DE19954548B4 - Fuel cell drive and method for operating a fuel cell drive - Google Patents
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Abstract
Brennstoffzellenantrieb, insbesondere für mobile Anwendungen, mit einer Einrichtung (9, 10) zur Erzeugung von Wasserstoff und wenigstens einer Brennstoffzelle (15) zur Erzeugung elektrischer Energie durch anodenseitige Beaufschlagung der Brennstoffzelle mit dem erzeugten Wasserstoff und kathodenseitige Beaufschlagung der Brennstoffzelle mit Sauerstoff und/oder Luft, wobei die Einrichtung (9, 10) Mittel zur Wasserdampfreformierung von Dimethylether aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (9, 10) ferner Mittel zur partiellen Oxidation von Dimethylether aufweist.Fuel cell drive, especially for mobile applications, comprising means (9, 10) for generating of hydrogen and at least one fuel cell (15) for production electrical energy by anode-side loading of the fuel cell with the generated hydrogen and cathode-side admission of the Fuel cell with oxygen and / or air, the device (9, 10) comprises means for steam reforming dimethyl ether, characterized in that the device (9, 10) further comprises means for the partial oxidation of dimethyl ether.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Brennstoffzellenantrieb nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellenantriebs nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 3.The The present invention relates to a fuel cell drive according to the preamble of claim 1 and a method of operation a fuel cell drive according to the preamble of the claim Third
Aufgrund ihrer Funktionsweise besitzen Brennstoffzellen gegenüber Verbrennungskraftmaschinen einen höheren energetischen Wirkungsgrad und werden aus diesem Grunde in zunehmendem Maße für die Stromerzeugung eingesetzt. Diese Stromerzeugung wird sowohl im Rahmen von stationären wie auch mobilen Anwendungen, beispielsweise im Kraftfahrzeugbereich, angewendet.by virtue of Their operation has fuel cells over internal combustion engines a higher one Energy efficiency and are therefore increasingly used for power generation used. This power generation is used both in stationary and also mobile applications, for example in the motor vehicle sector, applied.
Da Brennstoffzellen üblicherweise mit Wasserstoff betrieben werden, dessen sichere Speicherung sich insbesondere bei mobilen Anwendungen als sehr aufwendig und schwer zu bewerkstelligen erweist, wird zunehmend versucht, Wasserstoff in Form von flüssigem Kraftstoff zu speichern. Als derartige Kraftstoffe werden entweder reine Kohlenwasserstoffe oder Alkohole, beispielsweise Methanol oder Ethanol verwendet.There Fuel cells usually be operated with hydrogen, its secure storage especially in mobile applications as very complicated and difficult proves to be increasingly trying to hydrogen in the form of liquid To save fuel. As such fuels are either pure hydrocarbons or alcohols, for example methanol or Ethanol used.
Gängiger Stand der Technik für mobile Anwendungen ist heute die Verwendung von Methanol, das in einer Gaserzeugungseinheit in Wasserstoff und CO2 umgesetzt wird. Ein komplettes Brennstoffzellensystem besteht typischerweise aus einer Brennstoffzelle mit einem Kühlmediumanschluss und einer Luftversorgung sowie einer Gaserzeugungseinheit, welche beispielsweise einen Methanoltank, einen Wassertank (Umsetzung des Methanols mit Wasser), einen Verdampfer und Überhitzer für das Methanol und das Wasser, einen Reformer, Mittel zur CO-Entfernung (beispielsweise durch selektive Oxidation, Methanisierung oder eine Membraneinheit) und eine Brennereinheit zur Erzeugung von Wärme für die Verdampfung und Reformierung des Methanols bzw. Wassers aufweist.The current state of the art for mobile applications today is the use of methanol, which is converted into hydrogen and CO 2 in a gas generating unit. A complete fuel cell system typically consists of a fuel cell with a cooling medium connection and an air supply and a gas generating unit, for example, a methanol tank, a water tank (reaction of the methanol with water), an evaporator and superheater for the methanol and water, a reformer, means for CO Removal (for example, by selective oxidation, methanation or a membrane unit) and a burner unit for generating heat for the evaporation and reforming of the methanol or water.
Eine an sich bekannte chemische Reaktion zur Wasserstofferzeugung ist beispielsweise die Wasserdampfreformierung vom Methanol entsprechend der Gleichung: CH3OH + (Lambda)H2O → 2H2 + CO2 + (Lambda – 1)H2O. Ein weiteres Verfahren stellt die partielle Oxidation von Methanol entsprechend der Gleichung CH3OH + ½O2 → 2H2 + CO2 dar. Kombinationen beider Prozesse sind möglich, welche zu autothermen Betriebsweisen führen.A known chemical reaction for the production of hydrogen, for example, the steam reforming of methanol according to the equation: CH 3 OH + (lambda) H 2 O → 2H 2 + CO 2 + (lambda - 1) H 2 O. Another method is the partial Oxidation of methanol according to the equation CH 3 OH + ½O 2 → 2H 2 + CO 2. Combinations of both processes are possible, which lead to autothermal operations.
Die Energie, die in einer Methanol-Gaserzeugungseinheit zur Wasserstoffgewinnung (zur Durchführung der Verdampfung und der Dampfreformierung) zugeführt werden muss, wird in der Brennereinheit, insbesondere einem katalytischen Brenner, und/oder bei der selektiven CO-Oxidation erzeugt.The Energy generated in a methanol gas generating unit for hydrogen production (to carry out the evaporation and the steam reforming) is in the Burner unit, in particular a catalytic burner, and / or produced in the selective CO oxidation.
Als nachteilig bei diesem Stand der Technik werden Probleme bei der Methanol-Flüssigdosierung mittels Dosierpumpen angesehen, da es bei Verwendung derartiger Pumpen zu unerwünschten Pulsationen kommt. Die durch die Brennstoffzelle erzeugte Abwärme erfährt ferner keine weitere Verwendung, was zu großbauenden Fahrzeugkühlsystemen führt. Auch im Falle der partiellen Oxidation bestehen nur geringe Möglichkeiten einer Nutzung von entstehender Abwärme, was zu entsprechenden Wirkungsgradverlusten führt.When A disadvantage of this prior art problems in the Methanol liquid dosage by means of Metering pumps as it is when using such pumps to undesirable Pulsations is coming. The waste heat generated by the fuel cell also experiences no further use, leading to bulky vehicle cooling systems leads. Also in the case of partial oxidation, there are only limited possibilities a use of resulting waste heat, resulting in appropriate Loss of efficiency leads.
Die Verwendung von Methanol führt ferner zu Korrosionseffekten bei handelsüblichen Massenwerkstoffen, welche im Rahmen eines Brennstoffzellenantriebs Verwendung finden. Ferner ist anzuführen, dass Methanol giftig und nahezu geruchlos ist, und daher aus Sicherheitsgründen mit Geruchsadditiven versetzt werden muss. Methanol besitzt ferner eine relativ geringe Speicherdichte (kleiner als 50% verglichen mit herkömmlichen Kraftstoffen auf Kohlenwasserstoffbasis). Ferner weist Methanol keinerlei Vorteile gegenüber Treibstoffen auf Erdölbasis, welche als Kraftstoff bei Otto-Verbrennungsmaschinen verwendet werden, auf. Diese Tatsache erschwert den Aufbau einer entsprechenden Tankstellen-Infrastruktur, da ein spezieller Kraftstoff ausschließlich für Methanol-Brennstoffzellenfahrzeuge zur Verfügung gestellt werden muss. Es sei schließlich darauf hingewiesen, dass Methanol eine hohe Verdampfungsenthalpie (38 kJ/mol) aufweist, die insbesondere für das Kaltstartverhalten eines Methanol-Brennstoffzellensystems sehr nachteilige Auswirkungen hat. Zusätzlich muss bei der Erhöhung der Wasserstoff-Utilisation in der Brennstoffzelle zusätzliches Methanol im katalytischen Brenner umgesetzt werden, um eine erforderliche Verdichtungsenergie zu erzeugen.The Use of methanol leads also to corrosion effects in commercial mass materials, which are used in the context of a fuel cell drive. It should also be stated that methanol is toxic and almost odorless, and therefore for safety reasons with Odor additives must be added. Methanol also has a relatively low storage density (less than 50% compared to conventional Hydrocarbon-based fuels). Further, methanol no advantages over Petroleum-based fuels, which are used as fuel in gasoline engines, on. This fact makes it difficult to set up a corresponding filling station infrastructure, as a special fuel exclusively for methanol fuel cell vehicles made available must become. It's finally noted that methanol has a high enthalpy of enthalpy (38 kJ / mol), which in particular for the cold start behavior of a Methanol fuel cell system has very adverse effects. additionally has to increase the hydrogen utilization in the fuel cell additional Methanol can be reacted in the catalytic burner to a required To generate compaction energy.
Aus
der WO 96/18573 ist ein Verfahren zur Herstellung von Wasserstoff
und Kohlenwasserstoffen auf der Grundlage eines Dimethylethers bekannt. Ein ähnliches
Verfahren zur Herstellung eines wasserstoffreichen Gases aus einem
Dimethylether aufweisenden Gas ist aus der
Aus
der
Die
Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Brennstoffzellenantriebs sowie die Bereitstellung eines Verfahrens zum Betreiben eines Brennstoffzellenantriebs, mit welchen die oben in Zusammenhang mit der Verwendung von Methanol zur Wasserstofferzeugung verbundenen Nachteile wirksam vermieden werden können und die einen besonders energieeffizienten Betrieb des Gesamtsystems ermöglichen. Insbesondere wird angestrebt, Korrosionsprobleme zu verringern und die mit der Verwendung von Methanol verbundenen nachteiligen Eigenschaften als Kraftstoff (wie erwähnt bezüglich Speicherdichte, Geruch, Herstellungswirkungsgrad, Giftigkeit) zu vermeiden.task The invention is the creation of a fuel cell drive as well the provision of a method for operating a fuel cell drive, with which the above in connection with the use of methanol disadvantages associated with hydrogen production are effectively avoided can and the one particularly energy-efficient operation of the entire system enable. Especially is aimed at reducing corrosion problems and those with the Use of methanol associated adverse properties as a fuel (as mentioned in terms of Storage density, odor, production efficiency, toxicity) avoid.
Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Brennstoffzellenantrieb mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellenantriebes mit den Merkmalen des Patentanspruchs 3.These Task is solved by a fuel cell drive with the features of the claim 1 and a method for operating a fuel cell drive with the features of claim 3.
Erfindungsgemäß ist nun ein Brennstoffzellenantrieb bzw. ein Verfahren zu dessen Betreiben zur Verfügung gestellt, bei welchem die mit der herkömmlichen Verwendung von Methanol verbundenen Nachteile wirksam vermieden werden können. Es erweist sich, dass der erfindungsgemäß verwendete Dimethylether praktisch nicht korrosiv gegenüber handelsüblichen Massenwerkstoffen, welche im Rahmen eines Brennstoffzellenantriebs verwendet werden, ist. Dimethylether ist bei Raumtemperatur gasförmig, jedoch z. B. ähnlich wie LPG (engl. Low Pressure Gas, ein Buthan/Propan-Gemisch) leicht zu verflüssigen und daher auch leicht flüssig zu speichern. Die Verbesserung der Kaltstartfähigkeit eines Dimethylether verwendenden Brennstoffzellenantriebs kann gegenüber herkömmlichen Antrieben auf Methanolbasis verbessert werden. Im Gegensatz zu Methanol ist Dimethylether nahezu ungiftig und weist einen um etwa 50% höheren Energiegehalt auf. Der Herstellungswirkungsgrad ist im Vergleich zu Methanol erhöht. Ferner weist Dimethylether einen etherischen Geruch auf, so dass keine Geruchsadditive eingesetzt werden müssen. Ferner besitzt Dimethylether sehr gute Eigenschaften als als Dieseltreibstoff, wobei hier auf deutlich verringerte Emissionen und das Nichtauftreten von Rußpartikeln hinzuweisen ist. Hieraus ergeben sich logistische Vorteile bei der Bereitstellung eines flächendeckenden Tankstellennetzes. Es erweist sich, dass Dimethylether auch hervorragende Eigenschaften als Kraftstoff für eine Direkt-Dimethylether-Brennstoffzelle aufweist.According to the invention is now a fuel cell drive or a method for its operation for disposal in which the with the conventional use of methanol Connected disadvantages can be effectively avoided. It turns out that the invention used Dimethyl ether virtually non-corrosive to commercial mass materials, which are used in the context of a fuel cell drive, is. Dimethyl ether is gaseous at room temperature, but z. B. similar to LPG (Low Pressure Gas, a butane / propane mixture) easily liquefied and therefore also slightly liquid save. The improvement of the cold-start ability of a dimethyl ether fuel cell drive can be compared with conventional methanol-based drives be improved. In contrast to methanol, dimethyl ether is almost non-toxic and has about 50% higher energy content. The production efficiency is increased compared to methanol. Furthermore, dimethyl ether has an ethereal odor, so that No odor additives must be used. Furthermore, has dimethyl ether very good properties as a diesel fuel, being here on significantly reduced emissions and non-occurrence of soot particles to indicate. This results in logistical advantages in the Provision of a nationwide Filling station network. It turns out that dimethyl ether is also excellent Properties as fuel for having a direct dimethyl ether fuel cell.
Die chemische Umsetzung des Dimethylethers umfasst eine Wasserdampfreformierung und eine zumindest partielle Oxidation des Dimethylethers. Die Wasserstofferzeugung aus Dimethylether über eine Dampfreformierung und eine partielle Oxidation läuft unter den nahezu gleichen Bedingungen (Temperaturen, Drücke, Katalysatoren) ab wie bei Verwendung von Methanol. Die Wasserdampfreformierung von Dimethylether erfolgt nach der Gleichung ½CH3OCH3 + (Lambda)H2O → CO2 + 3H2 + (Lambda – 1.5)H2O. Die partielle Oxidation von Dimethylether erfolgt entsprechend der Gleichung CH3OCH3 + 3/2O2 → 2CO2 + 3H2, Wie auch bei Methanol sind Kombinationen der beiden Prozesse möglich, die auch hier zu autothermen Betriebsweisen führen.The chemical reaction of the dimethyl ether comprises a steam reforming and an at least partial oxidation of the dimethyl ether. Hydrogen production from dimethyl ether via steam reforming and partial oxidation proceeds under almost the same conditions (temperatures, pressures, catalysts) as when using methanol. The steam reforming of dimethyl ether is carried out according to the equation ½CH 3 OCH 3 + (lambda) H 2 O → CO 2 + 3H 2 + (lambda - 1.5) H 2 O. The partial oxidation of dimethyl ether is carried out according to the equation CH 3 OCH 3 + 3 / 2O 2 → 2CO 2 + 3H 2 , As with methanol, combinations of the two processes are possible, which also lead to autothermal operations.
Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Brennstoffzellenantriebs bzw. des erfindungsgemäßen Verfahrens sind Gegenstand der Unteransprüche.advantageous Embodiments of the fuel cell drive according to the invention or the method according to the invention are the subject of the dependent claims.
Zweckmäßigerweise umfasst die chemische Umsetzung zunächst eine Verdampfung des Dimethylethers, wobei die zum Verdampfen notwendige Energie wenigstens teilweise über einen Kühlkreislauf der wenigstens einen Brennstoffzelle bereitgestellt wird. Zum Verdampfen ist im wesentlichen lediglich ein Entspannen des unter Druck gespeicherten Dimethylethers notwendig. Die hierbei entstehende Kälte kann dann zur Brennstoffzellenkühlung verwendet werden. Im Brennstoffzellen-Kühlkreislauf entstehende Wärme kann andererseits zum Verdampfen bzw. Erwärmen des Dimethylethers verwendet werden.Conveniently, For example, the chemical reaction involves first evaporating the dimethyl ether, wherein the energy required for evaporation at least partially via a Cooling circuit the at least one fuel cell is provided. To evaporate is essentially just a relaxation of the stored under pressure Dimethyl ether necessary. The resulting cold can then for fuel cell cooling be used. In the fuel cell cooling circuit resulting heat can on the other hand used for evaporation or heating of the dimethyl ether become.
Durch Verwendung des Brennstoffzellen-Kühlkreislaufs zur Dimethylether-Verdampfung ergeben sich gegenüber herkömmlichen Lösungen Vorteile, da aufgrund der leichten Verdampfbarkeit von Dimethylether der Kühlkreislauf der Brennstoffzellen zur Verdampfung ausreichend ist, so dass insgesamt kleiner bauende Fahrzeugkühlungen eingesetzt werden können. Der verdampfte Dimethylether ist in einfacher Weise dosierbar, so dass auf eine Kraftstoffdosierpumpe zur Dosierung von flüssigem Kraftstoff verzichtet werden kann.By Use of the fuel cell cooling circuit for dimethyl ether evaporation revealed opposite usual Solutions Benefits, because of the easy vaporizability of dimethyl ether of the cooling circuit the fuel cell is sufficient for evaporation, so that in total smaller vehicle cooling systems can be used. The vaporized dimethyl ether is metered in a simple manner, so that on a fuel metering pump for metering liquid fuel can be waived.
Da die Dimethylether-Verdampfungsenergie über den Brennstoffzellen-Kühlkreislauf zur Verfügung gestellt wird, muss vom Gaserzeugungssystem lediglich die Verdampfungsenergie für das Wasser, mit welchem der Dimethylether zur Erzeugung von Wasserstoff umgesetzt wird, erzeugt werden. Das heißt, es muss in der Regel kein zusätzlicher Dimethylether in den katalytischen Brenner dosiert werden, dies auch nicht bei einer Erhöhung der Utilisation, d. h. des Wasserstoff-Nutzungsgrades in der Brennstoffzelle. Hierdurch ist der Wirkungsgrad eines Brennstoffzellensystems auf Dimethyletherbasis gegenüber herkömmlichen Systemen auf Methanolbasis verbessert.Since the dimethyl ether vaporization energy is provided via the fuel cell refrigeration cycle, the gas generating system only needs to generate the vaporization energy for the water with which the dimethyl ether is converted to produce hydrogen. That is, there is usually no additional dimethyl ether must be metered into the catalytic burner, not even with an increase in the utilization, ie the degree of hydrogen utilization in the Fuel cell. This improves the efficiency of a dimethyl ether based fuel cell system over conventional methanol based systems.
Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnung näher beschrieben. In dieser zeigtThe Invention will now be described with reference to the drawing. In this shows
In
Der
erzeugte Wasserstoff wird anschließend über eine Leitung
Die
in dem Überhitzer
Man
erkennt ferner, dass die Brennstoffzelle
Mit
gestrichelten Linien sind schließlich Kaltstart-Schaltungsvarianten
des dargestellten Brennstoffzellenantriebes bezeichnet. Man erkennt
in diesem Zusammenhang, dass Dimethylether aus dem Tank
Die Verdampfung von Dimethylether kann auch vorteilhaft zur weiteren Kühlung des Kondensators verwendet werden. Daraus resultiert eine Verbesserung der Wasserbilanz, und es ist möglich, einen Niedertemperatur-Kühlkreislauf für den Kondensator zu verkleinern oder sogar einzusparen.The Evaporation of dimethyl ether may also be beneficial to further cooling of the capacitor can be used. This results in an improvement the water balance, and it's possible a low-temperature cooling circuit for the To reduce or even save the capacitor.
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