WO2018015237A1 - System zur bereitstellung von wasserstoff - Google Patents

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WO2018015237A1
WO2018015237A1 PCT/EP2017/067500 EP2017067500W WO2018015237A1 WO 2018015237 A1 WO2018015237 A1 WO 2018015237A1 EP 2017067500 W EP2017067500 W EP 2017067500W WO 2018015237 A1 WO2018015237 A1 WO 2018015237A1
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water
fuel cell
downstream
steam reformer
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PCT/EP2017/067500
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Martin Hering
Kai Weeber
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Robert Bosch Gmbh
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    • Y02T90/40—Application of hydrogen technology to transportation, e.g. using fuel cells

Definitions

  • the invention relates to a system for providing hydrogen, which comprises a steam reformer and a fuel cell unit arranged downstream of the steam reformer.
  • the hydrogen must be separated from the carbon monoxide and carbon dioxide and the remaining water vapor to achieve very high purity levels. For example, by pressure swing absorption, the hydrogen can be separated from the carbon monoxide and carbon dioxide and the remaining water vapor, and thereby 99.9% purity levels are achievable.
  • a method and a device for conditioning hydrogen are known from DE 10 2013 224 062 AI. It is in particular by means of
  • the recovered hydrogen is in one
  • fuel cells for generating electrical energy, fuel cells, in particular solid oxide fuel cells, are known.
  • the fuel cell is supplied with a fuel in the form of hydrogen or carbon monoxide and air.
  • the oxygen contained in the air reacts with the supplied fuel in the fuel cell, and water or carbon dioxide as well as excess fuel are released. In this reaction will too
  • a fuel cell system which comprises, inter alia, a steam reformer and a solid oxide fuel cell unit arranged downstream of the steam reformer. During operation, natural gas is supplied to the steam reformer of the fuel cell system.
  • Steam reformer is generated hydrogen, which is supplied to the solid oxide fuel cell unit.
  • a storage device is provided, in which the generated hydrogen can be temporarily stored. Electric power and heat are then generated in the solid oxide fuel cell unit.
  • a system for providing hydrogen which comprises a steam reformer and a fuel cell unit arranged downstream of the steam reformer.
  • the steam reformer of the hydrogen delivery system is supplied with natural gas and water vapor.
  • the steam reformer comprises in particular a catalyst containing the chemical described below
  • the fuel cell unit includes galvanic cells for continuous electrochemical power generation.
  • the fuel cell unit is supplied with a fuel, in particular in the form of hydrogen and / or carbon monoxide, as well as air.
  • the fuel in the fuel cell unit reacts with the oxygen contained in the supplied air, and it arises
  • a hydrogen separation unit is arranged downstream of the steam reformer.
  • the hydrogen separation unit is preferably designed as a pressure swing adsorption system and allows a separation of
  • the hydrogen is separated from the added by-products, in particular carbon monoxide, carbon dioxide and / or water vapor, from the gas mixture supplied.
  • Hydrogen separation unit disposed upstream of the fuel cell unit of the system for providing hydrogen. According to an advantageous embodiment of the invention is downstream of the
  • the water-gas conversion reactor comprises in particular a catalyst for this purpose.
  • the corresponding reaction equation for this is:
  • the water-gas conversion reactor is arranged downstream of the fuel cell unit of the system for providing hydrogen.
  • the water-gas conversion reactor is arranged upstream of the fuel cell unit of the system for providing hydrogen.
  • the water-gas conversion reactor is located upstream of the hydrogen separation unit of the hydrogen supply system.
  • the fuel cell unit preferably comprises at least one solid oxide
  • the solid oxide fuel cell comprises an electrolyte of a ceramic material capable of conducting oxygen ions but insulating for electrons.
  • Hydrogen which is provided by the system according to the invention, finds advantageous use for refueling a hydrogen-powered motor vehicle.
  • Provision of hydrogen is advantageously used for charging a battery of a motor vehicle, in particular a
  • Electric vehicle a hybrid vehicle (HEV) or in a plug-in hybrid vehicle (PH EV).
  • HEV Electric vehicle
  • HEV hybrid vehicle
  • PH EV plug-in hybrid vehicle
  • hydrogen can be provided particularly efficiently, in particular for fueling vehicles. Furthermore, electric current is generated, which in particular for charging
  • Automotive batteries can be used.
  • decentralized dual tank / charging points for hydrogen-powered vehicles and for electric vehicles can be operated particularly economically.
  • the resulting waste heat can be used to advantage, especially for heating domestic water.
  • Figure 1 is a simplified block diagram of a system for providing hydrogen
  • Figure 2 is a schematic representation of a system for providing
  • Figure 3 is a schematic representation of a system for providing
  • FIG. 1 shows a simplified block diagram of a system 10 for
  • the system 10 for providing hydrogen comprises a gas inlet 81, via which a gaseous medium, in particular natural gas or methane, is supplied to the system 10 for the supply of hydrogen.
  • a gaseous medium in particular natural gas or methane
  • the system 10 for providing hydrogen further comprises a
  • Water inlet 82 over which fresh water is supplied to the system 10 for the provision of hydrogen.
  • the system 10 for providing hydrogen includes an air inlet 83 over which oxygen-containing air
  • Ambient air is supplied to the system 10 for providing hydrogen.
  • the system 10 for providing hydrogen comprises a
  • Hydrogen outlet 92 via which the generated hydrogen can be removed from the system 10 for the provision of hydrogen.
  • the withdrawn hydrogen is used in particular for refueling hydrogen-powered
  • the system 10 for providing hydrogen further comprises a
  • the generated power can be removed from the system 10 for the provision of hydrogen.
  • the withdrawn power is used in particular for charging batteries of motor vehicles.
  • the generated power can also be fed into the power grid, for example, or can be used to operate local consumers, such as lighting and fans.
  • the system 10 for providing hydrogen also includes a
  • Exhaust outlet 91 via which generated exhaust gases, in particular
  • the system 10 for providing hydrogen comprises a hot water outlet 93, via which hot water heated by waste heat can be withdrawn from the system 10 for the provision of hydrogen.
  • the system 10 for providing hydrogen includes a hot air outlet 94 over which waste heat heated air from the
  • the heated service water and the heated air can be used, for example, in the operation of a washing machine for washing and for the subsequent drying of vehicles.
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a system 10 for providing hydrogen according to a first embodiment.
  • the system 10 comprises, as already known from FIG. 3, a gas inlet 81, a
  • Hydrogen outlet 92 Hydrogen outlet 92, a hot water outlet 93, a hot air outlet 94 and a power outlet 95th
  • the system 10 further includes a desulfurization unit 40 in which gas introduced through the gas inlet 81 is desulfurized. Downstream of the desulfurization unit 40, an input heat exchanger 55 is arranged, in which the gas is heated. Downstream of the input heat exchanger 55, an intermediate heat exchanger 56 is arranged, in which the gas is further heated. Downstream of the intermediate heat exchanger 56 is through the water inlet
  • a first heat exchanger 51 is arranged, in which the gas and the water are further heated, whereby the water evaporates.
  • a steam reformer 30 Downstream of the first heat exchanger 51, a steam reformer 30 is arranged, to which the gas and the water vapor are supplied.
  • hydrogen and carbon monoxide are produced as fuels by means of high temperature steam reforming.
  • the steam reformer 30 is operated with an excess of water vapor, so that steam also emerges from the steam reformer 30.
  • a fuel cell unit 20 is arranged, which is designed as a solid oxide fuel cell stack.
  • the fuel cell unit 20 has an anode inlet 21, a
  • the fuel cell unit 20 is further electrically connected to the power output 95.
  • the emerging from the steam reformer 30 fuels hydrogen and carbon monoxide and the exiting water vapor are the
  • Air inlet 83 introduced air containing oxygen is heated in a second heat exchanger 52 and the cathode inlet 22 of the
  • a portion of the heated air is taken from the system 10 via the hot air outlet 94.
  • the hot air outlet 94 is in this case upstream of the
  • Cathode input 22 of the fuel cell unit 20 is arranged.
  • Hot air outlet 94 for example, downstream of the
  • Cathode outlet 24 of the fuel cell unit 20 may be arranged.
  • the fuels hydrogen and carbon monoxide react with the oxygen. This reaction produces water and carbon dioxide. In this case, electrical current is generated, which can be removed from the system 10 via the current output 95.
  • the return 48 is optional and can also be omitted if water over the Water inlet 82 is introduced upstream of the steam reformer 30.
  • Return 48 is supplied to the steam reformer 30.
  • a water-gas conversion reactor 34 Downstream of the intermediate heat exchanger 56, a water-gas conversion reactor 34 is arranged, to which the leaked at the anode outlet 23 substances are supplied. In the water-gas conversion reactor 34, carbon monoxide and water vapor are converted to hydrogen and carbon dioxide.
  • Carbon dioxide, remaining carbon monoxide and hydrogen are supplied to the downstream input heat exchanger 55. There they heat from the water-gas conversion reactor 34th
  • a hydrogen separation unit 32 Downstream of the input heat exchanger 55, a hydrogen separation unit 32 is arranged, to which the leaked from the water-gas conversion reactor 34 substances are supplied.
  • the hydrogen separation unit 32 is designed as a pressure swing adsorption system. In the hydrogen separation unit 32, the hydrogen of other substances, in particular
  • the separated hydrogen may then be withdrawn from the system 10 via the hydrogen outlet 92.
  • an afterburner 42 Downstream of the hydrogen separation unit 32, an afterburner 42 is disposed downstream of the hydrogen separation unit 32.
  • the afterburner 42 the substances are supplied, which were separated in the hydrogen separation unit 32 from the hydrogen, ie in particular carbon dioxide and carbon monoxide. From the
  • Cathode outlet 24 of the fuel cell unit 20 exits excess air, which is also fed to the afterburner 42.
  • Exiting from the afterburner 42 substances are supplied to the downstream of the afterburner 42 arranged second heat exchanger 52 and heat the air entering through the air inlet 83.
  • the from the second Heat exchanger 52 exiting substances are fed to the first heat exchanger 51 arranged downstream of the second heat exchanger 52 and heat the gas entering the steam reformer 30.
  • Downstream of the first heat exchanger 51 a third heat exchanger 53 is arranged, to which the exiting from the first heat exchanger 51 substances are fed to heat water which has entered through the water inlet 82.
  • the water heated in the third heat exchanger 53 can be taken out of the system 10 via the hot water outlet 93.
  • the exiting from the third heat exchanger 53 substances are on the
  • FIG. 3 shows a schematic representation of a system 10 for providing hydrogen according to a second embodiment.
  • the system 10 comprises, as already known from FIG. 3, a gas inlet 81, a
  • the system 10 further includes a desulfurization unit 40 in which gas introduced through the gas inlet 81 is desulfurized. Downstream of the desulfurization unit 40, a feed heat exchanger 57 is arranged, in which the gas is heated. Downstream of the flow heat exchanger 57, water introduced through the water inlet 82 is mixed with the gas. Further downstream, a first heat exchanger 51 is arranged, in which the gas and the water are further heated, whereby the water evaporates. Downstream of the first heat exchanger 51, a steam reformer 30 is arranged, to which the gas and the water vapor are supplied.
  • steam reformer 30 hydrogen and carbon monoxide are produced as fuels by means of high temperature steam reforming.
  • the steam reformer 30 is operated with an excess of water vapor, so that steam also emerges from the steam reformer 30.
  • the emerging from the steam reformer 30 substances and are the
  • downstream arranged feed heat exchanger 57 is supplied. There, the leaked from the steam reformer 30 substances heat the gas introduced and are thereby cooled.
  • a hydrogen separation unit 32 Downstream of the flow heat exchanger 57, a hydrogen separation unit 32 is arranged, to which the leaked from the steam reformer 30 substances are fed.
  • the hydrogen separation unit 32 is designed as a pressure swing adsorption system. In the hydrogen separation unit 32, the
  • a fuel cell unit 20 Downstream of the hydrogen separation unit 32, a fuel cell unit 20 is arranged, which is designed as a solid oxide fuel cell stack.
  • the fuel cell unit 20 has an anode inlet 21, a
  • the fuel cell unit 20 is further electrically connected to the power output 95.
  • the substances which have been separated from the hydrogen in the hydrogen separation unit 32 ie in particular carbon monoxide and water, are passed through a return heat exchanger 58, heated there, and the
  • Return heat exchanger 58 is optional and can be omitted. Air introduced through the air inlet 83, which contains oxygen, is heated in a second heat exchanger 52 and the cathode inlet 22 of the
  • a portion of the heated air is taken from the system 10 via the hot air outlet 94.
  • the hot air outlet 94 is in this case upstream of the
  • Cathode input 22 of the fuel cell unit 20 is arranged.
  • Hot air outlet 94 for example, downstream of the
  • Cathode outlet 24 of the fuel cell unit 20 may be arranged.
  • the fuel carbon monoxide reacts with the oxygen. This reaction produces carbon dioxide.
  • electrical current is generated, which can be removed from the system 10 via the current output 95.
  • the return 48 is optional and can also be omitted if water is introduced via the water inlet 82 upstream of the steam reformer 30. In this case, also the return heat exchanger 58. Likewise, the introduction of water through the water inlet 82 upstream of the
  • an afterburner 42 Downstream of the fuel cell unit 20, an afterburner 42 is arranged downstream of the fuel cell unit 20, an afterburner 42 is arranged.
  • the afterburner 42 the substances are supplied, which emerge at the anode output 23 of the fuel cell unit 20 and are not returned by the return 48. From the cathode output 24 of the fuel cell unit 20 exits excess air, which is also fed to the afterburner 42.
  • Exiting from the afterburner 42 substances are supplied to the downstream of the afterburner 42 arranged second heat exchanger 52 and heat the air entering through the air inlet 83.
  • the exiting from the second heat exchanger 52 materials are fed to the downstream of the second heat exchanger 52 arranged first heat exchanger 51 and heat the entering into the steam reformer 30 gas.
  • Downstream of the first heat exchanger 51 a third heat exchanger 53 is arranged, to which the exiting from the first heat exchanger 51 substances are fed to heat water which has entered through the water inlet 82.
  • the water heated in the third heat exchanger 53 can be taken out of the system 10 via the hot water outlet 93.
  • the exiting from the third heat exchanger 53 substances are on the
  • a water-gas conversion reactor 34 may be disposed upstream of the fuel cell unit 20 and downstream of the steam reformer 30.
  • the water-gas conversion reactor 34 may be arranged upstream and downstream of the hydrogen separation unit 32.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein System (10) zur Bereitstellung von Wasserstoff, umfassend einen Dampfreformer (30) und eine stromabwärts des Dampfreformers (30) angeordnete Brennstoffzelleneinheit (20). Dabei ist stromabwärts des Dampfreformers (30) eine Wasserstoff-Trenneinheit (32) angeordnet.

Description

System zur Bereitstellung von Wasserstoff
Die Erfindung betrifft ein System zur Bereitstellung von Wasserstoff, welches einen Dampfreformer und eine stromabwärts des Dampfreformers angeordnete Brennstoffzelleneinheit umfasst.
Stand der Technik
Es ist bekannt, in Dampfreformersystemen konventionelles Erdgas mittels Hochtemperaturdampfumformung in Gegenwart von Wasserdampf in
Wasserstoff umzuwandeln. Als Nebenprodukte fallen dabei Kohlenstoffmonoxid und Kohlenstoffdioxid an. Zum Betrieb eines Dampfreformersystems wird sowohl Wärme als auch elektrischer Strom benötigt.
Mittels eines Wasser-Gas- Konvertierungsreaktors kann Kohlenstoffmonoxid in Gegenwart von Wasserdampf mittels Wasser-Gas-Konvertierungsreaktion zu Wasserstoff umgewandelt werden. Die Wasser-Gas-Konvertierungsreaktion ist eine exotherme Reaktion, und daher muss diese Reaktion bei möglichst niedrigen Temperaturen ablaufen, um eine maximale Ausbeute an Wasserstoff zu erhalten.
Der Wasserstoff muss von dem Kohlenstoffmonoxid und Kohlenstoffdioxid sowie dem restlichen Wasserdampf getrennt werden um sehr hohe Reinheitsgrade zu erreichen. Beispielsweise mittels Druckwechselabsorption kann der Wasserstoff von dem Kohlenstoffmonoxid und Kohlenstoffdioxid sowie dem restlichen Wasserdampf getrennt werden, und dabei sind Reinheitsgrade von 99,9% erreichbar.
Ferner ist es bekannt, mittels Elektrolyse reinen Wasserstoff und reinen
Sauerstoff durch Aufspaltung von entsalztem Wasser zu gewinnen. Für die Elektrolyse von Wasser wird dabei Energie in Form von elektrischem
Gleichstrom benötigt.
Ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Konditionieren von Wasserstoff sind aus der DE 10 2013 224 062 AI bekannt. Dabei wird insbesondere mittels
Elektrolyse unter Verwendung von elektrischer Energie Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff gespalten. Der gewonnene Wasserstoff wird in einem
Druckspeicher gespeichert.
Zur Erzeugung von elektrischer Energie sind Brennstoffzellen, insbesondere Festoxid-Brennstoffzellen, bekannt. Der Brennstoffzelle wird dabei ein Brennstoff in Form von Wasserstoff oder Kohlenstoffmonoxid sowie Luft zugeführt. Der in der Luft enthaltene Sauerstoff reagiert in der Brennstoffzelle mit dem zugeführten Brennstoff, und es werden Wasser oder Kohlenstoffdioxid sowie auch überschüssiger Brennstoff abgegeben. Bei dieser Reaktion wird auch
elektrischer Strom erzeugt.
Aus der DE 10 2013 226 305 AI ist ein Brennstoffzellensystem bekannt, welches unter anderem einen Dampfreformer und eine stromabwärts des Dampfreformers angeordnete Festoxid-Brennstoffzelleneinheit umfasst. Im Betrieb wird dem Dampfreformer des Brennstoffzellensystems Erdgas zugeführt. In dem
Dampfreformer wird Wasserstoff erzeugt, welcher der Festoxid- Brennstoffzelleneinheit zugeführt wird. Zusätzlich ist eine Speichervorrichtung vorgesehen, in welcher der erzeugte Wasserstoff zwischengespeichert werden kann. In der Festoxid-Brennstoffzelleneinheit werden dann elektrischer Strom und Wärme erzeugt.
Offenbarung der Erfindung
Es wird ein System zur Bereitstellung von Wasserstoff vorgeschlagen, welches einen Dampfreformer und eine stromabwärts des Dampfreformers angeordnete Brennstoffzelleneinheit umfasst.
Dem Dampfreformer des Systems zur Bereitstellung von Wasserstoff werden Erdgas und Wasserdampf zugeführt. Der Dampfreformer umfasst insbesondere einen Katalysator, welcher die nachfolgend beschriebenen chemischen
Reaktionen der zugeführten Stoffe Erdgas und Wasserdampf unterstützt. In dem Dampfreformer werden mittels Hochtemperaturdampfumformung insbesondere Wasserstoff und Kohlenstoffmonoxid erzeugt. Die entsprechende
Reaktionsgleichung hierfür lautet:
CnHm + n H20 -> (n+m/2)H2 + n CO
Sofern es sich bei dem Erdgas um Methan handelt, lautet die entsprechende Reaktionsgleichung:
CH4 + H20 -> 3 H2 + CO
Die Brennstoffzelleneinheit umfasst galvanische Zellen zur kontinuierlichen elektrochemischen Stromerzeugung. Dazu wird der Brennstoffzelleneinheit ein Brennstoff, insbesondere in Form von Wasserstoff und/oder Kohlenstoffmonoxid, sowie Luft zugeführt. Der Brennstoff reagiert in der Brennstoffzelleneinheit mit dem in der zugeführten Luft enthaltenen Sauerstoff, und es entstehen
insbesondere Wasser und/oder Kohlenstoffdioxid. Bei dieser Reaktion wird auch elektrischer Strom erzeugt. Die entsprechenden Reaktionsgleichungen hierfür lauten:
Figure imgf000005_0001
2 CO + 02 -> 2 C02
Erfindungsgemäß ist stromabwärts des Dampfreformers eine Wasserstoff- Trenneinheit angeordnet. Die Wasserstoff-Trenneinheit ist vorzugsweise als Druckwechsel-Adsorptionsanlage ausgestaltet und erlaubt eine Trennung von
Gasgemischen unter Druck mittels Adsorption. In der Wasserstoff-Trenneinheit wird aus dem zugeführten Gasgemisch der Wasserstoff von den enthaltenen Nebenprodukten, insbesondere Kohlenstoffmonoxid, Kohlenstoffdioxid und/oder Wasserdampf, getrennt.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Wasserstoff- Trenneinheit stromabwärts der Brennstoffzelleneinheit des Systems zur
Bereitstellung von Wasserstoff angeordnet. Gemäß einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die
Wasserstoff-Trenneinheit stromaufwärts der Brennstoffzelleneinheit des Systems zur Bereitstellung von Wasserstoff angeordnet. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist stromabwärts des
Dampfreformers ein Wasser-Gas-Konvertierungsreaktor angeordnet. In dem Wasser-Gas-Konvertierungsreaktor werden Kohlenstoffmonoxid und
Wasserdampf zu Wasserstoff und Kohlenstoffdioxid umgesetzt. Der Wasser- Gas- Konvertierungsreaktor umfasst hierzu insbesondere einen Katalysator. Die entsprechende Reaktionsgleichung hierfür lautet:
CO + H20 ^ C02 + H2
Gemäß einer möglichen Ausgestaltung der Erfindung ist der Wasser-Gas- Konvertierungsreaktor stromabwärts der Brennstoffzelleneinheit des Systems zur Bereitstellung von Wasserstoff angeordnet.
Gemäß einer weiteren möglichen Ausgestaltung der Erfindung ist der Wasser- Gas- Konvertierungsreaktor stromaufwärts der Brennstoffzelleneinheit des Systems zur Bereitstellung von Wasserstoff angeordnet.
Vorzugsweise ist der Wasser-Gas-Konvertierungsreaktor stromaufwärts der Wasserstoff-Trenneinheit des Systems zur Bereitstellung von Wasserstoff angeordnet. Bevorzugt umfasst die Brennstoffzelleneinheit mindestens eine Festoxid-
Brennstoffzelle. Die Festoxid-Brennstoffzelle umfasst einen Elektrolyt aus einem keramischen Werkstoff, der in der Lage ist, Sauerstoffionen zu leiten, aber für Elektronen isolierend ist. Wasserstoff, welcher von dem erfindungsgemäßen System bereitgestellt wird, findet vorteilhaft Verwendung zum Betanken eines wasserstoffbetriebenen Kraftfahrzeugs.
Elektrische Energie, welche von dem erfindungsgemäßen System zur
Bereitstellung von Wasserstoff bereit gestellt wird, findet vorteilhaft Verwendung zum Laden einer Batterie eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eines
Elektrofahrzeugs (EV), eines Hybridfahrzeugs (HEV) oder in eines Plug-In- Hybridfahrzeugs (PH EV).
Vorteile der Erfindung
Mittels des erfindungsgemäßen Systems kann Wasserstoff besonders effizient bereitgestellt werden, insbesondere zur Betankung von Fahrzeugen. Ferner wird elektrischer Strom erzeugt, welcher insbesondere zum Laden von
Kraftfahrzeugbatterien verwendet werden kann. So können beispielsweise dezentrale duale Tank/Lade-Stellen für wasserstoffbetriebene Fahrzeuge und für Elektrofahrzeuge besonders wirtschaftlich betrieben werden. Auch die entstehende Abwärme kann vorteilhaft genutzt werden, insbesondere zur Erwärmung von Brauchwasser.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Figur 1 ein vereinfachtes Blockschaltbild eines Systems zur Bereitstellung von Wasserstoff,
Figur 2 eine schematische Darstellung eines Systems zur Bereitstellung von
Wasserstoff gemäß einer ersten Ausführungsform und
Figur 3 eine schematische Darstellung eines Systems zur Bereitstellung von
Wasserstoff gemäß einer zweiten Ausführungsform.
Ausführungsformen der Erfindung
In der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung werden gleiche oder ähnliche Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente in Einzelfällen verzichtet wird. Die Figuren stellen den Gegenstand der Erfindung nur schematisch dar.
In Figur 1 ist ein vereinfachtes Blockschaltbild eines Systems 10 zur
Bereitstellung von Wasserstoff dargestellt. Das System 10 zur Bereitstellung von Wasserstoff umfasst einen Gaseinlass 81, über welchen ein gasförmiges Medium, insbesondere Erdgas oder Methan, dem System 10 zur Bereitstellung von Wasserstoff zugeführt wird.
Das System 10 zur Bereitstellung von Wasserstoff umfasst ferner einen
Wassereinlass 82, über welchen Frischwasser dem System 10 zur Bereitstellung von Wasserstoff zugeführt wird. Auch umfasst das System 10 zur Bereitstellung von Wasserstoff einen Lufteinlass 83, über welchen sauerstoffhaltige
Umgebungsluft dem System 10 zur Bereitstellung von Wasserstoff zugeführt wird.
Das System 10 zur Bereitstellung von Wasserstoff umfasst einen
Wasserstoffauslass 92, über welchen der erzeugte Wasserstoff dem System 10 zur Bereitstellung von Wasserstoff entnommen werden kann. Der entnommene Wasserstoff dient insbesondere zum Betanken wasserstoffbetriebener
Fahrzeuge.
Das System 10 zur Bereitstellung von Wasserstoff umfasst ferner einen
Stromausgang 95, über welchen der erzeugte Strom dem System 10 zur Bereitstellung von Wasserstoff entnommen werden kann. Der entnommene Strom dient insbesondere zum Laden von Batterien von Kraftfahrzeugen. Der erzeugte Strom kann beispielsweise auch in das Stromnetz eingespeist werden oder kann zum Betrieb lokaler Verbraucher, beispielsweise Beleuchtung sowie Ventilatoren, verwendet werden.
Das System 10 zur Bereitstellung von Wasserstoff umfasst auch einen
Abgasauslass 91, über welchen erzeugte Abgase, die insbesondere
Kohlenstoffdioxid enthalten, aus dem System 10 zur Bereitstellung von
Wasserstoff abgeführt werden. Weiterhin umfasst das System 10 zur Bereitstellung von Wasserstoff einen Heißwasserauslass 93, über welchen durch Abwärme erwärmtes Brauchwasser aus dem System 10 zur Bereitstellung von Wasserstoff entnommen werden kann. Zusätzlich umfasst das System 10 zur Bereitstellung von Wasserstoff einen Heißluftauslass 94, über welchen durch Abwärme erwärmte Luft aus dem
System 10 zur Bereitstellung von Wasserstoff entnommen werden kann. Das erwärmte Brauchwasser sowie die erwärmte Luft sind beispielsweise beim Betrieb einer Waschanlage zum Waschen sowie zum anschließenden Trocknen von Fahrzeugen verwendbar.
Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Systems 10 zur Bereitstellung von Wasserstoff gemäß einer ersten Ausführungsform. Das System 10 umfasst dabei, wie bereits aus Figur 3 bekannt, einen Gaseinlass 81, einen
Wassereinlass 82, einen Lufteinlass 83, einen Abgasauslass 91, einen
Wasserstoffauslass 92, einen Heißwasserauslass 93, einen Heißluftauslass 94 und einen Stromausgang 95.
Das System 10 umfasst ferner eine Entschwefelungseinheit 40, in welcher durch den Gaseinlass 81 eingeleitetes Gas entschwefelt wird. Stromabwärts der Entschwefelungseinheit 40 ist ein Eingangswärmetauscher 55 angeordnet, in welchem das Gas erwärmt wird. Stromabwärts des Eingangswärmetauschers 55 ist ein Zwischenwärmetauscher 56 angeordnet, in welchem das Gas weiter erwärmt wird. Stromabwärts des Zwischenwärmetauschers 56 wird durch den Wassereinlass
82 eingeleitetes Wasser mit dem Gas gemischt. Weiter stromabwärts ist ein erster Wärmetauscher 51 angeordnet, in welchem das Gas und das Wasser weiter erwärmt werden, wodurch das Wasser verdampft. Stromabwärts des ersten Wärmetauschers 51 ist ein Dampfreformer 30 angeordnet, dem das Gas sowie der Wasserdampf zugeführt werden. In dem Dampfreformer 30 werden mittels Hochtemperaturdampfumformung Wasserstoff und Kohlenstoffmonoxid als Brennstoffe erzeugt. Der Dampfreformer 30 wird mit einem Überschuss an Wasserdampf betrieben, so dass auch Wasserdampf aus dem Dampfreformer 30 austritt. Stromabwärts des Dampfreformers 30 ist eine Brennstoffzelleneinheit 20 angeordnet, welche als Festoxid-Brennstoffzellenstapel ausgeführt ist. Die Brennstoffzelleneinheit 20 weist einen Anodeneingang 21, einen
Kathodeneingang 22, einen Anodenausgang 23 und einen Kathodenausgang 24 auf. Die Brennstoffzelleneinheit 20 ist ferner mit dem Stromausgang 95 elektrisch verbunden.
Die aus dem Dampfreformer 30 austretenden Brennstoffe Wasserstoff und Kohlenstoffmonoxid sowie der austretende Wasserdampf werden dem
Anodeneingang 21 der Brennstoffzelleneinheit 20 zugeleitet. Durch den
Lufteinlass 83 eingeleitete Luft, die Sauerstoff enthält, wird in einem zweiten Wärmetauscher 52 erwärmt und dem Kathodeneingang 22 der
Brennstoffzelleneinheit 20 zugeleitet.
Ein Teil der erwärmten Luft wird über den Heißluftauslass 94 dem System 10 entnommen. Der Heißluftauslass 94 ist vorliegend stromaufwärts des
Kathodeneingangs 22 der Brennstoffzelleneinheit 20 angeordnet. Der
Heißluftauslass 94 kann beispielsweise auch stromabwärts des
Kathodenausgangs 24 der Brennstoffzelleneinheit 20 angeordnet sein.
In der Brennstoffzelleneinheit 20 reagieren die Brennstoffe Wasserstoff und Kohlenstoffmonoxid mit dem Sauerstoff. Bei dieser Reaktion entstehen Wasser und Kohlenstoffdioxid. Dabei wird elektrischer Strom erzeugt, welcher über den Stromausgang 95 dem System 10 entnommen werden kann.
Entstandenes Wasser und Kohlenstoffdioxid sowie überschüssige Brennstoffe in Form von Wasserstoff und Kohlenstoffmonoxid treten am Anodenausgang 23 der Brennstoffzelleneinheit 20 aus und werden dem stromabwärts angeordneten Zwischenwärmetauscher 56 zugeführt. Dort erwärmen die am Anodenausgang 23 ausgetretenen Stoffe das eingeleitete Gas und werden dabei abgekühlt.
Ein Teil der am Anodenausgang 23 ausgetretenen Stoffe, insbesondere Wasser, wird über einen Rücklauf 48 wieder dem Dampfreformer 30 zugeführt. Der Rücklauf 48 ist dabei optional und kann auch entfallen, wenn Wasser über den Wassereinlass 82 stromaufwärts des Dampfreformers 30 eingeleitet wird.
Ebenso kann die Einleitung von Wasser über den Wassereinlass 82
stromaufwärts des Dampfreformers 30 entfallen, wenn Wasser über den
Rücklauf 48 dem Dampfreformer 30 zugeführt wird.
Stromabwärts des Zwischenwärmetauschers 56 ist ein Wasser-Gas- Konvertierungsreaktor 34 angeordnet, dem die am Anodenausgang 23 ausgetretenen Stoffe zugeleitet werden. In dem Wasser-Gas- Konvertierungsreaktor 34 werden Kohlenstoffmonoxid und Wasserdampf zu Wasserstoff und Kohlenstoffdioxid umgesetzt.
Aus dem Wasser-Gas-Konvertierungsreaktor 34 treten insbesondere
Kohlenstoffdioxid, verbleibendes Kohlenstoffmonoxid und Wasserstoff aus und werden dem stromabwärts angeordneten Eingangswärmetauscher 55 zugeführt. Dort erwärmen die aus dem Wasser-Gas-Konvertierungsreaktor 34
ausgetretenen Stoffe das eingeleitete Gas und werden dabei abgekühlt.
Stromabwärts des Eingangswärmetauschers 55 ist eine Wasserstoff- Trenneinheit 32 angeordnet, der die aus dem Wasser-Gas-Konvertierungsreaktor 34 ausgetretenen Stoffe zugeleitet werden. Die Wasserstoff-Trenneinheit 32 ist dabei als Druckwechsel-Adsorptionsanlage ausgestaltet. In der Wasserstoff- Trenneinheit 32 wird der Wasserstoff von übrigen Stoffen, insbesondere
Kohlenstoffdioxid getrennt. Der abgetrennte Wasserstoff kann dann über den Wasserstoffauslass 92 dem System 10 entnommen werden.
Stromabwärts der Wasserstoff-Trenneinheit 32 ist ein Nachbrenner 42 angeordnet. Dem Nachbrenner 42 werden die Stoffe zugeleitet, die in der Wasserstoff-Trenneinheit 32 von dem Wasserstoff getrennt wurden, also insbesondere Kohlenstoffdioxid und Kohlenstoffmonoxid. Aus dem
Kathodenausgang 24 der Brennstoffzelleneinheit 20 tritt überschüssige Luft aus, die ebenfalls dem Nachbrenner 42 zugeleitet wird.
Aus dem Nachbrenner 42 austretende Stoffe werden dem stromabwärts des Nachbrenners 42 angeordneten zweiten Wärmetauscher 52 zugeleitet und erwärmen die durch den Lufteinlass 83 eintretende Luft. Die aus dem zweiten Wärmetauscher 52 austretenden Stoffe werden dem stromabwärts des zweiten Wärmetauschers 52 angeordneten ersten Wärmetauscher 51 zugeleitet und erwärmen das in den Dampfreformer 30 eintretende Gas. Stromabwärts des ersten Wärmetauschers 51 ist ein dritter Wärmetauscher 53 angeordnet, dem die aus dem ersten Wärmetauscher 51 austretenden Stoffe zugeleitet werden um Wasser, welches durch den Wassereinlass 82 eingetreten ist, zu erwärmen. Das in dem dritten Wärmetauscher 53 erwärmte Wasser kann über den Heißwasserauslass 93 dem System 10 entnommen werden. Die aus dem dritten Wärmetauscher 53 austretenden Stoffe werden über den
Abgasauslass 91 aus dem System 10 abgegeben.
Figur 3 zeigt eine schematische Darstellung eines Systems 10 zur Bereitstellung von Wasserstoff gemäß einer zweiten Ausführungsform. Das System 10 umfasst dabei, wie bereits aus Figur 3 bekannt, einen Gaseinlass 81, einen
Wassereinlass 82, einen Lufteinlass 83, einen Abgasauslass 91, einen
Wasserstoffauslass 92, einen Heißwasserauslass 93, einen Heißluftauslass 94 und einen Stromausgang 95. Das System 10 umfasst ferner eine Entschwefelungseinheit 40, in welcher durch den Gaseinlass 81 eingeleitetes Gas entschwefelt wird. Stromabwärts der Entschwefelungseinheit 40 ist ein Vorlaufwärmetauscher 57 angeordnet, in welchem das Gas erwärmt wird. Stromabwärts des Vorlaufwärmetauschers 57 wird durch den Wassereinlass 82 eingeleitetes Wasser mit dem Gas gemischt. Weiter stromabwärts ist ein erster Wärmetauscher 51 angeordnet, in welchem das Gas und das Wasser weiter erwärmt werden, wodurch das Wasser verdampft. Stromabwärts des ersten Wärmetauschers 51 ist ein Dampfreformer 30 angeordnet, dem das Gas sowie der Wasserdampf zugeführt werden. In dem Dampfreformer 30 werden mittels Hochtemperaturdampfumformung Wasserstoff und Kohlenstoffmonoxid als Brennstoffe erzeugt. Der Dampfreformer 30 wird mit einem Überschuss an Wasserdampf betrieben, so dass auch Wasserdampf aus dem Dampfreformer 30 austritt. Die aus dem Dampfreformer 30 austretenden Stoffe und werden dem
stromabwärts angeordneten Vorlaufwärmetauscher 57 zugeführt. Dort erwärmen die aus dem Dampfreformer 30 ausgetretenen Stoffe das eingeleitete Gas und werden dabei abgekühlt.
Stromabwärts des Vorlaufwärmetauschers 57 ist eine Wasserstoff-Trenneinheit 32 angeordnet, der die aus dem Dampfreformer 30 ausgetretenen Stoffe zugeleitet werden. Die Wasserstoff-Trenneinheit 32 ist dabei als Druckwechsel- Adsorptionsanlage ausgestaltet. In der Wasserstoff-Trenneinheit 32 wird der
Wasserstoff von übrigen Stoffen, insbesondere Kohlenstoffmonoxid und Wasser, getrennt. Der abgetrennte Wasserstoff kann dann über den Wasserstoffauslass 92 dem System 10 entnommen werden. Stromabwärts der Wasserstoff-Trenneinheit 32 ist eine Brennstoffzelleneinheit 20 angeordnet, welche als Festoxid-Brennstoffzellenstapel ausgeführt ist. Die Brennstoffzelleneinheit 20 weist einen Anodeneingang 21, einen
Kathodeneingang 22, einen Anodenausgang 23 und einen Kathodenausgang 24 auf. Die Brennstoffzelleneinheit 20 ist ferner mit dem Stromausgang 95 elektrisch verbunden.
Die Stoffe, die in der Wasserstoff-Trenneinheit 32 von dem Wasserstoff getrennt wurden, also insbesondere Kohlenstoffmonoxid und Wasser, werden durch einen Rücklaufwärmetauscher 58 hindurch geleitet, dort erwärmt, und dem
Anodeneingang 21 der Brennstoffzelleneinheit 20 zugeleitet. Der
Rücklaufwärmetauscher 58 ist dabei optional und kann auch entfallen. Durch den Lufteinlass 83 eingeleitete Luft, die Sauerstoff enthält, wird in einem zweiten Wärmetauscher 52 erwärmt und dem Kathodeneingang 22 der
Brennstoffzelleneinheit 20 zugeleitet.
Ein Teil der erwärmten Luft wird über den Heißluftauslass 94 dem System 10 entnommen. Der Heißluftauslass 94 ist vorliegend stromaufwärts des
Kathodeneingangs 22 der Brennstoffzelleneinheit 20 angeordnet. Der
Heißluftauslass 94 kann beispielsweise auch stromabwärts des
Kathodenausgangs 24 der Brennstoffzelleneinheit 20 angeordnet sein. In der Brennstoffzelleneinheit 20 reagiert der Brennstoff Kohlenstoffmonoxid mit dem Sauerstoff. Bei dieser Reaktion entsteht Kohlenstoffdioxid. Dabei wird elektrischer Strom erzeugt, welcher über den Stromausgang 95 dem System 10 entnommen werden kann.
Eingeleitetes Wasser und entstandenes Kohlenstoffdioxid sowie eventuell überschüssige Brennstoffe treten am Anodenausgang 23 der
Brennstoffzelleneinheit 20 aus. Ein Teil der am Anodenausgang 23
ausgetretenen Stoffe, insbesondere Wasser, wird über einen Rücklauf 48 durch den Rücklaufwärmetauscher 58 geführt, dort gekühlt und wieder dem
Dampfreformer 30 zugeführt.
Der Rücklauf 48 ist dabei optional und kann auch entfallen, wenn Wasser über den Wassereinlass 82 stromaufwärts des Dampfreformers 30 eingeleitet wird. In diesem Fall entfällt auch der Rücklaufwärmetauscher 58. Ebenso kann die Einleitung von Wasser über den Wassereinlass 82 stromaufwärts des
Dampfreformers 30 entfallen, wenn Wasser über den Rücklauf 48 dem
Dampfreformer 30 zugeführt wird.
Stromabwärts der Brennstoffzelleneinheit 20 ist ein Nachbrenner 42 angeordnet. Dem Nachbrenner 42 werden die Stoffe zugeleitet, die am Anodenausgang 23 der Brennstoffzelleneinheit 20 austreten und nicht durch den Rücklauf 48 zurückgeführt werden. Aus dem Kathodenausgang 24 der Brennstoffzelleneinheit 20 tritt überschüssige Luft aus, die ebenfalls dem Nachbrenner 42 zugeleitet wird.
Aus dem Nachbrenner 42 austretende Stoffe werden dem stromabwärts des Nachbrenners 42 angeordneten zweiten Wärmetauscher 52 zugeleitet und erwärmen die durch den Lufteinlass 83 eintretende Luft. Die aus dem zweiten Wärmetauscher 52 austretenden Stoffe werden dem stromabwärts des zweiten Wärmetauschers 52 angeordneten ersten Wärmetauscher 51 zugeleitet und erwärmen das in den Dampfreformer 30 eintretende Gas. Stromabwärts des ersten Wärmetauschers 51 ist ein dritter Wärmetauscher 53 angeordnet, dem die aus dem ersten Wärmetauscher 51 austretenden Stoffe zugeleitet werden um Wasser, welches durch den Wassereinlass 82 eingetreten ist, zu erwärmen. Das in dem dritten Wärmetauscher 53 erwärmte Wasser kann über den Heißwasserauslass 93 dem System 10 entnommen werden. Die aus dem dritten Wärmetauscher 53 austretenden Stoffe werden über den
Abgasauslass 91 aus dem System 10 abgegeben.
Optional kann ein Wasser-Gas-Konvertierungsreaktor 34 stromaufwärts der Brennstoffzelleneinheit 20 und stromabwärts des Dampfreformers 30 angeordnet sein. Der Wasser-Gas-Konvertierungsreaktor 34 kann dabei stromaufwärts sowie stromabwärts der Wasserstoff-Trenneinheit 32 angeordnet sein.
Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.

Claims

Ansprüche
1. System (10) zur Bereitstellung von Wasserstoff, umfassend einen Dampfreformer (30) und
eine stromabwärts des Dampfreformers (30) angeordnete
Brennstoffzelleneinheit (20)
dadurch gekennzeichnet, dass
stromabwärts des Dampfreformers (30)
eine Wasserstoff-Trenneinheit (32) angeordnet ist.
2. System (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wasserstoff-Trenneinheit (32) stromabwärts der
Brennstoffzelleneinheit (20) angeordnet ist.
3. System (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wasserstoff-Trenneinheit (32) stromaufwärts der
Brennstoffzelleneinheit (20) angeordnet ist.
4. System (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
stromabwärts des Dampfreformers (30)
ein Wasser-Gas-Konvertierungsreaktor (34) angeordnet ist.
5. System (10) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasser-Gas-Konvertierungsreaktor (34) stromabwärts der Brennstoffzelleneinheit (20) angeordnet ist
6. System (10) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasser-Gas-Konvertierungsreaktor (34) stromaufwärts der Brennstoffzelleneinheit (20) angeordnet ist.
7. System (10) nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch
gekennzeichnet, dass der Wasser-Gas-Konvertierungsreaktor (34) stromaufwärts der Wasserstoff-Trenneinheit (32) angeordnet ist.
8. System (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass
die Brennstoffzelleneinheit (20) mindestens eine Festoxid- Brennstoffzelle umfasst.
9. Verwendung von Wasserstoff, welcher von dem System (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche bereitgestellt wird, zum Betanken eines wasserstoffbetriebene Kraftfahrzeugs.
10. Verwendung von elektrischer Energie, welche von dem System (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 bereit gestellt wird, zum Laden einer Batterie eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eines Elektrofahrzeugs (EV), eines Hybridfahrzeugs (HEV) oder in eines Plug-In- Hybridfahrzeugs (PH EV).
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