Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Energieerzeugung mittels eines Reformers und einer Brennstoffzelle, wobei die Vorrichtung auch bei einem Versagen der Gasreinigungsmembran weiter funktionsfähig bleibt.

In einem Reformer wird beispielsweise Methanol in CO und H ₂ umgesetzt, wobei das CO vorzugsweise mit Wasserdampf in einer Shiftreaktion zu C0 ₂ und H ₂ umgesetzt wird. Es verbleibt jedoch regelmäßig ein Rest an Kohlenmonoxid in Gasgemisch. Aus diesem Gasgemisch wird der Wasserstoff üblicherweise über eine Gasreinigungsmembran abgetrennt, wobei vorteilhafter Weise nur Wasserstoff durch die Membran diffundiert. Im Versagensfall könnte jedoch Kohlenmonoxid durch die Membran gelangen. Wenn Kohlenmonoxid in die Brennstoffzelle gelangt, kann diese dadurch Schaden nehmen. Um dieses zu verhindern, müsste die Vorrichtung zur Energieerzeugung sofort abgeschaltet werden. Treibt die Vorrichtung zur Energieerzeugung jedoch beispielsweise ein Unterseeboot an, so wäre damit die Energieerzeugung unterbunden. Dieses wäre ein unerwünschter Zustand.

Aus der DE 699 28 417 T2 ist ein Verfahren zum Entfernen von Kohlenmonoxid aus einem Kohlenwasserstoffreformat in einem elektrokatalytischen Oxidationsprozess bekannt.

Aus der US 3,884,838 ist eine Shiftreaktion zur Reduktion von Kohlenmonoxid bekannt.

Aus der US 2005 / 001003 A2 ist eine Katalysatorzusammensetzung für die Umsetzung von Kohlenmonoxid mit Wasserstoff bekannt.

Aus der DE 600 32 027 T2 ist System und ein Verfahren zum frühen Nachweis eines drohenden Versagens der Wasserstoff-Reinier bekannt. Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Energieerzeugung zu schaffen, welche einen Betrieb auch bei einer Kohlenmonoxidleckage in der Gasreinigungsmembran ermöglicht.

Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung zur Energieerzeugung mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung sowie den Zeichnungen. Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Energieerzeugung weist einen Reformer, eine Gasreinigungsmembran und eine Brennstoffzelle auf, wobei der Reformer zur Erzeugung von Wasserstoff ausgebildet ist, die Gasreinigungsmembran zur Abtrennung von Wasserstoff aus dem im Reformer erzeugten Gasgemisch ausgebildet ist und die Brennstoffzelle zur Erzeugung von elektrischer Energie durch Umsetzung von durch die Gasreinigungsmembran abgetrennten Wasserstoff ausgebildet ist. Die Vorrichtung zur Energieerzeugung weist eine Umwandlungsvorrichtung zum Umwandlung von Kohlenmonoxid in Methan auf. Die Umwandlungsvorrichtung ist zwischen der Gasreinigungsmembran und der Brennstoffzelle angeordnet, wobei die Umwandlungsvorrichtung und die Gasreinigungsmembran thermisch gekoppelt sind.

Die thermische Kopplung erfolgt bevorzugt dadurch, dass die Umwandlungsvorrichtung und die Gasreinigungsmembran einen gemeinsamen Gasraum aufweisen. Die Umwandlungsvorrichtung und die Gasreinigungsmembran sind somit nicht zum Beispiel über eine Rohrleitung miteinander verbunden. Durch eine Rohrleitung ist eine Strömung ausschließlich in eine Richtung möglich, sodass eine Rückkopplung durch eine Rohrleitung verhindert wird.

Vorteil der Erfindung ist es, das sicher verhindert wird, dass Kohlenmonoxid in die Brennstoffzelle gelangt. Durch die thermische Kopplung ist die Umwandlungsvorrichtung jederzeit einsatzbereit. Ein gesondertes Beheizen entfällt. Des Weiteren können der Reformer und die Brennstoffzelle, wenn auch mit verringertem Wirkungsgrad, auch im Versagensfall weiter betrieben werden, sodass die Sicherheit der mit elektrischer Energie versorgten Systeme gewährleistet ist. In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind die Umwandlungsvorrichtung und die Gasreinigungsmembran innerhalb eines gemeinsamen Gehäuses angeordnet. Die gemeinsame Anordnung innerhalb eines Gehäuses ist eine einfache Umsetzung der thermischen Kopplung. Zudem werden Übergänge vermieden, welche eine potentielle Stelle für Wasserstoffleckagen darstellen können.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Umwandlungsvorrichtung oberhalb der Gasreinigungsmembran angeordnet. Vorzugsweise wird innerhalb der Gasreinigungsmembran der gewonnene Wasserstoff nach oben abgeführt. Dieses ist technisch aufgrund des geringen Molekulargewichts vorteilhaft. Die Umwandlungsvorrichtung ist somit vorteilhafterweise vor dem Ausgang angeordnet. Besonders bevorzugt ist die Umwandlungsvorrichtung im oberen Bereich des Gehäuses der Umwandlungsvorrichtung angeordnet. Bevorzugt ist der obere Bereich des Gehäuses der Umwandlungsvorrichtung in Form eines Klöpperbodens ausgeführt. Um die Vorrichtung gasdicht auszuführen, werden die Gehäuse regelmäßig zylindrisch mit Klöpperböden ausgeführt. Der Raum im Klöpperboden wird üblichweise bautechnisch nicht genutzt, sondern dient als Wasserstoffsammeiraum. Durch die Verwendung dieses Bauraums wird kein zusätzlicher Bauraum benötigt. In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist hinter der Umwandlungsvorrichtung ein Sensor zur Erfassung von Methan angeordnet ist. Diese Ausführungsform ist besonders bevorzugt. Methan ist wesentlich einfacher und genauer als Kohlenmonoxid detektierbar. Somit ist es mit einer Umwandlungsvorrichtung und einem Sensor für Methan deutlich einfacher und sicherer ein Versagen der Gasreinigungsmembran zu detektieren. Prinzipiell kann der Sensor zur Erfassung von Methan an jeder Stelle zwischen der Umwandlungsvorrichtung und der Brennstoffzelle angeordnet sein. Bevorzugt ist der Sensor zur Erfassung von Methan in der Verbindungsleitung angeordnet. Besonders bevorzugt ist der Sensor zur Erfassung von Methan in der Verbindungsleitung in räumlicher Nähe zu der Umwandlungsvorrichtung angeordnet. In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist der Sensor ein optischer Sensor.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung besteht die Gasreinigungsmembran wenigstens teilweise aus Palladium oder einer Palladiumlegierung. Besonders bevorzugt wird die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Energieerzeugung auf einem Unterwasserfahrzeug, insbesondere auf einem Unterseeboot, verwendet.

In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Unterwasserfahrzeug, insbesondere ein Unterseeboot, mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Energieerzeugung.

Nachfolgend ist die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Energieerzeugung anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Fig. 1 erste Vorrichtung zur Energieerzeugung

Fig. 2 zweite Vorrichtung zur Energieerzeugung Fig. 3 dritte Vorrichtung zur Energieerzeugung

In Fig. 1 ist eine erste Vorrichtung zur Energieerzeugung gezeigt. Diese weist einen Reformer 10 auf, in welchem Beispielsweise aus Methanol, Wasserstoff erzeugt wird. Das Gasgemisch aus dem Reformer 10 gelangt zur Gasreinigungsmembran 20. Die Gasreinigungsmembran 20 ist nur für Wasserstoff durchlässig, andere Gase werden abgeführt, üblicherweise in einen Brenner zur Erzeugung der notwendigen Energie für den Reformer 10. Aus der Gasreinigungsmembran 20 wird der Wasserstoff über eine Umwandlungsvorrichtung 30 zur Brennstoffzelle 40 geleitet. Im normalen Prozess passiert nichts an der Umwandlungsvorrichtung 30. Tritt jedoch ein Defekt an der Gasreinigungsmembran 20 auf, kann Kohlenmonoxid in den Gasstrom gelangen. Dieses Kohlenmonoxid wird an der Umwandlungsvorrichtung 30 zu Methan umgesetzt, welches für die Brennstoffzelle 40 unproblematisch ist. Die Gasreinigungsmembran 20 und die Umwandlungsvorrichtung 30 befinden sich innerhalb eines Gehäuses 50 und sind damit thermisch gekoppelt. Durch die Betriebstemperatur der Gasreinigungsmembran 20 wird auch die Umwandlungsvorrichtung 30 auf Betriebstemperatur gehalten, auch wenn diese nicht verwendet wird, ohne dass hierfür zusätzliche Energie benötigt wird.

Fig. 2 zeigt eine zweite Vorrichtung zur Energieerzeugung, welche sich von der erste Vorrichtung zur Energieerzeugung dadurch unterscheidet, dass hinter der Umwandlungsvorrichtung 30 innerhalb des Gehäuses ein Sensor 60 angeordnet ist. Dieser Sensor 60 detektiert Methan. Da Methan leichter und sicherer zu detektieren wird, kann so eine Leckage der Gasreinigungsmembran 20 schnell und sicher festgestellt werden.

Fig. 3 zeigt eine zweite Vorrichtung zur Energieerzeugung, welche sich von der erste Vorrichtung zur Energieerzeugung dadurch unterscheidet, dass hinter der Umwandlungsvorrichtung 30 außerhalb des Gehäuses ein Sensor 60 angeordnet ist. Dieser Sensor 60 detektiert Methan. Da Methan leichter und sicherer zu detektieren wird, kann so eine Leckage der Gasreinigungsmembran 20 schnell und sicher festgestellt werden.

Bezugszeichen

10 Reformer

20 Gasreinigungsmembran

30 Umwandlungsvorrichtung

40 Brennstoffzelle

50 Gehäuse œťŮsor