DE10101097A1 - Verfahren zum Betrieb einer Reformanlage mit einer Kaltstartreinigung und Reformeranlage mit einer Kaltstartreinigung - Google Patents

Verfahren zum Betrieb einer Reformanlage mit einer Kaltstartreinigung und Reformeranlage mit einer Kaltstartreinigung

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betrieb einer Reformeranlage (1) zur Bereitstellung eines mit Wasserstoff angereicherten gasförmigen Produktstroms (2), insbesondere während einer Startphase der Energieerzeugung mit einer Brennstoffzelle (3), bei dem eine Kenngröße bestimmt wird, die proportional zu einer Schadstoffkonzentration in einem Produktstrom (2) ist, und der Produktstrom an die Umgebung abgeführt wird, falls die Kenngröße einen bestimmten Schwellwert überschreitet, bzw. der Produktstrom (2) einer Brennstoffzelle (3) zugeführt wird, falls die Kenngröße den bestimmten Schwellwert unterschreitet. Des weiteren ist eine Reformeranlage (1) Gegenstand der Erfindung, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitet. Das Verfahren und die Reformeranlage (1) zeichnen sich dadurch aus, daß auf eine einfache und preiswerte Art und Weise die in einem Produktstrom (2) auftretenden Schadstoffe von einer Brennstoffzelle (3) ferngehalten werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Reformeranlage zur Be­ reitstellung eines mit Wasserstoff angereicherten Produktstromes sowie eine Re­ formeranlage.
Im Zuge der Energiediskussion wird der Einsatz von Brennstoffzellen insbesonde­ re für mobile Anwendungen wie z. B. für Automobile zunehmend diskutiert. Eine Schwierigkeit bei der Brennstoffzellentechnik ist jedoch die Speicherung von größeren Energiemengen, da der für die meisten Brennstoffzellen wesentliche Energieträger Wasserstoff nur eine vergleichsweise geringe Energiespeicherdichte aufweist. Darüber hinaus sind derzeit keine vergleichbaren Versorgungssysteme für Wasserstoff vorhanden wie sie z. B. für fossile Brennstoffe bestehen.
Eine Lösung für diese Probleme ist, den Wasserstoff direkt vor Ort aus wasser­ stoffreichen Brennstoffen insbesondere Kohlenwasserstoffen mit einer hohen E­ nergiespeicherdichte zu erzeugen. Für die Gewinnung von Wasserstoff aus Koh­ lenwasserstoffen werden Reformer verwendet, die, je nach Brennstoff unter­ schiedliche Verfahren und chemische Reaktionen nutzend, den Wasserstoff mit Hilfe einer katalytischen Reaktion bereitstellen.
Während mit Reformer nur der katalytische Reaktor zur chemischen Umsetzung der Stoffe bezeichnet wird, weist eine Reformeranlage als übergeordnete Anlage mindestens einen Reformer, Gasleitungen ggf eine Gasreinigung oder eine Steue­ rung etc auf.
Bei der katalytischen Umsetzung der Kohlenwasserstoffe können Nebenprodukte entstehen, die die Brennstoffzelle als solche in ihrer Wirkungsweise entweder beeinträchtigen oder sogar zerstören können. Dieses ist insbesondere dann der Fall, wenn der Reformer noch nicht seine Betriebstemperatur erreicht hat. Bei Anwendungen, wo hohe Leistungswechsel anfallen bzw. ein Reformer schnell in Betrieb genommen werden muß, z. B. beim Starten eines Automobils, besteht die Gefahr, daß der Wasserstoff kurz nach Reformerstart nicht mit ausreichender Reinheit erzeugt wird.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Betrieb einer Reformeran­ lage anzugeben, mit dem Wasserstoff nur in ausreichender Reinheit einer Brenn­ stoffzelle zugeführt werden kann, sowie eine Reformeranlage anzugeben, mit der dieses Verfahren durchgeführt werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch eine Reformeranlage gemäß Anspruch 10 gelöst. Vor­ teilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der jeweils abhängigen Ansprüche.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betrieb einer Reformeranlage zur Bereitstellung eines mit Wasserstoff angereicherten, gasförmigen Produktstroms, insbesondere während einer Startphase der Energieerzeugung mit einer Brenn­ stoffzelle, wird der Produktstrom der Brennstoffzelle zugeführt, wenn der Pro­ duktstrom eine geringe Schadstoffkonzentration aufweist, und an die Umgebung abgeführt, wenn der Produktstrom eine hohe Schadstoffkonzentration aufweist. Hiermit wird vermieden, daß Schadstoffe, die die Brennstoffzellen in ihrer Funk­ tionsweise beeinträchtigen oder sogar zerstören können von der Brennstoffzelle ferngehalten werden. Gering ist hier in Bezug auf den Brennstoffzellen-Typ zu verstehen, da je nach Typ jeweils unterschiedliche Reinheitsanforderungen erforderlich sind. In den meisten Fällen gilt, daß je niedriger die Betriebstemperatur der Brennstoffzelle, desto höher ist die geforderte Brennstoffeinheit. Mögliche Schadstoffe sind Kleinstpartikel, H2S, CO, CO2, NH3, COS und andere. Speziell für PEM-Brennstoffzelle ist beispielsweise eine geringere CO-Konzentration von < 100 ppm, möglichst sogar < 10 ppm erforderlich.
In einer Ausgestaltung des Verfahren wird der Produktstrom 30 bis 300 s nach Beginn der Inbetriebnahme der Reformeranlage an die Umgebung abgegeben. Dieses ist eine besonders einfache Methode, die Brennstoffzelle beim Beginn der Inbetriebnahme von den anfallenden Schadstoffen zu schützen. Es wird jedoch u. U. mehr Wasserstoff an die Umgebung abgeleitet als erforderlich.
In einer bevorzugten Ausgestaltung wird eine Kenngröße bestimmt, die proporti­ onal zu einer Schadstoffkonzentration in einem Produktstrom ist. Je nach dem, ob die Kenngröße einen bestimmten Schwellwert über- oder unterschreitet, wird der Produktstrom an die Umgebung ab- oder wird er einer Brennstoffzelle zugeführt. Mit Hilfe dieses Verfahrens wird somit die Brennstoffzelle vor Schadstoffen, die in der Reformeranlage entstehen, geschützt und eine längere Lebensdauer der Brennstoffzelle erzielt. Die Kenngröße kann mit Hilfe einer Sonde, welche die Schadstoffkonzentration direkt mißt, bestimmt werden. Alternativ kann die Kenn­ größe indirekt aus anderen Reformergrößen wie z. B. dem Brennstoffmassenstrom, die Temperatur an einer oder mehreren Stellen, den Stromstärken u. a. ermittelt werden. Vorteil dieser Ausgestaltung ist, daß in Abhängigkeit der speziellen Pa­ rameter der Produktstrom zur richtigen Zeit umgeleitet wird, so daß nicht unnötig viel Wasserstoff an die Umgebung abgegeben wird.
In einer besonderen Ausgestaltung wird als Schadstoffkonzentration die CO- Konzentration gemessen. Das Kohlenmonoxid ist ein starkes Oxidationmittel und seine Anwesenheit in der Brennstoffzelle stellt eine wesentliche Beeinträchtigung der katalytischen Reaktion dar.
In einer weiteren besonderen Ausgestaltung wird die CO-Konzentration im Pro­ duktstrom durch Oxidation unter O2-Zufuhr vermindert. Durch die Oxidation mit O2 wird das Kohlenmonoxid in Kohlendioxid umgewandelt.
In einer Ausgestaltung der Erfindung wird der Produktstrom einer Reinigung un­ terzogen, bevor er an die Umgebung abgeführt wird. Hierdurch wird vermieden, daß Schadstoffe direkt an die Umgebung abgeführt werden.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die Schadstoffkonzentra­ tion im Produktstrom durch einen katalytischen Reaktor vermindert, der elektrisch beheizt wird. Durch das elektrische Heizen wird die Zündtemperatur der katalyti­ schen Reaktion schnell erreicht und der Ausstoß von Schadstoffen an die Umwelt minimiert.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die CO-Konzentration direkt im Produktstrom mit Hilfe eines Sensors, ins­ besondere einer Lambda-Sonde, gemessen.
Nach einer noch weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die CO-Konzentration indirekt im Produktstrom unter Zuhilfenahme anderer Da­ ten, insbesondere etwa dem Brennstoffmassenstrom und/oder der Temperatur an mindestens einer Stelle in der Reformeranlage bestimmt.
Die erfindungsgemäße Reformeranlage zur Bereitstellung eines mit Wasserstoff angereicherten Produktstroms, insbesondere während einer Startphase der Ener­ gieerzeugung mit einer Brennstoffzelle, weist mindestens einen Reformerreaktor zur katalytischen Erzeugung von Wasserstoff, ein Mittel zur Bestimmung einer Kenngröße, und mindestens ein Mittel zur Lenkung des Produktstroms auf. Der Reformerreaktor ist der Teil der Reformeranlage, an dem eine katalytische Reak­ tion zur Umsetzung von Kohlenwasserstoffen stattfindet. Das Mittel zur Bestim­ mung einer Kenngröße kann mindestens ein Meßfühler sein, mit dessen Daten eine Kenngröße entweder direkt gemessen oder indirekt ermittelt wird. Die Kenn­ größe charakterisiert die Schadstoffkonzentration im Produktstrom.
In einer Weiterbildung der Erfindung weist die Reformeranlage mindestens eine Reinigungsanlage auf, mit der der Produktstrom gereinigt bzw. von Schadstoffen befreit wird. Die Reinigungsanlage befindet sich entweder zwischen Reformerre­ aktor und Brennstoffzelle und/oder zwischen Reformerreaktor und dem Auslaß des Produktstroms in die Umwelt.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Reformeranlage um­ faßt das Mittel zur Bestimmung einer Kenngröße ein Rechenwerk. Hiermit kön­ nen aus anderen Größen wie z. B. die Temperatur oder dem Brennstoffmassen­ strom, Schadstoffkonzentrationen im Produktstrom ermittelt werden.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Reformeranlage ist das Mittel zur Lenkung des Produktstroms ein Ventil, mit dem der Produktstrom entweder zur Brennstoffzelle oder an die Umgebung gelenkt wird.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Mittel zur Lenkung des Produktstroms eine Klappe, mit der die Verbindung zwischen Re­ formerreaktor und Brennstoffzelle geschlossen und der Produktstrom der Umwelt zugeführt wird.
Die Zeichnung zeigt schematisch den Aufbau der Reformeranlage.
Die Bezugsfigur zeigt eine Reformeranlage 1 gemäß der Erfindung mit einem Reformerreaktor 4, welche mit Kohlenwasserstoffen versehen wird und einen wasserstoffangereicherten Produktstrom 2 erzeugt. Ein Mittel 5 zur Bestimmung einer Kenngröße ermittelt eine Kenngröße, die eine bestimmte Schadstoffmenge im Produktstrom 2 charakterisiert Je nach Schadstoffkonzentration wird der Pro­ duktstrom 2 entweder mit Hilfe eines Mittels 6 zur Lenkung des Produktstroms 2 an die Brennstoffzelle 3 oder an die Umwelt geleitet. Bevor ein schadstoffreicher Produktstrom 2 an die Umwelt abgegeben wird, wird er zuvor von einer Reini­ gungsanlage gereinigt. Die Reinigungsanlage ist in diesem Fall ein katalytischer Reaktor, insbesondere ein mit einem Katalysator beschichteter Wabenkörper, der beheizbar ist und die Kohlenmonoxidkonzentration im Produktstrom 2 reduziert.
Die Erfindung beschreibt ein Verfahren zum Betrieb einer Reformeranlage 1 so­ wie eine Reformeranlage 1, mit der ein wasserstoffangereicherter Produktstrom 2 mit ausreichender Freiheit von Schadstoffen bereitgestellt wird, wobei die Schad­ stoffe, die eine Brennstoffzelle 3 zerstören können, auf eine einfache und preis­ werte Art von der Brennstoffzelle 3 ferngehalten werden.
Bezugszeichenliste
1
Reformeranlage
2
Produktstrom
3
Brennstoffzelle
4
Reformerreaktor
5
Mittel zur Bestimmung einer Kenngröße
6
Mittel zur Lenkung des Produktstroms
7
Reinigungsanlage

Claims (15)

1. Verfahren zum Betrieb einer Reformeranlage (1) zur Bereitstellung eines mit Wasserstoff angereicherten gasförmigen Produktstroms (2), insbesonde­ re während einer Startphase der Energieerzeugung mit einer Brennstoffzel­ le (3), bei dem
der Produktstrom (2) der Brennstoffzelle (3) zugeführt wird, wenn der Pro­ duktstrom (2) eine geringe Schadstoffkonzentration aufweist, und
der Produktstrom (2) an die Umgebung abgeführt wird, wenn der Produkt­ strom (2) eine hohe Schadstoffkonzentration aufweist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Produktstrom (2) 30 bis 300 s nach Beginn der Inbetriebnahme der Re­ formeranlage (1) an die Umgebung abgegeben wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem
eine Kenngröße bestimmt wird, die proportional zu der Schadstoffkonzent­ ration in einem Produktstrom (2) ist, und
der Produktstrom (2) an die Umgebung abgeführt wird, falls die Kenngröße einen bestimmten Schwellwert überschreitet, bzw.
der Produktstrom (2) der Brennstoffzelle (3) zugeführt wird, falls die Kenn­ größe den bestimmten Schwellwert unterschreitet.
4. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem als Schadstoffkonzentration die CO- Konzentration gemessen wird.
5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, bei dem die CO-Konzentration direkt im Produktstrom (2) mit Hilfe eines Sensors gemessen wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, bei dem die CO- Konzentration indirekt im Produktstrom (2) unter Zuhilfenahme anderer Daten, insbesondere etwa der Krafstoffzufuhr und/oder der Temperatur an mindestens einer Stelle in der Reformeranlage (4), bestimmt wird.
7. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem der Produktstrom (2) einer Reinigung unterzogen wird, bevor er an die Umgebung abgeführt wird.
8. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem die CO- Konzentration im Produktstrom (2) durch Oxidation unter O2-Zufuhr ver­ mindert wird.
9. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem die Schadstoffkonzentration im Produktstrom (2) durch einen katalytischer Reaktor, insbesondere einen elektrisch beheizbaren katalytischen Reaktor, vermindert wird.
10. Reformeranlage (1) zur Bereitstellung eines mit Wasserstoff angereicherten Produktstroms (2), insbesondere während einer Startphase der Energieer­ zeugung mit einer Brennstoffzelle (3), mit mindestens
einem Reformerreaktor (4) zur katalytischen Erzeugung von Wasserstoff,
einem Mittel (5) zur Bestimmung einer Kenngröße, und
mindestens einem Mittel (6) zur Lenkung des Produktstroms (2).
11. Reformeranlage (1) nach Anspruch 10 mit mindestens einer Reinigungsan­ lage (7) zur Reinigung des Produktstroms (2).
12. Reformeranlage (1) nach Anspruch 10 oder 11, wobei die Reinigungsanlage (7) ein elektrisch beheizbarer katalytischer Reaktor ist.
13. Reformeranlage (1) nach einem der vorherigen Ansprüche 10 bis 12, wobei das Mittel (5) zur Bestimmung einer Kenngröße ein Rechenwerk umfaßt.
14. Reformeranlage (1) nach einem der vorherigen Ansprüche 10 bis 13, wobei das Mittel (6) zur Lenkung des Produktstroms ein Ventil ist.
15. Reformeranlage (1) nach einem der vorherigen Ansprüche 10 bis 13, wobei das Mittel (6) zur Lenkung des Produktstroms eine Klappe ist.
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