WO2001041240A2 - Brennstoffzellensystem - Google Patents

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WO2001041240A2
WO2001041240A2 PCT/DE2000/004324 DE0004324W WO0141240A2 WO 2001041240 A2 WO2001041240 A2 WO 2001041240A2 DE 0004324 W DE0004324 W DE 0004324W WO 0141240 A2 WO0141240 A2 WO 0141240A2
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WO
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fuel
fuel cell
pressure
cell system
line
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Michael Kah
Holger Klos
Walter Schütz
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Vodafone Ag
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Publication date
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/06—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
    • H01M8/0606—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants
    • H01M8/0612—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants from carbon-containing material
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2250/00—Fuel cells for particular applications; Specific features of fuel cell system
    • H01M2250/20—Fuel cells in motive systems, e.g. vehicle, ship, plane
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
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    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
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    • Y02E60/50—Fuel cells
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T90/00—Enabling technologies or technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02T90/40—Application of hydrogen technology to transportation, e.g. using fuel cells

Definitions

  • the fuel cell system The fuel cell system
  • the present invention relates to a fuel cell system according to the preamble of claim 1.
  • Fuel cells have been known for a long time and have become significantly more important, particularly in the automotive industry.
  • Electricity is generated in a fuel cell by a chemical reaction.
  • a fuel and an oxidizing agent are converted into electrical energy and water as reaction products.
  • a fuel cell essentially consists of an anode compartment, a membrane and a cathode compartment.
  • the membrane consists of a gas-tight and proton-conducting material and is arranged between the anode space and the cathode space in order to exchange ions.
  • the fuel is supplied on the anode side, while the oxidant is supplied on the cathode side.
  • Protons or hydrogen ions are generated at the anode by catalytic reactions and move through the membrane to the cathode.
  • the hydrogen ions react with the oxygen and water is formed.
  • the electrons released during the reaction can be conducted as electrical current through a consumer, for example the electric motor of an automobile.
  • a compressor is provided for generating compressed air, which is drawn off at different pressure levels for the provision of the cathode gas of the fuel cell and for the oxidation of the cooling monoxide.
  • the generic WO 99 30 380 describes a fuel cell system with upstream devices for generating a hydrogen-rich gas, which is supplied as fuel to the fuel cell.
  • the starting point is a fuel tank that contains, for example, a mixture of methanol and water.
  • This liquid fuel is fed via a piston pump, ie a pump with volumetric delivery, into a fuel production device, the first stage of which consists of an evaporator. Both the fuel tank and the evaporator are secured against the cylinder chamber of the piston pump via a check valve.
  • the object of the present invention is to provide a fuel cell system in which the fuel can be produced in a simple manner and can be fed into the fuel cell and used in it.
  • the individual components of the fuel cell system should be designed to be as space-saving as possible. Furthermore, the most advantageous heat transfer between the individual components of the fuel cell system should also be realized and an optimal process management should be made possible.
  • a fuel cell system with a fuel cell which has an anode compartment with a feed line and a discharge line for a fuel and a cathode compartment with a feed line and a discharge line for an oxidizing agent. Furthermore, a device for generating / processing fuel is provided, which is connected on the output side to the fuel feed line and, ready for input, to a fuel tank via a fuel feed line.
  • this fuel cell system is characterized in that at least one pressure-increasing conveying device and at least one pressure regulator, in particular an adjustable pressure regulator, is / are arranged in the fuel supply line for setting a specific pressure level and / or temperature level of the fuel for the fuel cell ,
  • the fuel cell system according to the invention makes it possible in a simple and cost-effective manner to produce or prepare the fuel for the fuel cell and to make it available to the fuel cell. Furthermore, it is possible to make the individual components of the fuel cell system particularly small, but a good heat transfer between the individual components can nevertheless be achieved.
  • the creation of a fuel cell system with only a small space requirement is particularly advantageous in vehicle technology, where it is known that only a small amount of space is available.
  • the present invention is based on the basic idea that liquids are almost incompressible and can therefore be brought to a high pressure with very little effort.
  • the liquids for the fuel cell system are, for example, the fuel stored in the fuel tank (for example methanol), which forms the starting material for the fuel of the fuel cell.
  • Another basic idea of the invention is to bring the pressure of the fuel serving as the starting material for the fuel from the beginning to a level which is sufficiently high for the various stages of fuel processing, so that no intermediate pressure increase stages are required. By increasing the pressure, the individual components of the fuel
  • Fuel cell system and thus the fuel cell system as a whole are designed to be substantially smaller, preferably even in a microstructure design (cross sections of the flow channels and / or wall thicknesses in the submillimeter range).
  • the reason for this is, among other things, that chemical reactions take place in the individual components of the fuel cell system, for example a reformer, a shift reactor, a selective oxidation or the like, in which an increase in pressure leads to an equilibrium shift in the chemical equilibrium toward smaller molar volumes.
  • the heat transfer between the respective reaction space and external heat transfer media can be significantly improved by increasing or adjusting the pressure.
  • the temperature level can also be set by regulating the pressure of a gaseous or vaporous material.
  • controlled relaxation of this material can be achieved by relieving pressure on a material which has previously been brought to elevated pressure.
  • this can be of particular advantage in the fuel cell process.
  • the evaporation of a liquid can be controlled or delayed, for example, by increasing the pressure. Under increased pressure, a liquid will only evaporate at a higher temperature than would be the case at ambient pressure. This effect of an increase in temperature at elevated pressure above normal boiling temperature is called "overheating of liquids". When such a superheated liquid under higher pressure is released, the evaporation begins suddenly. This can be advantageous in the fuel cell process.
  • At least one pressure-increasing delivery device is initially provided in this, which is arranged in the fuel line.
  • the fuel is pumped out of the fuel tank via this delivery device and pumped into the device for generating / processing the fuel under comparatively high pressure.
  • this pressure level set at the beginning of the process chain the fuel is therefore directed to the device for generating / processing the fuel and is processed there in the case of decreasing pressure in the individual process stages.
  • the delivery device is advantageously designed to be controllable, so that an individual pressure level and / or temperature level for the fuel can be set depending on the different operating states of the fuel cell system, different ambient temperatures or the like.
  • At least one pressure regulator is provided downstream of the device for generating / processing the fuel, which keeps the pressure in the individual components of the system at the desired level.
  • This pressure regulator can, for example, in the fuel feed line and thus between the device for
  • Generating / processing the fuel and the fuel cell can be arranged. It is also possible to provide the pressure regulator downstream in the fuel discharge line and thus in the fuel line. Furthermore, it is also possible to provide a pressure regulator both in the fuel feed line and in the fuel drain line. In addition, one or more pressure regulators are arranged between two or more of the reactor elements of the fuel processing system.
  • the pressure regulator (s) have the function of setting an individual pressure level or temperature level for the fuel in the respective process stage (s).
  • the pressure regulator is advantageously designed as an adjustable pressure regulator, so that individual pressure levels or temperature levels can be set for different operating states for the fuel cell system, different ambient temperatures or the like.
  • the pressure regulator is always set to a value which is lower than the pressure generated by the delivery device. After leaving the delivery device, the fuel passes through various components (process stages) of the fuel cell system. A certain pressure drop inevitably takes place in these components, so that the pressure of the fuel or of the fuel formed from it decreases on its way to the fuel cell. Furthermore, the temperature of the fuel can increase sharply during its preparation phase or generation phase.
  • the fuel is expanded by the pressure regulator connected downstream of the device for generating / processing the fuel, as a result of which it cools down.
  • the pressure regulator By using the pressure regulator, it can also be achieved that the fuel is introduced at a defined temperature into the fuel parts or is derived therefrom. Furthermore, it is ensured that the fuel is always introduced into and passed through the fuel cell at a defined pressure, thereby preventing possible damage to the fuel cell, in particular of its membrane.
  • Hydrogen is preferably used as fuel for the fuels.
  • methanol, methane, gasoline, natural gas, biogas, coal gas or the like can be used as the fuel or starting material for the hydrogen.
  • Oxygen which can be taken from the ambient air, is preferably used as the oxidizing agent.
  • the pressure level of the fuel can preferably be set to a value greater than the ambient pressure.
  • a pressure level of the fuel of greater than or equal to 1 bar, in particular between 3 and 10 bar can be set.
  • the fuel brought to increased pressure via the delivery device can flow through the various components of the fuel cell system during its conversion into the fuel and at the same time be introduced into the fuel cell with a suitable, preferably increased, pressure.
  • the invention is not limited to the setting of certain pressure levels. Important is only that the pressure on the conveyor is set so high that the pressure losses occurring on or in the individual components are taken into account.
  • the delivery device can be designed as a double pump, which is connected to the fuel supply line and additionally to a water supply line.
  • a double pump has the effect that the fuel pumped out of the fuel tank, which serves as the starting material for the fuel, is first mixed with the water to form a fuel / water mixture before it enters the device for producing / processing the fuel or the fuel cell.
  • the water supplied to the double pump via the water supply can be supplied, for example, from an external water source. Such water is advantageously used as water for the double pump, however, during the
  • Fuel cell process is carried out from the fuel cell or is recovered from the exhaust gas streams.
  • the delivery device can be designed, for example, as a compressor or fuel pump.
  • Such conveyors are used, for example, when no water has to be added to the fuel.
  • a pressure regulator in particular an adjustable pressure regulator, can advantageously be arranged in the fuel line between the delivery device and the input side of the device for generating / processing the fuel.
  • This pressure regulator has the same effect as the pressure regulator (s) described above. It is used for the fuel before entering the device Generate / process the fuel to set an individual pressure level and / or temperature level.
  • an intermediate tank can be arranged in the fuel line between the delivery device and the input side of the device for generating / processing the fuel. It is provided that at least one pressure regulator, in particular a controllable pressure regulator, is arranged in the fuel line, in particular in the flow direction before and / or after the intermediate tank. Similar to what was described above, an individual pressure level and / or temperature level of the fuel can be set via the pressure regulator (s).
  • the fuel supply line is operated from the fuel tank to the intermediate tank almost without pressure.
  • a conveying device for example a liquid pressure pump or the like, can then be provided between the intermediate tank and the device for generating / processing the fuel, which provides the pressure required for the device for generating / processing the fuel.
  • an additional pressure regulator directly in front of the device could be dispensed with.
  • the mixture of fuel and water generated, for example, in the delivery device in the form of a double pump is temporarily stored in the intermediate tank before it is fed into the device for producing / processing the fuel or into the fuel cell.
  • the intermediate tank has the task that for operating the device for generating / processing the fuel or for operating the fuel cell there is always a sufficiently large amount of fuel-water mixture available.
  • the presence of a sufficiently large amount of fuel / water mixture is particularly important in the start-up phase or start-up phase of the fuel cell system.
  • the intermediate tank is advantageously provided behind the conveyor in the flow direction. This ensures that there is always enough Fuel-water mixture is available, which is particularly advantageous for a short start-up phase for the fuel cell system.
  • the device for generating / processing the fuel can advantageously have a number of reactor elements, in particular an evaporator, a reformer, a shift reactor and a selective oxidation.
  • the individual reactor elements can be connected to one another via corresponding lines, so that the fuel flows through the individual reactor elements during their generation or processing.
  • One of these reactor elements is an evaporator, for example.
  • Such an evaporator is required, for example, if hydrogen is to be reformed from methanol, natural gas or the like. Heat must be supplied to the evaporator for operation.
  • Another reactor element is a reformer, which is located after the evaporator and in which the fuel / water mixture is reformed to hydrogen.
  • Another reactor element can be designed, for example, as a selective oxidation.
  • This reactor element is useful when the hydrogen is generated by the partial oxidation process and then cleaned.
  • the gas is first pre-cleaned by a homogeneous water gas reaction in a shift reactor and finely cleaned in the subsequent stage - the selective oxidation.
  • one or more pressure regulators are provided between two or more of the reactor elements. Similar to the pressure regulators described above, these pressure regulators can be used to set individual pressure levels and / or temperature levels between the individual reactor elements.
  • the invention is not restricted to a specific number or arrangement variant of the pressure regulators. in the In the simplest case, only a single pressure regulator can be provided, which is arranged between two adjacent reactor elements. A maximum of such a pressure regulator can be provided between each of the reactor elements.
  • the pressure level and / or temperature level of the fuel or the fuel that is optimal for the reactor elements in each case can be set by the pressure regulators connected upstream or downstream of the individual reactor elements.
  • a concrete example of a pressure regulator is described below for clarification, without the invention being restricted to this example.
  • This is a pressure regulator upstream of the evaporator. If, for example, use is made of the "superheated liquid" effect described above, the fuel can be supplied to the evaporator, for example, at an elevated pressure at a temperature at which it is below
  • Ambient pressure would evaporate. Due to the increased pressure, however, the fuel remains in the liquid phase. If the fuel is now fed into the subsequent reactor via the pressure regulator, it is expanded and vaporized. As a result, the fuel suddenly (ideally completely) changes from the liquid to the gaseous phase. At least part of the fuel could thus be in the gaseous state when entering the evaporator, so that the evaporator can be dimensioned much less powerful and thus also spatially smaller and less expensive. In this case, the evaporator essentially functions as a heat exchanger for increasing the temperature.
  • the invention is not restricted to certain embodiments of the pressure regulator. This means that basically all types of pressure regulator are possible with which the pressure regulation of a liquid or a gas can be realized.
  • pressure regulators can be designed as spring-loaded pressure regulators which are already known and have a wide range of applications in practice. It is also conceivable to design the pressure regulator (s) as a valve, for example as a relief valve or the like.
  • the pressure regulators in particular if they are designed as adjustable pressure regulators, can advantageously be controlled via a common control device.
  • one or more pressure sensors can be provided for detecting the pressure. These pressure sensors can be provided at different locations in the fuel cell system, depending on requirements and application. Via the control device, the pressure regulators can be actuated in such a way that an appropriate individual pressure level and / or temperature level can be set at the respective locations at which they are located.
  • the pressure level is monitored via the pressure sensor or sensors.
  • the temperature levels can be monitored, for example, using suitable temperature sensors.
  • a fuel cell system according to the invention as described above can preferably be used in or for a vehicle. Due to the rapid development of fuel cell technology in the vehicle sector, such use currently offers particularly good applications. Nevertheless, there are other possible uses. These include fuel cells for mobile devices such as computers or the like up to stationary facilities such as power plants. Here the fuel cell technology is particularly suitable for the decentralized energy supply of houses, industrial plants or the like.
  • the present invention is preferably used in connection with fuel cells with polymer membranes (PEM). These fuel cells have a high electrical efficiency, cause only minimal emissions, have an optimal part-load behavior and are essentially free of mechanical wear.
  • PEM polymer membranes
  • the figure shows a fuel cell system 10 that is used to operate an electric drive in a vehicle.
  • the fuel cell system 10 has a fuel cell 11 with an anode chamber 12, a cathode chamber 16 and a membrane located between them 15.
  • the anode compartment 12 is connected to a feed line 13 and a discharge line 14 for a fuel, in the present case hydrogen.
  • the cathode chamber 16 is connected to a feed line 17 and a discharge line 18 for an oxidizing agent, in the present case oxygen or air.
  • a device 20 for generating / processing the fuel which has a number of reactor elements.
  • these reactor elements are designed as evaporators 23, reformers 24, shift reactors 25 and selective oxidation 26.
  • the device 20 is connected to the fuel feed line 13.
  • the device is on its input side 21
  • the fuel tank 30 there is the starting material for the fuel, for example methanol, gasoline or the like, from which the fuel, that is to say hydrogen, is produced in the device 20.
  • the fuel for example methanol, gasoline or the like
  • a delivery device designed as a double pump 32 is provided, which is also connected to a water supply line 33.
  • a fuel pump 35 and a fuel filter 36 are connected into the fuel supply line 31 between the fuel tank 30 and the double pump 32.
  • Device 20 for generating / processing the fuel has an intermediate tank 34 for a fuel / water mixture in the fuel feed line 31.
  • a pressure regulator 40, 41 is located in the vicinity of the fuel cell 11 in the fuel feed line 13 and the fuel discharge line 14.
  • Two pressure regulators 42, 43 are provided in the fuel feed line 31, which are arranged in the flow direction S before and after the intermediate tank 34.
  • a total of three pressure regulators 44, 45, 46 are provided to generate / process the fuel, which are each located between the reactor elements 23, 24, 25, 26.
  • at least one pressure regulator (not shown) can also be provided in the oxidant supply line 17 and / or the oxidant supply line 18. The mode of operation of the fuel cell system 10 will now be described below.
  • Hydrogen and oxygen or air as an oxidizing agent This takes place via the fuel supply line 13 and the oxidant supply line 17. Since hydrogen is generally not in pure form, this is first generated and processed in the device 20.
  • the fuel serving as the starting material for the fuel for example methanol or gasoline, is pumped out of the fuel tank 30 and via the fuel feed line 31 into the device 20.
  • the fuel is conveyed by means of the fuel pump 35 via the fuel filter 36 into the double pump 32 and mixed there to form a fuel / water mixture.
  • the water required for this is fed to the double pump 32 via the water supply line 33.
  • the fuel / water mixture produced in this way is temporarily stored in the intermediate tank 34 and introduced from there into the device 20, where a hydrogen-rich gas for operating the fuel cell 11 is generated from the fuel / water mixture.
  • elevated pressure is understood to mean a pressure level which is clearly above the ambient pressure level, preferably in a range between 3 and 10 bar.
  • This pressure level of the fuel is essentially set via the double pump 32 and / or the fuel pump 35.
  • the fine adjustment of the pressure level before entry into the device 20 takes place via the adjustable pressure regulators 42, 43.
  • the pressure regulator 43 is advantageously designed as a relief valve.
  • the fuel it is possible to conduct the fuel almost without pressure up to the immediate vicinity of the device 20.
  • one or more pressure regulators 42, 43 and also the pumps 35, 32 in the fuel line 31 can be omitted.
  • a delivery device (not shown) designed as a liquid pressure pump can be provided, which is located between the intermediate tank 34 and the device 20 is arranged. The pressure in the fuel required for the device 20 is then set via this pump.
  • the fuel / water mixture is introduced into the evaporator 23 and evaporated in the evaporator 23.
  • the pressure generated by the conveyors 32, 35 could also be used to atomize the fuel / water mixture, due to the extremely large surface area of the liquid particles in one at the entrance of the device
  • a heat exchanger in microstructure technology which not only works as a heating device, but whose output side simultaneously functions as an atomizing nozzle for a downstream reactor, is particularly advantageous.
  • Another variant of the invention is to provide a feed for a gas stream on the output side of such a heat exchanger in microstructure technology, which carries the finely atomized liquid droplets with it and leads it into the downstream reactor.
  • This gas stream can be, for example, a hydrogen-rich gas which is circulated or else a media stream which is conducted from the outside as a reaction partner in the treatment process.
  • the pressure regulator 40 is then provided, which adjusts the pressure required for the fuel cell 11.
  • the pressure regulator 43 in front of the input side 21 of the device 20. If this pressure regulator is designed as an expansion valve, the expansion of the liquid fuel / water mixture can lead to its partial evaporation even before it enters the evaporator 23. A part of the mixture thus already enters the evaporator 23 in the vapor state, so that it is correspondingly small can be dimensioned.
  • the pressure levels and / or temperature levels required for the individual reactor elements can be set in each case via the pressure regulators 45, 46 provided in the device 20 for generating / processing the fuel.
  • the pressure regulator 44 can be provided after the evaporator 23 as required. However, this is not absolutely necessary.
  • the pressure regulator 40, 41 provided in the fuel supply line 13 and / or the fuel discharge line 14 has the task of introducing the fuel into the fuel cell 11 at a specific predetermined pressure. It must be ensured by the pressure regulator (s) 40, 41 that the pressure level in the fuel set to achieve the advantages described above is reduced again to a required level. If the fuel were to enter the fuel cell 11 at too high a pressure, this could damage it, in particular damage the fuel cell membrane 15
  • the present invention makes it possible, owing to the targeted pressure settings made possible by the various pressure regulators (pressure-maintaining valves), to carry out all process stages of fuel processing under optimal operating conditions. No complex compressors are required to increase the pressure of gases or vapors. Rather, the fuel selected as the feed material is injected into the evaporator stage with minimal effort via a pump unit at the start of the process. By the end of fuel processing, only suitable lower pressure levels need to be set. This procedure is particularly advantageous if devices with a microstructure construction are used for individual reactor elements, since these offer a comparatively high flow resistance from the outset because of the small flow channels and therefore already bring about essential properties of a pressure control valve.

Abstract

Es wird ein Brennstoffzellensystem (10) beschrieben, mit einer Brennstoffzelle (11), die einen Anodenraum (12) mit einer Zuleitung (13) und einer Ableitung (14) für einen Brennstoff, beispielsweise Wasserstoff, und einen Kathodenraum (16) mit einer Zuleitung (17) und einer Ableitung (18) für ein Oxidationsmittel, beispielsweise Sauerstoff oder Luft, aufweist. Zur Erzeugung des Brennstoffs ist eine Vorrichtung (20) zum Erzeugen/Aufbereiten von Brennstoff vorgesehen, die ausgangsseitig (22) mit der Brennstoffzuleitung (13) und eingangsseitig (21) über eine Kraftstoffzuleitung (31) mit einem Kraftstofftank (30) verbunden ist, in dem als Ausgangsmaterial für den Brennstoff beispielsweise Methanol, Benzin oder dergleichen gespeichert ist. Um die einzelnen Komponenten des Brennstoffzellensystems (10) bei Realisierung von guten Wärmeübergängen möglichst klein halten zu können, ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß der Brennstoff unter erhöhtem Druck erzeugt wird. Zur Einstellung eines bestimmten Druckniveaus und/oder Temperaturniveaus des Brennstoffs für die Brennstoffzelle (11) ist daher in der Kraftstoffzuleitung (31) wenigstens eine Fördereinrichtung (32, 35) und in der Brennstoffzuleitung (13) und/oder der Brennstoffableitung (14) wenigstens ein Druckregler (40, 41) vorgesehen. Weiterhin können zwischen einzelnen Komponenten des Brennstoffzellensystems (10) weitere Druckregler (42, 43, 44, 45, 46) vorgesehen sein.

Description

Brennstoffzellensystem
Beschreibung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem gemäß dem Gattungsbegriff des Patentanspruchs 1.
Brennstoffzellen sind bereits seit langem bekannt und haben insbesondere im Bereich der Automobilindustrie in den letzten Jahren erheblich an Bedeutung gewonnen.
In einer Brennstoffeelle wird durch eine chemische Reaktion Strom erzeugt. Dabei wird ein Brennstoff und ein Oxidationsmittel in elektrische Energie und Wasser als Reaktionsprodukte umgewandelt. Eine Brennstoffzelle besteht im wesentlichen aus einem Anodenraum, einer Membran und einem Kathodenraum. Die Membran besteht aus einem gasdichten und protonenleitenden Material und ist zwischen dem Anodenraum und dem Kathodenraum angeordnet, um Ionen auszutauschen. Auf der Seite der Anode wird der Brennstoff zugeführt, während auf der Seite der Kathode das Oxidationsmittel zugeführt wird. An der Anode werden durch katalytische Reaktionen Protonen beziehungsweise Wasserstoffionen erzeugt, die sich durch die Membran zur Kathode bewegen. An der Kathode reagieren die Wasserstoffionen mit dem Sauerstoff, und es bildet sich Wasser. Die bei der Reaktion abgegebenen Elektronen lassen sich als elektrischer Strom durch einen Verbraucher leiten, beispielsweise den Elektromotor eines Automobils.
Als gasförmige Reaktionspartner für die Brennstoffzelle werden beispielsweise Wasserstoff oder ein wasserstoffreiches Gas als Brennstoff und reiner Sauerstoff oder Luft als Oxidationsmittel verwendet. Will man die Brennstoffzelle mit einem leicht verfügbaren oder zu speichernden Brennstoff wie Erdgas, Methanol oder dergleichen betreiben, muß man diese Kohlenwasserstoffe in einer entsprechenden Vorrichtung zum Erzeugen/Aufbereiten des Brennstoffs zunächst in ein wasserstoffreiches Gas umwandeln. Die DE 198 22 689 A1 offenbart ein Brennstoffeelleπsystem für ein Kraftfahrzeug, bei dem eine Vorrichtung zur Erzeugung eines wasserstoffreichen Gases mittels einer Reformereinheit mit nachgeschalteter Oxidationsstufe für die Entfernung von Kohlenmonoxid vorgesehen ist. Der Brennstoff wird hierbei aus Methanol erzeugt. Bei diesem Brennstoffeellensystem ist ein Kompressor zur Erzeugung von Druckluft vorgesehen, die auf unterschiedlichen Druckstufen für die Bereitstellung des Kathodengases der Brennstoffzelle und für die Oxidation des Kσhlenmonoxids entnommen wird. Es finden sich keine Hinweise auf die Anordnung von Druckreglern zwischen den Verfahrensstufen der Prozessgaserzeugung für die Brennstoffzelle.
Aus der DE 195 40 824 ist ein Brennstoffeellensystem bekannt, bei dem unmittelbar vor dem Anodenraum der Brennstoffzelle ein Druckregler in der Brennstoffzuleitung angeordnet ist. Auf die Brennstofferzeugung, d.h. die Erzeugung eines wasserstoffreichen Gases aus einem Kohlenwasser, wird in dieser Schrift nicht näher eingegangen.
Die gattungsbildende WO 99 30 380 beschreibt ein Brennstoffeellensystem mit vorgeschalteten Einrichtungen zur Erzeugung eines wasserstoffreichen Gases, welches als Brennstoff der Brennstoffzelle zugeführt wird. Ausgangspunkt ist hierbei ein Brennstofftank, in dem beispielsweise ein Gemisch aus Methanol und Wasser enthalten ist. Dieser flüssige Brennstoff wird über eine Kolbenpumpe, also eine Pumpe mit volumetrischer Förderung, in eine Brennstofferzeugungseinrichtung eingespeist, deren erste Stufe in einem Verdampfer besteht. Sowohl der Breπnstofftank als auch der Verdampfer sind jeweils über ein Rückschlagventil gegenüber dem Zylinderraum der Kolbenpumpe abgesichert. Das bedeutet, dass im Ansaugtakt kein Rückstrom von Brennstoff aus der Zuleitung zum Verdampfer in den Zylinderraum der Kolbenpumpe erfolgen kann und im Fördertakt der im Zylinderraum befindliche Brennstoff nicht in den Brennstofftank zurück, sondern zwangsweise gegen den Druck im Verdampfer in diesen hinein gefördert wird. Im Verdampfer kann ein Druck von bis zu etwa 20 bar herrschen. An den Verdampfer schließt sich ein Reformer und eine näher erläuterte Einrichtung zur Entfernung von Kohlenmonoxid und Kohlendioxid an. Das insoweit gereinigte Prozessgas (Wasserstoff) wird der Brennstoffeelle als Anodengas zugeführt. Über die Druckbeeinflussung zwischen den einzelnen Stufen der Prozessgaserzeugung finden sich in dieser Schrift keine näheren Hinweise. Insbesondere finden sich auch keinerlei Hinweise auf den Einsatz von Reaktorelementen in Mikrostrukturbauweise.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Brennstoffeellensystem bereitzustellen, bei dem der Brennstoff auf einfache Weise hergestellt sowie in die Brennstoffzelle eingespeist und in dieser verwertet werden kann. Dabei sollen die einzelnen Komponenten des Brennstoffeellensystems möglichst platzsparend ausgebildet werden können. Weiterhin soll auch ein möglichst vorteilhafter Wärmeübergang zwischen den einzelnen Komponenten des Brennstoffeellensystems realisiert und eine optimale Verfahrensführung ermöglicht werden.
Diese Aufgabe wird durch ein Brennstoffeellensystem gelöst, mit einer Brennstoffeelle, die einen Anodenraum mit einer Zuleitung und einer Ableitung für einen Brennstoff und einen Kathodenraum mit einer Zuleitung und einer Ableitung für ein Oxidationsmittel aufweist. Weiterhin ist eine Vorrichtung zum Erzeugen/Aufbereiten von Brennstoff vorgesehen, die ausgangsseitig mit der Brennstoffzuleitung und eingangssertig über eine Kraftstoffzuleitung mit einem Kraftstofftank verbunden ist. Dieses Brennstoffeellensystem ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß zur Einstellung eines bestimmten Druckniveaus und/oder Temperaturniveaus des Brennstoffs für die Brennstoffzelle in der Kraftstoffzuleitung wenigstens eine druckerhöhende Fördereinrichtung und in der Brennstoffzuleitung und/oder der Brennstoffableitung wenigstens ein Druckregler, insbesondere ein einstellbarer Druckregler angeordnet ist/sind.
Durch das erfindungsgemäße Brennstoffeellensystem wird es auf einfache und kostengünstige Weise möglich, den Brennstoff für die Brennstoffzelle zu erzeugen beziehungsweise aufzubereiten und der Brennstoffzelle zur Verfügung zu stellen. Weiterhin ist es möglich, die einzelnen Komponenten des Brennstoffeellensystems besonders klein auszubilden, wobei dennoch ein guter Wärmeübergang zwischen den einzelnen Komponenten realisiert werden kann. Die Schaffung eines Brennstoffzellensystems mit nur geringem Platzbedarf ist insbesondere in der Fahrzeugtechnik von Vorteil, wo bekanntermaßen nur ein geringes Raumangebot zur Verfügung steht. Die vorliegende Erfindung geht von dem Grundgedanken aus, daß Flüssigkeiten nahezu inkompressibel sind und daher mit sehr geringem Aufwand auf einen hohen Druck zu bringen sind. Bei den Flüssigkeiten für das Brennstoffeellensystem handelt es sich beispielsweise um den im Kraftstofftank gespeicherten Kraftstoff (z.B. Methanol), der das Ausgangsmaterial für den Brennstoff der Brennstoffeelle bildet. Ein weiterer Grundgedanke der Erfindung liegt darin, den Druck des als Ausgangsmaterial für den Brennstoff dienenden Kraftstoffs von Anfang an auf ein für die verschiedenen Stufen der Brennstoffaufbereitung ausreichend hohes Niveau zu bringen, so daß keine zwischengeschaltete Druckerhöhungsstufen mehr erforderlich sind. Durch die Erhöhung des Drucks können die einzelnen Komponenten des
Brennstoffeellensystems und damit das Brennstoffeellensystem insgesamt wesentlich kleiner, vorzugsweise sogar in Mikrostrukturbauweise (Querschnitte der Strömungskanäle und/oder Wanddicken im Submillimeterbereich) ausgebildet werden. Der Grund hierfür liegt unter anderem darin, daß in den einzelnen Komponenten des Brennstoffeellensystems, beispielsweise einem Reformer, einem Shift-Reaktor, einer selektiven Oxidation oder dergleichen chemische Reaktionen ablaufen, bei denen eine Druckerhöhung zu einer Gleichgewichtsverschiebung des chemischen Gleichgewichts hin zu kleineren Molvolumina führt. Weiterhin kann durch die Erhöhung beziehungsweise Einstellung des Drucks der Wärmeübergang zwischen dem jeweiligen Reaktionsraum und externen Wärmeübertragungsmedien wesentlich verbessert werden.
Darüber hinaus kann durch die geregelte Einstellung des Drucks eines gas- oder dampfförmigen Materials auch dessen Temperaturniveau eingestellt werden. Beispielsweise kann durch Entspannung eines zuvor auf erhöhten Druck gebrachten Materials eine geregelte Abkühlung dieses Materials realisiert werden. Dies kann, wie im weiteren Verlauf der Beschreibung noch näher erläutert wird, im Brennstoffzellenprozeß von besonderem Vorteil sein. Weiterhin läßt sich beispielsweise durch Erhöhung des Drucks die Verdampfung einer Flüssigkeit kontrollieren beziehungsweise verzögern. Unter erhöhtem Druck wird eine Flüssigkeit erst bei höherer Temperatur verdampfen, als dies bei Umgebungsdruck der Fall wäre. Diesen Effekt einer Temperaturerhöhung bei erhöhtem Druck über die normale Siedetemperatur hinaus nennt man "Überhitzung von Flüssigkeiten". Wenn eine solche unter höherem Druck stehende überhitzte Flüssigkeit entspannt wird, setzt schlagartig die Verdampfung ein. Dies kann im Brennstoffzellenprozeß vorteilhaft sein. Um die beiden vorstehend beschriebenen exemplarischen Effekte, die nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen sind, im Brennstoffzellensystem realisieren zu können, ist in diesem zunächst wenigstens eine druckerhöhende Fördereinrichtung vorgesehen, die in der Kraftstoffeuleitung angeordnet ist. Über diese Fördereinrichtung wird der Kraftstoff aus dem Kraftstofftank herausgepumpt und in die Vorrichtung zum Erzeugen/Aufbereiten des Brennstoffs unter vergleichsweise hohem Druck hineingepumpt. Mit diesem zu Anfang der Prozeßkette eingestellten Druckniveau wird der Kraftstoff also zur Vorrichtung zum Erzeugen/Aufbereiten des Brennstoffs geleitet und in dieser bei in den einzelnen Prozeßstufen abnehmendem Druck aufbereitet.
Vorteilhaft ist die Fördereinrichtung regelbar ausgestaltet, so daß je nach unterschiedlichen Betriebszuständen des Brennstoffeellensystems, unterschiedlichen Umgebungstemperaturen oder dergleichen, ein individuelles Druckniveau und/oder Temperaturniveau für den Kraftstoff eingestellt werden kann.
In Förderrichtung hinter der Vorrichtung zum Erzeugen/Aufbereiten des Brennstoffs ist wenigstens ein Druckregler vorgesehen, der den Druck in den einzelnen Komponenten des Systems auf dem jeweils gewünschten Niveau hält. Dieser Druckregler kann beispielsweise in der Brennstoffzuleitung und damit zwischen der Vorrichtung zum
Erzeugen/Aufbereiten des Brennstoffs und der Brennstoffzelle angeordnet sein. Es ist auch möglich, den Druckregler in der Brennstoffableitung und damit der Brennstoffeelle nachgeschaltet vorzusehen. Weiterhin ist es auch möglich, sowohl in der Brennstoffzuleitung als auch in der Brennstoffableitung jeweils einen Druckregler vorzusehen. Darüberhinaus sind zwischen zwei oder mehreren der Reaktorelemente der Brennstoffaufbereitung jeweils ein oder mehrere Druckregler angeordnet.
Der oder die Druckregler haben die Funktion, ein individuelles Druckniveau beziehungsweise Temperatumiveau für den Brennstoff in der/den jeweiligen Prozeßstufe/n einzustellen.
Vorteilhaft ist der Druckregler als einstellbarer Druckregler ausgebildet, so daß für unterschiedliche Betriebszustände für das Brennstoffeellensystem, unterschiedliche Umgebungstemperaturen oder dergleichen jeweils individuelle Druckniveaus, beziehungsweise Temperaturniveaus, eingestellt werden können. Der Druckregler ist stets auf einen Wert eingestellt, der niedriger liegt als der durch die Fördereinrichtung erzeugte Druck. Der Kraftstoff durchläuft nach Verlassen der Fördereinrichtung verschiedene Komponenten (Prozeßstufen) des Brennstoffzellensystems. In diesen Komponenten findet zwangsläufig ein gewisser Druckabfall statt, so daß der Druck des Kraftstoffs beziehungsweise des aus diesem gebildeten Brennstoffs auf seinem Weg zur Brennstoffeelle abnimmt. Weiterhin kann sich die Temperatur des Brennstoffs während seiner Aufbereitungsphase beziehungsweise Erzeugungsphase stark erhöhen. Durch den der Vorrichtung zum Erzeugen/Aufbereiten des Brennstoffs nachgeschalteten Druckregler wird der Brennstoff entspannt, wodurch sich dieser abkühlt. Durch Verwendung des Druckreglers, kann somit auch erreicht werden, daß der Brennstoff mit einer definierten Temperatur in die Brennstoffeeile eingeleitet beziehungsweise aus dieser abgeleitet wird. Weiterhin wird sichergestellt, daß der Brennstoff immer mit einem definierten Druck in die Brennstoffeelle eingeleitet und durch diese hindurchgeleitet wird, wodurch eine mögliche Beschädigung der Brennstoffzelle, insbesondere von deren Membran, verhindert wird.
Vorzugsweise wird als Brennstoff für die Brennstoffeelle Wasserstoff verwendet. Als Kraftstoff beziehungsweise Ausgangsmaterial für den Wasserstoff kann in diesem Fall beispielsweise Methanol, Methan, Benzin, Erdgas, Biogas, Kohlegas oder dergleichen verwendet werden. Als Oxidationsmittel wird vorzugsweise Sauerstoff verwendet, der der Umgebungsluft entnommen werden kann.
Vorteilhafte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Brennstoffeellensystems ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Vorzugsweise kann das Druckniveau des Brennstoffs auf einen Wert größer als der Umgebungsdruck eingestellt sein. In besonderer Ausgestaltung kann ein Druckniveau des Brennstoffs von größer oder gleich 1 bar, insbesondere zwischen 3 und 10 bar, eingestellt sein. Natürlich sind auch noch höhere Drücke denkbar. Der über die Fördereinrichtung auf erhöhten Druck gebrachten Kraftstoff kann während seiner Umwandlung in den Brennstoff die verschiedenen Komponenten des Brennstoffeellensystems durchströmen und gleichzeitig mit einem geeigneten, vorzugsweise erhöhten, Druck in die Brennstoffzelle eingeleitet werden. Grundsätzlich ist die Erfindung nicht auf die Einstellung bestimmter Druckniveaus beschränkt. Wichtig ist lediglich, daß der Druck über die Fördereinrichtung derart hoch eingestellt wird, daß die an beziehungsweise in den einzelnen Komponenten auftretenden Druckverluste berücksichtigt werden.
In vorteilhafter Ausgestaltung kann die Fördereinrichtung als Doppelpumpe ausgebildet sein, die mit der Kraftstoffzuleitung und zusätzlich mit einer Wasserzuleitung verbunden ist. Eine solche Doppelpumpe hat den Effekt, daß der aus dem Kraftstofftank herausgepumpte Kraftstoff, der als Ausgangsmaterial für den Brennstoff dient, vor Eintritt in die Vorrichtung zum Erzeugen/Aufbereiten des Brennstoffs oder in die Brennstoffzelle mit dem Wasser zunächst zu einem Brennstoff/Wassergemisch vermischt wird.
Das der Doppelpumpe über die Wasserzulertung zugeleitete Wasser kann beispielsweise aus einer externen Wasserquelle zugeleitet werden. Vorteilhaft wird als Wasser für die Doppelpumpe jedoch solches Wasser verwendet, das während des
Brennstoffzelleπprozesses aus der Brennstoffeelle ausgetragen, beziehungsweise aus deren Abgasströmen zurückgewonnen wird.
In anderer Ausgestaltung kann die Fördereinrichtung beispielsweise als Verdichter oder Kraftstoffpumpe ausgebildet sein. Solche Fördereinrichtungen werden beispielsweise dann verwendet, wenn dem Kraftstoff kein Wasser zugemischt werden muß.
Es ist auch denkbar, in der Kraftstoffzuleitung mehr als eine Fördereinrichtung zu verwenden. So ist es beispielsweise denkbar, eine Doppelpumpe und zusätzlich eine Kraftstoffpumpe zu verwenden. Über die Kraftstoffpumpe wird der Kraftstoff dann aus dem Kraftstofftank herausgepumpt und möglicherweise bereits auf einen erhöhten Druck gebracht, bevor er in die Doppelpumpe eingespeist, in dieser mit Wasser vermischt und auf das gewünschte Druckniveau gebracht wird.
Vorteilhaft kann zwischen der Fördereinrichtung und der Eingangsseite der Vorrichtung zum Erzeugen/Aufbereiten des Brennstoffs ein Druckregler, insbesondere ein einstellbarer Druckregler, in der Kraftstoffeuleitung angeordnet sein. Dieser Druckregier hat den gleichen Effekt wie der beziehungsweise die weiter oben beschriebenen Druckregler. Er dient dazu, für den Kraftstoff vor dem Eintritt in die Vorrichtung zum Erzeugen/Aufbereiten des Brennstoffs ein individuelles Druckniveau und/oder Temperatumiveau einzustellen.
In weiterer Ausgestaltung kann zwischen der Fördereinrichtung und der Eingangsseite der Vorrichtung zum Erzeugen/Aufbereiten des Brennstoffs ein Zwischentank in der Kraftstoffeuleitung angeordnet sein. Dabei ist vorgesehen, daß insbesondere in Strömungsrichtung vor und/oder nach dem Zwischentank wenigstens ein Druckregler, insbesondere ein regelbarer Druckregler, in der Kraftstoffeuleitung angeordnet ist. Ähnlich wie weiter oben beschrieben wurde, kann über den beziehungsweise die Druckregler ein individuelles Druckniveau und/oder Temperatumiveau des Kraftstoffs eingestellt werden.
In einer anderen Ausführungsform kann vorgesehen sein, daß die Kraftstoffzuleitung vom Kraftstofftank bis hin zum Zwischentank nahezu drucklos betrieben wird. Zwischen dem Zwischentank und der Vorrichtung zum Erzeugen/Aufbereiten des Brennstoffs kann dann eine Fördereinrichtung, beispielsweise eine Flüssigkeitsdruckpumpe oder dergleichen, vorgesehen sein, die den erforderlichen Druck für die Vorrichtung zum Erzeugen/Aufbereiten des Brennstoffs erfolgt. In diesem Fall könnte auf einen zusätzlichen Druckregeler direkt vor der Vorrichtung verzichtet werden.
In dem Zwischentank wird das beispielsweise in der als Doppelpumpe ausgebildeten Fördereinrichtung erzeugte Gemisch aus Kraftstoff und Wasser zwischengespeichert, bevor es in die Vomchtung zum Erzeugen/Aufbereiten des Brennstoffs oder in die Brennstoffzelle eingespeist wird.
Der Zwischentank hat die Aufgabe, daß zum Betrieb der Vorrichtung zum Erzeugen/Aufbereiten des Brennstoffs oder zum Betrieb der Brennstoffzelle immer eine genügend große Menge an KraftstoffΛΛ asser-Gemisch zur Verfügung steht. Das Vorhandensein einer genügend großen Menge an Kraftstoff/Wasser-Gemisch ist insbesondere in der Startphase, beziehungsweise Hochfahrphase, des Brennstoffzellensystems von Bedeutung.
Vorteilhaft ist der Zwischentank in Strömungsrichtung hinter der Fördereinrichtung vorgesehen. Auf diese Weise wird gewährleistet, daß immer genügend Kraftstoff Wasser-Gemisch zur Verfügung steht, was insbesondere für eine kurze Startphase für das Brennstoffeellensystem von Vorteil ist.
Vorteilhaft kann die Vorrichtung zum Erzeugen/Aufbereiten des Brennstoffs eine Anzahl von Reaktorelementen aufweisen, insbesondere einen Verdampfer, einen Reformer, einen Shift-Reaktor und eine selektive Oxidation. Die einzelnen Reaktorelemente können über entsprechende Leitungen miteinander verbunden sein, so daß der Brennstoff während seiner Erzeugung, beziehungsweise Aufbereitung, die einzelnen Reaktorelemente durchströmt.
In einigen Reaktorelementen finden dabei exotherme Reaktionen statt, das heißt es wird Wärme frei. In anderen Reaktorelementen wird hingegen Wärme benötigt.
Eines dieser Reaktorelemente ist beispielsweise ein Verdampfer. Ein solcher Verdampfer ist etwa erforderlich, wenn Wasserstoff aus Methanol, Erdgas oder dergleichen reformiert werden soll. Dem Verdampfer muß zum Betrieb Wärme zugeführt werden.
Bei einem anderen Reaktorelement handelt es sich um einen Reformer, der dem Verdampfer nachgeschaftet ist, und in dem das Breπnstoff/Wasser-Gemisch zu Wasserstoff reformiert wird.
Ein weiteres Reaktorelement kann beispielsweise als selektive Oxidation ausgebildet sein. Dieses Reaktorelement ist zweckmäßig, wenn der Wasserstoff durch das Verfahren der partiellen Oxidation erzeugt und anschließend gereinigt wird. Hierbei wird das Gas z.B.durch eine homogene Wassergasreaktion zunächst in einem Shift- Reaktor vorgereinigt und in der nachfolgenden Stufe - der selektiven Oxidation - feingereinigt.
Erfindungsgemäß sind zwischen zwei oder mehreren der Reaktorelemente jeweils ein oder mehrere Druckregler, insbesondere einstellbarer Druckregler, vorgesehen. Ähnlich wie die weiter oben beschriebenen Druckregler können diese Druckregier dazu verwendet werden, zwischen den einzelnen Reaktorelementen individuelle Druckniveaus und/oder Temperaturniveaus einzustellen. Dabei ist die Erfindung nicht auf eine bestimmte Anzahl oder Anordnungsvariante der Druckregler beschränkt. Im einfachsten Fall kann nur ein einziger Druckregler vorgesehen sein, der zwischen zwei benachbarten Reaktorelementen angeordnet ist. Maximal kann zwischen jedem der Reaktorelemente ein solcher Druckregler vorgesehen sein. Darüber hinaus ist es auch möglich, vor dem ersten Reaktorelement und/oder nach dem letzten Reaktorelement noch einen Druckregler vorzusehen. Durch die den einzelnen Reaktorelementen jeweils vor- beziehungsweise nachgeschalteten Druckregler kann das jeweils für die Reaktorelemente optimale Druckniveau und/oder Temperatumiveau des Kraftstoffs beziehungsweise des Brennstoffs eingestellt werden.
Zur Verdeutlichung wird nachfolgend ein konkretes Beispiel für einen Druckregler beschrieben, ohne daß die Erfindung auf dieses Beispiel beschränkt wäre. Hierbei handelt es sich um einen dem Verdampfer vorgeschalteten Druckregler. Wenn beispielsweise von dem weiter oben beschriebenen Effekt der "überhitzten Flüssigkeit" Gebrauch gemacht wird, kann der Kraftstoff bei erhöhtem Druck beispielsweise dem Verdampfer mit einer Temperatur zugeführt werden, bei der dieser unter
Umgebungsdruck schon verdampfen würde. Auf Grund des erhöhten Drucks verbleibt der Kraftstoff jedoch in der flüssigen Phase. Wird nun der Kraftstoff über den Druckregler in den nachfolgenden Reaktor geleitet, so wird er entspannt und verdampft. Dadurch geht der Kraftstoff schlagartig (idealerweise vollständig) von der flüssigen in die gasförmige Phase über. Zumindest ein Teil des Kraftstoffs könnte somit beim Eintritt in den Verdampfer in gasförmigem Zustand vorliegen, so daß der Verdampfer wesentlich leistungsschwächer und damit auch räumlich kleiner und kostengünstiger dimensioniert werden kann. In diesem Fall fungiert der Verdampfer im wesentlichen als Wärmetauscher zur Temperaturerhöhung.
Die Erfindung ist nicht auf bestimmte Ausführungsformen der Druckregler beschränkt. Somit sind grundsätzlich alle Druckreglertypen möglich, mit denen die Druckregelung einer Flüssigkeit oder eines Gases realisiert werden kann. Beispielsweise können solche Druckregler als federbelastete Druckregler ausgebildet sein, die bereits bekannt sind und in der Praxis einen weiten Anwendungsbereich haben. Auch ist es denkbar, den oder die Druckregler als Ventil, beispielsweise als Entspannungsventil oder dergleichen, auszubilden.
Vorteilhaft können die Druckregler, insbesondere wenn sie als einstellbare Druckregler ausgebildet sind, über eine gemeinsame Steuereinrichtung angesteuert werden. Zusätzlich können ein oder mehrere Drucksensoren zur Erfassung des Drucks vorgesehen sein. Diese Drucksensoren können je nach Bedarf und Anwendungsfall an verschiedenen Orten des Brennstoffzellensystems vorgesehen sein. Über die Steuereinrichtung können die Druckregler derart betätigt werden, daß an den jeweiligen Orten, an denen sich diese befinden, ein zweckmäßiges individuelles Druckniveau und/oder Temperaturniveau eingestellt werden kann. Die Überwachung des Druckniveaus erfolgt dabei über den oder die Drucksensoren. Die Überwachung der Temperaturniveaus kann beispielsweise über geeignete Temperatursensoren erfolgen.
Vorzugsweise kann ein wie vorstehend beschriebenes erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem in einem oder für ein Fahrzeug verwendet werden. Auf Grund der rasanten Entwicklung der Brennstoffeellentechnologie im Fahrzeugsektor bietet eine solche Verwendung derzeit die besonders gute Einsatzmöglichkeiten. Dennoch sind auch andere Einsatzmöglichkeiten gegeben. Zu nennen sind hier unter anderem Brennstoffzellen für mobile Geräte wie Computer oder dergleichen bis hin zu stationäre Einrichtungen wie Kraftwerksanlagen. Hier eignet sich die Brennstoffeellentechnik besonders für die dezentrale Energieversorgung von Häusern, Industrieanlagen oder dergleichen.
In bevorzugter Weise wird die vorliegende Erfindung in Verbindung mit Brennstoffzellen mit Polymermembranen (PEM) verwendet. Diese Brennstoffzellen haben einen hohen elektrischen Wirkungsgrad, verursachen nur minimale Emissionen, weisen ein optimales Teillastverhalten auf und sind im wesentlichen frei von mechanischem Verschleiß.
Die Erfindung wird nun auf exemplarische Weise an Hand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert. Es zeigt die einzige Figur in schematischer Darstellung ein erfindungsgemäßes Brennstoffeellensystem.
In der Figur ist ein Brennstoffeellensystem 10 dargestellt, das zum Betreiben eines elektrischen Antriebs in einem Fahrzeug verwendet wird.
Das Brennstoffeellensystem 10 weist eine Brennstoffzelle 11 auf, mit einem Anodeπraum 12, einem Kathodenraum 16 und einer dazwischen liegenden Membran 15. Der Anodenraum 12 ist mit einer Zuleitung 13 und einer Ableitung 14 für einen Brennstoff, im vorliegenden Fall Wasserstoff, verbunden. Der Kathodenraum 16 ist mit einer Zuleitung 17 und einer Ableitung 18 für ein Oxidationsmittel, im vorliegenden Fall Sauerstoff oder Luft, verbunden.
Weiterhin ist eine Vorrichtung 20 zum Erzeugen/Aufbereiten des Brennstoffs vorgesehen, die über eine Anzahl von Reaktorelementen verfügt. Im vorliegenden Fall sind diese Reaktorelemente als Verdampfer 23, Reformer 24, Shift-Reaktor 25 und selektive Oxidation 26 ausgebildet. An ihrer Ausgangsseite 22 ist die Vorrichtung 20 mit der Brennstoffzuleitung 13 verbunden. An ihrer Eingangsseite 21 ist die Vorrichtung
20 über eine Kraftstoffeuleitung 31 mit einem Kraftstofftank 30 verbunden. Im Kraftstofftank 30 befindet sich das Ausgangsmaterial für den Brennstoff, beispielsweise Methanol, Benzin oder dergleichen, aus dem in der Vorrichtung 20 der Brennstoff, das heißt Wasserstoff, hergestellt wird.
In der Kraftstoffzuleitung 31 ist eine als Doppelpumpe 32 ausgebildete Fördereinrichtung vorgesehen, die weiterhin mit einer Wasserzuleitung 33 verbunden ist. Zwischen dem Kraftstofftank 30 und der Doppelpumpe 32 sind eine Kraftstoffpumpe 35 sowie ein Kraftstoffilter 36 in die Kraftstoffzuleitung 31 eingeschaltet. In Strömungsrichtung S hinter der Doppelpumpe 32 und vor der
Vorrichtung 20 zum Erzeugen/Aufbereiten des Brennstoffs ist in der Kraftstoffzuleitung 31 ein Zwischentank 34 für ein Kraftstoff/Wasser-Gemisch vorgesehen.
Um an verschiedenen Stellen des Brennstoffzellensystems 10 individuelle Druckniveaus und/oder Temperaturniveaus einstellen zu können, sind eine Reihe von Druckreglern, insbesondere von einstellbaren Druckreglern, vorgesehen. Im Nahbereich der Brennstoffzelle 1 1 befinden sich in der Brennstoffzuleitung 13 sowie der Brennstoffableitung 14 jeweils ein Druckregler 40, 41. In der Kraftstoffeuleitung 31 sind zwei Druckregler 42, 43 vorgesehen, die in Strömungsrichtung S jeweils vor und nach dem Zwischentank 34 angeordnet sind. In der Vorrichtung 20 zum
Erzeugen/Aufbereiten des Brennstoffs sind insgesamt drei Druckregler 44, 45, 46 vorgesehen, die sich jeweils zwischen den Reaktorelementen 23, 24, 25, 26 befinden. Je nach Bedarf und Anwendungsfall kann auch in der Oxidatiσnsmittelzuleitung 17 und/oder der Oxidationsmittelableitung 18 wenigstens ein Druckregler (nicht dargestellt) vorgesehen sein. Nachfolgend wird nun die Funktionsweise des Brennstoffzellensystems 10 beschrieben.
Um die Brennstoffzelle 11 betreiben zu können, wird in diese als Brennstoff
Wasserstoff und als Oxidationsmittel Sauerstoff oder Luft eingespeist. Dies erfolgt über die Brennstoffzuleitung 13 sowie die Oxidationsmittelzuleitung 17. Da Wasserstoff in der Regel nicht in Reinform vorliegt, wird dieser in der Vorrichtung 20 zunächst erzeugt und aufbereitet. Dazu wird der als Ausgangsmaterial für den Brennstoff dienende Kraftstoff, beispielsweise Methanol oder Benzin, aus dem Kraftstofftank 30 heraus und über die Kraftstoffzuleitung 31 in die Vorrichtung 20 gepumpt. Der Kraftstoff wird mittels der Kraftstoffpumpe 35 über den Kraftstoffilter 36 in die Doppelpumpe 32 gefördert und dort zu einem Brennstoff/Wasser-Gemisch vermischt. Das dafür benötigte Wasser wird der Doppelpumpe 32 über die Wasserzuleitung 33 zugeführt. Das so erzeugte Brennstoff/Wasser-Gemisch wird im Zwischentank 34 zwischengespeichert und von dort in die Vorrichtung 20 eingeleitet, wo aus dem Brennstoff/Wasser-Gemisch ein wasserstoffreiches Gas zum Betreiben der Brennstoffzelle 11 erzeugt wird.
Um die einzelnen Komponenten des Brennstoffeellensystems 10 möglichst kleinhalten und dennoch einen guten Wärmeübergang zwischen den einzelnen Komponenten realisieren zu können, ist es vorteilhaft, daß der Kraftstoff beziehungsweise der Brennstoff mit einem erhöhten Druck durch die entsprechenden Komponenten hindurchgeleitet wird. Als erhöhter Druck wird in diesem Fall ein Druckniveau verstanden, das deutlich oberhalb des Umgebungsdruckniveaus liegt, vorzugsweise in einem Bereich zwischen 3 und 10 bar. Dieses Druckniveau des Kraftstoffs wird im wesentlichen über die Doppelpumpe 32 und/oder die Kraftstoffpumpe 35 eingestellt. Die Feineinstellung des Druckniveaus vor Eintritt in die Vorrichtung 20 erfolgt über die einstellbaren Druckregler 42, 43. Vorteilhaft ist der Druckregler 43 als Entspannungsventil ausgebildet.
In einer anderen Ausführungsform ist es möglich, den Kraftstoff nahezu drucklos bis in die unmittelbare Nähe der Vorrichtung 20 zu leiten. In diesem Fall können einzelne oder mehrere Druckregler 42, 43 und auch die Pumpen 35, 32 in der Kraftstoffeuleitung 31 entfallen. Stattdessen kann eine als Flüssigkeitsdruckpumpe ausgebildete Fördereinrichtung (nicht dargestellt) vorgesehen sein, die zwischen dem Zwischentank 34 und der Vorrichtung 20 angeordnet ist. Über diese Pumpe wird dann der für die Vorrichtung 20 erforderliche Druck im Kraftstoff eingestellt.
Das Brennstoff/Wasser-Gemisch wird in den Verdampfer 23 eingeleitet und im Verdampfer 23 verdampft. Es kann aber auch vorgesehen sein, daß nur ein Teil der Verdampfung im Verdampfer stattfindet und die restliche Verdampfung im Sinne eines Vergasers im nachgeschalteten Reaktor infolge einer Druckverminderung erfolgt. Alternativ könnte der durch die Fördereinrichtungen 32, 35 erzeugte Druck auch für eine Zerstäubung des Kraftstoff/Wasser-Gemischs eingesetzt werden, um durch die extrem große Oberfläche der Flüssigkeitsteilchen in einem am Eingang der Vorrichtung
20 angeordneten Reaktor eine sehr schnelle Verdampfung zu bewirken. Hierzu ist die Verwendung eines Wärmetauschers in Mikrostrukturtechnik, der nicht nur als Erwärmungsgerät arbeitet, sondern dessen Ausgangsseite gleichzeitig als Zerstäubungsdüse für einen nachgeschalteten Reaktor fungiert, besonders vorteilhaft. . Eine weitere Variante der Erfindung besteht darin, an der Ausgangsseite eines solchen Wärmetauschers in Mikrostrukturtechnik eine Zuführung für einen Gasstrom vorzusehen, der die fein zerstäubten Flüssigkeitströpfchen mit fortreißt und in den nachgeschalteten Reaktor führt. Bei diesem Gasstrom kann es sich beispielsweise um ein im Kreislauf geführtes wasserstoffreiches Gas oder auch um einen von außen als Reaktionspartner in den Aufbereitungsprozeß geführten Medienstrom handeln.
Wenn zwischen den einzelnen, dem Verdampfer nachgeschalteten Reaktorelementen 24, 25, 26 keine Druckregler vorgesehen sind, wird das auf diese Weise eingestellte Druckniveau des Brennstoffs beim Durchlaufen der Reaktorelemente jeweils aufgrund des auftretenden Druckabfalls abnehmen. Vor dem Eintritt in die Brennstoffzelle 11 ist dann der Druckregler 40 vorgesehen, der den für die Brennstoffzelle 11 erforderlichen Druck einstellt.
Es ist aber auch denkbar, vor der Eingangsseite 21 der Vorrichtung 20 den Druckregler 43 vorzusehen. Wenn dieser Druckregler als Entspannungsventil ausgebildet ist, kann die Entspannung des flüssigen Brennstoff/Wassergemischs bereits vor dessen Eintritt in den Verdampfer 23 zu dessen teilweiser Verdampfung führen Ein Teil des Gemischs tritt somit bereits in dampfförmigem Zustand in den Verdampfer 23 ein, so daß dieser entsprechend klein dimensioniert werden kann. Über die in der Vorrichtung 20 zum Erzeugen/Aufbereiten des Brennstoffs vorgesehenen Druckregler 45, 46 lassen sich jeweils die für die einzelnen Reaktorelemente erforderlichen Druckniveaus und/oder Temperatumiveaus einstellen. Zusätzlich kann nach dem Verdampfer 23 je nach Bedarf noch der Druckregler 44 vorgesehen sein. Dieser ist aber nicht unbedingt erforderlich.
Der in der Brennstoffzuleitung 13 und/oder der Brennstoffableitung 14 vorgesehene Druckregler 40, 41 hat die Aufgabe, den Brennstoff mit einem bestimmten vorgegebenen Druck in die Brennstoffeelle 11 einzuleiten. Dabei muß durch den beziehungsweise die Druckregler 40, 41 gewährleistet werden, daß das zur Erzielung der oben beschriebenen Vorteile eingestellte Druckniveau im Brennstoff wieder auf ein erforderliches Maß abgebaut wird. Würde der Brennstoff nämlich mit zu hohem Druck in die Brennstoffzelle 11 eintreten, könnte dies zu deren Beschädigung, insbesondere zu einer Beschädigung der Brennstoffeellenmembran 15 führen
Die vorliegende Erfindung erlaubt es, aufgrund der durch die diversen Druckregler (Druckhalteventile) ermöglichten gezielten Druckeinstellungen sämtliche Verfahrensstufen der Brennstoffaufbereitung unter optimalen Betriebsbedingungen durchzuführen. Dabei sind keine aufwendigen Kompressoren zur Druckerhöhung von Gasen oder Dämpfen erforderlich. Vielmehr wird über ein am Verfahrensanfang stehendes Pumpenaggregat der als Einsatzmaterial gewählte Kraftstoff mit minimalem Aufwand in die Verdampferstufe eingespritzt. Bis zum Ende der Brennstoffaufbereitung brauchen lediglich geeignete niedrigere Druckstufen eingestellt zu werden. Diese Verfahrensweise ist besonders vorteilhaft, wenn für einzelne Reaktorelemente Apparate in Mikrostrukturbauweise eingesetzt werden, da diese von vornherein wegen der kleinen Strömungskanäle einen vergleichsweise hohen Strömungswiderstand bieten und daher bereits wesentliche Eigenschaften eines Druckhalteventils mit sich bringen.
Bezugszeichenliste
10 = Brennstoffzellensystem
11 = Brennstoffzelle
12 = Anodenraum
13 = Brennstoffzuleitung
14 = Brennstoffableitung
15 = Membran
16 = Kathoden räum
17 = Oxidationsmittelzuleitung
18 = Oxidationsmittelableitung
20 = Vorrichtung zum Erzeugen/Aufbereiten von Brennstoff
21 = Eingangsseite
22 = Ausgangsseite
23 = Verdampfer
24 = Reformer
25 = Shift-Reaktor
26 = selektive Oxidation
30 = Kraftstofftank
31 = Kraftstoffeuleitung
32 = Doppelpumpe
33 = Wasserzuleitung
34 = Zwischentank
35 = Kraftstoffpumpe
36 = Kraftstoffilter
40 = Druckregler
41 = Druckregler
42 = Druckregler
43 = Druckregler
44 = Druckregler
45 = Druckregler
46 = Druckregler
S = Strömungsrichtung

Claims

Patentansprüche:
1. Brennstoffzellensystem, mit einer Brennstoffzelle (11 ), die einen Anodenraum (12) mit einer Zuleitung (13) und einer Ableitung (14) für einen Brennstoff, und einen Kathodenraum (16) mit einer Zuleitung (17) und einer Ableitung (18) für ein Oxidationsmittel aufweist, ferner mit einer Vorrichtung (20) zum
Erzeugen/Aufbereiten eines wasserstoffreichen Gases als Brennstoff für die Brennstoffeelle aus einem Kraftstoff, die eine Anzahl von Reaktorelementen aufweist und die ausgangsseitig (22) mit der Brennstoffzuleitung (13) und eingangsseitig (21) über eine Kraftstoffeuleitung (31) mit einem Kraftstofftank (30) verbunden ist, wobei zur Einstellung eines bestimmten Druckniveaus und/oder Temperatumiveaus des Brennstoffs für die Brennstoffzelle (11) in der Kraftstoffzuleitung (31) wenigstens eine druckerhöhenende Fördereinrichtung (32; 35) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß in der Brennstoffzuleitung (13) und/oder in der Brennstoffableitung (14) wenigstens ein Druckregler (40; 41) sowie zwischen zwei oder mehreren der Reaktorelemente (23, 24, 25, 26) jeweils ein oder mehrere weitere Druckregler (44, 45, 46) angeordnet sind.
2. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß das Druckniveau des Brennstoffs auf einen Überdruck größer 1 bar, insbesondere zwischen 3 und 10 bar, eingestellt ist.
3. Brennstoffeellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Fördereinrichtung als Doppelpumpe (32) ausgebildet ist, die mit der Kraftstoffzuleitung (31) und zusätzlich mit einer Wasserzuleitung (33) verbunden ist.
4. Brennstoffeellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Fördereinrichtung (32; 35) und der Eingangsseite (21) der Vorrichtung (20) zum Erzeugen/Aufbereiten des Brennstoffs ein Druckregler (43; 42) in der Kraftstoffeuleitung (31 ) angeordnet ist.
5. Brennstoffeellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Fördereinrichtung (32; 35) und der Eingangsseite (21) der Vorrichtung (20) zum Erzeugen/Aufbereiten des Brennstoffs ein Zwischentank
(34) in der Kraftstoffzuleitung (31) angeordnet ist und daß in Strömungsrichtung (S) vor und/oder nach dem Zwischentank (34) wenigstens ein Druckregler (42, 43) in der Kraftstoffzuleitung (31) angeordnet ist.
6. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung (20) zum Erzeugen/Aufbereiten des Brennstoffs einen Verdampfer (23), einen Reformer (24), einen Shift-Reaktor (25) und eine selektive Oxidation (26) aufweist.
Brennstoffeellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckregler (40 bis 46) zumindest teilweise als einstellbare Druckregler ausgebildet sind.
8. Brennstoffeellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß am Eingang der Vorrichtung (20) ein Wämetauscher in Mikrostrukturtechnik angeordnet ist, dessen Ausgangsseite als Zerstäubungsdüse für ein nachgeschaltetes Reaktorelement fungiert.
9. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich der Ausgangsseite des Wärmetauschers eine Zuführung für einen Gasstrom angeordnet ist.
10. Verwendung eines Brennstoffzellensystems (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 in einem oder für ein Fahrzeug.
PCT/DE2000/004324 1999-11-30 2000-11-29 Brennstoffzellensystem WO2001041240A2 (de)

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