DE10220776A1

DE10220776A1 - Brennstoffzellenanlage

Info

Publication number: DE10220776A1
Application number: DE10220776A
Authority: DE
Inventors: Martin Klenk; Thorsten Allgeier; Ian Faye; Tilo Landenfeld; Rainer Saliger
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2002-05-10
Filing date: 2002-05-10
Publication date: 2003-11-20
Also published as: GB2388465A; GB0310710D0; GB2388465B; ITMI20030931A1; FR2839583A1; US20040038094A1

Abstract

Es wird eine Brennstoffzellenanlage mit einer Verbrennungseinrichtung (1), einer Brennstoffzelleneinheit und einem Reformer zur Umformung von Kraftstoff (6) zu einem Reformatgas (10), wobei die Verbrennungseinrichtung (1) wenigstens eine Abgasleitung (3) zum Ausströmen von Abgas (7) aufweist, vorgeschlagen, mit der eine deutliche Reduktion der gegebenenfalls zusätzlich aufzubringenden Energie zur Erwärmung der Umformeinheit erreicht wird. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass wenigstens an der Abgasleitung (3) eine Wärmetauschereinheit (2) zur Erwärmung eines Heizfluids und/oder eines Betriebsstoffes des Reformers durch die Abwärme des Abgasstromes (7) angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenanlage mit einer Verbrennungseinrichtung, einer Brennstoffzelleneinheit und einer Umformeinheit im Folgenden "Reformer" genannt zur Umformung von kohlenwasserstoffhaltigen Stoffgemischen im Folgenden "Kraftstoff" genannt zu einem wasserstoffhaltigen Fluid im Folgenden "Reformatgas" genannt nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Stand der Technik

Beispielsweise bei Fahrzeugen ist bereits seit längerer Zeit bekannt, neben dem Verbrennungsmotor eine Brennstoffzelle bzw. ein Brennstoffzellenstack vorzusehen, die bzw. der insbesondere mittels einem "on-board"-erzeugten wasserstoffhaltigen Fluid betrieben wird. Die von der Brennstoffzelleneinheit erzeugte elektrische Energie wird u. a. bei einem Hybridfahrzeug als Zusatzantrieb mittels einem Elektromotor und/oder als sogenannte Auxiliary Power Unit (APU) zur Versorgung von elektrischen Nebenaggregaten des Fahrzeugs verwendet.

Häufig wird der von der Brennstoffzelleneinheit benötigte Wasserstoff "on-board" durch die autotherme und/oder Dampf- Reformierung des kohlenwasserstoffhaltigen Kraftstoffs, z. B. Benzin, Diesel oder Erdgas, mittels einem entsprechenden Reformer erzeugt.

Im Allgemeinen muss dem Reformer hierbei in der Startphase Wärmeenergie zugeführt werden, beispielsweise mittels einem elektrischen Heizer, um die erforderliche Betriebstemperatur zur Umsetzung des Kraftstoffs mit Luft-Sauerstoff zu gewährleisten. Gegebenenfalls ist in Abhängigkeit des gewählten Reformierungsprozesses zusätzlich Wasser erforderlich, das hierfür häufig erwärmt bzw. verdampft wird.

Nachteilig bei herkömmlichen Systemen ist der hohe elektrische Energieaufwand zur Erwärmung des Reformers bzw. dessen Betriebsstoffe insbesondere während der Startphase.

Aufgabe und Vorteile der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, eine Brennstoffzellenanlage mit einer Verbrennungseinrichtung, einer Brennstoffzelleneinheit und einem Reformer zur Umformung von Kraftstoffen zu einem Reformatgas, wobei die Verbrennungseinrichtung wenigstens eine Abgasleitung zum Ausströmen von Abgas aufweist, vorzuschlagen, mit der eine deutliche Reduktion der gegebenenfalls zusätzlich aufzubringenden Energie zur Erwärmung der Umformeinheit erreicht wird.

Diese Aufgabe wird, ausgehend von einer Brennstoffzellenanlage der einleitend genannten Art, durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Durch die in den Unteransprüchen genannten Maßnahmen sind vorteilhafte Ausführungen und Weiterbildungen der Erfindung möglich.

Dementsprechend zeichnet sich eine erfindungsgemäße Brennstoffzellenanlage dadurch aus, dass an der Abgasleitung wenigstens eine Wärmetauschereinheit zur Erwärmung eines Heizfluids und/oder eines Betriebsstoffes der Umformeinheit durch die Abwärme des Abgasstromes angeordnet ist.

Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Wärmetauschereinheit wird in vorteilhafter Weise die bislang ungenützte Abgasenergie der Verbrennungseinrichtung für eine besonders schnelle und energetisch günstige Aufheizung des Reformers bzw. der Umformeinheit verwendet. Hierdurch kann gegebenenfalls auf eine separate elektrische oder vergleichbare Heizeinheit vollständig oder zumindest teilweise verzichtet werden.

Durch die hohen Abgastemperaturen bei der Verbrennung des Kraftstoffs in der Verbrennungseinrichtung entstehen bereits nach relativ kurzer Zeit hohe Temperaturen an der Abgasleitung. Deren Enthalpie kann über den Wärmetauscher gemäß der Erfindung an die Betriebsmedien der Umformeinheit und/oder an ein gegebenenfalls separates Heizfluid zur Erwärmung der Umformeinheit abgegeben werden.

Gegebenenfalls kann durch einen nahezu kontinuierlichen Betrieb des Wärmetauschers der Wärmeeintrag in die Umformeinheit über die Abgasenergie der Verbrennungseinrichtung erfolgen, wodurch in vorteilhafter Weise ein Übergang von der autothermen Reformierung hin zu einer endothermen Dampfreformierung mit deutlich höherem Wasserstofferzeugungswirkungsgrad realisiert werden kann. Hierdurch kann die Ansaugung bzw. Komprimierung von Luft für den Reformierungsprozess entscheidend verringert werden bzw. entfallen. Die Brennstoffzellenanlage kann vorteilhafterweise nahezu ohne Wirkungsgradeinbußen durch sogenannte parasitäre Leistungen von Luftkompressoren oder dergleichen bei höheren Betriebsdrücken betrieben werden. Darüber hinaus kann eine verbesserte Einstellbarkeit zwischen autothermer Reformierung und Dampfreformierung gemäß der Erfindung erfolgen.

In einer besonderen Weiterbildung der Erfindung ist die. Wärmetauschereinheit im Bereich einer Ausströmöffnung der Verbrennungseinrichtung angeordnet. Beispielsweise ist die Wärmetauschereinheit an einem sogenannten Abgaskrümmer angeordnet. Unmittelbar im Bereich der Ausströmöffnung der Verbrennungseinrichtung ist die Abgasleitung besonders heiß bzw. wird verhältnismäßig schnell heiß, so dass entsprechend schnell und/oder stark der Reformer bzw. die Umformeinheit erwärmbar ist und eine relativ große Wärmeenergiemenge an die Umformeinheit abgegeben werden kann.

Vorteilhafterweise umfasst der zu erwärmende Betriebsstoff der Umformeinheit wenigstens teilweise das kohlenwasserstoffhaltige Stoffgemisch, Luft und/oder Wasser. Hierdurch kann beispielsweise eine Erwärmung der Umformeinheit von innen bzw. unmittelbar an gegebenenfalls katalytisch aktive Reaktionsflächen der Umformeinheit erfolgen, wodurch die Startphase bzw. die Erwärmung auf Betriebstemperatur der Umformeinheit relativ schnell und energetisch günstig erfolgt.

In einer besonderen Weiterbildung der Erfindung ist wenigstens ein Dosierelement zum Dosieren des Betriebsstoffes und/oder des Heizfluids vorgesehen. Mit Hilfe dieser Maßnahme ist eine vorteilhafte Steuerung bzw. Regelung der Erwärmung der Umformeinheit realisierbar. Möglicherweise wird durch die Verwendung von Drosselventilen oder dergleichen, die den Massenstrom der zu erwärmenden Betriebsstoffe verändern, ein geregeltes Aufheizverhalten der Umformeinheit verwirklicht.

Beispielsweise kann an den im Allgemeinen aus Metall bestehenden Abgaskrümmer oder dergleichen ein vorteilhafter Mehrfachwärmetauscher angeordnet bzw. angeflanscht werden, so dass insbesondere mehrere Betriebsstoffe bzw. wenigstens ein Betriebsstoff und ein separates Heizfluid zur Aufnahme der Abgasenergie nahezu gleichzeitig den Wärmetauscher durchströmen kann und somit eine besonders vorteilhafte innere und/oder äußere Erwärmung der Umformeinheit realisierbar ist.

Vorzugsweise ist wenigstens eine katalytisch aktive Abgasreinigung vorgesehen. Beispielsweise kann ein bereits handelsüblicher sogenannter Abgaskatalysator zur Reinigung des Abgasstromes verwendet werden. Hierdurch ist eine Reduzierung von umweltrelevanten Abgasemissionen möglich.

In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die Abgasreinigungsvorrichtung in Strömungsrichtung des Abgasstromes hinter der Wärmetauschereinheit angeordnet. Mit Hilfe dieser Maßnahme wird gewährleistet, dass durch die Wärmeabgabe an den Wärmetauscher eine Kühlung des zur Abgasreinigungsvorrichtung strömenden Abgasstromes erreicht wird. Hierdurch wird eine Überhitzung der Abgasreinigungsvorrichtung insbesondere in einem relativ hohen Lastbereich bzw. im Volllastbereich der Verbrennungseinrichtung vermieden. Durch die Verringerung der thermischen Belastung der Abgasreinigungsvorrichtung kann in vorteilhafter Weise die Lebensdauer bzw. die Standzeit dieser deutlich verlängert. bzw. verbessert werden.

Darüber hinaus kann eine sogenannte Volllastanreicherung, wie sie insbesondere bei derzeitigen Benzinmotoren üblicherweise angewendet wird, entfallen, wodurch der hiermit ansonsten verbundene, erhöhte Kraftstoffverbrauch aufgrund des zusätzlich eingebrachten Kraftstoffs bzw. des Stoffgemisches zur Abgaskühlung in der Volllast entfallen kann. Demzufolge ist eine besonders umweltschonende Betriebsweise der Verbrennungseinrichtung bzw. des Fahrzeugs gemäß der Erfindung realisierbar.

Vorteilhafterweise wird die Abgasreinigungsvorrichtung im Bereich der Wärmetauschereinheit angeordnet. Beispielsweise bis zum Erreichen der Betriebstemperatur der Abgasreinigungsvorrichtung, d. h. bis zum sogenannten Light- Off, kann mittels einer vorteilhaften Steuerung die Wärmeabfuhr über die Wärmetauschereinheit weitgehend unterbleiben, so dass vor allem bei vergleichsweise motornaher Anordnung der Abgasreinigungsvorrichtung diese relativ schnell die Betriebstemperatur erreicht. Der sogenannte Kat-Light-Off wird hiermit entscheidend beschleunigt, wodurch insbesondere während der Startphase der Verbrennungseinrichtung bzw. der Abgasreinigungsvorrichtung deutlich weniger umweltrelevante Abgasemissionen erzeugt werden können.

In einer vorteilhaften Variante der Erfindung ist wenigstens eine Speichervorrichtung zum Speichern des Reformatgases vorgesehen. Mit Hilfe einer entsprechenden Speichervorrichtung kann insbesondere eine zeitliche Entkopplung der Wasserstofferzeugung und der Wasserstoffverwertung realisiert werden. Beispielsweise kann die Verbrennungseinrichtung vor allem in der Startphase nahezu ausschließlich mit dem Reformatgas betrieben werden, wodurch eine besonders drastische Absenkung der umweltrelevanten Abgasrohemissionen erreicht wird.

Gegebenenfalls kann die Verbrennungseinrichtung in der Startphase im Mischbetrieb betrieben werden. Das heißt, der Verbrennungseinrichtung wird als Kraftstoff ein Gemisch aus dem Reformatgas und dem Kraftstoff zugeführt.

Darüber hinaus kann durch einen sogenannten fetten Betrieb der Verbrennungseinrichtung, d. h. mit einem Wasserstoffüberschuss, und gegebenenfalls einer Sekundärlufteinblasung ein zusätzlich beschleunigter sogenannter Kat-Light-Off realisiert werden. Eine besonders starke bzw. schnelle Erwärmung der Abgasreinigungsvorrichtung wird dadurch erreicht, dass hierbei Wasserstoff, der bereits bei Zimmertemperatur an entsprechend katalytisch aktiven Oberflächen exotherm umsetzbar ist, in der Verbrennungseinrichtung zum Teil nicht umgesetzt wird und im Abgas vorhanden ist, so dass der Katalysator bzw. die Abgasreinigungsvorrichtung entsprechend schnell aufgeheizt wird. Entsprechendes ist auch mittels einem über die einzelnen Zylinder verteilten, gemischten Fett-/Magerbetrieb der Verbrennungseinrichtung ohne Sekundärluftzufuhr realisierbar.

Mit Hilfe des Mischbetriebs der Verbrennungseinrichtung, beispielsweise mittels einem Gemisch aus Kraftstoff und dem Reformatgas, kann darüber hinaus in vorteilhafter Weise eine deutliche Steigerung der Abgasrückführungsraten (AGR-Raten) gegenüber reinem Kraftstoff- bzw. Benzinbetrieb erreicht werden. Entsprechend hohe Abgasrückführungsraten bewirken durch die Entdrosselung des Motors bzw. der Verbrennungseinrichtung einen deutlich gesteigerten Wirkungsgrad und können somit zu einem besonders niedrigeren Gesamtkraftstoffverbrauch des Fahrzeugs führen. Eine entsprechend hohe Abgasrückführungsrate ist insbesondere aufgrund des vergleichsweise großen Zündbereichs von Wasserstoff gegenüber dem von Benzin umsetzbar.

Ausführungsbeispiel

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird anhand der einzigen Figur näher erläutert.
In Fig. 1 ist schematisch ein Verbrennungsmotor 1 mit einem Wärmetauscher 2 gemäß der Erfindung dargestellt. Der Wärmetauscher 2 ist insbesondere an der Abgasleitung 3, d. h. möglichst unmittelbar an einer Ausströmöffnung 4 des Verbrennungsmotors 1, angeflanscht.
In einem Verbrennungsraum 5 wird im Allgemeinen ein Kraftstoff-Luft-Gemisch 6 verbrannt. Hierdurch entstehen vergleichsweise heiße Abgase 7.
Gemäß der Erfindung wird die Wärmeenergie des Abgases 7 mittels dem Wärmetauscher 2 zur Erwärmung eines Reformers 10 verwendet. Der Wärmetauscher 2 weist insbesondere eine Einströmleitung 8 sowie eine Ausströmleitung 9 für wenigstens einen Betriebsstoff und/oder ein Heizmedium des Reformers 10 auf.
Gegebenenfalls können mehrere Wärmetauschermedien nahezu gleichzeitig, im Allgemeinen räumlich getrennt, den Wärmetauscher 2 durchströmen. Alternativ kann dem Wärmetauscher 2 in Abhängigkeit des Betriebszustandes des Gesamtsystems jeweils ein Betriebsstoff bzw. ein Heizmedium zugeführt werden.
Zur Erwärmung des Reformers 10 bzw. dessen Betriebsstoffe kann zusätzlich ein katalytischer Brenner 11 vorgesehen werden.
Beispielsweise nach dem Motorstart wird der Verbrennungsmotor 1 mit Reformatgas aus einem nicht näher dargestellten Speicher betrieben und emittiert hierdurch nahezu keine umweltrelevanten Abgase 7. Der Betrieb mit Wasserstoff, insbesondere ohne nennenswerten Wärmeabzug durch den Wärmetauscher, führt insbesondere zu einem vergleichsweise schnellen Erreichen der Betriebstemperatur eines Abgaskatalysators 12. Die Menge eines Reformats bis zum sogenannten Kat-Light-Off ist vergleichsweise gering und kann u. a. durch den Druckspeicher zur Verfügung gestellt werden.
Vorzugsweise unmittelbar nach dem Erreichen des Kat-Light-Off wird der Verbrennungsmotor 1 beispielsweise mit Kraftstoff 6 oder einem Gemisch aus Kraftstoff und Reformatgas 6 betrieben und erzeugt hierdurch besonders schnell relativ hohe Temperaturen an der Abgasleitung 3. Aufgrund der vergleichsweise hohen Temperaturen der Abgasleitung 3 kann gegebenenfalls ohne zusätzliche elektrische Beheizung ein bzw. alle Betriebsstoffe und/oder ein separates Heizfluid des Reformers aufgeheizt werden. Der Reformer wird hierbei relativ schnell auf Betriebstemperatur erwärmt und ist somit startbereit zur Generierung von Reformat bzw. des für eine nicht näher dargestellte Brennstoffzelleneinheit erforderlichen Wasserstoffs. Das Reformat bzw. der Wasserstoff wird bei Betriebsdruck gegebenenfalls zwischengespeichert und speist beim nächsten Systemstart den Verbrennungsmotor 1 und/oder die Brennstoffzelleneinheit.
Generell kann durch die Kombination des Verbrennungsmotors 1 mit einem Brennstoffzellensystem der für autarke Brennstoffzellenfahrzeuge notwendige Wasserstoff- bzw. Reformatspeicher entfallen oder verkleinert werden. Ebenso ist eine Senkung des Befüllungsdrucks des Speichers und somit eine Vereinfachung des Reformers durch den erforderlichen niedrigeren Betriebsdruck möglich.
Beispielsweise kann für den Betrieb eines autothermen Reformers Heißdampf mittels dem Wärmetauscher 2 gemäß der Erfindung zur Verfügung gestellt werden. Alternativ hierzu kann auch in einer Startphase vergleichsweise wenig oder kein Wasser dem Reformer zudosiert werden, wodurch sich die während der Startphase notwendige Heizenergie deutlich reduziert. Im letztgenannten Fall kann beispielsweise der Kraftstoff 6 verdampft und der katalytisch aktive Reformer aufgeheizt werden. Der Umsatz des Kraftstoffs 6 an der katalytisch aktiven Oberfläche erfolgt in diesem Fall im Allgemeinen mit dem Luftsauerstoff, wodurch Wärme freigesetzt und die Heizphase wiederum beschleunigt wird.
Grundsätzlich wird durch einen Wärmetauscher 2 gemäß der Erfindung der Gesamtwirkungsgrad durch die Nutzung der Abgasenergie deutlich verbessert. Durch die Nutzung der Abgasenergie kann die elektrische Aufheizung der katalytisch aktiven Komponenten mit den dafür erforderlichen Heizvorrichtungen entfallen oder reduziert werden. Durch die verbesserten thermischen Betriebsbedingungen für den Abgaskatalysator wird zudem dessen Lebensdauer deutlich erhöht.

Claims

1. Brennstoffzellenanlage mit einer Verbrennungseinrichtung (1), einer Brennstoffzelleneinheit und einer Umformeinheit zur Umformung von kohlenwasserstoffhaltigen Stoffgemischen (6) zu einem wasserstoffangereicherten Fluid, wobei die Verbrennungseinrichtung (1) wenigstens eine Abgasleitung (3) zum Ausströmen von Abgas (7) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens an der Abgasleitung (3) eine Wärmetauschereinheit (2) zur Erwärmung eines Heizfluids und/oder eines Betriebsstoffes der Umformeinheit durch die Abwärme des Abgasstromes (7) angeordnet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmetauschereinheit (2) im Bereich einer Ausströmöffnung (4) der Verbrennungseinrichtung (1) angeordnet ist.

3. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zu erwärmende Betriebsstoff der Umformeinheit wenigstens teilweise das kohlenwasserstoffhaltige Stoffgemisch (6) umfasst.

4. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zu erwärmende Betriebsstoff der Umformeinheit wenigstens teilweise Luft umfasst.

5. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zu erwärmende Betriebsstoff der Umformeinheit wenigstens teilweise Wasser umfasst.

6. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Dosierelement zum Dosieren des Betriebsstoffes und/oder des Heizfluids vorgesehen ist.

7. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine katalytisch aktive Abgasreinigungsvorrichtung vorgesehen ist.

8. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasreinigungsvorrichtung in Strömungsrichtung des Abgasstromes (7) hinter der Wärmetauschereinheit (2) angeordnet ist.

9. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Speichervorrichtung zum Speichern des wasserstoffangereicherten Fluids vorgesehen ist.

10. Fahrzeug, insbesondere Kraftwagen, mit einer Brennstoffzellenanlage, die eine Verbrennungseinrichtung (1), eine Brennstoffzelleneinheit und eine Umformeinheit zur Umformung von kohlenwasserstoffhaltigen Stoffgemischen (6) zu einem wasserstoffangereicherten Fluid umfasst, wobei die Verbrennungseinrichtung (1) wenigstens eine Abgasleitung (3) zum Ausströmen von Abgas (7) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzellenanlage nach einem der vorgenannten Ansprüche ausgebildet ist.