. Wenn das Verhältnis von Wasser zu Raum des Trennmittels geeignet gesteuert wird, kann außerdem das Oxidationsmittelabgas sogar dann hinausgeführt werden, wenn das Wasser gefroren ist. Der Anfahrbetrieb des Systems ist nicht wesentlich beeinflußt.
Ferner kann der Feuchtigkeitsgehalt im Abgas drastisch reduziert werden, da das „Gesamtenthalpie-Wärmetauschermittel” zum Austauschen von Wärme und Feuchtigkeit zwischen dem abgeführten reagierten Gas und dem an den Reaktionsabschnitt des Brennstoffzellenstapels zuzuführenden nicht-reagierten Gas vorgesehen ist. Es folgt, daß die Kondensation des Wassers in dem Durchgang, in dem Abgas fließt, minimiert werden kann, und ein Gefrieren von Wasser in dem Durchgang, in dem Abgas fließt, im wesentlichen verhindert werden kann.
Wenn das Trennmittel und der Mischer in diesem Fall in einem Körper integriert sind, kann Wärmestrahlung minimiert werden, während die Temperatur des Mischers hoch gehalten werden kann. Da zwischen dem Trennmittel und dem Mischer eine Trennplatte angeordnet ist, kann alternativ verhindert werden, daß Methanol verdampft und in das Oxidationsmittelgas eintritt.
Da die Erfindung das Gesamtenthalpie-Wärmetauschermittel verwendet, ist ein einziges Zufuhrmittel für Methanol ausreichend. Folglich ist das System einfach und kann leicht gesteuert werden.
Ferner ist es möglich zu verhindern, daß sich das Oxidationsmittelgas mit dem unverdünnten Methanol als Brennstoff mischt. Da das Oxidationsmittelgas durch Reinwasser von dem unverdünnten Methanol als Brennstoff isoliert ist, ist faktisch kein Sicherheitsmittel erforderlich. Folglich ist das System einfach und kann leicht gesteuert werden.
Gemäß der Erfindung ist es möglich, den Gefrierpunkt der abgetrennten Feuchtigkeit durch Abtrennen der Feuchtigkeit von dem Brennstoffgas, das dem Brennstoffzellenstapel zugeführt wird, oder durch Abtrennen von dem Oxidationsmittelabgas und Mischen von mindestens einem Teil der getrennten Feuchtigkeit mit einem Frostschutzmittel, das einen Gefrierpunkt von 0°C oder weniger und einen Siedepunkt höher als Wasser aufweist, abzusenken. Daher kann ein Gefrieren der abgetrennten Feuchtigkeit verhindert werden. Da andererseits ein Frostschutzmittel verwendet wird, das einen Siedepunkt höher als Wasser aufweist, kann verhindert werden, daß das Frostschutzmittel zusammen mit dem Oxidationsmittelgas von dem Trennmittel ausströmt. Da unterschiedliche Substanzen als Brennstoff einerseits und Frostschutzmittel andererseits verwendet werden, ist es außerdem möglich, ein Gefrieren von Wasser sogar in einem System zu verhindern, in dem ein wasserunlöslicher Brennstoff, wie beispielsweise Benzin, verwendet wird.
Das Lösungsgemisch-Ansetzmittel kann Trennmittel zum Trennen von Feuchtigkeit von dem Gas, das von dem Brennstoffzellenstapel ausströmt, und einen Mischer zum Mischen des Frostschutzmittels in einen Teil des Wassers, das von dem Trennmittel abgetrennt wurde, umfassen.
Alternativ kann das Lösungsgemisch-Ansetzmittel das Trennmittel zum Trennen von Feuchtigkeit von dem Gas, das von dem Brennstoffzellenstapel ausströmt, und ein Zufuhrmittel zum Zuführen des Frostschutzmittels zu dem Trennmittel umfassen.
Ferner umfaßt das Lösungsgemisch-Ansetzmittel den Mischer zum Mischen eines Teils des von dem Zellenstapel ausgeströmten Gases mit dem Brennstoff.
1 ist eine Ansicht, die eine Struktur eines herkömmlichen Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzellensystems zeigt.
2 ist eine Ansicht eines Polymer-Brennstoffzellensystem gemäß einer ersten Ausführungsform.
3 ist eine Ansicht, die eine Struktur des Trennmittels und des Mischers gemäß der ersten Ausführungsform zeigt.
4 ist eine Struktur eines Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzellensystems gemäß einer zweiten Ausführungsform.
5 ist eine Ansicht, die eine Struktur des Trennmittels gemäß der zweiten Ausführungsform zeigt.
6 ist eine Ansicht, die eine Struktur eines Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzellensystems gemäß einer modifizierten ersten Ausführungsform zeigt.
7 ist eine Ansicht, die eine Struktur eines Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzellensystems gemäß einem modifizierten Beispiel der zweiten Ausführungsform zeigt.
8 ist eine Ansicht, die eine Struktur eines Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzellensystems gemäß einer dritten Ausführungsform zeigt.
9 ist eine Ansicht, die eine Struktur eines Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzellensystems gemäß einer vierten Ausführungsform zeigt.
10 ist eine Ansicht, die eine Struktur des Trennmittels gemäß der vierten Ausführungsform zeigt.
11 ist eine Ansicht eines Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzellensystems gemäß einer fünften Ausführungsform der Erfindung.
12 ist eine Ansicht, die eine Struktur des Trennmittels gemäß der fünften Ausführungsform zeigt.
13 ist eine Ansicht eines Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzellensystems gemäß einer sechsten Ausführungsform.
14 ist eine Ansicht eines Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzellensystems gemäß einer siebten Ausführungsform.
15 ist eine Ansicht eines Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzellensystems gemäß einer achten Ausführungsform.
Nun werden Ausführungsformen der Erfindung mit Bezug auf die Zeichnungen erläutert.
Das in 2 gezeigte Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzellensystem verwendet als Brennstoff ein Mittel mit einem niedrigen Gefrierpunkt. Genauer gesagt wird Methanol als ein in einem Brennstofftank 107 gespeicherter flüssiger Brennstoff an einen Mischer 113 mittels einer Zufuhrpumpe 114 geliefert.
Bei dieser Ausführungsform ist ein Trennmittel 112 zum Trennen von Wasserdampf aus der Abluft (air exhaust) durch Kondensieren, und ein Mischer 113 zum Mischen des getrennten Wassers und des Mittels mit niedrigem Gefrierpunkt vorgesehen.
Methanol, als ein Beispiel für einen flüssigen Brennstoff, ist ein solches Mittel mit einem Gefrierpunkt von 0°C oder weniger. Der Gefrierpunkt kann durch Mischen von Methanol in das wiedergewonnene Wasser abgesenkt werden, genauer gesagt, durch Hinzufügen von Methanol in einer Menge von 40 Gewichtsprozenten (Gew.-%) oder mehr, mit anderen Worten in einem molaren Verhältnis von Methanol/Wasser von 1/2,7 oder mehr, wobei der Gefrierpunkt –40°C oder weniger wird.
Der Mischer 113 ist mit einem Sensor 121 zum Messen der Konzentration von Methanol ausgerüstet, das nicht nur als Brennstoff sondern auch als das Frostschutzmittel mit niedrigem Gefrierpunkt dient. Das Volumen des zugeführten Methanols wird durch eine Steuereinheit 117 so gesteuert, daß Methanol im Mischer 113 in der oben erwähnten Menge enthalten ist.
Andererseits wird das Gemisch direkt an den Verdampfer 116 geliefert, darin verdampft und dann in dem Reformer 101 reformiert. Methanol wird mit Wasserdampf gemäß der folgenden Gleichung reformiert: CH₃OH + H₂O → 3H₂ + CO₂.
Aus der obigen Gleichung ist ersichtlich, daß das molare Verhältnis von Methanol zu Wasser 1:1 oder mehr betragen muß.
Demgemäß wird die Konzentration von in dem Lösungsgemisch enthaltenen Methanol so gesteuert, daß das molare Verhältnis von Methanol/Wasser innerhalb des Bereichs von 1:1 bis 1:2,7 fällt. Der Mischer 113 ist mit dem Methanol-Konzentrationssensor 121 ausgerüstet. Das Volumen des zugeführten Methanols wird durch die Steuereinheit 117 gesteuert, um in den oben erwähnten Konzentrationsbereich zu fallen.
Der Dampf des Lösungsgemischs wird an den Reformer 101 geliefert. Der Dampf wird in dem Reformer in ein wasserstoffreiches Gas reformiert. Das wasserstoffreiche Gas wird einer Anode 100a des Brennstoffzellenstapels 100 über eine CO-reduzierende Einheit 102 zugeführt. Nachdem ein vorbestimmtes Volumen durch die Zellenreaktion verbraucht wurde, wird das Brennstoffgas, das nicht-reagierten Wasserstoff enthält, aus dem Stapelkörper an einen Verbrenner des Reformers 101 hinausgeführt und als eine Wärmequelle für den Reformer 101 verwendet.
Die Luft wird durch den Kompressor 111 an eine Kathode 100b des Brennstoffzellenstapels mittels des Gesamt-Enthalpie-Wärmeaustauschers 110 geliefert. Nachdem ein vorbestimmtes Volumen durch die Zellenreaktion verbraucht wurde, wird die Luft, einschließlich des durch die Zellenreaktion erzeugten Wassers, abgeführt. Die abgeführte Luft wird durch den Gesamtenthalpie-Wärmeaustauscher 110 gekühlt, während Feuchtigkeit zu der nicht-reagierten Luft zugeführt wird, um diese zu befeuchten.
In 3 wird das Trennmittel 112 und der Mischer 113 genauer erläutert. Das Trennmittel 112 ist ein zylindrischer Behälter 112a mit einem Gaseinlaß und einem Gasauslaß in dem oberen Teil. Die Luft wird aus dem Brennstoffzellenstapel 100 hinausgeführt und an den Gaseinlaß geliefert. Die Luft enthält Wasserdampf, der von der Zellenreaktion resultiert. Nachdem sie durch den Gesamtenthalpie-Wärmeaustauscher 110 gekühlt wurde, wird die Luft mit dem darin enthaltenen kondensierten Wasserdampf an den Behälter 112a geliefert. Das Kondenswasser wird in dem unteren Abschnitt des Behälters 112a gespeichert. Auf diese Art wird das Kondenswasser von dem Oxidationsmittelgas getrennt.
Das in dem Trennmittel 112 gespeicherte Kondenswasser ist Reinwasser, das gefrieren kann, wenn das System angehalten wird. Aus diesem Grund ist es wünschenswert, daß das Volumen des Behälters 112a des Trennmittels 112 klein ist. Um genauer zu sein, wird es bevorzugt, daß der Behälter des Brennstoffzellensystems, das 50 kW elektrische Leistung liefert, ein Volumen von etwa 1 Liter aufweist.
Der Mischer 113 ist aus einem Behälter 113a ähnlich dem Trennmittel 112 aufgebaut. Der Behälter 113a umfaßt ein Rohr von einer Zufuhrpumpe 114, ein Rohr an eine Lösungsgemischpumpe 115 und den Konzentrationssensor 121 in dem unteren Abschnitt.
Das Trennmittel 112 und der Mischer 113 werden miteinander durch ein quantitatives Auslaßventil 112b verbunden. Das quantitative Auslaßventil 112b arbeitet mittels einer Feder. Wenn ein vorbestimmtes Volumen des Kondenswassers in dem Trennmittel 112 gespeichert ist, wird das Ventil durch dessen Gewicht geöffnet, um das Kondenswasser zu entladen.
Das quantitative Auslaßventil 112b wird bei dieser Ausführungsform verwendet. Es kann jedoch anstelle des quantitativen Auslaßventils 112b ein Magnetventil und eine Pumpe verwendet werden.
Das so entladene Kondenswasser wird mit dem Frostschutzmittel mit niedrigem Gefrierpunkt gemischt (das auch als Brennstoff dient), das durch die Pumpe 114 zugeführt wird. Somit ist es unmöglich, daß der Mischer 113 gefriert, wenn das System angehalten ist. Es ist jedoch in Anbetracht der Gewichtsreduzierung wünschenswert, daß das Behältervolumen 113a klein ist. Genauer gesagt wird bevorzugt, daß der Behälter des Brennstoffzellensystems, das 50 kW elektrische Leistung liefert, ein Volumen von etwa 2 Liter aufweist.
An die Kühlplatte 100c des Brennstoffzellenstapels 100 wird ein Frostschutzmittel durch eine Kühlwasserpumpe 120 geliefert. Nachdem die Wärme der Zellenreaktion abgeführt ist, wird das Frostschutzmittel durch einen elektrischen Ventilator 119 gekühlt und zirkuliert. Ein Frostschutzmittel-Behälter 118 ist mit dem Einlaß eines Ventilators 119 verbunden, um das Volumen des Frostschutzmittels zu steuern. Als Frostschutzmittel wird Methanol verwendet, das nicht nur als Brennstoff sondern auch als Frostschutzmittel mit niedrigem Gefrierpunkt dient. Alternativ kann Ethylenglykol verwendet werden, das als Frostschutzmittel dient, das einen niedrigeren Gefrierpunkt als Wasser aufweist, wie bei einer späteren Ausführungsform beschrieben wird. Wenn das Frostschutzmittel mit niedrigem Gefrierpunkt, wie beispielsweise Ethylenglykol, zu Wasser hinzugefügt wird, kann der Gefrierpunkt von Wasser abgesenkt werden. Der Gefrierpunkt wird abhängig von der Art des Lösungsmittels und dem Mischungsverhältnis von Wasser zu dem Frostschutzmittel bestimmt. Am wünschenswertesten wird Ethylenglykol in einer Menge von etwa 30 bis 50 Gew.-% hinzugefügt.
Wie oben erwähnt wurde, da bei dieser Ausführungsform das Trennmittel zum Trennen der Feuchtigkeit des von dem Brennstoffzellenstapel abgeführten Oxidationsmittelgases und der Mischer zum Mischen von einem Teil des Wassers mit dem Brennstoff getrennt voneinander angeordnet sind, kann der Gefrierpunkt der in dem Oxidationsmittelabgas enthaltenen Feuchtigkeit verringert werden. Es ist daher möglich, ein Gefrieren der Feuchtigkeit zu verhindern. Folglich kann das System sogar in einer Umgebung unter 0°C schnell hochgefahren werden. Gleichzeitig wird der Brennstoff daran gehindert, zusammen mit dem Abgas auszuströmen, mit dem Ergebnis, daß eine Verringerung im Leistungsgrad des Systems verhindert werden kann.
Da die Temperatur des Oxidationsmittelabgases durch das Gesamtenthalphie-Wärmeaustauschmittel hinreichend verringert ist, ist es möglich, das Volumen von kondensiertem Wasserdampf in dem Durchgang, in dem Oxidationsmittelgas fließt, zu verringern, wenn das System angehalten wird. Folglich kann ein Gefrieren von Feuchtigkeit innerhalb des Durchgangs, in dem Oxidationsmittelgas fließt, verhindert werden, ohne das System und die Steuerung zu komplizieren.
Da der Gesamtenthalphie-Wärmeaustauscher 110 in der Erfindung verwendet wird, ist ferner ein einziges Methanolzufuhrmittel hinreichend. Das System wird nicht kompliziert und kann leicht gesteuert werden.
Außerdem wird bei dieser Ausführungsform das Oxidationsmittelgas nicht mit unverdünntem Methanol gemischt, das als Brennstoff dient, und das Oxidationsmittelgas wird durch Reinwasser von dem unverdünnten Methanol, das als Brennstoff dient, getrennt. Daher ist eine Sicherheitseinrichtung nicht erforderlich. Das System und die Steuerung werden nicht kompliziert.
4 zeigt eine zweite Ausführungsform. In 2 und 3 werden gleiche Bezugsziffern verwendet, um gleiche Strukturelemente zu kennzeichnen. Bei dieser Ausführungsform ist das Trennmittel 112 und der in 2 gezeigte Mischer 113 in einen Trennmittel/Mischer 130 integriert. Die Struktur ist so ausgestaltet, um in dem Trennmittel 112 erzeugte Kondensationswärme an den Mischer zu übertragen.
5, die nicht Gegenstand der beanspruchten Lehre ist und lediglich zum besseren Verständnis der Erfindung gezeigt wird, zeigt eine Querschnittsansicht eines Trennmittels/Mischers 130. Das/der Trennmittel/Mischer 130 umfaßt einen Behälter 130a. Das Trennmittel 112 und der Mischer 113 sind einstückig ausgebildet, wobei eine Trennplatte 130a zwischen ihnen positioniert ist. Das Trennmittel 112 umfaßt einen Gaseinlaß und einen Gasauslaß in dem oberen Teil, wie bei der ersten Ausführungsform. Luft wird von dem Gesamtenthalphie-Wärmeaustauscher 110 zugeführt und an den Gasauslaß geliefert. Die Luft enthält Wasserdampf, der von der Zellenreaktion resultiert. Die Temperatur des Dampfes wird durch den Gesamtenthalphie-Wärmeaustauscher 110 verringert, kondensiert und dann an den Behälter geliefert. Das Kondenswasser wird in dem unteren Teil des Behälters gespeichert. Auf diese Art wird Wasser von dem Oxidationsmittelgas getrennt.
Das abgetrennte Reinwasser wird an den Mischer durch einen Verbindungsdurchgang geliefert, der in einem Teil der Trennplatte 130b angeordnet ist. Der Mischer 113 umfaßt ein Rohr von der Zufuhrpumpe 114, ein Rohr zu der Lösungsmischpumpe 115 und den Konzentrationssensor 121 in seinem unteren Teil. Ein Lösungsgemisch wird aus dem abgetrennten Wasser und dem Methanol als Brennstoff in dem Mischer 113 angesetzt. Das Lösungsgemisch wird an einen Verdampfer oder an den Verdampfer 116 mittels der Pumpe 115 auf die gleiche Art wie bei der ersten Ausführungsform zugeführt.
Bei dieser Ausführungsform ist das Trennmittel 112 zum Trennen der in dem Oxidationsmittelgas enthaltenen Feuchtigkeit vorgesehen, das aus dem Gesamtenthalphie-Wärmeaustauscher 110 ausströmt, und der Mischer 113 ist zum Mischen von einem Teil der Feuchtigkeit mit dem Brennstoff vorgesehen. Mit dieser Konfiguration kann der Gefrierpunkt des Wassers in dem Oxidationsmittelabgas verringert werden, mit dem Ergebnis, daß das Gefrieren des Wassers verhindert werden kann. Daher kann das System sogar in einer Umgebung unter 0°C schnell angefahren werden. Ferner wird der Brennstoff daran gehindert, zusammen mit dem Abgas auszuströmen. Es ist daher möglich, eine Verringerung des Wirkungsgrades des Systems zu verhindern.
Da die Temperatur des Oxidationsmittelabgases durch die Gesamtenthalphie-Wärmeaustauschmittel hinreichend verringert wird, kann das Volumen des kondensierten Wasserdampfs in dem Durchgang, in dem das Oxidationsmittelgas fließt, verringert werden, wenn das System angehalten wird. Folglich kann verhindert werden, daß die Feuchtigkeit innerhalb des Durchgangs, in dem das Oxidationsmittelgas fließt, gefriert, ohne das System und die Steuerung zu komplizieren.
Zusätzlich zu den oben erwähnten Wirkungen ist diese Ausführungsform wirksam beim Anheben der Temperatur des Lösungsgemisches durch das/den Trennmittel/Mischer, die durch Integrieren des Trennmittels und des Mischers in einer Einheit gebildet sind. Dies ist so, da Wärme, wie beispielsweise Kondensationswärme, die durch das Trennmittel 112 erzeugt wird, dem Lösungsgemisch des Mischers 113 zugeführt werden kann. So kann die durch den Verdampfer zugeführte Wärmemenge verringert werden. Es ist daher möglich, den Wirkungsgrad des Systems zu verbessern.
6 und 7 zeigen modifizierte Beispiele der ersten und zweiten Ausführungsform der Erfindung. In diesen Figuren werden gleiche Bezugsziffern verwendet, um gleiche Strukturelemente zu kennzeichnen, die denjenigen in 2 bis 5 entsprechen. Bei dieser Ausführungsform wird ein Flüssigbrennstoff zuerst mit dem wiedergewonnenen Wasser gemischt, um ein Lösungsgemisch herzustellen. Das so gebildete Lösungsgemisch wird dann an einen Dampf-Generator (pollution vapor generator) 116 mittels der Pumpe 115 gepumpt. Danach wird der Dampf des Lösungsgemisches an einen Reformer 101 geliefert. Alternativ kann der Flüssigbrennstoff an den Reformer mittels einer Brennstoffpumpe 108 und eines Verdampfers 109 geliefert werden. Diese Ausführungsform wird vorzugsweise auf einen Reformer vom Selbsterwärmungstyp angewendet, der durch Kombinieren eines Partialoxidationsreformers und eines Dampfoxidationsreformers gebildet wird. Genauer gesagt ist, da eine Teil-Oxidationsreaktion in dem Selbsterwärmungstyp stattfindet, das zum Reformieren des Brennstoffs erforderliche Volumen von Wasserdampf kleiner als bei dem Wasserdampf-Reformer. Dies bedeutet, daß die Menge des von dem Oxidationsmittelabgas resultierenden Kondenswassers verringert werden kann, so daß das Trennmittel 112 und der Mischer 113 in der Größe verringert werden können. Im Gegensatz dazu wird der durch den Wasserdampfgenerator erzeugte Brennstoffdampf verringert. Die Verringerung des Brennstoffdampfes kann jedoch durch den Verdampfer 109 kompensiert werden.
Die gleichen Wirkungen wie bei der ersten und zweiten Ausführungsform werden bei dieser Ausführungsform erhalten. Außerdem ist diese Ausführungsform vorteilhaft, da das Trennmittel 112 und der Mischer 113 kleiner sind. Dies liegt daran, daß der Brennstoffdampf durch den Verdampfer 109 erzeugt werden kann, wenn das Wasserdampfvolumen unzureichend ist, beispielsweise in dem Fall, in dem ein Selbsterwärmungs-Reformer verwendet wird.
8 zeigt ein Polymer-Brennstoffzellensystem gemäß einer dritten Ausführungsform. Das Brennstoffzellensystem verwendet ein mit dem von der Abluft getrenntem Wasser mischbares Frostschutzmittel als das Frostschutzmittel mit einem Gefrierpunkt von 0°C oder weniger und einem Siedepunkt höher als Wasser. Um genauer zu sein, wird Ethylenglykol mit einem Siedepunkt von ungefähr 200°C verwendet. Außerdem wird Benzin als Flüssigbrennstoff verwendet.
In 8 wird ein Brennstoffgas durch einen Reformer 101 in ein wasserstoffreiches Gas reformiert. Das reformierte Gas wird einer Anode 100a eines Brennstoffzellenstapels 100 über eine CO-Entfernungseinheit 102 zugeführt. Nachdem durch eine elektrochemische Reaktion eine vorbestimmtes Menge verbraucht ist, wird das Brennstoff-Abgas, in dem nicht-reagierter Wasserstoff enthalten ist, an einen Brenner des Reformers 101 geliefert und als eine Wärmequelle verwendet.
Die durch den Kompressor 111 gelieferte Luft wird durch einen Gesamtenthalphie-Wärmeaustauscher 110 geführt und an die Kathode 100b des Brennstoffzellenstapels 100 geliefert. Nachdem durch die elektrochemische Reaktion eine vorbestimmte Menge verbraucht ist, wird aus der ausgeströmten Luft Wasser, das aus der elektrochemischen Reaktion resultiert, wiedergewonnen. Die ausgeströmte Luft wird durch den Gesamtenthalphie-Wärmeaustauscher 110 gekühlt und gibt Feuchtigkeit an die nicht-reagierte Luft bzw. Eintritts-Luft ab, um sie zu befeuchten.
Bei dieser Ausführungsform wird ein Trennmittel 112 zum Trennen von Wasserdampf von der ausgeströmten Luft durch Kondensieren vorgesehen, und ein Mischer 113 ist zum Mischen des abgetrennten Wassers mit einem Frostschutzmittel mit niedrigem Gefrierpunkt vorgesehen. Das Trennmittel 112 und der Mischer 113 sind dieselben wie in 3. Ethylenglykol, das als das Frostschutzmittel mit niedrigem Gefrierpunkt dient, wird in einem Tank 126 gespeichert. Das Ethylenglykol wird an den Mischer 113 mittels der Zufuhrpumpe 114 geliefert.
Das in dem Mischer 113 gespeicherte Lösungsgemisch wird an einen Dampfgenerator 116 mittels der Pumpe 115 geliefert. In dem Dampfgenerator 116 wird das Lösungsgemisch durch eine Wärmequelle aufgewärmt (nicht gezeigt). Auf diese Weise wird das in dem Lösungsgemisch enthaltene Wasser zu Wasserdampf verdampft. Der Wasserdampf wird als der Reformierungs-Wasserdampf geliefert. Ein Frostschutzmittel mit niedrigem Gefrierpunkt in dem verbleibenden Lösungsgemisch wird an einen Tank 126 durch eine Rückführungspumpe 127 rückgeführt. Da Ethylenglykol, das einen Siedepunkt höher als Wasser aufweist, bei dieser Ausführungsform als das Frostschutzmittel mit niedrigem Gefrierpunkt verwendet wird, wird nur Wasserdampf durch den Dampfgenerator 116 erzeugt. Auf diese Art kann der Wasserdampf von Ethylenglykol getrennt werden.
Ein Gefrieren kann in dem Mischer nicht auftreten, wenn das System angehalten wird. Es ist jedoch wünschenswert, daß das Volumen des Behälters in Anbetracht einer Gewichtsreduktion kleiner wird. Genauer gesagt ist es erwünscht, dass der Behälter des Brennstoffzellensystems, das 50 kW elektrische Leistung liefert, ein Volumen von etwa 2 Liter aufweist.
Benzin als Brennstoff wird mittels einer Brennstoffpumpe 108 über den Verdampfer 109 an den Reformer 101 geliefert und dann mit dem Wasserdampf gemischt. Auf diese Art wird der Brennstoff reformiert, um ein wasserstoffreiches Gas zu erhalten. Das Verhältnis des Brennstoffzufuhrvolumens und des Wasserzufuhrvolumens wird gesteuert, um innerhalb des Bereichs von 1:1 bis 1:3 zu fallen. Genauer gesagt werden die an die Brennstoffpumpe 108 und die Pumpe 115 zu liefernden Volumen durch die Steuereinheit 117 gesteuert, um in diesen Bereich zu fallen. Methanol kann als Brennstoff verwendet werden, und/oder Ethylenglykol kann als das Frostschutzmittel mit niedrigem Gefrierpunkt verwendet werden.
Das Brennstoffzellensystem, das gemäß dieser Ausführungsform 50 kW elektrische Leistung liefert, und ein herkömmliches Brennstoffzellensystem wurden für eine vorbestimmten Zeit betrieben. Nachdem die Systeme angehalten wurden, wurden sie in einem Umwelt-Testraum bei –40°C für einen Tag gelassen, und anschließend wieder angefahren.
Bei dem Brennstoffzellensystem dieser Ausführungsform trat kein Gefrieren auf, da ein Frostschutzmittel für das Kühlwasser in dem Lösungsgemisch verwendet wurde. Daher wurde der Reformierungs-Wasserdampf schnell erzeugt und das System war in etwa einer Minute betriebsbereit. In dem Trennmittel 112 fror das verbleibende Kondenswasser von 500 ml zu der Zeit, als das System angehalten wurde, aus. Das gefrorene Wasser wurde jedoch durch die Wärme der Abluft in etwa 10 Sekunden aufgetaut, nachdem das System wieder angefahren wurde.
Bei dem herkömmlichen Brennstoffzellensystem wird dagegen als Kühlwasser dienendes Reinwasser als Reformierungs-Wasserdampf verwendet. Infolge des Gefrierens des Kühlwassers fällt das System manchmal aus.
Wie beschrieben wurde, ist das Trennmittel 112 zum Trennen des Wasserdampfs von dem Oxidationsmittelabgas vorgesehen, indem dieser kondensiert wird, und der Mischer 113 ist zum Mischen des abgetrennten Wassers und des Frostschutzmittels mit niedrigem Gefrierpunkt vorgesehen. Mittels dieser Struktur kann der Gefrierpunkt des von dem Oxidationsmittelgas wiedergewonnenen Wassers verringert werden. Es ist daher möglich, das Gefrieren des Wassers bei einer Temperatur unter 0°C zu verhindern. Das System wird sogar in einer Umgebung unter 0°C schnell angefahren.
Diese Ausführungsform wird vorzugsweise auf das System angewendet, das einen wasserunlöslichen Brennstoff verwendet. Wenn beispielsweise Benzin zu dem von dem Oxidationsmittelabgas getrennten Wasser hinzugefügt wird, wie bei den ersten und zweiten Ausführungsformen, kann es nicht mit Wasser gemischt werden, da Benzin in Wasser unlöslich ist. Folglich kann der Gefrierpunkt von Wasser nicht abgesenkt werden. Wenn in diesem Fall das Frostschutzmittel mit niedrigem Gefrierpunkt neben dem Brennstoff verwendet wird, kann ein Gefrieren des von dem Oxidationsmittelabgas abgetrennten Wassers sogar dann verhindert werden, wenn ein wasserunlöslicher Brennstoff, wie beispielsweise Benzin, verwendet wird.
Ferner ist es möglich, nur Wasserdampf durch den Dampfgenerator zu erzeugen und zu trennen, wenn ein Frostschutzmittel mit einem Siedepunkt höher als Wasser und mit niedrigem Gefrierpunkt verwendet wird.
9 zeigt ein Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzellensystem gemäß einer vierten Ausführungsform. Wie bei der dritten Ausführungsform wird in diesem Fall Ethylenglykol als das Frostschutzmittel mit niedrigem Gefrierpunkt neben Benzin, das als Brennstoff dient, verwendet.
Bei dieser Ausführungsform, die nicht Gegenstand der beanspruchten Lehre ist, aber zum Verständnis der Erfindung beiträgt, wird ein Trennmittel 122, wie in 10 gezeigt, verwendet. Das Trennmittel 122 wird durch Integrieren des Trennmittels 112 und des Mischers 113 gemäß der vierten Ausführungsform in einer Einheit gebildet. Genauer gesagt ist das Trennmittel 122 für das Abtrennen des Wasserdampfs von dem Oxidationsmittelabgas durch Kondensation verantwortlich. Das Frostschutzmittel mit niedrigem Gefrierpunkt wird ferner an das Trennmittel 122 geliefert. Um zu berechnen, wie viel Wasser in dem Trennmittel 122 kondensiert ist, ist ferner ein Feuchtigkeitssensor 124 zum Messen des Wasserdampfvolumens in der Abluft vorgesehen. Um die Temperatur der Abluft zu messen, ist ein Temperatursensor 123 vorgesehen, nachdem die Wärme vollständig durch den Gesamtenthalpie-Wärmeaustauscher 110 ausgetauscht wurde.
Das durch das Trennmittel 122 getrennte Kondenswasser wird mit dem von der Zufuhrpumpe 114 gelieferten Frostschutzmittel mit niedrigem Gefrierpunkt gemischt. Ethylenglykol, das einen Gefrierpunkt niedriger als Wasser aufweist, wird als das Frostschutzmittel mit niedrigem Gefrierpunkt verwendet. Es ist möglich, den Gefrierpunkt von Wasser durch Mischen des Frostschutzmittels mit niedrigem Gefrierpunkt mit Wasser zu erniedrigen. Der Gefrierpunkt wird abhängig von der Art des Frostschutzmittels und des Mischungsverhältnisses von Wasser mit dem Frostschutzmittel bestimmt. Am wünschenswertesten wird Ethylenglykol in einer Menge von 30 bis 50 Gew.-% hinzugefügt.
Das Zufuhrvolumen von Ethylenglykol wird durch die Steuereinheit 117 gesteuert, um die oben erwähnte Konzentration zu erfüllen. Genauer gesagt, wird zuerst das in der Abluft enthaltene Wasserdampfvolumen auf der Basis des Zufuhrvolumens durch einen Kompressor 111 und die durch den Feuchtigkeitssensor 121 gemessenen Feuchtigkeit bestimmt. Dann wird das Kondensationsvolumen von Wasserdampf aus der Temperatur der Luft, nachdem die Wärme vollständig durch den Gesamtenthalpie-Wärmeaustauscher 110 ausgetauscht wurde, berechnet. Nachfolgend wird das Zufuhrvolumen von Ethylenglykol, das als das Frostschutzmittel mit niedrigem Gefrierpunkt dient, durch die Steuereinheit 117 gesteuert, um gleich 43% bis 100% der Menge des Kondenswassers zu ergeben.
Das in dem Trennmittel 122 gespeicherte Lösungsgemisch wird an den Dampfgenerator 116 mittels der Pumpe 115 geliefert. Das Lösungsgemisch wird durch eine (nicht gezeigte) Wärmequelle in dem Dampfgenerator 116 erwärmt, um das Wasser in dem Lösungsgemisch zu verdampfen. Der so erhaltene Wasserdampf wird als der Reformierungs-Wasserdampf geliefert. Das in dem Lösungsgemisch zurückgelassene Frostschutzmittel mit niedrigem Gefrierpunkt wird an einen Tank 126 durch die Rückführungspumpe 127 rückgeführt.
Da bei dieser Ausführungsform Ethylenglykol, das einen Siedepunkt höher als Wasser aufweist, als das Frostschutzmittel mit niedrigem Gefrierpunkt verwendet wird, wird nur Wasserdampf in dem Dampfgenerator 116 erzeugt. Auf diese Art wird der Wasserdampf von Ethylenglykol getrennt.
Das Brennstoffzellensystem, das gemäß dieser Ausführungsform 50 kW elektrische Leistung liefert, wurde für eine vorbestimmte Zeit betrieben. Nachdem das Zellensystem angehalten wurde, wurde das Brennstoffzellensystem in einem bei –40°C eingestellten Umwelttestraum für einen Tag gelassen, wobei es nachfolgend einer Funktionsprüfung unterworfen wurde.
Bei dem Brennstoffzellensystem dieser Ausführungsform trat kein Gefrieren auf, da ein Frostschutzmittel als Kühlwasser und Lösungsgemisch verwendet wurde. Daher wurde der Reformierungs-Wasserdampf schnell erzeugt, und das System wurde in etwa 1 Minute angetrieben.
Wie beschrieben wurde, ist das Trennmittel 122 zum Trennen des Wasserdampfs von dem Oxidationsmittelabgas durch Kondensieren vorgesehen, und das Trennmittel 122 ist zum Mischen des getrennten Wassers und des Frostschutzmittels mit niedrigem Gefrierpunkt vorgesehen. Folglich kann das Gefrieren des wiedergewonnenen Wassers in derselben Weise, wie bei der vierten Ausführungsform, verhindert werden. Der Behälter des Trennmittels 122 kann als ein Wassertank verwendet werden, so daß die Struktur des Systems kompakt wird.
Diese Ausführungsform wird vorzugsweise auf das System angewendet, das einen wasserunlöslichen Brennstoff in derselben Weise wie bei der dritten Ausführungsform verwendet. Wenn beispielsweise dem Wasser, das von dem Oxidationsmittelgas-Abgas, wie bei der ersten und zweiten Ausführungsform, abgetrennt wurde, Benzin hinzugefügt wird, kann es nicht mit dem Wasser gemischt werden, da Benzin in Wasser unlöslich ist. Folglich kann der Gefrierpunkt des Wassers nicht verringert werden. Wenn in diesem Fall das Frostschutzmittel mit niedrigem Gefrierpunkt neben dem Brennstoff verwendet wird, kann ein Gefrieren des von dem Oxidationsmittelgas-Abgas abgetrennten Wassers sogar dann verhindert werden, wenn der wasserunlösliche Brennstoff, wie beispielsweise Benzin, verwendet wird.
Ferner wird nur Wasserdampf in dem Dampfgenerator durch die Verwendung eines Frostschutzmittels, das einen Siedepunkt höher als Wasser aufweist, erzeugt, und das Frostschutzmittel mit niedrigem Gefrierpunkt wird abgetrennt.
11 zeigt ein Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzellensystem gemäß einer fünften Ausführungsform. Bei der fünften Ausführungsform wird Ethylenglykol als das Frostschutzmittel mit niedrigem Gefrierpunkt und Benzin als Brennstoff in derselben Weise wie bei der dritten und vierten Ausführungsform verwendet.
Bei dieser Ausführungsform ist ein Mischer 125 zum Mischen eines Oxidationsmittelabgas mit einem Frostschutzmittel, das einen Gefrierpunkt von 0°C oder weniger aufweist, vorgesehen. 12 zeigt eine Querschnittsansicht des Mischers 125, der nicht Gegenstand der beanspruchten Lehre ist aber zum Verständnis der Erfindung beiträgt. In dem Mischer 125 dieser Ausführungsform wird ein Rohr durch eine Wand eines Oxidationsmittelabgasrohrs 125a auf eine solche Weise eingeführt, daß ein Spitzenabschnitt des Rohrs parallel zu einem Strom des Oxidationsmittelgases ist. Der Brennstoff wird in das Oxidationsmittelabgas durch eine Zufuhrpumpe 114 gesprüht, um ein Lösungsgemisch herzustellen. Das Lösungsgemisch und das Oxidationsmittelabgas werden an ein Trennmittel 122 geliefert. Das Lösungsgemisch wird in dessen unterem Abschnitt gespeichert. Das Trennmittel weist die gleiche Form wie bei der Ausführungsform 1 und 3 auf.
Als das Frostschutzmittel mit niedrigem Gefrierpunkt wird beispielsweise Ethylenglykol verwendet. Es ist möglich, den Gefrierpunkt des Wassers durch Mischen des Frostschutzmittels mit niedrigem Gefrierpunkt in Wasser zu erniedrigen. Der Gefrierpunkt wird, abhängig von der Art des Frostschutzmittels und des Mischverhältnisses von Wasser in dem Frostschutzmittel bestimmt. Am bevorzugtesten ist Ethylenglykol in einer Menge von 30 bis 50 Gew.-% enthalten.
Um die oben erwähnte Konzentration zu erhalten, wird das Zufuhrvolumen von Ethylenglykol durch die Steuereinheit 117 gesteuert. Um genauer zu sein, wird die in der Abluft enthaltene Menge von Wasserdampf zuerst auf Basis des Zufuhrvolumens durch einen Kompressor 111 und der durch den Feuchtigkeitssensor 124 gemessenen Feuchtigkeit bestimmt. Dann wird das Kondensationsvolumen des Wasserdampfes aus der Lufttemperatur berechnet, nachdem Wärme durch einen Gesamtenthalpie-Wärmeaustauscher 110 ausgetauscht wurde. Nachfolgend wird das Zufuhrvolumen von Ethylenglykol durch die Steuereinheit 117 gesteuert, um 43 bis 100% der Kondensationsmenge zu ergeben.
Das in dem Trennmittel 122 gespeicherte Lösungsgemisch wird an einen Dampfgenerator 116 durch die Pumpe 115 geliefert. In dem Dampfgenerator 116 wird das Lösungsgemisch durch eine (nicht gezeigte) Wärmequelle erwärmt. Das in dem Lösungsgemisch enthaltene Wasser wird verdampft. Der so erhaltene Dampf wird als der Reformierungs-Wasserdampf geliefert. Das Frostschutzmittel mit niedrigem Gefrierpunkt in dem verbleibenden Lösungsgemisch wird durch eine Rückführungspumpe 127 in einen Tank 126 rückgeführt.
Da Ethylenglykol, das einen Siedepunkt höher als Wasser aufweist, bei dieser Ausführungsform als das Frostschutzmittel mit niedrigem Gefrierpunkt verwendet wird, wird nur Wasserdampf durch den Dampfgenerator 116 erzeugt. Auf diese Weise kann Wasser von Ethylenglykol getrennt werden.
Das Brennstoffzellensystem gemäß dieser Ausführungsform, das 50 kW elektrische Leistung liefert, wurde für eine vorbestimmte Zeit betrieben. Nachdem das System angehalten wurde, wurde es in einem bei –40°C eingestellten Umwelttestraum für einen Tag gelassen, wobei es nachfolgend einer Funktionsprüfung unterworfen wurde.
Da in dem Brennstoffzellensystem gemäß dieser Ausführungsform ein Frostschutzmittel als Kühlwasser und Lösungsgemisch verwendet wurde, trat kein Gefrieren auf. Daher wurde der Reformierungs-Wasserdampf schnell erzeugt und das System wurde in etwa 1 Minute angetrieben.
Wie beschrieben wurde, wird, da der Mischer 125 zum Mischen des Oxidationsmittelabgases mit dem Frostschutzmittel mit einem Gefrierpunkt von 0°C oder weniger vorgesehen ist, ein Gefrieren des wiedergewonnenen Wassers verhindert.
Diese Ausführungsform wird vorzugsweise auf das System, das einen wasserunlöslichen Brennstoff verwendet, in derselben Weise wie bei der dritten Ausführungsform angewendet. Wenn beispielsweise Benzin zu dem von dem Oxidationsmittelabgas abgetrennten Wasser hinzugefügt wird, wie bei der ersten und zweiten Ausführungsform, kann es mit Wasser nicht gemischt werden, da Benzin in Wasser unlöslich ist. Folglich kann der Gefrierpunkt des Wassers nicht abgesenkt werden. Wenn in diesem Fall das Frostschutzmittel mit niedrigem Gefrierpunkt neben dem Brennstoff verwendet wird, kann ein Gefrieren des von dem Oxidationsmittelabgas abgetrennten Wassers sogar dann verhindert werden, wenn ein wasserunlöslicher Brennstoff, wie beispielsweise Benzin, verwendet wird.
Wenn das Frostschutzmittel, das einen Siedepunkt höher als Wasser aufweist, ferner als das Frostschutzmittel mit niedrigem Gefrierpunkt verwendet wird, ist es möglich, nur Wasserdampf in dem Dampfgenerator zu erzeugen und abzutrennen.
13 zeigt ein Brennstoffzellensystem gemäß einer sechsten Ausführungsform. Von dem gesamten System zeigt diese Figur insbesondere einen Weg von dem Brennstoff-Reformer 101 zu einer Anode 100a eines Brennstoffzellenstapels 100. Weitere Systemteile einschließlich Luftzufuhrsystem, Abluftsystem und Kühlsystem sind die gleichen wie diejenigen, die bei der ersten und zweiten Ausführungsform gezeigt wurden.
Bei dieser Ausführungsform ist ein Trennmittel 112 zum Trennen von Wasserdampf von dem von einem Brennstoff-Reformer 101 zugeführten reformierten Gas vorgesehen. Der Mischer 113 ist zum Mischen des abgetrennten Wassers mit einem Frostschutzmittel vorgesehen, das einen Gefrierpunkt von 0°C oder weniger aufweist.
Das Trennmittel zum Trennen von Wasserdampf und der Mischer 113 zum Mischen eines Frostschutzmittel mit niedrigem Gefrierpunkt sind die gleichen wie bei der vierten Ausführungsform.
Das reformierte Gas enthält einen Wasserdampfüberschuß, der durch Reformierungsreaktion erzeugt wurde. Die Temperatur des Wasserdampfes wird jedoch durch einen (nicht gezeigten) Wärmetauscher erniedrigt und in einem kondensierten Zustand an einen Behälter geliefert. Das Kondenswasser wird in einem unteren Teil des Behälters gespeichert. Auf diese Art wird das Wasser von dem reformierten Gas getrennt.
Das Frostschutzmittel mit niedrigem Gefrierpunkt wird mittels der Zufuhrpumpe 114 durch ein Rohr zugeführt. Ein Rohr ist mit einem unteren Abschnitt eines zylindrischen Behälters des Trennmittels 112 verbunden. Das Frostschutzmittel mit niedrigem Gefrierpunkt wird mittels der Zufuhrpumpe 114 geliefert. Das getrennte Kondenswasser wird mit dem durch die Zufuhrpumpe 114 zugeführten Frostschutzmittel mit niedrigem Gefrierpunkt gemischt.
Wenn Methanol als Brennstoff verwendet wird, wird Methanol als das Frostschutzmittel mit niedrigem Gefrierpunkt verwendet. Wenn Benzin als Brennstoff verwendet wird, wird Ethylenglykol als das Frostschutzmittel mit niedrigem Gefrierpunkt verwendet.
Um die oben erwähnte Konzentration zu erhalten, wird das Zufuhrvolumen von Ethylenglykol durch die Steuereinheit 117 gesteuert. Das in dem Mischer 113 gespeicherte Lösungsgemisch wird an einen Dampfgenerator 116 durch die Pumpe 115 geliefert.
Die Ausführungsform kann wirksam auf das System angewendet werden, bei dem Wasserdampf aus dem reformierten Gas wiedergewonnen wird. Genauer gesagt, wenn der Reformer-Vorgang unter den folgenden Betriebsbedingungen durchgeführt wird: Gasdruck von 0,1 MPa oder mehr, eine Wasserstoff-Ausbeute von 80% oder weniger, eine Betriebstemperatur von 700°C oder weniger, und einem molaren Verhältnis von Methanol zu Wasser von 1:2,7 oder mehr bei der Reformierungs-Reaktion von Methanol mit Wasserdampf, wobei der Wasserdampf nahe einem Brennstoffzufuhrport kondensiert.
Wenn Wasser aus dem reformierten Gas wiedergewonnen wird, ist es möglich, ein Gefrieren des wiedergewonnenen Wassers zu verhindern, indem ein Trennmittel zum Trennen von Wasserdampf von dem von dem Brennstoff-Reformer 101 zugeführten reformierten Gas und der Mischer zum Mischen des abgetrennten Wassers mit dem Frostschutzmittel, das einen Gefrierpunkt von 0°C oder weniger aufweist, vorgesehen sind.
14 zeigt ein Brennstoffzellensystem gemäß einer siebten Ausführungsform. Von dem gesamten System zeigt diese Figur insbesondere einen Weg von einem Brennstoff-Reformer 101 zu einer Anode 100a eines Brennstoffzellenstapels 100. Andere Systemteile, wie das Luftzufuhrsystem, das Luftabzugssystem und das Kühlsystem, sind die gleichen wie diejenigen bei der ersten und zweiten Ausführungsform.
Bei dieser Ausführungsform wird ein Trennmittel/Mischer 130 so verwendet, wie es in den 4 und 5 beschrieben ist. Das/der Trennmittel/Mischer 130 wird durch Integrieren des Trennmittels 112 und des Mischers 113 gebildet, wie in 13 gezeigt ist. Die durch das Trennmittel 112 erzeugte Kondensationswärme wird an den Mischer 113 abgegeben.
Das reformierte Gas enthält Wasserdampf, der bei der Reformierungs-Reaktion erzeugt wurde. Die Temperatur des Wasserdampfes wird jedoch durch einen (nicht gezeigten) Wärmetauscher erniedrigt, und der Wasserdampf wird an einen Behälter des Trennmittels 112 in einem kondensierten Zustand geliefert. Das Kondenswasser wird in einem unteren Teil des Behälters des Trennmittels 112 gespeichert. Auf diese Art wird der Wasserdampf von dem reformierten Gas getrennt.
Das getrennte Kondenswasser wird mit einem Frostschutzmittel mit niedrigem Gefrierpunkt, das durch die Zufuhrpumpe 114 zugeführt wird, gemischt. Als das Frostschutzmittel mit niedrigem Gefrierpunkt wird ein Frostschutzmittel mit einem Gefrierpunkt niedriger als dem von Wasser verwendet, wie beispielsweise Ethylenglykol. Wenn das Frostschutzmittel mit niedrigem Gefrierpunkt mit Wasser gemischt wird, kann der Gefrierpunkt von Wasser erniedrigt werden. Der Gefrierpunkt kann abhängig von der Art des Frostschutzmittels und des Mischverhältnisses von Wasser zu dem Frostschutzmittel bestimmt werden. Am bevorzugtesten ist Ethylenglykol in einer Menge von 30 bis 50 Gew.-% enthalten.
Um die Konzentration zu erhalten, wird das Zufuhrvolumen von Ethylenglykol durch die Steuereinheit 117 gesteuert. Um genauer zu sein, wird zuerst die Menge von in dem reformierten Gas enthaltenen Dampf auf der Basis der durch den Feuchtigkeitssensor 128 und den Temperatursensor 129 gemessen Feuchtigkeit und Temperatur bestimmt. Dann wird das Kondensationsvolumen des Wasserdampfs aus der Temperatur des reformierten Gases berechnet. Nachfolgend wird das Zufuhrvolumen von Ethylenglykol durch die Steuereinheit 117 gesteuert, um 43% bis 100% der Kondensationsmenge zu ergeben. Das gespeicherte Lösungsgemisch wird an einen Dampfgenerator 116 durch eine Pumpe 115 geliefert.
Die Ausführungsform kann wirksam auf ein System angewendet werden, bei dem Wasserdampf von dem reformierten Gas wiedergewonnen wird. Genauer gesagt, wenn der Reformierungs-Vorgang unter den folgenden Betriebsbedingungen durchgeführt wird: Gasdruck von 0,1 MPa oder mehr, eine Wasserstoff-Ausbeute von 80% oder weniger, eine Betriebstemperatur von 700°C oder weniger, und ein molares Verhältnis von Methanol zu Wasser von 1:2,7 oder mehr in einer Reformierungs-Reaktion von Methanol mit Wasserdampf, wobei der Wasserdampf nahe einem Brennstoffzufuhrport kondensiert wird.
Wenn Wasser aus dem reformierten Gas wiedergewonnen wird, kann ein Gefrieren des wiedergewonnenen Wassers durch Zufuhr des Frostschutzmittels mit niedrigem Gefrierpunkt an ein/einen Trennmittel/Mischer 130 zum Trennen von Wasserdampf durch Kondensation von einem reformierten Gas, das von einem Brennstoff-Reformer 101 zugeführt wird, verhindert werden.
Zusätzlich zu diesem Vorteil ist es möglich, da ein Trennmittel/Mischer 130 verwendet wird, das/der durch Integrieren eines Trennmittels 112 und eines Mischers 113 gebildet wird, Wärme, wie beispielsweise von dem Trennmittel 112 erzeugte Kondensationswärme, an ein in dem Mischer 113 enthaltenes Lösungsgemisch abzugeben. Daher wird die Temperatur des Lösungsgemisches erhöht und die durch einen Verdampfer abgegebene Wärmemenge kann verringert werden. Somit kann der Wirkungsgrad des Systems verbessert werden.
15 zeigt ein Brennstoffzellensystem gemäß einer achten Ausführungsform. Von dem gesamten System zeigt diese Figur insbesondere einen Weg von einem Brennstoff-Reformer an eine Anode eines Brennstoffzellenstapels. Weitere Systemteile, einschließlich des Luftzufuhrsystems, des Luftabzugssystems und des Kühlsystems, sind die gleichen wie diejenigen bei der ersten und zweiten Ausführungsform. Bei dieser Ausführungsform ist der Mischer 131 zum Mischen eines reformierten Gases mit einem Frostschutzmittel, das eine Gefriertemperatur von 0°C oder weniger aufweist, vorgesehen. Der Mischer 131 ist der gleiche wie der Mischer 125 gemäß der fünften Ausführungsform.
In dem Mischer 131 dieser Ausführungsform wird ein Rohr durch eine Wand eines Rohrs für das reformierte Gas auf eine solche Weise durchgeführt, daß ein Spitzenabschnitt des Rohrs parallel zu einem Gasstrom des reformierten Gases gesetzt wird. Das Frostschutzmittel mit niedrigem Gefrierpunkt wird in das reformierte Gas durch eine Zufuhrpumpe 114 gesprüht, um ein Lösungsgemisch herzustellen.
Das Lösungsgemisch und das reformierte Gas werden an das Trennmittel 112 geliefert. Das Lösungsgemisch wird in dem unteren Teil gespeichert. Das Trennmittel 112 weist die gleiche Form wie bei der fünften Ausführungsform auf. Das Rohr zum Liefern eines Frostschutzmittel mit niedrigem Gefrierpunkt ist in diesem Fall nicht dargestellt.
Als das Frostschutzmittel mit niedrigem Gefrierpunkt wird beispielsweise Ethylenglykol verwendet. Es ist möglich, den Gefrierpunkt durch Mischen des Frostschutzmittels mit niedrigem Gefrierpunkt in Wasser zu erniedrigen. Der Gefrierpunkt wird abhängig von der Art des Frostschutzmittels und dem Mischverhältnis von Wasser mit dem Frostschutzmittel bestimmt. Am bevorzugtesten ist Ethylenglykol in einer Menge von 30 bis 50 Gew.-% enthalten.
Um die Konzentration zu erhalten, wird das Zufuhrvolumen von Ethylenglykol durch die Steuereinheit 117 gesteuert. Um genauer zu sein, die in einem reformierten Gas enthaltene Menge von Wasserdampf wird zuerst auf der Basis der durch den Feuchtigkeitssensor 128 gemessenen Feuchtigkeit bestimmt. Dann wird das Kondensationsvolumen des Wasserdampfs aus der Temperatur des reformierten Gases berechnet. Nachfolgend wird das Zufuhrvolumen von Ethylenglykol durch die Steuereinheit 117 gesteuert, um 43% bis 100% der Kondensationsmenge zu ergeben.
Das in dem Mischer 131 gespeicherte Lösungsgemisch wird an einen Dampfgenerator 116 durch eine Pumpe 115 zugeführt.
Die Ausführungsform kann wirksam auf das System angewendet werden, bei dem Wasserdampf aus dem reformierten Gas wiedergewonnen wird. Genauer gesagt, wenn der Reformierungs-Vorgang unter den folgenden Betriebsbedingungen durchgeführt wird: Gasdruck von 0,1 MPa oder mehr, Wasserstoff-Ausbeute von 80% oder weniger, Betriebstemperatur von 700°C oder weniger, und ein molares Verhältnis von Methanol zu Wasser von 1:2,7 oder mehr in einer Reformierungs-Reaktion von Methanol mit Wasser, wobei der Wasserdampf nahe einem Brennstoffzufuhrport kondensiert wird.
Wenn Wasser aus dem reformierten Gas wiedergewonnen wird, kann ein Gefrieren des wiedergewonnenen Wassers durch Bereitstellen des Mischers 131 zum Mischen des von einem Brennstoff-Reformer 101 gelieferten reformierten Gases mit einem Frostschutzmittel, das einen Gefrierpunkt von 0°C oder weniger aufweist, verhindert werden.

Claims

Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzellensystem mit: einem Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzellenstapel (100) für reformierten Brennstoff und ein Oxidationsmittelgas; einem Reformer (101) zum Erzeugen des reformierten Brennstoffes durch Reformieren eines Brennstoffes mit Wasserdampf; einem Gesamt-Enthalpie-Wärmeaustauschmittel (110) zum Austauschen von Wärme und Feuchtigkeit zwischen einem Abgas des Brennstoffzellenstapels (100) und dem dem Brennstoffzellenstapel (100) zuzuführenden Oxidationsmittelgas; einem Trennmittel (112) zum Trennen von Wasser aus dem reformierten Brennstoff oder aus dem über das Gesamt-Enthalpie-Wärmeaustauschmittel (110) zugeführten Abgas des Brennstoffzellenstapels (100), wobei das Trennmittel (112) einen ersten Behälter (112a) zum Durchleiten des Abgases des Brennstoffzellenstapels (100) oder des reformierten Brennstoffes enthält, der ausgestaltet ist, so dass Wasser aufgrund von Kondensation abgetrennt wird; einem Mischer (113) zum Mischen des von dem Trennmittel (112) gelieferten Wassers mit Brennstoff oder mit einem mit Wasser mischbaren Frostschutzmittel mit einem Gefrierpunkt von 0°C oder weniger und einem Siedepunkt höher als Wasser; einem ersten Zufuhrmittel (114) zum Liefern des Brennstoffes oder des Frostschutzmittels an den Mischer (113); und einem zweiten Zufuhrmittel (115) zum Zuführen von Wasser von dem Mischer (113) an den Reformer (101); dadurch gekennzeichnet, daß das Trennmittel (112) und der Mischer (113) über ein quantitatives Ventil (112b) verbunden sind, wobei das quantitative Ventil (112b) ausgestaltet ist, wenn eine vorbestimmte Menge Wasser im Trennmittel (112) gespeichert ist, zu öffnen und das Wasser in den Mischer (113) zu entladen, und wobei die Menge des dem Mischer (113) durch das erste Zufuhrmittel (114) zuzuführenden Brennstoffs oder des Frostschutzmittels als eine Funktion der Menge des von dem Trennmittel (112) an den Mischer (113) gelieferten Wassers steuerbar ist.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Trennmittel (112) und der Mischer (113) so ausgestaltet sind, daß sie Wasser von dem Abgas des Brennstoffzellenstapels (100) abtrennen.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Mischer (113) und das Trennmittel (112) ausgestaltet sind, daß sie Wasser von dem reformierten Brennstoff abtrennen, der von dem Reformer (101) an den Brennstoffzellenstapel (100) geliefert wird.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß es des weiteren einen Dampfgenerator (116) umfaßt, der zum Empfang der Mischung von dem Mischer (113) und zum Trennen des Frostschutzmittels vom Wasserausgestaltet ist, um so zu verhindern, daß Frostschutzmittel dem Reformer (101) oder dem Brennstoffzellenstapel (100) zugeführt wird.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Trennmittel (112) und der Mischer (113) einstückig ausgebildet sind.