DE102006049472A1

DE102006049472A1 - Verfahren zum Betrieb einer Brennstoffzelle mit Wasserstoffrezirkulation

Info

Publication number: DE102006049472A1
Application number: DE102006049472A
Authority: DE
Inventors: Gerhard Dr.-Ing. Lepperhoff; Jürgen OGRZEWALLA; Jörg Henning Dipl.-Ing. Karstedt
Original assignee: FEV Motorentechnik GmbH and Co KG
Current assignee: FEV Europe GmbH
Priority date: 2006-10-16
Filing date: 2006-10-16
Publication date: 2008-04-17

Abstract

Verfahren zum Betrieb einer Brennstoffzelle 14 mit in einem Reformer 12 aus einem kohlenwasserstoffreichen Brennstoff erzeugten wasserstoffreichen Gas (Reformat) unter Wasserstoffüberschuß an der Anode der Brennstoffzelle 14, wobei wasserstoffhaltiges Anodenoffgas entsteht, bei welchem erfindungsgemäß aus dem Anodenoffgas Wasserstoff abgetrennt wird und zum Reformer 12 zurückgeführt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Brennstoffzelle mit in einem Reformer aus einem kohlenwasserstoffreichen Brennstoff erzeugten wasserstoffreichen Gas (Reformat) unter Wasserstoffüberschuß an der Anode der Brennstoffzelle, wobei wasserstoffhaltiges Anodenoffgas entsteht. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Brennstoffzellensystem mit einem Reformer zum Erzeugen von wasserstoffreichem Gas aus kohlenwasserstoffreichem Brennstoff.
Brennstoffzellen ermöglichen die direkte Erzeugung von Strom aus chemisch gebundener Energie. Hierbei können auf Brennstoffzellen basierende Systeme bei niedrigen Temperaturen deutlich höhere Wirkungsgrade erreichen, als viele herkömmliche Energiewandler, bei denen im Brennstoff gebundene chemische Energie zuerst in thermische Energie umgewandelt wird, die anschließend in einem Kreisprozeß genutzt und in mechanische Leistung umgesetzt wird, die dann zur Erzeugung von Strom verwendet wird.
Ein Brennstoffzellensystem der genannten Art, das nicht mit reinem Wasserstoff, sondern mit Kohlenwasserstoffen betrieben wird, benötigt zusätzlich zu einem Brennstoffzellenstack, d.h. einer Aneinanderreihung von einzelnen Brennstoffzellen, einen Reformer zur Erzeugung von wasserstoffreichem Gas, eine Luftzuführung, eine Elektrik, ein Wärmemanagement, ein Heizsystem für den Kaltstart und eine Abgasnachbehandlung für nicht umgesetzten Wasserstoff.
Brennstoffzellen bestehen aus einer Anode, bei der die Brennstoffzuführung erfolgt, und einer Kathode, an der der Oxydator zugegeben wird. Beide Elektroden sind zur Herabsetzung der Aktivierungsenergie und zur Erhöhung der Reaktionsgeschwindigkeit mit Katalysatoren beschichtet, wobei die Art und die notwendige Menge des Katalysators vom Brennstoffzellentyp abhängen. Die beiden Elektroden sind räumlich durch einen ionenleitenden Elektrolyten getrennt. Dieser gewährleistet, daß der bei der chemischen Reaktionen stattfindende Elektronenaustausch nicht lokal, sondern über einen äußeren Stromkreis erfolgt, an dem ein Verbraucher angeschlossen werden kann. Bei kontinuierlichem Betrieb muß permanent das Anodenoffgas, das aus Reaktionsprodukten und nicht umgesetztem Brennstoff bestehen kann, und das Kathodenoffgas bzw. die Kathodenabluft, die aus Reaktionsprodukten und nicht umgesetztem bzw. benötigtem Oxidator bestehen kann, abgeführt werden.
Insbesondere bei hoher Last benötigen Brennstoffzellen der genannten Art an der Anode einen Wasserstoffüberschuß, um eine ausreichende Diffusionsgeschwindigkeit zur Membran-Elektroden-Einheit sicherzustellen. Bei reinen Wasserstoffsystemen ist es hierbei üblich, das Anodenoffgas zu rezirkulieren, d.h. der Wasserstoffversorgung der Brennstoffzelle zuzumischen. Bei Systemen der vorliegenden Art, bei denen wasserstoffreiches Gas (Reformat) in einem Reformer erzeugt wird, wobei der am Reformer eingesetzte kohlenwasserstoffreiche Brennstoff in der Regel Benzin, Diesel oder Erdgas darstellt, ist es bisher üblich, das Anodenoffgas einem Brenner zuzuführen und vollständig zu verbrennen.
Das aus dem Brennstoffzellenstack austretende Anodenoffgas, das einen hohen Anteil Restwasserstoff aufweist, wird in einem Offgasbrenner in Wärme umgesetzt, die zum Teil zur Wasserverdampfung oder zur Erhitzung der Medien eingesetzt wird. Ein Großteil der Restwärme geht jedoch verloren und reduziert somit den Systemwirkungsgrad. Eine Rückführung des Anodenoffgases zur Brennstoffzelle bietet sich nicht an, da im Reformat große Teile Stickstoff und Kohlendioxyd mitgeführt werden, die sich bei einer Rückführung ständig anreichern würden.
Hiervon ausgehend ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und ein System der eingangs genannten Art bereitzustellen, mit dem der Wirkungsgrad verbessert wird.
Die Lösung hierfür besteht in einem Verfahren zum Betrieb einer Brennstoffzelle mit in einem Reformer aus einem kohlenwasserstoffreichen Brennstoff abgetrennten wasserstoffreichen Gas (Reformat) unter Wasserstoffüberschuß an der Anode der Brennstoffzelle, wobei wasserstoffhaltiges Anodenoffgas entsteht, bei welchem aus dem Anodenoffgas Wasserstoff abgetrennt wird und zum Reformer zurückgeführt wird. Mit dem hiermit vorgeschlagenen Verfahren kann die Brennstoffzelle mit hohem Wasserstoffüberschuß an der Anode betrieben werden, ohne daß Wirkungsgradeinbußen in Kauf zu nehmen sind. Je nach konstruktiver Ausführung des Systems kann ein kontinuierliches Abtrennen und Rückführen von Wasserstoff zum Reformer durchgeführt werden oder ein in zwei Einheiten wechselweise erfolgendes Zwischenspeichern und Rückführen von Wasserstoff zum Reformer.
Das nach dem Abtrennen des Wasserstoffs aus dem Anodenoffgas verbleibende Restgas wird einem Brenner zugeführt und verbrannt.
Die Abtrennung des Wasserstoffs kann nach einer ersten Verfahrensführung kontinuierlich, insbesondere mittels Membrantrennung oder anderer geeigneten Techniken erfolgen. Die Abtrennung kann alternativ in zwei Einheiten, die wechselweise mit Anodenoffgas beaufschlagt werden, durch Anlagerung und Zwischenspeicherung des Wasserstoffs erfolgen, wobei das verbleibende durchströmende Restgas dem Brenner zugeführt wird. Jeweils nach Sättigung der entsprechenden Einheit wird der Wasserstoff aus dieser dem Reformer zugeführt.
Die Erfindung umfaßt in Entsprechung zu den vorgenannten Verfahrensschritten ein Brennstoffzellensystem mit einem Reformer zum Erzeugen von wasserstoffreichem Gas aus kohlenwasserstoffreichem Brennstoff, einer Brennstoffzelle und einer an eine Anodenoffgasleitung der Brennstoffzelle angeschlossene Trennvorrichtung zum Abtrennen von Wasserstoff aus dem Anodenoffgas, sowie einer an die Trennvorrichtung anschließenden Rückführleitung für Wasserstoff zum Reformer. Das System umfaßt weiterhin einen Brenner, der über eine Restgasleitung an die Trennvorrichtung angeschlossen ist. Bei einer kontinuierlich wirksamen Trennvorrichtung sind jeweils einfache Restgasleitungen zum Brenner und Rückführleitungen zum Refor mer vorgesehen. Hierbei kann in der Rückführleitung für Wasserstoff zum Reformer ein Gebläse angeordnet sein. Bei einer Trennvorrichtung, die zwei Einheiten zur wechselnden Beaufschlagung mit Anodenoffgas umfaßt, die die Trennung mittels Wasserstoffzwischenspeicherung bewirken, sind die Ableitungen von diesen Einheiten jeweils umschaltbar auf Brenner und Reformer zu verzweigen.
Die Trennvorrichtung für das Anodenoffgas kann auf grundsätzlich bekannten Technologien basieren. Hierbei können auf Membrantrennung basierende Technologien oder auf Wasserstoffzwischenspeicherung basierende Elemente je nach Verfahrensführung verwendet werden.
Zwei bevorzugte Ausführungsbeispiele eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems sind in den Zeichnungen dargestellt und werden nachstehend beschrieben.
1 zeigt ein Brennstoffzellensystem mit kontinuierlicher Wasserstoffrezirkulation zum Reformer;
2 zeigt ein Brennstoffzellensystem mit Zwischenspeicherung des Wasserstoffs in der Rezirkulation zum Reformer.
In 1 ist ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem gezeigt, bei dem über eine Brennstoffzuführleitung 11 ein kohlenwasserstoffhaltiger Brennstoff, beispielsweise Benzin, Diesel oder Erdgas, einem Reformer 12 zugeführt wird. Über eine Zuführleitung 13 wird das Reformat, d.h. wasserstoffhaltiges Gas der Anode einer Brennstoffzelle 14 zugeführt. Über eine Luftzuführleitung 15 wird der Kathode der Brennstoffzelle 14 Luft oder sauerstoffreiches Gas zugeführt. Das Anodenoffgas verläßt die Brennstoffzelle 14 über eine Abgasleitung 16 und wird in eine kontinuierlich wirksame Trennvorrichtung 17 geleitet. Über eine Abluftleitung 18 wird die Kathodenabluft an die Umgebung freigesetzt. In der Trennvorrichtung 17 wird das Anodenoffgas, das insbesondere beim Vollastbetrieb der Brennstoffzelle einen hohen Wasserstoffanteil enthalten kann, in ein niederkalorisches Restgas und weitgehend reinen Wasserstoff separiert. Das Restgas wird über eine Restgasleitung 19 einem Brenner 20 zugeführt und in diesem verbrannt. Dies dient sowohl der Verbesserung der Energiebilanz, wobei die erzeugte Wärme im System genutzt wird, beispielsweise zur Beheizung des Reformers; daneben dient die Verbrennung des Restgases auch der Reduzierung der Umweltbelastung. Der in der Trennvorrichtung 17 abgetrennte Wasserstoff wird über eine Wasserstoffrückführleitung 21, in der ein Gebläse 22 angeordnet ist, dem Reformer 12 eingangsseitig zugeführt und gelangt somit wieder in das Reformat zum Betrieb der Brennstoffzelle 14.
In 2 ist ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem gezeigt, bei dem über eine Brennstoffzuführleitung 11 ein kohlenwasserstoffhaltiger Brennstoff, beispielsweise Benzin, Diesel oder Erdgas, einem Reformer 12 zugeführt wird. Über eine Zuführleitung 13 wird das Reformat, d.h. wasserstoffhaltiges Gas der Anode einer Brennstoffzelle 14 zugeführt. Über eine Luftzuführleitung 15 wird der Kathode der Brennstoffzelle 14 Luft oder sauerstoffreiches Gas zugeführt. Das Anodenoffgas verläßt die Brennstoffzelle über eine Abgasleitung 16 und wird in eine Wasserstoff speichernde Trennvorrichtung 17' geleitet. Über eine Abluftleitung 18 wird die Kathodenabluft an die Umgebung freigesetzt. Hierbei werden zwei Einheiten 28, 29 der Trennvorrichtung 17' wechselweise von zwei Verzweigungsleitungen 23, 23' wahlweise beaufschlagt wobei das Abtrennen von Wasserstoff durch Zwischenspeicherung erfolgt, während Restgas ständig durchgeleitet wird. In den Leitungen 23 sind Absperrventile 24, 25 vorgesehen, von denen jeweils eines geöffnet und eines verschlossen werden kann. In der jeweils beaufschlagten Einheit 28, 29, der Trennvorrichtung 17 wird aus dem Anodenoffgas, das insbesondere beim Vollastbetrieb der Brennstoffzelle einen hohen Wasserstoffanteil enthalten kann, weitgehend reiner Wasserstoff separiert und angelagert, während ein niederkalorisches Restgas durchgeleitet wird. Das Restgas wird über an die Einheiten angeschlossene Restgasleitungen 19, 19' einem Brenner 20 zugeführt und in diesem verbrannt. Dies dient sowohl der Verbesserung der Energiebilanz, wobei die erzeugte Wärme im System genutzt wird, beispielsweise zur Beheizung des Reformers; daneben dient die Verbrennung des Restgases auch der Verbesserung der Umweltbilanz. Der in den Einheiten der Trennvorrichtung angelagerte Wasserstoff wird wechselweise über Wasserstoffrückführleitungen 21, 21' dem Reformer 12 eingangsseitig zugeführt und gelangt somit wieder in das Reformat zum Betrieb der Brennstoffzelle 14.
Die Restgasleitungen 19, 19' sind über ein Wegeventil 26 steuerbar. Über ein weiteres Wegeventil 27 sind die Wasserstoffrückführleitungen 21, 21' steuerbar.

11: Brennstoffzuführleitung
12: Reformer
13: Reformatzuführleitung
14: Brennstoffzelle
15: Luftzuführleitung
16: Anodenoffgasleitung
17: Trennvorrichtung; Trenn- und Speichervorrichtung
18: Kathodenabluftleitung
19: Restgasleitung
20: Brenner
21: Wasserstoffrückführleitung
22: Gebläse
23: Anodenoffgasverzweigungsleitung
24: Steuerventil
25: Steuerventil
26: Steuerventil
27: Steuerventil
28: Einheit
29: Einheit

Claims

Verfahren zum Betrieb einer Brennstoffzelle (14) mit in einem Reformer (12) aus einem kohlenwasserstoffreichen Brennstoff erzeugten wasserstoffreichen Gas (Reformat) unter Wasserstoffüberschuß an der Anode der Brennstoffzelle (14), wobei wasserstoffhaltiges Anodenoffgas entsteht, dadurch gekennzeichnet, daß aus dem Anodenoffgas Wasserstoff abgetrennt wird und zum Reformer (12) zurückgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der aus dem Anodenoffgas abgetrennte Wasserstoff kontinuierlich zum Reformer (12) zurückgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der aus dem Anodenoffgas abgetrennte Wasserstoff zwischengespeichert und diskontinuierlich zum Reformer (12) zurückgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das nach dem Abtrennen aus dem Anodenoffgas verbleibende Restgas einem Brenner (20) zugeführt und verbrannt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennerwärme zur Beheizung des Reformers (12) und/oder der Brennstoffzelle (14) verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Wasserstoff mittels einer Membrantrennung aus dem Anodenoffgas abgetrennt wird und dem Reformer kontinuierlich zugeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Wasserstoff mittels einer Zwischenspeicherung wechselweise an zumindest zwei Orten abgetrennt und gegensinnig wechselweise von dort dem Reformer zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß während des Zwischenspeicherns des Wasserstoffs das Restgas ständig dem Brenner (20) zugeführt wird.
Brennstoffzellensystem mit einem Reformer (12) zum Erzeugen von wasserstoffreichem Gas aus kohlenwasserstoffreichem Brennstoff, einer Brennstoffzelle (14) und einer an eine Anodenoffgasleitung (16) der Brennstoffzelle (14) angeschlossene Trennvorrichtung (17) zum Abtrennen von Wasserstoff aus dem Anodenoffgas, sowie einer an die Trennvorrichtung (17) anschließenden Rückführleitung (21) für Wasserstoff zum Reformer (12).
System nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennvorrichtung (17) einen kontinuierlich beaufschlagte und durchströmte Einheit, insbesondere mit einer Trennmembran darstellt.
System nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennvorrichtung (17') zumindest zwei wechselweise beaufschlagte Einheiten umfaßt, die jeweils einen Wasserstoffspeicher umfassen.
System nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils eine beladene bzw. gesättigte Speichereinheit mit dem Reformer verbunden ist, während eine teilbeladene bzw. ungesättigte Einheit mit Anodenoffgas beaufschlagt wird und mit dem Brenner (20) verbunden ist.
System nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß in der Rückführleitung (21) ein Gebläse (22) angeordnet ist.
System nach einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß an die Einheit der Trennvorrichtung (17) jeweils Restgasleitungen (19, 19') mit einem Brenner (20) und Rückführleitungen (21, 21') mit dem Reformer (12) verbunden sind.
System nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückführleitungen (21, 21') für den Wasserstoff über ein Wegeventil (27) wechselweise mit dem Reformer (12) zu verbinden sind.
System nach einem der Ansprüche 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Restgasleitungen (19, 19') über ein Wegeventil (26) wechselweise mit einem Brenner (20) zu verbinden sind.
System nach einem der Ansprüche 11 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Anodenoffgasleitung (16) über Verzweigungsleitungen (23, 23') mit den zwei Einheiten der Wasserstoff zwischenspeichernden Trennvorrichtung (17') verbunden sind.