DE10330123A1

DE10330123A1 - Brennstoffzellensystem und Verfahren zum Betrieb desselben

Info

Publication number: DE10330123A1
Application number: DE10330123A
Authority: DE
Inventors: Hartmut Maertens; Michael Dr. Kahlich; Jens Arik Almkermann
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2003-07-04
Filing date: 2003-07-04
Publication date: 2005-01-20

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem mit einem mit Kohlenwasserstoffen und einem Luft-Wasser-Gemisch gespeisten Reformer und einer Brennstoffzelle, bei dem eine Rückführung eines Abgasteilstroms der Brennstoffzelle (12) zu einer Einrichtung zur Erzeugung des Luft-Wasser-Gemischs für den Reformer (20) vorgesehen ist. DOLLAR A Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems, bei dem Kohlenwasserstoffe und ein Luft-Wasser-Gemisch reformiert und einer Brennstoffzelle zugeführt werden. Hierbei ist vorgesehen, dass ein Teil des Abgases der Brennstoffzelle (12) zu einer Einrichtung zur Erzeugung des Luft-Wasser-Gemischs zurückgeführt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems gemäß Oberbegriff des Anspruchs 5.

Brennstoffzellensysteme sind bekannt. Aufgrund ihres hohen elektrochemischen Wirkungsgrades eignen sich derartige Systeme insbesondere für einen mobilen Einsatz, bspw. in Kraftfahrzeugen. Ein Brennstoffzellensystem kann als Hauptenergiequelle für ein elektrisches Antriebsaggregat oder als Ergänzung zu Batteriespeichern eingesetzt werden. Weiterhin bieten sich Brennstoffzellensysteme als zusätzliche Energieerzeugungseinheiten (sogenannte APU – Auxiliary Power Unit) für den mobilen Einsatz an, da die Erzeugung elektrischer Energie mittels einer Brennstoffzelle in der Regel wirkungsgradgünstiger ist als ein von einer Brennkraftmaschine angetriebener elektrischer Generator. Besonders bei Fahrzeugen mit einer Vielzahl von Stromverbrauchern kann der Betrieb eines solchen Brennstoffzellensystems sehr effektiv sein. Ein derartiges Brennstoffzellensystem für den mobilen Einsatz umfasst üblicherweise eine Membranbrennstoffzelle (sogenannte PEM oder PEMFC – Polymer Electrolyte Membran Fuel Cell) mit einem Kraftstoffreformer, so dass die Mitführung eines zusätzlichen Kraftstoffes vermieden werden kann.

Der zur Brenngaserzeugung für die Brennstoffzelle notwendige Reformierungsprozess basiert auf der katalytischen Umsetzung des jeweils verwendeten Kraftstoffs unter Zuhilfenahme von Wasserdampf und Sauerstoff. Üblicherweise werden zu diesem Zweck flüssiges Wasser und Umgebungsluft gemischt, verdampft und anschließend überhitzt. In den heißen komprimierten Gasstrom wird dann der Kraftstoff eingedüst. Das verwendete Wasser kann aus dem Abgas abgeschieden werden, indem dieses gekühlt und das im Abgas enthaltene Wasser anschließend mit einer Kondensatabscheidung zurück gewonnen wird.

Nachteilig bei den bekannten Systemen ist die notwendige Verdichterarbeit zur Erzeugung des erforderlichen Drucks für den dem System zugeführten Luftsauerstoff.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Brennstoffzellensystem bzw. ein Verfahren zum Betrieb eines solchen zur Verfügung zu stellen, das sich durch einen möglichst günstigen Gesamtwirkungsgrad auszeichnet.

Zur Lösung der Aufgabe wird ein Brennstoffzellsystem mit einem mit Kohlenwasserstoffen und einem Luft-Wasser-Gemisch gespeisten Reformer und einer Brennstoffzelle mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 geschaffen, das sich durch eine Rückführung eines Abgasteilstroms der Brennstoffzelle zu einer Einrichtung zur Erzeugung des Luft-Wasser-Gemischs für den Reformer auszeichnet. Hierdurch erfolgt eine effiziente Rückgewinnung von bereits im System vorhandenen Gaskomponenten, die noch für den Reformierungsprozess genutzt werden können. Auf diese Weise kann ein Gesamtwirkungsgrad des Brennstoffzellensystems erhöht werden. Die Rückführung ist deshalb möglich, da die im Betrieb der Brennstoffzelle anfallenden Abgase ausreichende Mengen an Sauerstoff und Wasser enthalten, um den Reformer ohne zusätzliche Zufuhr von außen betreiben zu können.

Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Einrichtung zur Erzeugung des Luft-Wasser-Gemischs eine Mischstufe in Form einer Strahlpumpe ist. Eine solche Strahlpumpe arbeitet nach dem Venturi-Prinzip und ermöglicht eine feinfühlige Regulierung der Anteile an Luft und Wasser im Gemisch.

Weiterhin kann eine Einrichtung zur Wasserrückgewinnung aus den Abgasen der Brennstoffzelle vorgesehen sein, wobei das rückgewonnene Wasser insbesondere zur Einrichtung zur Erzeugung des Luft-Wasser-Gemischs zugeführt werden kann. Auf diese Weise ist eine sehr weitgehende Nutzung der Endprodukte der Brennstoffzelle zur Rückgewinnung als Ausgangsprodukte ermöglicht.

Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems, bei dem Kohlenwasserstoffe und ein Luft-Wasser-Gemisch reformiert und einer Brennstoffzelle zugeführt werden, zeichnet sich dadurch aus, dass ein Teil des Abgases der Brennstoffzelle zu einer Einrichtung zur Erzeugung des Luft-Wasser-Gemischs zurückgeführt wird. Die Ansaugung des Abgasteilstroms kann insbesondere mittels einer Strahlpumpe erfolgen. Vorteilhaft erweist sich hierbei, statt der Ansaugung von zusätzlichen Betriebstoffen bei Umgebungszustand auf bereits im Gesamtsystem vorhandene Medienströme zurückgreifen zu können. Der Vorteil dieses Verfahrens liegt in dem günstigen Energiehaushalt des Systems. Die Verdichtungsarbeit bei der Wasserstrahlpumpe muss lediglich für das inkompressible Medium, nämlich das Wasser, aufgebracht werden, so dass sich eine deutliche Verringerung der parasitären Leistungsaufnahme ergibt.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung lassen sich den abhängigen Ansprüchen sowie der nachfolgenden Figurenbeschreibung entnehmen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert. Die einzige Figur zeigt ein Brennstoffzellensystem, wie es bspw. als Energieversorgungseinheit für mobile Einsatzzwecke zur Anwendung kommen kann.
Ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem 10 umfasst eine Brennstoffzelle 12 zur Bereitstellung elektrischer Energie, beispielsweise zum Antrieb eines Fahrzeugs oder für ein elektrisches Bordnetz eines Fahrzeugs oder dergleichen. Aus einem Treibstofftank 14 mit darin gespeicherten Kohlenwasserstoffen – insbesondere Benzin, Diesel oder sonstiger Treibstoff – wird der Kraftstoff über eine Förderpumpe 16 zu einer ersten Mischstufe 18 befördert, bei der die Kohlenwasserstoffe mit einem Luft-Wasser-Gemisch beaufschlagt werden. Nach Durchlaufen einer Reformerstufe 20 sowie einer Gasreinigungsstufe 22 werden die aufbereiteten Kohlenwasserstoffe und das Luft-Wasser-Gemisch einer Anodenseite 24 der Brennstoffzelle 12 zugeführt. Die Abgase der Brennstoffzelle 12 werden in einem nachgeschalteten Nachverbrenner 26, einem sogenannten TGC (Tail Gas Combustor) von restlichen Wasserstoffanteilen befreit, durchlaufen anschließend eine erste Wärmertauscherstufe 28 und werden danach einer zweiten Wärmetauscherstufe 30 zugeführt, die als Abgaskühler fungiert. Dem Abgas können damit Wärmeanteile entzogen und als Abwärme genutzt werden. Eine nachgeschalteter Expander 32 treibt einen Generator 34 an, so dass weitgehend die gesamte Abgasenergie ausgenutzt werden kann. Ein Kondensatabscheider 36 trennt flüssiges Kondensat 39 vom gasförmigen Abgas 38, das zu einem Auspuff geleitet und/oder weiteren Reinigungsstufen zugeführt werden kann.
Über einen motorbetriebenen Verdichter 40 wird dem Brennstoffzellensystem 10 Luft 42 zugeführt und über eine regelbare Abzweigung 44 einer Kathodenseite 46 der Brennstoffzelle 12 und/oder dem Nachverbrenner (TGC) 26 zugeführt. Die die Kathodenseite 46 der Brennstoffzelle 12 verlassende Luft wird teilweise einer zweiten Mischstufe 48 zugeführt, die sich vor der zweiten Wärmetauscherstufe 30 befindet, so dass die Luft das System als Abgas verlassen kann.
Ein Teil der Luft wird jedoch über eine dritte Mischstufe 50 in das System zurückgeleitet. Die dritte Mischstufe 50 kann im gezeigten Ausführungsbeispiel insbesondere als Strahlpumpe ausgebildet sein, die nach dem Venturi-Prinzip arbeitet, so dass aus einem Wassertank 52 geförderter Wasserstrom in der dritten Mischstufe (Strahlpumpe) 50 mit Luft vermischt wird. Auf diese Weise kann unter Verwendung rückgewonnener Luft ein Luft-Wasser-Gemisch 52 gebildet werden, wie es zum Betrieb der Brennstoffzelle 12 notwendig ist. Das Luft-Wasser-Gemisch 52 wird über die erste Wärmetauscherstufe 28 geleitet, die als Verdampfer fungiert, dort erhitzt und als dampfförmiges Luft-Wasser-Gemisch der ersten Mischstufe 18 zugeführt. Die erste Wärmetauscherstufe 28 ermöglicht die Erhitzung des Luft-Wasser-Gemischs durch Ausnutzung der im Abgas der Brennstoffzelle 12 enthaltenen Abgastemperatur.
Mit der gezeigten Anordnung kann der Kathodenluftsauerstoff für die Reformierung zurückgewonnen werden, ohne dass eine zusätzliche Verdichterarbeit zur Erzeugung des Systemdrucks notwendig ist. Der Vorteil dieser Verschaltung liegt unter anderem in dem günstigen Energiehausalt des Systems. Im Falle der Rezirkulation müssen sämtliche Druckverlust zwischen Reformeraustritt und Kathodenaustritt kompensiert werden. Im Falle der Frischluftzufuhr sogar die vollständige Differenz zum Umgebungsdruck. Im Gegensatz zu einem Reformerverdichter oder einem Rezirkulationsgebläse muss die Verdichtungsarbeit bei der Wasserstrahlpumpe 50 nur für das inkompressible Medium (Wasser) aufgebracht werden, so dass sich eine deutliche Verringerung der parasitären Leistungsaufnahme ergibt.
Dieses System bietet sich im Falle des Brennstoffzellensystems mit Reformer daher besonders an, da das Saugmedium gleichzeitig als Ausgangsprodukt für den Reformierungsprozess fungiert. In Abhängigkeit vom zu erzielenden dynamischen Druckverlust kann über die Kondensator-Rückgewinnungseinheit, bevorzugt bestehend aus Wärmetauscher und/oder Expansionsmaschine, die Menge und Relation an Arbeitsmedium (Wasser) und angesaugtem Medium (z.B. Kathodenangas oder Umgebungsluft) eingestellt werden.

Claims

Brennstoffzellensystem mit einem, mit Kohlenwasserstoffen und einem Luft-Wasser-Gemisch gespeisten Reformer und einer Brennstoffzelle, gekennzeichnet durch eine Rückführung eines Abgasteilstroms der Brennstoffzelle (12) zu einer Einrichtung zur Erzeugung des Luft-Wasser-Gemischs für den Reformer (20).
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur Erzeugung des Luft-Wasser-Gemischs eine Strahlpumpe ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zur Wasserrückgewinnung aus den Abgasen der Brennstoffzelle (12).
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch eine Zufuhr des rückgewonnenen Wassers zur Einrichtung zur Erzeugung des Luft-Wasser-Gemischs.
Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellenssystems, bei dem Kohlenwasserstoffe und ein Luft-Wasser-Gemisch reformiert und einer Brennstoffzelle zugeführt werden, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil des Abgases der Brennstoffzelle (12) zu einer Einrichtung zur Erzeugung des Luft-Wasser-Gemischs zurück geführt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch eine Ansaugung des Abgasteilstroms mittels einer Strahlpumpe.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, gekennzeichnet durch eine Rückgewinnung von Wasser aus den Abgasen der Brennstoffzelle (12).
Verfahren nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch eine Zufuhr des rückgewonnenen Wassers zur Einrichtung zur Erzeugung des Luft-Wasser-Gemischs.