DE10142578A1 - System zum Erzeugen elektrischer Energie und Verfahren zum Betreiben eines Systems zum Erzeugen elektrischer Energie - Google Patents

System zum Erzeugen elektrischer Energie und Verfahren zum Betreiben eines Systems zum Erzeugen elektrischer Energie

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein System zum Erzeugen elektrischer Energie (10) mit mindestens einer Brennstoffzelle (12), mindestens einem Reformer (14) zum Umsetzen von Brennstoff (16) und Luft (18) zu Reformat (20), Mitteln (22) zum Zuführen des Reformats (20) zu einer Anode (24) der mindestens einen Brennstoffzelle (12), Mitteln (26) zum Zuführen von Kathodenzuluft (28) zu einer Kathode (30) der mindestens einen Brennstoffzelle (12), wobei Mittel (32) zum Erzeugen von Wärmeenergie aus zumindest Anodenabgas (34) und Kathodenabluft (36) vorgesehen sind und Mittel (38) zum Übertragen von Wärmeenergie, die von den Mitteln (32) zum Erzeugen von Wärmeenergie erzeugt wurde, auf die Kathodenzuluft (28) vorgesehen sind. Die Erfindung betrifft weiterhin verschiedene Verfahren zum Betreiben eines Systems zum Erzeugen elektrischer Energie (10).

Description

  • Die Erfindung betrifft ein System zum Erzeugen elektrischer Energie mit mindestens einer Brennstoffzelle, mindestens einem Reformer zum Umsetzen von Brennstoff und Luft zu Reformat, Mitteln zum Zuführen des Reformats zu einer Anode der mindestens einen Brennstoffzelle und Mitteln zum Zuführen von Kathodenzuluft zu einer Kathode der mindestens einen Brennstoffzelle. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Betreiben eines Systems zum Erzeugen elektrischer Energie, bei dem einem Reformer Brennstoff und Luft zugeführt wird, Brennstoff und Luft in dem Reformer zu Reformat umgesetzt werden, das Reformat einer Anode einer Brennstoffzelle zugeführt wird und Kathodenzuluft einer Kathode der Brennstoffzeile zugeführt wird. Weiterhin betrifft die Erfindung verschiedene Verfahren zum Betreiben eines System zum Erzeugen elektrischer Energie in unterschiedlichen Betriebszuständen.
  • Gattungsgemäße Systeme dienen der Umwandlung von chemischer Energie in elektrische Energie. Das zentrale Element bei derartigen Systemen ist eine Brennstoffzelle, bei der durch die kontrollierte Umsetzung von Wasserstoff und Sauerstoff elektrische Energie freigesetzt wird. Der Begriff Brennstoffzelle hat im Rahmen der vorliegenden Offenbarung eine sehr allgemeine Bedeutung. Er kann sowohl eine einzelne Brennstoffzelle oder auch einen Brennstoffzellenstack bezeichnen.
  • Ein gängiges Brennstoffzellensystem ist beispielsweise ein PEM-System ("proton exchange membrane"), welches typischerweise bei Betriebstemperaturen zwischen Raumtemperatur und etwa 100°C betrieben werden kann. Aufgrund der niedrigen Betriebstemperaturen wird dieser Brennstoffzellentyp häufig für mobile Anwendungen genutzt, beispielsweise in Kraftfahrzeugen.
  • Weiterhin sind Hochtemperaturbrennstoffzellen bekannt, beispielsweise sogenannte SOFC-Systeme ("solid oxide fuel cell"). Diese Systeme arbeiten beispielsweise im Temperaturbereich von zirka 800°C, wobei ein Feststoffelektrolyt ("solid oxide") in der Lage ist, den Transport von Sauerstoffionen zu übernehmen. Der Vorteil von derartigen Hochtemperaturbrennstoffzellen gegenüber PEM- Systemen besteht insbesondere in der Robustheit gegenüber mechanischen und chemischen Belastungen.
  • Als Anwendungsgebiete für Brennstoffzellensysteme kommen neben stationären Anwendungen insbesondere Anwendungen im Kraftfahrzeugbereich in Frage, beispielsweise als "auxiliary power unit" (APU). Die bekannten Systeme sind allerdings derzeit noch recht kompliziert, insbesondere da eine Vielzahl von Komponenten erforderlich ist, beispielsweise Wärmetauscher, Zusatzheizeinrichtungen, Ventile, Pumpen und Verdichter. Die Regelung dieser Systeme ist aufwendig. Dies gilt insbesondere in einem Teillastbetrieb, da der Wärmehaushalt der Systeme bei dieser Betriebsart häufig nicht in einfacher Weise ausgeglichen werden kann. Letztlich sind die Systeme des Standes der Technik nur mit hohen Kosten herstellbar beziehungsweise zum Einsatz in Fahrzeugen aufgrund fehlender Kompaktheit und Robustheit nicht einsetzbar. Ein weiteres Problem, das insbesondere bei Hochtemperaturbrennstoffzellensystemen des Standes der Technik auftritt, ist die Komplexität des Startvorgangs und der mit dem Startvorgang verbundene Zeitaufwand.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein System und verschiedene Verfahren zum Betreiben von Systemen zur Verfügung zu stellen, mit denen die genannten Nachteile und Probleme des Standes der Technik umgangen beziehungsweise gelöst werden, wobei insbesondere ein möglichst einfaches System mit einer geringen Anzahl von Nebenkomponenten sowie ein einfacher Betrieb in unterschiedlichen Betriebszuständen, beispielsweise Startbetrieb, Teillastbetrieb, Volllastbetrieb, zur Verfügung gestellt werden soll.
  • Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst.
  • Vorteilhafte Ausführungsformen werden in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
  • Die Erfindung baut auf dem gattungsgemäßen System dadurch auf, dass Mittel zum Erzeugen von Wärmeenergie aus zumindest Anodenabgas und Kathodenabluft vorgesehen sind und dass Mittel zum Übertragen von Wärmeenergie, die von den Mitteln zum Erzeugen von Wärmeenergie erzeugt wurde, auf die Kathodenzuluft vorgesehen sind. Auf diese Weise ist es möglich, eine Vorwärmung der Kathodenzuluft zur Verfügung zu stellen, ohne dass Zusatzheizeinrichtungen erforderlich wären. Die Vorwärmung der Kathodenzuluft kann dem Aufwärmen der Brennstoffzelle im Startbetrieb dienen. Weiterhin kann im Normalbetrieb ein Wärmemanagement des Systems erfolgen, das die Restenergie der aus der Brennstoffzelle austretenden Gase nutzt.
  • Das erfindungsgemäße System ist in besonders vorteilhafter Weise dadurch weitergebildet, dass die mindestens eine Brennstoffzelle eine Hochtemperaturbrennstoffzelle ist. Im Zusammenhang mit einer Hochtemperaturbrennstoffzelle ist die Vorwärmung der Kathodenzuluft besonders wichtig, insbesondere zum Aufheizen der Brennstoffzelle auf Betriebstemperatur.
  • Es kann vorteilhaft sein, wenn als Brennstoff Benzin verwendet wird. Es ist möglich Benzin zusammen mit in den Reformer eingebrachter Luft in der Weise umzusetzen, dass ein Reformat erzeugt wird, aus welchem in der Brennstoffzelle elektrischer Strom erzeugt werden kann.
  • Ebenfalls ist möglich, dass als Brennstoff Diesel verwendet wird. Das System ist insofern universell mit unterschiedlichen Brennstoffen anwendbar, wobei die möglichen Brennstoffe nicht auf Diesel und Benzin beschränkt sind.
  • Vorzugsweise ist eine Pumpe zum Zuführen des Brennstoffs zu dem Reformer vorgesehen. Auf diese Weise lässt sich der Brennstoff dem Reformer kontrolliert beziehungsweise geregelt zuführen, wobei insbesondere ein brauchbares Verhältnis zwischen Brennstoff und Luft in dem Reformer sichergestellt werden kann.
  • Ebenfalls ist es nützlich, dass mindestens ein Gebläse zum Zuführen von Luft zu dem Reformer und/oder von Kathodenzuluft vorgesehen ist. Das Gebläse kann so betrieben werden, dass die geeignete Luftmenge in den Reformer eingebracht wird, wobei sowohl die für die chemische Umsetzung vorliegenden Randbedingungen berücksichtigt werden können und ferner eine Kühlung des Reformers bereitgestellt werden kann. Ebenfalls ist ein Gebläse für die Zuführung von Kathodenzuluft zu der Kathode vorzusehen, um auch hier die geeigneten Massenströme zur Verfügung zu stellen. Es kann in vorteilhafter Weise vorgesehen sein, dass sowohl die dem Reformer zugeführte Luft als auch die Kathodenzuluft durch ein einziges Gebläse geliefert wird. In jedem Fall ist sicherzustellen, das oder die Gebläse so auszulegen, dass alle im System folgenden Druckverluste bis zum Abgasauslass überwunden werden.
  • Das erfindungsgemäße System ist in besonders vorteilhafter Weise dadurch weitergebildet, dass das System mindestens zwei Betriebszustände aufweist, wobei ein erster Betriebszustand ein Normalbetrieb zum Erzeugen elektrischer Energie ist und ein zweiter Betriebszustand dem Vorwärmen des Systems dient.
  • In diesem Zusammenhang ist als besonders vorteilhaft zu erwähnen, dass zahlreiche Komponenten des Systems je nach der Betriebsart unterschiedliche Funktionen ausführen können, was im Sinne eines rationellen und somit kostengünstigen und robusten Aufbaus ist.
  • Beispielsweise kann es besonders bevorzugt sein, dass in dem ersten Betriebszustand der Brennstoff in dem Reformer durch partielle Oxidation zu Reformat umgesetzt wird. Während des ersten Betriebszustands befindet sich der Reformer vorzugsweise auf Betriebstemperatur. Die partielle Oxidation zu Reformat in dem Reformer kann dann insbesondere dadurch realisiert werden, dass die zugeführte Luft mit einem vom Brennstoffmassenstrom abhängigen Massenstrom zugeführt wird, so dass Sauerstoff unterstöchiometrisch für die Oxidation zur Verfügung steht.
  • Ebenfalls ist das erfindungsgemäße System in besonders vorteilhafter Weise dadurch weitergebildet, dass in dem zweiten Betriebszustand der Reformer nach Art eines Brenners arbeitet. Der zweite Betriebszustand ist in diesem Fall insbesondere mit dem Startvorgang des Systems zu identifizieren. Die von dem Brenner erzeugte Wärmeenergie wird dann zur Bereitstellung der Betriebstemperatur für den Reformerbetrieb und der Betriebstemperatur der Brennstoffzelle genutzt.
  • Es kann nützlich sein, dass bei der Verwendung von Diesel als Brennstoff dieser vor der partiellen Oxidation in Vorreaktionen umgesetzt wird. Dies kann beispielsweise so bewerkstelligt werden, dass der flüssige Dieselbrennstoff vor der Verdampfung in einem vorgewärmten Luftstrom mitgeführt wird. Dabei kommt es zu Vorreaktionen, bei denen insbesondere die langkettigen Dieselmoleküle in kürzere Ketten umgesetzt werden. Derartige Reaktionen finden vorzugsweise in Bereichen zwischen etwa 400 und 500°C statt, so dass eine Gemischbildung gemäß dem Verfahren der "kalten Flamme" vorliegt. Die kürzerkettigen Moleküle lassen sich dann im Reformer unter Vermeidung von Koksbildung in günstiger Weise zu Reformat umsetzen.
  • Weiterhin kann das erfindungsgemäße System so ausgestaltet sein, dass der Brennstoff in dem Reformer durch autotherme Reformierung zu Reformat umgesetzt wird. Das Verfahren der partiellen Oxidation wird dadurch herbeigeführt, dass Sauerstoff unterstöchiometrisch zugeführt wird. Beispielsweise hat das Gemisch eine Luftzahl von λ = 0,4. Die partielle Oxidation ist exotherm, so dass es in problematischer Weise zu einer unerwünschten Aufheizung des Reformers kommen kann. Ferner neigt die partielle Oxidation zu einer verstärkten Rußbildung. Zur Vermeidung der Rußbildung kann nun die Luftzahl λ kleiner gewählt werden. Dies wird so erreicht, dass ein Teil des für die Oxidation verwendeten Sauerstoffs durch Wasserdampf bereitgestellt wird. Da die Oxidation mit Wasserdampf endotherm verläuft, ist es möglich, das Verhältnis zwischen Brennstoff, Sauerstoff und Wasserdampf so einzustellen, dass insgesamt weder Wärme freigesetzt noch Wärme verbraucht wird. Die so erreichte autotherme Reformierung beseitigt daher die Probleme der Rußbildung und einer unerwünschten Überhitzung des Reformers.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Systems ist es so ausgelegt, dass im Anschluss an eine Oxidation in dem Reformer eine Methanisierung erfolgt. Auch ein solches Reformat eignet sich in vorteilhafter Weise zur Umsetzung in einer Hochtemperaturbrennstoffzelle.
  • Weiterhin ist es bevorzugt, dass mindestens ein Temperatursensor zum Überwachen der Reformerprozesse vorgesehen ist. Die von dem Temperatursensor zur Verfügung gestellte Temperaturinformation kann sowohl während des eigentlichen Reformerbetriebs als auch während der Aufheizzeit des Systems ausgewertet werden.
  • Ebenso kann es nützlich sein, dass mindestens ein Gassensor zum Überwachen der Reformerprozesse vorgesehen ist.
  • Das erfindungsgemäße System ist in vorteilhafter Weise dadurch weitergebildet, dass in dem ersten Betriebszustand der dem Reformer zugeführte Brennstoffmassenstrom in Abhängigkeit einer angeforderten elektrischen Leistung geregelt wird. Die elektrische Leistung kann dann beispielsweise unter Erhöhung der Förderleistung der Brennstoffpumpe vergrößert werden.
  • Ebenfalls ist es nützlich, dass der dem Reformer zugeführte Luftmassenstrom auf eine vorgegebene Luftzahl λ geregelt wird. Diese Luftzahl λ ist während des eigentlichen Reformerbetriebs vorzugsweise so zu wählen, dass Sauerstoff unterstöchiometrisch zugeführt wird. Bei Diesel wird dies beispielsweise durch eine Luftzahl von λ = 0,4 sichergestellt. Während des Kaltstarts des Systems, wenn der Reformer als Brenner arbeitet, wird eine Luftzahl λ ≥ 1 gewählt.
  • Das erfindungsgemäße System ist in besonders nützlicher Weise dadurch weitergebildet, dass die Mittel zum Erzeugen von Wärmeenergie und die Mittel zum Übertragen von Wärmeenergie auf die Kathodenzuluft in der Weise kombiniert sind, dass sie als katalytisch beschichtete Gasführungen eines Wärmetauschers ausgeführt sind. Auf diese Weise kann die Erzeugung der Wärmeenergie ohne größeren Aufwand im Wärmetauscher selbst erfolgen.
  • Das System kann nützlicherweise so ausgeführt sein, dass die Mittel zum Übertragen von Wärmeenergie auf die Kathodenzuluft als Mikrokanalwärmetauscher ausgeführt sind. Dies bietet die Möglichkeit, den Wärmetauscher besonders kompakt auszuführen.
  • Ebenfalls ist es denkbar, dass die Mittel zum Übertragen von Wärmeenergie auf die Kathodenzuluft als Spiralröhrenwärmetauscher ausgeführt sind. Ein solcher Wärmetauscher ist besonders robust, insbesondere im Hinblick auf durch Temperaturunterschiede bewirkte mechanische Spannungen.
  • Das System gemäß der vorliegenden Erfindung kann ebenfalls in der Weise fortgebildet sein, dass die Mittei zum Erzeugen von Wärmeenergie als Brenner ausgeführt sind. Auf diese Weise kann eine Erzeugung von Wärmeenergie auch ohne katalytische Beschichtung von Gasführungen erfolgen, wobei der Nachbrenner vorteilhafterweise mit einer Zündeinrichtung ausgestattet ist.
  • Ebenfalls ist das System der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise so ausgestattet, dass der Reformer einen Wärmeübertrager umfasst, so dass die zur Reformierung zugeführte Luft vorgewärmt werden kann. Eine solche Vorwärmung der Reformerluft bietet sich insbesondere dann an, wenn in dem Reformer eine partielle Oxidation durchgeführt wird.
  • In diesem Zusammenhang erweist es sich als besonders vorteilhaft, dass aus einem dem Reformer zugeordneten Wärmeübertrager ausströmende Luft vor dem Einströmen in den Reformer durch eine Ventileinrichtung geleitet wird, wobei auf einem ersten Ventilweg vorgewärmte Luft in den Reformer geleitet wird und auf einem zweiten Ventilweg vorgewärmte Luft der Kathodenluft zugeleitet wird. Die angesprochenen Vorteile der Erwärmung der Reformerluft können noch dadurch ergänzt werden, dass ein nicht benötigter Teilstrom an vorgewärmter Luft der Kathodenluft zugeführt wird. Auf diese Weise lässt sich der Luftmassenstrom, der zur Kühlung des Reformers erforderlich ist, unabhängig von der für die Reformierung notwendige Luftmenge einstellen. Weiterhin wird zusätzlich ein Beitrag zur Vorwärmung der Kathodenzuluft erbracht.
  • Ebenfalls kann es nützlich sein, dass einem dem Reformer zugeordneten Wärmeübertrager zuströmende Luft durch eine Ventileinrichtung geleitet wird, wobei auf einem ersten Ventilweg Luft dem dem Reformer zugeordneten Wärmeübertrager zugeleitet wird und auf einem zweiten Ventilweg Kathodenzuluft den Mitteln zum Übertragen von Wärmeenergie auf die Kathodenzuluft zugeleitet wird. Durch die Ventileinrichtung lassen sich zwei unabhängig voneinander einstellbare Teilströme für den Reformer beziehungsweise die Kathode der Brennstoffzelle bereitstellen.
  • Das erfindungsgemäße System ist in besonders vorteilhafter Weise dadurch weitergebildet, dass die Mittel zum Zuführen des Reformats zu der Anode der Brennstoffzelle eine Ventileinrichtung umfassen, die auf einem ersten Ventilweg Reformat der Anode zuführt und die auf einem zweiten Ventilweg Reformat den Mitteln zum Erzeugen von Wärmeenergie zuführt. Diese Eigenschaft kann besonders im Teillastbetrieb besonders nützlich sein, in welchem der Wärmehaushalt von Systemen des Standes der Technik häufig nicht ausgeglichen ist. Indem die Ventileinrichtung so geschaltet wird, dass aus dem Reformer austretendes Reformat unter Umgehung der Brennstoffzelle direkt den Mitteln zum Erzeugen von Wärmeenergie zur Erwärmung der Kathodenzuluft zugeführt wird, kann eine unzureichende Erwärmung der Kathodenzuluft im Teillastbetrieb verhindert werden. Es ist somit nicht erforderlich, zusätzliche Komponenten bereitzustellen, die eine Erwärmung der Kathodenzuluft während des Teillastbetriebs vornehmen.
  • Eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens baut auf einem Verfahren des Standes der Technik dadurch auf, dass aus zumindest Anodenabgas und Kathodenabluft Wärmeenergie erzeugt wird und dass aus Anodenabgas und Kathodenabluft erzeugte Wärmeenergie auf die Kathodenzuluft übertragen wird. Auf diese Weise werden die erfindungsgemäßen Vorteile des beschriebenen Systems auch im Rahmen eines Verfahrens umgesetzt. Dies gilt ebenfalls für die nachfolgend beschriebenen vorteilhaften Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens. Diese erste Ausführungsform des Verfahrens betrifft den Normalbetrieb eines Systems zum Erzeugen elektrischer Energie unter Verwendung einer Brennstoffzelle. Insbesondere bedeutet dies, dass der Reformer so betrieben wird, dass aus Brennstoff und Luft Reformat erzeugt wird.
  • Die erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist besonders dann nützlich, wenn mindestens eine Brennstoffzelle eine Hochtemperaturbrennstoffzelle ist.
  • Die erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorteilhaft anwendbar, wenn als Brennstoff Benzin verwendet wird.
  • Ebenfalls kann es nützlich sein, dass als Brennstoff Diesel verwendet wird.
  • Die erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist besonders vorteilhaft dadurch weitergebildet, dass der Brennstoff in dem Reformer durch partielle Oxidation zu Reformat umgesetzt wird.
  • Nützlicherweise ist bei der ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen, dass bei der Verwendung von Diesel als Brennstoff dieser vor der partiellen Oxidation in Vorreaktionen umgesetzt wird.
  • Ebenfalls ist es denkbar, das Verfahren so auszuführen, dass der Brennstoff in dem Reformer durch autotherme Reformierung zu Reformat umgesetzt wird.
  • Weiterhin kann vorgesehen sein, dass im Anschluss an eine Oxidation in dem Reformer eine Methanisierung erfolgt.
  • Die erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann besonders vorteilhaft dann ausgeführt werden, wenn mindestens ein Temperatursensor zum Überwachen der Reformerprozesse vorgesehen ist.
  • Weiterhin kann die erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens in nützlicher Weise davon profitieren, dass mindestens ein Gassensor zum Überwachen der Reformerprozesse vorgesehen ist.
  • Die erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung ist in besonders vorteilhafter Weise dadurch weitergebildet, dass der Brennstoffmassenstrom in Abhängigkeit einer angeforderten elektrischen Leistung geregelt wird und dass der dem Reformer zugeführte Luftmassenstrom auf eine vorgegebene Luftzahl λ geregelt wird.
  • Weiterhin kann nützlicherweise vorgesehen sein, dass aus dem Anodenabgas und der Kathodenabluft Wärme katalytisch erzeugt wird.
  • Es kann aber auch im Rahmen der ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen sein, dass die Wärmeenergie durch einen Brenner erzeugt wird.
  • In einer weiteren bevorzugten Variante der ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist dieses so ausgelegt, dass die zur Reformierung zugeführte Luft vorgewärmt wird.
  • Ebenfalls kann die erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens so ausgestaltet sein, dass aus einem dem Reformer zugeordneten Wärmeübertrager ausströmende Luft vor dem Einströmen in den Reformer durch eine Ventileinrichtung geleitet wird, wobei auf einem ersten Ventilweg vorgewärmte Luft in den Reformer geleitet wird und auf einem zweiten Ventilweg vorgewärmte Luft der Kathodenzuluft zugeleitet wird.
  • Ebenfalls kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, das Verfahren so auszugestalten, dass einem dem Reformer zugeordneten Wärmeübertrager zuströmende Luft durch eine Ventileinrichtung geleitet wird, wobei auf einem ersten Ventilweg Luft dem dem Reformer zugeordneten Wärmeübertrager zugeleitet wird und auf einem zweiten Ventilweg Kathodenluft den Mitteln zum Übertragen von Wärmeenergie auf die Kathodenzuluft zugeleitet wird.
  • Ebenfalls kann es nützlich sein, das Verfahren zum Betreiben eines Systems zum Erzeugen elektrischer Energie so fortzubilden, dass die Mittel zum Zuführen des Reformats zu der Anode der Brennstoffzelle eine Ventileinrichtung umfassen, die auf einem ersten Ventilweg Reformat der Anode der Brennstoffzelle zuführt und auf einem zweiten Ventilweg Reformat den Mitteln zum Erzeugen von Wärmeenergie zuführt.
  • Eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens baut auf dem Stand der Technik dadurch auf, dass der Reformer zum Vorwärmen des Systems nach Art eines Brenners arbeitet. Das hier genannte Verfahren betrifft somit einen Betriebszustand eines Systems zum Erzeugen elektrischer Energie, wobei in dem an sich zur Reformierung vorgesehenen Bauteil eine vollständige oder nahezu vollständige Oxidation des Brennstoffs erfolgt, so dass eine ausreichende Menge an Wärmeenergie, insbesondere zum Vorwärmen des Systems, freigesetzt wird.
  • Die zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist insbesondere vorteilhaft, wenn die mindestens eine Brennstoffzelle eine Hochtemperaturbrennstoffzelle ist. In diesem Fall ist der Vorwärmbetrieb zum Erreichen der Betriebstemperatur der Brennstoffzelle besonders nützlich.
  • Bei der zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann derselbe Brennstoff wie zur Erzeugung des Reformats verwendet werden. Als Brennstoff kann demnach beispielsweise Benzin verwendet werden.
  • Ebenso ist es möglich, als Brennstoff Diesel zu verwenden.
  • Auch der Brennerbetrieb des Reformers kann in nützlicher Weise davon profitieren, dass mindestens ein Temperatursensor zum Überwachen der Reformerprozesse, das heißt in dem Fall der Brennerprozesse, vorgesehen ist.
  • Ebenfalls kann es aus den gleichen Gründen nützlich sein, dass mindestens ein Gassensor zum Überwachen der Reformerprozesse vorgesehen ist.
  • Auch im Fall des Brennerbetriebs des Reformers ist nützlicherweise vorgesehen, dass der dem Reformer zugeführte Luftmassenstrom auf eine vorgegebene Luftzahl geregelt wird. In diesem Fall wird die Luft vorzugsweise nicht unterstöchiometrisch zugeführt, so dass die Luftzahl auf λ ≥ 1 geregelt wird.
  • Auch wenn der Reformer als Brenner arbeitet, ist es nützlich, dass zusätzlich Mittel zum Erzeugen von Wärmeenergie und Mittel zum Übertragen von Wärmeenergie auf die Kathodenzuluft vorgesehen und in der Weise kombiniert sind, dass sie als katalytisch beschichtete Gasführungen eines Wärmetauschers ausgeführt sind. Somit kann die Kathodenzuluft bereits während des Brennerbetriebs des Reformers erwärmt werden, was zur raschen Erwärmung der Brennstoffzelle auf Betriebstemperatur beiträgt.
  • Ebenfalls kann es nützlich sein, dass die auf die Kathodenzuluft übertragene Wärmeenergie durch einen Brenner erzeugt wird. Ein solcher separat vorgesehener Nachbrenner arbeitet dann, wie auch während des Reformerbetriebs, zur Verbrennung von Restgas, wobei die entstehende Wärme in einem Wärmetauscher an die Kathodenzuluft abgegeben wird.
  • Die Erfindung ist weiterhin durch ein Verfahren zum Betreiben eines Systems zum Erzeugen elektrischer Energie verwirklicht, bei dem während des Startbetriebs des Systems ein Verfahren ausgeführt wird, in dem der Reformer zum Vorwärmen des Systems nach Art eines Brenners arbeitet, und bei dem nach Erreichen einer vorgegebenen Betriebstemperatur des Reformers der eigentliche Reformerbetrieb zum Erzeugen von Reformat erfolgt.
  • Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass es mit einer geringen Anzahl von Komponenten möglich ist, ein System zum Erzeugen elektrischer Energie bereitzustellen und zu betreiben. Das System ist kompakt und robust, und es zeichnet sich durch ein besonders wirkungsvolles Wärmemanagement aus.
  • Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen anhand bevorzugter Ausführungsformen beispielhaft erläutert. Dabei zeigt:
  • Fig. 1 ein Blockschaltbild einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Systems;
  • Fig. 2 ein Blockschaltbild einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Systems; und
  • Fig. 3 ein Blockschaltbild einer dritten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Systems.
  • Bei der nachfolgenden detaillierten Beschreibung der Zeichnungen bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder vergleichbare Komponenten.
  • Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Systems. Über eine Pumpe 40 wird einem Reformer 14 Brennstoff zugeführt. Dem Reformer 14 wird weiterhin über ein Gebläse 42 Luft 18 zugeführt. Das in dem Reformer 14 erzeugte Reformat 20 gelangt über eine Ventileinrichtung 22 zur Anode 24 einer Brennstoffzelle 12. Der Kathode 30 der Brennstoffzelle 12 wird über ein Gebläse 26 Kathodenzuluft 28 zugeführt. Die Brennstoffzelle erzeugt elektrische Energie 10. Das Anodenabgas 34 und die Kathodenabluft 36 werden einem Brenner 32 zugeführt. Ebenfalls kann dem Brenner 32 über die Ventileinrichtung 22 Reformat zugeführt werden. Die in dem Brenner 32 erzeugte Wärmeenergie kann in einem Wärmetauscher 38 der Kathodenzuluft 28 zugeführt werden, so dass diese vorgewärmt wird. Aus dem Wärmetauscher 38 strömt Abgas 50 aus.
  • Während des Normalbetriebs, das heißt die Komponenten befinden sich auf Betriebstemperatur, arbeitet das System wie folgt. Dem Reformer 14 wird Brennstoff, das heißt beispielsweise Benzin oder Diesel, zugeführt. In dem Reformer 14 wird vorteilhafterweise das Verfahren der partiellen Oxidation durchgeführt, wobei im Fall von Diesel vor der partiellen Oxidation noch Vorreaktionen durchgeführt werden können. Auf diese Weise können mit "kalter Flamme" langkettige Dieselmoleküle in kürzerkettige Moleküle umgesetzt werden, was letztlich den Reformerbetrieb begünstigt. Allgemein wird der in die Vormischzone des Reformers 14 geförderte flüssige Brennstoff beispielsweise durch eine Brennstoffdüse zerstäubt. Die notwendige Sauerstoffzufuhr in Form von Luft 18 erfolgt durch das Gebläse 42. Dieses Gebläse 42 muss den entsprechenden Vordruck bereitstellen, um alle folgenden Druckverluste bis zum Abgasauslass des Systems zu überwinden. Das entstehende Gasgemisch wird der Reaktionszone des Reformers 14 zugeführt und zu H2 und CO umgesetzt. Ein weiterer Bestandteil des Reformats sind N2 aus der Verbrennungsluft sowie, in Abhängigkeit von der Luftzahl und der Temperatur, gegebenenfalls CO2, H2O und CH4. Im Normalbetrieb wird der Brennstoffmassenstrom entsprechend der angeforderten Leistung geregelt, und der Luftmassenstrom wird auf eine Luftzahl im Bereich von λ = 0,4 geregelt. Die Reformierungsreaktion wird durch nicht dargestellte Temperatursensoren beziehungsweise Gassensoren, beispielsweise im Gasaustritt, überwacht.
  • Neben der partiellen Oxidation ist es ebenfalls möglich, eine autotherme Reformierung durchzuführen. Die Reformierung kann auch weitere Schritte der Gasbehandlung umfassen, wobei insbesondere der partiellen Oxidation eine Methanisierung nachgeschaltet sein kann.
  • Das Reformat 20 gelangt über die Ventileinrichtung 22 und eine Rohrverbindung zur Gasverteilung des Brennstoffzellenstacks 12. Die Gasverteilung des Stacks 12 sorgt für die Zuführung des Reformats 20 zu den Anoden 24 der einzelnen Zellen des Stacks. Hier werden H2 und CO elektrochemisch zu H2O und CO2 oxidiert. Im Normalbetrieb werden typischerweise 80% des eintretenden Reformats 20 umgesetzt. Das Anodenabgas mit den restlichen Brenngasen H2 und CO sowie N2, CO2 und H2O wird innerhalb des Stacks 12 gesammelt.
  • Für die elektrochemische Oxidation des Brenngases beziehungsweise des Reformats 20 muss den Kathoden 30 der einzelnen Zellen des Brennstoffzellenstacks 12 Sauerstoff in Form von Kathodenzuluft 28 zugeführt werden. Der Luftmassenstrom der Kathodenzuluft 28 stellt neben der Versorgung mit Sauerstoff auch die Kühlung des Brennstoffzellenstacks 12 sicher, so dass die gewünschte Betriebstemperatur des Stacks von beispielsweise zirka 800°C im Falle einer SOFC-Hochtemperaturbrennstoffzelle gehalten werden kann. Die Luft wird der Gasverteilung des Brennstoffzellenstacks 12 vorgewärmt zugeführt und innerhalb des Stacks den Kathoden 30 der einzelnen Zellen zugeführt. An der Kathode 30 wird der Sauerstoff teilweise verbraucht. Die Kathodenabluft, bei der es sich um Luft mit reduziertem Sauerstoffgehalt handelt, wird gesammelt.
  • Die Anodenabgase 24 und die Kathodenabluft 36 werden über Rohrleitungen einem Nachbrenner 32 zugeführt. Hier erfolgt die vollständige Umsetzung der noch vorhandenen Brenngase mit dem Restsauerstoff der Kathodenabluft 36. Der Brenner kann zusätzlich eine Zündeinrichtung umfassen. In einem mit dem Nachbrenner 32 verbundenen Wärmeübertrager 38 wird die Verbrennungsenergie und die sensible Energie der Rauchgase auf die Kathodenzuluft 28 übertragen, die von Umgebungstemperatur auf Stackeintrittstemperatur erwärmt wird. Der Luftaustritt des Wärmeübertragers 38 ist über eine Rohrverbindung mit der Gasverteilung des Stacks verbunden. Die Luftzuführung zum Wärmeübertrager erfolgt durch ein Gebläse 26, das neben dem erforderlichen Massenstrom auch den erforderlichen Vordruck zum Überwinden aller folgenden Druckverluste bis zum Abgasauslass sicherstellt. Im Nennbetrieb wird der Luftmassenstrom entsprechend der Anforderung an die Stackkühlung eingestellt. Für ein kontrolliertes Aufwärmen und den sicheren Betrieb des Stacks ist die Lufttemperatur nützlicherweise am Ausgang des Wärmeübertragers 38 einstellbar. Dies erfolgt vorteilhafterweise durch Variation des Luftmassenstroms. Ebenfalls ist es denkbar, dass die Einstellung der Lufttemperatur durch einen Bypass für Luft um den Wärmeübertrager erfolgen kann.
  • Neben der beschriebenen Variante, bei der die Anodenabgase 34 und die Kathodenabluft 36 in einem Nachbrenner 32 weiterreagieren, ist es ebenfalls möglich, dass das Anodenabgas 34 und die Kathodenabluft 36 einem Wärmetauscher mit katalytisch beschichteten Gasführungen zugeführt werden. Auf diese Weise wird ebenfalls Wärmeenergie freigesetzt, die letztlich der Kathodenzuluft 28 zugeführt werden kann. Der Wärmeübertrager 38 kann beispielsweise als Mikrokanalwärmetauscher oder Spiralröhrenwärmetauscher ausgeführt sein. Die aus dem Wärmeübertrager 38 austretenden teilweise abgekühlten Abgase 50 werden über einen geeigneten Abgasauslass an die Umgebung abgegeben.
  • Fig. 2 zeigt ein Blockschaltbild einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Systems. Im Unterschied zu dem in Fig. 1 dargestellten System ist in dem Reformer 14 ein Wärmeübertrager 52 integriert. Auf diese Weise kann durch die Abwärme des Reformers 14 die in die Vormischzone des Reformers eingebrachte Luft vorgewärmt werden. Dies erfolgt in vorteilhafter Weise über eine Ventileinrichtung 44. Durch diese Ventileinrichtung kann ein Teilstrom der vorgewärmten Luft abgezweigt und beispielsweise der Kathodenzuluft 28 zugeführt werden. Dieses System ermöglicht ein Verfahren, bei dem der Luftmassenstrom zur Kühlung des Reformers unabhängig von der für die Reformierung notwendige Luftmenge eingestellt werden kann.
  • Fig. 3 zeigt ein Blockschaltbild einer dritten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Systems. Im Unterschied zu der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform wird Luft nur durch ein einziges Gebläse 48 zugeführt, wobei der zugeführte Luftstrom 18, 28 durch die Ventileinrichtung 46 in Verbrennungsluft 18 und Kathodenzuluft 28 aufgeteilt wird.
  • Die bisher im Zusammenhang mit den Fig. 1 bis 3 dargestellten Verfahren dienen letztlich der Bereitstellung elektrischer Energie 10 durch die Brennstoffzelle 12.
  • Weitere Verfahren, die anhand der Fig. 1 bis 3 erläutert werden können und im Rahmen der vorliegenden Erfindung liegen, betreffen den Kaltstart der Systeme. In diesem Fall arbeitet der Reformer 14 beziehungsweise Teile des Reformers 14 als Brenner. Für die Luftzahl gilt dann λ ≥ 1. Die Zündung erfolgt vorzugsweise über eine geeignete Zündeinrichtung, beispielsweise einen Glühstift. Das Abgas gibt seine Wärme zunächst innerhalb des Reformers 14 an die bezüglich der Verbrennung stromabwärts angeordneten Bauteile ab, so dass die Abgasaustrittstemperatur begrenzt ist. Durch die Ventileinrichtung 22 zwischen Reformer 14 und Brennstoffzellenstack 12 kann in dieser Phase das Abgas des Reformers 14 direkt an den Wärmeübertrager 38 zur Kathodenluftvorwärmung geleitet werden. Durch Variation der Kathodenluftmenge wird die Luftaustrittstemperatur auf eine vorgegebene Temperaturerhöhung gegenüber dem Brennstoffzellenstack 12 begrenzt, so dass die vorgewärmte Luft den Stack 12 langsam aufheizt, ohne die keramischen Strukturen des Stacks 12 zu zerstören. Nach Erreichen der Betriebstemperatur des Reformers 14 wird dieser in den Reformerbetrieb mit einer Luftzahl von zum Beispiel λ = 0,4 im Fall von Diesel umgeschaltet. Die Temperatur des Reformers 14 wird, wie oben beschrieben, durch Regelung der Luftmenge des Reformergebläses 18 beziehungsweise 48 begrenzt. Das entstehende Heizreformat wird in diesem Fall nach nicht der Brennstoffzelle 12 sondern über die Ventileinrichtung 22 direkt dem Nachbrenner 32 zugeführt. Die Regelung der Kathodenlufttemperatur am Stackeintritt erfolgt in derselben Weise, wie beim Brennerbetrieb des Reformers. Durch diese Vorgehensweise kann der Stack 12 sicher und ohne unzulässigen thermischen Gradienten aufgewärmt werden, ohne dass eine Einstellung der Austrittstemperatur von Abgas beziehungsweise Reformat am Reformerausgang erfolgen muss. Die einzelnen Regelgrößen sind die Luftfördermengen der Reformerluftzufuhr und der Kathodenluftzufuhr.
  • Die erfindungsgemäßen Anordnungen gemäß den Fig. 1 bis 3 sind im Hinblick auf den Wärmehaushalt des Systems im Teillastbetrieb nützlich. Bei Systemen des Standes der Technik erreicht die Temperatur der Kathodenzuluft 28 nach dem Wärmeübertrager 38 zur Luftvorwärmung oft nicht die für den Eintritt in den Stack 12 erforderliche Vorwärmtemperatur. Aus diesem Grund wird bei Systemen des Standes der Technik häufig ein zusätzlicher, beispielsweise elektrisch beheizter Wärmetauscher vorgesehen, der die erforderliche Nacherwärmung übernimmt. In dem erfindungsgemäßen System wird dieses Problem dadurch gelöst, dass die Ventileinrichtung 22 zwischen Reformer 14 und Stack 12 Reformat unter Umgehung des Stacks 12 direkt dem Nachbrenner 32 zuführt. Auf diese Weise wird dem Wärmeübertrager 38 mehr Energie zur Verfügung gestellt, die entsprechend an die Kathodenzuluft 28 übertragen werden kann.
  • In der nachfolgenden Tabelle werden noch typische Massenströme eines APU- Systems bei einem Brennstoffeinsatz von Hu = 15 kW (Hu: unterer Heizwert) am Beispiel von Benzin mit einer angenommenen Brennstoffnutzung im SOFC-Stack von 80% und einer Luftzahl bezogen auf das Reformat von λ = 4 dargestellt.

  • Die in der vorstehenden Beschreibung, in den Zeichnungen sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung wesentlich sein. Bezugszeichenliste 10 elektrische Energie
    12 Stack, Brennstoffzelle
    14 Reformer
    16 Brennstoff
    18 Luft
    20 Reformat
    22 Ventileinrichtung
    24 Anode
    26 Gebläse
    28 Kathodenzuluft
    30 Kathode
    32 Nachbrenner
    34 Anodenabgas
    36 Kathodenabluft
    38 Wärmeübertrager
    40 Pumpe
    42 Gebläse
    44 Ventileinrichtung
    46 Ventileinrichtung
    48 Gebläse
    50 Abgas
    52 Wärmeübertrager

Claims (51)

1. System zum Erzeugen elektrischer Energie (10) mit
mindestens einer Brennstoffzelle (12),
mindestens einem Reformer (14) zum Umsetzen von Brennstoff (16) und Luft (18) zu Reformat (20),
Mitteln (22) zum Zuführen des Reformats (20) zu einer Anode (24) der mindestens einen Brennstoffzelle (12) und
Mitteln (26) zum Zuführen von Kathodenzuluft (28) zu einer Kathode (30) der mindestens einen Brennstoffzelle (12),
dadurch gekennzeichnet,
dass Mittel (32) zum Erzeugen von Wärmeenergie aus zumindest Anodenabgas (34) und Kathodenabluft (36) vorgesehen sind und
dass Mittel (38) zum Übertragen von Wärmeenergie, die von den Mitteln (32) zum Erzeugen von Wärmeenergie erzeugt wurde, auf die Kathodenzuluft (28) vorgesehen sind.
2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Brennstoffzelle (12) eine Hochtemperaturbrennstoffzelle ist.
3. System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Brennstoff (16) Benzin verwendet wird.
4. System nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Brennstoff (16) Diesel verwendet wird.
5. System nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Pumpe (14) zum Zuführen des Brennstoffs (16) zu dem Reformer (14) vorgesehen ist.
6. System nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Gebläse (26, 42, 48) zum Zuführen von Luft (18) zu dem Reformer (14) und/oder von Kathodenzuluft (28) vorgesehen ist.
7. System nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass das System mindestens zwei Betriebszustände aufweist, wobei
ein erster Betriebszustand ein Normalbetrieb zum Erzeugen elektrischer Energie (10) ist und
ein zweiter Betriebszustand dem Vorwärmen des Systems dient.
8. System nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem ersten Betriebszustand der Brennstoff (16) in dem Reformer (14) durch partielle Oxidation zu Reformat (20) umgesetzt wird.
9. System nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem zweiten Betriebszustand der Reformer (14) nach Art eines Brenners arbeitet.
10. System nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Verwendung von Diesel als Brennstoff (16) dieser vor der partiellen Oxidation in Vorreaktionen umgesetzt wird.
11. System nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoff (16) in dem Reformer (14) durch autotherme Reformierung zu Reformat (20) umgesetzt wird.
12. System nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Anschluss an eine Oxidation in dem Reformer (14) eine Methanisierung erfolgt.
13. System nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Temperatursensor zum Überwachen der Reformerprozesse vorgesehen ist.
14. System nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Gassensor zum Überwachen der Reformerprozesse vorgesehen ist.
15. System nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem ersten Betriebszustand der dem Reformer (14) zugeführte Brennstoffmassenstrom in Abhängigkeit einer angeforderten elektrischen Leistung geregelt wird.
16. System nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der dem Reformer (14) zugeführte Luftmassenstrom auf eine vorgegebene Luftzahl λ geregelt wird.
17. System nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (32) zum Erzeugen von Wärmeenergie und die Mittel (38) zum Übertragen von Wärmeenergie auf die Kathodenzuluft (28) in der Weise kombiniert sind, dass sie als katalytisch beschichtete Gasführungen eines Wärmetauschers (38) ausgeführt sind.
18. System nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (38) zum Übertragen von Wärmeenergie auf die Kathodenzuluft (28) als Mikrokanalwärmetauscher ausgeführt sind.
19. System nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (38) zum Übertragen von Wärmeenergie auf die Kathodenzuluft (28) als Spiralröhrenwärmetauscher ausgeführt sind.
20. System nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (32) zum Erzeugen von Wärmeenergie als Brenner ausgeführt sind.
21. System nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Reformer (14) einen Wärmeübertrager (52) umfasst, so dass die zur Reformierung zugeführte Luft (18) vorgewärmt werden kann.
22. System nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass aus einem dem Reformer (14) zugeordneten Wärmeübertrager (52) ausströmende Luft vor dem Einströmen in den Reformer (14) durch eine Ventileinrichtung (44) geleitet wird, wobei
auf einem ersten Ventilweg vorgewärmte Luft (18) in den Reformer (14) geleitet wird und
auf einem zweiten Ventilweg vorgewärmte Luft der Kathodenzuluft (28) zugeleitet wird.
23. System nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass einem dem Reformer (14) zugeordneten Wärmeübertrager (52) zuströmende Luft durch eine Ventileinrichtung (46) geleitet wird, wobei
auf einem ersten Ventilweg Luft (18) dem dem Reformer (14) zugeordneten Wärmeübertrager (42) zugeleitet wird und
auf einem zweiten Ventilweg Kathodenzuluft (28) den Mitteln (38) zum Übertragen von Wärmeenergie auf die Kathodenzuluft (28) zugeleitet wird.
24. System nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Zuführen des Reformats zu der Anode (24) der Brennstoffzelle (12) eine Ventileinrichtung (22) umfassen,
die auf einem ersten Ventilweg Reformat (12) der Anode (24) der Brennstoffzelle (12) zuführt und
die auf einem zweiten Ventilweg Reformat (20) den Mitteln (32) zum Erzeugen von Wärmeenergie zuführt.
25. Verfahren zum Betreiben eines Systems zum Erzeugen elektrischer Energie, bei dem
einem Reformer (14) Brennstoff (16) und Luft (18) zugeführt wird, Brennstoff (16) und Luft (18) in dem Reformer (14) zu Reformat (20) umgesetzt werden,
das Reformat (20) einer Anode (24) einer Brennstoffzelle (12) zugeführt wird und
Kathodenzuluft (28) einer Kathode (30) der Brennstoffzelle (12) zugeführt wird,
dadurch gekennzeichnet,
dass aus zumindest Anodenabgas (34) und Kathodenabluft (36) Wärmeenergie erzeugt wird und
dass aus Anodenabgas (34) und Kathodenabluft (36) erzeugte Wärmeenergie auf die Kathodenzuluft (28) übertragen wird.
26. Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Brennstoffzelle (12) eine Hochtemperaturbrennstoffzelle ist.
27. Verfahren nach Anspruch 25 oder 26, dadurch gekennzeichnet, dass als Brennstoff (16) Benzin verwendet wird.
28. Verfahren nach einem der Ansprüche 25 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass als Brennstoff (16) Diesel verwendet wird.
29. Verfahren nach einem der Ansprüche 25 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoff (16) in dem Reformer (14) durch partielle Oxidation zu Reformat (20) umgesetzt wird.
30. Verfahren nach einem der Ansprüche 25 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Verwendung von Diesel als Brennstoff (16) dieser vor der partiellen Oxidation in Vorreaktionen umgesetzt wird.
31. Verfahren nach einem der Ansprüche 25 bis 30, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoff (16) in dem Reformer (14) durch autotherme Reformierung zu Reformat (20) umgesetzt wird.
32. Verfahren nach einem der Ansprüche 25 bis 31, dadurch gekennzeichnet, dass im Anschluss an eine Oxidation in dem Reformer (14) eine Methanisierung erfolgt.
33. Verfahren nach einem der Ansprüche 25 bis 32, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Temperatursensor zum Überwachen der Reformerprozesse vorgesehen ist.
34. Verfahren nach einem der Ansprüche 25 bis 33, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Gassensor zum Überwachen der Reformerprozesse vorgesehen ist.
35. Verfahren nach einem der Ansprüche 25 bis 34, dadurch gekennzeichnet,
dass der Brennstoffmassenstrom in Abhängigkeit einer angeforderten elektrischen Leistung geregelt wird und
dass der dem Reformer (14) zugeführte Luftmassenstrom auf eine vorgegebene Luftzahl λ geregelt wird.
36. Verfahren nach einem der Ansprüche 25 bis 35, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem Anodenabgas und der Kathodenabluft Wärme katalytisch erzeugt wird.
37. Verfahren nach einem der Ansprüche 25 bis 36, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeenergie durch einen Brenner erzeugt wird.
38. Verfahren nach einem der Ansprüche 25 bis 37, dadurch gekennzeichnet, dass die zur Reformierung zugeführte Luft vorgewärmt wird.
39. Verfahren nach einem der Ansprüche 25 bis 38,
dadurch gekennzeichnet, dass aus einem dem Reformer (14) zugeordneten Wärmeübertrager (52) ausströmende Luft vor dem Einströmen in den Reformer (14) durch eine Ventileinrichtung (44) geleitet wird, wobei
auf einem ersten Ventilweg vorgewärmte Luft (18) in den Reformer (14) geleitet wird und
auf einem zweiten Ventilweg vorgewärmte Luft der Kathodenzuluft (28) zugeleitet wird.
40. Verfahren nach einem der Ansprüche 25 bis 39,
dadurch gekennzeichnet, dass einem dem Reformer (14) zugeordneten Wärmeübertrager (52) zuströmende Luft durch eine Ventileinrichtung (46) geleitet wird, wobei
auf einem ersten Ventilweg Luft (18) dem dem Reformer (14) zugeordneten Wärmeübertrager (52) zugeleitet wird und
auf einem zweiten Ventilweg Kathodenzuluft (28) den Mitteln (38) zum Übertragen von Wärmeenergie auf die Kathodenzuluft (28) zugeleitet wird.
41. Verfahren nach einem der Ansprüche 25 bis 40,
dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Zuführen des Reformats zu der Anode (24) der Brennstoffzelle (12) eine Ventileinrichtung (22) umfassen,
die auf einem ersten Ventilweg Reformat (12) der Anode (24) der Brennstoffzelle (12) zuführt und
die auf einem zweiten Ventilweg Reformat (20) den Mitteln (32) zum Erzeugen von Wärmeenergie zuführt.
42. Verfahren zum Betreiben eines Systems zum Erzeugen elektrischer Energie mit
mindestens einer Brennstoffzelle (12),
mindestens einem Reformer (14) zum Umsetzen von Brennstoff (16) und Luft (18) zu Reformat (20),
Mitteln (22) zum Zuführen des Reformats (20) zu einer Anode (24) der mindestens einen Brennstoffzelle (12) und
Mitteln (26) zum Zuführen von Kathodenzuluft (28) zu einer Kathode (30) der mindestens einen Brennstoffzelle (12),
dadurch gekennzeichnet,
dass der Reformer (14) zum Vorwärmen des Systems nach Art eines Brenners arbeitet.
43. Verfahren nach Anspruch 42, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Brennstoffzelle (12) eine Hochtemperaturbrennstoffzelle ist.
44. Verfahren nach Anspruch 42 oder 43, dadurch gekennzeichnet, dass als Brennstoff (16) Benzin verwendet wird.
45. Verfahren nach einem der Ansprüche 42 bis 44, dadurch gekennzeichnet, dass als Brennstoff (16) Diesel verwendet wird.
46. Verfahren nach einem der Ansprüche 42 bis 45, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Temperatursensor zum Überwachen der Reformerprozesse vorgesehen ist.
47. Verfahren nach einem der Ansprüche 42 bis 46, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Gassensor zum Überwachen der Reformerprozesse vorgesehen ist.
48. Verfahren nach einem der Ansprüche 42 bis 47, dadurch gekennzeichnet, dass der dem Reformer (14) zugeführte Luftmassenstrom auf eine vorgegebene Luftzahl λ geregelt wird.
49. Verfahren nach einem der Ansprüche 42 bis 48, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel (32) zum Erzeugen von Wärmeenergie und Mittel (38) zum Übertragen von Wärmeenergie auf die Kathodenzuluft (28) vorgesehen und in der Weise kombiniert sind, dass sie als katalytisch beschichtete Gasführungen eines Wärmetauschers (38) ausgeführt sind.
50. Verfahren nach einem der Ansprüche 42 bis 49, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeenergie durch einen Brenner erzeugt wird.
51. Verfahren zum Betreiben eines Systems zum Erzeugen elektrischer Energie, bei dem
während des Startbetriebs des Systems ein Verfahren nach einem der Ansprüche 42 bis 50 ausgeführt wird und
nach Erreichen einer vorgegebenen Betriebstemperatur eines Reformers (14) ein Verfahren nach einem der Ansprüche 25 bis 41 ausgeführt wird.
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