DE10128011A1

DE10128011A1 - Fuel cell system used for converting chemical energy into electrical energy comprises an adsorption dryer for drying reformer gas arranged between a fuel gas preparation unit for preparing a hydrogen-rich reformer gas and a fuel cell stack

Info

Publication number: DE10128011A1
Application number: DE10128011A
Authority: DE
Inventors: Michael Kah; Thomas Hackl; Jens Arik Almkermann; Martin Gallinger; Michael Kahlich; Joerg Mayer
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2001-06-08
Filing date: 2001-06-08
Publication date: 2002-12-12

Abstract

Fuel cell system (10) comprises an adsorption dryer (22) for drying reformer gas arranged between a fuel gas preparation unit (12) for preparing a hydrogen-rich reformer gas and a fuel cell stack (14). An Independent claim is also included for a process for reducing the water content of a hydrogen-rich reformer gas in the fuel cell system. Preferred Features: The adsorption dryer contains silica gel or molecular sieve as the drying agent. The adsorption dryer and the fuel cell stack form one unit. The reformer gas is fed through the adsorption dryer in the cold start operation.

Description

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Merkmalen sowie ein Verfahren zur Minderung eines Wassergehaltes eines wasserstoffreichen Reformergases in einem solchen Brennstoffzellensystem mit den im Oberbegriff des Anspruchs 4 genannten Merkmalen.The invention relates to a fuel cell system with the one in the preamble of claim 1 mentioned features and a method for reducing a water content of a hydrogen-rich reformer gas in such a fuel cell system with the im The preamble of claim 4 mentioned features.

Brennstoffzellen sind elektrochemische Zellen, mit denen die chemische Energie eines geeigneten Brennstoffes mit Sauerstoff aus der Luft kontinuierlich in elektrische Energie gewandelt werden kann. Als Brennstoffe kommen hauptsächlich Wasserstoff, Methanol und Methan in Betracht. Gewöhnliche Kraftstoffe sind nicht direkt einsetzbar und müssen durch eine chemische Reformierungsreaktion in Wasserstoff umgewandelt werden. Letzterer Energieträger zeichnet sich jedoch durch seine gute Verfügbarkeit, geringeres Sicherheitsrisiko und geringen Logistikaufwand zur Bereitstellung des Treibstoffes aus.Fuel cells are electrochemical cells with which the chemical energy of a suitable fuel with oxygen from the air continuously into electrical energy can be changed. The main fuels are hydrogen, methanol and methane into consideration. Ordinary fuels cannot and must not be used directly can be converted into hydrogen by a chemical reforming reaction. The latter energy carrier is characterized by its good availability, less Security risk and low logistics effort to provide the fuel.

Für den mobilen Einsatz von Brennstoffzellen eignen sich so genannte Niedertemperatur-Brennstoffzellen. Diese Zellen können typischerweise mit 80 bis 100°C betrieben werden - unter Umständen besteht auch die Möglichkeit, diese Zellen bei Raumtemperatur zu betreiben (zum Beispiel eine Proton Exchange Membran Fuel Cell (PEM-FC)). Beim Benzin- oder Methanolreforming zur Brenngasaufbereitung erfolgt im allgemeinen zunächst in einer ersten Stufe eine katalytische Reformierung mit Luft und Wasserdampf bei hohen Temperaturen. Das entstehende Wasserstoff-, Kohlendioxid- und Kohlenmonoxidgemisch wird in weiteren katalytischen Stufen mit Wasser zu Wasserstoff und Kohlendioxid umgesetzt. Ein verbleibender Rest von Kohlenmonoxid muss durch selektive Oxidation in einer Gasreinigungsstufe entfernt werden. Der bereitgestellte Wasserstoff wird anschließend in der Brennstoffzelle durch elektrochemische Oxidation mit Sauerstoff wieder zu Wasser umgesetzt.So-called are suitable for the mobile use of fuel cells Low-temperature fuel cells. These cells can typically be at 80 to 100 ° C operated - under certain circumstances there is also the possibility of using these cells To operate at room temperature (for example a Proton Exchange membrane fuel cell (PEM-FC)). In gasoline or methanol reforming for fuel gas processing takes place in general, in a first stage, a catalytic reforming with air and Water vapor at high temperatures. The resulting hydrogen, carbon dioxide and carbon monoxide mixture is added with water in further catalytic stages Hydrogen and carbon dioxide implemented. A remaining remnant of carbon monoxide must be removed by selective oxidation in a gas cleaning stage. The Provided hydrogen is then in the fuel cell electrochemical oxidation with oxygen converted back to water.

Die Erzeugung und Aufbereitung des Reformergases erfolgt deutlich über den Betriebstemperaturen der bekannten Brennstoffzellen. Kritisch erweist sich diese Temperaturdifferenz beim Systemkaltstart. Da die Brenngaserzeugung aus Kohlenwasserstoffen exotherm verläuft, heizt sich das Brenngas schnell auf. Sobald es in den noch kalten Brennstoffzellenstack eintritt, kondensiert das darin enthaltene Wasser aus und kann dort schwere Schäden verursachen. Um eine möglichst schnelle Erwärmung der Brennstoffzelle und damit eine frühe Betriebsbereitschaft zu gewährleisten, kann man aber nicht auf die Nutzung der hohen Brenngastemperatur verzichten. Bisherige Lösungen sehen daher vor, den Wassergehalt des Reformergases durch Kondensatabscheidung nach Expansion oder Abkühlung zu reduzieren. Eine Minderung von Druck oder Gastemperatur senkt aber auch den Wirkungsgrad und verlängert die Kaltstartphase.The generation and processing of the reformer gas takes place significantly above the Operating temperatures of the known fuel cells. This proves to be critical Temperature difference during system cold start. Because the fuel gas generation from If the hydrocarbons are exothermic, the fuel gas heats up quickly. As soon as it If the fuel cell stack is still cold, it condenses Water and can cause serious damage. To be as quick as possible Heating of the fuel cell and thus an early operational readiness guarantee, but you can not rely on the use of the high combustion gas temperature dispense. Previous solutions therefore provide for the water content of the reformer gas by reducing condensate after expansion or cooling. A Reducing pressure or gas temperature also lowers efficiency and extends the cold start phase.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Brennstoffzellensystem und ein dazugehöriges Verfahren zu schaffen, mit denen in allen Betriebspunkten, insbesondere beim Kaltstart, eine Schädigung der Brennstoffzellen durch Kondenswasser vermieden wird.The object of the present invention is therefore a fuel cell system and to create associated process with which in all operating points, in particular during a cold start, damage to the fuel cells caused by condensed water is avoided becomes.

Diese Aufgabe wird durch das Brennstoffzellensystem mit den im Anspruch 1 genannten Merkmalen sowie das dazugehörige Verfahren mit den im Anspruch 4 genannten Merkmalen gelöst. Dadurch, dass im Brennstoffzellensystem zwischen der Brenngasaufbereitungseinheit und dem nachgeordneten Brennstoffzellenstack ein Adsorptionstrockner zur Trocknung des Reformergases angeordnet ist, kann der Wassergehalt des Reformergases wirkungsvoll und ohne Beeinträchtigung der Gastemperatur oder der Druckverhältnisse reduziert werden. Der Adsorptionstrockner enthält vorzugsweise als Trockenmittel Kieselgel oder Mol-Sieb.This object is achieved by the fuel cell system with those mentioned in claim 1 Features and the associated method with those mentioned in claim 4 Features resolved. The fact that in the fuel cell system between the Fuel gas processing unit and the downstream fuel cell stack Adsorption dryer for drying the reformer gas is arranged, the Water content of the reformer gas effectively and without affecting the Gas temperature or the pressure conditions can be reduced. The adsorption dryer preferably contains silica gel or molecular sieve as a drying agent.

Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird das Reformergas, insbesondere im Kaltstartbetrieb, durch den Adsorptionstrockner geleitet (Adsorptionsmodus). Nach Erreichen der Standardbedingungen im Brennstoffzellensystem kann eine Regeneration des Adsorptionstrockners durch Zufuhr von Wärme erreicht werden (Desorptionsmodus). Dazu kann vorzugsweise heißes Reformergas durch den Adsorptionstrockner geleitet werden. Denkbar ist auch, den Adsorptionstrockner derart in den Brennstoffzellenstack zu integrieren, dass eine Abwärme des Brennstoffzellenstacks für den Desorptionsmodus nutzbar ist.According to the inventive method, the reformer gas, in particular in the Cold start operation, passed through the adsorption dryer (adsorption mode). To Regeneration can reach the standard conditions in the fuel cell system of the desiccant dryer can be achieved by adding heat (desorption mode). For this purpose, hot reformer gas can preferably be passed through the adsorption dryer become. It is also conceivable to place the adsorption dryer in the fuel cell stack in this way to integrate that waste heat from the fuel cell stack for the Desorption mode is usable.

Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.Further preferred refinements of the invention result from the others in the Characteristics mentioned subclaims.

Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:The invention is described below in exemplary embodiments on the basis of the associated Drawings explained in more detail. Show it:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Adsorptionsmodus im Brennstoffzellensystem; Fig. 1 is a schematic representation of an adsorption system in the fuel cell;

Fig. 2 eine erste Variante eines Desorptionsmodus im Brennstoffzellensystem nach Fig. 1 und Fig. 2 shows a first variant of a desorption in the fuel cell system of FIG. 1 and

Fig. 3 eine zweite Variante eines Desorptionsmodus in einem alternativen Brennstoffzellensystem, in welchem der Adsorptionstrockner in den Brennstoffzellenstack integriert ist. . 3 a desorption in an alternative fuel cell system in which the adsorption is integrated in the fuel cell stack, a second variant Fig.

Die Fig. 1 zeigt schematisch ein Brennstoffzellensystem 10, das eine Brenngasaufbereitungseinheit 12 und einen nachgeordneten Brennstoffzellenstack 14 umfasst. Die Brenngasaufbereitungseinheit 12 beinhaltet wenigstens einen Reformer, in dem ein Kraftstoff 16 katalytisch mit Luft 18 und Wasser 20 zu einem Gemisch aus Wasserstoff, Kohlenmonoxid und Kohlendioxid umgesetzt wird. Derartige Brenngasaufbereitungseinheiten 12 sind bekannt und sollen daher an dieser Stelle nicht näher erläutert werden. Fig. 1 shows schematically a fuel cell system 10 including a fuel gas processing unit 12 and a downstream fuel cell stack fourteenth The fuel gas processing unit 12 includes at least one reformer in which a fuel 16 is catalytically converted with air 18 and water 20 to form a mixture of hydrogen, carbon monoxide and carbon dioxide. Such fuel gas processing units 12 are known and are therefore not to be explained in more detail here.

Der Brennstoffzellenstack 14 beinhaltet zumindest eine Brennstoffzelle, in der Wasserstoff des Reformergases elektrochemisch mit Sauerstoff zu Wasser umgesetzt wird. Die Brennstoffzelle kann beispielsweise eine Membranzelle sein, die bereits bei niedrigen Temperaturen einen hohen Wirkungsgrad gewährleistet. Typischerweise liegen die Betriebstemperaturen jedoch deutlich über den Umgebungstemperaturen (zum Beispiel bei 80 bis 100°C bei Niedertemperatur-Brennstoffzellen). Das aus der Brenngasaufbereitungseinheit 12 austretende Reformergas hat im Allgemeinen sehr viel höhere Temperaturen, so dass es insbesondere im Kaltstartbetrieb zu einer Kondensation von im Reformergas befindlichem Wasserdampf im Brennstoffzellenstack 14 kommen kann. Dies kann zu einer Schädigung der Brennstoffzelle führen.The fuel cell stack 14 contains at least one fuel cell in which hydrogen of the reformer gas is converted electrochemically with oxygen to water. The fuel cell can be a membrane cell, for example, which ensures high efficiency even at low temperatures. Typically, however, the operating temperatures are significantly higher than the ambient temperatures (for example at 80 to 100 ° C for low-temperature fuel cells). The reformer gas emerging from the fuel gas treatment unit 12 generally has much higher temperatures, so that, particularly in cold start operation, water vapor in the reformer gas can condense in the fuel cell stack 14 . This can damage the fuel cell.

Zur Minderung des Wassergehaltes wird das Reformergas - insbesondere im Kaltstartbetrieb - durch einen Adsorptionstrockner 22 geleitet. Der Adsorptionstrockner 22 enthält als Trockenmittel Kieselgel oder Mol-Sieb. Es können aber auch selbstverständlich andere hygroskopische Materialien eingesetzt werden. Beim Durchströmen des Adsorptionstrockners 22 adsorbiert das Trockenmittel das im Reformergas enthaltene Wasser, ohne dass Druck oder Temperatur des Reformergases in größerem Umfang geändert werden.To reduce the water content, the reformer gas is passed through an adsorption dryer 22 , in particular in cold start operation. The adsorption dryer 22 contains silica gel or molecular sieve as a drying agent. Of course, other hygroscopic materials can also be used. When flowing through the adsorption dryer 22 , the desiccant adsorbs the water contained in the reformer gas without the pressure or temperature of the reformer gas being changed to any great extent.

In der Fig. 2 ist schematisch eine Regeneration des Adsorptionstrockners 22 nach Erreichen der Standardbedingungen in einem Brennstoffzellensystem 10 entsprechend der Fig. 1 dargestellt. Zur Regeneration muss dem Trockenmittel Wärme zugeführt werden (Desorptionsmodus), was durch das unter Standardbedingungen heiße Reformergas geschieht. Die Desorption wird dabei in vorteilhafter Weise dadurch unterstützt, daß idealerweise die zur Reformierung benötigte Luftmenge 18 zum Spülen des Adsobers 22 eingesetzt wird, indem diese zunächst diesen durchströmt.A regeneration of the adsorption dryer 22 after reaching the standard conditions in a fuel cell system 10 corresponding to FIG. 1 is shown schematically in FIG. 2. For regeneration, heat must be added to the desiccant (desorption mode), which is done by the reformer gas, which is hot under standard conditions. Desorption is advantageously supported by ideally using the amount of air 18 required for reforming to rinse the adsorbent 22 by first flowing through it.

In einer alternativen Ausgestaltung des Brennstoffzellensystems 10 gemäß der Fig. 3 ist der Adsorptionstrockner 22 mit dem Brennstoffzellenstack 14 zu einer baulichen Einheit zusammengefasst. Im Desorptionsmodus kann dann eine Abwärme des Brennstoffzellenstacks 14 zur Regeneration genutzt werden. In an alternative embodiment of the fuel cell system 10 according to FIG. 3, the adsorption dryer 22 is combined with the fuel cell stack 14 to form a structural unit. In the desorption mode, waste heat from the fuel cell stack 14 can then be used for regeneration.

LIST OF REFERENCE NUMBERS

1010

Brennstoffzellensystem
The fuel cell system

1212

Brenngasaufbereitungseinheit
Gas treatment unit

1414

Brennstoffzellenstack
Fuel cell stack

1616

Kraftstoff
fuel

1818

Luft
air

2020

Wasser
water

2222

Adsorptionstrockner
adsorption

Claims

1. A fuel cell system ( 10 ) with a fuel gas processing unit ( 12 ) for providing a hydrogen-rich reformer gas and a downstream fuel cell stack ( 14 ), characterized in that between the fuel gas processing unit ( 12 ) and the downstream fuel cell stack ( 14 ) is a dryer, preferably an adsorption dryer ( 22 ) is arranged for drying the reformer gas.

2. Fuel cell system ( 10 ) according to claim 1, characterized in that the adsorption dryer ( 22 ) contains silica gel or Mo1 sieve as a drying agent.

3. Fuel cell system ( 10 ) according to claims 2 or 3, characterized in that the adsorption dryer ( 22 ) and the fuel cell stack ( 14 ) are combined to form a structural unit.

4. A method for reducing the water content of a hydrogen-rich reformer gas in a fuel cell system ( 10 ) with a fuel gas processing unit ( 12 ) for providing the reformer gas and a downstream fuel cell stack ( 14 ), characterized in that the reformer gas for drying by a between the fuel gas processing unit ( 12 ) and the downstream fuel cell stack ( 14 ) arranged dryer, preferably an adsorption dryer ( 22 ) is passed (adsorption mode).

5. The method according to claim 4, characterized in that the reformer gas is passed through the adsorption dryer ( 22 ) in cold start operation.

6. The method according to claims 4 or 5, characterized in that the adsorption dryer ( 22 ) after reaching the standard conditions in the fuel cell system ( 10 ) is regenerated by supplying heat (desorption mode).

7. The method according to claim 4, characterized in that the adsorption dryer ( 22 ) is regenerated by flushing with the air ( 18 ) supplied to the fuel cell system. (Desorption)

8. The method according to claim 6, characterized in that in the desorption mode, at least during a warm-up phase, hot reformer gas is passed through the adsorption dryer ( 22 ).

9. The method according to claim 6, characterized in that the adsorption dryer ( 22 ) and the fuel cell stack ( 14 ) are combined to form a structural unit and waste heat from the fuel cell stack ( 14 ) is used in the desorption mode.