WO2001097306A2 - Vorrichtung zum zuleiten von brennstoff in die brennstoffzelle eines brennstoffzellensystems sowie brennstoffzellensystem - Google Patents

Vorrichtung zum zuleiten von brennstoff in die brennstoffzelle eines brennstoffzellensystems sowie brennstoffzellensystem Download PDF

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    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the present invention relates to a device for supplying fuel into the fuel cell of a fuel cell system and to a fuel cell system.
  • Fuel cells have been known for a long time and have become significantly more important, particularly in the automotive industry.
  • a fuel cell for example a PEM fuel cell
  • electricity is generated by a chemical reaction.
  • a fuel such as hydrogen
  • an oxidizing agent such as oxygen removed from the air
  • a fuel cell essentially consists of an anode part, a membrane and a cathode part.
  • the membrane of a PEM fuel cell consists of a gas-tight and proton-conducting material and is arranged between the anode and the cathode in order to exchange ions.
  • the fuel is supplied on the anode side, while the oxidant is supplied on the cathode side.
  • Protons i.e.
  • 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 to form water.
  • the emitted electrons in the reaction can be guided externally as electric current through a load such as the electric motor 'of an automobile. If one wants to operate the fuel cell with a readily available or storable fuel such as natural gas, methanol or the like, these hydrocarbons must first be converted into a hydrogen-rich gas in a corresponding device for generating / processing the fuel.
  • the raw material for the fuel referred to here as fuel
  • the fuel is not introduced into the device for producing / processing the fuel or into the fuel cell as a fuel / water mixture.
  • the fuel must first be mixed with a suitable amount of water.
  • There is an optimal fuel / water mixture ratio for the respective chemical process of fuel processing in which a particularly large amount of hydrogen and particularly little carbon monoxide is generated with the lowest possible heat requirement for the reforming. It is therefore advantageous to use a mixing device for these two process media which, for example in the form of a double pump, works from the outset with a corresponding constant mixing ratio. Nevertheless, it may be desirable to vary the ratio of fuel to water during operation of the fuel cell system, for example in order to satisfy a changed heat requirement in the fuel cell system.
  • the present invention is based on the object of providing a device for supplying fuel to the fuel cell of a fuel cell system and a fuel cell system in which, on the one hand, a required or desired constant fuel / water mixture is produced in a simple and inexpensive manner and in the device for Generation / preparation of the fuel or the fuel cell can be initiated, but on the other hand the flow rates of the water or the fuel can be changed in a very short time if necessary.
  • this object is achieved by a device for supplying fuel into the fuel cell of a fuel cell system, which has a fuel tank which is connected via a fuel supply line to a device for producing / processing the fuel (hereinafter referred to as fuel generation device). There is also a water supply Formation of a fuel / water mixture is provided.
  • the fuel supply line and the water supply line are connected to a mixing device, the output of which is connected to the input side of the fuel generation device via a mixing line.
  • a mixture of fuel and water in a constant mixing ratio is generated in the mixing device.
  • at least one bypass line provided with a metering device is provided, through which a controllable flow of water and / or fuel past the mixing device into the fuel generation device can be introduced to influence the composition of the mixture of fuel and water.
  • the device according to the invention makes it possible in a simple and inexpensive manner to produce a constant fuel / water mixture and to make it available to the device for generating / processing the fuel or the fuel cell itself.
  • the ratio of fuel to water during the operation of the fuel cell system can still be favored by a short-term, i.e. practically instantaneous increase in the water or fuel content can be freely varied in accordance with the currently changing needs, by introducing water or fuel through the bypass line or past the mixing device directly into the fuel generation device.
  • the need for additional water or fuel can be easily determined and the current flowing in the bypass line or lines can be controlled accordingly.
  • a concentration measurement could of course also provide the necessary data.
  • the raw material for the fuel is initially stored as fuel in the fuel tank.
  • the fuel can be, for example, an alcohol such as methanol or methane, gasoline, natural gas, coal gas, biogas or the like.
  • the fuel is transported to the fuel generation device via the fuel feed line. Before entering this device, the fuel is mixed with water supplied via the water supply line in the mixing device to form a fuel / water mixture. This mixture is then fed into the fuel production device. The fuel is then converted into the fuel in the fuel generation device. This is then fed to the fuel cell.
  • the fuel is preferably introduced into the fuel cell in the moistened state in order to prevent it from drying out, in particular drying out of the fuel cell membrane.
  • the fuel can be moistened in any way.
  • Part of the water is advantageously used for this purpose, which is discharged from the fuel cell during the fuel cell process and can be recovered from its exhaust gas streams, another part of this water being able to be provided for the fuel generation device.
  • the water can also be supplied, for example, from an external water source.
  • the fuel supply line and the water supply line are combined in the mixing device to form the constant fuel / water mixture.
  • This mixing device can advantageously be formed from a double pump which simultaneously delivers fuel and water in a fixed ratio and delivers it as a mixture.
  • the mixing device can, for example, also comprise only an intermediate tank to which the fuel supply line and the water supply line are connected and in which the mixing takes place.
  • the intermediate tank has, for example, the function of a buffer store to cover a short-term peak demand in the required amount of fuel / water mixture if the performance of the double pump is designed only for a maximum value below the peak demand for cost reasons.
  • the intermediate tank can also be filled with water and fuel by means of two individual pumps which are connected to the fuel supply line or the water supply line.
  • composition of the constant fuel / water mixture should be set so that it is suitable for normal operation of the
  • Fuel generation device is optimal.
  • a favorable methanol: water ratio is in the range from 1: 1 to 1: 1.5. With this ratio, a lot of hydrogen is generated as fuel and relatively little carbon monoxide, which can be harmful to the fuel cell (depending on the type of fuel cell).
  • the production of fuel from the hydrocarbon used can also be carried out, for example, by partial oxidation or by a combination of steam reforming and partial oxidation. In the latter possibility in particular, it may be desirable to shift the focus of fuel production between the two processes during operation, which can be achieved by changing the composition of the mixture.
  • a mixture change can also be expedient, for example in order to achieve rapid cooling of the fuel generation device when there is a risk of overheating. This can advantageously be done by increasing the relative amount of water that is introduced into the fuel production device with the mixture. Conversely, a rapid temperature increase, which is particularly desirable in a start-up phase (cold start), can be promoted by temporarily increasing the fuel content in the mixture.
  • Another reason for the expediency of a briefly increased proportion of fuel in the fuel / water mixture may be that the fuel production device is designed in such a way that it can only deliver less fuel with a maximum quantity of mixture with the "optimal" composition, than the fuel cell needs for maximum power generation.
  • Demand for maximum power generation can be, for example, during an overtaking process of an electrically driven vehicle with fuel cells or also during vehicle acceleration on the threading track
  • the fuel generation device can briefly be able to generate an increased hydrogen content, even if the amount of undesired carbon monoxide generated is increased at the same time. The latter is tolerable for a short time.
  • the increase in hydrogen production is possible because, by reducing the heat requirement for the evaporation of the smaller proportion of water selected, more heat is available for the conversion of the fuel supplied.
  • the bypass line for water branches off from a partial line of the water supply line via an interface, leads past the mixing device and then either opens directly into the fuel generation device or is preferably connected via an additional interface to the mixing line leading to the fuel generation device.
  • interfaces can be designed, for example, as a flange, welded connection, clamping ring coupling or the like.
  • connection options are also conceivable, so that the invention is not restricted to the examples mentioned.
  • the metering device in the bypass line can be designed as a quantity-controllable delivery device (pump) which is built into the bypass line and is operated in addition to, for example, a double pump which delivers the mixture with a constant composition.
  • pump quantity-controllable delivery device
  • the configuration of the device for supplying fuel in accordance with the invention ensures that the base load for supplying the fuel generating device takes place via the fuel / water mixture produced, for example, in a double pump, and that the fuel generating device in the dynamic range via the delivery devices provided in the bypass lines provides additional water or additional fuel can be supplied.
  • additional quantities can be divided very precisely by means of the conveying devices and / or the respective valves.
  • the intermediate tank which is preferably provided in the fuel feed line, can ensure that a sufficient quantity of fuel / water mixture is always available for operating the fuel generation device or for operating the fuel cell.
  • Fuel / Vasser mixture is particularly important in the start-up or start-up phase of the fuel cell system.
  • the starting phase especially during a cold start - it is necessary to introduce the fuel / water mixture into the device for producing / processing the fuel or into the fuel cell without delay, so that the fuel cell achieves its optimal performance as quickly as possible.
  • the use of an intermediate tank in the fuel supply line ensures that a certain amount of fuel / water mixture always remains in the fuel cell system, especially after the fuel cell has been switched off, so that for one restarting the fuel cell system immediately enough fuel / water mixture is available for the first operating phase.
  • an intermediate tank can also be advantageous if the fuel cell and thus also its device for supplying fuel is used at low ambient temperatures. At low temperatures, there is a risk that liquids, especially water, can freeze. Such frozen water must first be thawed in the start-up phase of the fuel cell, which leads to time delays. The fuel cell is quickly ready for use after starting, because. there is a fuel / water mixture in the intermediate tank that does not freeze due to the freezing point-lowering fuel content (e.g. methanol).
  • the freezing point-lowering fuel content e.g. methanol
  • a water tank can be provided in the water supply.
  • a water tank is advantageous, for example, if water is used to produce the fuel water mixture, which water is discharged from the fuel cell during the fuel cell process or is recovered from the exhaust gas streams of the fuel cell.
  • process water is only generated during the operation of the fuel cell, so that it is not yet available, particularly in the starting phase of the fuel cell system.
  • the water tank serves as a water reservoir from which water can be drawn even during the start-up phase of the fuel cell system in order to be able to provide the required fuel / water mixture as quickly as possible.
  • the water supply line and / or the water tank is preferably connected to a drain valve.
  • the process water can be drained if necessary via the drain valve. For example, to avoid freezing, it is possible for the water to be drained from the water supply line and / or the water tank if the fuel cell system is switched off for a long time or at low temperatures. However, it can also be provided that the drain valve never completely drains the water tank, so that a residual amount of water always remains in the water tank and thus in the water supply system.
  • a fuel cell system having one or more fuel cells has / have at least one anode part with at least one feed line and at least one discharge line for a fuel and at least one cathode part with at least one feed line and at least one discharge line for an oxidizing agent. Furthermore, a device according to the invention for supplying fuel as described above is provided, the device being connected on the output side of the fuel production device to the fuel supply line to the fuel cell.
  • the fuel / water mixture is first produced in the required mixing ratio. This fuel / water mixture is then introduced into the device for producing / processing the fuel, where it is converted into a hydrogen-rich gas. This hydrogen-rich gas is then introduced into the fuel cell via the fuel feed line.
  • a water separator which is connected to the water supply line, can preferably be provided in the at least one fuel discharge line and / or the at least one oxidant discharge line.
  • the water produced during the fuel cell process can be collected via this water separator and then used further.
  • water is also produced during operation of the fuel cell, which water is derived in the form of water vapor in the exhaust gas stream of the oxidizing agent and / or the fuel.
  • the process water admixture to the fuel is available, the gas stream containing the water vapor flows through the water separator after exiting the fuel cell, in which the water vapor condenses to liquid water.
  • a device according to the invention as described above and / or 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. However, other possible uses are also conceivable. These include fuel cells for mobile devices such as computers or the like, as well as stationary equipment 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
  • FIGS. 1 and 2 each show a schematic representation of a fuel cell system according to the invention with a device for supplying fuel.
  • FIG. 1 shows a fuel line system 10 which is used in the present example to operate an electric drive in a vehicle (not shown).
  • the fuel cell system 10 has a fuel cell 11 with an anode part 12, a cathode part 15 and a membrane 18.
  • the anode part 12 is connected to a feed line 13 and a discharge line 14 for a fuel, in the present case hydrogen.
  • the cathode part 15 is with a feed line 16 and Derivation 17 for an oxidizing agent, in the present case oxygen or air, connected.
  • a water separator 19 is located in the oxidant discharge line 17, via which process water can be recovered from the exhaust gas flow of the cathode part 15 of the fuel cell 11.
  • the fuel cell 11 is connected via the fuel line 13 to a device 30 for supplying fuel.
  • the device 30 has a fuel generation device 31, which is connected on its output side 33 to the fuel line 13. On its input side 32, the fuel generation device 31 is connected to a fuel supply line 40
  • Fuel tank 34 connected, in which a fuel, which forms the starting material for the fuel, for example methanol, gasoline, natural gas or the like, is stored.
  • the fuel supply line 40 initially consists of a sub-line 41 in which one
  • Double pump 42, an intermediate tank 43 and a fuel filter 44 are provided. Furthermore, the fuel feed line 40 has a bypass line 45, in which an additional delivery device 46 designed as a pump is arranged.
  • the bypass line 45 is connected via appropriate interfaces 47, 48 to a mixed line 49 as part of the fuel line 40.
  • the interface 47 is preferably designed as a flange, welded connection or the like, while the interface 48 is preferably designed as a quantity-controllable directional valve.
  • the device 30 for supplying fuel has a water supply line 50.
  • the water supply line 50 initially consists of a partial line 51 which is connected on one side to the water separator 19 and on the other side to the double pump 42.
  • a water tank 52 which is provided with a drain valve 53, is also provided in the partial line 51.
  • Fuel-wet mixture produced with a constant composition which is then supplied to the device 31 for generating / processing the fuel via the partial line 41 of the fuel supply line 40, which is formed in this area as a mixing line 49.
  • an interface 56 is provided in the partial line 51, which is connected to a bypass line 54 bypassing the double pump 42.
  • the interface 56 like the interface 47, is also designed as a flange, welded connection or the like.
  • a second additional conveying device 55 designed as a pump is provided in the bypass line 54.
  • the bypass line 54 is also connected to the interface 48.
  • the water separator 19 is provided in the oxidant discharge line 17, in which the water vapor condenses to liquid water.
  • the liquid water is conveyed to the double pump 42 via the partial line 51 of the water supply line 50.
  • the water tank 52 is additionally provided in the partial line 51, in which process water generated during the fuel cell process is temporarily stored. This process water is in the double pump 42 together with from the
  • Fuel tank 34 taken from the fuel mixed to a fuel / water mixture, which is then temporarily stored in the intermediate tank 43. From there, the fuel / water mixture is introduced into the fuel generating device 31, where it is reformed into a hydrogen-rich gas for the operation of the fuel cell 11.
  • the fuel / water mixture required for normal operation of the fuel cell 11 is produced in a fixed, non-variable ratio. In certain cases, however, it may be desirable to vary the ratio of the fuel / water mixture.
  • the device is activated by appropriate actuation of the pumps 55, 46 31 additional water and additional fuel is made available directly via the bypass lines 54, 45.
  • the additional water or the additional fuel are led past the double pump 42 via the bypass lines 54, 45 and are brought together behind the double pump 42 via the interface 48 designed as a valve in the sub-line 41 of the fuel line 40, which is designed in this area as a mixing line 49 ,
  • the resulting additional fuel / water mixture is then fed directly into the device 31 for generating / processing the fuel in addition to the fuel / water mixture generated by the double pump 42.
  • Fuel is produced by means of a corresponding regulation of the delivery devices 55 and 46 and possibly via a corresponding position of the valve (s) 48. Since all of the components mentioned can be regulated, the desired quantities can be set very precisely in a simple manner. This mode of operation is particularly useful when an intermediate tank 43 is not provided for a buffer supply of fuel / water mixture.
  • FIG. 2 differs from that from FIG. 1 only in a few points, so that only these differences are discussed in more detail.
  • Functionally identical parts of the device according to the invention have been given the same reference numerals as in FIG. 1.
  • the exemplary embodiment in FIG. 2 only has a pump 61 arranged directly behind the water tank 52 for conveying
  • Water and a further pump 60 which is arranged in the conveying direction S behind the fuel filter 44 and is provided for fuel delivery.
  • an interface 47, 56 designed as a quantity-controllable directional control valve is arranged, from which the respective bypass line 45, 54 from the associated sub-line 41, 51 of the
  • Fuel line 40 or water supply line 50 branches off and leads behind the intermediate tank 43 at the interface 48 into the mixing line 49.
  • the two outlets of the directional control valves 47 and 56 can be regulated in terms of quantity, so that even with a constant delivery capacity of the two pumps 60, 61, flow rates of water and fuel not only set constant in relation to one another get into the intermediate tank 43 and mix, but also predefined volume flows of water and / or fuel can be fed through the bypass lines 54, 55, bypassing the intermediate tank, directly into the fuel generation device 31.
  • Quantity control for the two bypass lines 45, 54 can of course alternatively also take place in the interface 48 if this has corresponding valve functions, but it could also be carried out by separate valves which are built into the bypass lines themselves.

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Abstract

Es wird ein Brennstoffzellensystem mit einer Brennstoffzelle sowie eine Vorrichtung zum Zuleiten von Brennstoff in die Brennstoffzelle beschrieben, die eine Kraftstoffzuleitung sowie eine Wasserzuleitung aufweist. Weiterhin weist die Vorrichtung eine Vorrichtung zum Erzeugen/Aufbereiten des Brennstoffs auf. Die Vorrichtung zum Zuleiten von Brennstoff weist eine Doppelpumpe auf, in der ein in einem Kraftstofftank gespeichertes Ausgangsmaterial für den Brennstoff (Kraftstoff), beispielsweise Methanol, sowie über eine Teilleitung der Wasserzuleitung zugeführtes Wasser, bei dem es sich beispielsweise um während des Brennstoffzellenprozesses erzeugtes Prozesswasser handelt, zu einem Kraftstoff/Wasser-Gemisch vermischt werden. Dieses Kraftstoff/Wasser-Gemisch wird in einem Zwischentank zwischengespeichert, bevor es der Vorrichtung zum Erzeugen/Aufbereiten des Brennstoffs zugeführt wird. Um das Kraftstoff/Wasser-Gemisch variabel einstellen zu können, sind weiterhin Bypassleitungen für das Wasser beziehungsweise den Kraftstoff zur Umgehung der Doppelpumpe und des Zwischentanks vorgesehen, in denen separate Pumpen vorgesehen sind. Über die Bypassleitungen kann zusätzliches Wasser beziehungsweise zusätzlicher Kraftstoff direkt in die Vorrichtung eingespeist werden, wenn eine vorrübergehende kurzfristige Änderung des Kraftstoff/Wasser-Gemischs zweckmässig ist.

Description

Vorrichtung zum Zuleiten von Brennstoff in die Brennstoffzelle eines Brennstoffzellensystems sowie Brennstoffzellensystem
Beschreibung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Zuleiten von Brennstoff in die Brennstoffzelle eines Brennstoffzellensystems sowie ein Brennstoffzellensystem.
Brennstoffzellen sind bereits seit langem bekannt und haben insbesondere im Bereich der Automobilindustrie in den letzten Jahren erheblich an Bedeutung gewonnen.
In einer Brennstoffzelle, beispielsweise einer PEM-Brennstoffzelle, wird durch eine chemische Reaktion Strom erzeugt. Dabei wird ein Brennstoff, wie beispielsweise Wasserstoff, und ein Oxidationsmittel, wie beispielsweise aus der Luft entnommener Sauerstoff, in elektrische. Energie und ein Reaktionsprodukt wie beispielsweise Wasser umgewandelt. Eine Brennstoffzelle besteht im wesentlichen aus einem Anodenteil, einer Membran und einem Kathodenteil. Die Membran einer PEM-Brennstoffzelle besteht aus einem gasdichten und protonenleitenden Material und ist zwischen der Anode und der Kathode 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, also Wasserstoffionen erzeugt, die sich durch die Membran zur Kathode bewegen. An der Kathode reagieren die Wasserstoffionen mit dem Sauerstoff zu Wasser. Die bei der Reaktion abgegebenen Elektronen lassen sich extern als elektrischer Strom durch einen Verbraucher leiten, beispielsweise den Elektromotor' eines Automobils. Will man die Brennstoffzelle mit einem leicht verfügbaren oder zu speichernden Kraftstoff 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.
Üblicherweise wird das hier als Kraftstoff bezeichnete Ausgangsmaterial für den Brennstoff nicht in Reinform, sondern als Kraftstoff/Wasser-Gemisch in die Vorrichtung zum Erzeugen/Aufbereiten des Brennstoffs oder die Brennstoffzelle eingeleitet. Aus diesem Grund muss der, Kraftstoff, zunächst mit einer geeigneten Menge an Wasser vermischt werden. Für den jeweiligen chemischen Prozess der Brennstoffaufbereitung gibt es ein optimales Mischungsverhältnis KraftstoffΛΛ/asser, bei dem bei einem möglichst geringen Wärmebedarf für die Reformierung besonders viel Wasserstoff und besonders wenig Kohlenmonoxid erzeugt wird. Daher ist es vorteilhaft, eine Mischeinrichtung für diese beiden Prozessmedien zu verwenden, die beispielsweise in Form einer Doppelpumpe von vornherein mit einem entsprechenden konstanten Mischungsverhältnis arbeiten. Dennoch kann es erwünscht sein, das Verhältnis von Kraftstoff zu Wasser während des Betriebs des Brennstoffzellensystems zu variieren, um beispielsweise einen veränderten Wärmebedarf im Brennstoffzellensystem zu befriedigen.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Zuleiten von Brennstoff in die Brennstoffzelle eines Brennstoffzellensystems sowie ein Brennstoffzellensystem bereitzustellen, bei der/dem einerseits auf einfache und kostengünstige Weise ein erforderliches beziehungsweise gewünschtes konstantes Kraftstoff/Wasser-Gemisch hergestellt und in die Vorrichtung zum Erzeugen/Aufbereiten des Brennstoffs oder die Brennstoffzelle eingeleitet werden kann, andererseits aber die Durchflussmengen des Wassers beziehungsweise des Kraftstoffs bei Bedarf in kürzester Zeit verändert werden können.
Diese Aufgabe wird gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung durch eine Vorrichtung zum Zuleiten von Brennstoff in die Brennstoffzelle eines Brennstoffzellensystems gelöst, die einen Kraftstofftank aufweist, der über eine Kraftstoffzuleitung mit einer Vorrichtung zum Erzeugen/Aufbereiten des Brennstoffs verbunden ist (im folgenden Brennstofferzeugungsvorrichtung genannt). Weiterhin ist eine Wasserzuleitung, zur Bildung eines Kraftstoff/Wasser-Gemischs vorgesehen. Hierzu sind die Kraftstoffzuleitung und die Wasserzuleitung an eine Mischeinrichtung angeschlossen, deren Ausgang mit der Eingangsseite der Brennstofferzeugungsvorrichtung über eine Mischleitung verbunden ist. In der Mischeinrichtung wird eine Mischung aus Kraftstoff und Wasser in konstantem Mischungsverhältnis erzeugt. Erfindungsgemäß ist mindestens eine mit einer Dosiereinrichtung versehene Bypassleitung vorgesehen, durch die zur Beeinflussung der Zusammensetzung der Mischung aus Kraftstoff und Wasser jeweils ein steuerbarer Mengenstrom an Wasser und/oder Kraftstoff an der Mischeinrichtung vorbei in die Brennstofferzeugungsvorrichtung einleitbar ist.
Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung wird es auf einfache und kostengünstige Weise möglich, ein konstantes Kraftstoff/Wasser-Gemisch herzustellen und der Vorrichtung zum Erzeugen/Aufbereiten des Brennstoffs oder der Brennstoffeelle selbst zur Verfügung zu stellen. Dabei kann das Verhältnis von Kraftstoff zu Wasser während des Betriebs des Brennstoffzellensystems aber unter Fortführung der konstanten Gemischherstellung dennoch zugunsten einer kurzfristigen, d.h. praktisch verzögerungsfreien Erhöhung des Wasser- oder Kraftstoffanteils entsprechend den sich momentan verändernden Bedürfnissen frei variiert werden, indem durch die Bypassleitung bzw. -leitungen Wasser oder Kraftstoff an der Mischeinrichtung vorbei direkt in die Brennstofferzeugungsvorrichtung eingeleitet wird. Durch Messung des aktuell aus der Mischeinrichtung entnommenen Megenstroms kann der Bedarf an zusätzlichem Wasser oder Kraftstoff einfach bestimmt und der Megenstrom in der oder den Bypassleitungen entsprechend gesteuert werden. Alternativ könnte selbstverständlich auch eine Konzentrationsmessung die erforderlichen Daten liefern.
Das Ausgangsmaterial für den Brennstoff ist als Kraftstoff zunächst im Kraftstofftank gespeichert. Wenn als Brennstoff Wasserstoff verwendet werden soll, kann es sich bei dem Kraftstoff beispielsweise um einen Alkohol wie Methanol oder um Methan, Benzin, Erdgas, Kohlegas, Biogas oder dergleichen handeln. Der Kraftstoff wird über die Kraftstoffzuleitung zur Brennstofferzeugungsvorrichtung transportiert. Vor seinem Eintritt in diese Vorrichtung wird der Kraftstoff mit von über die Wasserzuleitung zugeführtem Wasser in der Mischeinrichtung zu einem Kraftstoff/Wasser-Gemisch vermischt. Dieses Gemisch wird anschließend in die Brennstofferzeugungsvorrichtung eingespeist. In der Brennstofferzeugungsvorrichtung wird dann der Kraftstoff in den Brennstoff umgewandelt. Dieser wird anschließend der Brennstoffzelle zugeführt. Vorzugsweise wird der Brennstoff in angefeuchtetem Zustand in die Brennstoffzelle eingeleitet, um deren Austrocknung, insbesondere ein Austrocknen der Brennstoffzellenmembran, zu verhindern. Die Befeuchtung des Brennstoffs kann auf beliebige Weise erfolgen.
Vorteilhaft wird hierzu ein Teil des Wassers verwendet, das während des Brennstoffzellenprozesses aus der Brennstoffzelle ausgetragen wird und aus deren Abgasströmen zurückgewonnen werden kann, wobei ein anderer Teil dieses Wassers für die Brennstofferzeugungsvorrichtung vorgesehen werden kann.. Diese Lösung wird im weiteren Verlauf der Beschreibung näher erläutert, ohne dass die Erfindung auf diese spezielle Lösung beschränkt wäre. In anderer Ausgestaltung kann das Wasser beispielsweise auch aus einer externen Wasserquelle zugeleitet werden.
Zur Bildung des konstanten Kraftstoff Λ/asser-Gemischs werden die Kraftstoffzuleitung und die Wasserzuleitung in der Mischeinrichtung zusammengeführt. Diese Mischeinrichtung kann vorteilhaft aus einer Doppelpumpe gebildet sein, die in einem fest eingestellten Verhältnis gleichzeitig Kraftstoff und Wasser fördert und als Gemisch abgibt. Die Mischeinrichtung kann aber beispielsweise auch lediglich einen Zwischentank umfassen, an dem die Kraftstoffzuleitung und die Wasserzuleitung angeschlossen sind und in dem die Vermischung stattfindet. Selbstverständlich kann auch vorgesehen sein, dass bereits ein fertiges Gemisch aus einer Doppelpumpe in den Zwischentank gefördert wird. In diesem Fall kommt dem Zwischentank beispielsweise die Funktion eines Pufferspeichers zur Abdeckung eines kurzzeitigen Spitzenbedarfs in der benötigten Menge an Kraftstoff/Wasser-Gemisch zu, wenn die Leistung der Doppelpumpe etwa aus Kostengründen nur auf einen unterhalb des Spitzenbedarfs liegenden Maximalwert ausgelegt ist. Die Befüllung des Zwischentanks mit Wasser und Kraftstoff kann auch über zwei einzelne Pumpen erfolgen, die in die Kraftstoffzuleitung bzw. in die Wasserzuleitung eingeschaltet sind.
Das konstante KraftstoffΛΛ/asser-Gemisch sollte in seiner Zusammensetzung so eingestellt sein, dass es für den normalen Betrieb der
Brennstofferzeugungsvorrichtung optimal ist. Im Falle der Brennstofferzeugung durch Dampfreformierung von Methanol liegt ein günstiges Verhältnis Methanol : Wasser in Bereich von 1 : 1 bis 1 : 1 ,5. Bei diesem Verhältnis entsteht besonders viel Wasserstoff als Brennstoff und relativ wenig Kohlenmonoxid, das für die Brennstoffzelle schädlich sein kann (je nach Typ der Brennstoffzelle). Die Breππstofferzeugung aus dem eingesetzten Kohlenwasserstoff kann aber auch beispielsweise durch eine partielle Oxidation oder durch eine Kombination von Dampfreformierung und partieller Oxidation erfolgen. Insbesondere bei der letztgenannten Möglichkeit kann eine Verschiebung des Schwerpunktes der Brennstofferzeugung zwischen den beiden Verfahren während des Betriebs erwünscht sein, was durch Änderung der Gemischzusammensetzung erreichbar ist.
Eine Gemischänderung kann aber auch zweckmäßig sein, um beispielsweise eine schnelle Kühlung der Brennstofferzeugungsvorrichtung zu erreichen, wenn eine Überhitzung droht. Dies kann vorteilhaft durch eine Erhöhung der relativen Wassermenge erfolgen, die in die Brennstofferzeugungsvorrichtung mit dem Gemisch eingeführt wird. Umgekehrt kann eine schnelle Temperaturerhöhung, die insbesondere in einer Anfahrphase (Kaltstart) erwünscht ist, durch vorübergehende Erhöhung des Kraftstoffanteils im Gemisch gefördert werden.
Ein anderer Grund für die Zweckmäßigkeit etwa eines kurzzeitig erhöhten Anteils an Kraftstoff im KraftstoffΛ/Vasser -Gemisch kann darin bestehen, dass die Brennstofferzeugungsvorrichtung so ausgelegt ist, dass sie auch bei maximaler Mengenzufuhr an Gemisch mit der "optimalen" Zusammensetzung nur weniger Brennstoff liefern kann, als die Brennstoffzelle für eine maximale Stromerzeugung benötigt. Bedarf für eine maximale Stromerzeugung kann beispielsweise während eines Überholvorgangs eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs mit Brennstoffzellen oder auch bei der Fahrzeugbeschleunigung auf der Einfädelspur einer
Autobahnauffahrt bestehen. Durch Erhöhung des Kraftstoffanteils im zugeführten Gemisch kann die Brennstofferzeugungsvorrichtung für einen solchen Fall kurzzeitig in die Lage versetzt werden, einen erhöhten Wasserstoffanteil zu erzeugen, auch wenn gleichzeitig die erzeugte Menge an unerwünschtem Kohlenmonoxid erhöht wird. Letzteres ist kurzzeitig tolerierbar. Die Erhöhung der Wasserstofferzeugung ist möglich, weil durch die Verringerung des Wärmebedarfs für die Verdampfung des kleiner gewählten Wasseranteils mehr Wärme für die Umwandlung des zugeführten Kraftstoffs zur Verfügung steht. Um alle Optionen für eine Variierung der Zusammensetzung des KraftstoffΛ/Vasser- Gemischs offen zu halten, empfiehlt es sich, sowohl für den Kraftstoff auch für das Wasser jeweils eine Bypassleitung vorzusehen.
Die Bypassleitung für Wasser zweigt über eine Schnittstelle von einer Teilleitung der Wasserzuleitung ab, führt an der Mischeinrichtung vorbei und mündet dann entweder direkt in die Brennstofferzeugungsvorrichtung oder ist vorzugsweise über eine weitere Schnittstelle mit der zur Brennstofferzeugungsvorrichtung führenden Mischieitung verbunden.
Diese Schnittstellen können beispielsweise als Flansch, Schweißverbindung, Klemmringkopplung oder dergleichen ausgebildet sein. In anderer Ausgestaltung ist es auch möglich, eine solche Schnittstelle als Ventil, insbesondere als mengenregelbares Ventile auszugestalten. Allerdings sind auch andere Verbindungsmöglichkeiten denkbar, so dass die Erfindung nicht auf die genannten Beispiele beschränkt ist.
Die Dosiereinrichtung in der Bypassleitung kann als mengenregelbare Fördereinrichtung (Pumpe) ausgebildet sein, die in die Bypassleitung eingebaut ist -und zusätzlich zu beispielsweise einer Doppelpumpe betrieben wird, welche das Gemisch mit konstanter Zusammensetzung liefert.
Es ist aber auch möglich, dass lediglich eine einzige Pumpe zur Förderung des gesamten benötigten Wassers, also auch des Anteils für das konstante Gemisch, eingesetzt wird, wobei diese Pumpe nicht mengenregelbar sein muss. In einem solchen Fall wird die Bemessung der Mengenströme an Wasser, die in die
Mischeinrichtung bzw., durch die Bypassleitung gefördert werden sollen, über Mengenregelventile in der erforderlichen Weise gesteuert. Zur Aufteilung des von der Pumpe geförderten Gesamtwasserstroms empfiehlt sich der Einsatz von Mehrwegeventilen, die mit Mengenregelventilen kombiniert werden oder auch selbst bereits mengenregelbar ausgebildet sein können. Insoweit können solche Ventile den wesentlichen Teil der Dosiereinrichtung der Bypassleitung bilden.
Für die Bypassleitung für Kraftstoff gelten die zuvor in Zusammenhang mit der Bypassleitung für Wasser gemachten Ausführungen über die Bestückung mit Pumpen und Ventilen in entsprechender Weise, so dass hierauf verwiesen und auf eine Wiederholung verzichtet werden kann.
Es versteht sich von selbst, dass in dem Falle, wenn eine Förderung sowohl des gesamten Wassers als auch des gesamten Kraftstoffs durch lediglich jeweils eine einzige Pumpe erfolgt und somit eine rein ventilgesteuerte Mengenstromeinstellung für das konstante Gemisch vorliegt, die Ventileinstellung für die unmittelbar zur Mischeinrichtung führende Teilleistung der Kraftstoffzuleitung bzw. der Wasserzuleitung auf Druckänderungen regelnd reagiert, wenn plötzlich die von der jeweiligen Teilleistung abzweigende Bypassleistung zugeschaltet wird.
Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Vorrichtung zum Zuleiten von Brennstoff wird erreicht, dass die Grundlast zur Versorgung der Brennstofferzeugungsvorrichtung über das beispielsweise in einer Doppelpumpe hergestellte Kraftstoff/Wasser-Gemisch erfolgt, und dass der Brennstofferzeugungsvorrichtung im Dynamikbereich über die in den Bypassleitungen vorgesehenen Fördereinrichtungen zusätzliches Wasser beziehungsweise zusätzlicher Kraftstoff zugeführt werden kann. Durch die Fördereinrichtungen und/oder die jeweiligen Ventile lassen sich diese zusätzlichen Mengen sehr genau einsteilen.
Der vorzugsweise in der Kraftstoffzuleitung vorgesehene Zwischentank kann sicherstellen, dasszum Betrieb der Brennstofferzeugungsvorrichtung oder zum Betrieb der Brennstoffzelle immer eine genügend große Menge an Kraftstoff/Wasser-Gemisch zur Verfügung steht. Das Vorhandensein einer genügend großen Menge an
KraftstoffΛ/Vasser-Gemisch ist insbesondere in der Startphase beziehungsweise Hochfahrphase des Brennstoffzellensystems von Bedeutung. Wahrend der Startphase - insbesondere während eines Kaltstarts - ist es notwendig, das Kraftstoff/Wasser- Gemisch möglichst ohne Zeitverzug in die Vorrichtung zum Erzeugen/Aufbereiten des Brennstoffs oder in die Brennstoffzelle einzuleiten, damit die Brennstoffzelle möglichst rasch ihre optimale Leistungsfähigkeit erreicht. Durch die Verwendung eines Zwischentanks in der Kraftstoffzuleitung wird erreicht, dass immer - insbesondere auch nach dem Abschalten der Brennstoffzelle - eine bestimmte Menge an KraftstoffΛΛ/asser-Gemisch im Brennstoffzellensystem verbleibt, so dass für einen erneuten Start des Brennstoffzellensystems sofort genügend Kraftstoff/Wasser- Gemisch für die erste Betriebsphase zur Verfügung steht.
Die Verwendung eines Zwischentanks kann auch dann vorteilhaft sein, wenn die Brennstoffeelle und damit auch deren Vorrichtung zum Zuleiten von Brennstoff bei tiefen Umgebungstemperaturen eingesetzt wird. Bei tiefen Temperaturen besteht die Gefahr, dass Flüssigkeiten, insbesondere Wasser, einfrieren können. Derart eingefrorenes Wasser muss in der Startphase der Brennstoffzelle zunächst aufgetaut werden, was zu Zeitverzögerungen führt. Die Brennstoffzelle ist nach dem Start schnell einsatzbereit, da. sich im Zwischentank ein Kraftstoff/Wasser-Gemisch befindet, das aufgrund des gefrierpunkterniedrigenden Kraftstoffgehalts (z.B. Methanol) nicht einfriert.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann in der Wasserzuieitung ein Wassertank vorgesehen sein. Ein solcher Wassertank ist beispielsweise dann von Vorteil, wenn zum Herstellen des KraftstoffΛΛ asser-Gemischs Wasser verwendet wird, das während des Brennstoffzellenprozesses aus der Brennstoffzelle ausgetragen beziehungsweise aus den Abgasströmen der Brennstoffzelle zurückgewonnen wird. Derartiges Prozesswasser wird aber nur während des Betriebs der Brennstoffzelle erzeugt, so dass es insbesondere in der Startphase des Brennstoffzellensystems noch nicht zur Verfügung steht. Aus diesem Grund dient der Wassertank als Wasserreservoir, aus dem Wasser auch bereits während der Startphase des Brennstoffzellensystems entnommen werden kann, um möglichst schnell das erforderliche KraftstoffΛΛ/asser- Gemisch zur Verfügung stellen zu können.
Vorzugsweise ist die Wasserzuleitung und/oder der Wassertank mit einem Ablassventil verbunden. Über das Ablassveπtil kann das Prozesswasser bei Bedarf abgelassen werden. So ist es beispielsweise möglich, dass zur Vermeidung eines Einfrierens das Wasser aus der Wasserzuleitung und/oder dem Wassertank abgeleitet wird, wenn das Brennstoffzellensystem für längere Zeit oder bei tiefen Temperaturen abgeschaltet wird. Es kann aber auch vorgesehen sein, über das Ablassventil nie eine komplette Entwässerung des Wassertanks vorzunehmen, so dass immer ein Restbestand an Wasser im Wassertank und damit im Wasserzuleitungssystem verbleibt.
Gemäß dem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Brennstoffzellensystem bereitgestellt, mit einer oder mehreren Brennstoffzelle(n), die wenigstens einen Anodenteil mit wenigstens einer Zuleitung und wenigstens einer Ableitung für einen Brennstoff und wenigstens einen Kathodenteil mit wenigstens einer Zuleitung und wenigstens einer Ableitung für ein Oxidationsmittel aufweist/aufweisen. Weiterhin ist eine wie vorstehend beschriebene erfindungsgemäße Vorrichtung zum Zuleiten von Brennstoff vorgesehen, wobei die Vorrichtung an der Ausgangsseite der Brennstofferzeugungsvorrichtung mit der Brennstoffzuleitung zur Brennstoffeelle verbunden ist.
In einem derart ausgebildeten Brennstoffzellensystem wird es auf einfache und kostengünstige Weise möglich, die Brennstofferzeugungsvorrichtung immer mit einer ausreichenden Menge an KraftstoffΛΛ/asser-Gemisch zu versorgen. Insbesondere ist es dabei gewährleistet, dass die Menge des in die Brennstofferzeugungvorrichtung zum eingeleiteten Wassers beziehungsweise Kraftstoffs je nach Bedarf variabel einstellen zu können. Dies ist insbesondere aus den weiter oben beschriebenen Gründen von Vorteil. Zu den Vorteilen, Effekten, Wirkungen und der Funktionsweise des erfindungsgemäßen Brennstoffeellensystems wird auf die vorstehenden Ausführungen zur erfindungsgemäßen Vorrichtung vollinhaltlich Bezug genommen und hiermit verwiesen.
In der Vorrichtung zum Zuleiten von Brennstoff wird zunächst das KraftstoffΛΛ/asser- Gemisch in dem erforderlichen Mischungsverhältnis hergestellt. Anschließend wird dieses Kraftstoff/Wasser-Gemisch in die Vorrichtung zum Erzeugen/Aufbereiten des Brennstoffs eingeleitet, wo es in ein wasserstoffreiches Gas umgewandelt wird. Anschließend wird dieses wasserstoffreiche Gas über die Brennstoffzuleitung in die Brennstoffzelle eingeleitet.
Vorzugsweise kann in der wenigstens einen Brennstoffableitung und/oder der wenigstens einen Oxidationsmittelableitung ein Wasserabscheider vorgesehen sein, der mit der Wasserzuleitung verbunden ist, Über diesen Wasserabscheider kann das während des Brennstoffzellenprozesses produzierte Wasser gesammelt und anschließend weiter verwertet werden. Während des Betriebs der Brennstoffzelle wird nämlich neben elektrischem Strom und Wärme unter anderem auch Wasser produziert, das in Form von Wasserdampf im Abgasstrom des Oxidationsmittels und/oder des Brennstoffs abgeleitet wird. Um dieses dampfförmige Wasser in den flüssigen Zustand überführen zu können, so dass es für andere Prozesse, beispielsweise die Prozesswasserzumischung zum Kraftstoff, verfügbar ist, durchströmt der den Wasserdampf enthaltende Gasstrom nach dem Austritt aus der Brennstoffzelle den Wasserabscheider, in dem der Wasserdampf zu flüssigem Wasser kondensiert.
Vorzugsweise kann eine wie vorstehend beschriebene erfindungsgemäße Vorrichtung und/oder ein wie vorstehend beschriebenes erfindungsgemäßes Brennstoffeellensystem in einem oder für ein Fahrzeug verwendet werden. Auf Grund der rasanten Entwicklung der Brennstoffzellentechnologie im Fahrzeugsektor bietet eine solche Verwendung zur Zeit besonders gute Einsatzmöglichkeiten. Dennoch sind auch andere Einsatzmöglichkeiten denkbar. Zu nennen sind hier unter anderem Brennstoffeellen für mobile Geräte wie Computer oder dergleichen bis hin zu stationären 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 Brennstoffeellen 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 an Hand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert. Es zeigen die beiden Figuren 1 und 2 in schematischer Darstellung jeweils ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem mit einer Vorrichtung zum Zuleiten von Brennstoff.
In Figur 1 ist ein Brennstoffzeilensystem 10 dargestellt, das im vorliegenden Beispiel zum Betreiben eines elektrischen Antriebs in einem nicht dargestellten Fahrzeug verwendet wird.
Das Brennstoffeellensystem 10 weist eine Brennstoffzelle 11 auf mit einem Anodenteil 12, einem Kathodenteil 15 und einer Membran 18. Der Anodenteil 12 ist mit einer Zuleitung 13 und einer Ableitung 14 für einen Brennstoff, im vorliegenden Fall Wasserstoff, verbunden. Der Kathodenteil 15 ist mit einer Zuleitung 16 und einer Ableitung 17 für ein Oxidationsmittel, im vorliegenden Fall Sauerstoff oder Luft, verbunden. In der Oxidationsmittelableitung 17 befindet sich ein Wasserabscheider 19, über den Prozesswasser aus dem Abgasstrom des Kathodenteils 15 der Brennstoffeelle 11 zurückgewonnen werden kann.
Die Brennstoffeelle 1 1 ist über die Brennstoffeuleitung 13 mit einer Vorrichtung 30 zum Zuleiten von Brennstoff verbunden. Die Vorrichtung 30 weist eine Brennstofferzeugungsvorrichtung 31 auf, die an ihrer Ausgangsseite 33 mit der Brennstoffeuleitung 13 verbunden ist. An ihrer Eingangsseite 32 ist die Brennstofferzeugungsvorrichtung 31 über eine Kraftstoffzuleitung 40 mit einem
Kraftstofftank 34 verbunden, in dem ein Kraftstoff, der das Ausgangsmaterial für den Brennstoff bildet, beispielsweise Methanol, Benzin, Erdgas oder dergleichen, gespeichert ist.
Die Kraftstoffzuleitung 40 besteht zunächst aus einer Teilleitung 41 , in der eine
Doppelpumpe 42, ein Zwischentank 43 sowie ein Kraftstoffilter 44 vorgesehen sind. Weiterhin weist die Kraftstoffzuleitung 40 eine Bypassleitung 45 auf, in der eine als Pumpe ausgebildete zusätzliche Fördereinrichtung 46 angeordnet ist. Die Bypassleitung 45 ist über entsprechende Schnittstellen 47, 48 mit einer Mischleitung 49 als Teil der Kraftstoffeuleitung 40 verbunden. Dabei ist die Schnittstelle 47 vorzugsweise als Flansch, Schweißverbindung oder dergleichen ausgebildet, während die Schnittstelle 48 vorzusgweise als mengenregelbares Wegeventile ausgestaltet ist.
Weiterhin weist die Vorrichtung 30 zum Zuleiten von Brennstoff eine Wasserzuleitung 50 auf. Die Wasserzuleitung 50 besteht zunächst aus einer Teilleitung 51 , die auf der einen Seite mit dem Wasserabscheider 19 und auf der anderen Seite mit der Doppelpumpe 42 verbunden ist. In der Teilleitung 51 ist weiterhin ein Wassertank 52 vorgesehen, der mit einem Ablassventil 53 versehen ist.
In der Doppelpumpe 42 wird aus dem Kraftstoff und dem Wasser ein
KraftstoffΛNasser-Gemisch mit konstanter Zusammensetzung hergestellt, das dann über die Teilleitung 41 der Kraftstoffzuleitung 40, die in diesem Bereich als Mischleitung 49 ausgebildet ist, der Vorrichtung 31 zum Erzeugen/Aufbereiten des Brennstoffs zugeführt wird. Zwischen dem Wassertank 52 und der Doppelpumpe 42 ist in der Teilleitung 51 eine Schnittstelle 56 vorgesehen, die mit einer die Doppelpumpe 42 umgehenden Bypassleitung 54 verbunden ist. Die Schnittstelle 56 ist wie die Schnittstelle 47 ebenfalls als Flansch, Schweißverbindung oder dergleichen ausgebildet. In der Bypassleitung 54 ist eine als Pumpe ausgebildete zweite zusätzliche Fördereinrichtung 55 vorgesehen. Die Bypassleitung 54 ist ebenfalls mit der Schnittstelle 48 verbunden.
Nachfolgend wird nun die Funktionsweise des Brennstoffeellensystems 10 beschrieben.
Während des normalen Betriebs der Brennstoffzelle 11 wird in dieser Strom und Wärme sowie Wasser in Form von Wasserdampf erzeugt. Der Wasserdampf wird beispielsweise über die Oxidationsmittelableitung 17 aus der Brennstoffeelle 11 abgeleitet. Zur Rückgewinnung des Wassers ist in der Oxidationsmittelableitung 17 der Wasserabscheider 19 vorgesehen, in dem der Wasserdampf zu flüssigem Wasser kondensiert. Das flüssige Wasser wird über die Teilleitung 51 der Wasserzuleitung 50 zur Doppelpumpe 42 gefördert. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist in der Teilleitung 51 zusätzlich der Wassertank 52 vorgesehen, in dem während des Brennstoffeellenprozesses erzeugtes Prozesswasser zwischengespeichert wird. Dieses Prozesswasser wird in der Doppelpumpe 42 zusammen mit aus dem
Kraftstofftank 34 entnommenem Kraftstoff zu einem KraftstoffΛΛ/asser-Gemisch vermischt, das anschließend im Zwischentank 43 zwischengespeichert wird. Von dort wird das KraftstoffΛΛ/asser-Gemisch in die Brennstofferzeugungsvorrichtung 31 eingeleitet, wo es für den Betrieb der Brennstoffzelle 11 in ein wasserstoffreiches Gas reformiert wird.
Über die Doppelpumpe 42 wird das für den Normalbetrieb der Brennstoffzelle 11 erforderliche KraftstoffΛΛ/asser-Gemisch in einem festgelegten, nicht veränderlichen Verhältnis hergestellt. In bestimmten Fällen kann es jedoch wünschenswert sein, das Verhältnis des KraftstoffΛΛ/asser-Gemischs zu variieren.
Insbesondere während der Startphase des Brennstoffzellensystems 10 ist es erforderlich, die einzelnen Komponenten, insbesondere die Brennstofferzeugungsvorrichtung 31 , möglichst schnell auf Betriebstemperatur zu bringen. Da Wasser aufgrund der Verdampfungsenthalpie einer schnellen Aufheizung des Systems entgegenwirkt, ist während der Startphase des Brennstoffeellensystems 10 vorteilhaft vorgesehen, nur gerade so viel Wasser wie eben nötig in die Vorrichtung 31 eintreten kann. In diesem Fall wird die Pumpe 55 nicht betätigt, wodurch diese als eine Art Leitungsverschluss fungiert, so dass kein zusätzliches Wasser über die Bypassleitung 54 an der Doppelpumpe 42 vorbeigeführt wird. Stattdessen wird aber durch Betätigung der Pumpe 46 ein zusätzlicher Kraftstoffanteil in die Brennstofferzeugungsvorrichtung 31 gefördert, um den dort beispielsweise teils als partielle Oxidation und teils als reine Dampfreformierung ablaufenden Umwandlungsprozess stärker zur partiellen Oxidation hin zu verschieben, da dieser Prozess exotherm verläuft, während die Dampfreformierung endotherm ist. Dadurch kann die Temperatur in der Brennstofferzeugungsvorrichtung 31 besonders schnell ansteigen.
Während des Betriebs des Brennstoffzellensystems 10 können jedoch auch Situationen auftreten, in denen die Brennstofferzeugungsvorrichtung 31 beispielsweise gekühlt werden muss. In diesem Fall wird über einen entsprechenden Betrieb der Pumpe 55 soviel Wasser über die Bypassleitung 54 an der Doppelpumpe 42 vorbei und via Schnittstelle 48 direkt in die Vorrichtung 31 eingeleitet, dass der gewünschte Kühleffekt erzielt wird. Die genaue Steuerung der Durchflußmenge des Wassers durch die Bypassleitung 54 hindurch wird dabei über die entsprechende Ansteuerung und Regulierung der Pumpe 55 und/oder der als mengenregelbares Wegeventil ausgeführten Schnittstelle 48 erreicht. Auf gleiche Weise kann auch die Pumpe 46 betätigt werden, so dass auch zusätzlicher Kraftstoff, der (insbesondere bei der Dampfreformierung) ebenfalls eine Kühlwirkung haben kann, direkt in die Vorrichtung 31 eingeleitet wird.
In anderen Fällen können Situationen auftreten, in denen die Brennstoffzelle 11 mehr Leistung benötigt als im Normalbetrieb des Brennstoffzellensystems zur Verfügung gestellt wird. Solche Situationen treten beispielsweise auf, wenn mit dem Fahrzeug ein Überholvorgang durchgeführt oder das Fahrzeug im beladenen Zustand bewegt wird. In diesem Fall benötigt die Brennstoffzelle 11 zusätzlichen Brennstoff, der in der Vorrichtung 31 zum Erzeugen/Aufbereiten des Brennstoffs hergestellt werden muss.
Neben dem durch die Doppelpumpe 42 erzeugten KraftstoffΛΛ/asser-Gemisch wird es durch entsprechende Betätigung der Pumpen 55, 46 ermöglicht, dass der Vorrichtung 31 über die Bypassleitungen 54, 45 zusätzliches Wasser und zusätzlicher Kraftstoff direkt zur Verfügung gestellt wird. Das zusätzliche Wasser beziehungsweise der zusätzliche Kraftstoff werden über die Bypassleitungen 54, 45 an der Doppelpumpe 42 vorbeigeführt und hinter der Doppelpumpe 42 über die als Ventil ausgebildete Schnittstelle 48 in der Teilleitung 41 der Kraftstoffeuleitung 40, die in diesem Bereich als Mischleitung 49 ausgebildet ist, zusammengeführt. Das so entstehende zusätzliche KraftstoffΛΛ/asser-Gemisch wird dann neben dem durch die Doppelpumpe 42 erzeugten KraftstoffΛΛ/asser-Gemisch direkt in die Vorrichtung 31 zum Erzeugen/Aufbereiten des Brennstoffs eingespeist. Die Bereitstellung der in der entsprechenden Situation erforderlichen zusätzlichen Mengen an Wasser oder
Kraftstoff erfolgt über eine entsprechende Regelung der Fördereinrichtungen 55 und 46 sowie möglicherweise über eine entsprechende Stellung des(r) Ventils(e) 48. Da alle genannten Komponenten regelbar sind, lassen sich die gewünschten Mengen auf einfache Weise hochgenau einstellen. Diese Betriebsweise ist insbesondere dann sinnvoll, wenn ein Zwischentank 43 für einen Puffervorrat an KraftstoffΛΛ/asser- Gemisch nicht vorgesehen ist.
Das in Figur 2 dargestellte Ausführungsbeispiel der Erfindung unterscheidet sich von demjenigen aus Figur 1 nur in wenigen Punkten, so dass nur auf diese Unterschiede näher eingegangen wird. Funktionsgleiche Teile der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen worden wie in Figur 1.
Statt einer Doppelpumpe 42 und der beiden zusätzlichen Pumpen 46, 55 in den Bypassleitungen 54, 45 in Figur 1 weist das Ausführungsbeispiel in Figur 2 lediglich eine unmittelbar hinter dem Wassertank 52 angeordnete Pumpe 61 zur Förderung von
Wasser und eine weitere Pumpe 60 auf, die in Förderrichtung S hinter dem Kraftstofffilter 44 angeordnet ist und zur Kraftstoffförderung vorgesehen ist. In Förderrichtung S hinter den beiden Pumpen 60, 61 ist jeweils eine als mengenregelbares Wegeventil ausgebildete Schnittstelle 47, 56 angeordnet, von der aus die jeweilige Bypassleitung 45, 54 von der zugehörigen Teilleitung 41 , 51 der
Kraftstoffeuleitung 40 bzw. Wasserzuleitung 50 abzweigt und hinter dem Zwischentank 43 an der Schnittstelle 48 in die Mischleitung 49 führt. Die beiden Abgänge der Wegeventile 47 und 56 sind mengenregelbar, so dass auch bei konstanter Förderleistung der beiden Pumpen 60, 61 nicht nur im Verhältnis zueinander konstant eingestellt Mengenströme an Wasser und Kraftstoff in den Zwischentank 43 gelangen und sich vermischen, sondern auch je nach Bedarf vorgegebene Mengenströme an Wasser und/oder Kraftstoff durch die Bypassleitungen 54, 55 unter Umgehung des Zwischentanks direkt in die Brennstofferzeugungsvorrichtung 31 eingespeist werden können. Eine Mengenregelung für die beiden Bypassleitungen 45, 54 kann selbstverständlich alternativ auch in der Schnittstelle 48 erfolgen, wenn diese entsprechende Ventilfunktionen aufweist, sie könnte aber auch durch separate Ventile vorgenommen werden, die in die Bypassleitungen selbst eingebaut sind.
Bezugszeichenliste
10 = Brennstoffeellensystem
11 = Brennstoffeelle
12 = Anodenteil
13 = Brennstoffeuleitung
14 = Brennstoffableitung
15 = Kathodenteil
16 = Oxidationsmittelzuleitung
17 = Oxidationsmittelableitung
18 = Membran
19 = Wasserabscheider
0 = Vorrichtung zum Zuleiten von Brennstoff 1 = Brennstofferzeugungsvorrichtung 2 = Eingangsseite 3 = Ausgangsseite 4 — Kraftstofftank
0 = Kraftstoffeuleitung 1 = Teilleitung 2 = Doppelpumpe 3 = Zwischentank 4 = Kraftstoffilter 5 = Bypassleitung 6 = Fördereinrichtung (Pumpe) 7 = Schnittstelle 8 = Schnittstelle (Ventil) 9 = Mischleitung
0 = Wasserzuleitung 1 = Teilleitung 2 = Wassertank 3 = Ablaßventil rr Bypassleitung
= Fördereinrichtung (Pumpe) zz Schnittstelle
= Fördereinrichtung (Pumpe)
~ Fördereinrichtung (Pumpe)
= Strömungsrichtung

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zum Zuleiten von Brennstoff in die Brennstoffzelle eines Brennstoffeellensystems, mit einem Kraftstofftank (34), der über eine Kraftstoffeuleitung (40), mit einer Brennstofferzeugungsvorrichtung (31) verbunden ist, und mit einer Wasserzuleitung (50), wobei die Kraftstoffzuleitung (40) und die Wasserzuleitung (50) an eine Mischeinrichtung (42, 43) angeschlossen sind, deren Ausgang über eine Mischleitung (49) mit der Eingangsseite (32) der Brennstofferzeugungsvorrichtung (31) verbunden ist und in der eine Mischung aus Kraftstoff und Wasser in konstantem
Mischungsverhältnis erzeugt wird, und wobei mindestens eine mit einer Dosiereinrichtung versehene Bypassleitung (54, 45) vorgesehen ist, durch die ' zur Beeinflussung der Zusammensetzung der Mischung aus Kraftstoff und Wasser jeweils ein steuerbarer Mengenstrom an Wasser und/oder Kraftstoff an der Mischeinrichtung (42, 43) vorbei in die Brennstofferzeugungsvorrichtung
(31) einleitbar ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Mischeinrichtung eine Doppelpumpe (42) zur gleichzeitigen Förderung von Kraftstoff und Wasser umfasst.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischeinrichtung einen Zwischentank (43) umfasst.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl eine Bypassleitung (54) für Wasser als auch eine Bypassleitung (45) für Kraftstoff vorgesehen ist.
5. Vorrichtung nach einem der Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Bypassleitung (54) für Wasser über eine Schnittstelle (56) mit einer Teilleitung (51) der Wasserzuleitung (50) sowie über eine Schnittstelle (48) mit der Mischleitung (40) verbunden ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Schnittstelle (56) und/oder die Schnittstelle (48) als Wegeventil, insbesondere als mengenregelbares Wegeventil als Bestandteil der Dosiereinrichtung, ausgebildet sind/ist.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Bypassleitung (45) für Kraftstoff über eine Schnittstelle (47) mit einer Teilleitung (41) der Kraftstoffeuleitung (40) sowie über eine Schnittstelle (48) mit . der Mischleitung (49) verbunden ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Schnittstelle (47) und/oder die Schnittstelle (48) als Wegeventil, insbesondere als mengenregelbares Wegeventil als Bestandteil der Dosiereinrichtung, ausgebildet ist/sind.
9. ' Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Dosiereinrichtung in der Bypassleitung (45, 54) als mengenregelbare
Fördereinrichtung (46, 55) ausgebildet ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 3 und mindestens einem der Ansprüche 6 und 8; dadurch gekennzeichnet, dass in der Teilleiturig (51) der Wasserzuleitung (50) und in der Teilleitung (41 ) der Kraftstoffeuleitung (40) jeweils eine separate Fördereinrichtung (60, 61 ) angeordnet ist, wobei in Strömungsrichtung S zumindest hinter einer der
Fördereinrichtungen (60, 61) die mindestens eine Bypassleitung (54, 45) von der Teilleitung (41 , 51) abzweigt und die durch die beiden Teilleitungen (41 , 51 ) in den Zwischentank- (43) gehenden Mengenströme an Wasser und Kraftsstoff in einem festen Mengenverhältnis zueinander eingestellt gehalten werden durch mindestens ein mengenregelbares Ventil (47, 56) in mindestens einer der in den Zwischentank (43) führenden Teilleitungen (41 , 51).
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, . dadurch gekennzeichnet, dass in der Wasserzuleitung (50) ein Wassertank (52) vorgesehen ist.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die Wasserzuleitung (50) und/oder der Wassertank (52) mit einem
Ablaßventil (53) verbunden ist/sind.
13. ' Brennstoffeellensystem mit einer oder mehreren Brennstoffeelle(n) (11 ), die einen Anodenteil (12) mit wenigstens einer Zuleitung (13) und wenigstens einer Ableitung (14) für einen Brennstoff und einen Kathodenteil (15) mit wenigstens einer Zuleitung (16) und wenigstens einer Ableitung (17) für ein Oxidationsmittel aufweist/aufweisen, und mit einer Vorrichtung (30) zum Zuleiten von Brennstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei die Vorrichtung (30) an der Ausgangsseite (33) der Brennstofferzeugungsvorrichtung (31) mit der Brennstoffeuleitung (13) für die Brennstoffeelle (11) verbunden ist.
14. Brennstoffeellensystem nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass in der wenigstens einen Brennstoffableitung (14) und/oder der wenigstens einen Oxidationsmittelableitung (17) ein Wasserabscheider (19) vorgesehen ist, der insbesondere mit der Wasserzuleitung (50) verbunden ist.
15. Verwendung einer Vorrichtung (30) nach einem der Ansprüche 1 bis 12 und/oder eines Brennstoffzellensystems (10) nach Anspruch 13 oder 14 in einem oder für ein Fahrzeug.
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