DE10064441A1

DE10064441A1 - Verfahren zur Betriebstemperatureinstellung in einem Reformer

Info

Publication number: DE10064441A1
Application number: DE10064441A
Authority: DE
Inventors: Oliver Groeger
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2000-12-22
Filing date: 2000-12-22
Publication date: 2002-06-27

Abstract

Das Verfahren dient zur Betriebstemperatureinstellung in einem Reformer, insbesondere eines Reformers eines Brennstoffzellensystems eines Fahrzeugs. Hierbei ist vorgesehen, dass eine Betriebstemperaturregelung mittels Einstellung einer in den Reformer zuzuführenden Menge mindestens eines Edukts erfolgt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Betriebstemperatureinstellung in einem Reformer, insbesondere einer Brennstoffzelle eines Fahrzeugs, gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.

Verfahren der hier angesprochenen Art sind bekannt. Bei derartigen bekannten Verfahren wird zur Regelung von Betriebstemperaturen in Reaktoren (Reformer) mit vorbestimmten Betriebspunkten ("Setpoints") und Verhältnisbildungen ("ratios") gearbeitet, indem für einen bestimmten Leistungsmodus ein meist empirisch ermittelter Mengenbetrag eines bestimmten Edukts in das System (Reaktor beziehungsweise Reformer) zugeführt wird. Die Mengenbeträge der weiteren in das System zuzuführenden Edukte werden anschließend in Form von Verhältnissen ("ratios") bestimmt. Durch die für bestimmte Betriebsbedingungen ermittelten "Setpoints" und "ratios" für einen bestimmten Leistungsmodus werden somit auch die entsprechenden Energiebeträge der im System ablaufenden exothermen und endothermen Reaktionen festgelegt. Bei Veränderung der jeweiligen Betriebsbedingungen stellt sich dabei eine Abweichung des Betragsverhältnisses zwischen exothermer und endothermer Reaktion im System ein, wodurch eine Temperaturerniedrigung oder eine Temperaturerhöhung im System hervorgerufen wird. Da die Produktgasqualität des Systems im wesentlichen von der sich in selbigem einstellenden Betriebstemperatur abhängt, sind derartige Temperaturschwankungen im System unerwünscht. Veränderungen der Betriebsbedingungen im System können beispielsweise durch Störgrößen hervorgerufen werden, wie zum Beispiel Viskositätsänderungen der Edukte, Temperaturschwankungen in der Umgebung, Ungenauigkeiten bei der Einbringung der Edukte in den Reformer oder ungleiche prozentuale Energieverluste der verschiedenen Leistungsmodien im Reformer. Die bekannten Verfahren sind nachteilhafterweise nicht geeignet, nicht erwünschte Temperaturschwankungen im Reformer zu vermeiden oder wenigstens einzuschränken.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, das diesen Nachteil nicht aufweist.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen, das dadurch gekennzeichnet ist, dass eine Betriebstemperaturregelung mittels Einstellung einer in den Reformer zuzuführenden Menge mindestens eines Edukts erfolgt. Mittels einer derartigen Regelungsstrategie ist es vorteilhafterweise möglich, auftretende Temperaturänderungen während des Betreibens eines Reformers auf einen begrenzten Temperaturbereich (Temperaturintervall) einzuschränken und somit ein unkontrolliertes "Ausbrechen" der Betriebstemperaturen im Reformer zu unterbinden. Das Verfahren ist somit besonders effektiv im Rahmen einer Temperaturregelung von dynamischen Reformierungsprozessen anwendbar. Mittels einer Änderung einer in den Reformer zuzuführenden Menge mindestens eines Edukts werden die entsprechenden Energiebeträge der exothermen und endothermen Reaktionen im Reformer (Reformierreaktor) durch Vergrößerung oder Verringerung der Menge der zugehörigen Reaktionspartner variiert.

Mit Vorteil wird mittels der Regelung die Betriebstemperatur in einem definierten Temperaturband gehalten. Dabei kann das Temperaturband durch eine jeweils frei vorgebbare obere und untere Temperaturgrenze definiert sein. Hierdurch ist es möglich, die Betriebstemperaturregelung eines Reformers an die jeweils vorliegenden Betriebsbedingungen beziehungsweise an das entsprechende Reformierungsverfahren anzupassen und somit ein optimiertes Betreiben des Reformers zu gewährleisten.

Vorzugsweise erfolgt die Einstellung der zuzuführenden Menge des mindestens einen Edukts mittels einer Veränderung um einen bestimmten Differenzmengenstrom oder Differenzvolumenstrom. Ein als Stellgröße dienender Differenzmengenstrom oder Differenzvolumenstrom ist messtechnisch verhältnismäßig präzise ermittelbar und somit zur Durchführung einer den Reformerbetrieb optimierenden Eduktmengeneinstellung heranziehbar.

Entsprechend einer bevorzugten Ausführungsvariante wird der Betrag des Differenzmengenstroms oder des Differenzvolumenstroms in Abhängigkeit des jeweiligen Niveaus der Betriebstemperatur festgelegt. Hierdurch wird eine von dem jeweiligen Betriebstemperaturniveau des Reformers abhängige Eduktmengenanpassung ermöglicht. Es kann beispielsweise bei einer verhältnismäßig großen Betriebstemperaturabweichung von einer Soll-Temperatur eine Grobanpassung der Eduktmengen in relativ großen Anpassungsschritten erfolgen, während bei kleineren Abweichungen der Betriebstemperatur von der Soll-Temperatur eine Feinabpassung mit relativ kleinen Anpassungsschritten eingeleitet werden kann.

Vorzugsweise wird im Temperaturband eine konstante Temperatur als Sollgröße bestimmt. Dabei handelt es sich bei der Sollgröße um eine Betriebstemperatur, bei welcher der Reformer optimiert betrieben werden kann. Es ist somit mittels der Regelung möglich, den Reformer auch bei dynamischen Reformierungsprozessen möglichst lange innerhalb eines betriebsoptimalen Temperaturbandes und vorzugsweise bei einer konstanten Solltemperatur zu betreiben.

Mit Vorteil erfolgt eine Veränderung einer Mehrzahl an Edukten und die Festlegung der Anzahl der zu verändernden Eduktmengen in Abhängigkeit des jeweiligen Niveaus der Betriebstemperatur. Mittels einer frei festlegbaren Anzahl von zu verändernden Eduktmengen ist eine besonders effektive und flexibel anpassbare Regelung an die jeweiligen Betriebsverhältnisse (Betriebstemperaturniveau im Reformer) durchführbar.

Vorzugsweise werden die jeweiligen, gleichzeitigen Veränderungen der zuzuführenden Eduktmengen aufeinander abgestimmt zur Erzielung einer optimierten Betriebstemperaturänderung. Es ist somit eine besonders flexible Eduktmengenregelung in dem Reformer möglich. Die mengenregelbaren Edukte können ein Brennstoff, Wasserdampf, flüssiges Wasser und/oder ein Oxidationsmittel sein. Mittels einer Mengenregelung mindestens eines dieser Edukte ist die Einstellung einer optimierten Betriebstemperatur im Reformer möglich.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:

Fig. 1 ein Diagramm mit einem zeitabhängigen Betriebstemperaturverlauf in einem Reformer unter Anwendung einer ersten Regelungsstrategie und

Fig. 2 ein Diagramm mit einem zeitabhängigen Betriebstemperaturverlauf in einem Reformer unter Anwendung einer zweiten Regelungsstrategie.

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Betriebstemperatureinstellung in einem Reformer, insbesondere eines Reformers einer Brennstoffzelle eines Fahrzeugs (nicht dargestellt). Dabei ist vorgesehen, dass eine Betriebstemperaturregelung mittels Einstellung einer in den Reformer zuzuführenden Menge mindestens eines Edukts erfolgt.

Fig. 1 zeigt ein Beispiel einer Betriebstemperaturregelung bei einer autothermen Reformierung in einem Reformer. Als in den Reformer zuzuführende Edukte dienen ein Brennstoff, Wasser und Luft. In einem Reformerreaktor kommt es zu einer Vielzahl von Reaktionen, wobei im Folgenden lediglich auf drei wesentliche Hauptreaktionen eingegangen wird. Hierzu werden Reaktionsmechanismen beispielhaft anhand von Methanol als Brennstoff erläutert:
Spalt-Reaktion: CH₃OH ↔ CO + 2H endotherm
Shift-Reaktion: CO + H₂O ↔ CO₂ + H₂ exotherm
Oxidation: CH₃OH + O₂ ↔ CO₂ + H₂O exotherm

Unter Bezugnahme auf Fig. 1 wird im Folgenden eine erste Strategie zur Temperaturregelung in einem Reformer mittels Einstellung einer in den Reformer zuzuführenden Menge mindestens eines Edukts beschrieben. Der Reformer ist vorzugsweise mit einer Betriebstemperatur zu betreiben, die innerhalb eines Temperaturbands TB liegen soll. Das Temperaturband TB ist durch eine obere Temperaturgrenze TG1 und eine untere Temperaturgrenze TG2 begrenzt. Bei Überschreiten der Betriebstemperatur des Reformers der oberen Temperaturgrenze TG1 (siehe Punkt P1) wird die Menge mindestens eines Edukts der endothermen Reaktion um einen bestimmten Differenzmengenstrom beziehungsweise Differenzvolumenstrom erhöht. In einem solchen Fall wird dem Reformersystem zu einem gesetzten Temperaturbetriebspunkt (Setpoint SP) eine bestimmte Energiemenge (Offset HΔ) zuaddiert. Dies bedeutet im vorliegenden Beispiel der autothermen Reformierung, dass zum Beispiel eine zusätzliche Menge an Brennstoff bei gleicher Luftmenge dem Reformer zuaddiert wird. Dabei wird der benötigte Energiebedarf der endothermen Spalt-Reaktion erhöht und die Betriebstemperatur im Reformer gesenkt. Für den Fall, dass bei einer bestimmten Betriebstemperatur des Reformers das thermodynamische Gleichgewicht für die Shift-Reaktion erreicht ist, kann die Betriebstemperatur im Reformer auch durch eine zusätzlich zuzuführende Menge an Wasserdampf oder an flüssigem Wasser (Verdampfungsenthalpie, Wärmekapazität) gesenkt werden. Ferner ist es möglich, die in den Reformer zuzuführende Menge an Oxidationsmitteln und somit die exotherme Oxidation zu mindern.

Sinkt die Betriebstemperatur im Reformer unterhalb der unteren Temperaturgrenze TG2 (Punkt P2), wird die entsprechende in den Reformer zuzuführende Eduktmenge der endothermen Reaktion (Spalt-Reaktion) um einen bestimmten Differenzmengenstrom beziehungsweise Differenzvolumenstrom gesenkt. In diesem Fall wird dem Reformer zu einem gesetzten Betriebspunkt (Setpoint SP) eine bestimmte Energiemenge (Offset LΔ) subtrahiert. Im Falle der autothermen Reformierung bedeutet dies, dass eine geringere Menge an Brennstoff dem Reformer zugeführt wird. Auch kann durch eine Verringerung der in den Reformer zuzuführenden Wasserdampfmenge oder des flüssigen Wassers die Betriebstemperatur des Reformers erhöht werden. Des weiteren besteht die Möglichkeit, die zuzuführende Menge des Oxidationsmittels und somit die einzubringende Energiemenge der exothermen Reaktion zu erhöhen.

Sofern keine Störgrößen auf das Reformersystem wirken, befindet sich die Betriebstemperatur des Reformers innerhalb des Temperaturbands TB. In diesem Fall kann mit den gesetzten Betriebspunkten (Setpoints) gearbeitet werden.

Bei sehr großen, auf das Reformersystem einwirkenden Störeinflüssen wird vorzugsweise eine differenziertere Regelstrategie zur Betriebstemperatureinstellung in dem Reformer herangezogen, bei welchen unter mehreren Betriebstemperaturniveaus des Reformers und einer zugehörigen Energiezufuhr ("Offset") differenziert wird. Eine derartige zweite Regelungsstrategie ist in Fig. 2 am Beispiel von Methanol als Edukt dargestellt. In Fig. 2 sind die gesetzten Betriebspunkte (Setpoints SP) für Methanol und Wasser derartig gegeneinander verschoben, dass der Reformer stets mit einem ausreichenden Wasser/Methanol-Verhältnis und Luft/Methanol-Verhältnis betrieben werden kann. Für den Fall, dass ein bestimmtes Temperaturlimit, beispielsweise die obere Grenze von SP_H2O (Punkt P3) überschritten wird, wird die in das Reformersystem zuzuführende Menge an Wasser beziehungsweise Wasserdampf um den Energiebetrag HΔ_MeOH erhöht. In entsprechender Weise wird bei den Betriebspunkten PS und P6 vorgegangen, indem bei PS eine Energieabnahme im Reformersystem um LΔ_MeOH und im Betriebspunkt P6 eine Energieabnahme im Reformersystem um LΔ_H2O erfolgt. Bei einem weiteren Absinken der Betriebstemperatur im Reformer auf den Betriebspunkt P7 wird eine weitere Energieerniedrigung im Reformersystem um LLΔ_MeOH herbeigeführt. In entsprechender Weise wird bei einer weiteren Betriebstemperaturerhöhung im Reformersystem auf P8 die in das Reformersystem zugeführte Energie des Edukts Wasser um HHΔ_H2O erhöht. Dabei kann es sich gegebenenfalls bei den Energiemengen LLΔ_MeOH und HHΔ_H2O um betragsmäßig größere Energiemengen als bei den Energiemengen LΔ_MeOH beziehungsweise HΔ_H2O handeln. Mittels einer derartigen kontrollierten Energieregelung im Reformersystem wird die Betriebstemperatur des Reformers in effektiver und zuverlässiger Weise innerhalb eines vorgebbaren Temperaturbands TB gehalten. Die Änderungen und Abstufungen der Eduktmengen sind dabei möglichst gering zu halten, um die Leistung im Reformer nicht zu stark zu verändern.

Claims

1. Verfahren zur Betriebstemperatureinstellung in einem Reformer, insbesondere in einem Reformer eines Brennstoffzellensystems eines Fahrzeugs, dadurch gekennzeichnet, dass eine Betriebstemperaturregelung mittels Einstellung einer in den Reformer zuzuführenden Menge mindestens eines Edukts erfolgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Regelung die Betriebstemperatur in einem definierten Temperaturband gehalten wird.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Temperaturband durch eine jeweils frei vorgebbare obere und untere Temperaturgrenze definiert ist.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einstellung der zuzuführenden Menge des mindestens einen Edukts mittels einer Veränderung um einen bestimmten Differenzmengenstrom oder Differenzvolumenstrom erfolgt.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Betrag des Differenzmengenstroms oder des Differenzvolumenstroms in Abhängigkeit des jeweiligen Niveaus der Betriebstemperatur festgelegt wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Temperaturband eine konstante Temperatur als Sollgröße bestimmt wird.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Veränderung einer Mehrzahl an Edukten und die Festlegung der Anzahl der zu verändernden Eduktmengen in Abhängigkeit des jeweiligen Niveaus der Betriebstemperatur erfolgt.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweiligen, gleichzeitigen Veränderungen der zuzuführenden Eduktmengen aufeinander abgestimmt werden zur Erzielung einer optimierten Betriebstemperaturänderung.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mengeneinstellbaren Edukte ein Brennstoff, Wasserdampf, flüssiges Wasser und/oder ein Oxidationsmittel sind.