DE20320913U1

DE20320913U1 - Reformer-Brennstoffzellen-System für mobile Räume

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Publication number: DE20320913U1
Application number: DE20320913U
Authority: DE
Original assignee: Truma Geraetetechnik GmbH and Co KG
Current assignee: Truma Geraetetechnik GmbH and Co KG
Priority date: 2003-12-22
Filing date: 2003-12-22
Publication date: 2005-05-19
Anticipated expiration: 2013-12-23

Abstract

Reformer-Brennstoffzellen-System für eine einen Nutzraum aufweisende mobile Einrichtung, mit
– einem Reformer (2) zum Erzeugen eines wasserstoffreichen Gases aus einem Primärbrennstoff;
– einer Brennstoffzelle (3) zum Erzeugen von elektrischem Strom unter Nutzung des wasserstoffreichen Gases; und mit
– einer Heizungseinrichtung (1) zum Erzeugen von Wärme für den Nutzraum;
dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Teil der Wärme von der Heizungseinrichtung (1) zu dem Reformer (2) und/oder zu der Brennstoffzelle (3) führbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Reformer-Brennstoffzellen-System gemäß dem Oberbegriff von Schutzanspruch 1 sowie ein Brennstoffzellen-System gemäß den Oberbegriffen der Schutzansprüche 15 und 19.
Reformer-Brennstoffzellen-Systeme sind seit langem bekannt. Ein Reformer erzeugt aus einem Primärbrennstoff ein wasserstoffreiches Gas, das in der Brennstoffzelle zum Erzeugen von elektrischem Strom verwendet wird.
Gegenstand der Erfindung ist ein Reformer-Brennstoffzellen-System, das vorrangig für die Bordstromversorgung in mobilen Einrichtungen, wie Reisemobilen, Caravans, Nutzfahrzeugen und Booten eingesetzt wird. Derartige mobile Einrichtungen weisen einen Nutzraum auf, wie z. B. eine Fahrerkabine, eine Kajüte oder den Wohnraum eines Caravans oder Reisemobils. Dementsprechend muss das Reformer-Brennstoffzellen-System nur eine verhältnismäßig geringe elektrische Nutzleistung von weniger als 3 kW, vorzugsweise 50 bis 500 W zur Verfügung stellen.
Für die Inbetriebnahme und den Dauerbetrieb sowohl des Reformers als auch der Brennstoffzelle ist eine ausreichende Wärmeversorgung erforderlich. Insbesondere bei Reformer-Brennstoffzellen-Systemen mit kleiner Leistung besteht bei Betrieb im Teillastbereich die Gefahr, dass keine ausreichende Wärme zur Verfügung steht, was zu einer Verschlechterung oder gar zu einem Erliegen des Reformer-Prozesses einerseits und des Brennstoffzellen-Prozesses andererseits führen kann.
Aus der DE 199 10 387 A1 ist eine Brennstoffzellenbatterie mit Heizung und verbesserter Kaltstartperformance bekannt, wobei zunächst die Heizung gestartet wird, deren Betriebswärme zum Aufheizen eines Brennstoffzellenstapels genutzt wird. Die Heizung erwärmt ein Wärmetransportmedium, welches durch die Reaktionskammern des Brennstoffzellenstapels geleitet wird und diesen dabei aufheizt.
Die Bereitstellung einer zusätzlichen Heizung erfordert jedoch Bauraum und zusätzliches Gewicht. Dies ist insbesondere bei einer mobilen Einrichtung unerwünscht, wo der Bauraum knapp ist und jedes zusätzliche Gewicht einen erhöhten Energieaufwand für die Fortbewegung erfordert.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Reformer-Brennstoffzellen-System mit kleiner elektrischer Leistung anzugeben, das insbesondere in einer mobilen Einrichtung zum Einsatz kommen kann und das trotz geringem Bau- und Gewichtsaufwand eine zuverlässige Funktion sowohl beim Starten als auch im Betrieb, insbesondere im Teillastbereich, sicherstellt.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Reformer-Brennstoffzellen-System gemäß Anspruch 1 sowie durch Brennstoffzellen-Systeme gemäß den Ansprüchen 15 und 19 gelöst. Vorteilhafte Weiterentwicklungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
Es wurde festgestellt, dass mobile Einrichtungen üblicherweise eine Heizungseinrichtung, z. B. eine Gasheizung oder Standheizung zum Erzeugen von Wärme für den Nutzraum der mobilen Einrichtung aufweisen. Als Nutzraum sind z. B. Aufenthaltsräume, aber auch Fahrerkabinen einer mobilen Einrichtung anzusehen. Die Heizungseinrichtung kann zum Erzeugen von Warmluft oder Warmwasser ausgebildet sein. Darunter ist ebenfalls eine Heizungseinrichtung zu verstehen, die lediglich zum Erwärmen von Brauchwasser (Boiler) dient, welches in dem Nutzraum verbraucht werden kann.
Gemäß der Erfindung ist wenigstens ein Teil der Wärme von der Heizungseinrichtung zu dem Reformer und/oder zu der Brennstoffzelle führbar. Die Heizungseinrichtung ist – wie oben beschrieben – ohnehin in der mobilen Einrichtung vorhanden. Wenigstens ein Teil ihrer Wärme wird zu dem Reformer und der Brennstoffzelle geführt, um zur Inbetriebnahme die erforderliche Starttemperatur zu erreichen. Auch im Betrieb des Reformer-Brennstoffzellen-Systems kann die Wärme von der Heizungseinrichtung genutzt werden, um einen Temperaturabfall – z. B. im Teillastbereich – zu kompensieren.
Als Reformer im Sinne der Erfindung ist jede Art von Einrichtung zum Erzeugen eines wasserstoffreichen Gases aus einem Primärbrennstoff zu verstehen. Dazu gehören Reformer im eigentlichen Sinne, aber auch Crackreaktoren, die ebenfalls in bekannter Weise zur Erzeugung des Gases genutzt werden können. Der Begriff "Reformer" ist daher in diesem Text weiter zu definieren als dies im eigentlichen technischen Sinne üblich ist; dies erscheint aber zweckmäßig, um eine sprachliche Überfrachtung des Textes durch ständige Doppelnennung von Reformern und Crackreaktoren zu vermeiden.
Als Brennstoffzelle kann im Sinne der Erfindung eine einzelne Brennstoffzelle, aber auch ein Stapel (Stack) oder mehrere Stapel von Brennstoffzellen verstanden werden. Es ist selbstverständlich bekannt, dass ein Reformer-Brennstoffzellen-System üblicherweise mehrere in Reihe geschaltete Brennstoff-Einzelzellen benötigt, um eine nutzbare elektrische Spannung zu erhalten.
Vorteilhafterweise wird die Wärme von der Heizungseinrichtung außen an den Reformer und/oder die Brennstoffzelle geführt. Dadurch kann ein bereits bekanntes Reformer-Brennstoffzellen-System ohne nennenswerte bauliche Veränderung in der mobilen Einrichtung verwendet werden.
Alternativ dazu ist es auch möglich, die Wärme von der Heizungseinrichtung über in dem Reformer oder der Brennstoffzelle bereits vorhandene Kanäle einzubringen und dadurch den Reformer oder die Brennstoffzelle zu erwärmen. Derartige Kanäle sind oftmals vorhanden, um den Reformer oder die Brennstoffzelle zu kühlen oder mit anderen Heizmitteln auf die erforderliche Betriebstemperatur zu bringen. Diese bereits vorhandenen Kanäle können jetzt erfindungsgemäß genutzt werden, um die Wärme von der Heizungseinrichtung möglichst dicht zu den gewünschten Reaktionskammern zu bringen.
Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist der Reformer und/oder die Brennstoffzelle in einer der Heizungseinrichtung zugeordneten Abgas-, Warmluft- und/oder Warmwasserabführung angeordnet. Auf diese Weise ist es einfach möglich, die von der Heizungseinrichtung erzeugte Wärme zumindest teilweise zu dem Reformer oder der Brennstoffzelle zu führen. Dadurch, dass der Reformer oder die Brennstoffzelle direkt in den ohnehin von der Heizungseinrichtung in der mobilen Einrichtung erzeugten Wärmestrom eingesetzt wird, erübrigen sich zusätzliche Leitungen, mit denen die Wärme transportiert werden müsste. Dadurch lässt sich der bauliche Aufwand auf ein Mindestmaß reduzieren.
Ergänzend oder alternativ dazu ist es möglich, die Wärme über einen Bypass und/oder einen Wärmetauscher zu dem Reformer und/oder der Brennstoffzelle zu führen.
Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die Heizungseinrichtung zum Erwärmen eines flüssigen oder gasförmigen Wärmemedi ums (z. B. Luft) ausgebildet, welches derart außerhalb einer Reaktionskammer des Reformers und/oder einer Reaktionskammer der Brennstoffzelle führbar ist, dass die Wärme von dem Wärmemedium in das Innere der Reaktionskammer übertragen werden kann. Das bedeutet, dass keine Voraussetzungen geschaffen werden müssen, um das Wärmemedium direkt in das Innere der Reaktionskammer zu transportieren. Vielmehr genügt es, das Wärmemedium lediglich an die Außenseite der Reaktionskammer zu führen, um den Reformer oder die Brennstoffzelle zu erwärmen.
In der Heizungseinrichtung kann eine Flamme erzeugbar sein, die räumlich von der Reaktionskammer des Reformers und/oder der Reaktionskammer der Brennstoffzelle getrennt ist, so dass sie nur zum Erwärmen des Wärmemediums dient, jedoch nicht zum direkten Erwärmen der Reaktionskammern. So können z. B. der Reformer und/oder die Brennstoffzelle auch direkt in oder an einem Brennraum der Heizungseinrichtung, z. B. oberhalb der Flamme, angeordnet werden. Die Flamme erwärmt die Außenwand des Reformers oder der Brennstoffzelle, so dass die darinliegenden Reaktionskammern miterwärmt werden.
Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die Heizungseinrichtung mit dem Primärbrennstoff betreibbar. Auf diese Weise muss in der mobilen Einrichtung lediglich ein Vorrat an Primärbrennstoff angelegt werden, der gleichermaßen zum Erzeugen von Wärme (durch die Heizungseinrichtung) und elektrischer Energie (durch die Brennstoffzelle) genutzt werden kann.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn als Primärbrennstoff Propangas oder ein Gasgemisch aus Propan und Butan verwendet wird. Brennstoffzellen-Systeme in dem hier interessierenden niedrigen Leistungsbereich nutzen üblicherweise Primärbrennstoffe auf Reinwasserstoff- oder Methanolbasis. Diese Brennstoffe sind jedoch nicht ohne weiteres verfügbar. Im Gegensatz dazu gibt es für mobile Einrichtungen, insbesondere für Reisemobile und Caravans, Gasflaschen, die Propangas oder ein Propan-Butan-Gasgemisch enthalten. Damit sind mobile Einrichtungen üblicherweise schon mit einem geeigneten Vorrat an Primärbrennstoff ausgestattet.
Alternativ dazu ist es auch möglich, die Heizungseinrichtung mit elektrischem Strom zu betreiben. Dies macht z. B. dann Sinn, wenn die mobile Einrichtung einen festen Standort hat, an dem elektrischer Strom zur Verfügung steht. Der Nutzraum der mobilen Einrichtung wie auch das Brauchwasser lässt sich dann durch die Elektroheizung erwärmen. In diesem Fall wird das Reformer-Brennstoffzellen-System vernünftigerweise nicht im Betrieb sein, da genügend elektrischer Strom aus dem öffentlichen Netz zur Verfügung steht.
Bei einer Variante dazu ist es möglich, die Elektroheizung über einen elektrischen Energiespeicher (z. B. Pufferbatterie) über einen gewissen Zeitraum zu betreiben, um den Reformer oder die Brennstoffzelle aufzuheizen und auf Betriebstemperatur zu bringen. Nach der Inbetriebnahme des Reformer-Brennstoffzellen-Systems sollte dann allerdings die Brennstoffzelle die zum Aufheizen verbrauchte Energie wieder an den Energiespeicher zurückgeben und diesen aufladen. Dementsprechend kann z. B. ein Zeitraum vorbestimmt werden, über den das System wenigstens betrieben werden muss, um eine vollständige Wiederaufladung des Energiespeichers zu gewährleisten.
Bei einer Weiterentwicklung der Erfindung ist dem Reformer und/oder der Brennstoffzelle zusätzlich eine eigene interne Heizungseinrichtung zugeordnet. Derartige Heizungseinrichtungen sind aus dem Stand der Technik bekannt. Sie können dann Sinn machen, wenn die Heizungseinrichtung der mobilen Einrichtung – z. B. im Sommer – außer Betrieb ist. Als derartige Heizungseinrichtungen eignen sich z. B. Brenner, insbesondere katalytische Brenner, sowie elektrische Heizeinrichtungen und auch Latentwärmespeicher.
Bei einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Brennstoffzelle eine oder mehrere Reaktionskammern (Brennstoffzellenstack) auf, die zwischen an sich bekannten Endplatten angeordnet sind. In den Endplatten sind Kanäle vorgesehen, durch die das heiße Gas aus dem Reformer, insbesondere das wasserstoffreiche Gas vor dem Einbringen in die Reaktionskammern der Brennstoffzelle führbar ist. Auf diese Weise wird das heiße Gas aus dem Reformer dazu genutzt, die Brennstoffzelle zur Inbetriebnahme aufzuheizen, bis eine geeignete Betriebstemperatur erreicht ist, oder auch die Brennstoffzelle auf einer vorgegebenen Temperatur zu halten.
Unter dem Begriff "heißes Gas" aus dem Reformer sollen alle Gasströme verstanden werden, die den Reformer verlassen. Dazu gehört zunächst das wasserstoffreiche Reformatgas mit den Hauptkomponenten Wasserstoff, Kohlendioxid, Kohlenmonoxid, Wasser sowie ggf. Stickstoff. Weiterhin zählt dazu ggf. Abgas ei nes Reformer-internen Brenners sowie weitere Abluft, z. B. Kühlluft, oder Luft, die zum Vergleichmäßigen der Gasverteilungen genutzt werden soll. Alle Gasströme, die durch die Wirkung des Reformers erhitzt werden, können als heißes Gas zum Beheizen der Brennstoffzelle genutzt werden.
Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist an der Brennstoffzelle eine Kühleinrichtung angeordnet, wobei die Kühleinrichtung zum Kühlen der Brennstoffzelle und zum Kühlen des wasserstoffreichen Gases aus dem Reformer dient. Dadurch ist es möglich, auf eine zusätzliche separate Kühleinrichtung für das Gas zu verzichten. Somit lässt sich außer Bauraum auch Gewicht sparen, was für den Energieverbrauch bei der Bewegung der mobilen Einrichtung vorteilhaft ist.
Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist dem Reformer und/oder der Brennstoffzelle Reaktionsluft aus der Umgebung zuführbar, wobei die Reaktionsluft durch Abwärme von dem Reformer und/oder der Brennstoffzelle und/oder durch Wärme von der Heizungseinrichtung vorwärmbar ist. Bereits auf diese Weise wird dem Reformer oder der Brennstoffzelle zusätzliche Wärme zugeführt, die anderenfalls verlorengehen würde.
Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die Brennstoffzelle eine Hochtemperatur-Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle (HTPEM-Brennstoffzelle). Dieser Zellentyp hat den Vorteil, dass er eine höhere Kohlenmonoxid-Verträglichkeit aufweist, wodurch die übliche Gasreinigung nach dem Reformer wesentlich vereinfacht wird. Auch sinkt der konstruktive Aufwand durch vereinfachte Kühlung bzw. Angleichung des Temperaturniveaus zwischen dem auf höherer Temperatur arbeitenden Reformer und der Brennstoffzelle.
Ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellen-System gemäß Anspruch 15 weist eine Brennstoffzelle auf, die auch ohne Reformer durch ein wasserstoffreiches Gas versorgt werden kann. Erfindungsgemäß ist dabei ein Teil der Wärme von der zum Beheizen des Nutzraumes der mobilen Einrichtung vorgesehenen Heizungseinrichtung zu der Brennstoffzelle führbar.
Das wasserstoffreiche Gas wird vorteilhafterweise in einem Gasvorratsspeicher, z. B. einem Metalhydridspeicher gespeichert. Auch dieser Gasvorratsspeicher kann mit Hilfe der Wärme von der Heizungseinrichtung der mobilen Einrichtung erwärmt werden.
Ein Verfahren zum Betreiben des Reformer-Brennstoffzellen-Systems ist u. a. gekennzeichnet durch die Schritte Aufheizen des Reformers durch die Heizungseinrichtung, Betreiben des Reformers zum Erzeugen eines wasserstoffreichen Gases, das wenigstens einen Teil eines von dem Reformer abgegebenen heißen Gases bildet, Aufheizen der Brennstoffzelle z. B. durch das heiße Gas bzw. das heilte Gas und die Heizungseinrichtung oder durch eine der Brennstoffzelle zugeordnete interne Heizungseinrichtung oder durch der Brennstoffzelle zugeführte, vorgewärmte Reaktionsluft, und Betreiben der Brennstoffzelle mit dem heißen wasserstoffreichen Gas. Hierbei wird zunächst die Heizungseinrichtung der mobilen Einrichtung dazu genutzt, den Reformer (auch: Crackreaktor) auf eine Temperatur aufzuheizen, in der er den Betrieb aufnehmen kann. Der Reformer erzeugt das heiße wasserstoffreiche Gas, das in die Brennstoffzelle geführt wird, um die Brennstoffzelle ebenfalls aufzuheizen. Es ist auch möglich, dass weitere von dem Reformer stammende Gasströme wie z. B. Kühlluft, die ebenfalls dem "heißen Gas" zuzurechnen sind, zum Beheizen der Brennstoffzelle genutzt werden. Dies ist insbesondere dann interessant, wenn die Wärmemenge des wasserstoffreichen Gases nicht ausreicht, um die Brennstoffzelle aufzuheizen. Selbstverständlich kann der Aufheizvorgang der Brennstoffzelle auch durch die Heizungseinrichtung unterstützt bzw. vollständig allein übernommen werden. Zum Aufheizen der Brennstoffzelle können somit mehrere Mittel gleichzeitig genutzt werden. Wenn die Brennstoffzelle die geeignete Temperatur erreicht hat, kann der Betrieb der Brennstoffzelle, d. h. die Stromerzeugung aufgenommen werden.
Ein anderes Verfahren ist durch die Schritte Aufheizen eines Gasvorratsspeichers durch die Heizeinrichtung der mobilen Einrichtung, Aufheizen der Brennstoffzelle, Betreiben der Brennstoffzelle mit dem wasserstoffreichen Gas aus dem Gasvorratsspeicher und Zuführen von Wärme von der Brennstoffzelle zu dem Gasvorratsspeicher gekennzeichnet. Das Aufheizen der Brennstoffzelle kann auf verschiedene Weise erfolgen, z. B. durch das heiße wasserstoffreiche Gas aus dem Gasvorratsspeicher, durch die Heizungseinrichtung der mobilen Einrichtung, durch eine der Brennstoffzelle zugeordnete interne Heizungseinrichtung und/oder durch der Brennstoffzelle zugeführte Reaktionsluft, die durch die Heizungseinrichtung der mobilen Einrichtung oder eine eigene interne Heizungseinrichtung vorher erwärmt wird.
Eine weitere Lösung der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe ist in Anspruch 19 definiert. Danach weist ein Brennstoffzellen-System außer einer Brennstoffzelle auch einen Latentwärmespeicher auf, in dem wenigstens ein Teil der Wärme gespeichert werden kann, die von der Brennstoffzelle im normalen Betriebszustand abgegeben wird. Die gespeicherte Wärme kann zu einem späteren Zeitpunkt, nach Abschalten des Brennstoffzellen-Systems aus dem Latentwärmespeicher abgerufen werden und dann dazu genutzt werden, einen Aufheizvorgang der Brennstoffzelle nach einem Neustart zu unterstützen oder gar vollständig zu übernehmen.
Für diesen Zweck eignet sich vorzugsweise ein aktivierbarer Latentwärmespeicher, bei dem die Abgabe der Wärme durch einen Steuerimpuls ausgelöst werden kann. Latentwärmespeicher sind bekannt. Es eignen sich insbesondere Zeolith-, Parafin-, oder Zucker-Alkohol-Latentwärmespeicher sowie Latentwärmespeicher mit Salzhydratlösungen.
Der Latentwärmespeicher kann auch bei einer anderen Ausführungsform mit der oben beschriebenen, zum Erzeugen von Wärme für den Nutzraum einer Mobileinrichtung dienenden Heizungseinrichtung gekoppelt werden bzw. zusammenwirken, um gemeinsam die Brennstoffzelle aufzuheizen.
Diese und weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung werden nachfolgend unter Zuhilfenahme der Figuren näher erläutert. Es zeigen
1 den allgemeinen Aufbau eines erfindungsgemäßen Reformer-Brennstoffzellen-Systems;
2 einen Ausschnitt aus 1 in größerer Detaillierung; und
3 den allgemeinen Aufbau eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellen-Systems gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung.
1 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines Reformer-Brennstoffzellen-Systems in einer mobilen Einrichtung.
Die mobile Einrichtung weist eine Heizungseinrichtung 1 auf, zum Erzeugen von Wärme für einen nicht dargestellten Nutzraum der mobilen Einrichtung. Darunter können eine Fahrer- oder Fahrgastzelle verstanden werden sowie Wohnräume in Wohnwagen, Reisemobilen, Kajüten auf Booten, etc.
Die Heizungseinrichtung 1 dient zum Erzeugen von Warmluft oder Warmwasser. Die Warmluft kann direkt zum Erwärmen des Nutzraums verwendet werden, während das Warmwasser seine Wärme über einen Wärmetauscher (z. B. Heizkörper) an die Luft im Nutzraum abgibt. Es ist weiterhin möglich, durch die Heizungseinrichtung 1 Warmwasser allein für Brauchwasserzwecke, jedoch nicht zum Erwärmen der Luft in dem Nutzraum zu verwenden. Auch die Verwendung einer derartigen Heizungseinrichtung 1 (Boiler) ist als zur Erfindung gehörig anzusehen.
Bei der Heizungseinrichtung 1 kann es sich um eine Gasheizung handeln, wie in 1 dargestellt. Alternativ oder ergänzend dazu kann jedoch auch eine Elektroheizung vorgesehen sein, die dann zum Einsatz kommt, wenn die mobile Einrichtung an eine externe Stromversorgung angeschlossen ist, so dass das Reformer-Brennstoffzellen-System nicht aktiviert werden muss.
Weiterhin ist ein Reformer-Brennstoffzellen-System vorgesehen, dass einen Reformer 2 und eine Brennstoffzelle 3 aufweist. Reformer-Brennstoffzellen-Systeme sind in vielfältiger Weise bekannt, so dass an dieser Stelle auf eine detaillierte Erläuterung verzichtet werden kann. Unter dem Begriff "Reformer" mit dem Bezugszeichen 2 ist prinzipiell jede Art von Reformer zu verstehen. Dazu gehören auch sogenannte Crack-Reaktoren, bei denen ein Primärbrennstoff zum Erzeugen von wasserstoffreichem Gas gecrackt wird. Auch dieses Verfahren ist bekannt, so dass es keiner näheren Erläuterung bedarf. Somit ist mit dem Begriff "Reformer" jede Einrichtung gleichzusetzen, mit der aus einem Primärbrennstoff ein wasserstoffreiches Gas erzeugt werden kann.
Auch Brennstoffzellen sind als verschiedene Typen mit unterschiedlichem Aufbau seit langem bekannt. Der Begriff "Brennstoffzelle" umfasst außer einer einzelnen Brennstoffzelle auch einen sogenannten Brennstoffzellenstapel (Stack) oder ein System von mehreren Brennstoffzellen-Stacks. Der genaue Aufbau und die Funktionsweise der Brennstoffzelle 3 ist an sich bekannt und für die Erfindung ohne Bedeutung, so dass sich eine nähere Erläuterung erübrigt.
Als besonders geeignet hat sich eine sogenannte "Hochtemperatur-Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle" erwiesen, kurz HT-PEM-Brennstoffzelle.
Das Innere der einzelnen Zellen wird auch als Reaktionskammer bezeichnet, wobei die Zellen durch Bipolarplatten voneinander getrennt sind.
Sowohl die Heizungseinrichtung 1 als auch der Reformer 2 werden mit Primärbrennstoff aus einem Brennstoffvorrat 4 versorgt. Dadurch, dass beide Elemente den gleichen Primärbrennstoff verwenden können, erübrigt sich die Bereitstellung eines zweiten Brennstoffvorrats. Vielmehr kann der üblicherweise bei einer mobilen Einrichtung bereits vorhandene Brennstoffvorrat genutzt werden.
Als Primärbrennstoff eignet sich besonders Propan oder ein Gasgemisch aus Propan und Butan, die sich bereits als Brennstoffe für Heizungen in mobilen Einrichtungen bestens bewährt haben und leicht in Gasflaschen zu lagern sind. Jedoch eignen sich auch andere flüssige oder gasförmige Kohlenwasserstoffverbindungen (z. B. Diesel), die bei entsprechender Brennstoffaufbereitung sowohl für die Heizungseinrichtung als auch durch den Reformer bzw. Crack-Reaktor nutzbar sind.
Der Reformer 2 und die Brennstoffzelle 3 sind in einem Bereich angeordnet, in dem sie von einem Wärmestrom 5 erfasst werden, der die Heizungsabwärme von der Heizungseinrichtung 1 wegführt. Als Wärmestrom 5 eignet sich die von der Heizungseinrichtung 1 erwärmte Warmluft oder das von der Heizungseinrichtung 1 erwärmte Wasser. Ebenfalls ist es möglich, das Abgas von der Heizungseinrichtung 1 als Wärmestrom 5 zur Erwärmung von Reformer 2 und Brennstoffzelle 3 zu nutzen.
In 1 ist dargestellt, dass sowohl der Reformer 2 als auch die Brennstoffzelle 3 durch den Wärmestrom 5 erwärmt werden. Bei anderen, nicht dargestellten Ausführungsformen ist es auch möglich, nur den Reformer 2 oder nur die Brennstoffzelle 3 durch die Heizungseinrichtung 1 zu erwärmen. So ist es z. B. denkbar, dass zunächst die Heizungseinrichtung 1 den Reformer 2 erwärmt und auf Betriebstemperatur bringt, so dass der Reformer 2 anschließend heißes wasserstoffreiches Gas erzeugt, das zum Erwärmen der Brennstoffzelle 3 zu dieser geführt wird. Außer dem wasserstoffreichen Gas, das in dem Reformer 2 erzeugt wird, können auch andere erwärmte bzw. heiße Gasströme von dem Reformer 2 ausgehen. Dazu gehört z. B. das Abgas eines in dem Reformer vorhandenen Brenners sowie Abluft, die dem Reformer 2 vorher als Kühlluft zugeführt wurde. Alle diese Gasströme sind heiß und können somit zum Erwärmen der Brennstoffzelle 3 genutzt werden.
Ergänzend zu der Wärme von der Heizeinrichtung 1 können sowohl der Reformer 2 als auch die Brennstoffzelle 3 mit eigenen, internen Wärmequellen 6, 7 ausgestattet sein. Mit Bezugszeichen 6 ist eine elektrische Wärmequelle bezeichnet, während Bezugszeichen 7 einen z. B. mit Primärbrennstoff betriebenen Brenner betrifft. Derartige interne Wärmequellen, die meist direkt das Innere der Reaktionskammern im Reformer 2 oder in der Brennstoffzelle 3 erwärmen, sind bekannt, so dass sich eine nähere Beschreibung erübrigt. Die interne Wärmequelle 7 kann z. B. auch durch das wasserstoffhaltige Gas aus dem Reformer 2 betrieben werden.
2 zeigt das Reformer-Brennstoffzellen-System in größerer Detaillierung, jedoch ohne die Heizungseinrichtung 1.
Der Primärbrennstoff – vorzugsweise Propan oder ein Propan-Butan-Gasgemisch – wird aus dem Brennstoffvorrat 4 in einer Gasaufbereitungsstufe 8 entschwefelt und dem Reformer 2 zugeführt. In dem Reformer 2 wird aus dem Primärbrennstoff ein wasserstoffreiches Gas gebildet, welches einer anschließenden Gasreinigung 9 (Shiftstufe, selektive Oxidation, Methanisierung) unterzogen wird. Je nach Reformer-Typ wird das Propan unter Zufuhr von Luft und/oder Wasser katalytisch in ein wasserstoffhaltiges Gas mit den Hauptkomponenten Wasserstoff, Kohlendioxid, Kohlenmonoxid, Wasser sowie ggf. Stickstoff umgewandelt. In der nachfolgenden Gasreinigung 9 wird der Kohlenmonoxid-Anteil im Gas unter Einsatz eines weiteren Katalysators verringert.
Danach wird das Gas in einer Gaskühleinrichtung 10 gekühlt und der Brennstoffzelle 3 zugeführt. Bei der Brennstoffzelle 3 handelt es sich vorzugsweise um eine Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle mit hoher Betriebstemperatur. Aufgrund der höheren Temperatur ist es möglich, die Kühleinrichtung 10 sehr einfach auszuführen, weil der Temperaturunterschied zwischen dem Reformer 2 und der Brennstoffzelle 3 gering ist. Typische Temperaturbereiche, in denen im Reformer 2 die Reformierung in Gang gesetzt wird, sind – abhängig vom zugeführten Kohlenwasserstoff – ca. 250 bis 600 °C. Bei der Brennstoffzelle liegt der Temperaturbereich – abhängig von der Art des Polymerelektrolytmaterials und dem CO-Gehalt im Reformatgas – zwischen Umgebungstemperatur und ca. 200 °C.
Speziell im Teillastbereich eines derartigen "Kleinsystems" wie das von der Erfindung betroffene reicht oft die von dem Reformer 2 und der Brennstoffzelle 3 selbst produzierte Wärmeenergie nicht aus, um das Gesamtsystem auf einem für einen ordnungsgemäßen Betrieb notwendigen Temperaturniveau zu halten. Dies betrifft insbesondere mit Reformatgas betriebene HT-PEM-Brennstoffzellen mit Betriebstemperaturen bis zu 250 °C, bei denen vermieden werden muss, dass bei niedrigeren Zellen-Temperaturen im Teillastbereich eine CO-Vergiftung der Katalysatorschichten der Brennstoffzelle erfolgt. Die Heizungseinrichtung 1 liefert hierfür die erforderliche zusätzliche Wärme, um einen Betrieb im gewünschten Temperaturbereich sicherzustellen.
Darüber hinaus kann zusätzliche Wärme für die Brennstoffzelle 3 im Teillastbereich auch über die Reformer-Abwärme oder das heiße Reformatgas bereitgestellt werden.
Für die Brennstoffzelle 3 und die vorgeschaltete Gaskühleinrichtung 10 ist eine Kühleinrichtung 11 vorgesehen, mit der die überschüssige Wärme an die Umgebung abgegeben werden kann. Sofern erforderlich, kann die Wärme natürlich auch dazu genutzt werden, den Nutzraum der mobilen Einrichtung bzw. das Brauchwasser zu erwärmen.
Besonders günstig ist es, wenn die Gaskühleinrichtung 10 in die Brennstoffzelle 3 integriert ist oder zumindest Bestandteil eines Brennstoffzellen-Kühlkreises unter Nutzung der Kühleinrichtung 11 ist. Dadurch kann die bei der Gaskühlung frei werdende Wärme gleichzeitig zur Beheizung und Aufrechterhaltung des Temperaturniveaus der Brennstoffzelle, z. B. im Teillastbereich, dienen.
Der von der Brennstoffzelle 3 erzeugte elektrische Strom kann in einem Transformator 12 hochtransformiert werden, um einen Bordstrom auf geeignetem Spannungsniveau (z. B. 12, 24 oder 230 V) für die mobile Einrichtung bereitzustellen. Die gewonnene elektrische Energie kann z. B. zum Betreiben einer Lichtanlage, eines Kühlschranks, eines Heizungsgebläses oder einer Klimaanlage in einem Caravan genutzt werden.
Bei dem erfindungsgemäßen, für niedrige Leistung ausgelegten Reformer-Brennstoffzellen-System kann es sinnvoll sein, die Anzahl der Einzelbrennstoffzellen im Brennstoffzellen-Stack gering zu halten. Hierbei hat sich eine Anzahl von sechs bis zwölf Einzelbrennstoffzellen als geeignet erwiesen. Die Anpassung des Ausgangsspannungswertes auf z. B. 12 V erfolgt dann über den Transformator 12. Dies hat den Vorteil, dass der Brennstoffzellen-Stack kompakter ausgeführt werden kann und damit eine geringere Masse auf das Starttemperaturniveau aufgeheizt werden muss.
Sowohl der Reformer 2 als auch die Brennstoffzelle 3 werden mit Luft von einer Luftversorgungseinrichtung 13 inklusive vorgeschaltetem Filter in bekannter Weise versorgt. Eine Luftvorwärmung kann über die Abwärme aus dem Reformer-Brennstoffzellen-System, aber auch durch die Abwärme von der Heizungseinrichtung 1 erfolgen.
Das die Brennstoffzelle 3 verlassende Abgas (Anodengas) enthält oft noch brennbare Bestandteile, die aus Sicherheitsgründen in einem Abgas- oder Offgas-Brenner 14 (z. B. katalytischer Brenner) verbrannt werden. Die dabei entstehende Wärme kann wieder dem Reformer 2, der Brennstoffzelle 3 oder auch dem Nutzraum zugeführt werden.
Weiterhin weist die Abluft und das Abgas der Brennstoffzelle 3 Wasser auf, das durch einen Abluftkondensator 15 und einen Abgaskondensator 16 gewonnen wird. Dem Abluftkondensator 15 ist weiterhin ein Wasserabscheider 17 zugeordnet, während der Abgaskondensator 16 mit einem Wasserabscheider 18 gekoppelt ist. Die Wasserabscheider 17, 18 stellen sicher, dass in den Gasströmungen vorhandene, bereits auskondensierte Wassertröpfchen abgefangen werden, sodass kein Wasser das System verlässt. Das Wasser kann z. B. in einem Wasservorrat 19 gesammelt und dann wieder dem Reformer 2 und/oder der Brennstoffzelle 3 zugeführt werden, so dass ein geschlossener Wasserkreislauf gebildet wird und kein Frischwasser zugeführt werden muss.
Vervollständigt wird das System durch eine Systemsteuerung, Medienleitungen, Regelventile sowie Mess- und Sicherheitseinrichtungen.
Die Erfindung wurde anhand eines Reformer-Brennstoffzellen-Systems erläutert. Jedoch lässt sich der prinzipielle Aufbau auch bei einer Brennstoffzelle realisie ren, der kein Reformer vorgeschaltet ist, sondern bei der direkt Reinwasserstoff als Brennstoff zugeführt wird. Auch in diesem Fall kann die Brennstoffzelle durch die Heizungseinrichtung der mobilen Einrichtung auf Betriebstemperatur gebracht und gehalten werden. Die verschiedenen, oben beschriebenen Ausführungsformen lassen sich in analoger Weise auf ein derartiges System ohne Reformer übertragen.
3 zeigt in Abwandlung von 1 eine andere Ausführungsform der Erfindung, bei der der in 1 gezeigte Reformer 2 durch einen Gasvorratsspeicher 20 ersetzt ist. Bei dem Gasvorratsspeicher 20 kann es sich z. B. um einen Metalhydridspeicher handeln. Der Gasvorratsspeicher 20 kann durch die Heizungseinrichtung 1 zu Beginn des Prozesses aufgeheizt werden (z. B. auf 200 °C), damit Wasserstoff aus dem Gasvorratspeicher 20 freigesetzt wird. Der Wasserstoff wird an die Brennstoffzelle 3 geliefert, die ebenfalls durch die Heizungseinrichtung 1 aufgeheizt werden kann. Beim Betrieb der Brennstoffzelle 3 kann die Abwärme der Brennstoffzelle 3 wiederum an den Gasvorratsspeicher 20 geführt werden, um die erforderliche Betriebstemperatur beizubehalten.

Claims

Reformer-Brennstoffzellen-System für eine einen Nutzraum aufweisende mobile Einrichtung, mit – einem Reformer (2) zum Erzeugen eines wasserstoffreichen Gases aus einem Primärbrennstoff; – einer Brennstoffzelle (3) zum Erzeugen von elektrischem Strom unter Nutzung des wasserstoffreichen Gases; und mit – einer Heizungseinrichtung (1) zum Erzeugen von Wärme für den Nutzraum; dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Teil der Wärme von der Heizungseinrichtung (1) zu dem Reformer (2) und/oder zu der Brennstoffzelle (3) führbar ist.
System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Wärme von der Heizungseinrichtung (1) außen und/oder über in dem Reformer (2) oder der Brennstoffzelle (3) vorhandene Kanäle an den Reformer (2) und/oder die Brennstoffzelle (3) führbar ist.
System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Reformer (2) und/oder die Brennstoffzelle (3) in einer der Heizungseinrichtung (1) zugeordneten Abgas-, Warmluft- und/oder Warmwasserabführung angeordnet ist.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass Wärme von der Heizungseinrichtung (1) über einen Bypass und/oder einen Wärmetauscher zu dem Reformer (2) und/oder der Brennstoffzelle (3) führbar ist.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizungseinrichtung (1) zum Erwärmen eines flüssigen oder gasförmigen Wärmemediums ausgebildet ist, und dass das erwärmte Wärmemedium derart außerhalb einer Reaktionskammer des Reformers (2) und/oder einer Reaktionskammer der Brennstoffzelle (3) führbar ist, dass Wärme von dem Wärmemedium in das Innere der Reaktionskammer übertragbar ist.
System nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass in der Heizungseinrichtung (1) eine Flamme erzeugbar ist, die räumlich derart von der Reaktionskammer des Reformers (2) und/oder der Reaktionskammer der Brennstoffzelle (3) getrennt ist, dass sie nur zum Erwärmen des Wärmemediums dient, jedoch nicht zum direkten Erwärmen der Reaktionskammern.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizungseinrichtung (1) mit dem Primärbrennstoff betreibbar ist.
System nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Primärbrennstoff Propangas oder ein Gasgemisch aus Propan und Butan ist.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizungseinrichtung (1) mit elektrischem Strom betreibbar ist.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass dem Reformer (2) und/oder der Brennstoffzelle (3) zusätzlich eine eigene interne Heizungseinrichtung (6, 7) zugeordnet ist.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass – die Brennstoffzelle (3) eine oder mehrere Reaktionskammern aufweist, die zwischen Endplatten angeordnet sind; und dass – in den Endplatten Kanäle vorgesehen sind, durch die heißes Gas aus dem Reformer (2) vor dem Einbringen in die Reaktionskammer der Brennstoffzelle (3) führbar ist.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass – an der Brennstoffzelle (3) eine Kühleinrichtung (11) angeordnet ist; und dass – die Kühleinrichtung (11) zum Kühlen der Brennstoffzelle (3) und zum Kühlen des wasserstoffreichen Gases aus dem Reformer (2) dient.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass – dem Reformer (2) und/oder der Brennstoffzelle (3) Reaktionsluft zuführ bar ist; und dass – die Reaktionsluft durch Abwärme von dem Reformer (2) und/oder der Brennstoffzelle (3) und/oder durch Wärme von der Heizungseinrichtung (1) vorwärmbar ist.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzelle (3) eine Hochtemperatur-Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle ist.
Brennstoffzellen-System für eine einen Nutzraum aufweisende mobile Einrichtung, mit – einer Brennstoffzelle (3) zum Erzeugen von elektrischem Strom unter Nutzung eines wasserstoffreichen Gases; und mit – einer Heizungseinrichtung (1) zum Erzeugen von Wärme für den Nutzraum; dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Teil der Wärme von der Heizungseinrichtung (1) zu der Brennstoffzelle (3) führbar ist.
System nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das wasserstoffreiche Gas in einem Gasvorratsspeicher (20) speicherbar ist.
System nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil der Wärme von der Heizungseinrichtung (1) zu dem Gasvorratsspeicher (20) führbar ist.
System nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass nach einer Aufheizphase des Systems Wärme von der Brennstoffzelle (3) zu dem Gasvorratsspeicher (20) führbar ist.
Brennstoffzellen-System, mit – einer Brennstoffzelle (3) zum Erzeugen von elektrischem Strom unter Nutzung eines wasserstoffreichen Gases; und mit – einem Latentwärmespeicher zum Speichern von wenigstens einem Teil der Wärme, die von der Brennstoffzelle (3) im Betrieb abgegeben wird; dadurch gekennzeichnet, dass während eines Aufheizvorgangs der Brennstoffzelle (3) die Wärme aus dem Latentwärmespeicher zu der Brennstoffzelle (3) führbar ist.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass – ein Latentwärmespeicher vorgesehen ist, zum Speichern von wenigstens einem Teil der Wärme, die von der Brennstoffzelle (3) im Betrieb abgegeben wird; und dass – während eines Aufheizvorgangs der Brennstoffzelle Wärme aus dem Latentwärmespeicher zu der Brennstoffzelle (3) führbar ist.