DE102007033150B4

DE102007033150B4 - Betriebsverfahren für ein Brennstoffzellensystem

Info

Publication number: DE102007033150B4
Application number: DE102007033150.0A
Authority: DE
Inventors: Petr Emelianov; Sven Wenzel
Original assignee: Eberspaecher Climate Control Systems GmbH and Co KG
Current assignee: Eberspaecher Climate Control Systems GmbH and Co KG
Priority date: 2007-07-13
Filing date: 2007-07-13
Publication date: 2015-11-12
Anticipated expiration: 2027-07-14
Also published as: DE102007033150A1

Abstract

Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems (1), das einen Reformer (3) zum Generieren von Wasserstoffgas enthaltendem Brenngas aus einem Wasserstoff enthaltenden Kraftstoff und einem Sauerstoff enthaltenden Oxidator und wenigstens eine Brennstoffzelle (2) zum Generieren von elektrischem Strom aus einem durch das Brenngas des Reformers (3) gebildeten Anodengas und einem Sauerstoffgas enthaltenden Kathodengas aufweist, – wobei während eines Normalbetriebs dem Reformer (3) zumindest Kraftstoff und Oxidator zugeführt werden, – wobei während eines Regenerationsbetriebs dem Reformer (3) zunächst nur noch von der Brennstoffzelle (2) stammendes Anodenabgas zugeführt wird.

Description

Die vorliegen de Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, das insbesondere in einem Kraftfahrzeug angeordnet ist.
Brennstoffzellensysteme können in Kraftfahrzeugen als motorunabhängige Stromquellen zum Einsatz kommen, um auch bei ausgeschalteter Verbrennungsmaschine elektrische Geräte, die einen vergleichsweise hohen Stromverbrauch haben, betreiben zu können.
Ein Brennstoffzellensystem umfasst zumindest eine Brennstoffzelle zum Generieren von elektrischem Strom aus einem Wasserstoffgas enthaltenden Anodengas und einem Sauerstoffgas enthaltenden Kathodengas. Zur Bereitstellung des Anodengases kann das Brennstoffzellensystem einen Reformer aufweisen, der aus einem Wasserstoff enthaltenden Kraftstoff und einem Sauerstoff enthaltenden Oxidator ein Wasserstoffgas enthaltendes Brenngas generiert, das der Brennstoffzelle als Anodengas zuführbar ist.
Im normalen Betrieb des Brennstoffzellensystems kann sich Ruß bilden, wenn auf Kohlenwasserstoffen basierende Kraftstoffe zur Generierung des Anodengases verwendet werden. Der Ruß kann sich dabei insbesondere im Reformer, dort vorzugsweise in einem Katalysator, ablagern, was die Leistungsfähigkeit des Katalysators bzw. des Reformers reduziert. Des Weiteren kann sich der Ruß auch in der Brennstoffzelle, dort an der Anode, ablagern, was auch die Leistungsfähigkeit der Brennstoffzelle reduziert.
Aus der Abgastechnologie ist es grundsätzlich bekannt, ein Partikelfilter, das sich aufgrund seiner Filterfunktion mit Ruß zusetzt, zu regenerieren, in dem seine Rußbeladung stark exotherm abgebrannt wird. Ein Abbrennen der Rußbeladung ist während des Betriebs des Brennstoffzellensystems weder beim Reformer noch bei der Brennstoffzelle möglich, da die mit dem Ruß beladenen Komponenten ohnehin an der Grenze ihrer thermischen Leistungsfähigkeit betrieben werden. Des Weiteren ist zu vermeiden, dass Sauerstoff auf die Anodenseite der Brennstoffzelle gelangt, sofern es sich um eine sogenannte SOFC-Brennstoffzelle handelt.
Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, für ein Betriebsverfahren der eingangs genannten Art, eine verbesserte Ausführungsform anzugeben, die sich insbesondere dadurch auszeichnet, dass sie grundsätzlich während des Betriebs, also im Warmzustand des Brennstoffzellensystems eine Reduzierung der Rußbeladung ermöglicht.
Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, dem Reformer während eines Regenerationsbetriebs zunächst nur Anodenabgas zuzuführen. Die Erfindung nutzt hierbei die Erkenntnis, dass Anodenabgas, also Gas, das an der Anodenseite aus der Brennstoffzelle austritt, Kohlendioxid und Wasser enthält, das beispielsweise beim Brennstoffzellenprozess anodenseitig entsteht. Kohlendioxid reagiert mit dem eingelagerten Ruß, der im wesentlichen aus Kohlenstoff besteht, wodurch Kohlenmonoxid gebildet wird. Auch das Wasser reagiert mit dem Kohlenstoff, wobei ebenfalls Kohlenmonoxid sowie Wasserstoff entstehen. Der eingelagerte Kohlenstoff kann somit bei hinreichender Temperatur des Reformers durch im Anodenabgas mitgeführtes Kohlendioxid und Wasser abgebaut werden. Bei den genannten Reaktionen zum Abbau des Rußes entsteht kein Sauerstoff, so dass die Gefahr einer Beschädigung der Anode der Brennstoffzelle reduziert ist. Ferner sind die genannten Reaktionen endotherm, d. h., sie entziehen dem Reformer Wärme, wodurch auch die Gefahr einer Überhitzung des Reformers reduziert ist. Es ist klar, dass bei nicht vollständiger Umsetzung des im Anodenabgas mitgeführten Kohlendioxids und Wassers auch Rußablagerungen stromab des Reformers, also insbesondere in der Brennstoffzelle, abgebaut werden können.
Diese Phase des Regenerationsbetriebs, bei der dem Reformer nur Anodenabgas zugeführt wird, also insbesondere kein Kraftstoff und kein Oxidator, kann – je nach Rußbeladung – solange durchgeführt werden, bis der Reformer regeneriert ist. Dies ist beispielsweise daran erkennbar, dass die Temperatur des Reformers mit reduzierter Geschwindigkeit fällt, da die endothermen Regenerationsreaktionen entfallen. Bei einer größeren Rußbeladung kann jedoch die Temperatur des Reformers so weit fallen, dass sie eine minimale Regenerationstemperatur erreicht.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform kann nun vorgesehen sein, dass bei Erreichen der minimalen Regenerationstemperatur dem Reformer zusätzlich Oxidator zugeführt wird. Der Oxidator, vorzugsweise Sauerstoff, reagiert mit dem Kohlenstoff, wobei Kohlendioxid entsteht. Diese Reaktion ist stark exotherm, setzt also Wärme frei. Die freigesetzte Wärme kann zum Aufheizen des Reformers genutzt werden. Die Zuführung von Anodenabgas wird dabei zweckmäßig nicht unterbrochen. Die Gefahr, dass Sauerstoff den Reformer verlässt, ist bei wohldosierter Oxidatorzugabe vergleichsweise gering.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus der Zeichnung und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnung.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Die einzige 1 zeigt eine stark vereinfachte, schaltplanartige Prinzipdarstellung eines Brennstoffzellensystems.
Entsprechend 1 umfasst ein Brennstoffzellensystem 1 zumindest eine Brennstoffzelle 2 sowie einen Reformer 3. Die Brennstoffzelle 2 weist eine Anodenseite 4 und eine Kathodenseite 5 auf, die durch ein Elektrolyt 6 voneinander getrennt sind. Grundsätzlich kann die Brennstoffzelle 2 durch einen Stapel mehrerer Brennstoffzellenelemente gebildet sein, in denen jeweils eine Anodenseite 4 durch ein Elektrolyt 6 von einer Kathodenseite 5 getrennt ist. Bei der Brennstoffzelle 2 kann es sich beispielsweise um eine Hochtemperatur-Brennstoffzelle handeln, bei der es sich um eine Festkörper-Brennstoffzelle, insbesondere um eine SOFC-Brennstoffzelle handeln kann. Alternativ kann es sich bei der Brennstoffzelle 2 auch um eine Niedertemperatur-Brennstoffzelle handeln, und zwar insbesondere um eine PIM-Brennstoffzelle, die mit einer Protonen-Transport-Membran bzw. mit einer Polymer-Elektrolyt-Membran als Elektrolyt 6 arbeiten kann.
Die Brennstoffzelle 2 generiert elektrischen Strom aus einem Sauerstoffgas enthaltenden Kathodengas und einem Wasserstoffgas enthaltenden Anodengas. Das Kathodengas wird der Kathodenseite 5 der Brennstoffzelle 2 über eine Kathodengasleitung 7 zugeführt, die von einer Versorgungseinrichtung 8 gespeist wird. Beim Kathodengas handelt es sich bevorzugt um Luft. Das Anodengas wird der Anodenseite 4 der Brennstoffzelle 2 über eine Anodengasleitung 9 zugeführt, die vom Reformer 3 gespeist wird. Der elektrische Strom ist an der Brennstoffzelle 2 an wenigstens einem entsprechenden elektrischen Anschluss 10 über eine Stromleitung 11 abgreifbar. Die Stromleitung 11 ist hier exemplarisch an einen elektrischen Verbraucher 12 angeschlossen.
Das Brennstoffzellensystem 1 kann vorzugsweise in einem Fahrzeug verwendet werden, beispielsweise um bei ausgeschalteter Brennkraftmaschine Strom zur Versorgung elektrischer Verbraucher bereitzustellen.
Der Reformer 3 dient dazu, aus einem Wasserstoff enthaltenden Kraftstoff und einem Sauerstoff enthaltenden Oxidator ein Brenngas zu generieren, das Wasserstoffgas enthält und das der Brennstoffzelle 2 als Anodengas zuführbar ist. Hierzu ist eine Kraftstoffleitung 13 an den Reformer 3 angeschlossen, über die der Reformer 3 mit einem geeigneten Kraftstoff versorgt wird. Als Kraftstoff eignen sich insbesondere auf Kohlenwasserstoffen basierende Kraftstoffe, wie z. B. Benzin, Diesel, Erdgas, Biodiesel. Bevorzugt wird hierbei der Kraftstoff verwendet, der auch zum Betreiben einer Brennkraftmaschine verwendet wird, die in einem mit dem Brennstoffzellensystem 1 ausgestatteten Fahrzeug vorhanden ist. Zum Antreiben des Kraftstoffs kann in der Kraftstoffleitung 13 eine entsprechende Fördereinrichtung 18, z. B. eine Pumpe oder ein Gebläse, angeordnet sein.
Zur Versorgung mit Oxidator, bei dem es sich vorzugsweise um Luft handelt, ist an den Reformer 3 eine Oxidatorleitung 14 angeschlossen, die von einer geeigneten Versorgungseinrichtung gespeist ist. Im gezeigten Beispiel sind die Kathodengasleitung 7 und die Oxidatorleitung 14 über eine Ventileinrichtung 15 an die gleiche Versorgungseinrichtung 8 angeschlossen. Diese umfasst eine Versorgungsleitung 16 sowie eine Fördereinrichtung 17, z. B. ein Gebläse oder eine Pumpe. Ferner umfasst die Versorgungseinrichtung 8 die Ventileinrichtung 15, um das Kathodengas bzw. den Oxidator entsprechend den vom jeweiligen Betriebzustand abhängigen Volumenströmen über die Kathodenleitung 7 der Brennstoffzelle 2 bzw. über die Oxidatorleitung 14 dem Reformer 3 zuzuführen.
Der Reformer 3 umfasst einen Gemischbildungsabschnitt 19 und einen Umsetzungsabschnitt 20. Im Gemischbildungsabschnitt 19 erfolgt eine Gemischbildung der dem Reformer 3 zugeführten Stoffströme. Hierbei kann der Gemischbildungsabschnitt 19 mit einer sogenannten kalten Flamme arbeiten. Im Umsetzungsabschnitt 20 erfolgt eine partielle Oxidation des Kraftstoffs derart, dass dabei das gewünschte Wasserstoffgas enthaltende Brenngas entsteht. Hierzu enthält der Umsetzungsabschnitt 20 üblicherweise einen geeigneten Katalysator 21.
Im gezeigten, bevorzugten Beispiel umfasst das Brennstoffzellensystem 1 außerdem einen Restgasbrenner 22, der über eine Kathodenabgasleitung 23 an die Kathodenseite 5 der Brennstoffzelle 2 angeschlossen ist und der über eine Anodenabgasleitung 24 an die Anodenseite 4 der Brennstoffzelle 2 angeschlossen ist. Der Restgasbrenner 22 enthält einen Brennraum 25, in dem Kathodenabgas mit Anodenabgas verbrannt wird. Je nach der an der Brennstoffzelle 2 abgegriffenen elektrischen Leistung enthält das Anodenabgas mehr oder weniger nicht umgesetztes Wasserstoffgas. Ebenso enthält das Kathodenabgas mehr oder weniger nicht umgesetztes Sauerstoffgas. Im Restgasbrenner 22 kann die im Kathodenabgas und im Anodenabgas chemisch gespeicherte Wärme durch die Verbrennung der Brennstoffzellenabgase freigesetzt werden. Vom Restgasbrenner 22 führt eine Abgasleitung 26 weg, in der ein Wärmeübertrager 27 angeordnet ist. Dieser Wärmeübertrager 27 ist hier außerdem in die Kathodengasleitung 7 eingebunden, wodurch eine wärmübertragende Kopplung zwischen der Abgasleitung 26 und der Kathodengasleitung 7 realisiert wird. Die im Brennerabgas enthaltene Wärme kann somit zum Aufheizen des Kathodengases genutzt werden, was den Betrieb der Brennstoffzelle 2 begünstigt.
Ferner ist im vorliegenden Beispiel eine Rezirkulationsleitung 28 vorgesehen, mit deren Hilfe Anodenabgas bei 29 von der Anodenabgasleitung 24 abgezweigt und dem Reformer 3 eingangsseitig zugeführt wird. Durch den Rest an Wasserstoffgas im Anodenabgas kann das rückgeführte Anodenabgas vorteilhaft im Reformer 3 genutzt werden. Die Rezirkulationsleitung 28 ist hierbei in einen Rezirkulationswärmeübertrager 30 eingebunden, in den im vorliegenden Fall außerdem die Kathodengasleitung 7 eingebunden ist. Hierdurch kann eine wärmeübertragende Kopplung zwischen der Anodenabgasleitung 24 und der Kathodengasleitung 7 erreicht werden, um Wärme vom Anodenabgas auf das Kathodengas zu übertragen. In der Kathodengasleitung 7 ist der Rezirkulationswärmeübertrager 30 hier stromauf des Wärmeübertragers 27 angeordnet.
Ferner enthält die Rezirkulationsleitung 28 eine Fördereinrichtung 31, bei der es sich beispielsweise um ein Gebläse, einen Kompressor oder eine Pumpe handeln kann. Bevorzugt ist dabei diese Fördereinrichtung 31 stromab des Rezirkulationswärmeübertragers 30 in der Rezirkulationsleitung 28 angeordnet.
Schließlich ist im Beispiel noch eine thermische Isolierung 32 durch eine unterbrochene Linie angedeutet. Diese umschließt exemplarisch die Brennstoffzelle 2, den Restgasbrenner 22 und den Wärmeübertrager 27. Insbesondere kann die Isolierung 32 als Isolationsbox ausgestattet sein. In der Darstellung sind die Brennstoffzelle 2, der Restgasbrenner 22 und der Wärmeübertrager 27 als separate Bauteile ausgestaltet. Dabei können zumindest zwei dieser Bauteile eine integrale Einheit bilden. Beispielsweise kann der Restgasbrenner 22 in die Ausgangsseite der Brennstoffzelle 2 baulich integriert werden. Zusätzlich oder alternativ kann der Wärmeübertrager 27 in die Ausgangsseite des Restgasbrenners 22 baulich integriert werden.
Ferner kann das Brennstoffzellensystem 1 mit einer hier nicht näher dargestellten Sensorik ausgestattet sein, mit der an mehreren Stellen Temperaturmessungen und/oder Druckmessungen durchführbar sind. Außerdem ist zweckmäßig eine hier nicht gezeigte Steuerung vorgesehen, die so ausgestaltet bzw. programmiert ist, dass damit ein Verfahren zum Betreiben des Brennstoffzellensystems 1 realisierbar ist.
Das Brennstoffzellensystem 1 lässt sich wie folgt betreiben. In einem Normalbetrieb wird dem Reformer 3 Kraftstoff, Oxidator sowie Anodenabgas zugeführt. Der Reformer 3 generiert daraus das Brenngas, das der Brennstoffzelle 2 anodenseitig als Anodengas zugeführt wird. Außerdem wird der Brennstoffzelle 2 kathodenseitig das Kathodengas zugeführt. Je nach Strombedarf erfolgt am Elektrolyt 6 eine Umsetzung von Anodengas und Kathodengas, wobei Strom generiert wird.
Während dieses Normalbetriebs können sich insbesondere im Katalysator 21 des Reformers 3 Rußablagerungen bilden. Diese können zu einer allmählichen Deaktivierung des Katalysators 21 führen. Um diese Deaktivierung bzw. die Rußablagerung rückgängig zu machen, ist ein Regenerationsbetrieb erforderlich.
Um das Brennstoffzellensystem 1, insbesondere den Reformer 3 bzw. dessen Katalysator 21 von Rußablagerungen befreien zu können, kann ein Regenerationsbetrieb durchgeführt werden. Beim Übergang vom Normalbetrieb auf den Regenerationsbetrieb werden die Kraftstoffzufuhr und die Oxidatorzufuhr zum Reformer 3 gestoppt, so dass der Reformer 3 zunächst nur noch mit Anodenabgas versorgt wird. Dabei ist es zweckmäßig, den gesamten Anodenabgasstrom zu rezirkulieren. Das Anodenabgas enthält mehr oder weniger Wasser bzw. Wasserdampf sowie Kohlendioxid. Diese Bestandteile entstehen insbesondere beim Brennstoffzellenprozess an der Anodenseite 4. Sowohl mit dem Kohlendioxid als auch mit dem Wasser kann Kohlenstoff abgebaut werden, was zur gewünschten Rußentfernung führt. Das dabei entstehende Gasgemisch enthält Wasserstoff und Kohlenmonoxid und kann in der Brennstoffzelle 2 verstromt werden. Das heißt, die Brennstoffzelle 2 kann während des Regenerationsbetriebs weiterhin Strom generieren. Da die dabei ablaufenden chemischen Reaktionen endotherm sind, sinkt dabei außerdem die Temperatur des Reformers 3.
Zweckmäßig kann diese (erste) Phase des Regenerationsbetriebs, in der dem Reformer 3 ausschließlich Anodenabgas zugeführt wird, so lange durchgeführt werden, bis der Reformer 3 hinreichend regeneriert ist. Alternativ erfolgt diese erste Phase des Regenerationsbetriebs solange, bis eine Temperatur des Reformers 3 eine vorbestimmte minimale Regenerationstemperatur erreicht. Die minimale Regenerationstemperatur liegt beispielweise bei 350°C +/– 50°C.
Falls der Reformer 3 bei Erreichen der minimalen Regenerationstemperatur nicht ausreichend regeneriert ist, kann dem Reformer 3 in einer weiteren oder zweiten Phase des Regenerationsbetriebs zusätzlich zum Anodenabgas Oxidator zugeführt werden, und zwar zweckmäßig über die Oxidatorleitung 14. Auch der zugeführte Oxidator trägt zum Rußabbau bei, wobei diese Reaktion exotherm ist, so dass dem Reformer 3 insgesamt Wärme zugeführt wird. Die Wärmeabgabe der exothermen Reaktion des Kohlenstoffs mit Sauerstoff ist bei entsprechender Dosierung gleich groß wie oder größer als die Wärmeaufnahme der endothermen Reaktionen des Kohlenstoffs mit Wasser bzw. mit Kohlendioxid. Dementsprechend führt die Zuführung von Sauerstoff zu einer konstanten Temperatur oder zu einer Aufheizung des Reformers 3. Dabei ist darauf zu achten, dass möglichst kein Sauerstoff auf die Anodenseite der Brennstoffzelle 2 gelangt.
Grundsätzlich kann der Oxidator mit einem vorbestimmten Volumenstrom dem Reformer 3 zugeführt werden. Dieser Volumenstrom ist dann zweckmäßig so gewählt, dass die Temperatur des Reformers 3 in jedem Fall ansteigt. Die Zuführung des Oxidators erfolgt dann so lange, bis der Reformer 3 eine vorbestimmte maximale Regenerationstemperatur erreicht. Diese liegt oberhalb der minimalen Regenerationstemperatur. Die maximale Regenerationstemperatur liegt beispielsweise bei etwa 750°C +/– 50°C.
Sobald der Reformer 3 die maximale Regenerationstemperatur erreicht, wird die Zuführung des Oxidators wieder beendet. In der Folge wird dem Reformer 3 dann wieder nur noch Anodenabgas zugeführt, was erneut zu einer Abkühlung des Reformers 3 führt.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Betriebsverfahrens kann nun vorgesehen sein, das Einschalten der Oxidatorzuführung bei Erreichen der minimalen Regenerationstemperatur und das Ausschalten der Oxidatorzuführung bei Erreichen der maximalen Regenerationstemperatur solange zu wiederholen, bis der Reformer 3 im gewünschten Umfang regeneriert ist.
Der gewünschte Regenerationsumfang des Reformers 3 kann beispielsweise kennfeldmäßig ermittelt werden. Eine hinreichende Regeneration kann beispielsweise dann vorliegen, wenn eine vorbestimmte Regenerationszeitdauer abgelaufen ist. Zusätzlich oder alternativ kann als Kriterium für eine hinreichende Regeneration auch der Temperaturgradient des Reformers bei eingeschalteter Oxidatorzuführung und/oder bei ausgeschalteter Oxidatorzuführung verwendet werden. Beispielsweise kann eine hinreichende Regeneration daran erkannt werden, dass bei eingeschalteter Oxidatorzuführung die Temperaturzunahme pro Zeit des Reformers einen vorbestimmten Mindestwert unterschreitet. Das bedeutet, dass die Umsetzung von Sauerstoff und somit die Freisetzung von Wärme abnimmt, was auf einen Mangel an Kohlenstoff hindeutet. Alternativ oder zusätzlich kann bei ausgeschalteter Oxidatorzuführung die Temperaturabnahme pro Zeit des Reformers 3 einen vorbestimmten Mindestwert unterschreiten, was ebenfalls auf einen Rückgang der Umsetzung von Kohlendioxid und Wasser mit Kohlenstoff schließen lässt und als Indiz für eine hinreichende Regeneration nutzbar ist.
Beim vorstehend beschriebenen Regenerationsbetrieb wechseln sich somit endotherme (erste) Phasen mit ausgeschalteter Oxidatorzuführung und exotherme (zweite) Phasen mit eingeschalteter Oxidatorzuführung regelmäßig ab. Im Folgenden wird ein alternativer Regenerationsbetrieb näher erläutert, bei dem eine autotherme Regeneration angestrebt ist.
Zunächst wird auch hier im Reformer 3 nur Anodenabgas zugeführt, um die Temperatur des Reformers 3 abzusenken. Bei Erreichen der minimalen Regenerationstemperatur wird auch hier die Oxidatorzuführung eingeschaltet, wobei hier der Oxidator nicht mit einem vorbestimmten Volumenstrom, sondern mit einem geregelten Volumenstrom zugeführt wird. Als Zielgröße dieser Regelung wird dabei eine vorbestimmte Soll-Regenerationstemperatur vorgegeben. Die Soll-Regenerationstemperatur ist dabei größer als die minimale Regenerationstemperatur. Die Soll-Regenerationstemperatur kann maximal gleich groß sein wie die maximale Regenerationstemperatur, ist jedoch vorzugsweise kleiner als die maximale Regenerationstemperatur. Beispielsweise beträgt die Soll-Regenerationstemperatur etwa 700°C +/– 50°C. Bei dieser Betriebsweise wird somit dem Reformer 3 im Idealfall gerade so viel Oxidator zugeführt, dass die gewünschte Soll-Regenerationstemperatur im wesentlichen konstant vorliegt. Die Wärmefreisetzung durch die exotherme Reaktion zwischen Kohlenstoff und Sauerstoff entspricht dabei im wesentlichen dem Wärmebedarf der endothermen Reaktionen zwischen Kohlenstoff und Wasser bzw. zwischen Kohlenstoff und Kohlendioxid.
Diese geregelte Oxidatorzuführung wird nun solange durchgeführt, bis der Reformer 3 im gewünschten Umfang regeneriert ist. Auch hier kann wieder kennfeldmäßig eine vorbestimmte Regenerationszeitdauer überwacht werden, um den Regenerationsvorgang zu beenden. Zusätzlich oder alternativ kann als Kriterium für eine hinreichende Regeneration des Reformers 3 auch der Umstand genutzt werden, dass aufgrund des fehlenden Kohlenstoffs die gewünschte Soll-Regenerationstemperatur nicht mehr einregelbar ist.
Das während des Regenerationsbetriebs vom Reformer 3 erzeugte Regenerationsabgas enthält Kohlenmonoxid und Wasserstoff und kann insbesondere über die Anodengasleitung 9 der Anodenseite 4 der Brennstoffzelle 2 zugeführt werden. Dieses Regenerationsabgas kann in der Brennstoffzelle 2 zur Generierung von Strom genutzt werden, so dass also in der Brennstoffzelle 2 weiterhin eine Umsetzung von Kohlenmonoxid und Wasserstoff in Kohlendioxid und Wasser realisierbar ist. Während des Regenerationsbetriebs ist der Anteil an zum Reformer 3 rückgeführten Anodenabgas größer als im Normalbetrieb. Insbesondere kann während des Regenerationsbetriebs das ganze Anodenabgas dem Reformer 3 rezirkuliert werden, wodurch das Anodengas im wesentlichen in einem Kreis geführt wird, der vom Reformer 3 über die Anodengasleitung 9 durch die Brennstoffzelle 2 und über die Rezirkulationsleitung 28 zurück zum Reformer 3 führt.

Claims

Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems (1), das einen Reformer (3) zum Generieren von Wasserstoffgas enthaltendem Brenngas aus einem Wasserstoff enthaltenden Kraftstoff und einem Sauerstoff enthaltenden Oxidator und wenigstens eine Brennstoffzelle (2) zum Generieren von elektrischem Strom aus einem durch das Brenngas des Reformers (3) gebildeten Anodengas und einem Sauerstoffgas enthaltenden Kathodengas aufweist, – wobei während eines Normalbetriebs dem Reformer (3) zumindest Kraftstoff und Oxidator zugeführt werden, – wobei während eines Regenerationsbetriebs dem Reformer (3) zunächst nur noch von der Brennstoffzelle (2) stammendes Anodenabgas zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dem Reformer (3) solange nur das Anodenabgas zugeführt wird, bis der Reformer (3) im gewünschten Umfang regeneriert ist oder bis eine Temperatur des Reformers (3) eine minimale Regenerationstemperatur erreicht.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei Erreichen der minimalen Regenerationstemperatur, ohne dass der Reformer (3) im gewünschten Umfang regeneriert ist, dem Reformer (3) zusätzlich Oxidator zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, – dass der Oxidator mit einem vorbestimmten Volumenstrom zugeführt wird, der so gewählt ist, dass sich dabei die Temperatur des Reformers (3) erhöht, – dass die Zuführung des Oxidators wieder beendet wird, sobald der Reformer (3) eine maximale Regenerationstemperatur erreicht.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Einschalten der Oxidatorzuführung bei Erreichen der minimalen Regenerationstemperatur und das Ausschalten der Oxidatorzuführung bei Erreichen der maximalen Regenerationstemperatur solange durchgeführt wird, bis der Reformer (3) im gewünschten Umfang regeneriert ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Reformer (3) im gewünschten Umfang regeneriert ist, wenn eine vorbestimmte Regenerationszeitdauer abgelaufen ist und/oder wenn die Temperaturzunahme pro Zeit des Reformers (3) bei eingeschalteter Oxidatorzuführung einen vorbestimmten Mindestwert unterschreitet und/oder wenn die Temperaturabnahme pro Zeit des Reformers (3) bei ausgeschalteter Oxidatorzuführung einen vorbestimmten Mindestwert unterschreitet.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Oxidator mit einem geregelten Volumenstrom zugeführt wird, wobei die Zielgröße der Regelung eine vorbestimmte Soll-Regenerationstemperatur ist, die größer als die minimale Regenerationstemperatur ist.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die geregelte Oxidatorzuführung solange durchgeführt wird, bis der Reformer (3) im gewünschten Umfang regeneriert ist.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Reformer (3) im gewünschten Umfang regeneriert ist, wenn eine vorbestimmte Regenerationszeitdauer abgelaufen ist und/oder wenn die Soll-Regenerationstemperatur nicht mehr einregelbar ist.