DE10160545A1

DE10160545A1 - Kraftstoffzellensysteme mit gesteuertem Anodenverbrauch

Info

Publication number: DE10160545A1
Application number: DE10160545A
Authority: DE
Inventors: Prabhakar Singh; Mehrdad Teimor; Walter Franklin Clark
Original assignee: Visteon Global Technologies Inc
Current assignee: Visteon Global Technologies Inc
Priority date: 2000-12-20
Filing date: 2001-12-10
Publication date: 2002-06-27
Also published as: US6572993B2; US20020076588A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektrische (Strom)speichereinrichtung, die parallel zu einer Kraftstoffzelle geschaltet ist, die in einem Kraftstoffzellenstrom(energie)erzeugungssystem enthalten ist, wobei die elektrische Speichereinrichtung bevorzugt entweder eine Batteriepackung, mehrere Kondensatoren oder mehrere Superkondensatoren umfasst und dazu ausgelegt ist, eine Menge an Nachformergas elektrochemisch zu oxidieren, die in einer Anodenkammer für Kraftstoffzelle während Übergangslastbedingungen enthalten ist, durch Laden, ausgehend von einem vorbestimmten Ladezustand, in Richtung auf volle Kapazität. Die Energiespeichereinrichtung verhindert dadurch, dass große Mengen an nicht oxidiertem Nachformergas in eine Kammer eines Combusters während Übergangslastbedingungen zuströmt, wobei das nicht oxidierte Nachformergas eine Überschusswärmemenge erzeugt, die, wenn sie verbrannt ist, den Combuster korrodieren oder beschädigen kann. Die Energiespeichereinrichtung entlädt die Überschussladung, wenn das Kraftstoffzellenstrom(energie)erzeugungssystem zu Normallastbedingungen rückkehrt oder während Übergangslastbedingungen, wenn die Menge an Nachformergas, die in die Anodenkammer zuströmt, derart verringert wurde, dass die Menge an nicht oxidiertem Nachformergas, die in den Combuster zuströmt, auf nahezu konstantem Pegel gehalten wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Kraftstoffzellen systeme und insbesondere Kraftstoffzellensysteme mit gesteuer tem Anodenverbrauch.

Kraftstoffzellensysteme, die aktuell für Stromerzeugungsanwen dungen entwickelt werden, arbeiten auf grundsätzlich denselben elektrochemischen Prinzipien wie ein Batteriesystem, um Elekt rizität zu erzeugen. Kraftstoffzellensysteme bestehen üblicher weise aus einem Nachformer, einem Kraftstoffzellenstapel und einem Stromkonverter (Generator).

In einem typischen Stromerzeugungssystem wandelt zunächst der Nachformer oder Kraftstoffprozessor ein Ausgangsmaterial, typi scherweise Kohlenwasserstoffkraftstoff, wie etwa Benzin, oder natürliches Gas in ein wasserstoffreiches Gas. Zahlreiche Arten von Nachformern können genutzt werden, um das Ausgangsmaterial umzusetzen, einschließlich Dampfnachformer, autothermische Nachformer, partielle Oxidationsnachformer, präferentielle Oxi dationsnachformer, und Hoch- und Niedertemperaturverschiebungs prozessnachformer.

Als nächstes wird der Wasserstoffgasstrom aus dem Nachformer entfernt und in eine Anodenkammer eines Kraftsstoffzellensta pels zur elektrochemischen Oxidation zugeführt. In diesem Schritt wird wasserstoffreiches Gas in Anwesenheit eines Kata lysators oxidiert, der auf den Wänden der Anodenkammer vor liegt, um Wasserstoffprotonen und Elektronen zu bilden. Eine elektrolytische Membran erlaubt es den Wasserstoffprotonen, in eine Kathodenkammer zu gelangen, wo die Wasserstoffprotonen mit Sauerstoff aus Luft reagieren, um Wasser und Wärme zu bilden, die aus der Kathodenkammer in die Atmosphäre ausgelassen wird. Die Elektronen in der Kathodenkammer verlassen die Kraftstoff zelle entlang einem externen entfernten Ladedraht und werden durch den Generator in nutzbare Energie bzw. Strom umgesetzt. Durch Stapeln von einigen wenigen 100 Kraftstoffzellen in einen gemeinsamen Stapel zur Bildung eines Kraftstoffzellenstapels kann die erzeugte Strom- bzw. Energiehöhe deutlich vergrößert werden. Nicht oxidierter Kraftstoff in der Anodenkammer ver lässt die Kraftstoffzelle und gelangt in einen Combuster bzw. Vergasungsbrenner zum Verbrennen.

Während normaler Betriebsbedingungen, bei welchen die elektri sche Lastanforderung an die Kraftstoffzelle relativ gleichmäßig bleibt, ist der Oxidationsreaktionswirkungsgrad der Kraftstoff zelle relativ konstant mit etwa 80 bis 90%. Die Menge von nicht oxidiertem Kraftstoff, die dadurch in den Combuster eintritt, bleibt deshalb relativ konstant und die Combustertemperatur, die eine Funktion der Menge des nicht oxidierten Kraftstoffs ist, der in dem Combuster verbrannt wird, wird deshalb inner halb eines akzeptablen Bereichs gehalten.

Unter Übergangsbetriebsbedingungen, bei denen der elektrische Lastbedarf für die Kraftstoffzelle verringert werden könnte, steigt jedoch die Menge an nicht oxidiertem Kraftstoff in der Anodenkammer deutlich an. Das Verbrennen dieses überschüssigen nicht oxidierten Kraftstoffs in dem Combuster führt zur Erzeu gung hoher Temperaturen und einer beschleunigten Korrosion (oder eines Schmelzens) des Combustermaterials. Diese Tempera turübergänge in dem Combuster erfordern teure Konstruktionsma terialien und eine Isolation höherer Qualität, um in dem Com buster Wärmestabilität bereitzustellen. Die Verbrennung des nicht oxidierten Kraftstoffs in dem Combuster verringert auch den Gesamtwirkungsgrad des Kraftstoffsystems.

Eine weitere Alternative besteht darin, den nicht verbrannten Kraftstoff durch den Einlassanodenstrom der Kraftstoffzelle zu recyceln. Recyceln und Einspritzen von Kraftstoff abgereichertem Endgas in dem Anodengasstrom führt jedoch zu ei nem erhöhten parasitären Strom- bzw. Energieverlust.

Es besteht deshalb ein starker Bedarf an der Steuerung der Tem peratur in dem Combuster durch Verbessern der elektrochemischen /l Oxidation des Kraftstoffs innerhalb der Kraftstoffzelle während Übergangslastbedingungen.

Die vorliegende Erfindung überwindet die vorstehend angespro chenen Nachteile aktuell verfügbarer Kraftstoffzellensysteme durch Bereitstellen eines Mittels zum Oxidieren von erhitztem nachformiertem Kraftstoffgas in einer Kraftstoffzelle während Übergangslastbedingungen. Die elektrochemische Oxidation des Kraftstoffs in der Kraftstoffzelle minimiert oder verhindert den Aufbau von Anodengas in der Anodenkammer. Die Verbrennung des nicht oxidierten Gases wird außerdem in dem Combuster mini miert, wodurch der Aufbau übermäßiger bzw. überschüssiger Wärme in dem Combuster verhindert wird, der zu einer Beschädigung des Kraftstoffverarbeitungsaufbaus führen könnte.

Die vorstehend angeführten Aufgaben werden gelöst durch Bereit stellen einer Methode zum Betreiben eines Kraftstoffzellenstro merzeugungssystems in Verbindung mit einem Energiespeichersys tem in einer Parallelbetriebsart zum Verhindern von zunehmendem Einschwingen bzw. Vergrößern des Übergangs bei der Verbrennung von Anodengas während Änderungen des elektrischen Lastbedarfs. Die Energiespeichervorrichtung besteht entweder aus einem Bat teriepaket oder einer Bank von Kondensatoren/Superkondensato ren, die parallel an dem Kraftstoffzellensystem derart ange bracht sind, dass beide während des Normalbetriebs und/oder Übergangsvorgängen Strom bereitstellen können. Normales nicht oxidiertes nachgeformtes Gas in der Anodenkammer während Über gangsbedingungen wird oxidiert und die durch die Oxidation er zeugte elektrische Energie wird in einer Energiespeicherein richtung gespeichert. Dies verhindert das Entladen von größeren Mengen an Nachformgas zu dem Combuster wie normal, mithin von Gas, das normalerweise zu einer Verbrennung mit sehr hoher Tem peratur in dem Combuster führt (etwa 1400 bis 1500°C), wodurch Korrosion (oder Schmelzen) von Combustermaterial oder eine an derweitige Beschädigung für den Kraftstoffverarbeitungsaufbau verursacht werden kann.

Weitere Aufgaben und Vorteile der vorliegenden Erfindung er schließen sich aus der folgenden detaillierten Beschreibung in den anliegenden Ansprüchen sowie unter Bezug auf die anliegen den Zeichnungen.

Die Erfindung wird nunmehr anhand der Zeichnung beispielhaft näher erläutert.

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Kraftstoff zellenstrom(energie)erzeugungssystems mit einer Ener giespeichereinrichtung in Übereinstimmung mit der be vorzugten Ausführungsform der Vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 zeigt eine graphische Darstellung, wie sich Strompegel bzw. -höhen, Anodenverbrauchspegel und die Combuster temperatur relativ zur Zeit unter Übergangslastbedin gungen in einem Kraftstoffzellenstrom(energie)erzeu gungssystem ohne Energiespeichereinrichtung ändern;

Fig. 3 zeigt eine graphische Darstellung, wie sich Strompegel bzw. -höhen, Anodenverbrauchspegel und die Combuster temperatur relativ zur Zeit unter Übergangslastbedin gungen in einem Kraftstoffzellenstrom(energie)erzeu gungssystem mit einer Energiespeichereinrichtung gemäß Fig. 1 ändern, wobei das Kraftstoffzellenstrom(ener gie)erzeugungssystem idealisiert dargestellt ist; und

Fig. 4 zeigt eine graphische Darstellung, wie sich Strompegel bzw. -höhen, Anodenverbrauchspegel und die Combuster temperatur relativ zur Zeit unter Übergangslastbedin gungen in einem Kraftstoffzellenstrom(energie)erzeu gungssystem mit einer Energiespeichereinrichtung gemäß Fig. 1 ändern, wobei das Kraftstoffzellenstrom(ener gie)erzeugungssystem nicht idealisiert dargestellt ist.

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Methode zum Betreiben eines Kraftstoffzellenstrom(energie)erzeugungssystems in Ver bindung mit einem Energiespeichersystem in einem Parallelbe trieb zum Verhindern, dass Übergänge bei der Verbrennung des Anodengases während Änderungen des elektrischen Lastbedarfs zu nehmen.

In Fig. 1 ist ein Kraftstoffverarbeitungsaufbau 10 gezeigt. Der Aufbau 10 umfasst einen Wärmetauschnachformer 12 zum Umsetzen von Kohlenwasserstoffkraftstoffen in einen nachgeformten Gas strom, der durch elektrochemische Kraftstoffzellen 30 genutzt wird, um Elektrizität zu erzeugen. Der Nachformer 12 weist eine Ansaugöffnung 20 zum empfangen bzw. Aufnehmen von Zufuhrgas, typischerweise Benzin, natürlichem Gas oder einer anderen Art eines Kohlenwasserstoffs auf, und zwar ausgehend von einem (nicht gezeigten) Vorratsbehälter, und eine Auslassöffnung bzw. einen Auslassanschluss 22 zum Abführen des verarbeiteten nach geformten Zuführgases aus dem Nachformer 12. Das Zuführgas kann auch eine beliebige Kombination aus Wasser, Sauerstoff, Stick stoff, Kohlenmonoxid, Kohlendioxid und Wasserstoff enthalten. Das Zuführgas wird in ein nachgeformtes Gas in dem Nachformer 12 verarbeitet. Zum Umsetzen des Zuführgases in das nachgeform te Gas verwendete Prozesse umfassen Dampfnachformen, automati sches Wärmenachformen, partielle Oxidation, präferentielle Oxi dation, Hochtemperaturverschiebungsverarbeiten, Niedertempera turverschiebungsverarbeiten oder eine andere Verarbeitungsart, die an sich bekannt ist. Außerdem weist der Nachformer 12 eine Brennereinlassöffnung bzw. einen Brennereinlassanschluss 24 von der Kraftstoffzelle 30 auf, um erhitztes Brennerabgas und/oder partiell oder vollständig unreagiertes Gemisch aus Kraftstoff und Oxidationsmittel aufzunehmen (nachfolgend als Brennerabgas bezeichnet). Der Nachformer 12 weist außerdem eine Brenneraus lassöffnung bzw. einen Brennerauslassanschluss 26 zum Abführen von abgekühltem Brennerabgas aus dem Nachformer 12 auf. Der Nachformer 12 kann außerdem einen Hochtempera tur/Niedertemperaturverschiebungsreaktor (nicht gezeigt) und/oder einen präferentiellen Reaktor (nicht gezeigt) zum Um setzen von Kohlenmonoxidgas in Kohlendioxid in einem Verfahren enthalten, das an sich bekannt ist. Idealerweise enthält das den Nachformer 12 enthaltende Nachformgas weniger als 10 Teile pro einer Million (ppm) Kohlenmonoxid. Dies ist aus zwei Grün den wichtig. Als erstes ist es unerwünscht, dass Kohlenmonoxid in die Atmosphäre freigegeben wird. Als zweites kann Kohlenmo noxid in der Kraftstoffzelle 30 reagieren, um den Kraftstoff zellenkatalysator abzudecken bzw. zu überziehen, der verwendet wird, um Reaktionen während des Oxidationsprozesses zu fördern, weshalb überschüssiges Kohlenmonoxid den Wirkungsgrad der Kraftstoffzelle 30 im Verlauf der Zeit begrenzt bzw. be schränkt.

Verarbeitetes Nachformgas, typischerweise Wasserstoff oder ein bestimmtes wasserstoffreiches Gas verlässt den Auslassanschluss 22 und gelangt über den Anodeneinlass 32 in eine Anodenkammer 33 einer elektrochemischen Kraftstoffzelle 30. Eine Reihe von einzelnen elektrochemischen Kraftstoffzellen 30 bildet einen Kraftstoffzellenstapel bzw. -verbund 31. Ein (nicht gezeigter) Katalysator, der auf die Wände der Anodenkammer 33 der elektro chemischen Kraftstoffzelle 30 aufgetragen ist, oxidiert die Wasserstoffatome in Elektronen und Protonen. Die Elektronen entweichen durch einen Draht 36, der mit der elektrochemischen Kraftstoffzelle verbunden ist, zu einem Generator 38. Die Was serstoffprotonen bewegen sich durch eine Elektrolytmembran (nicht gezeigt) zu einer Kathodenkammer 39 und kombinieren mit Sauerstoff, der in den Kathodeneinlass 40 der elektrochemischen Kraftstoffzelle 30 zugeführt wird, um Wasser und Wärme zu bil den (bei den es sich um die einzigen Emissionsprodukte handelt, wenn reiner Wasserstoff als Eingangsgaszufuhr verwendet wird), die aus den elektrochemischen Zellen 30 über die Ausgangsan schlüsse 42, 44 ausgestoßen bzw. ausgetragen werden.

Unter normalen Betriebsbedingungen ist die Oxidation des Nach formgases mit etwa 80 bis 90% vollständig. Nicht oxidiertes Nachformgas verlässt daraufhin die Anodenkammer 33 über den Anodenauslass 46 und gelangt in den Combuster 50 zur Verbren nung. Das nicht oxidierte Nachformgas wird in Kohlendioxid und Wasser in dem Combuster umgesetzt, idealer Weise zwischen 500 und 900°C in einem Prozess, der an sich bekannt ist.

Während Übergangsbetriebsbedingungen, einer Bedingung, die auf tritt, wenn die elektrische Last an der elektrochemischen Kraftstoffzelle 30 sich auf Grundlage des Lastbedarfs ändert, wird Nachformgas typischerweise aus der Anodenkammer 33 über den Auslass 46 ohne elektrochemische Oxidation (Nutzung) in viel größeren Mengen austreten gelassen. Dies erfolgt zum Mini mieren des Aufbaus von Nachformgas innerhalb der Anodenkammer 33, einer Bedingung, die zu einer Beschädigung der Kraftstoff zelle 30 führen kann. Dieses Nachformgas kann daraufhin durch die Zelle 30 erneut umgewälzt oder in den Combuster 50 eintre ten gelassen werden. In dem zuerst genannten Fall führt dieses erneute Umwälzen und Einspritzen des Wasserstoff-entreicherten Endgases zu einem erhöhten parasitären Energie- bzw. Stromver lust. Im letztgenannten Fall erhöht das Verbrennen des Kraft stoffs im Combuster 50 die Combustertemperaturen und kann die Korrosion des Combustermaterials beschleunigen. Dies kann zu einem verringerten Wirkungsgrad des Kraftstoffzellensystems führen. Die erhöhten Temperaturen in dem Combuster 50 können beispielsweise bis zu 1400 bis 1500°C während Übergangslastbe dingungen betragen.

Um dazu beizutragen, diese Probleme zu überwinden, ist eine Energiespeichereinrichtung 80 parallel zu der Kraftstoffzelle 30 angebracht. Die Energiespeichereinrichtung 80 kann eine Bat teriepackung, eine Bank von Kondensatoren oder Superkondensato ren sein oder aus anderen Speichereinrichtungen oder Kombinati onen hieraus bestehen. Die Energiespeichereinrichtung 80 stellt während normaler und Übergangsbedingungen Strom bereit. Die Energiespeichereinrichtung 80 wird außerdem eine Strom- bzw. Energiekapazität aufrechterhalten gelassen bzw. einen Ladepegel mit einem vorbestimmten Pegel während eines normalen Betriebs, der geringer ist als der maximale Ladepegel. Während eines elektrischen Lastübergangs oder während Übergangslastbedingun gen wird das überschüssige nicht oxidierte (unreaglerte) Nach formgas in der Anodenkammer 33, das normalerweise in den Com buster 50 mit großen Mengen ausgetragen wird, stattdessen elektrochemisch oxidiert, um die elektrische Speichereinrich tung 80 in Richtung auf volle Kapazität zu belasten bzw. zu füllen. Die Größe und der Ladepegel der Energiespeichereinrich tung 80 sind so bemessen, dass der Prozentsatz an nicht oxi diertem Kraftstoff beibehalten wird, der aus der Anodenkammer 33 in den Combuster 50 mit nahezu gleichmäßigem Pegel ausgetra gen wird. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird der La depegel mit etwa 80% der vollen Kapazität beibehalten.

Nach der Normalisierung des Kraftstoffstroms und des Lastbe darfs in der Anodenkammer 33 kann die Energiespeichereinrich tung 80 die Überschussladung auf den vorbestimmten Ladepegel langsam austragen, um eine zusätzliche Ladung zu ermöglichen, die während der Übergangsperiode akzeptabel ist. Sowohl der Kraftstoffverarbeitungseinrichtung 10 wie die Energiespei chereinrichtung 80 können kontinuierlich betrieben werden oder die Energiespeichereinrichtung 80 kann diskontinuierlich be trieben werden, um den Ladepegel beizubehalten.

Fig. 2 bis 4 zeigen einen Vergleich von Kraftstoffzellenerzeu gungsstrom(energie)systemen sowohl mit wie ohne Energiespei chereinrichtung zum Ändern von Stromhöhen bzw. -pegeln, dessen nicht oxidierten Anodenauslass- bzw. -verbrauchsvolumens, der Combustertemperatur und der Energiespeichereinrichtungsstrompe gel vor, während und nach einer Übergangslastbedingung. Aufge tragen sind diese auf Linien 101, 103, 105 bzw. 107. In Fig. 3 wird angenommen, dass die Energiespeichereinrichtung in der La ge ist, Energie kontinuierlich während des gesamten Übergangs lastereignisses zu speichern, wodurch der Strom des Anodenga ses, das in die Kraftstoffzelle zuströmt, konstant bleibt. In Fig. 4 wird der Anodengasstrom, der in die Kraftstoffzelle zu strömt, unter Verwendung einer Steuereinheit gesteuert, und da mit schwankt die Speicherung der Energie durch die Energiespei chereinrichtung im Verlauf des Übergangslastereignisses.

Wie aus Fig. 2 hervorgeht, fällt während einer elektrischen Übergangslast bzw. dem Übergang einer elektrischen Last, wie zwischen den Zeitpunkten 100 und 112 dargestellt, der Strompe gel entlang der Linie 101 auf eine Übergangslastbedingung. Verarbeitetes Nachformergas, das in der Anodenkammer 33 enthalten ist, und peripheres Volumen oxidiert bzw. oxidieren chemisch nicht, und dadurch nimmt der Pegel des nicht oxidierten Kraftstoffs, der die Anodenkammer 33 zum Combuster 50 verläßt, ent sprechend zu, wie mit der Linie 103 dargestellt. In den Com buster 50 zuströmendes kraftstoffreiches Gas erhöht die Tempe ratur im Combuster 50, wie durch die Linie 105 gezeigt. Diese erhöhten Temperaturen können verschiedene Bestandteile des Com busters 50 und des Kraftstoffzellenstromerzeugungssystems be schädigen.

Bei der vorliegenden Erfindung und wie in Fig. 3 gezeigt, wird während elektrischen Lastübergangsbedingungen Nachformergas, das in der Anodenkammer 33 enthalten ist, elektrochemisch oxi dieren gelassen und elektrische Energie bzw. elektrischer Strom, die bzw. der erzeugt wird, wird in der Energiespei chereinrichtung 80 gespeichert. Dies ist dargestellt durch die Erhöhung der Energie entlang der Linie 107. Dies verhindert den Aufbau von nicht oxidiertem Gas in der Anodenkammer 33, das daraufhin in den Combuster 50 zuströmt, wie durch bzw. entlang der Linie 103 gezeigt. Die Verbrennungstemperaturen in dem Com buster 50 werden außerdem auf Pegeln gleich den normalen Be triebsbedingungen gehalten, wie durch bzw. auf der Linie 105 gezeigt. Die Menge des in die Anodenkammer 33 aus dem Nachfor mer 12 zuströmenden Nachformgases wird sowohl während normaler wie während Übergangslastbedingungen konstant gehalten.

Wie in Fig. 4 gezeigt, wird die Menge an nicht oxidiertem Gas, die in die Anodenkammer zuströmt, zum Zeitpunkt 100 ansprechend auf die Übergangslastbedingung verringert. Da diese Bedingung nicht idealisiert ist bzw. idealisiert dargestellt ist, wie in Fig. 3, liegt typischerweise zwischen dem Zeitpunkt, zu welchem die (nicht gezeigten) Steuereinheiten die Steuerung so durch führen, dass die Menge des nicht oxidierten Gases, das in die Anodenkammer zuströmt, verringert wird, und der tatsächlichen Verringerung der Menge des nicht oxidierten Kraftstoffs, der in die Anodenkammer 3 zuströmt, eine Verzögerung vor. Entlang der Linie 107 absorbiert die Energiespeichereinrichtung 80 dadurch überschüssige Energie bis zum Zeitpunkt 102. Zum Zeitpunkt 102 wird die Menge an nicht oxidiertem Gas, die in die Anodenkammer 33 zuströmt, auf einen Pegel abgesenkt, der ausreicht, dass die Energiespeichereinrichtung 80 nicht erforderlich ist. Zum Zeit punkt 102 zerstreut deshalb die Energiespeichereinrichtung 80 die überschüssige Energie zurück auf ihren ursprünglichen vor bestimmten Pegel zum Zeitpunkt 104. Zum Zeitpunkt 112 bzw. zum zeitlichen Ereignis 112, wenn die elektrische Lastanforderung zurück hinauf auf normale Pegel angestiegen ist, liegt in der Anodenkammer zur Unterstützung der Änderung nicht genug nicht oxidierter Kraftstoff vor, weshalb die Energiespeichereinrich tung 80 die überschüssige Energie bereitstellt, die erforder lich ist, um den Generator auf dem gewünschten Strom- bzw. Energiepegel zu halten. Dies entspricht dem Einbruch in dem Energiespeicherstrompegel vom Zeitpunkt 112 bis zum Zeitpunkt 114. Da die Steuereinrichtung mehr nicht oxidierten Kraftstoff dazu veranlasst, in die Anodenkammer 33 zuzuströmen, kann der Speicherpegel für den elektrischen Strom in der Energiespei chereinrichtung 80 auf seinen normalen Pegel rückgestellt wer den, wie zum Zeitpunkt 116 dargestellt.

Die Energiespeichereinrichtung 80 hat mehrere wichtige Funktio nen. Zunächst verhindert die Energiespeichereinrichtung den Aufbau übermäßiger Mengen an nicht oxidiertem Kraftstoff in der Anodenkammer 33 während Übergangslastbedingungen, d. h. den Auf bau von Kraftstoff, der letztendlich den Combuster 50 beschädi gen kann.

Als zweites dient die Energiespeichereinrichtung als Reserve energiequelle zu Zeiten, wenn mehr elektrischer Strom durch das System angefordert wird. Besonders wichtig ist, dass das zu sätzliche Vorsehen einer Energiespeichereinrichtung 80 dazu dient, die Menge an nicht oxidiertem Kraftstoff, die in den Combuster 50 während Überlastbedingungen zuströmt, auf Pegeln zu halten, die im wesentlichen denjenigen bei normalen Be triebsbedingungen entsprechen. Auf diese Weise wird die Tempe ratur des Combusters 50 in einem akzeptablen Temperaturbereich gehalten, bevorzugt zwischen 500 und 900°C, Letztendlich schützt dies die Lebensdauer des Combusters 50 und der Kraft stoffzelle 30 ohne Verwendung teuren Materials innerhalb des Combusters oder des Kraftstoffverarbeitungsaufbaus 10.

Während die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsformen er läutert wurde, wird bemerkt, dass die Erfindung selbstverständ lich nicht auf diese beschränkt sondern zahlreichen Abwandlun gen zugänglich ist, die sich dem Fachmann auf diesem Gebiet der Technik angesichts der vorstehend angeführten Lehren ohne wei teres erschließen.

Claims

1. Kraftstoffverarbeitungsaufbausystem, aufweisend:
Einen Nachformer,
eine Kraftstoffzelle, die mit dem Nachformer verbunden ist, wobei die Kraftstoffzelle eine Anodenkammer, eine Elektro lytmembran und eine Kathodenkammer aufweist, wobei die Kraftstoffzelle dazu ausgelegt ist, eine erste Menge eines Nachformergases, das in der Anodenkammer enthalten ist, während einer Normallastbedingung zu oxidieren, und dazu, eine zweite Menge des Nachformergases während einer Über gangslastbedingung elektrochemisch zu oxidieren,
einen Combuster, der mit der Kraftstoffzelle verbunden ist,
einen Generator, der mit der Kraftstoffzelle verbunden ist, wobei der Generator eine erste Menge von elektrischer La dung, die durch die Oxidation der ersten Menge des Nachfor mergases von der Kraftstoffzelle erzeugt wird, während der Normallastbedingung in Strom bzw. Energie umsetzt und eine zweite Menge der elektrischen Ladung, die durch die Oxida tion der zweiten Menge des Nachformergases erzeugt wird, in Strom bzw. Energie während einer Übergangslastbedingung um setzt, und
eine Energiespeichereinrichtung, die mit der Kraftstoffzel le verbunden ist, wobei die Energiespeichereinrichtung dazu ausgelegt ist, eine dritte Menge von elektrischer Ladung, die durch die Oxidation der dritten Menge des Nachformerga ses während der Übergangslastbedingung erzeugt wird, zu speichern, wodurch die nicht oxidierte Menge an Nachformer gas, die in den Combuster ausgehend von der Anodenkammer während der Normallastbedingungen oder der Übergangslastbe dingungen zuströmt, auf nahezu konstantem Pegel gehalten wird.

2. Kraftstoffverarbeitungsaufbau nach Anspruch 1, wobei die Energiespeichereinrichtung ausgewählt ist aus der Gruppe, die eine Batteriepackung, mehrere Kondensatoren und mehrere Superkondensatoren umfasst.

3. Kraftstoffverarbeitungsaufbau nach Anspruch 1, wobei die Energiespeichereinrichtung auf eine vorbestimmte Energie speicherkapazität eingestellt ist, die geringer ist als ei ne maximale Energiespeicherkapazität für die Energiespei chereinrichtung, wobei die vorbestimmte Energiespeicherka pazität eine Funktion der maximalen Übergangslaständerung des Kraftstoffverarbeitungsaufbaus und des Volumens der Anodenkammer ist.

4. Kraftstoffverarbeitungsaufbau nach Anspruch 3, wobei die vorbestimmte Energiespeicherkapazität in etwa 80% der maxi malen Energiespeicherkapazität für die Energiespeicherein richtung beträgt.

5. Verfahren zum Steuern einer Combustertemperatur in einem Kraftstoffzellenstrom(energie)erzeugungssystem, wobei das Verfahren die Schritte aufweist:
Laden eines Generators als Funktion eines elektrischen Übergangslastbedarfs für das Kraftstoffzellenstrom(ener gie)erzeugungssystem durch Oxidieren von in etwa einem ers ten Prozentsatz eines Nachformergases, das in der Anoden kammer während einer Übergangslastbedingung enthalten ist,
Laden einer elektrischen Speichereinrichtung, die mit dem Kraftstoffzellenstrom(energie)erzeugungssystem verbunden ist, ausgehend von einem ersten vorbestimmten Ladezustand auf einen zweiten Ladezustand durch Oxidieren eines zweiten Prozentsatzes des Nachformergases, der in der Anodenkammer während der Übergangslastbedingung enthalten ist, wobei die Summe aus dem ersten Prozentsatz und dem zweiten Prozent satz ausreicht, um eine Combusterverbrennungstemperatur un terhalb einer vorbestimmten maximalen Temperatur zu halten.

6. Verfahren nach Anspruch 5, außerdem aufweisend den Schritt:
Entladen der elektrischen Speichereinrichtung vom zweiten Ladezustand auf den vorbestimmten ersten Ladezustand, wenn das Kraftstoffzellenstrom(energie)erzeugungssystem sich in einer Nicht-Übergangslastbedingung befindet.

7. Verfahren nach Anspruch 5, außerdem aufweisend den Schritt:
Entladen der elektrischen Speichereinrichtung von dem zwei ten Ladezustand in den vorbestimmten ersten Ladezustand, wenn das Kraftstoffzellenstrom(energie)erzeugungssystem sich in dem Übergangslastzustand befindet, und wenn die nicht oxidierte Menge des Nachformergases, das in die Ano denkammer zuströmt, auf einen ersten Pegel verringert wor den ist, wobei der erste Pegel der Menge einem Nachformer gas entspricht, die ausreicht, den Generator in einem Lade zustand in etwa gleich dem elektrischen Lastbedarf des Kraftstoffzellenstrom(energie)erzeugungssystems in dem Übergangslastzustand zu halten.

8. Verfahren nach Anspruch 5, wobei der Schritt des Ladens von dem vorbestimmten ersten Ladezustand in den zweiten Ladezu stand einer elektrischen Speichereinrichtung den Schritt umfasst: Laden von einem vorbestimmten ersten Ladezustand in einen zweiten Ladezustand einer Batteriepackung, die mit der Kraftstoffzelle verbunden ist, die in dem Kraftstoff zellenstrom(energie)erzeugungssystem enthalten ist, durch Oxidieren eines zweiten Prozentsatzes des Nachformergases, das in der Anodenkammer während einer Übergangslastbedin gung enthalten ist, wobei die Summe aus dem ersten Prozent satz und dem zweiten Prozentsatz ausreicht, um eine Com busterverbrennungstemperatur unter einer vorbestimmten ma ximalen Temperatur zu halten.

9. Verfahren nach Anspruch 5, wobei der Schritt des Ladens von dem vorbestimmten ersten Ladezustand in den zweiten Ladezu stand einer elektrischen Speichereinrichtung den Schritt umfasst: Laden von einem vorbestimmten ersten Ladezustand in einen zweiten Ladezustand von mehreren Kondensatoren, die parallel zu einer Kraftstoffzelle angeschlossen sind, die in dem Kraftstoffzellenstrom(energie)erzeugungssystem enthalten ist, durch Oxidieren eines zweiten Prozentsatzes des Nachformergases, das in der Anodenkammer während einer Übergangslastbedingung enthalten ist, wobei die Summe aus dem ersten Prozentsatz und dem zweiten Prozentsatz aus reicht, um eine Combusterverbrennungstemperatur unter einer vorbestimmten maximalen Temperatur zu halten.

10. Verfahren nach Anspruch 5, wobei der Schritt des Ladens von einem vorbestimmten ersten Ladezustand in einen zweiten La dezustand einer elektrischen Speichereinrichtung den Schritt umfasst: Laden von einem vorbestimmten ersten Lade zustand in einen zweiten Ladezustand, von mehreren Super kondensatoren, die parallel zu der Kraftstoffzelle ange schlossen sind, die in dem Kraftstoffzellen strom(energie)erzeugungssystem enthalten ist, durch Oxidie ren eines zweiten Prozentsatzes des Nachformergases, das in der Anodenkammer während einer Übergangslastbedingung ent halten ist, wobei die Summe aus dem ersten Prozentsatz und dem zweiten Prozentsatz ausreicht, um eine Combuster verbrennungstemperatur unter einer vorbestimmten maximalen Temperatur zu halten.

11. Verfahren nach Anspruch 5, wobei der erste Ladezustand eine Funktion der maximalen Änderungsmenge des elektrischen Lastbedarfs während der Übergangslastbedingung und eine Funktion des Volumens der Anodenkammer ist.

12. Verfahren nach Anspruch 11, wobei der vorbestimmte erste Ladezustand in etwa 80% der maximalen elektrischen Spei cherkapazität der elektrischen Speichereinrichtung beträgt.

13. Verfahren nach Anspruch 5, wobei die vorbestimmte Maximal temperatur etwa 900°C beträgt.

14. Verfahren nach Anspruch 5, wobei die Summe aus dem ersten Prozentsatz und dem zweiten Prozentsatz des Nachformergases zumindest 80% eine Menge des Nachformergases umfasst, die in der Anodenkammer enthalten ist.

15. Verfahren zum Steuern der Menge von Nachformergas, das wäh rend einer Übergangslastbedingung in einem Kraftstoffzel lenstrom(energie)erzeugungssystem in einen Combuster zu strömt, wobei das Verfahren die Schritte aufweist:
Verbinden einer elektrischen Speichereinrichtung mit einer Kraftstoffzelle, die in dem Kraftstoffzellenstrom(energie)- erzeugungssystem enthalten ist, und
Speichern einer Menge von elektrischer Ladung in der elekt rischen Speichereinrichtung, wobei die Menge der elektri schen Ladung erzeugt wird durch Oxidieren einer Menge eines Nachformergases in einer Anodenkammer der Kraftstoffzelle während der Übergangslastbedingung.

16. Verfahren nach Anspruch 15, außerdem aufweisend den Schritt, die Menge an elektrischer Ladung aus der elektri schen Speichereinrichtung zu entladen bzw. auszutragen, wenn das Kraftstoffzellenstrom(energie)erzeugungssystem in eine Normallastbedingung rückkehrt.

17. Verfahren nach Anspruch 15, außerdem aufweisend den Schritt: Entladen bzw. Austragen der Menge an elektrischer Ladung aus der elektrischen Speichereinrichtung während der Übergangslastbedingung, wenn die Menge an dem Nachformer gas, das in die Anodenkammer zuströmt, auf einen ersten Pe gel verringert ist, wobei der erste Pegel der Menge des Nachformergases entspricht, die ausreicht, um den Generator in einem Ladezustand in etwa gleich dem elektrischen Last bedarf des Kraftstoffzellenstrom(energie)erzeugungssystems in der Übergangslastbedingung zu halten.

18. Verfahren nach Anspruch 15, wobei die elektrische Spei chereinrichtung ausgewählt ist aus der Gruppe, die eine Batteriepackung, mehrere Kondensatoren und mehrere Super kondensatoren umfasst.

19. Verfahren nach Anspruch 15, außerdem aufweisend den Schritt: Aufrechterhalten einer im wesentlichen konstanten Menge von dem Nachformergas, das in einen Combuster, ausge hend von der Anodenkammer ansprechend auf den Schritt zum Speichern der Menge von elektrischer Ladung in der elektri schen Speichereinrichtung zuströmt.

20. Verfahren nach Anspruch 15, wobei eine elektrische Lade speicherkapazität der elektrischen Speichereinrichtung aus reicht, um die Oxidation von zumindest 80% des Nachformer gases zu ermöglichen, das in der Anodenkammer während der Übergangslastbedingung enthalten ist.