DE102007033151A1

DE102007033151A1 - Betriebsverfahren für ein Brennstoffzellensystem

Info

Publication number: DE102007033151A1
Application number: DE102007033151A
Authority: DE
Inventors: Petr Emelianov; Sven Wenzel
Original assignee: J Eberspaecher 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: 2009-01-15
Anticipated expiration: 2027-07-14
Also published as: DE102007033151B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines, insbesondere in einem Kraftfahrzeug angeordneten, 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. Beim Betriebssverfahren werden dem Reformer (3) Kraftstoff und Oxidator während eines Normalbetriebs stark unterstöchiometrisch und während eines Regenerationsbetriebs schwach unterstöchiometrisch zugeführt.

Description

Die vorliegende 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 den Kraftstoff und den Oxidator zur Realisierung eines Regenerationsbetriebs schwach unterstöchiometrisch zuzuführen. Durch die relative Anhebung der Oxidatormenge wird die partielle Oxidationsreaktion im Reformer bzw. in dessen Katalysator dahingehend verändert, dass im Reformer vermehrt Kohlendioxid und Wasser gebildet werden, während gleichzeitig die Bildung von Wasserstoff und Kohlenmonoxid entsprechend abnimmt. Dieses modifizierte Reformatgas eignet sich durch das darin enthaltene Kohlendioxid sowie durch das darin enthaltene Wasser in besonderer Weise zur Regeneration. Kohlendioxid reagiert mit Kohlenstoff, also mit Ruß, und bildet dabei Kohlenmonoxid. Wasser reagiert ebenfalls mit Kohlenstoff unter Ausbildung von Kohlenmonoxid und Wasserstoff. Auf diese Weise kann der eingelagerte Ruß abgebaut werden, wobei gleichzeitig weiterhin Brenngas, also Anodengas generiert werden kann. Insbesondere kann somit die Brennstoffzelle weiterhin betrieben werden, um Strom zu generieren. Der vorgeschlagene Regenerationsbetrieb zeichnet sich durch ein vergleichsweise hohes Rußreduktionspotential aus.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform kann dem Reformer während des Normalbetriebs Anodenabgas der Brennstoffzelle rezirkuliert werden. Zweckmäßig kann auch während des Rege nerationsbetriebs Anodenabgas dem Reformer rezirkuliert werden, wobei jedoch vorzugsweise der Anteil des rezirkulierten Anodenabgases im Regenerationsbetrieb größer ist als im Normalbetrieb. Im Betrieb der Brennstoffzelle entstehen anodenseitig Kohlendioxid und Wasser. Diese für die Regenerierung des Reformers nutzbaren Stoffe können durch die Rückführung des Anodenabgases zum Reformer zusätzlich zur Regeneration beitragen.
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 Katho denseite 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 Verbren nung 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 Rezirkulations wärmeübertragers 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.
Während dieses Normalbetriebs werden dem Reformer 3 der Kraftstoff und der Oxidator stark unterstöchiometrisch zugeführt. Dieses „stark" unterstöchiometrische Verhältnis zwischen Kraftstoff und Oxidator ist insbesondere so definiert, dass der Reformer 3 bzw. sein Katalysator 21 bei diesem Verhältnis zwischen Kraftstoff und Oxidator bevorzugt Kohlenmonoxid und Wasserstoff generiert, also das gewünschte Brenngas, das in der Brennstoffzelle 2 als Anodengas verwendbar ist. Beispielsweise liegt während des Normalbetriebs eine Luftzahl (Lambda) von maximal 0,5 oder von maximal 0,4 vor.
Um nun den Reformer 3 bzw. dessen Katalysator 21 von einer unerwünscht hohen Rußbeladung wieder befreien zu können, also um den Reformer 3 regenerieren zu können, wird ein Regenerationsbetrieb wie folgt durchgeführt. Zur Realisierung des Regenerationsbetriebs werden dem Reformer 3 der Kraftstoff und der Oxidator nur noch schwach unterstöchiometrisch zugeführt. Das bedeutet, dass die relative Oxidatormenge im Vergleich zum Normalbetrieb erhöht bzw. dass die relative Kraftstoffmenge im Vergleich zum Normalbetrieb reduziert wird. Insbesondere kann das „schwach" unterstöchiometrische Verhältnis zwischen Kraftstoff und Oxidator so definiert sein, dass der Reformer 3 bzw. sein Katalysator 21 dann bevorzugt Kohlendioxid und Wasser generiert. Beispielsweise kann während des Regenerationsbetriebs ein Lambda von minimal 0,5 oder minimal 0,6 eingestellt werden. Durch das abgeschwächte unterstöchiometrische Verhältnis kann die partielle Oxidation des Kraftstoffs zunächst nur noch teilweise durchgeführt werden. Die hierbei gebildeten Zwischenprodukte, also Kohlendioxid und Wasser, können jedoch mit dem im Katalysator 21 eingelagerten Ruß bzw. mit dem Kohlenstoff reagieren. So setzt das Kohlendioxid den Kohlenstoff zu Kohlenmonoxid um, während das Wasser den Kohlenstoff zu Kohlenmonoxid und Wasserstoff umsetzt. Die beiden genannten Reaktionen sind endotherm und benötigen somit Wärme, die sie dem Katalysator 21 bzw. dem Reformer 3 entziehen. Gleichzeitig ist jedoch die zuvor genannte partielle Oxidation bei schwacher Unterstöchiometrie exotherm, wodurch dem Katalysator 21 bzw. dem Reformer 3 Wärme zugeführt wird. Durch geeignete Abstimmung bzw. Regelung der Volumenströme kann eine autotherme Regeneration realisiert werden.
Dem Reformer 3 kann während des Normalbetriebs über die Rezirkulationsleitung 28 Anodenabgas zugeführt werden. Die Rezirkulation von Anodenabgas kann auch im Regenerationsbetrieb durchgeführt werden. Dabei ist jedoch bevorzugt der Anteil an rezirkuliertem Anodenabgas während des Regenerationsbetriebs größer als während des Normalbetriebs. Da bei arbeitender Brennstoffzelle 2 das Anodengas Kohlendioxid und Wasser enthält, kann auch das rezirkulierte Anodenabgas zur Unterstützung der Regeneration genutzt werden.
Der Anteil an rezirkuliertem Anodenabgas kann für den Regenerationsbetrieb möglichst groß gewählt werden.
Durch die Umsetzung in Kohlendioxid und Wasser mit Hilfe des eingelagerten Kohlenstoffs kann somit das während des Regenerationsbetriebs im Reformer 3 gebildete Regenerationsabgas Wasserstoffgas und Kohlenmonoxid enthalten, so dass es insbesondere auch als Brenngas bzw. als Anodengas verwendet werden kann. Dementsprechend kann während des Regenerationsbetriebs das Regenerationsabgas über die Anodengasleitung 9 wieder der Brennstoffzelle 2 anodenseitig zugeführt werden. Dort kann bei einer entsprechenden elektrischen Leistungsabnahme wieder eine Umsetzung erfolgen, bei der wieder Kohlendioxid und Wasser entstehen. Somit ist es insbesondere möglich, die Brennstoffzelle 2 auch während des Regenerationsbetriebs zur Stromerzeugung zu betreiben. Ebenso lässt sich diese Art der Regeneration auch bei deaktivierter Brennstoffzelle 2 durchführen, da in Folge der schwachen Unterstöchiometrie das Reformerabgas Wasserdampf und Kohlendioxid enthält.

Claims

Verfahren zum Betreiben eines, insbesondere in einem Kraftfahrzeug angeordneten, 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) Kraftstoff und Oxidator stark unterstöchiometrisch zugeführt werden, – wobei während eines Regenerationsbetriebs dem Reformer (3) Kraftstoff und Oxidator schwach unterstöchiometrisch zugeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, – dass das stark unterstöchiometrische Verhältnis von Kraftstoff und Oxidator im Normalbetrieb so gewählt ist, dass der Reformer (3) bevorzugt Kohlenmonoxid und Wasserstoff generiert, und/oder – dass das schwach unterstöchiometrische Verhältnis von Kraftstoff und Oxidator im Regenerationsbetrieb so gewählt ist, dass der Reformer (3) bevorzugt Kohlendioxid und Wasser generiert.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, – dass während des Normalbetriebs ein Lambda von maximal 0,5 oder maximal 0,4 eingestellt wird, und/oder – dass während des Regenerationsbetriebs ein Lambda von minimal 0,5 oder von minimal 0,6 eingestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, – dass dem Reformer (3) während des Normalbetriebs Anodenabgas der Brennstoffzelle (2) rezirkuliert wird, und/oder – dass dem Reformer (3) während des Regenerationsbetriebs Anodenabgas der Brennstoffzelle (2) rezirkuliert wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass während des Regenerationsbetriebs der Anteil an dem Reformer rezirkulierten Anodenabgas größer ist als im Normalbetrieb.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass während des Regenerationsbetriebs das vom Reformer (3) erzeugte Regenerationsabgas der Brennstoffzelle (2) anodenseitig zugeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzelle (2) auch während des Regenerationsbetriebs zur Stromerzeugung betrieben wird.