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WO2001065620A2 - Brennstoffzelle und verfahren zur aufbereitung des prozessgases für eine brennstoffzelle - Google Patents

Brennstoffzelle und verfahren zur aufbereitung des prozessgases für eine brennstoffzelle Download PDF

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WO2001065620A2
WO2001065620A2 PCT/DE2001/000606 DE0100606W WO0165620A2 WO 2001065620 A2 WO2001065620 A2 WO 2001065620A2 DE 0100606 W DE0100606 W DE 0100606W WO 0165620 A2 WO0165620 A2 WO 0165620A2
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
fuel cell
process gas
reactor
exhaust air
cathode side
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/DE2001/000606
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WO2001065620A3 (de
Inventor
Franz Reichenbach
Karl Eck
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Vodafone GmbH
Siemens AG
Atecs Mannesmann GmbH
Original Assignee
Vodafone GmbH
Siemens AG
Atecs Mannesmann GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
Application filed by Vodafone GmbH, Siemens AG, Atecs Mannesmann GmbH filed Critical Vodafone GmbH
Priority to AU52099/01A priority Critical patent/AU5209901A/en
Publication of WO2001065620A2 publication Critical patent/WO2001065620A2/de
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Publication of WO2001065620A3 publication Critical patent/WO2001065620A3/de
Ceased legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/06—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
    • H01M8/0606—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants
    • H01M8/0612—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants from carbon-containing material
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/06—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
    • H01M8/0662—Treatment of gaseous reactants or gaseous residues, e.g. cleaning
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the invention relates to a fuel cell with a device comprising at least one reactor for processing the process gas (fuel) for the fuel cell and a method for processing the process gas for a
  • fuel cell In a fuel cell, hydrogen is burned catalytically with the oxygen from the air, releasing energy in the form of heat and electrical current.
  • fuel cell also means fuel cell systems which are formed from a large number of elementary fuel cells
  • interconnector Several fuel cells are usually connected in series to achieve a high performance to form a so-called fuel cell stack.
  • the connecting element of two fuel cells is known under the name interconnector or bipolar plate
  • Hydrogen can be produced from hydrocarbons on the one hand by the process of partial oxidation (POX), in which case oxygen must be added to the reaction.
  • POX partial oxidation
  • hydrogen can also be obtained by steam reforming from other fuels such as methanol or methane
  • Anode catalysts such as platinum are "poisoned" even at the lowest carbon monoxide concentrations, ie they already occur
  • the performance loss of a membrane fuel cell with CO contents between 10 ppm and 250 ppm is, for example, between 20 and 90%, depending on the anode catalyst and depending on the load.
  • One possible method for cleaning the process gas consists of a two-stage treatment, in which the process gas firstly has one or more preliminary stages, the so-called shift stages (HTS high-temperature shredding stage and / or TTS
  • the process gas is finely cleaned by supplying oxygen by oxidizing the carbon monoxide to carbon dioxide.
  • the process gas, which has been cleaned in this way, is fed to the anode of the fuel cell
  • oxygen and water vapor are required.
  • the oxygen is required for preferential oxidation (PROX), the water vapor or the water for the homogeneous water gas reaction in the shift stage / stages
  • DE 195 31 852 C1 discloses a fuel cell with a drainage system in which the product water from the fuel cell is disposed of via a water separator. Furthermore, external moistening of the membrane of the fuel cell is unnecessary. However, there is no mention of the use of the product water for cleaning the product gas
  • a disadvantage of the above-mentioned devices and methods for process gas cleaning and product water supply for a fuel cell is the need for additional components, for example for water separation. These additional components make the fuel cell more expensive and complicated
  • an exhaust air line from the cathode side of the fuel cell is connected to a supply line of the process gas to the at least one reactor. This can require water and / or oxygen all or part of the gas treatment from the
  • a fuel cell according to the invention is preferred, the device for processing the process gas with a first reactor for generating the process gas from hydrocarbons by means of partial oxidation (POX), a first
  • Cleaning chamber for cleaning the process gas by means of a high temperature shift stage (HTS) and / or a second cleaning chamber for cleaning the process gas by means of a low temperature shift stage (TTS) and / or a second reactor for fine cleaning of the process gas by means of selective oxidation (PROX) is the exhaust line on the cathode side of the fuel cell at least one of the process gas supply lines connected to the aforementioned treatment stages
  • a fuel cell is particularly preferred in which the exhaust air line of the fuel cell with the respective process gas supply lines to the first reactor for the
  • Partial oxidation and connected to the second reactor for selective oxidation (PROX)
  • the respective proportion of the exhaust air flow can be selected according to the requirements of the respective reaction. This means that, for example, only a part of the exhaust air into the PROX reactor and the rest of the exhaust air from the fuel cell is fed into the POX reactor
  • the device for process gas processing has only one supply of the exhaust air flow from the fuel cell before the selective oxidation (PROX)
  • the fuel cell according to the invention can be provided with a device for measuring the 0 2 content in the exhaust stream of the cathode in order to measure the 0 2 consumption on the cathode side of the fuel cell
  • Battery in a vehicle in particular used as a drive battery in an electric vehicle
  • the object of the present invention is achieved according to the second aspect by a method for processing the process gas for a fuel cell with at least partial coverage of the water and / or oxygen requirements of the gas processing from the exhaust air flow from the cathode of the fuel cell by at least a part of the exhaust air flow to the process gas to be processed is metered
  • a process is preferred in which the process gas passes through one or more of the subsequent treatment stages. It can be produced from hydrocarbons in a first reactor by means of partial oxidation (POX), then pre-cleaned in a first cleaning chamber by means of a high-temperature shift stage (HTS) and then in a second Cleaning chamber further cleaned by means of a low temperature shift stage (TTS) and finally in a second and / or third and / or another Reactor can be finely cleaned by means of selective oxidation (PROX), the exhaust air flow from the cathode side of the fuel cell being metered into the process gas before at least one of the above-mentioned treatment stages
  • POX partial oxidation
  • HTS high-temperature shift stage
  • TTS low temperature shift stage
  • PROX selective oxidation
  • Fuel cell is carried out in at least two subsets immediately before at least two treatment stages, in particular before the partial oxidation (POX) and before and / or the stages of the selective oxidation (PROX)
  • a particularly advantageous embodiment of the present invention provides for the electrical current generated by the fuel cell and the 0 2 content of the exhaust air flow to be measured on the cathode and, taking into account the determined values, supply exactly as much 0 2 to the cathode side as the total for the upstream (s) Preparation stage (s) of the process gas and the operation of the fuel cell is required
  • the amount of process gas currently required results from the amount of electrical current.
  • the treatment of the process gas in turn requires a certain minimum amount of oxygen be determined to the cathode.
  • a method is preferred in which the oxygen requirement on the cathode side of the fuel cell is covered by air supply
  • the solution of the object of the invention is therefore based on the concept of covering the air and water supply of the fuel cell from the exhaust air flow of the fuel cell
  • the fuel cell consists of two electrode spaces.
  • the anode space is flowed through by hydrogen, and hydrogen ions form when electrons are released.
  • the cathode space through which air flows, the hydrogen ions react with oxygen to form water. This means that the exhaust air flow on the cathode side always contains water Since air and thus also oxygen must be supplied in excess for the reaction in the fuel cell, this means that the exhaust air from the cathode always contains oxygen
  • the air is preferably metered in such amounts that the exhaust air from the fuel cell contains exactly as much oxygen as is required for the partial oxidation and the selective oxidation.
  • the exhaust gas stream from the cathode can thus be used directly for the oxygen supply for the partial oxidation
  • only a part of the gas stream of the cathode exhaust air is metered in before the partial oxidation and another part before the selective oxidation.
  • the oxygen contained in the cathode exhaust air supplies the partial oxidation, while the water vapor contained supplies the subsequent homogeneous water gas reaction
  • the water requirement in the shift stages can be covered regularly by the water content in the supplied cathode exhaust air stream.
  • the excess and unused water migrates through the
  • Shift stage and selective oxidation and is used for moistening the membrane on the anode side
  • the membranes of the fuel cell do not have to be moistened in a complex manner, and no complex condensation for obtaining water by cooling the cathode exhaust gas stream has to be carried out.
  • the nitrogen and excess water supplied by the cathode inlet leave the fuel cell as exhaust gas on the anode side and are thus eliminated out of circulation This leads to the fact that this system can be constructed very simply in comparison to previously known fuel cells.
  • Oxygen demand in the fuel cell can be calculated from the current that the fuel cell supplies
  • a first reactor 1 for a partial oxidation the fuel (for example methanol) supplied via a line 10 is partially oxidized with the oxygen from the cathode exhaust air of the fuel cell 7 supplied through an exhaust air line 8.
  • the process gas is then fed through the feed lines 12, 13 to the shift stages 2 3 supplied
  • the water portion from the exhaust air flow of the fuel cell 7 is partly consumed in the high-temperature shift stage 2 and in the low-temperature shift stage 3.
  • the excess water (water vapor) is available for moistening the membrane on the anode side 5 of the fuel cell 7
  • the process gas passes from the low-temperature shift stage 3 via a feed line 14 to a reactor 4 for a selective oxidation (PROX). Further oxygen is required there, which is also metered in via the exhaust air line 8.
  • the unused one Water vapor which is contained in this part of the cathode exhaust air stream, is also available for moistening the membrane of the anode side 5 of the fuel cell 7.
  • the anode side 5 is connected
  • the hydrogen that has left the selective oxidation reacts, consuming oxygen from the supply air line 6 and forming water on the cathode side 9 of the fuel cell 7.
  • the amount of oxygen supplied via the supply air line 6 must be at least as large as the need in the fuel cell 7 and in the partial and in the selective oxidation 1 or 4.
  • the oxygen not consumed in the fuel cell 7 leaves the fuel cell 7 with the water formed and becomes the in front of the reactors of the selective oxidation 4 and the partial oxidation 1 Process gas metered.
  • the oxygen is completely consumed after the selective oxidation.
  • the nitrogen supplied by the air, excess water and other residual gas (in particular Co 2 ) leave the fuel cell 7 as exhaust gas on the anode side 5
  • the reactors 1, 2, 3 and 4 can also be arranged in another suitable manner. Such arrangements are known to the person skilled in the art. In particular, selective oxidation can be carried out in one or two stages. One, two or more reactors can be used.

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Abstract

Beschrieben werden eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Aufbereitung des Prozessgases für eine Brennstoffzelle (7), wobei eine Leitung (8) für den Abluftstrom der Kathodenseite der Brennstoffzelle mit der Prozessgaszuleitung zu mindestens einem Reaktor (1) zur Gasaufbereitung verbunden ist, so dass der Wasser- und/oder Sauerstoffbedarf der Gasaufbereitung ganz oder teilweise aus dem Abluft-strom der Kathodenseite der Brennstoffzelle gedeckt ist.

Description

Brennstoffzelle und Verfahren zur Aufbereitung des Prozeßgases für eine
Brennstoffzelle
Beschreibung
Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle mit einer mindestens einem Reaktor umfassenden Vorrichtung zur Aufbereitung des Prozeßgases (Brennstoff) für die Brennstoffzelle und ein Verfahren zur Aufbereitung des Prozeßgases für eine
Brennstoffzelle
In einer Brennstoffzelle wird Wasserstoff mit dem Sauerstoff aus der Luft katalytisch verbrannt wobei Energie in Form von Warme und elektrischem Strom frei wird Mit dem Begriff Brennstoffzelle sind im folgenden auch Brennstoffzellenanlagen gemeint die aus einer Vielzahl elementarer Brennstoffzellen gebildet sind
Es sind sogenannte PEM-Breπnstoffzellen bekannt, bei denen protonenleitende Membranen als Elektrolyt und Platin als Anodenkatalysator vorgesehen sind PEM- Brennstoffzellen werden im Vergleich zu sogenannten SOFC-Breπnstoffzellen bei geringen Temperaturen von etwa 10θ'C betrieben
Mehrere Brennstoffzellen werden in der Regel zur Erzielung großer Leistungen seriell miteinander zu einem sogenannten Brennstoffzellenstapel verbunden Das verbindende Element zweier Brennstoffzellen ist unter der Bezeichnung Interkonnektor oder aber bipolare Platte bekannt
Die für den Betrieb der Brennstoffzelle als Oxidationsmittel benotigte Luft wird aus der Umgebung angesaugt, der als Brennstoff benotigte Wasserstoff muß hergestellt werden Wasserstoff kann aus Kohlenwasserstoffen zum einen durch das Verfahren der partiellen Oxidation (POX) hergestellt werden, wobei der Reaktion Sauerstoff zugeführt werden muß Alternativ kann Wasserstoff auch durch Dampfreformierung aus anderen Brennstoffen wie Methanol oder Methan gewonnen werden Bei den
Reformierungsreaktionen entsteht neben Wasserstoff und Kohlendioxid auch Kohlenmonoxid (CO) in Konzentrationen von etwa 0,5 bis 2 Vol%
Anodenkatalysatoren wie Platin werden schon bei geringsten Kohlenmonoxidkonzentrationen "vergiftet", d h es treten schon bei
Kohlenmonoxidkonzentrationen im Wasserstoff oberhalb von etwa 10 ppm hohe Spannungs- und Leistungsverluste auf Dieses Kohlenmonoxid muß auf Brennstoffzellen-vertragliche Werte gesenkt werden
Der Leistungsverlust einer Membranbrennstoffzelle bei CO-Anteilen zwischen 10 ppm und 250 ppm betragt beispielsweise, je nach Anodenkatalysator und abhangig von der Belastung, zwischen 20 und 90%
Weiterhin ist die Reinheit des Gases, das durch die Brennstoffzelle geleitet wird, maßgeblich für die Haltbarkeit und Lebensdauer der Brennstoffzelle Da die
Brennstoffzelle nur sehr geringe Konzentrationen an CO vertragt, muß auf die CO- Reinigung des Prozeßgases sehr viel Wert gelegt werden
Es ist bekannt, zur Losung des Problems im Anschluß an die Reformierung des Brenngases die CO-Konzentration im Wasserstoff mittels nachgeschalteter
Reinigungsstufen zu verringern So wird in der US 5 702,838 eine Brennstoffzelle mit einem Katalysator zur Entfernung von CO beschrieben
Es ist ferner bekannt, zur Losung des Problems CO-resistente Anodenkatalysatoren zu entwickeln und einzusetzen Zu diesem Zweck wurden Platin-Ruthenium-Legierungen als Katalysator verwendet
Allerdings tritt auch bei diesen verbesserten Katalysatoren noch ein deutlicher Spannungsverlust aufgrund von im Wasserstoff auftretendem CO auf Ferner sind die Legierungen teuer und müssen aufwendig verarbeitet werden Aus den Druckschriften DE 44 08 962 A1 sowie WO 94/09523 A1 geht hervor daß CO aus dem Brenngas durch Carbonisieren bzw durch Umsetzung mit Sauerstoff oder sauerstoffhaltigen Gasgemischen im isothermischen Reaktor aus dem Brennstoff entfernbar ist
Es ist also bekannt, zur Losung des Problems geringe Mengen Sauerstoff oder Luft zum Wasserstoffgas hinzuzugeben Vergiftungseffekte aufgrund von CO lassen sich so eliminieren Bei Zusatz von etwa 1 % Sauerstoff zum Wasserstoff wurden die gleichen Leistungsdaten (Strom-Spannungs-Kurven) wie bei reinem, CO-freiem Wasserstoff erreicht
Ein mögliches Verfahren zur Reinigung des Prozeßgases besteht in einer zweistufigen Behandlung, bei der das Prozeßgas zunächst in einer oder mehrerer Vorstufen, den sogenannten Shiftstufen (HTS Hochtemperatur-Shrftstufe und/oder TTS
Tieftemperatur-Shiftstufe) durch eine homogene Wassergasreaktion vorgereinigt wird
In einer nachfolgenden Stufe, der sogenannten praferentiellen Oxidation (PROX) wird das Prozeßgas durch die Zufuhr von Sauerstoff feingereinigt, indem das Kohlenmonoxid zu Kohlendioxid oxidiert wird Das so feingereinigte Prozeßgas wird der Anode der Brennstoffzelle zugeführt
Wird der Wasserstoff durch dieses Verfahren feingereinigt, wird dafür Sauerstoff und Wasserdampf benotigt Der Sauerstoff wird für die praferentielle Oxidation (PROX) benotigt, der Wasserdampf, bzw das Wasser für die homogene Wassergasreaktion in der Shiftstufe/ den Shiftstufen
Aus der DE 195 31 852 C1 ist eine Brennstoffzelle mit einem Entwässerungssystem bekannt bei der das Produktwasser aus der Brennstoffzelle über einen Wasserabscheider entsorgt wird Weiterhin ist eine externe Befeuchtung der Membran der Brennstoffzelle entbehrlich Eine Verwendung des Produktwassers zur Reinigung des Produktgases wird dort jedoch nicht erwähnt
Aus der DE 196 46 354 C1 ist eine Brennstoffzelle bekannt, die eine Breπnstoffversorgungsleitung für die Brennstoffzelle sowie einen Elektrolyseur zur Einspeisung von Sauerstoff in die Brennstoffversorguπgsleitung aufweist Der eingespeiste Sauerstoff ist frei von Stickstoff, so daß die mit Stickstoff verbundenen Inertgasprobleme nicht mehr auftreten Dort wird weiterhin vorgeschlagen, das Produktwasser der Brennstoffzelle für die Elektrolyse zur Herstellung des Sauerstoffs zu verwenden Eine andere Verwendung des Produktwassers wird nicht erwähnt
Ein Nachteil der oben genannten Vorrichtungen und Verfahren zur Prozeßgasreinigung und Produktwassereπtsorgung für eine Brennstoffzelle ist in der Notwendigkeit zusätzlicher Komponenten zu sehen zum Beispiel zur Wasserabscheidung Diese zusätzlichen Bauelemente verteuern und verkomplizieren die Brennstoffzelle
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Reinigung des Prozeßgases für eine Brennstoffzelle zur Verfugung zu stellen welche die oben erwähnten Nachteile des Standes der Technik überwinden
Die Aufgabe wird durch eine Brennstoffzelle und ein Verfahren mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelost Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den ruckbezogenen Uπteranspruchen
Ausgehend von einer Brennstoffzelle mit einer mindestens einen Reaktor umfassenden
Vorrichtung zur Aufbereitung des Prozeßgases für die Brennstoffzelle wird die Aufgabe gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung dadurch gelost, daß eine Abluftleitung aus der Kathodenseite der Brennstoffzelle mit einer Zuleitung des Prozeßgases zu dem mindestens einen Reaktor verbunden ist Hierdurch kann der Wasser- und/oder Sauerstoffbedarf der Gasaufbereitung ganz oder teilweise aus dem
Abluftstrom der Kathodenseite der Brennstoffzelle zur Verfugung gestellt werden
Bevorzugt ist eine erfindungsgemaße Brennstoffzelle, deren Vorrichtung zur Prozeßgasaufbereitung mit einem ersten Reaktor zur Erzeugung des Prozeßgases aus Kohlenwasserstoffen mittels Partieller Oxidation (POX), einer ersten
Reinigungskammer zur Reinigung des Prozeßgases mittels einer Hochtemperatur- Shiftstufe (HTS) und/oder einer zweiten Reinigungskammer zur Reinigung des Prozeßgases mittels einer Tieftemperatur-Shiftstufe (TTS) und/oder einem zweiten Reaktor zur Feinreinigung des Prozeßgases mittels Selektiver Oxidation (PROX) ausgestattet ist Dabei ist die Abluftleitung der Kathodenseite der Brennstoffzelle mit mindestens einer der Prozeßgaszuleitungen zu den vorgenannten Aufbereitungsstufen verbunden
Besonders bevorzugt ist eine Brennstoffzelle, bei der die Abluftleitung der Brennstoffzelle mit den jeweiligen Prozeßgaszuleitungen zu dem ersten Reaktor für die
Partielle Oxidation (POX) und zu dem zweiten Reaktor für die Selektive Oxidation (PROX) verbunden ist Dabei kann der jeweilige Anteil des Abluftstroms nach den Erfordernissen der jeweiligen Reaktion gewählt werden Dies bedeutet, daß beispielsweise nur ein Teil der Abluft in den PROX-Reaktor und der Rest der Abluft der Brennstoffzelle in den POX-Reaktor gefuhrt wird
Es kann auch vorgesehen sein daß die Vorrichtung zur Prozeßgasaufbereitung nur eine Zufuhrung des Abluftstromes der Brennstoffzelle vor der Selektiven Oxidation (PROX) aufweist
Weiterhin kann die erfindungsgemaße Brennstoffzelle mit einer Vorrichtung zur Messung des 02-Gehaltes im Abiuftstrom der Kathode versehen sein, um so den 02- Verbrauch an der Kathodenseite der Brennstoffzelle zu messen
Mit besonderem Vorteil wird die erfindungsgemaße Brennstoffzelle als elektrische
Batterie in einem Fahrzeug, insbesondere als Antriebsbatterie in einem Elektrofahrzeug verwendet
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird gemäß dem zweiten Aspekt gelost durch ein Verfahren zur Aufbereitung des Prozeßgases für eine Brennstoffzelle mit zumindest teilweiser Deckung des Wasser- und/oder Sauerstoffbedarfs der Gasaufbereitung aus dem Abluftstrom der Kathode der Brennstoffzelle indem zumindest ein Teil des Abluftstromes dem aufzubereitenden Prozeßgas zudosiert wird
Bevorzugt ist ein Verfahren, beim dem das Prozeßgas eine oder mehrere der nachfolgenden Aufbereitungsstufen durchlauft Es kann in einem ersten Reaktor mittels Partieller Oxidation (POX) aus Kohlenwasserstoffen erzeugt, anschließend in einer ersten Reiniguπgskammer mittels einer Hochtemperatur-Shiftstufe (HTS) vorgereinigt dann in einer zweiten Reinigungskammer mittels einer Tieftemperatur-Shiftstufe (TTS) weiter gereinigt und schließlich in einem zweiten und/oder dritten und/oder weiteren Reaktor mittels selektiver Oxidation (PROX) feingereinigt werden, wobei der Abluftstrom der Kathodenseite der Brennstoffzelle vor mindestens einer der vorgenannten Aufbereitungsstufen dem Prozeßgas zudosiert wird
Bevorzugt ist ein Verfahren, bei dem die Zudosierung des Abluftstromes der
Brennstoffzelle in mindestens zwei Teilmengen unmittelbar vor mindestens zwei Aufbereitungsstufen, insbesondere vor der Partiellen Oxidation (POX) und vor der und /oder den Stufen der Selektiven Oxidation (PROX) erfolgt
Eine besonders vorteilhafte Ausfuhrungsform der vorliegenden Erfindung sieht vor den von der Brennstoffzelle erzeugten elektrischen Strom und den 02-Gehalt des Abluftstroms der Kathode zu messen und unter Berücksichtigung der ermittelten Werte der Kathodenseite genau soviel 02 zuzuführen, wie insgesamt für die vorgeschaltete(n) Aufbereιtungsstufe(n) des Prozeßgases und den Betrieb der Brennstoffzelle benotigt wird Aus der Hohe des elektrischen Stroms ergibt sich die aktuell benotigte Menge an aufbereitetem Prozeßgas Die Aufbereitung des Prozeßgases wiederum erfordert eine bestimmte Mindestmenge an Sauerstoff Daraus wiederum kann etnsprechend dem Sauerstoffgehalt der Kathodenabluft die benotigte Sauerstoffzufuhrmenge zur Kathode bestimmt werden.
Dabei ist ein Verfahren bevorzugt, bei dem der Sauerstoffbedarf der Kathodenseite der Brennstoffzelle durch Luftzufuhr gedeckt wird
Weiterhin empfiehlt es sich, auch die Befeuchtung der Membran der Brennstoffzelle mit Hilf ihres Abluftstromes vorzunehmen
Die erfindungsgemaße Losung der Aufgabe der Erfindung beruht somit auf dem Konzept der Deckung der Luft- und Wasserversorgung der Brennstoffzelle aus dem Abluftstrom der Brennstoffzelle
Die Brennstoffzelle besteht aus zwei Elektrodenraumen Der Anodenraum wird von Wasserstoff durchströmt, wobei sich unter Abgabe von Elektronen Wasserstoffionen bilden Im Kathodenraum, welcher von Luft durchströmt wird, reagieren die Wasserstoffioπen mit Sauerstoff unter Bildung von Wasser Dies bedeutet, daß der Abluftstrom der Kathodenseite stets Wasser enthalt Da für die Reaktion in der Brennstoffzelle Luft und damit auch Sauerstoff im Überschuß zugeführt werden muß, bedeutet dies, daß die Abluft der Kathode immer Sauerstoff enthalt
Bei der vorliegenden Erfindung wird nun die Luft vorzugsweise in solchen Mengen zudosiert, daß die Abluft der Brennstoffzelle genau so viel Sauerstoff enthalt wie für die Partielle Oxidation und die Selektive Oxidation benotigt wird So kann der Abgasstrom der Kathode direkt zur Sauerstoffversorgung für die Partielle Oxidation dienen
Bei einer bevorzugten Ausfuhrungsform der vorliegenden Erfindung wird nur ein Teil des Gasstroms der Kathodenabluft vor der Partiellen Oxidation und ein anderer Teil vor der Selektiven Oxidation zudosiert Der in der Kathodenabluft enthaltene Sauerstoff versorgt die Partielle Oxidation, wahrend der enthaltene Wasserdampf die nachfolgende homogene Wassergasreaktion versorgt
Erfindungsgemaß konnte gefunden werden, daß der Wasserbedarf in den Shiftstufen regelmäßig durch den Wassergehalt im zugefuhrten Kathodenabluftstrom gedeckt werden kann Das überschüssige und nicht verbrauchte Wasser wandert durch die
Shiftstufe und die Selektive Oxidation und wird für die Befeuchtung der Membran auf der Anodenseite verwendet
Ein entscheidender Vorteil der vorliegenden Erfindung ist die Vereinfachung der benotigten Technik für eine Brennstoffzelle
So müssen gemäß der vorliegenden Erfindung die Membranen der Brennstoffzelle nicht aufwendig befeuchtet werden, und es muß keine aufwendige Kondensation zur Wassergewinnung durch Kühlung des Kathodenabgasstroms durchgeführt werden Der durch die Kathodenzuluft zugefuhrte Stickstoff und überschüssiges Wasser verlassen auf der Anodenseite die Brennstoffzelle als Abgas und werden somit aus dem Kreislauf ausgeschleust Dies fuhrt dazu, daß dieses System im Vergleich zu bisher bekannten Brennstoffzellen sehr einfach aufgebaut werden kann Es fallen sehr viele Komponenten und Apparate weg, die herkömmliche Systeme sehr kompliziert und teuer machen
Es konnte erfindungsgemaß gezeigt werden, daß der Wasserstoffverbrauch und der
Sauerstoffbedarf in der Brennstoffzelle durch den Strom, den die Brennstoffzelle liefert berechnet werden kann
Zum stochiometπschen Sauerstoffbedarf der eigentlichen Brennstoffzelle, d h dem theoretisch exakten Verbrauch muß ein Überschuß hinzugerechnet werden, der für die anschließende Reaktion in der Partiellen Oxidation oder den Reinigungsstufen der Hoch- und Tieftemperatur-Shiftstufe bzw Selektiven Oxidation benotigt wird
Der Überschuß ist nicht konstant und hangt von den Betriebsbedingungen ab
Die Erfindung wird nun anhand eines Ausfuhrungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beigefugte Zeichnung naher erläutert
Die einzige Figur zeigt schematisch eine bevorzugte Ausfuhrungsform der erfindungsgemaßen Vorrichtung zur Erzeugung und Feinreinigung des
Brennstoffgases für eine Brennstoffzelle mit den Schritten Partielle Oxidation (POX), Hochtemperatur-Shift (HTS), Tieftemperatur-Shift (TTS) und Selektive Oxidation (PROX)
In einem ersten Reaktor 1 für eine Partielle Oxidation wird der über eine Leitung 10 zugefuhrte Brennstoff (z B Methanol) mit dem Sauerstoff aus der druch eine Abluftleitung 8 zugefuhrten Kathodenabluft der Brennstoffzelle 7 partiell oxidiert Das Prozeßgas wird anschließend über die Zuleitungen 12, 13 den Shiftstufen 2 3 zugeführt Der Wasseranteil aus dem Abluftstrom der Brennstoffzelle 7 wird zu einem Teil in der Hochtemperatur-Shiftstufe 2 und in der Tieftemperatur-Shiftstufe 3 verbraucht Das überschüssige Wasser (Wasserdampf) steht für die Befeuchtung der Membran auf der Anodenseite 5 der Brennstoffzelle 7 zur Verfugung Aus der Tieftemperatur-Shiftstufe 3 gelangt das Prozeßgas über eine Zuleitung 14 zu einem Reaktor 4 für eine Selektive Oxidation (PROX) Dort wird weiterer Sauerstoff benotigt der ebenfalls über die Abluftleitung 8 zudosiert wird Der nicht verbrauchte Wasserdampf, der in diesem Teil des Kathodeπabluftstromes enthalten ist, steht ebenfalls für die Befeuchtung der Membran der Anodenseite 5 der Brennstoffzelle 7 zur Verfügung. Die Anodenseite 5 ist über eine Zuleitung 15 mit dem Reaktor 4 verbunden.
In der Brennstoffzelle 7 reagiert nun der Wasserstoff, der die Selektive Oxidation verlassen hat, unter Verbrauch von Sauerstoff aus der Zuluftleitung 6 und unter Bildung von Wasser auf der Kathodenseite 9 der Brennstoffzelle 7. Die über die Zuluftleitung 6 zugeführte Sauerstoffmenge muß mindestens so groß sein wie der Bedarf in der Brennstoffzelle 7 und in der Partiellen und in der Selektiven Oxidation 1 bzw 4. Der in der Brennstoffzelle 7 nicht verbrauchte Sauerstoff verläßt mit dem entstanden Wasser die Brennstoffzelle 7 und wird vor den Reaktoren der Selektiven Oxidation 4 und der Partiellen Oxidation 1 dem Prozeßgas zudosiert. Der Sauerstoff ist nach der selektiven Oxidation vollständig verbraucht. Der durch die Luft zugeführte Stickstoff , überschüssiges Wasser und sonstiges Restgas (insbesondere Co2) verlassen auf der Anodeπseite 5 die Brennstoffzelle 7 als Abgas
In weiteren Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können die Reaktoren 1 , 2, 3 und 4 auch in anderer geeigneter Weise angeordnet sein. Derartige Anordnungen sind dem Fachmann bekannt. So kann insbesondere die Selektive Oxidation einstufig oder zweistufig betrieben werden. Dabei können ein, zwei oder mehrere Reaktoren zur Anwendung kommen.
Bezugszeichenliste
I erster Reaktor (POX) 2 erste Shiftstufe (HTS)
3 zweite Shiftstufe (TTS)
4 zweiter Reaktor (PROX)
5 Anodenseite der Brennstoffzelle
6 Zuluftleitung zur Kathodenseite der Brennstoffzelle 7 Brennstoffzelle
8 Abluftleitung aus der Kathodeπseite der Brennstoffzelle
9 Kathodenseite der Brennstoffzelle
10 Brennstoff-Zuleitung
I I Anodenabluftleitung 12 Zuleitung zur ersten Shiftstufe
13 Zuleitung zur zweiten Shiftstufe
14 Zuleitung zum zweiten Reaktor
15 Zuleitung zur Anodenseite der Brennstoffzelle

Claims

Patentansprüche
1 Brennstoffzelle mit einer mindestens einen Reaktor (1-4) umfassenden Vorrichtung zur Aufbereitung des Prozeßgases für die Brennstoffzelle (7), dadurch gekennzeichnet, daß eine Abluftleitung (8) aus der Kathodenseite (9) der Brennstoffzelle (7) mit einer Zuleitung (10, 14) des Prozeßgases zu dem mindestens einen Reaktor (1 4) wobei der Wasser- und/oder Sauerstoffbedarf der Gasaufbereitung mindestens teilweise aus dem Abluftstrom der Kathodenseite (9) der Brennstoffzelle (7) gedeckt ist
2 Brennstoffzelle nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung einen ersten Reaktor (1 ) zur Erzeugung des Prozeßgases mittels Partieller Oxidation (POX) umfaßt
Brennstoffzelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß dem ersten Reaktor (1 ) eine erste Reinigungskammer (2) zur Reinigung des Prozeßgases mittels einer Hochtemperatur-Shiftstufe (HTS) nachgeschaltet ist
Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 2 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß dem ersten Reaktor (1) eine zweite Reinigungskammer (3) zur Reinigung des Prozeßgases mittels einer Tieftemperatur-Shiftstufe (TTS) nachgeschaltet
Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß dem ersten Reaktor (1 ) ein zweiter Reaktor (4) zur Feinreinigung des Prozeßgases mittels Selektiver Oxidation (PROX), nachgeschaltet ist
Brennstoffzelle nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Abluftleitung (8) der Brennstoffzelle (7) mit den Zuleitungen (10 und 14) des ersten Reaktors(1 ) und des zweiten Reaktors (4) verbunden ist
Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vorrichtung zur Messung des 02-Gehaltes in der Abluftleitung (8) aus der Kathodenseite (9) der Brennstoffzelle (7) vorgesehen ist
Verwendung einer Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 7 als elektrische Batterie in einem Fahrzeug, insbesondere einem Elektrofahrzeug
Verfahren zur Aufbereitung des Prozeßgases für eine Brennstoffzelle mit Deckung des Wasser- und/oder Sauerstoffbedarfs der Gasaufbereituπg zumindest teilweise aus dem Abluftstrom der Kathodenseite (9) der Brennstoffzelle (7) durch Zudosieruπg zumindest eines Teils des Abluftstroms zu dem aufzubereitenden Prozeßgas
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Prozeßgas mindestens eine der folgenden Aufbereituπgsstufen durchlauft
- einen ersten Reaktor (1 ) für eine Partielle Oxidation (POX),
- eine erste Reinigungskammer (2) zur Vorreinigung des Prozeßgases mittels einer Hochtemperatur-Shiftstufe (HTS), - eine zweite Reinigungskammer (3) zur Reinigung des Prozeßgases mittels einer Tieftemperatur-Shiftstufe (TTS)
- und einen zweiten Reaktor (4) zur Feinreinigung des Prozeßgases mittels Selektiver Oxidation (PROX)
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils ein Teil des Abluftstromes der Kathodenseite (9) der Brennstoffzelle (7) unmittelbar vor mindestens zwei der Aufbereitungsstufen dem Prozeßgas zudosiert wird Verfahren nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, daß die Zudosierung eines Teils des Abluftstromes der Kathodenseite (9) der Brennstoffzelle (7) unmittelbar vor dem ersten Reaktor (1 ) und eines weiteren Teils des Abluftstromes unmittelbar vor dem zweiten Reaktor (2) erfolgt
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß man den von der Brennstoffzelle (7) erzeugten elektrischen Strom und den 02-Gehalt des Abluftstroms (8) der Kathode (9) mißt und unter Berücksichtigung der ermittelten Werte der Kathodenseite (9) der Brennstoffzelle (7) genau soviel 02 zufuhrt, wie man insgesamt für die vorgeschaltete(n) Aufbereιtungsstufe(n) des Prozeßgases und den Betrieb der Brennstoffzelle (7) benötigt
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Sauerstoffbedarf der Kathodenseite (9) der Brennstoffzelle (7) durch Luftzufuhr gedeckt wird
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Befeuchtung der Membran der Brennstoffzelle (7) mittels ihres Abluftstromes (8) erfolgt
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