DE102009009667B4

DE102009009667B4 - Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems und Brennstoffzellensystem

Info

Publication number: DE102009009667B4
Application number: DE102009009667.1A
Authority: DE
Inventors: Samuel Brandt; Richard Schmidt
Original assignee: Eberspaecher Climate Control Systems GmbH and Co KG
Current assignee: Eberspaecher Climate Control Systems GmbH and Co KG
Priority date: 2009-02-19
Filing date: 2009-02-19
Publication date: 2015-06-03
Anticipated expiration: 2029-02-20
Also published as: US20100209789A1; DE102009009667A1; US8541143B2

Abstract

Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems (1), insbesondere in einem Kraftfahrzeug,
– wobei das Brennstoffzellensystem (1) zumindest eine Brennstoffzelle (3) sowie wenigstens einen Reformer (2) umfasst,
– bei dem nach dem Ausschalten des Brennstoffzellensystems (1) ein Warmhaltebetrieb aktiviert wird, bei dem eine Wärmeübertragung von der Brennstoffzelle (3) auf den Reformer (2) erfolgt,
dadurch gekennzeichnet,
– dass die Wärmeübertragung über einen Eduktkreis erfolgt, in dem ein Edukt zwischen Brennstoffzelle (3) und Reformer (2) zirkuliert,
– dass ein Brennerabgaspfad (12), der Brennerabgas von einem der Brennstoffzelle (3) nachgeschalteten Restgasbrenner (4) abführt, während des Warmhaltebetriebs gesperrt wird,
– dass ein Brennstoffzellenluftpfad (9'), der Luft zur Brennstoffzelle (3) führt, während des Warmhaltebetriebs gesperrt wird, und/oder
– dass ein Reformerluftpfad (16), der Luft zum Reformer (2) führt, während des Warmhaltebetriebs gesperrt wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, insbesondere in einem Kraftfahrzeug, mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Brennstoffzellensystem.
Brennstoffzellensysteme, wie sie z. Bsp. in Kraftfahrzeugen zur Anwendung kommen können, umfassen zumindest eine Brennstoffzelle und wenigstens einen Reformer, dessen Reformatgas in der Brennstoffzelle als Anodengas verwendet wird.
Derartige Brennstoffzellensysteme erzeugen in einem eingeschalteten Zustand elektrischen Strom, der elektrischen Verbrauchern, z. Bsp. eines Fahrzeugs, zur Verfügung gestellt werden kann. Im Betrieb arbeiten wesentliche Komponenten des Brennstoffzellensystems, wie z. Bsp. der Reformer und die Brennstoffzelle, auf einem vergleichsweise hohen Temperaturniveau. Ein Kaltstart des Brennstoffzellensystems, also ein Hochfahren des Brennstoffzellensystems ausgehend von einer Umgebungstemperatur ist mit starken thermischen und chemischen Belastungen der einzelnen Komponenten des Brennstoffzellensystems verbunden. Um derartige Belastungen und damit einhergehende Verkürzungen der Lebenszeit des Systems möglichst gering zu halten, können schonende und dementsprechend langwierige Kaltstartprozeduren durchgeführt werden. Ein schonender Kaltstart kann bspw. mehrere Stunden benötigen. Derart langwierige Einschaltprozeduren sind jedoch für Fahrzeuganwendungen regelmäßig uninteressant.
Aus der WO 2001/073876 A1 ist ein Betriebsverfahren für ein Brennstoffzellensystem bekannt, das mit einer Brennstoffzelle sowie mit einem Reformer ausgestattet ist und bei dem nach dem Ausschalten des Brennstoffzellensystems eine Art Warmhaltebetrieb aktiviert wird, bei dem eine Wärmeübertragung von der Brennstoffzelle auf den Reformer erfolgt.
Aus der US 2008/0286614 A1 ist ebenfalls Betriebsverfahren für Brennstoffzellensysteme bekannt, bei dem für einen Startvorgang Abwärme der Brennstoffzelle zum Aufheizen des Reformers genutzt wird.
Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, für ein Betriebsverfahren bzw. für ein Brennstoffzellensystem eine Ausführungsform anzugeben, die sich insbesondere dadurch auszeichnet, dass sich für das Brennstoffzellensystem vergleichsweise kurze Startzeiten bei niedriger thermischer und chemischer Belastung ergeben, wodurch eine vergleichsweise lange Lebenszeit für das Brennstoffzellensystem erzielbar sein soll.
Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, wesentliche Komponenten des Brennstoffzellensystems, wie die Brennstoffzelle und den Reformer, möglichst lange auf einem für einen Warmstart geeigneten Temperaturniveau zu halten. Dieser Vorschlag beruht dabei auf der Erkenntnis, dass ein Warmstart, der also bspw. bei einer Mindestbetriebstemperatur oder zumindest in deren Nähe beginnt, deutlich geringere thermische und chemische Belastungen für die wesentlichen Komponenten des Brennstoffzellensystems mit sich bringt als ein Kaltstart. Darüber hinaus kann die erforderliche Startzeit erheblich verkürzt werden, da die bei einem Warmstart zu berücksichtigenden thermischen und chemischen Effekte deutlich geringer ausfallen als bei einem Kaltstart. Da derartige Warmstarts sehr viel schonender sind als Kaltstarts, ergibt sich für das Brennstoffzellensystem eine größere Lebenszeit.
Bei der Erfindung wird das Warmhalten des Reformers dadurch realisiert, dass während des Warmhaltebetriebs Wärme von der Brennstoffzelle auf den Reformer übertragen wird. Dieser Vorschlag beruht auf der Erkenntnis, dass der Reformer aufgrund seines Aufbaus bei ausgeschaltetem Brennstoffzellensystem seine Temperatur sehr viel schneller verliert, als die Brennstoffzelle. In der Brennstoffzelle ist wesentlich mehr Wärme gespeichert als im Reformer. Durch eine gezielte und dosierte Wärmeübertragung von der Brennstoffzelle auf den Reformer kann die Temperatur des Reformers für einen vergleichsweise langen Zeitraum auf einem für einen Warmstart geeigneten Temperaturniveau gehalten werden. Gleichzeitig sinkt währenddessen die Temperatur der Brennstoffzelle ebenfalls nur langsam ab, so dass auch für die Brennstoffzelle vergleichsweise lange ein Temperaturniveau beibehalten werden kann, das sich für einen Warmstart eignet. Besonders vorteilhaft ist dabei, dass zum Warmhalten des Reformers Wärme verwendet wird, die innerhalb des Brennstoffzellensystems ohnehin vorhanden ist, also nicht extern zugeführt werden muss.
Zweckmäßig wird die Wärmeübertragung auf den Reformer während des Warmhaltebetriebs so durchgeführt, dass die Temperatur des Reformers nicht unter eine Warmstartmindesttemperatur des Reformers absinkt. Zusätzlich oder optional kann vorgesehen sein, die Wärmeübertragung während des Warmhaltebetriebs nur so lange durchzuführen, bis die Temperatur der Brennstoffzelle unter eine Warmstartmindesttemperatur der Brennstoffzelle abgesunken ist. Auf diese Weise kann die in der Brennstoffzelle gespeicherte Restwärme optimal ausgenutzt werden, um möglichst lange für die Brennstoffzelle und für den Reformer ein Temperaturniveau beizubehalten, das einen möglichst raschen Warmstart ermöglicht.
Erfindungsgemäß wird die Wärmeübertragung von der Brennstoffzelle auf den Reformer mit Hilfe eines Eduktkreises durchgeführt, in dem ein Edukt zwischen Brennstoffzelle und Reformer zirkuliert. Hierbei kann insbesondere auf Pfade, wie z. Bsp. Leitungen und Kanäle, zurückgegriffen werden, die im Brennstoffzellensystem ohnehin vorhanden sind. Somit ist der Aufwand zur Realisierung der Wärmeübertragung vergleichsweise gering.
Des Weiteren ist bei der Erfindung für den Warmhaltebetrieb vorgesehen, einen Luft zur Brennstoffzelle führenden Brennstoffzellenluftpfad zu sperren, um während des Warmhaltebetriebs eine Luftansaugung zu unterbinden, einen Abgas abführenden Abgaspfad zu sperren, um während des Warmhaltebetriebs außerdem eine Ansaugung von Abgas bzw. eine Ansaugung von Umgebungsluft durch den Abgaspfad zu vermeiden, und schließlich einen Luft zum Reformer führenden Reformerluftpfad zu sperren, um während des Warmhaltebetriebs auch an dieser Stelle eine unerwünschte Luftansaugung zu vermeiden.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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 den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile beziehen.
Es zeigen, jeweils schematisch,
1 und 2 jeweils eine stark vereinfachte, schaltplanartige Prinzipdarstellung eines Brennstoffzellensystems bei verschiedenen Ausführungsformen.
Entsprechend den 1 und 2 umfasst ein Brennstoffzellensystem 1, das hier nur teilweise dargestellt ist, zumindest einen Reformer 2 und eine Brennstoffzelle 3. Außerdem sind im Beispiel noch ein Restgasbrenner 4 und ein Wärmeübertrager 5 vorgesehen. Das Brennstoffzellensystem 1 dient zum Erzeugen von elektrischem Strom und kann bevorzugt in einem Kraftfahrzeug verwendet werden. Dort kann es als elektrische Energiequelle genutzt werden, die unabhängig von einer Brennkraftmaschine des Fahrzeugs arbeitet. Ein derartiger zusätzlicher Stromerzeuger oder Hilfsstromerzeuger kann auch als APU (Auxiliary-Power-Unit) bezeichnet werden.
Der Reformer 2 dient zum Generieren eines Wasserstoffgas und Kohlenmonoxid enthaltenden Reformatgases und arbeitet hierzu mit einem Katalysator 6. Ein Reformatgaspfad 7 verbindet einen Ausgang des Reformers 2 mit einem entsprechenden Eingang der Brennstoffzelle 3. Durch die Brennstoffzelle 3 führt ein Anodengaspfad 8, der mit dem Reformatgaspfad 7 verbunden ist. Das vom Reformer 2 generierte Reformatgas dient in der Brennstoffzelle 3 als Anodengas. Der Anodengaspfad 8 ist in der Brennstoffzelle 3 durch ein hier nicht gezeigtes Elektrolyt von einem Kathodengaspfad 9 getrennt, der ebenfalls durch die Brennstoffzelle 3 hindurch führt. Als Kathodengas dient bevorzugt Luft bzw. Brennstoffzellenluft. Der Kathodengaspfad 9 enthält stromauf der Brennstoffzelle 3 eine Fördereinrichtung 10, z. Bsp. eine Pumpe oder ein Gebläse. Die Fördereinrichtung 10 dient zum Antreiben der Brennstoffzellenluft bzw. des Kathodengases. Der Kathodengaspfad 9 stromauf der Brennstoffzelle 3 kann im Folgenden auch als Brennstoffzellenluftpfad 9' bezeichnet werden.
Der Restgasbrenner 4 ist der Brennstoffzelle 3 nachgeschaltet und enthält einen Brennraum 11, in dem Anodenabgas mit Kathodenabgas verbrannt werden kann. Hierzu sind der Anodengaspfad 8 und der Kathodengaspfad 9 an den Restgasbrenner 4 angeschlossen. Im Restgasbrenner 4 erfolgt die Durchmischung von Kathodengas bzw. Kathodenabgas mit Anodengas bzw. Anodenabgas erst innerhalb des Brennraums 11. Vom Restgasbrenner 4 führt ein Abgaspfad 12 weg, um die heißen Verbrennungsabgase des Restgasbrenners 4 bzw. des Brennraums 11 abzuführen. Der Wärmeübertrager 5 ist in den Abgaspfad 12 eingebunden und kann dem Abgas des Restgasbrenners 4 Wärme entziehen. Beispielsweise kann der Wärmeübertrager 5 dazu genutzt werden, die der Brennstoffzelle 3 zugeführte Luft vorzuwärmen. Hierzu kann der Wärmeübertrager 5 stromauf der Fördereinrichtung 10 oder stromab der Fördereinrichtung 10 in den Brennstoffzellenluftpfad 9' eingebunden sein.
Die hier gezeigten Ausführungsformen sind außerdem mit einem Rezirkulationspfad 13 ausgestattet, über den es möglich ist, Anodenabgas dem Reformer 2 zurückzuführen. Der Rezirkulationspfad 13 ist hierzu über eine Entnahmestelle 14 an den Anodengaspfad 8 angeschlossen und zwar stromab der Brennstoffzelle 3 und stromauf des Brennraums 11. Im Beispiel ist die Entnahmestelle 14 zwischen Brennstoffzelle 3 und Restgasbrenner 4 positioniert. In der Rezirkulationsleitung 13 kann eine weitere Fördereinrichtung 15 angeordnet sein, bei der es sich bspw. um eine Pumpe, ein Gebläse, einen Verdichter oder einen Kompressor handeln kann. Bei den gezeigten Ausführungsformen handelt es sich bei dieser Fördereinrichtung 15 um eine Heißgasfördereinrichtung, die das von der Brennstoffzelle 3 stammende heiße Anodenabgas ungekühlt antreiben kann. Falls eine für Heißgas empfindliche Fördereinrichtung 15 verwendet werden soll, ist es denkbar, in der Rezirkulationsleitung 13 stromauf der Fördereinrichtung 15 einen Wärmeübertrager einzubinden, der eine entsprechende Kühlung des rezirkulierten Anodenabgases ermöglicht. Beispielsweise kann in diesen Rezirkulationswärmeübertrager ein Reformerluftpfad 16 eingebunden werden, über den dem Reformer 2 Luft bzw. Reformerluft zugeführt wird.
Im gezeigten Beispiel wird die Fördereinrichtung 15 sowohl zum Antreiben des rezirkulierten Anodenabgases als auch zum Antreiben der Reformerluft genutzt. Hierzu sind im Beispiel der Rezirkulationspfad 13 und der Reformerluftpfad 16 stromab der Fördereinrichtung 15 zusammengelegt, also insbesondere durch eine gemeinsame Leitung bzw. durch einen gemeinsamen Kanal gebildet. Saugseitig sind der Rezirkulationspfad 13 und der Reformerluftpfad 16 separat an die Fördereinrichtung 15 angeschlossen. Grundsätzlich kann jedoch der Reformerluftpfad 16 auch stromauf der Fördereinrichtung 15 an den Rezirkulationspfad 13 angeschlossen sein; auch kann der Rezirkulationspfad 13 stromab der Fördereinrichtung 15 an den Reformerluftpfad 16 angeschlossen sein, in dem dann die Fördereinrichtung 15 angeordnet ist. Ebenso können zwei separate Fördereinrichtungen 15 für die beiden Pfade 13, 16 vorgesehen sein.
Um eine Überhitzung des Restgasbrenners 4 bzw. des nachgeordneten Wärmeübertragers 5 zu vermeiden, kann die Zuführung eines Kühlgases erforderlich sein. Dementsprechend ist hier ein Kühlgaspfad 17 vorgesehen, über den ein geeignetes Kühlgas, bevorzugt Luft bzw. Kühlluft, stromauf des Brennraums 11 über eine Einleitstelle 18 zugeführt werden kann. Der Kühlgaspfad 17 ist hierzu über die Einleitstelle 18 an den Kathodengaspfad 9 angeschlossen und zwar stromab der Brennstoffzelle 3. Im Beispiel befindet sich die Einleitstelle 18 zwischen dem Restgasbrenner 4 und der Brennstoffzelle 3. Der Kühlgaspfad 17 zweigt bei 19 zweckmäßig vom Brennstoffzellenluftpfad 9' ab. Die Abzweigstelle 19 ist dabei stromab der Fördereinrichtung 10 positioniert, so dass diese sowohl zum Antreiben des Kühlgases als auch zum Antreiben der Brennstoffzellenluft genutzt werden kann.
Zum Steuern oder Einstellen der den Reformer 2 zugeführten Luftmenge im Reformerluftpfad 16 kann ein entsprechendes Ventil 20 angeordnet sein, das als Steuerventil oder Sperrventil ausgestaltet sein kann. Im Beispiel ist das Ventil stromauf der Fördereinrichtung 15 angeordnet. Desweiteren kann im Brennstoffzellenluftpfad 9' stromauf der Brennstoffzelle 3 ebenfalls ein derartiges Ventil 21 angeordnet sein, mit dessen Hilfe die der Brennstoffzelle 3 zugeführte Luftmenge einstellbar ist. Das Ventil 21 kann ggf. als Steuerventil oder als Sperrventil ausgestaltet sein. Es ist im Beispiel stromauf der Fördereinrichtung 10 angeordnet. Ferner ist bei den hier gezeigten Ausführungsformen auch im Abgaspfad 12 ein solches Ventil 22 angeordnet, mit dessen Hilfe der Abgaspfad 12 gesperrt werden kann. Besagtes Ventil 22 befindet sich dabei stromab des Wärmeübertragers 5.
Die in 2 gezeigte Ausführungsform unterscheidet sich von der in 1 gezeigten Ausführungsform durch einen Bypasspfad 23, durch einen Kopplungspfad 24 und durch eine Ventilanordnung 25. Der Bypasspfad 23 umgeht die Fördereinrichtung 10, die im Brennstoffzellenluftpfad 9' angeordnet ist. Sie verbindet somit einen stromauf der Fördereinrichtung 10 liegenden Abschnitt des Brennstoffzellenluftpfads 9' mit einem stromab davon liegenden Abschnitt des Brennstoffzellenluftpfads 9'. Im Beispiel ist der Bypasspfad 23 an den Kühlgaspfad 17 angeschlossen und somit nur indirekt über die Abzweigstelle 19 an den Brennstoffzellenluftpfad 9'. Ferner umfasst die Abzweigstelle 19 hier ein Sperrventil 26, mit dem die Kopplung bzw. Abzweigung 19 zwischen Brennstoffzellenluftpfad 9' und Kühlgaspfad 17 gesperrt werden kann. Ferner enthält der Bypasspfad 23 ebenfalls ein Sperrventil 27, mit dessen Hilfe der Bypasspfad 23 gesperrt werden kann. Die beiden Sperrventile 26, 27 können auch in ein gemeinsames Ventil integriert sein.
Der Kopplungspfad 24 zweigt über die Ventilanordnung 25 vom Brennstoffzellenluftpfad 9' ab und mündet auch wieder in den Brennstoffzellenluftpfad 9' ein. Hierzu umfasst die Ventilanordnung 25 mehrere Ventile 28, 29, 30. Das erste Ventil 28 definiert die Abzweigstelle bzw. steuert die Abzweigstelle, über welche der Kopplungspfad 24 vom Brennstoffzellenluftpfad 9' abzweigt. Das erste Ventil 28 ist dabei als Umschaltventil ausgestaltet. Das zweite Ventil 29 ist im Brennstoffzellenluftpfad 9' zwischen den beiden anderen Ventilen 28, 30 der Ventilanordnung 25 angeordnet. Das zweite Ventil 29 ist als Sperrventil zum Sperren der Brennstoffzellenluftleitung 9' ausgestaltet. Das dritte Ventil 30 definiert bzw. steuert die Einleitstelle des Kopplungspfads 24, über den dieser in den Brennstoffzellenluftpfad 9' zurückgeführt ist. Durch Betätigen der Ventilanordnung 25, also der zugehörigen Ventile 28, 29, 30 kann die von der Fördereinrichtung 10 geförderte Luft entweder auf direktem Wege zur Brennstoffzelle 3 gelangen oder über den Kopplungspfad 24 geführt werden.
Desweiteren ist bei beiden Ausführungsformen eine Steuerung 31 vorgesehen, mit deren Hilfe das Brennstoffzellensystem 1 betrieben werden kann. Hierzu steht die Steuerung 31 mit den einzelnen Komponenten des Brennstoffzellensystems 1 auf geeignete Weise in Verbindung, bspw. über elektrische Signalleitungen oder Steuerleitungen, die hier zur vereinfachten Darstellung weggelassen sind.
Die jeweilige Steuerung 31 kann so ausgestaltet sein bzw. so programmiert sein, dass sie ein nachfolgend beschriebenes Betriebsverfahren zum Betreiben des Brennstoffzellensystems 1 durchführen kann.
Während eines normalen Betriebs generiert der Reformer 2 aus einem Kohlenwasserstoff-Brennstoff, der über eine entsprechende Zuführeinrichtung 32 mit zugehöriger Fördereinrichtung 33 zugeführt wird, das Wasserstoffgas enthaltende Reformatgas. Dieses kann in der Brennstoffzelle 3 verstromt werden.
Falls kein Strom benötigt wird, wird das Brennstoffzellensystem 1 ausgeschaltet. Die Steuerung 31 aktiviert dann einen Warmhaltebetrieb. Während dieses Warmhaltebetriebs sorgt die Steuerung 31 dafür, dass eine Wärmeübertragung von der Brennstoffzelle 3 auf den Reformer 2 erfolgt. Diese Wärmeübertragung auf den Reformer 2 kann mit Hilfe der Steuerung 31 gezielt so durchgeführt werden, dass eine Temperatur des Reformers 2 nicht unter eine vorbestimmte Warmstartmindesttemperatur des Reformers 2 absinkt. Die Reformer-Warmstartmindesttemperatur kann beispielsweise 300°C betragen. Zur Überwachung dieser Temperatur kann ein entsprechender Temperaturfühler 34 vorgesehen sein, der auf geeignete, hier nicht dargestellte Weise mit der Steuerung 31 verbunden sein kann. Darüber hinaus kann die Steuerung 31 so ausgestaltet sein, dass sie die Wärmeübertragung gezielt nur solange durchführt, bis eine Temperatur der Brennstoffzelle 3 unter eine Warmstartmindesttemperatur der Brennstoffzelle 3 abgesunken ist. Die Brennstoffzellen-Warmstartmindesttemperatur kann beispielsweise 500°C betragen. Die Temperatur der Brennstoffzelle 3 kann mit Hilfe eines entsprechenden Temperatursensors 35 überwacht werden, der ebenfalls auf geeignete, hier jedoch nicht gezeigte Weise mit der Steuerung 31 in Verbindung steht. Auf diese Weise kann die in der Brennstoffzelle 3 gespeicherte Wärme wohldosiert solange auf den Reformer 2 übertragen werden, dass sich eine möglichst lange Zeitspanne ergibt, während der sowohl der Reformer 2 als auch die Brennstoffzelle 3 zumindest ihre jeweilige Warmstartmindesttemperatur besitzen.
Die Wärmeübertragung von der Brennstoffzelle 3 auf den Reformer 2 erfolgt zweckmäßig über einen Eduktkreis, in dem ein Edukt des Brennstoffzellensystems 1 zwischen der Brennstoffzelle 3 und dem Reformer 2 zirkuliert.
Bei der in 1 gezeigten Ausführungsform umfasst dieser Eduktkreis den Anodengaspfad 8, den Rezirkulationspfad 13 und den Reformatgaspfad 7. Die im Rezirkulationspfad 13 angeordnete Fördereinrichtung 15 kann dazu verwendet werden, das in dem genannten Eduktkreis 8-13-7 enthaltene Edukt anzutreiben. Das hierbei geförderte Edukt beinhaltet zum einen das im Reformer 2 und im Reformatgaspfad 7 enthaltene Reformatgas, sowie das im Anodengaspfad 8 enthaltene Anodengas und außerdem das im Rezirkulationspfad 13 enthaltene Anodenabgas. Außerdem kann eine geringe Reformerluftmenge zum Edukt gehören, die z. Bsp. von zwischen der Fördereinrichtung 15 und dem Reformer 2 vorhanden sein kann. Die in 1 gezeigte Ausführungsform lässt sich somit besonders einfach mit bereits im Brennstoffzellensystem 1 vorhandenen Mitteln realisieren.
Um eine Luftansaugung über den Kathodengaspfad 9 bzw. über den Kühlgaspfad 17 zu unterbinden, kann das im Brennstoffzellenluftpfad 9' angeordnete Ventil 21 gesperrt werden. Um außerdem eine Ansaugung von Abgas bzw. eine Ansaugung von Umgebungsluft durch den Abgaspfad 12 zu vermeiden, kann der Abgaspfad 12 mit Hilfe des darin angeordneten Ventils 22 ebenfalls gesperrt werden. Auch ist es zweckmäßig, den Reformerluftpfad 16 stromauf der Fördereinrichtung 15 mit Hilfe des Ventils 20 zu sperren, um auch an dieser Stelle eine unerwünschte Luftansaugung zu vermeiden.
2 zeigt eine andere Ausführungsform, bei welcher der Eduktkreis den Kathodengaspfad 9, den Kühlgaspfad 17 und den Kopplungspfad 24 umfasst. Zum Antreiben des Edukts, das hier im Wesentlichen nur aus Luft besteht, kann wieder eine entsprechende Fördereinrichtung im Eduktkreis vorhanden sein. Soll die im Brennstoffzellensystem 1 ohnehin vorhandene Fördereinrichtung 10 des Brennstoffzellenluftpfads 9' verwendet werden, muss zusätzlich der Bypasspfad 23 aktiviert werden, wobei außerdem die Verbindung zwischen dem Kühlgaspfad 17 und dem Brennstoffzellenluftpfad 9' mit Hilfe des Ventils 26 gesperrt werden muss. Die Fördereinrichtung 10 saugt dann über den Bypasspfad 23 und über den Frischgaspfad 17 das Kathodengas, also Luft aus der Brennstoffzelle 3 an und fördert diese über den Kopplungspfad 24 wieder zurück in die Brennstoffzelle 3. Der Kopplungspfad 24 ist auf geeignete Weise mit dem Reformer 2 wärmeübertragend gekoppelt. Eine entsprechende wärmeübertragende Kopplung ist in 2 durch Doppelpfeile 36 angedeutet. Beispielsweise kann der Kopplungspfad 24 ein Gehäuse 37 des Reformers 2 umströmen. In dieses Gehäuse 37 kann eine Art Luftmantel integriert sein, der ein Bestandteil des Kopplungspfads 24 bildet. Im gezeigten Beispiel ist der Kopplungspfad 24 über die Ventilanordnung 25 an dem Brennstoffzellenluftpfad 9' angeschlossen. Bei einer alternativen Ausführungsform kann auch vorgesehen sein, den Kopplungspfad 24 über die Ventilanordnung 25 an den Kühlgaspfad 17 anzuschließen.
Auch bei der in 2 gezeigten Ausführungsform sind der Brennstoffzellenluftpfad 9' stromauf des Bypasspfads 23 und der Abgaspfad 12 mit Hilfe der entsprechenden Ventile 21 bzw. 22 gesperrt, um eine Falschluftansaugung bzw. eine Abgasansaugung zu vermeiden. Ferner kann auch der Reformerluftpfad 16 mit Hilfe des Ventils 20 gesperrt sein, um bspw. über die Entnahmestelle 14 eine Ansaugung von Anodengas auf die Kathodenseite zu vermeiden.
Sobald keine Wärme mehr zur Verfügung steht, die von der Brennstoffzelle 3 auf den Reformer 2 übertragen werden kann, um diesen auf seiner Warmstartmindesttemperatur zu halten, kann bei einer anderen Ausführungsform vorgesehen sein, dann dem Reformer 2 in Kohlenwasserstoff-Brennstoff, z. Bsp. Diesel, Benzin, Erdgas und dgl., zuzuführen, um diesen am Katalysator 6 des Reformers 2 mit Hilfe von Luft exotherm umzusetzen. Die Luft kann dann bspw. über den Reformerluftpfad 16 zugeführt und mit Hilfe des Ventils 20 dosiert werden. Der Reformer 2 kann dann insbesondere als Brenner betrieben werden, so dass der zugeführte Brennstoff am Katalysator 6 weitgehend vollständig oxydiert wird. Alternativ ist es ebenso möglich, den Reformer 2 in einem Reformerbetriebszustand zu betreiben, bei dem er den zugeführten Brennstoff nur partiell oxidiert und das gewünschte Reformatgas generiert. Dieser externen Brennstoffzuführung kann eine reine Luftzuführung über den Reformerluftpfad 16 vorgeschaltet sein, die es ermöglicht, zumindest bei der in 1 gezeigten Ausführungsform den im Edukt enthaltenen Wasserstoff am Katalysator 6 des Reformers 2 exotherm umzusetzen.

Claims

Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems (1), insbesondere in einem Kraftfahrzeug, – wobei das Brennstoffzellensystem (1) zumindest eine Brennstoffzelle (3) sowie wenigstens einen Reformer (2) umfasst, – bei dem nach dem Ausschalten des Brennstoffzellensystems (1) ein Warmhaltebetrieb aktiviert wird, bei dem eine Wärmeübertragung von der Brennstoffzelle (3) auf den Reformer (2) erfolgt, dadurch gekennzeichnet, – dass die Wärmeübertragung über einen Eduktkreis erfolgt, in dem ein Edukt zwischen Brennstoffzelle (3) und Reformer (2) zirkuliert, – dass ein Brennerabgaspfad (12), der Brennerabgas von einem der Brennstoffzelle (3) nachgeschalteten Restgasbrenner (4) abführt, während des Warmhaltebetriebs gesperrt wird, – dass ein Brennstoffzellenluftpfad (9'), der Luft zur Brennstoffzelle (3) führt, während des Warmhaltebetriebs gesperrt wird, und/oder – dass ein Reformerluftpfad (16), der Luft zum Reformer (2) führt, während des Warmhaltebetriebs gesperrt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeübertragung auf den Reformer (2) so durchgeführt wird, dass dessen Temperatur nicht unter eine Warmstartmindesttemperatur des Reformers (2) absinkt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeübertragung solange durchgeführt wird, bis die Temperatur der Brennstoffzelle (3) unter deren Warmstartmindesttemperatur abgesunken ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Eduktkreis einen durch die Brennstoffzelle (3) hindurchführenden Anodengaspfad (8), einen Anodenabgas von der Brennstoffzelle (3) zum Reformer (2) zurückführenden Rezirkulationspfad (13) und einen Reformatgas vom Reformer (2) zur Brennstoffzelle (3) führenden Reformatgaspfad (7) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine im Rezirkulationspfad (13) angeordnete Fördereinrichtung (15) zum Antreiben des Edukts im Eduktkreis verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Eduktkreis einen durch die Brennstoffzelle (3) hindurchführenden Kathodengaspfad (9), einen Kühlgas zu einem der Brennstoffzelle (3) nachgeschalteten Restgasbrenner (4) führenden Kühlgaspfad (17) und einen wärmeübertragend mit dem Reformer (2) gekoppelten Kopplungspfad (24) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Kopplungspfad (24) mittels einer Ventilanordnung (25) aktivierbar und deaktivierbar ist.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Kopplungspfad (24) über eine Ventilanordnung (25) an den Kühlgaspfad (17) angeschlossen ist.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, – dass der Eduktkreis außerdem einen Abschnitt eines Luft zur Brennstoffzelle (3) führenden Luftpfads (9') umfasst, – dass der Kopplungspfad (24) über eine Ventilanordnung (25) an den Luftpfad (9') angeschlossen ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Fördereinrichtung (10) zum Antreiben des Edukts im Eduktkreis verwendet wird, die im Kopplungspfad (24) oder im Kühlgaspfad (17) oder im Luftpfad (9') angeordnet ist.
Brennstoffzellensystem, insbesondere in einem Kraftfahrzeug, mit mindestens einer Brennstoffzelle (3), mit mindestens einem Reformer (2) und mit einer Steuerung (31) zum Betreiben des Brennstoffzellensystems (1), die so ausgestaltet und/oder programmiert ist, dass sie das Brennstoffzellensystem (1) entsprechend einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11 betreibt.