DE102008008907A1

DE102008008907A1 - Brennstoffzellensystem

Info

Publication number: DE102008008907A1
Application number: DE102008008907A
Authority: DE
Inventors: Karsten Reiners
Original assignee: J Eberspaecher GmbH and Co KG
Current assignee: Eberspaecher Climate Control Systems GmbH and Co KG
Priority date: 2008-02-13
Filing date: 2008-02-13
Publication date: 2009-08-20
Anticipated expiration: 2028-02-14
Also published as: DE102008008907B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem (1), insbesondere in einem Kraftfahrzeug, mit wenigstens einer Brennstoffzelle (3) zum Generieren von elektrischem Strom, die eine Anodenseite (5) und eine Kathodenseite (6) aufweist, und mit einem Restgasbrenner (7) zum Umsetzen eines brennbaren Gases mit einem Oxidator sowie mit einer Oxidatorversorgungseinrichtung (10) zum Zuführen eines Oxidators zum Restgasbrenner (7). Ein besonders preiswerter Aufbau ergibt sich, wenn Brennstoffzelle (3) und Restgasbrenner (7) so verschaltet sind, dass ein Wasserstoffgas enthaltendes Reformatgas zur Anodenseite (5) der Brennstoffzelle (3) zuführbar ist, dass Anodenabgas von der Anodenseite (5) der Brennstoffzelle (3) zum Restgasbrenner (7) zuführbar ist und dass Brennabgas vom Restgasbrenner (7) zur Kathodenseite (6) der Brennstoffzelle (3) zuführbar ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem, insbesondere in einem Kraftfahrzeug.
Üblicherweise umfasst ein Brennstoffzellensystem zumindest einen Reformer, mit dessen Hilfe aus einem Wasserstoff enthaltenden Kraftstoff und einem geeigneten Oxidator ein Wasserstoffgas enthaltendes Reformatgas generiert werden kann. Ferner kann ein derartiges Brennstoffzellensystem zumindest eine Brennstoffzelle umfassen, mit deren Hilfe aus einem anodenseitig zugeführten Wasserstoffgas enthaltenden Gas, bevorzugt das Reformatgas des Reformers, und einem kathodenseitig zugeführten Sauerstoffgas enthaltenden Gas elektrischer Strom generiert werden kann. Darüber hinaus ist es bekannt, ein Brennstoffzellensystem mit einem Restgasbrenner auszustatten, mit dessen Hilfe ein brennbares Gas mit einem Oxidator umgesetzt werden kann. Beispielsweise können die Abgase der Brennstoffzelle noch einen mehr oder weniger großen Anteil an Wasserstoffgas und Sauerstoffgas enthalten, so dass diese Abgase mit dem Restgasbrenner umsetzbar sind, um die darin chemisch gespeicherte Wärme freizusetzen. Schließlich können bei einem Brennstoffzellensystem eine Kraftstoffversorgungseinrichtung zum Zuführen eines Kraftstoffs zum Reformer sowie zumindest eine Oxidatorversorgungseinrichtung vorgesehen sein.
Üblicherweise sind die einzelnen Komponenten herkömmlicher Brennstoffzellensysteme so miteinander verschaltet, dass der Restgasbrenner eingangsseitig Anodenabgas und Kathodenabgas von der Brennstoffzelle erhält. Das dabei gebildete Abgas kann über einen Wärmeübertrager zum Aufheizen des der Brennstoffzelle zugeführten Kathodengases genutzt werden und wird im übrigen ggf. über eine Abgasreinigungseinrichtung in die Umgebung freigesetzt. Zur Kühlung des Restgasbrenners kann es dabei insbesondere erforderlich sein, zusätzlich eine Kühlgaszuführung vorzusehen, mit der vorzugsweise kathodenseitig ein geeignetes Kühlgas dem Restgasbrenner zuführbar ist. Ferner kann es zweckmäßig sein, Anodenabgas zum Reformer zurückzuführen, wozu eine entsprechende Rezirkulationsleitung vorzusehen ist, in der regelmäßig auch ein Wärmeübertrager angeordnet werden muss, um eine Überhitzung einer in der Rezirkulationsleitung angeordneten Fördereinrichtung zu vermeiden. Insgesamt ergibt sich somit ein vergleichsweise aufwändiger Aufbau.
Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, für ein Brennstoffzellensystem der eingangs genannten Art eine verbesserte Ausführungsform anzugeben, die sich insbesondere dadurch auszeichnet, dass sich ein Aufbau ergibt, der mit weniger Komponenten auskommt und insbesondere preiswerter realisierbar ist.
Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, die Komponenten des Brennstoffzellensystems so miteinander zu verschalten, dass der Restgasbrenner von der Oxidatorversorgungseinrichtung mit Oxidatorgas versorgt wird und dass Brennerabgas des Restgasbrenners der Kathodenseite der Brennstoffzelle als Kathodengas zugeführt wird. Diese Bauweise oder Verschaltung kommt im Vergleich zu einem herkömmlichen Aufbau mit deutlich weniger Leitungen und Komponenten aus, wodurch sich der Aufbau des Brennstoffzellensystems extrem vereinfacht und preiswerter realisieren lässt. Ferner kann das Systemverhalten positiv beeinflusst werden. Zum Beispiel lässt sich die Startzeit verkürzen, da das Kathodengas im Restgasbrenner stark vorgeheizt werden kann.
Besonders vorteilhaft ist eine Ausführungsform, bei der das Kathodengas der Brennstoffzelle einem Reformer zum Generieren von Wasserstoffgas enthaltendem Reformatgas bzw. Anodengas als Oxidator zugeführt wird. Beispielsweise kann bei dieser Bauweise auf eine Rezirkulationsleitung verzichtet werden, da über die gewählte Kathodenabgasführung Brennerabgas dem Reformer eingangsseitig zuführbar ist, wobei das Brennerabgas je nach Betriebszustand des Brennstoffzellensystems mehr oder weniger umsetzbare Bestandteile enthält.
Besonders zweckmäßig ist eine Ausführungsform, bei welcher ein Wärmeübertrager vorgesehen ist, mit dessen Hilfe eine wärmeübertragende Kopplung zwischen dem zur Versorgung des Reformers dienenden Kathodenabgas und dem zur Versorgung des Restgasbrenners dienenden Oxidatorgas realisierbar ist. Hierdurch kann eine intensive Aufheizung des dem Restgasbrenner zugeführten Oxidatorgases realisiert werden, was insbesondere dann von Vorteil ist, wenn das Oxidatorgas durch den Restgasbrenner durchgeleitet und der Brennstoffzelle als Kathodengas zugeführt wird. Eine separate Vorheizung des Kathodengases kann dadurch entfallen. Gleichzeitig kann durch diese Verschaltung durch einen Brennerbetrieb des Restgasbrenners bei einem Kaltstart des Brennstoffzellensystems gleichzeitig eine Aufheizung der Brennstoffzelle und des Reformers realisiert werden.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile beziehen.
Es zeigen, jeweils schematisch,
1 und 2 jeweils eine stark vereinfachte, schaltplanartige Prinzipdarstellung eines Brennstoffzellensystems bei zwei verschiedenen Ausführungsformen.
Entsprechend den 1 und 2 umfasst ein Brennstoffzellensystem 1 einen Reformer 2 zum Generieren eines Wasserstoffgas enthaltenden Reformatgases. Der Reformer 2 kann hierzu einen Wasserstoff enthaltenden Kraftstoff mit einem geeigneten Oxidator umsetzen. Der Reformer 2 kann dabei insbesondere mit partieller Oxidation des Kraftstoffs arbeiten. Ferner weist das Brennstoffzellensystem 1 zumindest eine Brennstoffzelle 3 zum Generieren von elektrischem Strom auf. Die Brennstoffzelle 3 weist hierzu einen Elektrolyten 4 auf, der in der Brennstoffzelle 3 eine Anodenseite 5 von einer Kathodenseite 6 trennt. Üblicherweise besteht die Brennstoffzelle 3 aus einem Stapel einzelner Brennstoffzellenelemente, bei denen jeweils ein Elektrolytelement die Kathodenseite 6 von der Anodenseite 5 separiert.
Ferner weist das Brennstoffzellensystem 1 einen Restgasbrenner 7 zum Umsetzen eines brennbaren Gases mit einem Oxidator auf. Besagter Restgasbrenner 7 kann hierzu einen Brennraum 8 aufweisen, in dem das jeweilige brennbare Gas mit dem jewei ligen Oxidator mit Hilfe einer Flamme verbrennbar ist. Ebenso kann der Restgasbrenner 7 einen Katalysator enthalten und mit einer katalytischen Verbrennung oder Umsetzung des brennbaren Gases mit dem Oxidator arbeiten.
Weiter ist eine Oxidatorversorgungseinrichtung 10 vorgesehen. Diese dient hier bevorzugt zur Versorgung des Restgasbrenners 7 mit einem Oxidatorgas.
Mit Hilfe einer Kraftstoffversorgungseinrichtung 9 kann dem Reformer 2 ein geeigneter Kraftstoff zugeführt werden. Als Kraftstoff eignen sich grundsätzlich beliebige flüssige oder gasförmige Kraftstoffe, sofern sie atomaren Wasserstoff enthalten. Bevorzugt werden jedoch übliche Kohlenwasserstoffe, wie Benzin, Diesel, Erdgas, Biokraftstoffe. Sofern das Brennstoffzellensystem 1 in einem Kraftfahrzeug angeordnete ist, das eine Brennkraftmaschine aufweist, wird zur Versorgung des Reformers 2 zweckmäßig der gleiche Kraftstoff ver wendet, mit dem auch die Brennkraftmaschine des Fahrzeugs arbeitet.
Zur Versorgung des Reformers 2 mit Kraftstoff weist die Kraftstoffversorgungseinrichtung 9 eine Kraftstoffleitung 11 auf, in der eine geeignete Fördereinrichtung 12 angeordnet ist, bei der es sich bevorzugt um eine Pumpe handeln kann. Die Kraftstoffleitung 11 ist dabei an eine Eingangsseite 13 des Reformers 2 angeschlossen. Zur Versorgung des Restgasbrenners 7 mit Oxidatorgas, bei dem es sich bevorzugt um Luft handelt, weist die Oxidatorversorgungseinrichtung 10 eine Oxidatorleitung 14 auf, die an eine Eingangsseite 15 des Restgasbrenners 7 angeschlossen ist und in der eine geeignete Fördereinrichtung 33 angeordnet ist, bei der es sich beispielsweise um ein Gebläse handeln kann.
Der Reformer 2 kann im Betrieb des Brennstoffzellensystems 1 der Anodenseite 5 der Brennstoffzelle 3 sein Reformatgas zuführen. Hierzu verbindet eine Reformatgasleitung 16, die auch als Anodengasleitung 16 bezeichnet werden kann, eine Ausgangsseite 17 mit einem anodenseitigen Eingang 18 der Brennstoffzelle 3. Im Betrieb der Brennstoffzelle 3 wird das Anodengas mehr oder weniger umgesetzt, so dass Anodenabgas der Brennstoffzelle 3 dem Restgasbrenner 7 zuführbar ist. Hierzu ist ein anodenseitiger Ausgang 19 der Brennstoffzelle 3 über eine Anodenabgasleitung 20 mit der Eingangsseite 15 des Restgasbrenners 7 verbunden. Bei dieser Anodenabgasleitung 20 kann es sich insbesondere auch um eine interne Leitung handeln, wenn die Brennstoffzelle 3 und der Restgasbrenner 7 eine bauliche Einheit bilden. Das dem Restgasbrenner 7 zugeführte Anodenabgas enthält abhängig vom Betriebszustand des Brennstoffzellensystems 1 mehr oder weniger Reformatgas. In einem Extremfall kann das Anodenabgas hauptsächlich aus Anodengas bzw. aus Reformatgas bestehen.
Der Restgasbrenner 7 führt Brennerabgas der Kathodenseite 6 der Brennstoffzelle 3 zu. Hierzu ist eine Brennerabgasleitung 21 vorgesehen, die einerseits an eine Ausgangsseite 22 des Restgasbrenners 7 und andererseits an einen kathodenseitigen Eingang 23 der Brennstoffzelle 3 angeschlossen ist.
Insbesondere kann dabei die Brennerabgasleitung 21 auch intern verlaufen, wenn die Brennstoffzelle 3 und der Restgasbrenner 7 eine bauliche Einheit bilden. Je nach Betriebszustand des Brennstoffzellensystems 1 kann das Brennerabgas mehr oder weniger Oxidator und mehr oder weniger Reformatgas enthalten. Bei ausgeschaltetem Restgasbrenner 7 kann der Reformatgasanteil im Brennerabgas vergleichsweise hoch sein.
Ferner kann im Betrieb des Brennstoffzellensystems 1 Kathodenabgas von der Kathodenseite 6 der Brennstoffzelle 3 zum Reformer 2 geführt werden. Hierzu verbindet eine Kathodenabgasleitung 24 einen kathodenseitigen Ausgang 25 der Brennstoffzelle 3 mit der Eingangsseite 13 des Reformers 2. Das Kathodenabgas kann je nach Betriebszustand des Brennstoffzellensystems 1 mehr oder weniger Oxidator enthalten. Ebenso kann das Kathodenabgas Reformatgas enthalten. Alternativ oder zusätzlich kann zur Versorgung des Reformers 2 mit Oxidator, z. B. Luft, eine separate Oxidatorversorgung vorgesehen sein, die eine eigene Fördereinrichtung, z. B. ein Gebläse, enthält.
In den gezeigten Beispielen weist das Brennstoffzellensystem 1 außerdem einen Wärmeübertrager 26 auf, der einerseits in die Kathodenabgasleitung 24 und andererseits in die Oxidatorleitung 14 eingebunden ist. Auf diese Weise kann der Wärmeübertrager 26 eine wärmeübertragende Kopplung zwischen dem zur Versorgung des Reformers 2 dienenden Kathodenabgas und dem zur Versorgung des Restgasbrenners 7 dienenden Oxidatorgas realisieren. Insbesondere lässt sich hierdurch bei einem Kaltstart des Brennstoffzellensystems 1 eine besonders rasche Aufheizung der Brennstoffzelle 3 und des Reformers 2 realisieren. Ferner lässt sich mehr oder weniger deaktiviertem Restgasbrenner 7 eine intensive Vorheizung des den Restgasbrenner 7 ungehindert durchströmenden Oxidators realisieren, der dann der Brennstoffzelle 3 kathodenseitig zugeführt wird.
Dieser Wärmeübertrager 26 kann insbesondere mit der Brennstoffzelle 3 und/oder mit dem Restgasbrenner 7 und/oder mit dem Reformer 2 eine bauliche Einheit bilden.
In den gezeigten Beispielen kann optional eine Reformerventileinrichtung 27 vorgesehen sein, über die eine Abgasleitung 28 von der Kathodenabgasleitung 24 abzweigt. Mit Hilfe dieser Reformerventileinrichtung 27 kann eine Aufteilung des von der Brennstoffzelle 3 stammenden Kathodenabgases auf die zum Reformer 2 führende Kathodenabgasleitung 24 und die zu einem Abgassystem 29 führende Abgasleitung 28 eingestellt werden. Insoweit ermöglicht die Reformerventileinrichtung 27 insbesondere eine Mengenregelung oder Volumenstromregelung für das dem Reformer 2 zugeführte Kathodenabgas.
Die Reformerventileinrichtung 27 kann entsprechend 1 stromauf des Wärmeübertragers 26 in der Kathodenabgasleitung 24 angeordnet sein. Auf diese Weise ist das bei der Reformerventileinrichtung 27 abgezweigte Abgas auf einem erhöhten Temperaturniveau und kann beispielsweise zur Heizzwecken und dergleichen genutzt werden. Im Unterschied dazu kann die Re formerventileinrichtung 27 entsprechend 2 stromab des Wärmeübertragers 26 in der Kathodenabgasleitung 24 angeordnet sein. Auf diese Weise befindet sich das bei der Reformerventileinrichtung 27 abgezweigte Abgas auf einem abgesenkten Temperaturniveau, so dass insgesamt mehr Wärme auf den in der Oxidatorleitung 14 transportierten Oxidator übertragen werden kann.
Das hier gezeigte Brennstoffzellensystem 1 weist außerdem eine Brennerventileinrichtung 30 auf, bei der eine Bypassleitung 31 von der Oxidatorleitung 14 abzweigt. Mit Hilfe der Brennerventileinrichtung 30 kann eine Aufteilung des von der Oxidatorversorgungseinrichtung 10 geförderten Oxidatorgases auf die zum Restgasbrenner 7 führende Oxidatorleitung 14 und auf die Bypassleitung 31 eingestellt werden. Die Bypassleitung 31 mündet bei 32 in die Brennerabgasleitung 21 ein; sie kann grundsätzlich jedoch auch an den kathodenseitigen Eingang der Brennstoffzelle 3 angeschlossen sein. Die Bypassleitung 31 umgeht somit zum einen den Wärmeübertrager 26 und zum anderen den Restgasbrenner 7. Auf diese Weise kann der Kathodenseite 6 unmittelbar kaltes Oxidatorgas zugeführt werden, um eine Überhitzung der Brennstoffzelle 3 zu vermeiden. Gleichzeitig lässt sich dadurch der Sauerstoffgehalt im Brennerabgas erhöhen, falls dies erforderlich sein sollte.
Im Vergleich zu herkömmlichen Brennstoffzellensystemen kommt das hier vorgestellte Brennstoffzellensystem 1 mit deutlich weniger Komponenten und weniger Leitungsabschnitten aus, wo durch sich ein besonders einfacher und preiswerter Aufbau realisieren lässt. Besonders erwähnenswert ist außerdem ein deutlich verkürzter Startvorgang durch die direkte Beheizung der Brennstoffzelle 3 sowie ggf. des Reformers 2 durch den Restgasbrenner 7. Insgesamt kann auch eine Wirkungsgradverbesserung des Brennstoffzellensystems 1 realisiert werden.

Claims

Brennstoffzellensystem, insbesondere in einem Kraftfahrzeug, – mit wenigstens einer Brennstoffzelle (3) zum Generieren von elektrischen Strom, die eine Anodenseite (5) und eine Kathodenseite (6) aufweist, – mit einem Restgasbrenner (7) zum Umsetzen eines brennbaren Gases mit einem Oxidator, – mit einer Oxidatorversorgungseinrichtung (10) zum Zuführen eines Oxidators zum Restgasbrenner (7), – wobei ein Wasserstoffgas enthaltendes Reformatgas zur Anodenseite (5) der Brennstoffzelle (3) zuführbar ist, – wobei Brennstoffzelle (3) und Restgasbrenner (7) so verschaltet sind, – dass Anodenabgas von der Anodenseite (5) der Brennstoffzelle (3) zum Restgasbrenner (7) zuführbar ist, – dass Brennerabgas vom Restgasbrenner (7) zur Kathodenseite (6) der Brennstoffzelle (3) zuführbar ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Reformer (2) zum Generieren des Wasserstoffgas enthaltenden Reformatgases.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine Kraftstoffversorgungseinrichtung (9) zum Zuführen eines Kraftstoffs zum Reformer (2).
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Reformer (2) mit der Brennstoffzelle (3) und dem Restgasbrenner (7) so verschaltet ist, dass Kathodenabgas von der Kathodenseite (6) der Brennstoffzelle (3) zum Reformer (2) zuführbar ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch einen Wärmeübertrager (26) zur wärmeübertragenden Kopplung zwischen dem zur Versorgung des Reformers (2) dienenden Kathodenabgas und dem zur Versorgung des Restgasbrenners (7) dienenden Oxidatorgas.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 4 oder 5, gekennzeichnet durch eine Reformerventileinrichtung (27) zum einstellbaren Aufteilen des Kathodenabgases auf eine zum Reformer (2) führende Kathodenabgasleitung (24) und eine Abgasleitung (28).
Brennstoffzellensystem nach den Ansprüchen 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, – dass die Reformerventileinrichtung (27) stromauf des Wärmeübertragers (26) angeordnet ist, oder – dass die Reformerventileinrichtung (27) stromab des Wärmeübertragers (26) angeordnet ist.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch eine Brennerventileinrichtung (30) zum einstellbaren Aufteilen des Oxidatorgases auf eine zum Restgasbrenner (7) führende Oxidatorleitung (14) und eine den Restgasbrenner (7) umgehende, zur Anodenseite (6) der Brennstoffzelle (3) führende Bypassleitung (31).