WO2001065620A2 - Fuel cell and a method for processing the process gas for a fuel cell - Google Patents
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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
Description
Brennstoffzelle und Verfahren zur Aufbereitung des Prozeßgases für eine Fuel cell and method for processing the process gas for a
Brennstoffzellefuel cell
Beschreibungdescription
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 eineThe 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
Brennstoffzellefuel cell
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 sindIn a fuel cell, hydrogen is burned catalytically with the oxygen from the air, releasing energy in the form of heat and electrical current. The term fuel cell also means fuel cell systems which are formed from a large number of elementary fuel cells
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 betriebenSo-called PEM Breπnstoffzellen known in which proton-conducting membranes are provided as the electrolyte and platinum as the anode catalyst PEM fuel cells are operated in comparison with the so-called SOFC Breπnstoffzellen at low temperatures of about 10θ "C
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 bekanntSeveral 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
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 denThe air required for the operation of the fuel cell as an oxidizing agent is sucked in from the environment, and the hydrogen required as fuel must be produced 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. Alternatively, hydrogen can also be obtained by steam reforming from other fuels such as methanol or methane
Reformierungsreaktionen entsteht neben Wasserstoff und Kohlendioxid auch Kohlenmonoxid (CO) in Konzentrationen von etwa 0,5 bis 2 Vol%In addition to hydrogen and carbon dioxide, reforming reactions also produce carbon monoxide (CO) in concentrations of approximately 0.5 to 2% by volume
Anodenkatalysatoren wie Platin werden schon bei geringsten Kohlenmonoxidkonzentrationen "vergiftet", d h es treten schon beiAnode catalysts such as platinum are "poisoned" even at the lowest carbon monoxide concentrations, ie they already occur
Kohlenmonoxidkonzentrationen im Wasserstoff oberhalb von etwa 10 ppm hohe Spannungs- und Leistungsverluste auf Dieses Kohlenmonoxid muß auf Brennstoffzellen-vertragliche Werte gesenkt werdenCarbon monoxide concentrations in hydrogen above about 10 ppm high voltage and power losses on. This carbon monoxide must be reduced to fuel cell-contractual values
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%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.
Weiterhin ist die Reinheit des Gases, das durch die Brennstoffzelle geleitet wird, maßgeblich für die Haltbarkeit und Lebensdauer der Brennstoffzelle Da dieFurthermore, the purity of the gas that is passed through the fuel cell is decisive for the durability and lifespan of the fuel cell
Brennstoffzelle nur sehr geringe Konzentrationen an CO vertragt, muß auf die CO- Reinigung des Prozeßgases sehr viel Wert gelegt werdenIf the fuel cell only tolerates very low concentrations of CO, great value must be placed on the CO cleaning of the process gas
Es ist bekannt, zur Losung des Problems im Anschluß an die Reformierung des Brenngases die CO-Konzentration im Wasserstoff mittels nachgeschalteterIt is known to solve the problem following the reforming of the fuel gas, the CO concentration in the hydrogen by means of downstream
Reinigungsstufen zu verringern So wird in der US 5 702,838 eine Brennstoffzelle mit einem Katalysator zur Entfernung von CO beschriebenTo reduce purification levels US 5,702,838 describes a fuel cell with a catalyst for removing CO
Es ist ferner bekannt, zur Losung des Problems CO-resistente Anodenkatalysatoren zu entwickeln und einzusetzen Zu diesem Zweck wurden Platin-Ruthenium-Legierungen als Katalysator verwendetIt is also known to develop and use CO-resistant anode catalysts to solve the problem. Platinum-ruthenium alloys have been used as the catalyst for this purpose
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 istHowever, even with these improved catalysts there is still a significant loss of voltage due to CO occurring in the hydrogen. Furthermore, the alloys are expensive and have to be processed in a complex manner From the publications DE 44 08 962 A1 and WO 94/09523 A1 it is apparent that CO can be removed from the fuel gas by carbonization or by reaction with oxygen or oxygen-containing gas mixtures in the isothermal reactor from the fuel
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 erreichtIt is therefore known to add small amounts of oxygen or air to the hydrogen gas to solve the problem. Poisoning effects due to CO can be eliminated in this way. When about 1% oxygen is added to the hydrogen, the same performance data (current-voltage curves) as for pure, CO -free hydrogen reached
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 TTSOne 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
Tieftemperatur-Shiftstufe) durch eine homogene Wassergasreaktion vorgereinigt wirdLow-temperature shift stage) is pre-cleaned by a homogeneous water gas reaction
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 zugeführtIn a subsequent stage, the so-called preferential oxidation (PROX), 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
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 ShiftstufenIf the hydrogen is finely cleaned by this process, 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
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 erwähntDE 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
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 erwähntA fuel cell is known from DE 196 46 354 C1, which has a fuel supply line for the fuel cell and an electrolyser Feeding oxygen into the fuel supply line. The fed-in oxygen is free of nitrogen, so that the inert gas problems associated with nitrogen no longer occur. It is further proposed there that the product water of the fuel cell be used for the electrolysis to produce the oxygen. Another use of the product water will not mentioned
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 BrennstoffzelleA 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
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 überwindenIt is therefore an object of the present invention to provide an apparatus and a method for cleaning the process gas for a fuel cell which overcome the above-mentioned disadvantages of the prior art
Die Aufgabe wird durch eine Brennstoffzelle und ein Verfahren mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelost Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den ruckbezogenen UπteranspruchenThe object is achieved by a fuel cell and a method with the features of the independent claims. Advantageous refinements result from the jerk-related subclaims
Ausgehend von einer Brennstoffzelle mit einer mindestens einen Reaktor umfassendenStarting from a fuel cell with at least one reactor
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 demDevice for processing the process gas for the fuel cell, the object is achieved according to the first aspect of the present invention in that 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
Abluftstrom der Kathodenseite der Brennstoffzelle zur Verfugung gestellt werdenExhaust air flow from the cathode side of the fuel cell can be made available
Bevorzugt ist eine erfindungsgemaße Brennstoffzelle, deren Vorrichtung zur Prozeßgasaufbereitung mit einem ersten Reaktor zur Erzeugung des Prozeßgases aus Kohlenwasserstoffen mittels Partieller Oxidation (POX), einer erstenA 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
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 verbundenCleaning 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
Besonders bevorzugt ist eine Brennstoffzelle, bei der die Abluftleitung der Brennstoffzelle mit den jeweiligen Prozeßgaszuleitungen zu dem ersten Reaktor für dieA 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
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 wirdPartial oxidation (POX) 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
Es kann auch vorgesehen sein daß die Vorrichtung zur Prozeßgasaufbereitung nur eine Zufuhrung des Abluftstromes der Brennstoffzelle vor der Selektiven Oxidation (PROX) aufweistIt can also be provided that the device for process gas processing has only one supply of the exhaust air flow from the fuel cell before the selective oxidation (PROX)
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 messenFurthermore, 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
Mit besonderem Vorteil wird die erfindungsgemaße Brennstoffzelle als elektrischeThe fuel cell according to the invention is particularly advantageously used as an electrical one
Batterie in einem Fahrzeug, insbesondere als Antriebsbatterie in einem Elektrofahrzeug verwendetBattery in a vehicle, in particular used as a drive battery in an electric vehicle
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 wirdThe 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
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 wirdA 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
Bevorzugt ist ein Verfahren, bei dem die Zudosierung des Abluftstromes derA method is preferred in which the metered addition of the exhaust air stream
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) erfolgtFuel 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)
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.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.
Dabei ist ein Verfahren bevorzugt, bei dem der Sauerstoffbedarf der Kathodenseite der Brennstoffzelle durch Luftzufuhr gedeckt wirdA method is preferred in which the oxygen requirement on the cathode side of the fuel cell is covered by air supply
Weiterhin empfiehlt es sich, auch die Befeuchtung der Membran der Brennstoffzelle mit Hilf ihres Abluftstromes vorzunehmenIt is also advisable to also moisten the membrane of the fuel cell using its exhaust air flow
Die erfindungsgemaße Losung der Aufgabe der Erfindung beruht somit auf dem Konzept der Deckung der Luft- und Wasserversorgung der Brennstoffzelle aus dem Abluftstrom der BrennstoffzelleThe 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
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 enthaltThe fuel cell consists of two electrode spaces. The anode space is flowed through by hydrogen, and hydrogen ions form when electrons are released. In 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
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 dienenIn the present invention, 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
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 versorgtIn a preferred embodiment of the present invention, 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
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 dieAccording to the invention, it was found that 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
Shiftstufe und die Selektive Oxidation und wird für die Befeuchtung der Membran auf der Anodenseite verwendetShift stage and selective oxidation and is used for moistening the membrane on the anode side
Ein entscheidender Vorteil der vorliegenden Erfindung ist die Vereinfachung der benotigten Technik für eine BrennstoffzelleA decisive advantage of the present invention is the simplification of the technology required for a fuel cell
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 machenThus, according to the present invention, 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. There are many components and devices which make conventional systems very complicated and expensive
Es konnte erfindungsgemaß gezeigt werden, daß der Wasserstoffverbrauch und derIt could be shown according to the invention that the hydrogen consumption and the
Sauerstoffbedarf in der Brennstoffzelle durch den Strom, den die Brennstoffzelle liefert berechnet werden kannOxygen demand in the fuel cell can be calculated from the current that the fuel cell supplies
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 wirdTo the stochiometric oxygen demand of the actual fuel cell, ie the theoretically exact consumption, an excess must be added, which is required for the subsequent reaction in the partial oxidation or the cleaning stages of the high and low temperature shift stage or selective oxidation
Der Überschuß ist nicht konstant und hangt von den Betriebsbedingungen abThe excess is not constant and depends on the operating conditions
Die Erfindung wird nun anhand eines Ausfuhrungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beigefugte Zeichnung naher erläutertThe invention will now be explained in more detail using an exemplary embodiment with reference to the accompanying drawing
Die einzige Figur zeigt schematisch eine bevorzugte Ausfuhrungsform der erfindungsgemaßen Vorrichtung zur Erzeugung und Feinreinigung desThe single figure shows schematically a preferred embodiment of the device according to the invention for producing and fine cleaning the
Brennstoffgases für eine Brennstoffzelle mit den Schritten Partielle Oxidation (POX), Hochtemperatur-Shift (HTS), Tieftemperatur-Shift (TTS) und Selektive Oxidation (PROX)Fuel gas for a fuel cell with the steps of partial oxidation (POX), high temperature shift (HTS), low temperature shift (TTS) and selective 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 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 to the reactor 4 via a feed line 15.
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 AbgasIn the fuel cell 7, 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
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. In further embodiments of the present invention, 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.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
I erster Reaktor (POX) 2 erste Shiftstufe (HTS)I first reactor (POX) 2 first shift stage (HTS)
3 zweite Shiftstufe (TTS)3 second shift stage (TTS)
4 zweiter Reaktor (PROX)4 second reactor (PROX)
5 Anodenseite der Brennstoffzelle5 Anode side of the fuel cell
6 Zuluftleitung zur Kathodenseite der Brennstoffzelle 7 Brennstoffzelle6 Supply air line to the cathode side of the fuel cell 7 Fuel cell
8 Abluftleitung aus der Kathodeπseite der Brennstoffzelle8 Exhaust air line from the cathode side of the fuel cell
9 Kathodenseite der Brennstoffzelle9 cathode side of the fuel cell
10 Brennstoff-Zuleitung10 Fuel supply line
I I Anodenabluftleitung 12 Zuleitung zur ersten ShiftstufeI I Anode exhaust line 12 Supply line to the first shift stage
13 Zuleitung zur zweiten Shiftstufe13 Supply line to the second shift stage
14 Zuleitung zum zweiten Reaktor14 Supply line to the second reactor
15 Zuleitung zur Anodenseite der Brennstoffzelle 15 supply line to the anode side of the fuel cell
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