WO2005029615A2 - Brennstoffzellensystem - Google Patents

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WO2005029615A2
WO2005029615A2 PCT/EP2004/004877 EP2004004877W WO2005029615A2 WO 2005029615 A2 WO2005029615 A2 WO 2005029615A2 EP 2004004877 W EP2004004877 W EP 2004004877W WO 2005029615 A2 WO2005029615 A2 WO 2005029615A2
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water
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cell system
total oxidation
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Jan-Kasper Kuipers
Christoph Maume
Olaf Klein
Jens Arik Almkermann
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Volkswagen Aktiengesellschaft
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Definitions

  • the fuel cell system The fuel cell system
  • the invention relates to a fuel cell system, in particular for a vehicle, with a fuel cell, a reformer and a water supply device for supplying the reformer with water.
  • the invention relates to a method for supplying a fuel cell system with water according to the preamble of claim 7.
  • the invention further relates to the use of a total oxidation unit according to claim 11.
  • Membrane or solid oxide fuel cells are preferably used.
  • the main fuel used in these types is hydrogen.
  • a conventional energy source as the primary fuel for example, methanol, gasoline, natural gas, etc.
  • the fuel has to be converted into a hydrogen-rich gas via a reforming process.
  • the object of the invention is therefore to create a fuel cell system which reduces or avoids these disadvantages.
  • a fuel cell system with the features of claim 1 is proposed.
  • This is characterized by the fact that the water supply has a separate water production device.
  • the water production device provides the water required by the reformer and thus enables water-autonomous operation of the fuel cell system. This therefore allows the system to be operated as independently as possible from external operating materials, because complex external refueling, which is disadvantageous at temperatures below freezing point, in particular when the system is being used on the move, can be dispensed with.
  • the return rate of a possibly additionally present water return device for the water carried in the fuel cell system can be reduced. Because the
  • Water generating device is not combined with other components, it can advantageously be controlled or regulated separately, which enables the reformer to be reliably supplied with water in the most varied operating states of the fuel cell system.
  • An exemplary embodiment of the invention is preferred, which is characterized in that the water generating device has a total oxidation unit.
  • the total oxidation unit burns a fuel, in particular CxHy and / or CxHyOH and / or H2, completely or stoichiometrically.
  • the end products are essentially only water and carbon dioxide or water.
  • the water generated in the total oxidation unit can be supplied to the reformer to supply it.
  • the resulting heat of reaction can advantageously be used to heat the system in the start-up phase and / or to supply the reforming process taking place in the reformer with energy.
  • the water supply can be ensured in the start-up phase even if all water or condensate is removed from the system for frost protection reasons when the system is switched off.
  • the total oxidation unit serves as a water-independent starting unit of the fuel cell system.
  • a preferred embodiment of the invention is characterized in that a first mixture formation unit is connected upstream of the total oxidation unit.
  • the fuel can be mixed with an oxygen-containing gas mixture, preferably air, and thus prepared for the subsequent combustion or total oxidation.
  • a preferred embodiment of the invention is characterized in that a second mixture formation unit is connected downstream of the total oxidation unit.
  • the reaction products formed in the total oxidation unit can be mixed with further components, in particular an oxygen-containing gas mixture, preferably air, and fuel.
  • a preferred exemplary embodiment of the invention is characterized in that the second mixture formation unit for supplying the reformer is connected upstream of it.
  • the reformer can thus be supplied with a reactive mixture that can be produced in the second mixture formation unit.
  • This can, for example, essentially have the starting materials CxHy and / or CxHyOH and / or H2, H2O and 02 and the inert gas components CO2 and N2.
  • a preferred embodiment of the invention is characterized in that the water supply device has a water return device.
  • the water return device serves to return product water formed in the cathode side of the fuel cell and can advantageously be combined with the water generating device.
  • the process water required for the reforming process is thus made available in part by the water production device and in part by the water return device. Consequently, compared to conventional systems without a water production device, the effort that has to be driven for the water return is reduced. It is also conceivable to use one of the in certain operating states To switch off all or part of the equipment, especially to use only the water production device in the start-up phase and only the water return device in the operating phase.
  • the reformer is at least partially supplied with product water which is generated by a total oxidation of a hydrogen-containing fuel.
  • the total oxidation of the fuel essentially produces carbon dioxide and water.
  • Undesired reaction products, such as carbon black or carbon monoxide arise only to a relatively small extent.
  • the water is advantageously fed to the reformer.
  • a water return device can be dispensed with or can at least be made smaller.
  • the fuel cell system can be started independently of water, ie without any storage and / or external supply of water.
  • a preferred embodiment of the method is characterized in that the heat of reaction which arises during the total oxidation is fed to the reformer. In this way, an actually endothermic reforming process can be combined with the total oxidation to form an autothermal overall process.
  • a preferred embodiment of the method is characterized in that the total oxidation is carried out essentially adiabatically. Any devices for heat coupling and / or cooling are not required in this process step.
  • a preferred embodiment of the method is characterized in that the end products of the total oxidation are fed to the reformer. With the end products, the required water of reaction and the heat generated during total oxidation can be fed to the reformer at the same time.
  • the object on which the invention is based is also achieved by using a total oxidation unit for supplying a fuel cell system, in particular a reformer of the fuel cell system, with water.
  • a hydrogen-containing fuel can be burned in the total oxidation unit.
  • the resulting water can be used advantageously to cover the water balance of the reformer.
  • the single figure shows a block diagram of a fuel cell system 1, which is provided in particular for use in a vehicle, not shown here.
  • the fuel cell system 1 has a fuel cell 3, or a fuel cell stack, with an anode side 5 and a cathode side 7.
  • the fuel cell 3 is preferably a membrane fuel cell, in particular polymer electrolyte membrane fuel cell (PEM fuel cell), or solid oxide fuel cell.
  • the cathode side 7 of the fuel cell 3 is fed by a cathode air volume flow 9.
  • the cathode air volume flow 9 is compressed beforehand by a cathode air compressor 11.
  • the cathode air volume flow 9 is an oxygen-rich gas mixture, preferably fresh air drawn in from the environment.
  • the cathode air compressor 11 is thus connected upstream to a suction opening (not shown here) and downstream to the cathode side 7 of the fuel cell 3.
  • the cathode air volume flow 9 is enriched with product water obtained there using oxygen, that is to say converted into a fuel cell exhaust gas volume flow 13.
  • the fuel cell exhaust gas volume flow 13 leaves the fuel cell system 1 through an exhaust gas opening, not shown.
  • the anode side 5 of the fuel cell 3 is fed by a hydrogen-rich process gas volume flow 17 generated by a reformer 15.
  • the reformer 15 is therefore connected directly downstream to the anode side 5 of the fuel cell 3. It is also possible to switch further process steps, not shown here, into the process gas volume flow 17.
  • measures for process gas purification are conceivable, such as a shift reaction, hydrogen separation through a selectively permeable membrane or carbon monoxide afterburning.
  • a device for process gas cleaning, not shown here, is preferably already integrated in the reformer 15, so that the process gas volume flow 17 contains as few impurities as possible, in particular carbon monoxide and sulfur compounds.
  • the process gas volume flow 17 then consists, as it were, of pure hydrogen or of a mixture of hydrogen and other components which are harmless to the fuel cell 3.
  • the process gas volume flow 17 is converted into an anode gas return volume flow 19, in particular using the hydrogen contained therein.
  • the anode gas return volume flow 19 is returned to the reformer 15.
  • the anode side 5 of the fuel cell 3 is therefore connected downstream to the reformer 15 on the output side. It is conceivable to connect other process steps, in particular residual gas combustion, to the anode gas recirculation volume flow 19 and / or to derive it preferably directly or partially.
  • the fuel cell system 1 has a
  • Water supply device 25 with a separate water generating device 27 is designed here as a separate structural unit and consequently can be separately controlled or regulated by means not shown here, in particular air flaps, sensors, injection nozzles, etc.
  • the water generating device 27 has a first mixture formation unit 29 and a total oxidation unit 31 connected downstream thereof. Upstream, the first mixture formation unit 29 is fed by a fuel volume flow 33 and a supply air volume flow 35.
  • the fuel volume flow 33 contains one liquid or gaseous hydrogen-containing, in particular methane, methanol, gasoline, diesel, natural gas, etc., fuel.
  • the supply air volume flow 35 is an oxygen-containing gas mixture, in particular air.
  • the fuel volume flow 33 and the supply air volume flow 35 are mixed in the first mixture formation unit 29, so that a reactive mixture is formed.
  • the reactive mixture is fed to the total oxidation unit 31 as a mixture volume flow 37.
  • the mixture volume flow 37 is burned stoichiometrically in the total oxidation unit 31.
  • the fuel volume flow 33 and the supply air volume flow 35 are therefore processed in the mixture formation unit 29 with an air ratio greater than or equal to 1.
  • the total oxidation unit 31 is connected downstream to a second mixture formation unit 39.
  • the combustion of the fuel converts the mixture volume flow 37 into a water supply volume flow 41 which mainly contains the reaction end products water and carbon dioxide and inert gas. Depending on the fuel, sulfur compounds may also be present.
  • the water supply volume flow 41 and also the supply air volume flow 35 and the fuel volume flow 33 are fed to the second mixture formation unit 39 and mixed there to form a reformer gas volume flow 43 which feeds the reformer 15.
  • the second mixture formation unit 39 is therefore connected downstream to the reformer 15.
  • the reformer gas volume flow 43 thus contains at least fuel, water and oxygen, which are necessary for the reformation process and originate from the total oxidation unit 31, and optionally inert gases.
  • the reformer gas volume flow 43 is preheated by the combustion heat generated in the total oxidation unit 31.
  • the combustion of the fuel is essentially adiabatic.
  • the total oxidation unit 31 is therefore not cooled, so that virtually all of the combustion energy can be fed to the reformer 15 via the reformer gas volume flow 43 in order to supply the reforming process, which is actually endothermic, with sufficient energy. In this way, the total oxidation and the reforming process can be combined to form an autothermal overall process.
  • the entire process must be regulated accordingly. This can be done by control and regulating elements of the mixture formation units 29, 39, which are not shown here.
  • the relative amount of water and heat produced i.e. the proportion of the fuel burned in the total oxidation unit 31 to the fuel converted in the reformer 15, as well as the air figures of the combustion and the reforming process.
  • the reformer gas volume flow 43 is converted into a reformer exhaust gas volume flow 44 essentially containing carbon dioxide, water and inert gas. Reforming processes are known, so we won't go into them any further here.
  • the supply air volume flow 35 is compressed by a reformer compressor 45 and divided by a first three-way valve 47 so that it feeds both mixture formation units 29 and 39.
  • the reformer compressor 45 is therefore connected downstream to the three-way valve 47 and this with one output each to the mixture formation units 29, 39.
  • the fuel volume flow 33 is fed by a tank 49, conveyed by a pump 51 and divided by a second three-way valve 53 so that it feeds both mixture formation units 29 and 39.
  • the tank 49 is therefore connected downstream to the mixture formation units 29, 39 via the pump 51 and via an outlet of the second three-way valve 53.
  • the three-way valves 47, 53 can be designed to be controllable, that is to say individual parts of the above-mentioned control and regulating elements of the mixture formation units 29, 39.
  • the water supply device 25 additionally has an at least partial return of the moist fuel cell exhaust gas volume flow 13.
  • the cathode side 7 of the fuel cell 3 preferably via controllable three-way valves, is connected to one of the mixture formation units 29, 39, the total oxidation unit 31 and / or the reformer 15 and / or the exhaust gas opening, not shown.

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Abstract

Es wird ein Brennstoffzellensystem (1), insbesondere für ein Fahrzeug, mit einer Brennstoffzelle (3), einem Reformer (15) und einer Wasserversorgungseinrichtung (25) zur Versorgung des Reformers (15) mit Wasser vorgeschlagen. Dieses zeichnet sich dadurch aus, dass die Wasserversorgungseinrichtung (25) eine separate Wassererzeugungseinrichtung (27) aufweist.

Description

Brennstoffzellensystem
Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem, insbesondere für ein Fahrzeug, mit einer Brennstoffzelle, einem Reformer und einer Wasserversorgungseinrichtung zur Versorgung des Reformers mit Wasser.
Außerdem bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zur Versorgung eines Brennstoffzellesystems mit Wasser gemäß des Oberbegriffs des Anspruchs 7.
Weiter betrifft die Erfindung eine Verwendung einer Totaloxidationseinheit nach Anspruch 11.
Brennstoffzellensysteme und Verfahren der gattungsgemäßen Art sind bekannt.
Diesen Systemen, insbesondere falls diese mobil eingesetzt werden sollen, liegt der Gedanke einer zumindest ausgeglichenen Wasserbilanz zu Grunde. Ein solches System soll also während seiner Betriebs- beziehungsweise Startphase ohne Zugabe zusätzlichen Prozesswassers (externe Betankung) auskommen.
Bevorzugt kommen dabei Membran- oder Festoxidbrennstoffzellen zum Einsatz. Als Sekundärbrennstoff dient bei diesen Typen hauptsächlich Wasserstoff. Je nach Einsatzgebiet wird jedoch kein Reinstwasserstoff, sondern bevorzugt ein konventioneller Energieträger als Primärkraftstoff zugeführt (Beispielsweise Methanol, Benzin, Erdgas, etc.). In einem solchen Fall muss der Kraftstoff über einen Reformierungsprozess in ein wasserstoffreiches Gas umgesetzt werden.
Bekannt sind insbesondere solche Systeme, die diese Anforderungen durch eine Wasserversorgungseinrichtung erfüllen. Insbesondere sind Systeme bekannt, bei denen anfallendes Produktwasser zurückgewonnen und vorzugsweise als Wasserdampf dem Reformierungsprozess zugeführt wird. Es hat sich jedoch herausgestellt, das solche Systeme einen recht komplizierten Aufbau aufweisen und auch in kalten Umgebungen auf Grund eventuell zurückgebliebenem, gefrorenem Kondensat Schwierigkeiten in der Startphase bereiten beziehungsweise die Versorgung des Reformierungsprozesses mit Wasser nicht in allen Betriebsphasen des Systems zu 100% zufriedenstellend war. Aus der DE 199 43 248 A1 ist ein Brennstoffzellensystem bekannt, bei dem der Wasserbedarf der Reformierungsreaktion direkt an eine Oxidationsrate einer teilweisen Verbrennung eines wasserstoffhaltigen Brennstoffs in einer Oxidationseinheit stromauf des Reformierungsreaktors gekoppelt wird. Dies birgt jedoch die mit einer unterstöchiometrischen Verbrennung einhergehenden Nachteile. So entstehen beispielsweise bei der Verbrennung eines Kohlenstoff und Wasserstoff enthaltenden Brennstoffs neben dem erwünschten Wasser auch verstärkt weitere dem nachfolgenden Prozess hinderliche Reaktionsendprodukte, insbesondere Kohlenmonoxid und Ruß. Außerdem hat sich herausgestellt, dass sich dieses System nicht in jedem Betriebszustand optimal regeln beziehungsweise Steuern lässt.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Brennstoffzellensystem zu schaffen, das diese Nachteile verringert beziehungsweise vermeidet.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Dieses zeichnet sich dadurch aus, dass die Wasserversorgung eine separate Wassererzeugungseinrichtung aufweist. Die Wassererzeugungseinrichtung stellt das von dem Reformer benötigte Wasser zur Verfügung und ermöglicht so einen wasserautarken Betrieb des Brennstoffzellensystems. Dies erlaubt also einen von äußeren Betriebsstoffen möglichst unabhängigen Betrieb des Systems, weil eine aufwändige und bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt nachteilige externe Betankung, insbesondere bei einem mobilen Einsatz des Systems, entfallen kann. Außerdem kann so die Rückführungsrate einer möglicherweise zusätzlich vorhandenen Wasserrückführungseinrichtung für das in dem Brennstoffzellensystem geführte Wasser verringert werden. Weil die
Wassererzeugungseinrichtung nicht mit anderen Bauteilen kombiniert ist, kann diese vorteilhafterweise separat gesteuert beziehungsweise geregelt werden, was eine sichere Versorgung des Reformers mit Wasser in den unterschiedlichsten Betriebszuständen des Brennstoffzellensystems ermöglicht.
Bevorzugt wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, das sich dadurch auszeichnet, dass die Wassererzeugungseinrichtung eine Totaloxidationseinheit aufweist. Die Totaloxidationseinheit verbrennt einen Brennstoff, insbesondere CxHy und/oder CxHyOH und/oder H2, vollständig beziehungsweise stöchiometrisch. Als Endprodukte fallen im wesentlichen nur Wasser und Kohlendioxid beziehungsweise Wasser an. Das in der Totaloxidationseinheit entstehende Wasser kann zur Versorgung des Reformers diesem zugeführt werden. Darüber hinaus kann die entstehende Reaktionswärme vorteilhaft zum Aufheizen des Systems in der Startphase und/oder zur Versorgung des im Reformer ablaufenden Reformierungsprozesses mit Energie verwendet werden. Insbesondere kann die Wasserversorgung in der Startphase selbst dann gewährleistet werden, wenn bei der Abschaltphase des Systems alles Wasser beziehungsweise Kondensat aus Frostschutzgründen aus diesem entfernt wird. Die Totaloxidationseinheit dient in diesem Zusammenhang also als wasserunabhängige Starteinheit des Brennstoffzellensystems.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass der Totaloxidationseinheit eine erste Gemischbildungseinheit vorgeschaltet ist. In der ersten Gemischbildungseinheit kann der Brennstoff mit einem sauerstoffhaltigen Gasgemisch, vorzugsweise Luft, vermengt und so für die nachfolgende Verbrennung bzw. Totaloxidation aufbereitet werden.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass der Totaloxidationseinheit eine zweite Gemischbildungseinheit nachgeschaltet ist. In der zweiten Gemischbildungseinheit können die in der Totaloxidationseinheit entstehenden Reaktionsprodukte mit weiteren Komponenten, insbesondere einem sauerstoffhaltigen Gasgemisch, vorzugsweise Luft, sowie Brennstoff vermengt werden.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die zweite Gemischbildungseinheit zur Versorgung des Reformers diesem vorgeschaltet ist. Der Reformer kann also mit einem in der zweiten Gemischbildungseinheit herstellbaren, reaktionsfähigen Gemenge versorgt werden. Dieses kann beispielsweise im Wesentlichen die Edukte CxHy und/oder CxHyOH und/oder H2, H2O und 02 sowie die Inertgasanteile CO2 und N2 aufweisen.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die Wasserversorgungseinrichtung eine Wasserrückführeinrichtung aufweist. Die Wasserrückführeinrichtung dient zur Rückführung von in der Kathodenseite der Brennstoffzelle entstehenden Produktwassers und kann vorteilhaft mit der Wassererzeugungseinrichtung kombiniert werden. Im Betrieb der Brennstoffzelle wird also das für den Reformierungsprozess benötigte Prozesswasser teilweise durch die Wassererzeugungseinrichtung und teilweise durch die Wasserrückführeinrichtung bereitgestellt. Folglich reduziert sich im Vergleich zu herkömmlichen Systemen ohne Wassererzeugungseinrichtung der Aufwand, der für die Wasserrückführung getrieben werden muss. Denkbar ist es auch, in bestimmten Betriebszuständen eine der Einrichtungen ganz oder teilweise abzuschalten, insbesondere in der Startphase nur die Wassererzeugungseinrichtung und in der Betriebsphase nur die Wasserrückführeinrichtung zu verwenden.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird außerdem durch ein Verfahren nach Anspruch 7 gelöst. Kennzeichnend wird der Reformer zumindest teilweise mit Produktwasser, das durch eine Totaloxidation eines wasserstoffhaltigen Brennstoffs erzeugt wird, versorgt. Bei der Totaloxidation des Brennstoffs entstehen im wesentlichen Kohlendioxid und Wasser. Unerwünschte Reaktionsprodukte, wie beispielsweise Ruß oder Kohlenmonoxid, entstehen nur in verhältnismäßig geringem Maße. Das Wasser wird vorteilhafterweise dem Reformer zugeführt. Eine Wasserrückführungseinrichtung wird verzichtbar oder kann zumindest kleiner ausgelegt werden. Insbesondere kann das Brennstoffzellensystem wasserunabhängig, also ohne jegliche Speicherung und/oder externe Zuführung von Wasser, gestartet werden.
Eine bevorzugte Ausführungsform des Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass die bei der Totaloxidation anfallende Reaktionswärme dem Reformer zugeführt wird. Hierdurch kann ein eigentlich endotherm verlaufender Reformierungsprozess zusammen mit der Totaloxidation zu einem autothermen Gesamtprozess kombiniert werden.
Eine bevorzugte Ausführungsform des Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass die Totaloxidation im wesentlichen adiabat durchgeführt wird. Etwaige Vorrichtungen zur Wärmekopplung und/oder Kühlung werden bei diesem Prozessschritt nicht benötigt.
Eine bevorzugte Ausführungsform des Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass die Endprodukte der Totaloxidation dem Reformer zugeführt werden. Mit den Endprodukten kann dem Reformer gleichzeitig das benötigte Reaktionswasser und die bei der Totaloxidation entstehende Wärme zugeführt werden.
Schließlich wird die der Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe auch durch die Verwendung einer Totaloxidationseinheit zur Versorgung eines Brennstoffzellensystems, insbesondere eines Reformers des Brennstoffzellensystems, mit Wasser gelöst. In der Totaloxidationseinheit kann ein wasserstoffhaltiger Brennstoff verbrannt werden. Das dabei entstehende Wasser kann vorteilhaft zur Deckung des Wasserhaushalts des Reformers genutzt werden. Weitere vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Kombinationsmöglichkeiten der Unteransprüche und aus der Beschreibung.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung beispielhaft näher erläutert. In der einzigen Figur ist ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem anhand eines Blockschaltbilds, aus dem auch das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Verwendung hervorgehen, dargestellt. Volumenströme, die in hier nicht dargestellten Pfaden, insbesondere Rohrleitungen, Schläuchen etc., geführt werden, sowie die dazugehörigen Strömungsrichtungen sind durch Pfeile und Linien symbolisiert.
Die einzige Figur zeigt ein Blockschaltbild eines Brennstoffzellensystems 1, dass insbesondere zum Einsatz in einem hier nicht dargestellten Fahrzeug vorgesehen ist.
Des Brennstoffzellensystem 1 weist eine Brennstoffzelle 3, beziehungsweise einen Brennstoffzellenstapel, mit einer Anodenseite 5 und einer Kathodenseite 7 auf. Bei der Brennstoffzelle 3 handelt es sich vorzugsweise um eine Membranbrennstoffzelle, insbesondere Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzelle (PEM-Brennstoffzelle), oder Festoxidbrennstoffzelle.
Die Kathodenseite 7 der Brennstoffzelle 3 wird durch einen Kathodenluftvolumenstrom 9 gespeist. Zuvor wird der Kathodenluftvolumenstrom 9 durch einen Kathodenluftkompressor 11 verdichtet. Bei dem Kathodenluftvolumenstrom 9 handelt es sich um ein sauerstoffreiches Gasgemisch, vorzugsweise um aus der Umgebung angesaugte Frischluft. Der Kathodenluftkompressor 11 ist also stromaufwärts an eine hier nicht näher dargestellte Ansaugöffnung und stromabwärts an die Kathodenseite 7 der Brennstoffzelle 3 angeschlossen.
In der Kathodenseite 7 der Brennstoffzelle 3 wird der Kathodenluftvolumenstrom 9 unter Verbrauch von Sauerstoff mit dort anfallendem Produktwasser angereichert, also in einen Brennstoffzellenabgasvolumenstrom 13 umgewandelt. Bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel verlässt der Brennstoffzellenabgasvolumenstrom 13 das Brennstoffzellensystem 1 durch eine nicht näher dargestellte Abgasöffnung.
Die Anodenseite 5 der Brennstoffzelle 3 wird durch einen von einem Reformer 15 erzeugten wasserstoffreichen Prozessgasvolumenstrom 17 gespeist. Der Reformer 15 ist also stromabwärts direkt an die Anodenseite 5 der Brennstoffzelle 3 angeschlossen. Es ist auch möglich, in den Prozessgasvolumenstrom 17 weitere, hier nicht dargestellte Prozessschritte zu schalten. Denkbar sind insbesondere Maßnahmen zur Prozessgasreinigung, wie beispielsweise eine Shiftreaktion, eine Wasserstoffabtrennung durch eine selektiv durchlässige Membran oder eine Kohlenmonoxidnachverbrennung. Bevorzugt ist in den Reformer 15 eine hier nicht dargestellte Vorrichtung zur Prozessgasreinigung bereits integriert, sodass der Prozessgasvolumenstrom 17 möglichst wenige Verunreinigungen, insbesondere Kohlenmonoxid und Schwefelverbindungen, enthält. Der Prozessgasvolumenstrom 17 besteht dann quasi aus reinem Wasserstoff oder aus einem Gemisch aus Wasserstoff und anderen für die Brennstoffzelle 3 unschädlichen Bestandteilen.
Denkbar ist es auch, auf eine wie oben beschriebene Prozessgasreinigung zu verzichten oder zumindest den hierfür notwendigen Aufwand deutlich zu reduzieren, also beispielsweise höhere Verunreinigungen durch Kohlenmonoxid zuzulassen. Dies ist insbesondere dann sinnvoll, wenn es sich bei der Brennstoffzelle 3 um eine oxidkeramische oder eine Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle handelt.
In der Anodenseite 5 der Brennstoffzelle 3 wird der Prozessgasvolumenstrom 17, insbesondere unter Verbrauch des darin enthaltenen Wasserstoffs in einen Anodengasrückführvolumenstrσm 19 umgewandelt. Der Anodengasrückführ- volumenstrom 19 wird in den Reformer 15 zurückgeführt. Die Anodenseite 5 der Brennstoffzelle 3 ist also ausgangsseitig stromabwärts an den Reformer 15 angeschlossen. Es ist denkbar, dem Anodengasrückführvolumenstrom 19 andere Prozessschritte, insbesondere eine Restgasverbrennung, nachzuschalten und/oder diesen vorzugsweise direkt oder teilweise abzuleiten.
Erfindungsgemäß weist das Brennstoffzellensystem 1 eine
Wasserversorgungseinrichtung 25 mit einer separaten Wassererzeugungseinrichtung 27 auf. Die Wassererzeugungseinrichtung 27 ist hier als getrennte Baueinheit ausgeführt und folglich durch hier nicht näher dargestellte Mittel, insbesondere Luftklappen, Sensoren, Einspritzdüsen, etc., separat steuerbar beziehungsweise regelbar.
Die Wassererzeugungseinrichtung 27 weist eine erste Gemischbildungseinheit 29 und eine stromabwärts daran angeschlossenen Totaloxidationseinheit 31 auf. Stromaufwärts wird die erste Gemischbildungseinheit 29 durch einen Brennstoffvolumenstrom 33 und einen Zuluftvolumenstrom 35 gespeist. Der Brennstoffvolumenstrom 33 enthält einen flüssigen oder gasförmigen wasserstoffhaltigen, insbesondere Methan, Methanol, Benzin, Diesel, Erdgas, etc., Brennstoff. Bei dem Zuluftvolumenstrom 35 handelt es sich um ein sauerstoffhaltiges Gasgemisch, insbesondere Luft.
Der Brennstoffvolumenstrom 33 und der Zuluftvolumenstrom 35 werden in der ersten Gemischbildungseinheit 29 vermengt, sodass ein reaktionsfähiges Gemisch entsteht.
Das reaktionsfähige Gemisch wird als Gemischvolumenstrom 37 der Totaloxidationseinheit 31 zugeführt. In der Totaloxidationseinheit 31 wird der Gemischvolumenstrom 37 stöchiometrisch verbrannt. Der Brennstoffvolumenstrom 33 und der Zuluftvolumenstrom 35 werden also in der Gemischbildungseinheit 29 mit einer Luftzahl größer gleich 1 aufbereitet.
Stromabwärts ist die Totaloxidationseinheit 31 an eine zweite Gemischbildungseinheit 39 angeschlossen. Durch die Verbrennung des Brennstoffs wird der Gemischvolumenstrom 37 in einen hauptsächlich die Reaktionsendprodukte Wasser und Kohlendioxid sowie Inertgas enthaltenen Wasserversorgungsvolumenstrom 41 umgewandelt. Je nach Brennstoff können auch Schwefelverbindungen enthalten sein.
Der zweiten Gemischbildungseinheit 39 werden der Wasserversorgungsvolumenstrom 41 und ebenfalls der Zuluftvolumenstrom 35 sowie der Brennstoffvolumenstrom 33 zugeführt und dort zu einem Reformergasvolumenstrom 43, der den Reformer 15 speist, vermengt. Die zweite Gemischbildungseinheit 39 ist also stromabwärts an den Reformer 15 angeschlossen. Der Reformergasvolumenstrom 43 enthält also zumindest Brennstoff, für den Reformationsprozess notwendiges, von der Totaloxidationseinheit 31 herrührendes Wasser und Sauerstoff sowie gegebenenfalls Inertgase. Außerdem ist der Reformergasvolumenstrom 43 durch die in der Totaloxidationseinheit 31 entstehende Verbrennungswärme vorgewärmt. In dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel verläuft die Verbrennung des Brennstoffs im wesentlichen adiabat. Die Totaloxidationseinheit 31 ist also nicht gekühlt, sodass quasi die gesamte Verbrennungsenergie über den Reformergasvolumenstrom 43 dem Reformer 15 zugeführt werden kann, um den eigentlich endotherm verlaufenden Reformierungsprozess ausreichend mit Energie zu versorgen. So können die Totaloxidation und der Reformierungsprozess zu einem autothermen Gesamtprozess kombiniert werden. Hierzu ist der Gesamtprozess entsprechend zu regeln. Dies kann durch hier nicht näher dargestellte Steuer- und Regelelemente der Gemischbildungseinheiten 29, 39 erfolgen. Insbesondere einzustellen sind die relative produzierte Wasser- und Wärmemenge, also der Anteil des in der Totaloxidationseinheit 31 verbrannten Brennstoffs zu dem im Reformer 15 umgesetzten Brennstoff, sowie die Luftzahlen der Verbrennung und des Reformierungsprozesses.
In dem Reformer 15 wird der Reformergasvolumenstrom 43 in einen im wesentlichen Kohlendioxid, Wasser und Inertgas enthaltenen Reformerabgasvolumenstrom 44 umgesetzt. Reformierungsprozesse sind bekannt, sodass hier nicht weiter darauf eingegangen wird.
Der Zuluftvolumenstrom 35 wird durch einen Reformerkompressor 45 verdichtet und durch ein erstes Dreiwegeventil 47 so aufgeteilt, dass dieser beide Gemischbildungseinheiten 29 und 39 speist. Der Reformerkompressor 45 ist also stromabwärts an das Dreiwegeventil 47 und dieses mit jeweils einem Ausgang an die Gemischbildungseinheiten 29, 39 angeschlossen.
Der Brennstoffvolumenstrom 33 wird durch einen Tank 49 gespeist, durch eine Pumpe 51 gefördert und durch ein zweites Dreiwegeventil 53 so aufgeteilt, dass dieser beide Gemischbildungseinheiten 29 und 39 speist. Der Tank 49 ist also stromabwärts über die Pumpe 51 und über jeweils einen Ausgang des zweiten Dreiwegeventils 53 an die Gemischbildungseinheiten 29, 39 angeschlossen.
Die Dreiwegeventile 47, 53 können steuerbar ausgelegt werden, also Einzelteile der oben angesprochenen Steuer- und Regelelemente der Gemischbildungseinheiten 29, 39 sein.
Bei einem hier nicht dargestellten Ausführungsbeispiel weist die Wasserversorgungseinrichtung 25 zusätzlich eine zumindest teilweise Rückführung des feuchten Brennstoffzellenabgasvolumenstroms 13 auf. Hierzu ist die Kathodenseite 7 der Brennstoffzelle 3, vorzugsweise über steuerbare Dreiwegeventile, an eine der Gemischbildungseinheiten 29, 39, die Totaloxidationseinheit 31 und/oder den Reformer 15 und/oder die nicht dargestellte Abgasöffnung angeschlossen.
Außerdem ist es möglich, Wasserstoff aus dem Prozessgasvolumenstrom 17 der Totaloxidationseinheit 31 zuzuführen, um so Wasser und für den Reformierungsprozess benötigte Energie zu erzeugen. Ferner ist es denkbar, an Stelle der Totaloxidationseinheit 31 einen Verbrennungsmotor vorzusehen.
Schließlich ist es denkbar, die Wassererzeugungseinrichtung 27, also die erste Gemischbildungseinheit 29 und die Totaloxidationseinheit 31, in einem Bauteil zu integrieren und/oder hierfür marktübliche Brenner, vorzugsweise Zuheizsysteme, zu verwenden.
B EZU GSZE I CH E N LISTE
Brennstoffzellensystem Brennstoffzelle Anodenseite Kathodenseite Kathodenluftvolumenstrom Kathodenluftkompressor Brennstoffzellenabgasvolumenstrom Reformer Prozessgasvolumenstrom Anodengasrückführvolumenstrom Reformergasvolumenstrom Wasserversorgungseinrichtung Wassererzeugungseinrichtung erste Gemischbildungseinheit Totaloxidationseinheit Brennstoffvolumenstrom Zuluftvolumenstrom Gemischvolumenstrom zweite Gemischbildungseinheit Wasserversorgungsvolumenstrom Reformergasvolumenstrom Reformerabgasvolumenstrom Reformerkompressor erstes Dreiwegeventil Tank Pumpe zweites Dreiwegeventil

Claims

PATE NTANS P RÜ CH E
1. Brennstoffzellensystem, insbesondere für ein Fahrzeug, mit einer Brennstoffzelle, einem Reformer und einer Wasserversorgungseinrichtung zur Versorgung des Reformers mit Wasser, dadurch gekennzeichnet, dass die Wasserversorgungseinrichtung (25) eine separate Wassererzeugungseinrichtung (27) aufweist.
2. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wassererzeugungseinrichtung (27) eine Totaloxidationseinheit (31) aufweist.
3. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Totaloxidationseinheit (31) eine erste Gemischbildungseinheit (29) vorgeschaltet ist.
4. Brennstoffzellensystem nach nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Totaloxidationseinheit (31) eine zweite Gemischbildungseinheit (39) nachgeschaltet ist.
5. Brennstoffzellensystem nach nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Gemischbildungseinheit (39) zur Versorgung des Reformers (15) diesem vorgeschaltet ist.
6. Brennstoffzellensystem nach nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wasserversorgungseinrichtung (25) eine Wasserrückführeinrichtung aufweist.
7. Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, insbesondere eines Brennstoffzellensystems nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch folgenden Schritt: - zumindest teilweises Versorgen des Reformers (15) mit Produktwasser durch eine Totaloxidation eines wasserstoffhaltigen Brennstoffs.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die bei der Totaloxidation anfallende Reaktionswärme dem Reformer (15) zugeführt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Totaloxidation im wesentlichen adiabat durchgeführt wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Endprodukte der Totaloxidation dem Reformer (15) zugeführt werden.
11. Verwendung einer Totaloxidationseinheit (31) zur Versorgung eines Brennstoffzellensystems (1), insbesondere eines Reformers (15) eines Brennstoffzellensystems (1), mit Wasser.
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