NL1021971C2 - Brandstofcelinrichting. - Google Patents

Description

5

Titel: Brandstofcelinrichting

De uitvinding heeft betrekking op een brandstofcelinrichting met een brandstofceleenheid en een brandstofproductie-eenheid voor de productie van een met waterstof verrijkte brandstof volgens de aanhef van conclusie 1.

5 Stand der techniek

Brandstofcellen zijn elektrochemische omvormers van chemische energie naar elektrische energie. Een brandstofcel bestaat uit een anode, waarin een stof elektrochemisch geoxideerd wordt, een kathode, waaraan een 10 andere stof elektrochemisch gereduceerd wordt en een elektrolyt die een ionisch ladingstransport tussen de beide elektroden toestaat.Eenvoudigheidshalve wordt hierna met brandstof de te oxideren stof bedoeld. Overeenkomstig dient zonder beperking van de algemeenheid met het begrip "lucht" de te reduceren stof aangeduid te worden. In beginsel kan het bij 15 een brandstofceleenheid zowel om een enkele brandstofcel gaan als ook om een elektrische en/of elektrochemische schakeling van meerdere enkelvoudige cellen. Naast de elektrische schakeling bevindt zich in een brandstofceleenheid respectievelijk een brandstofcellenstapel ook een structuur, die ter verzorging van de elektroden met educten en de afvoer van producten dient. Tot een 20 brandstofcelinrichting behoren naast de brandstofcellenstapel ook periferie componenten, die bijvoorbeeld nodig zijn voor de gasverzorging, voor warmte huishouding en voor de regelingstechniek van de stapel.

In vele gevallen is men ertoe overgegaan met waterstof verrijkte 25 brandstof voor de brandstofceleenheid uit koolwaterstoffen, zoals aardgas, 1021971 ! 2 benzine, diesel, methanol of dergelijke te winnen. Hiertoe is een geschikte brandstofceleenheid nodig voor de omvorming van koolwaterstoffen in een met waterstof verrijkte brandstof.

5 Bij gebruikelijke brandstofcelinrichtingen worden vaak zogenoemde PEM-brandstofcellen toegepast, die echter in het bijzonder op koolmonoxidedelen in het waterstofrijke medium met een CO-bedekking van de katalytische kathode reageert, zodat de omzetting van waterstof aan de elektrode bemoeilijkt respectievelijk verhinderd wordt. Deze CO-bedekking 10 wordt door vaklieden in het algemeen met "vergiftiging" van de kathode aangeduid. Om deze reden moeten dergelijke brandstofcelinrichtingen de productie van een zoveel mogelijk koolmonoxidevrije, waterstofrijk medium waarborgen. Zo wordt het koolmonoxidegedeelte in het met waterstof verrijkte reformaat, respectievelijk de brandstof met behulp van reactoren reeds 15 nagenoeg volledig gereduceerd.

De componenten van een dergelijke brandstofcelinrichting tonen transport- en/of bedrijfsweerstand voor de brandstof respectievelijk de bedrijfsstoffen. In the bijzonder vertonen bijvoorbeeld de brandstofproductie-20 eenheid, de brandstofceleenheid, de naverbranding alsook buisleidingen en aanwezige ventielen stromingsweerstanden, die bij bedrijf overwonnen dienen te worden.

Tot nog toe worden voor het overwinnen van dergelijke transport-, 25 respectievelijk bedrijfsweerstanden compressoren of dergelijke ingezet, die de brandstofcelinrichting, in het bijzonder de brandstofceleenheid en/of de brandstofproductie-eenheid met overdruk belasten. Met behulp van deze overdruk wordt zowel de koolwaterstof-, lucht- alsook de brandstofstroom verdicht en door de verschillende componenten van de brandstofcelinrichting 30 gedrukt (vergelijk bijvoorbeeld EP 0 977 295 Al).

1021971 3

Een nadeel van de brandstofcelinrichtingen volgens de stand der techniek is echter dat bij het optreden van ongewenste lekkage waterstofhoudende brandstof of dergelijke uit de inrichting kan ontsnappen en er daarmee een mogelijk gevaar uitgaat van de inrichting. Aldus is het 5 compressieverbruik alsook het constructieve verbruik vooral door de toepassing van twee verdichters voor de lucht en het brandstofgas relatief hoog.

Doel en voordelen van de uitvinding 10 Doel van de uitvinding is daartegenover, een brandstofcelinrichting met een brandstofceleenheid voor de productie van een waterstof verrijkte brandstof, waarbij ten minste één drukopwekkingseenheid voor de toelaat van een brandstofcelinrichting met een bedrijfsdruk voorzien is, voor te stellen, die met een verminderd energetisch verbruik, respectievelijk verminderde kosten 15 van de bediening van de inrichting met de bedrijfsstoffen waarborgt en tegelijkertijd het gevaar en risico bij lekkage aanzienlijk vermindert.

Dit doel wordt, uitgaand van een brandstofcelinrichting volgens de geciteerde stand der techniek, door de kenmerken van conclusie 1 gerealiseerd.

20

Door de in de afhankelijke conclusies genoemde maatregelen zijn uitvoeringsvormen die voordelen bieden en verdere uitvoeringsvormen van de uitvinding mogelijk. 1 1021971

Dientengevolge kenmerkt zich een brandstofcelinrichting volgens de uitvinding doordat tenminste één bedrijfsdruk kleiner is dan de atmosferische luchtdruk. Bij voorkeur is de bedrijfsdruk op de gaszijde van de brandstofceleenheid kleiner dan de atmosferische luchtdruk.

4

Uit deze maatregel respectievelijk maatregelen is, in tegenstelling tot de stand der techniek, waarbij in het bijzonder de brandstofceleenheid met overdruk toegepast wordt, tenminste de waterstof verrijkte brandstof voor de bediening van de brandstofceleenheid met onderdruk toelaatbaar. Dit 5 waarborgt, dat op een voordelige wijze tenminste geen waterstof verrijkte brandstof in het geval van een lekkage uit de brandstofcelinrichting ontwijken kan, zodat dit gevarenrisico effectief verholpen is.

Bij voorkeur is de drukopwekkingseenheid voor de opwekking van een 10 onderdruk in de stromingsrichting achter de brandstofceleenheid opgesteld. Bij voorkeur is de drukopwekkingseenheid tussen de brandstofceleenheid en een uitstroomopening voor het uitstromen van afgas opgesteld. Met één van deze dan wel beide maatregelen wordt gewaarborgd dat tenminste één bedrijfsmedium, en wel de waterstof verrijkte brandstof en of de lucht dan wel 15 nagenoeg zuivere zuurstof of iets dergelijks, voor de toediening aan de brandstofceleenheid door de drukopwekkingseenheid volgens de uitvinding aangezogen wordt zodat tenminste deze met een onderdruk toegelaten wordt.

Aldus is het volgens de uitvinding mogelijk slechts één, in de 20 stromingsrichting van de uitstroomopening voor het uitstromen van afgas van de brandstofcelinrichting opgestelde onderdruk opwekkingseenheid toe te passen. Hierdoor wordt het aantal vereiste drukopwekkingseenheden in vergelijking met de standaardtechniek gereduceerd, waardoor de efficiëntie alsook de kosten en storingsgevoeligheid van de brandstofcelinrichting volgens 25 de uitvinding aanzienlijk verbeterd wordt.

Bij voorkeur is de drukopwekkingseenheid voor de opwekking van de onderdruk in de stromingsrichting achter een uitstroomopening van een waterstofhoudend fluïdum van de brandstofcel op gesteld. Hierdoor wordt 30 gewaarborgd, dat de waterstof verrijkte brandstof alsook het uitstromende 1021971 5 waterstofhoudende fluïdum, en wel het fluïdum met het omgezet waterstof van de brandstof, met onderdruk toegelaten wordt. Op grond daarvan kan in het geval van een lekkage géén waterstofhoudend fluïdum respectievelijk gas uit de brandstofcelinrichting uitstromen en een gevaar veroorzaken.

5

In een bijzondere verdere uitvoeringsvorm van de uitvinding is een aparte druktoelatingseenheid voor de opwekking van een overdruk in de stroomrichting tenminste voor een instroomopening van een zuurstofhoudend, tweede fluïdum van de brandstofceleenheid opgesteld. Hiermee wordt het 10 compressieverbruik voor het zuurstofhoudende tweede fluïdum, in het bijzonder lucht, nagenoeg zuiver zuurstof of iets dergelijks, aanzienlijk gereduceerd, aangezien slechts de stromingsweerstand aan de zijde van de kathode van de brandstofcelinrichting respectievelijk -eenheid door middel van een druktoelatingseenheid te overwinnen is, dat wil zeggen dat bijvoorbeeld de 15 lucht niet gecomprimeerd hoeft te worden op het boven het brandstofceldrukniveau liggende drukniveau van de brandstofgas-opwekking.

De stromingsweerstand aan de anode zijde van de brandstofcelinrichting respectievelijk -eenheid wordt al door middel van de 20 drukopleggingseenheid respectievelijk de hierdoor opgewekte onderdruk overwonnen. Dientengevolge kan vooral de druktoelatingseenheid bijvoorbeeld als een relatief eenvoudig blaastoestel (ventilator), dat slechts een relatief klein druk verschil respectievelijk overdruk opwekt, uitgevoerd worden. In tegenstelling tot in de stand der techniek moet in het algemeen voor het 25 overwinnen van de stromingswederstand aan de kathode zijde van de brandstofceleenheid een compressor, dat wil zeggen een apparaat voor de opwekking van een relatief hoge differentie druk, toegepast worden. Bij voorkeur is voorzien in tenminste één in de stromingsrichting achter de brandstofceleenheid opgestelde, bijvoorbeeld katalytisch actieve, 30 verbrandingseenheid voor de verbranding van waterstofhoudend fluïdum. Deze 1021971 6 maatregel maakt het mogelijk een energetische omzetting van restwaterstof van de brandstofceleenheid voor de verbetering van de totaal werkingsgraad van de brandstofcelinrichting te realiseren. De warmte van de verbrandingseenheid wordt bijvoorbeeld voor de verdere verwerking op 5 passende wijze afgevoerd, bij voorkeur door middel van een warmte- wisselingseenheid. Bij stationaire brandstofcelinrichtingen kan hiermee onder andere de warmwater bereiding respectievelijk de verhitting van een gebouw of dergelijke ondersteunt respectievelijk verwezenlijkt worden. Bij mobiele brandstofcelinrichtingen kan hiermee tenminste gedeeltelijk de verwarming 10 van een voertuig op passende wijze gerealiseerd worden.

Bovendien kan zowel bij stationaire als bij mobiele brandstofcelinrichtingen een verwarming respectievelijk bijverhitting van te verwarmen componenten van de brandstofcelinrichting plaats hebben.

15 Eventueel kan hierbij door middel van een extra tussenbuffer voor het tussentijds opslaan van waterstofhoudende fluïda overeenkomstige fluïda voor bepaalde bedrijfstoepassingen of toepassingsdoelen tussentijds opgeslagen worden. Bijvoorbeeld kan het koude startgedrag en/of het bedrijven van componenten van de brandstofcelinrichting met relatief hoge 20 bedrijfsparameters verbeterd worden.

In een uitvoeringsvorm van de uitvinding die een bijzonder voordeel biedt, zijn de drukopwekkingseenheid en de verbrandingseenheid als een gemeenschappelijk bouweenheid gevormd. Destijds bestonden reeds dergelijke 25 compacten bouweenheden, waarbij de drukopwekkingseenheid bij voorkeur in de stromingsrichting onscheidbaar voor respectievelijk met de verbrandingseenheid opgesteld respectievelijk geïntegreerd is, zodat tussen deze een afzonderlijke buisleiding of iets dergelijks vervallen kan. Dit leidt tot een verhoging van de veiligheid van een inrichting volgens de uitvinding. Op 30 een wijze die een voordeel biedt kan hierbij op gewoon in de handel 1021971 7 verkrijgbare standaard componenten teruggegrepen worden. Dit maakt het mogelijk een economisch gunstige vervaardiging van de brandstofcelinrichting volgens de uitvinding te realiseren.

5 Het heeft voordelen te voorzien in een met overdruk toegelaten koolwaterstofhoudende uitgangsstof van de branstofopwekkingseenheid. Bijvoorbeeld wordt in het bijzonder bij stationaire brandstofcelinrichtingen aardgas, stadsgas of dergelijke bij voorkeur uit de gemeenschappelijke gas verzorging of uit drukreservoiren met relatief groot volume toegepast.

10 Dergelijke koolwaterstofhoudende gassen hebben reeds een bepaalde overdruk, zodat hiermee tenminste gedeeltelijk stromings- respectievelijk bedrijfsweerstanden van de brandstofcelinrichting, in het bijzonder de brandstofopwekkingseenheid, overwonnen kunnen worden. Hierdoor kan de drukopwekkingseenheid en/of de druktoelaateenheid verhoudingsgewijs klein 15 en daarmee economisch gunstig gedimensioneerd worden. Dit verbetert bovendien de economisch gunstige vervaardiging en/of bedrijfswijze van de brandstofcelinrichting volgens de uitvinding. In het algemeen kan voor de opsporing van lekkage van de brandstofcelinrichting, in het bijzonder in de te verzorgen bouwonderdelen en/of de toevoerleidingen daarvan, voorzien worden 20 in één of meer sensoren. Bijvoorbeeld kunnen druksensoren, gas-waterstofsensoren of dergelijke een drukval of drukstijging en/of een verdunning van het waterstofhoudende medium op grond van instromende lucht of dergelijke vaststellen en eventueel een stuur- respectievelijk resultaatwaarde doorsturen. De overeenkomstige stuur- respectievelijk 25 resultaatwaarde eenheid stelt in deze bijzondere bedrijfsgevallen werkwijze stappen in die voordelen hebben, die eventueel uiteindelijk een gecontroleerde uitschakeling van de inrichting mogelijk maken.

In beginsel kunnen enkelvoudige respectievelijk meerdere onderdelen 30 van de brandstofcelinrichting, die van gevaarlijke stoffen zoals 1021971 * 8 waterstofhoudende fluïda, aardgas of dergelijke voorzien zijn met een drukopwekkingseenheid volgens de uitvinding de veiligheid van de corresponderende brandstofcelinrichting wezenlijk verbeterd worden.

5 Uitvoeringsvoorbeeld

Een uitvoeringsvoorbeeld van de uitvinding is in de tekening getoond en wordt aan de hand van de figuren die hierna volgen verder verklaard. Afzonderlijk tonen 10

Figuur 1 een schematisch blokschakeldiagram met een brandstofcel volgens de uitvinding en

Figuur 2 een schematisch blokschakelbeeld volgens een 15 verdere brandstofcel volgens de uitvinding.

In figuur 1 is schematisch een brandstofcelinrichting volgens de uitvinding getoond. Deze omvat een brandstofcellenstapel 1 en een brandstofcelopwekking 2. In de brandstofcelopwekking 2 stroomt een 20 koolwaterstofhoudende uitgangsstof 3 in, bijvoorbeeld aardgas, benzine, diesel of iets dergelijks.

Voor de brandstofopwekking wordt in veel uitvoeringen naast de uitgangsstof 3 een zuurstofhoudende bedrijfsstof, in het bijzonder lucht 4 25 toegepast. De corresponderende stromingsweerstanden kunnen optioneel door middel van een verdichter 5 voor de toevoering van lucht 4 naar de brandstofopwekking 2 en/of naar de brandstofcelstapel 1 overwonnen worden. In een niet nader getoonde wijze kan een doseerelement voor de dosering van de toe te voeren lucht 4 naar de beide componenten 1 en 2 voorzien worden.

30 1021971 9

Uit de brandstofopwekking 2 stroomt een waterstof verrijkte brandstof 6 in de brandstofcelstapel 1.

Een pomp 7 die in de stromingsinrichting achter de brandstofcelstapel 5 1 opgesteld is, levert een bedrijfsdruk aan de anode-zijde die kleiner is dan de atmosferische luchtdruk, zodat de brandstof 6 uit de brandstofopwekking 2 in de brandstofcelstapel 1 gezogen wordt.

Volgens de uitvinding kan een lekkage van de brandstofopwekking 2, 10 de toevoer van de brandstof 6 naar de brandstofcelstapel 1 alsook in de brandstofcelstapel 1 zelf en de uitstroomleiding uit de brandstofcelstapel 1 niet tot uittreden van een waterstofhoudend gas voeren. Dientengevolge is de brandstofcelinrichting volgens de uitvinding uit zichzelf veilig tegen uittreding van brandstofgas in het bijzonder waterstofgas, hetgeen het gevarenrisico van 15 de inrichting wezenlijk vermindert.

Vanwege de in de stromingsrichting van de brandstofcelstapel 1 voor handen onderdruk kan de luchttoevoer van de brandstofopwekking 2 ook zonder een compressie van de toe te voegen lucht 4 door middel van verdichter 20 5 gebeuren. Dat betekent dat de brandstofopwekking 2 eventueel lucht 4 aanzuigt uit de omgeving door middel van een eenvoudige toevoerleiding op een niet nader getoonde wijze. Eventueel kan hiervoor een sluit- respectievelijk doseerventiel voorzien zijn. 1 2 3 4 5 6 1021971

In het algemeen kunnen voor de dosering van de toevoerstromen 3,4,6 2 naar de brandstofcelinrichting respectievelijk naar de brandstofcelstapel 1 in 3 een niet nader getoonde wijze doseerelementen zoals ventielen en dergelijk 4 voorzien zijn welke een voordeel bieden. Deze doseerelementen maken een 5 aanpassing van de brandstofcelinrichting mogelijk aan zich eventueel 6 veranderende respectievelijk onafscheidbare bedrijfstoestanden en/of vereisten.

10

De brandstofopwekking 2 omvat afhankelijk van de uitgangsstof 3 respectievelijk de toegepaste brandstofcelstapel, bijvoorbeeld PEM-brandstofcellen of SOFC, een ontzwaveling, een verdampingsstrap, een 5 reformer, één of meer shift-reactoren, een CO-reiniging en/of dergelijke. In plaats van reform kan ook in een andere werkwijze voorzien zijn voor de omvorming van koolwaterstof in een waterstofhoudende brandstof.

Slechts de kathode zijde van de brandstofcel 1 is eventueel met 10 overdruk voorzien, waardoor bij een lekkage van corresponderende componenten van de brandstofcelinrichting uitsluitend zuurstof- respectievelijk luchthoudend bedrijfsmedium vrijkomen kan.

Volgens figuur 1 levert de brandstofcelstapel 1 elektrisch vermogen 8 15 en een optioneel aanwezige brander 9 levert warmte 10 voor de verwarming van een enkel of meerdere componenten van de brandstofcelinrichting en/of voor de verwarming van verbruikswater, verhittingswater, de binnenruimte van een voertuig en dergelijke.

20 Uit brander 9 stroomt afgas 11, dat nagenoeg geen waterstof bevat.

Bij het uitvoeringsvoorbeeld van de schematische voorstelling volgens figuur 1 is in het algemeen de pomp 7 alsook de brander 9 als een bouweenheid volgens in de handel verkrijgbare standaard componenten uitgevoerd, waarbij 25 de pomp 7 onscheidbaar aan brander 9 is verbonden en een leiding 12 in de praktijk quasi niet aanwezig is dan wel extreem kort gedimensioneerd is.

In figuur 2 is een verdere uitvoeringsvorm van de brandstofcelinrichting volgens de uitvinding getoond. Vergeleken met de 30 uitvoeringsvorm van figuur 1 is een pomp 17 aan het einde van het 1021971 11 stromingspad, en wel onscheidbaar van de uitstroming van het afgas 11 uit de brandstofcelinrichting, voorzien. Dit maakt het mogelijk dat slechts met één pomp 17 de totale verzorging van de bedrijfsstoffen 3,4,6 voor de brandstofcelinrichting te realiseren is. Bijvoorbeeld geschiedt de 5 gemeenschappelijke aanzuiging van het waterstofhoudende brandstofgaspad door middel van een samenvoering die hier tegelijk als brander 9 uitgevoerd is. Dat betekent dat een brander 9 een brandstofgaspad met een luchtpad samengevoerd wordt en speciaal in de getoonde variant van de uitvinding ook voor de opwekking van warmte 10 door de verbranding van waterstofhoudend 10 restgas toegepast wordt.

De uitvoering volgens figuur 2 reduceert ten opzichte van de stand der techniek het aantal van de vereiste pompen 17 of dergelijke, zodat de efficiëntie van de inrichting verhoogd wordt en ook dat de kosten en de 15 storingsgevoeligheid gereduceerd wordt.

20 25 30 1 021971

Claims (8)

1. Brandstofcelinrichting met een brandstofceleenheid (1) en een brandstofproductie-eenheid (2) voor de productie van een met waterstof verrijkte brandstof (6), waarbij ten minste één drukopwekkingseenheid (5,7) 5 voor de toelaat van de brandstofcelinrichting met een bedrijfsdruk voorzien is, met het kenmerk, dat ten minste één bedrijfsdruk kleiner is dan de atmosferische luchtdruk, dat de brandstofproductie-eenheid (2) een luchttoevoer (4) omvat en dat de drukopwekkingseenheid (7) in de stromingsrichting achter een uitstroomopening van een waterstofhoudend 10 fluïdum van de brandstofceleenheid (1) geplaatst is.

2. Inrichting volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de drukopwekkingseenheid (7) in de stromingsrichting achter de brandstofceleenheid (1) geplaatst is. 15

3. Inrichting volgens één der vorige conclusies, met het kenmerk, dat de drukopwekkingseenheid (7) tussen de brandstofceleenheid (1) en een uitstroomopening voor het uitstromen van afgas (11) geplaatst is.

4. Inrichting volgens één der vorige conclusies, met het kenmerk, dat een aparte druktoelaateenheid (5) in de stromingsrichting tenminste voor één instroomopening van een zuurstofhoudend, tweede fluïdum (4) van de brandstofceleenheid (1) geplaatst is. 1021971

5. Inrichting volgens één der vorige conclusies, met het kenmerk, dat tenminste één in de stromingsrichting achter de brandstofceleenheid (1) geplaatste verbrandingseenheid (9) voor de verbranding van het waterstofhoudende fluïdum geplaatst is. 5

6. Inrichting volgens één der vorige conclusies, met het kenmerk, dat de verbrandingseenheid (9) tenminste één warmtewisselaar bevat voor de toepassing van de afgevoerde warmte (10).

7. Inrichting volgens één der vorige conclusies, met het kenmerk, dat de drukopwekkingseenheid (7) en de verbrandingseenheid (9) als één bouw-eenheid uitgevoerd zijn.

8. Inrichting volgens één der vorige conclusies, met het kenmerk, dat 15 voorzien is in een door druk toegelaten koolwaterstofhoudende uitgangsstof (3) van de brandstofproductie-eenheid (2). 1021971