DE10149657A1 - Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems und entsprecshendes Brennstoffzellensystem - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems mit einer Brennstoffzelle, einem Reformer und einer zwischen der Brennstoffzelle und dem Reformer geschalteten Betriebsmittelreinigungseinrichtung zur Reinigung eines im Reformer erzeugten und für die Verwendung in der Brennstoffzelle vorgesehenen Betriebsmittels. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass das Betriebsmittel in Abhängigkeit vom Betriebszustand des Brennstoffzellensystems gereinigt wird, wobei beim Eintreten eines transienten Betriebszustands die Betriebsmittelreinigungseinrichtung (4) aktiviert und beim Eintreten eines staionären Betriebszustands deaktiviert wird. DOLLAR A Die Erfindung betrifft ferner ein entsprechendes Brennstoffzellensystem. Dieses zeichnet sich dadurch aus, dass eine, den Betriebszustand des Brennstoffzellensystems erfassende, beim Vorliegen eines transienten Betriebszustands die Betriebsmittelreinigungseinrichtung (4) aktivierende und beim Vorliegen eines stationären Betriebszustands die Betriebsmittelreinigungseinrichtung (4) deaktivierende Steuereinheit (56) vorgesehen ist.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft ferner ein Brennstoffzellensystem mit einer Brennstoffzelle, einem Reformer und einer zwischen der Brennstoffzelle und den Reformer geschalteten Betriebsmittelreinigungseinrichtung gemäß Oberbegriff des Anspruchs 7.
• Brennstoffzellensysteme der hier angesprochenen Art sind bekannt (WO 00/17953). Sie dienen der kohlendioxidfreien Erzeugung von elektrischer Energie aus kohlenwasserstoffhaltigem Kraftstoff. Bei derartigen Brennstoffzellensystemen erfolgt mittels eines Reformers eine Umwandlung des kohlenwasserstoffhaltigen Kraftstoffs in ein für eine Verwendung in einer Brennstoffzelle vorgesehenes wasserstoffreiches Gas. Da das wasserstoffreiche Gas neben dem in der Brennstoffzelle nutzbaren Wasserstoff auch nicht-nutzbare Stoffe mit zum Teil brennstoffzellenschädigender Wirkung - wie beispielsweise Kohlenstoffmonoxid - in größeren Mengen enthalten kann, erfolgt mittels einer Betriebsmittelreinigungseinrichtung eine Reinigung des wasserstoffreichen Gases vor der Nutzung in der Brennstoffzelle. Nachteilhafterweise ist die bisher bei derartigen Brennstoffzellensystemen vorgenommene Reinigung des wasserstoffreichen Gases hinsichtlich einer für eine Nutzung in der Brennstoffzelle zuverlässig und ausreichend zu erzielenden Qualität nicht zufriedenstellend oder mit hohem Aufwand und Kosten verbunden.
• Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems anzugeben, das zu einer verbesserten Qualität des Brennstoffzellen-Betriebsmittels führt und den Betrieb des Gesamtsystems optimiert. Ferner soll ein entsprechendes Brennstoffzellensystem beschrieben werden.
• Zur Lösung der Aufgabe wird ein Verfahren vorgeschlagen, das die in Anspruch 1 genannten Merkmale aufweist. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass das Betriebsmittel in Abhängigkeit vom Betriebszustand des Brennstoffzellensystems gereinigt wird, wobei beim Eintreten eines transienten Betriebszustands die Betriebsmittelreinigungseinrichtung aktiviert und beim Eintreten eines stationären Betriebszustands die Betriebsmittelreinigungseinrichtung deaktiviert wird. Durch das Reinigen in Abhängigkeit des Betriebszustands wird eine diskontinuierliche Reinigung des Betriebsmittels ermöglicht. Dadurch kann in flexibler Weise eine Reinigung des Betriebsmittels erfolgen, und zwar insbesondere dann, wenn der Schadstoffgehalt im Betriebsmittel einen vorgegebenen, für eine Nutzung in der Brennstoffzelle kritischen Wert überschreitet. Durch das Reinigen in Abhängigkeit des Betriebszustands ist es ferner möglich, auf eine aufwendige Erfassung des Schadstoffgehalts im Betriebsmittel zur Steuerung der Betriebsmittelreinigungseinrichtung zu verzichten, da aufgrund der engen Kopplung zwischen dem Schadstoffgehalt im Betriebsmittel und dem Betriebszustand des Brennstoffzellensystems in einfacher Weise vom Betriebszustand auf den im Betriebsmittel vorliegenden Schadstoffgehalt rückgeschlossen werden kann. Durch die Aktivierung der Betriebsmittelreinigungseinrichtung beim Eintreten eines transienten Betriebszustands kann gezielt für diesen Betriebszustand eine Reinigung des bei diesem Betriebszustand im Betriebsmittel erhöht vorliegenden Schadstoffgehalt in effektiver Weise vorgenommen werden. Das erfindungsgemäße Verfahren ist daher besonders dazu geeignet, den bei transienten Betriebszuständen im Betriebsmittel erhöht vorliegenden Schadstoffgehalt zu verringern und zwar insbesondere soweit, dass eine störungsfreie Nutzung des Betriebsmittels in der Brennstoffzelle möglich ist. Dabei bezeichnet ein transienter Betriebszustand einen kurzzeitigen, vorübergehenden Betriebszustand, wie beispielsweise die Inbetriebnahme des Brennstoffzellensystems mit abgekühlten Bauteilen (Kaltstart). Transiente Betriebszustände sind ebenso Lastwechsel und kurzzeitig auftretende Lastspitzen des Brennstoffzellensystems. Durch die Deaktivierung der Betriebsmittelreinigungseinrichtung beim Eintreten eines stationären Betriebszustands des Brennstoffzellensystems ist es ferner möglich, die Betriebsmittelreinigungseinrichtung zu schonen. Da das Brennstoffzellensystem im stationären Betriebszustand bei Betriebstemperatur und bei im Wesentlichen gleichbleibender Last arbeitet, ist der Schadstoffgehalt im Betriebsmittel während dieses Betriebszustands üblicherweise nur gering.
• Vorzugsweise ist vorgesehen, dass bei der Reinigung die im Betriebsmittel enthaltenen Schadstoffe in der Betriebsmittelreinigungseinrichtung adsorbiert werden. Die Adsorption stellt dabei eine im Wesentlichen aufgrund molekularer Kräfte stattfindende Anlagerung von gasförmigen und gelösten Schadstoffen (Adsorbaten) an Phasengrenzflächen, das heißt an der Oberfläche eines festen Stoffes, des Adsorptionsmittels (Adsorbens), oder an flüssigen Grenzflächen dar, wobei die angelagerten Schadstoffmoleküle im Wesentlichen durch "Physisorption" oder "Chemisorption" gebunden sind. Als Adsorptionsmittel können beispielsweise Aktivkohle, Kieselgel und Aktivtonerden verwendet werden. Mittels der Adsorption ist es in einfacher Weise möglich, Schadstoffe aus einem schadstoffhaltigen Stoffstrom zu entfernen, insbesondere dann, wenn der Stoffstrom eine hohe Schadstofflast aufweist. Die Adsorption ist damit besonders für eine Reinigung des Betriebsmittels gemäß des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet.
• Es ist weiterhin vorgesehen, dass zur Regenerierung der Betriebsmittelreinigungseinrichtung die adsorbierten Schadstoffe desorbiert werden. Durch die Desorption erfolgt ein Abtrennen der auf der Oberfläche des Adsorptionsmittels angelagerten Schadstoffe. Dadurch kann die Betriebsmittelreinigungseinrichtung unter Erhöhung ihres Adsorptionsvermögens, vorzugsweise auf den vor der Schadstoffanlagerung vorliegenden Ausgangswert, regeneriert werden.
• Vorzugsweise erfolgt die Desorption der in der Betriebsmittelreinigungseinrichtung adsorbierten Schadstoffe bei deaktivierter Betriebsmittelreinigungseinrichtung. Durch die Desorption der adsorbierten Schadstoffe bei deaktivierter Betriebsmittelreinigungseinrichtung kann vermieden werden, dass im Zeitraum der Desorption, während dem eine Reinigung des Betriebsmittels nur sehr eingeschränkt erfolgen kann oder gegebenenfalls gar nicht möglich ist, der Brennstoffzelle ein Betriebsmittel mit stark erhöhtem Schadstoffgehalt zugeführt wird, wie das im Falle einer Adsorption bei aktivierter Betriebsmittelreinigungseinrichtung möglich ist. Durch eine Parallelschaltung von zwei wechselseitig betriebenen Betriebsmittelreinigungseinrichtungen wird eine uneingeschränkte Reinigung des Betriebsmittels gewährleistet.
• Vorzugsweise wird die Betriebsmittelreinigungseinrichtung zur Desorption der Schadstoffe aufgeheizt und/oder gespült. In beiden Fällen erfolgt eine Trennung der adsorbierten Schadstoffe vom Adsorbens dadurch, dass die wirksamen Molekularkräfte (zum Beispiel van-der-Waalssche-Kräfte) überwunden werden. Beim Aufheizen der Betriebsmittelreinigungseinrichtung geschieht diese Trennung im Wesentlichen durch Wärmewirkung. Beim Spülen wird demgegenüber eine Trennung der Schadstoffe vom Adsorbens im Wesentlichen durch ein Spülmedium, wie beispielsweise Luft oder Wasserdampf, hervorgerufen. Eine optimale Spülwirkung kann hierbei hervorgerufen werden, indem der Spülstrom das Adsorptionsmittel in entgegengesetzter Richtung zum Betriebsmittelstrom durchsetzt. Die Desorption mittels eines kombinierten Aufheizens und Spülens stellt hierbei eine besonders effektive Möglichkeit zur Regenerierung der Betriebsmittelreinigungseinrichtung dar. Die Aufheizung der Betriebsmittelreinigungseinrichtung kann nach dem Kaltstart auch selbständig geschehen, die Betriebsmittelreinigungseinrichtung ist dann nur während des Kaltstarts wirksam.
• Nach einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens ist vorgesehen, dass die desorbierten Schadstoffe zu ihrem Abbau zum Reformer zurückgeführt oder einer Abgasbehandlungseinrichtung zugeführt werden. Eine Rückführung der Schadstoffe zum Reformer ist insbesondere dann von Vorteil, wenn es sich bei den Schadstoffen um oxidierbare Stoffe handelt, die also noch einen gewissen Heizwert aufweisen (zum Beispiel Kohlenstoffmonoxid). Da die oxidierbaren Bestandteile im Reformer zur Bildung von Wasserstoff verwertet werden können, ist es mittels der Rückführung der desorbierten Schadstoffe zum Reformer möglich, eine höhere Wasserstoffausbeute zu erzielen und damit den Wirkungsgrad des Gesamtsystems zu verbessern. Im Falle eines Abbaus der desorbierten Schadstoffe in der Abgasbehandlungseinrichtung kann eine Emission der Schadstoffe in die Atmosphäre weitgehend vermieden werden.
• Zur Lösung der Aufgabe wird ferner ein Brennstoffzellensystem vorgeschlagen, das die in Anspruch 7 genannten Merkmale aufweist. Das Brennstoffzellensystem zeichnet sich durch eine, den Betriebszustand des Brennstoffzellensystems erfassende, beim Vorliegen eines transienten Betriebszustands die Betriebsmittelreinigungseinrichtung aktivierende und beim Vorliegen eines stationären Betriebszustands die Betriebsmittelreinigungseinrichtung deaktivierende Steuereinheit auf. Mittels der Steuereinrichtung wird die Betriebsmittelreinigungseinrichtung somit vorteilhafterweise nur beim Vorliegen des transienten Betriebszustandes, der - wie bereits vorstehend erläutert wurde - häufig mit einer erhöhten Schadstoffbildung im Reformer und somit mit einem erhöhten Schadstoffgehalt im vom Reformer der Brennstoffzelle zugeführten Betriebsmittel gekoppelt ist, aktiviert. Dadurch ist es möglich, die Betriebsmittelreinigungseinrichtung in ihrer Schadstoffminderungswirkung gezielt auf die während eines transienten Betriebszustandes auftretenden Schadstofferhöhungen im Betriebsmittel derart auszulegen, dass der Schadstoffgehalt des gereinigten Betriebsmittels bei einem transienten Betriebszustand unter einem für eine Nutzung in der Brennstoffzelle kritischen Wert gehalten werden kann. Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem ist insbesondere dazu geeignet, den Schadstoffgehalt im für die Nutzung in der Brennstoffzelle vorgesehenen Betriebsmittel so gering zu halten, dass die Lebensdauer und Leistungsfähigkeit der im Brennstoffzellensystem eingesetzten Brennstoffzelle erhöht werden können.
• Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Steuereinheit zur Betriebszustandserfassung, insbesondere zur Erfassung von Kaltstarts und/oder Lastwechseln des Brennstoffzellensystems, mindestens ein Erfassungselement aufweist. Mittels eines derartigen Erfassungselements können die jeweils für eine Aktivierung beziehungsweise Deaktivierung der Betriebsmittelreinigungseinrichtung relevanten Betriebszustände präzise erfasst und unterschieden werden. Je nach Art der zur Beschreibung des Betriebszustands herangezogenen Messgröße kann das Erfassungselement verschiedenartig ausgeführt sein. Das Erfassungselement kann beispielsweise ein Temperatursensor sein, sofern eine Betriebszustandserfassung in Abhängigkeit von der Temperatur vorgenommen wird. Das Erfassungselement kann ebenso als Kohlenstoffmonoxidsensor ausgebildet sein, sofern der Betriebszustand des Brennstoffzellensystems anhand des im Betriebsmittel enthaltenen Kohlenstoffmonoxids beschrieben wird.
• Vorteilhafterweise steht die Steuereinheit mit einer zentralen Steuervorrichtung des Brennstoffzellensystems in Wirkverbindung. Mittels der zentralen Steuervorrichtung ist in Kombination mit der Steuereinheit in einfacher Weise eine Überwachung und eine Regelung des gesamten Brennstoffzellensystems derart möglich, dass während des Betriebs des Brennstoffzellensystems der im Betriebsmittel enthaltene Schadstoffgehalt unter einem für eine Nutzung in der Brennstoffzelle kritischen Wert gehalten werden kann.
• Vorzugsweise ist die Betriebsmittelreinigungseinrichtung als Adsorber ausgebildet. Mittels des Adsorbers ist es möglich, in einfacher Weise auch Betriebsmittel mit hohen Schadstoffgehalten ausreichend zu reinigen. Da das Reinigungsvermögen und die Reinigungsdauer des Adsorbers wesentlich durch den Sättigungsgrad des im Adsorbers enthaltenen Adsorptionsmittels begrenzt wird, ist der Adsorber insbesondere zur Reinigung der Betriebsmittels bei einem kurzzeitigen, vorübergehenden Betriebszustand (transienter Betriebszustand) des Brennstoffzellensystems geeignet.
• Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist zusätzlich zum Adsorber eine, den Adsorber regenerierende, bei deaktiviertem Adsorber aktivierbare Desorptionseinrichtung vorgesehen. Die Desorptionseinrichtung ermöglicht eine Regenerierung des im Adsorber enthaltenen Adsorptionsmittels. Mittels der Desorptionseinrichtung ist es somit möglich, dass der Adsorber mehrfach zur Reinigung des Betriebsmittels eingesetzt werden kann.
• Nach einer bevorzugten Ausführungsform ist die Desorptionseinrichtung als eine den Adsorber erwärmende Heizeinrichtung ausgebildet. Mittels einer derartigen Heizeinrichtung kann der Adsorber langsam ausgeheizt werden. Vorteilhafterweise kann die Heizeinrichtung mittels der im Brennstoffzellensystem erzeugten Prozessabwärme betrieben werden, wodurch Einbußen im Wirkungsgrad des Gesamtbrennstoffzellensystems vermieden werden können. Die Heizeinrichtung kann beispielsweise derart ausgebildet sein, dass sie einen Wärmetauscher aufweist, der im Adsorber angeordnet ist und der mit einem heißen Medium beaufschlagt wird, wobei das heiße Medium beispielsweise von einer im Brennstoffzellensystem vorhandenen Einrichtung erzeugt werden kann. Die Heizeinrichtung kann ebenso auch als elektrische Heizeinrichtung ausgebildet sein. In diesem Fall kann beispielsweise eine Aufheizung mittels im Adsorber angeordneten Heizdrähten erfolgen, die über einen Temperaturregler auf eine vorgebbare Temperatur aufgeheizt werden können.
• Vorteilhafterweise weist das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem eine dem Adsorber nachgeschaltete, desorbierte Stoffe abbauende Abgasbehandlungseinrichtung auf, die bei Aufheizung des Adsorbers aktiviert ist. Mittels dieser Abgasbehandlungseinrichtung können die im Adsorber desorbierten Schadstoffe weitgehend abgebaut werden, bevor sie im Abgasstrom des Brennstoffzellensystems als Emission in die Atmosphäre ausgestoßen werden. Die Abgasbehandlungseinrichtung gewährleistet somit eine emissionsarme Regenerierung des Adsorbers.
• Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Abgasbehandlungseinrichtung ein Wärmeerzeuger ist. Mittels der Ausbildung der Abgasbehandlungseinrichtung als Wärmeerzeuger, ist es vorteilhafterweise möglich, die im desorbierten Stoffstrom vorliegenden, oxidierbaren Verbindungen - wie beispielsweise Kohlenstoffmonoxid - energetisch zu nutzen und damit den Wirkungsgrad des Gesamtsystems zu verbessern.
• Mit Vorteil ist vorgesehen, dass dem Wärmeerzeuger ein Dampferzeuger nachgeschaltet ist, der seine benötigte Wärmeenergie vom Wärmeerzeuger erhält. Mittels eines solchen Dampferzeugers ist es beispielsweise möglich, Wasserdampf für eine Nutzung im Reformer oder für weitere wasserdampfverbrauchende Einrichtungen des Brennstoffzellensystems und/oder anderer Systeme, die eine Wasserdampfversorgung benötigen, bereitzustellen.
• Vorzugsweise ist eine Umschaltvorrichtung vorgesehen, die in einer ersten Stellung den Adsorber mit dem Wärmeerzeuger und in einer zweiten Stellung den Adsorber mit der Brennstoffzelle verbindet. Mittels einer solchen Umschaltvorrichtung können im Wärmeerzeuger nicht nur die während der Regenerierung des Adsorbers in den desorbierten Schadstoffen enthaltenen oxidierbaren Bestandteile genutzt werden, sondern es ist ebenso eine Nutzung der im Abgas der Brennstoffzelle enthaltenen oxidierbaren Verbindungen (zum Beispiel nicht verbrauchter Wasserstoff) im Wärmeerzeuger möglich. Die Umschaltvorrichtung kann mit der Steuereinheit gekoppelt sein, so dass eine Umschaltung auf die jeweilige Stellung in Abhängigkeit vom Betriebszustand des Brennstoffzellensystems möglich wird. Eine solche Umschaltvorrichtung kann beispielsweise als schaltbares Drei-Wege-Ventil ausgebildet sein. Ebenso sind aber auch andere Ausbildungsformen möglich.
• Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Desorptionseinrichtung als eine den Adsorber durchspülende Spüleinrichtung ausgebildet ist. Mittels der Spüleinrichtung erfolgt eine Abtrennung der adsorbierten Schadstoffe vom im Adsorber enthaltenen Adsorptionsmittel mittels eines den Absorber beziehungsweise das Adsorptionsmittel durchsetzenden Spülmediums. Die Spüleinrichtung kann vorteilhafterweise derart ausgebildet sein, dass der Spülstrom das Adsorptionsmittel in entgegengesetzter Richtung zum Betriebsmittelstrom durchsetzt.
• Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Spüleinrichtung mit Luft und/oder Wasserdampf als Spülmedium arbeitet. Beide Spülmedien können vorteilhafterweise kostengünstig bereitgestellt werden, da zu deren Aufbereitung bereits im Brennstoffzellensystem vorhandene Komponenten genutzt werden können. Insbesondere die Verwendung von Luft als Spülmedium ist mit niedrigen Kosten verbunden, da hierfür herkömmliche Umgebungsluft eingesetzt werden kann.
• Zur Bereitstellung von Wasserdampf als Spülmedium ist ein Dampferzeuger vorgesehen, der die Spüleinrichtung mit Wasserdampf versorgt. Vorzugsweise ist hierzu der Dampferzeuger zu verwenden, der beispielsweise den Reformer des Brennstoffzellensystems und/oder weitere wasserdampfverbrauchende Betriebseinrichtungen des Brennstoffzellensystems, wie beispielsweise eine Wassergas- Shift-Reinigungseinrichtung, versorgt.
• Vorzugsweise ist bei dieser Ausführungsform auch eine Umschaltvorrichtung vorgesehen, die in einer ersten Stellung den Dampferzeuger mit der Spüleinrichtung, in einer zweiten Stellung den Dampferzeuger mit dem Reformer und in einer dritten Stellung den Dampferzeuger mit der Spüleinrichtung und dem Reformer verbindet. Mittels dieser Umschaltvorrichtung ist es möglich, während der Regenerierung des Adsorbers den zur Spülung erforderlichen Wasserdampf bereitzustellen (erste Stellung) und außerhalb dieser Regenerierungsphasen den Reformer mit Wasserdampf zu versorgen. Ebenso ist mittels der Umschaltvorrichtung eine Versorgung der Spüleinrichtung und des Reformers möglich. Die Umschaltvorrichtung kann - wie bereits bei der vorstehend erläuterten Umschaltvorrichtung beschrieben wurde - als ein schaltbares Drei-Wege-Ventil ausgebildet sein. Die Umschaltung zu den verschiedenen Schalterstellungen kann beispielsweise über die Steuereinheit in Abhängigkeit des jeweiligen Betriebszustands des Brennstoffzellensystems erfolgen.
• Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist eine, die Spüleinrichtung mit Luft versorgende Luftfördereinrichtung vorgesehen. Mittels der Luftfördereinrichtung ist es möglich, der Spüleinrichtung Spülluft zuzuführen, mittels der dann die auf dem Adsorptionsmittel adsorbierten Schadstoffe vom Adsorptionsmittel getrennt werden können. Die Luftfördereinrichtung kann beispielsweise als Druck- und/oder Zuggebläse ausgebildet sein. Ebenso sind andere Ausführungsformen zur Förderung von Luft möglich.
• Vorzugsweise ist bei dieser Ausführungsform eine Umschaltvorrichtung vorgesehen, die in einer ersten Stellung die Luftfördereinrichtung mit der Spüleinrichtung und in einer zweiten Stellung die Luftfördereinrichtung mit dem Reformer verbindet. Mittels dieser Umschaltvorrichtung ergeben sich die Vorteile, die bereits vorstehend in Bezug auf eine Spülung mit Wasserdampf beschrieben wurden.
• Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Desorptionseinrichtung mindestens eine Heizeinrichtung und mindestens eine Spüleinrichtung aufweist. Mittels der Kombination von Heizeinrichtung und Spüleinrichtung zur Desorption der im Adsorber adsorbierten Schadstoffe ist es möglich, einer Verkürzung der Regenerationszeit des Adsorbens zu erzielen.
• Vorzugsweise weist das Brennstoffzellensystem eine Rückführung auf, die zur Einspeisung von Spülmedium und/oder desorbierter Stoffe in den Reformer den Adsorber mit dem Reformer direkt verbindet. Mittels einer solchen Rückführung kann ein Abbau einzelner Schadstoffe erfolgen, indem sie im Reformer und/oder in den dem Reformer nachgeschalteten Einrichtungen des Brennstoffzellensystems umgesetzt werden. Mittels der Rückführung ist beispielsweise ein Abbau des im desorbierten Schadstoffstrom enthaltenen Kohlenstoffmonoxids möglich. Die Rückführung kann beispielsweise als Rohrleitung ausgebildet sein, die an einem ersten Ende an einem Spülausgang des Adsorbers und an einem zweiten Ende mit einem Einlass zum Reformer verbunden ist.
• Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist eine zusätzliche Betriebsmittelreinigungseinrichtung vorgesehen, die zwischen der Brennstoffzelle und dem Reformer zuschaltbar ist. Mittels dieser zusätzlichen Betriebsmittelreinigungseinrichtung kann beispielsweise eine fortwährende Reinigung des Betriebsmittels, unabhängig vom Betriebszustand des Brennstoffzellensystems, vorgenommen werden. Dieser Anwendungsfall kann insbesondere dann sinnvoll sein, wenn das im Reformer erzeugte und für die Brennstoffzelle vorgesehene Betriebsmittel fortwährend, das heißt aus im stationären Betriebszustand des Brennstoffzellensystems, einen Schadstoffgehalt aufweist, der den für eine Nutzung in der Brennstoffzelle kritischen Wert überschreitet. Die zusätzliche Betriebsmittelreinigungseinrichtung kann beispielsweise als selektive Oxidationseinrichtung ausgebildet sein.
• Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Betriebsmittelreinigungseinrichtung und die zusätzliche Betriebsmittelreinigungseinrichtung voneinander unabhängig mittels der Steuereinheit betreibbar sind. Dadurch kann in flexibler Weise eine Aktivierung der jeweiligen Betriebsmittelreinigungseinrichtung erzielt werden.
• Vorzugsweise ist ferner vorgesehen, dass die Betriebsmittelreinigungseinrichtung und die zusätzliche Betriebsmittelreinigungseinrichtung als ein Bauteil ausgebildet sind. Mittels dieser Anordnung von beiden Betriebsmittelreinigungseinrichtungen in einem Bauteil kann die gesamte Betriebsmittelreinigungseinheit kompakter hergestellt werden als bei einer Trennung der beiden Betriebsmittelreinigungseinrichtungen in jeweils einem Bauteil.
• Die Erfindung wird nachfolgend in verschiedenen Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen in Form von Blockschaltbildern näher erläutert. Es zeigen:
• Fig. 1 ein Brennstoffzellensystem mit einem Adsorber, einer als Heizeinrichtung ausgebildeten Desorptionseinrichtung und einer selektiven Oxidationseinrichtung,
• Fig. 2 ein Brennstoffzellensystem mit einem Adsorber und einer als Spüleinrichtung ausgebildeten Desorptionseinrichtung und
• Fig. 3 ein Brennstoffzellensystem mit einem Adsorber und einer als Spüleinrichtung ausgebildeten Desorptionseinrichtung nach einem zweiten Ausführungsbeispiel.
• Fig. 1 zeigt ein Brennstoffzellensystem, das eine Brennstoffzelle 1, einen Reformer 2 sowie ein Betriebsmittelreinigungssystem 3 zur Reinigung eines im Reformer 2 erzeugten und für eine Verwendung in der Brennstoffzelle 1 vorgesehenes Betriebsmittel enthält. Die Brennstoffzelle 1 weist eine Anode 8 und eine Kathode 9 auf, an denen stromerzeugende, elektrochemische Reaktionen ablaufen. Sie enthält ferner einen Wärmetauscher 10 zur Abfuhr der beim Brennstoffzellenprozeß erzeugten Wärme. Das Betriebsmittelreinigungssystem 3 enthält eine Betriebsmittelreinigungseinrichtung 4, die als Adsorber ausgebildet ist und nur beim Vorliegen eines transienten Betriebszustands des Brennstoffzellensystems aktiviert ist. Zur Regenerierung des Adsorbers 4 steht dieser mit einer Desorptionseinrichtung 5, die als Heizeinrichtung 6 ausgebildet ist, in Wirkverbindung. Das Betriebsmittelreinigungssystem 3 enthält ferner eine zusätzliche Betriebsmittelreinigungseinrichtung 7, die der Betriebsmittelreinigungseinrichtung 4 vorgeschaltet ist und als eine selektive Oxidationseinrichtung, beispielsweise zur Reinigung von Kohlenstoffmonoxid, ausgebildet sein kann.
• Das Brennstoffzellensystem wird mit Luft, Kraftstoff und Wasserdampf versorgt. Zur Luftversorgung ist eine Luftfördereinrichtung 12 über eine erste Luftleitung (Pfeil 13) mit einem Luftverzweigungspunkt 14 verbunden, von dem ein erster Luftleitungsstrang über eine zweite Luftleitung (Pfeil 15) zu einem ersten Mischpunkt 16 und von diesem über eine Kraftstoff-Luft-Leitung (Pfeil 24) in den Reformer 2 führt. Ein zweiter Luftleitungsstrang verbindet den Luftverzweigungspunkt 14 über eine dritte Luftleitung (Pfeil 17) mit einem zweiten Mischpunkt 18. Zur Kraftstoffversorgung ist eine Kraftstofffördereinrichtung 20 über eine erste Kraftstoffleitung (Pfeil 21) einem Kraftstoffverzweigungspunkt 22 verbunden, von dem ein erster Kraftstoffleitungsstrang über eine zweite Kraftstoffleitung (Pfeil 23) zu dem ersten Mischpunkt 16 und von diesem über die Kraftstoff-Luft-Leitung (Pfeil 24) in den Reformer 2 führt. Ein zweiter Kraftstoffleitungsstrang verbindet den Kraftstoffverzweigungspunkt 22 über eine dritte Kraftstoffleitung (Pfeil 25) mit einem Wärmeerzeuger 26, der wiederum über eine Abgasleitung (Pfeil 28) mit einem Dampferzeuger 29 zur Wärmeversorgung verbunden ist. Zur Wasserdampfversorgung des Brennstoffzellensystems ist eine Wasserfördereinrichtung 32 über eine Wasserleitung (Pfeil 33) mit dem Dampferzeuger 29 verbunden, der über eine Wasserdampfleitung (Pfeil 34) zu dem Reformer 2 führt.
• Der Reformer 2 steht über eine erste Reformatleitung (Pfeil 35) mit einem Verteilventil 36 in Verbindung, von dem ein erster Reformatleitungsstrang über eine zweite Reformatleitung (Pfeil 37) zu dem zweiten Mischpunkt 18 und von diesem über eine Reformat-Luft-Leitung (Pfeil 38) in das Betriebsmittelreinigungssystem 3 führt. Ein zweiter Reformatleitungsstrang verbindet das Verteilventil 36 über eine dritte Reformatleitung (Pfeil 43) mit einem dritten Mischpunkt 42, der wiederum über eine erste Betriebsmittelleitung (Pfeil 44) mit der Anode 8 der Brennstoffzelle 1 verbunden ist. Die Brennstoffzelle 1 ist an einem im Bereich der Anode 8 der Brennstoffzelle 1 angeordneten Abgasauslass 45 über eine Brennstoffzellenabgasleitung (Pfeil 46) mit einem vierten Mischpunkt 47 und dieser wiederum über eine Reformat- Brennstoffzellenabgas-Leitung (Pfeil 49) mit dem Wärmeerzeuger 26 verbunden.
• Das Betriebsmittelreinigungssystem 3 ist über eine zweite Betriebsmittelleitung (Pfeil 39) mit einer Umschaltvorrichtung 40 verbunden, von der ein erster Leitungsstrang über eine dritte Betriebsmittelleitung (Pfeil 41) zu dem dritten Mischpunkt 42 und von dort über die erste Betriebsmittelleitung (Pfeil 44) zur Brennstoffzelle 1 führt und ein zweiter Leitungsstrang die Umschaltvorrichtung 40 über eine vierte Reformatleitung (Pfeil 48), einen vierten Mischpunkt 47, die Reformat-Brennstoffzellenabgas-Leitung (Pfeil 49) mit dem Wärmeerzeuger 26 verbindet.
• Die Brennstoffzelle 1 und der Reformer 2 sind zur Erfassung von Betriebsparametern, wie beispielsweise Temperatur, mittels einer Messleitung 50, 51 mit jeweils einem Erfassungselement 52, 53 elektrisch wirkverbunden. Die beiden Erfassungselemente 52, 53 stehen über Signalübertragungsleitungen 54, 55 mit einer Steuereinheit 56 in Wirkkontakt. Die Steuereinheit 56 ist ferner über Signalübertragungsleitungen 57, 58, 59, 98 mit der Umschaltvorrichtung 40, dem Adsorber 4, der Heizeinrichtung 6 und dem Verteilventil 36 elektrisch verbunden, um den Adsorber 4 in Abhängigkeit vom jeweiligen Betriebszustand des Brennstoffzellensystems aktivieren beziehungsweise deaktivieren zu können beziehungsweise das gesamte Betriebsmittelreinigungssystem 3 abzukoppeln. Die Steuereinheit 56 enthält ferner eine Schnittstelle (Pfeil 60), mittels der eine Ankopplung an andere Steuersysteme beziehungsweise an eine übergeordnete zentrale Steuereinrichtung und/oder ein Erfassen weiterer Regelparameter möglich ist.
• Es ergibt sich folgende Funktionsweise: Während des Betriebs des Brennstoffzellensystems wird Luft gemäß Pfeil 11 mittels der Luftfördereinrichtung 12 über die erste Luftleitung (Pfeil 13), den Luftverzweigungspunkt 14, die zweite Luftleitung (Pfeil 15), den ersten Mischpunkt 16 und die Kraftstoff-Luft-Leitung (Pfeil 24) in den Reformer 2 geführt. Der Kraftstoff wird gemäß Pfeil 19 mittels der Kraftstofffördereinrichtung 20 über die erste Kraftstoffleitung (Pfeil 21), den Kraftstoffverzweigungspunkt 22, der zweiten Kraftstoffleitung (Pfeil 23) zu dem ersten Mischpunkt 16 geführt, von wo der Kraftstoff mit der Luft über die Kraftstoff-Luft-Leitung (Pfeil 24) in den Reformer 2 strömt. Das Wasser wird gemäß Pfeil 31 mittels der Wasserfördereinrichtung 32 über die Wasserleitung (Pfeil 33) dem Dampferzeuger 29zugeführt, in dem es zum Verdampfen gebracht wird und als Wasserdampf über die Wasserdampfleitung (Pfeil 34) zu dem Reformer 2 gelangt.
• Im Reformer 2 wird ein wasserstoffreiches Gas - im Folgenden auch Reformat genannt - erzeugt. Da das Reformat neben dem Wasserstoff auch Stoffe enthält, die zum Teil schädigend auf die Brennstoffzelle 1 wirken (zum Beispiel das Kohlenstoffmonoxid), wird das Reformat vor der Weiterleitung an die Brennstoffzelle 1 gereinigt. Hierfür wird das Reformat von dem Reformer 2 über die erste Reformatleitung (Pfeil 35), dem Verteilventil 36, dem zweiten Mischpunkt 18 und der Reformat-Luft-Leitung (Pfeil 38) dem Betriebsmittelreinigungssystem 3 zugeführt. Zum Betreiben des Betriebsmittelreinigungssystems 3 wird diesem über den Luftverzweigungspunkt 14, die dritte Luftleitung (Pfeil 17), den zweiten Mischpunkt 18, die Reformat-Luft-Leitung (Pfeil 38) ebenfalls Luft zugeführt.
• Beim Vorliegen eines stationären Betriebszustands des Brennstoffzellensystems erfolgt die Reinigung des Reformats lediglich mittels der zusätzlichen Betriebsmittelreinigungseinrichtung 7; der Adsorber 4 ist in diesem Betriebszustand deaktiv. Das gereinigte Reformat wird vom Betriebsmittelreinigungssystem 3 über die zweite Betriebsmittelleitung (Pfeil 39), die Umschaltvorrichtung 40, die dritte Betriebsmittelleitung (Pfeil 41), den dritten Mischpunkt 42 und die erste Betriebsmittelleitung (Pfeil 44) der Brennstoffzelle 1 zugeführt. Diese Zuführung ist dadurch möglich, dass die Umschaltvorrichtung 40 mittels der Steuereinheit 56 in eine Schaltstellung gebracht ist, die das Betriebsmittelreinigungssystem 3 mit dem dritten Mischpunkt 42 verbindet. Zu einer solchen Steueranweisung von der Steuereinheit 56 an die Umleitvorrichtung 40 kommt es in diesem Ausführungsbeispiel, sobald die Erfassungselemente 52, 53 an der Brennstoffzelle 1 und am Reformer 2 über die Signalübertragungsleitungen 54 und 55 der Steuereinheit 56 melden, dass ein stationärer Betriebszustand des Brennstoffzellensystems vorliegt. Das Abgas der Brennstoffzelle 1 wird über den Abgasauslass 45, die Brennstoffzellen-Abgasleitung (Pfeil 46), dem vierten Mischpunkt 47 und die Reformat-Brennstoffzellenabgas-Leitung (Pfeil 49) dem Wärmeerzeuger 26 zugeführt, der in Bezug auf die in diesem Abgasstrom enthaltenen Schadstoffe die Funktion einer Abgasbehandlungseinrichtung einnimmt. Alternativ ist es möglich, mittels des Verteilventils 36 das Betriebsmittelreinigungssystem 3 abzukoppeln, so dass das vom Reformer 2 kommende Reformat unter Umgehung des Betriebsmittelreinigungssystems 3 der Brennstoffzelle 1 zugeführt wird.
• Beim Eintreten eines transienten Betriebszustands des Brennstoffzellensystems (beispielsweise Kaltstart und/oder Lastwechsel) wird mittels der Steuereinheit 56 der Adsorber 4 aktiviert. Alternativ ist es möglich, das gesamte Betriebsmittelreinigungssystem 3 - bei Bedarf - über das Verteilventil 36 zuzuschalten, sofern es vorher abgekoppelt war. Mittels des aktivierten Adsorbers 4 beziehungsweise des zugeschalteten Betriebsmittelreinigungssystems 3 ist es nun möglich, die bei einem transienten Betriebszustand des Brennstoffzellensystems gegenüber dem stationären Betriebszustand im Reformat erhöht vorliegenden Schadstoffkonzentrationswerte unter einen für eine Nutzung in der Brennstoffzelle 1 kritischen Schadstoffkonzentrationswert zu bringen. Je nach Auslegung des gesamten Betriebsmittelreinigungssystems 3 ist natürlich auch eine Reinigung derart möglich, dass der Schadstoffgehalt des der Brennstoffzelle 1 zugeführten Betriebsmittels bei einem transienten Betriebszustand im Vergleich zum stationären Betriebszustand des Brennstoffzellensystems gleich groß oder niedriger ist. Der Adsorber 4 bleibt solange aktiviert, bis die Steuereinheit 56 mittels der Erfassungselemente 52, 53 erkennt, dass ein stationärer Betriebszustand des Brennstoffzellensystems vorliegt. Am Ende eines transienten Betriebszustands, also bei Erreichen des stationären Betriebszustands des Brennstoffzellensystems, wird die Betriebsmittelreinigungseinrichtung 4 von der Steuereinheit 56 wieder deaktiviert.
• Zur Regenerierung des Adsorbers, insbesondere des im Adsorber enthaltenen Adsorptionsmittels, erfolgt eine Desorption der im Adsorber 4 adsorbierten Stoffe. Hierfür wird die als Heizeinrichtung 6 ausgebildete Desorptionseinrichtung 5 mittels der Steuereinheit 56 in Betrieb genommen, und zwar derart, dass mittels Steuereinheit 56 die Beheizung des Adsorbers 4 beziehungsweise die Beheizungsprozedur gesteuert wird. Um zu verhindern, dass die bei der Aufheizung desorbierten Schadstoffe vom Adsorber 4 in die Brennstoffzelle 1 gelangen, wird ferner mittels der Steuereinheit 56 die Umschaltvorrichtung 40 umgeschaltet, und zwar derart, dass der während der Desorption im Adsorber 4 erzeugte Stoffstrom über die vierte Reformatleitung (Pfeil 48), den vierten Mischpunkt 47 und die Reformat-Brennstoffzellenabgas-Leitung (Pfeil 49), also unter Umgehung der Brennstoffzelle 1, dem Wärmeerzeuger 26 zur Abgasbehandlung zugeführt wird. Dieser hier beschriebene Regenerierungsvorgang kann beispielsweise zeitgesteuert ablaufen. Am Ende des Regenerierungsvorgangs erfolgt mittels der Steuereinheit 56 ein Abschalten der Heizeinrichtung 6 und ein Umschalten der Umleitvorrichtung 40 in die Ausgangsschalterstellung, bei der der Reformatstrom von der vierten Reformatleitung (Pfeil 48) über die Umschaltvorrichtung 40 zur dritten Betriebsmittelleitung (Pfeil 41) geleitet wird. Mittels der Steuereinheit 56 kann eine Steuerung der Desorptionszyklen vorgenommen werden, und zwar derart, dass jeder Regenerierungsvorgang nur bei deaktiviertem Adsorber 4 erfolgt.
• Alternativ zur Beaufschlagung der Brennstoffzelle 1 mit im Betriebsmittelreinigungssystem 3 gereinigtem Reformat ist mittels des Verteilventils 36 eine Versorgung der Brennstoffzelle 1 mit nichtgereinigtem Reformat möglich. Je nach Ventilstellung des Verteilventils 36 kann der im Reformer erzeugte Reformatstrom beliebig aufgeteilt werden, so dass mittels des Verteilventils 36 der Schadstoffgehalt des der Brennstoffzelle 1 zugeführten Betriebsmittels auf erwünschte und vorgegebene Werte eingestellt werden kann. Dies ist sowohl im stationären Betriebszustand als auch bei einem transienten Betriebszustand des Brennstoffzellensystems möglich. In dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel ist weiterhin eine Nutzung der im Abgas der Brennstoffzelle 1 und der im bei der Desorption erzeugten Schadstoffstrom enthaltenen oxidierbaren Verbindungen im Wärmeerzeuger 26 vorgesehen. Dadurch ergibt sich eine optimale Ausnutzung des dem Brennstoffzellensystem zugeführten Kraftstoffs.
• In Fig. 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel des Brennstoffzellensystems gezeigt, wobei zur vorgehenden Fig. 1 gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen sind und nicht nochmals erläutert werden. Im Unterschied zu Fig. 1 ist in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel die Desorptionseinrichtung 5 als Spüleinrichtung ausgebildet, wobei zur Spülung Luft als Spülmedium verwendet wird. Ferner weist das Betriebsmittelreinigungssystem 3 in diesem Ausführungsbeispiel nur den Adsorber 4 auf. Zur Versorgung der Spüleinrichtung 5 mit Luft ist eine Umschaltvorrichtung 61 zwischen der Luftfördereinrichtung 12 und dem ersten Mischpunkt 16 geschaltet, die in einer ersten Stellung die Luftfördereinrichtung 12 mit der Spüleinrichtung 5 und in einer zweiten Stellung die Luftfördereinrichtung 12 mit dem Reformer 2 verbindet. Zur Aktivierung der Umschaltvorrichtung 61 ist diese mittels einer Signalübertragungsleitung 64 mit der Steuereinheit 56 elektrisch verbunden. Statt der Zuleitung der bei der Regenerierung des Adsorbers 4 desorbierten Stoffe zum Wärmeerzeuger 26 ist in diesem Ausführungsbeispiel eine Zuleitung der desorbierten Stoffe und der Spülluft über eine Rückführung (Pfeil 65) vom Adsorber 4 über den ersten Mischpunkt 16 und der Kraftstoff-Luft-Leitung 24 zum Reformer 2 möglich.
• Damit ergibt sich bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel im Unterschied zu dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel folgende veränderte Wirkungsweise:
  Bei der Regenerierung der als Adsorber ausgebildeten Betriebsmittelreinigungseinrichtung 4 werden die Umschaltvorrichtung 61, das Drei- Wege-Ventil 99 und das Verteilventil 36 derart geschaltet, dass Luft gemäß Pfeil 11 mittels der Luftfördereinrichtung 12 über die erste Luftleitung (Pfeil 13), die Umschaltvorrichtung 61 und die Spülluftzufuhrleitung (Pfeil 63) der Desorptionseinrichtung 5 zugeführt wird, die ein Spülen des im Adsorber 4 enthaltenen Adsorptionsmittels durchführt, so dass auf der Oberfläche des Adsorptionsmittels adsorbiert vorliegende Stoffe desorbiert werden. Die desorbierten Stoffe und die Spülluft werden ferner über die Reformat-Luft-Leitung 38 zum Drei-Wege-Ventil 99 gemäß Pfeil 100 und von dort über die Rückführung 65 wiederum dem Reformer 2 zugeführt. Das Reformat des Reformers 2 wird in diesem Fall über das Verteilventil 36 unter Umgehung des Betriebsmittelreinigungssystems 3 der Brennstoffzelle 1 zugeführt. Durch die vorstehend beschriebene Rückführung können die im Reformer 2 verwertbaren desorbierten Stoffe, wie beispielsweise Kohlenstoffmonoxid, genutzt werden, wodurch sich aufgrund einer höheren Wasserstoffausbeute im Reformer 2 ein höherer Wirkungsgrad für das Brennstoffzellensystem ergibt. Wenn der Desorptionsvorgang beendet ist, werden die Umschaltvorrichtung 61, das Drei-Wege-Ventil 99 und das Verteilventil 36 von der Steuereinheit 56 umgeschaltet, und zwar derart, dass die Luft von der Luftfördereinrichtung 12 direkt zum ersten Mischpunkt 16 strömt, somit also keine Luft mehr über die Spülluftzufuhrleitung (Pfeil 63) der Spüleinrichtung 5 zugeführt wird. Die Umschaltvorrichtung 61, das Drei-Wege-Ventil 99 und das Verteilventil 36 werden bei den jeweiligen Betriebszuständen und Reinigungsbetriebsweisen derart geschaltet, dass eine Betriebsmittelversorgung des Reformers 2 und der Brennstoffzelle 1 sichergestellt ist.
• In Fig. 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel des Brennstoffzellensystems gezeigt. Die Teile, die mit denen der Ausführungsbeispiele aus den vorhergehenden Fig. 1 und 2 übereinstimmen, sind mit gleichen Bezugsziffern versehen und nachfolgend nicht nochmals erläutert. Es wird insoweit auf die Beschreibung zu den Fig. 1 und 2 verwiesen. Die Fig. 3 zeigt eine weitere Ausführungsvariante der bereits in Fig. 2 beschriebenen Spüleinrichtung 5. Statt einer Spülung mit Luft erfolgt in diesem Ausführungsbeispiel eine Spülung mit Wasserdampf. Hierfür wird der im Dampferzeuger 29 erzeugte Wasserdampf verwendet. Die Versorgung der Spüleinrichtung 5 mit dem Wasserdampf erfolgt dabei mittels einer Umschaltvorrichtung 66, die dem Dampferzeuger 29 nachgeschaltet ist. Mittels der Umschaltvorrichtung 66 ist es möglich, alternativ oder zusätzlich zur Wasserdampfversorgung des Reformers 2 über die Wasserdampfleitung (Pfeil 34), die Umschaltvorrichtung 66 und die zweite Wasserdampfleitung (Pfeil 67) den Wasserdampf von der Umschaltvorrichtung 66 über eine dritte Wasserdampfleitung (Pfeil 68) der Desorptionseinrichtung 5 zuzuführen. Die Umschaltvorrichtung 66 ist zudem über eine Signalübertragungsleitung 69 mit der Steuereinheit 56 elektrisch verbunden. Die Funktionsweise der hier mit Wasserdampf betriebenen Spüleinrichtung 5 entspricht der im Ausführungsbeispiel von Fig. 2 beschriebenen Spüleinrichtung 5 für Luft. Beim Eintreten eines Regenerierungsvorgangs erfolgt von der Steuereinrichtung 56 über die Signalübertragungsleitung 69 eine Anweisung zum Umschalten der Umschaltvorrichtung 66, des Drei-Wege-Ventils 99 und des Verteilventils 36 in der Weise, dass der Wasserdampf über die dritte Wasserdampfleitung (Pfeil 68) der Desorptionseinrichtung 5 zugeführt wird, mit den desorbierten Stoffen der Desorptionseinrichtung 5 diese über die Reformat-Luft-Leitung 38 gemäß Pfeil 100 verlässt und mittels des Drei-Wege-Ventils 99 und der Rückführleitung 65 zusammen mit den desorbierten Stoffen dem Reformer 2 zugeführt wird. Die Umschaltvorrichtung 66, das Drei-Wege-Ventil 99 und das Verteilventil 36 sind ferner derart geschaltet, dass bei den jeweiligen Betriebszuständen und Reinigungszyklen eine ständige Dampfversorgung des Reformers 2 und Betriebsmittelversorgung der Brennstoffzelle 1 gewährleistet ist.

Claims (27)

1. Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems mit einer Brennstoffzelle, einem Reformer und einer zwischen der Brennstoffzelle und den Reformer geschalteten Betriebsmittelreinigungseinrichtung zur Reinigung eines im Reformer erzeugten und für eine Verwendung in der Brennstoffzelle vorgesehenen Betriebsmittels, dadurch gekennzeichnet, dass das Betriebsmittel in Abhängigkeit vom Betriebszustand des Brennstoffzellensystems gereinigt wird, wobei beim Eintreten eines transienten Betriebszustands die Betriebsmittelreinigungseinrichtung (4) aktiviert und beim Eintreten eines stationären Betriebszustands die Betriebsmittelreinigungseinrichtung (4) deaktiviert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Reinigung die im Betriebsmittel enthaltenen Schadstoffe in der Betriebsmittelreinigungseinrichtung (4) adsorbiert werden.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Regenerierung der Betriebsmittelreinigungseinrichtung (4) die adsorbierten Schadstoffe desorbiert werden.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Desorption der in der Betriebsmittelreinigungseinrichtung (4) adsorbierten Schadstoffe bei deaktivierter Betriebsmittelreinigungseinrichtung (4) erfolgt.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebsmittelreinigungseinrichtung (4) zur Desorption der Schadstoffe aufgeheizt und/oder gespült wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die desorbierten Schadstoffe zu ihrem Abbau zum Reformer (2) zurückgeführt oder einer Abgasbehandlungseinrichtung (26) zugeführt werden.

7. Brennstoffzellensystem mit einer Brennstoffzelle, einem Reformer und einer zwischen der Brennstoffzelle und dem Reformer geschalteten Betriebsmittelreinigungseinrichtung, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine, den Betriebszustand des Brennstoffzellensystems erfassende, beim Vorliegen eines transienten Betriebszustands die Betriebsmittelreinigungseinrichtung (4) aktivierende und beim Vorliegen eines stationären Betriebszustands die Betriebsmittelreinigungseinrichtung (4) deaktivierende Steuereinheit (56).

8. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (56) zur Betriebszustandserfassung, insbesondere zur Erfassung von Kaltstarts und/oder Lastwechseln des Brennstoffzellensystems, mindestens ein Erfassungselement (52, 53) aufweist.

9. Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (56) mit einer zentralen Steuereinrichtung des Brennstoffzellensystems wirkverbunden ist.

10. Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebsmittelreinigungseinrichtung (4) als Adsorber ausgebildet ist.

11. Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine, den Adsorber (4) regenerierende, bei deaktiviertem Adsorber aktivierbare Desorptionseinrichtung (5).

12. Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Desorptionseinrichtung (5) eine, den Adsorber erwärmende Heizeinrichtung (6) ist.

13. Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine, dem Adsorber (4) nachgeschaltete, desorbierte Stoffe abbauende Abgasbehandlungseinrichtung (26).

14. Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasbehandlungseinrichtung (26) ein Wärmeerzeuger ist.

15. Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem Wärmeerzeuger (26) ein Dampferzeuger (29) nachgeschaltet ist, der seine benötigte Wärmeenergie vom Wärmeerzeuger (26) erhält.

16. Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Umschaltvorrichtung (40), die in einer ersten Stellung den Adsorber (4) mit dem Wärmeerzeuger (26) und in einer zweiten Stellung den Adsorber (4) mit der Brennstoffzelle (1) verbindet.

17. Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Desorptionseinrichtung (5) als eine den Adsorber (4) durchspülende Spüleinrichtung ausgebildet ist.

18. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Spüleinrichtung (5) mit Luft und/oder Wasserdampf als Spülmedium arbeitet.

19. Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche 17 oder 18, gekennzeichnet durch einen, die Spüleinrichtung (5) mit Wasserdampf versorgenden Dampferzeuger (29).

20. Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche 17 bis 19, gekennzeichnet durch eine Umschaltvorrichtung (66), die in einer ersten Stellung den Dampferzeuger (29) mit der Spüleinrichtung (5), in einer zweiten Stellung den Dampferzeuger (29) mit dem Reformer (2) und in einer dritten Stellung den Dampferzeuger (29) mit der Spüleinrichtung (5) und dem Reformer (2) verbindet.

21. Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche 17 oder 18, gekennzeichnet durch eine, die Spüleinrichtung (5) mit Luft versorgende Luftfördereinrichtung (12).

22. Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche 17, 18 oder 21, gekennzeichnet durch eine Umschaltvorrichtung (61), die in einer ersten Stellung die Luftfördereinrichtung (12) mit der Spüleinrichtung (5) und in einer zweiten Stellung die Luftfördereinrichtung (12) mit dem Reformer (2) verbindet.

23. Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Desorptionseinrichtung (5) mindestens eine Heizeinrichtung und mindestens eine Spüleinrichtung aufweist.

24. Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine, den Adsorber (4) mit dem Reformer (2) direkt verbindende, zur Einspeisung von Spülmedium und/oder desorbierter Stoffe in den Reformer (2) vorgesehene Rückführung (65).

25. Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine, zwischen der Brennstoffzelle (1) und dem Reformer (2) zuschaltbare, zusätzliche Betriebsmittelreinigungseinrichtung (7).

26. Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebsmittelreinigungseinrichtung (4) und die zusätzliche Betriebsmittelreinigungseinrichtung (7) voneinander unabhängig mittels der Steuereinheit (56) betreibbar sind.

27. Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebsmittelreinigungseinrichtung (4) und die zusätzliche Betriebsmittelreinigungseinrichtung (7) als ein Bauteil ausgebildet sind.