DE102010050901A1

DE102010050901A1 - Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems

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Publication number: DE102010050901A1
Application number: DE102010050901A
Authority: DE
Inventors: Dr. Wieland Steffen; Nico Kocks
Original assignee: Enymotion GmbH
Current assignee: Enymotion GmbH
Priority date: 2010-11-10
Filing date: 2010-11-10
Publication date: 2012-05-10
Also published as: WO2012062403A1

Abstract

Bei einem Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems mit wenigstens einer Brennstoffzelle (12) und einem Reformer (14) zur Erzeugung von wasserstoffhaltigem Gas wird dem Reformer (14) ein Brennstoff mit einer variablen Zusammensetzung zugeführt wird. Es wird der Wert wenigstens einer ersten Systemgröße erfasst. Bei einer Änderung der Brennstoffzusammensetzung und der damit verbundenen Abweichung der erfassten ersten Systemgröße von einem vorbestimmten Sollwert wird die erfasste erste Systemgröße durch Variation wenigstens einer zweiten Systemgröße wieder auf den vorbestimmten Sollwert gebracht. Dadurch bleibt die Wasserstoffkonzentration (CH) vor der Brennstoffzelle (12) im Wesentlichen auf einem vorbestimmten Sollwert.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems.
Brennstoffzellensysteme wandeln chemische in elektrische Energie in umweltverträglicher Weise um, mit niedriger Geräuschentwicklung und hoher Energieeffizienz. Dabei wird z. B. Wasserstoff unter Zugabe eines zweiten Reaktanten, meistens Sauerstoff, umgesetzt. Eine direkte Versorgung mit Wasserstoff ist jedoch schwierig, weshalb häufig kohlenwasserstoffhaltige Brennstoffe eingesetzt werden, die zunächst in einem Reformer katalytisch unter Zugabe von Luft und/oder Wasser zu einem wasserstoffhaltigen Gas umgesetzt werden.
Als kohlenwasserstoffhaltiger Brennstoff kann beispielsweise Flüssiggas (LPG) verwendet werden, was sich vor allem für portable Brennstoffzellensysteme anbietet. Die Hauptbestandteile von Flüssiggas sind Propan und n-Butan. Weitere Bestandteile können Propen, Iso-Butan, Buten, Butadien sowie Odorierungsstoffe sein, welche aber für den Betrieb des Brennstoffzellensystems, wie es im Folgenden beschrieben wird, nur eine untergeordnete Rolle spielen.
Die Zusammensetzung des Flüssiggases, insbesondere bezüglich der Komponenten Propan und Butan, ist meist nicht genau bekannt und ist abhängig vom Hersteller, aber auch z. B. vom Füllstand des Vorratsbehälters und somit im Verlauf des Betriebs des Systems veränderlich. Für die Hauptanwendung von Flüssiggas, nämlich der Verbrennung und der Gewinnung von Wärme, ist eine genaue Kenntnis der Zusammensetzung nicht erforderlich. Daher ist es in diesem Bereich auch nicht notwendig, die Gaszusammensetzung zu messen oder konstant zu halten.
Da der Brennwert in Bezug auf das Volumen von Butan mit 123 MJ/m³ höher ist als der von Propan (93 MJ/m³, nach DIN 51857), ergibt sich bei einem gleichbleibenden Brennstoffvolumenstrom zum Reformer (bei gleichbleibenden restlichen Prozessparametern) bei Variation des Mischungsverhältnisses der beiden Gase eine unterschiedliche Gaszusammensetzung nach dem Reformer und insbesondere auch eine unterschiedliche Wasserstoffkonzentration.
Bei der Verwendung eines Brennstoffes, dessen Zusammensetzung sich im Lauf der Zeit verändert, oder einem Brennstoff mit unbekannter Zusammensetzung ist es erforderlich, die Parameter des Reformers entsprechend anzupassen, um eine konstante Wasserstoffkonzentration zu gewährleisten.
Für einen stabilen Betrieb des Brennstoffzellensystems mit konstanter Leistung ist es notwendig, die produzierte Wasserstoffmenge und damit die Wasserstoffkonzentration in dem der Brennstoffzelle zugeführten Gas möglichst konstant zu halten. Bei gleichbleibendem Brennstoffvolumenstrom ist die produzierte Menge an H₂ abhängig von der dem Reformer zugeführten Luft-, Wasser- und/oder Wärmemenge (je nach der Betriebsweise des Reformers) sowie vom verwendeten Brennstoff bzw. Brennstoffgemisch. Eine Veränderung der Wasserstoffmenge ist bei optimalem Betrieb des Reformers am besten durch eine Anpassung des Brennstoffvolumenstroms zu erreichen.
Für Brennstoffzellensysteme, welche mit Brennstoffen mit variierender Zusammensetzung wie beispielsweise dem oben genannten Flüssiggas arbeiten, ist daher eine Regelung des Reformers erwünscht, um einen stabilen Betrieb zu gewährleisten.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren vorzustellen, mit dem in einem derartigen Fall eine konstante Wasserstoffzufuhr zur Brennstoffzelle auf einfache Weise realisierbar ist.
Erfindungsgemäß wird dies mit einem Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems mit wenigstens einer Brennstoffzelle und einem Reformer zur Erzeugung von wasserstoffhaltigem Gas erreicht, bei dem dem Reformer ein Brennstoff mit einer variablen Zusammensetzung zugeführt wird und der Wert wenigstens einer ersten Systemgröße erfasst wird. Bei einer Änderung der Brennstoffzusammensetzung und der damit verbundenen Abweichung der erfassten ersten Systemgröße von einem vorbestimmten Sollwert wird die erfasste erste Systemgröße durch Variation wenigstens einer zweiten Systemgröße wieder auf den vor bestimmten Sollwert gebracht, sodass die Wasserstoffkonzentration vor der Brennstoffzelle im Wesentlichen auf einem vorbestimmten Sollwert bleibt. Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass es Systemgrößen gibt, deren Wert einen Indikator für die Wasserstoffkonzentration des Gases nach dem Reformer darstellt. Durch Regelung bzw. Variation von einer oder mehreren weiteren Systemgrößen, insbesondere des Brennstoffvolumenstroms, kann somit auf einfache Weise eine konstante Wasserstoffkonzentration erreicht werden, ohne die Notwendigkeit, die Zusammensetzung des Brenngases zu analysieren.
Unter einer variablen Zusammensetzung wird hier nicht nur eine Änderung der Brennstoffzusammensetzung während des Betriebs verstanden, sondern z. B. auch eine Veränderung der Zusammensetzung durch einen Austausch des bisher zugeführten Brennstoffes gegen einen Brennstoff, dessen proportionale Zusammensetzung unbekannt ist. Dieser zweite Fall kann beispielsweise beim Wechsel einer Flüssiggasflasche auftreten. Auch in diesem Fall kann über das erfindungsgemäße Verfahren ohne Kenntnis der genauen Zusammensetzung der optimale Brennstoffvolumenstrom eingestellt werden.
Die erfasste erste Systemgröße kann beispielsweise ein Druck vor dem Reformer, eine Temperatur nach dem Reformer, ein dem Reformer zugeführter Luftvolumenstrom, eine Temperatur nach einem der Brennstoffzelle nachgeschalteten Brenner, ein Wasserstoffgehalt des der Brennstoffzelle zugeführten Gases, eine Wärmetönung des Brennstoffes, die in direktem Zusammenhang mit einem Brennwert des Brennstoffes steht, oder eine Leistung eines mit dem Reformer zur Wärmezufuhr verbundenen Brenners sein.
Die zweite Systemgröße kann beispielsweise ein dem Reformer zugeführter Brennstoffvolumenstrom, ein dem Reformer zugeführter Luftvolumenstrom, eine dem Reformer zugeführte Wassermenge oder eine Leistung eines mit dem Reformer zur Wärmezufuhr verbundenen Brenners sein.
Das Verfahren kann unter Verwendung einer einzigen erfassten ersten Systemgröße und einer einzigen zweiten Systemgröße durchgeführt werden.
Es ist jedoch auch möglich, mehrere zweite Systemgrößen oder wenigstens zwei erfasste erste Systemgrößen und wenigstens zwei zweite Systemgrößen zu verwenden, wobei die Einstellung auf die jeweiligen Sollwerte wechselweise erfolgt. Eine derartige mehrstufige Regelung ist besser dazu in der Lage, Überschwinger zu vermeiden als eine einstufige Regelung.
Generell gilt, dass die Wasserstoffproduktion im Reformer und die Wasserstoffkonzentration im Gas nach dem Reformer vom S/C-Verhältnis (Steam-to-Carbon-Verhältnis) im Eduktgemisch und der Temperatur nach dem Reformer abhängen. Ein konstantes S/C-Verhältnis bedingt somit im Wesentlichen auch eine konstante Wasserstoffkonzentration. Dabei gilt, dass eine Erhöhung des Brennstoffvolumenstroms eine Verringerung des S/C-Verhältnisses zur Folge hat. Über eine Anpassung des Brennstoffvolumenstroms lässt sich daher der S/C-Wert anpassen.
Für ein bestimmtes Brennstoffzellensystem lässt sich das S/C-Verhältnis für unterschiedliche Gaszusammensetzungen beispielsweise zwischen 100% Butan und 100% Propan (sowie beliebigen Mischungsverhältnissen dazwischen) bestimmen. Dazu wird vorzugsweise die zugeführte Brennstoffmenge, also der Brennstoffvolumenstrom sowie gegebenenfalls die zugeführte Wassermenge konstant gehalten, und es wird eine konstante Temperatur nach dem Reformer eingestellt. Letzteres lässt sich über die Luftzufuhr, also den Luftvolumenstrom zum Reformer und gegebenenfalls eine Brennerleistung eines mit dem Reformer verbundenen Brenners einstellen.
Auf diese Weise und über die (einmalige) Erfassung der benötigten Systemgrößen bei optimal eingestelltem System für bekannte Brennstoffzusammensetzungen können beispielsweise die Sollwerte gewonnen werden, die sich für das erfindungsgemäße Verfahren verwenden lassen.
Das erfindungsgemäße Verfahren lässt sich sowohl für Reformer einsetzen, die nach dem Prinzip der endothermen Dampfreformierung arbeiten, als auch für Reformer, die nach dem Prinzip der partiellen Oxidation oder der autothermen Reformierung arbeiten. Selbstverständlich ändern sich bei den unterschiedlichen Arbeitsprinzipien die verfügbaren Systemgrößen, je nachdem, ob etwa eine Wärme-, Wasser oder Luftzufuhr für die chemische Reaktion notwendig ist oder nicht.
Nach einem ersten erfindungsgemäßen Verfahren wird als erfasste erste Systemgröße der Druck vor dem Reformer oder die Temperatur nach dem Reformer (die zum Druck im Wesentlichen proportional ist) und als einzige zweite Systemgröße der Brennstoffvolumenstrom verwendet. Der Druck vor dem Reformer ist unter anderem abhängig von der im Reformer herrschenden Temperatur, welche wiederum vom Brennwert und somit von der Zusammensetzung des dem Reformer zugeleiteten Brennstoffs abhängt. Sinkt oder steigt der Brennwert, beispielsweise durch einen geringeren oder höheren Butananteil, so sinkt oder steigt die Temperatur, und der Druck ändert sich entsprechend. Durch Anpassen des Brennstoffvolumenstroms verändert sich die Temperatur im Reformer und darüber der Druck vor dem Reformer. Die Überwachung des Druckes, der an einer gut zugänglichen Stelle messbar ist, ist somit prinzipiell bereits ausreichend, um die Wasserstoffversorgung der Brennstoffzelle trotz einer variierenden Brennstoffzusammensetzung konstant halten zu können.
Ein derartiges einstufiges Regelverfahren ist im Prinzip ausreichend, um eine konstante Wasserstoffkonzentration zu erreichen. Die Einstellung auf einen neuen Gleichgewichtswert bei einer Änderung der Brennstoffzusammensetzung erfolgt jedoch meist schneller, wenn beispielsweise in einem ersten Schritt eine andere zweite Systemgröße als der Brennstoffvolumenstrom so variiert wird, dass die erfasste erste Systemgröße wieder ihren Sollwert annimmt (wobei die zweite Systemgröße von ihrem Sollwert abweichen kann), und erst in einem zweiten Schritt der Brennstoffvolumenstrom um ein vorbestimmtes Maß verändert wird (wobei die erfasste erste Systemgröße wieder von ihrem Sollwert abweichen kann). Beide Schritte werden abwechselnd wiederholt, bis sowohl die erfasste erste Systemgröße als auch die weitere zweite Systemgröße wieder ihren Sollwert erreicht haben. Im neuen Gleichgewichtszustand ist demnach nur der Brennstoffvolumenstrom verändert, während die Systemgrößen wie Temperatur oder Luftvolumenstrom nur kurzzeitig während der Regelungs- und Anpassungsphase von ihren (vorher für das System festgelegten) Sollwerten abgewichen sind.
Auf diese Weise lassen sich Überschwinger des Systems deutlich verringern, so dass die Zeit bis zum Erreichen des neuen Gleichgewichtszustands für die veränderte Brennstoffzusammensetzung kurz ist.
Als zweite Systemgröße kann, abhängig von der Betriebsart des Reformers, auch die Temperatur nach dem Reformer oder dem der Brennstoffzelle nachgeschalteten Brenner, der Luftvolumenstrom, die zugeführte Wassermenge oder die Leistung des mit dem Reformer zur Wärmezufuhr verbundenen Brenners dienen.
Prinzipiell kann das Verfahren so betrieben werden, dass zusätzlich wenigstens eine weitere erste Systemgröße und wenigstens eine weitere zweite Systemgröße erfasst bzw. variiert werden. Die Messung bzw. Einstellung erfolgt dann vorzugsweise im Wechsel mit den anderen Systemgrößen.
Nach einem anderen Beispiel für ein erfindungsgemäßes Verfahren wird in einem ersten Schritt als erfasste erste Systemgröße die Wärmetönung des dem Reformer zugeführten Brennstoffs erfasst und in einem weiteren Schritt der Brennstoffvolumenstrom als zweite Systemgröße über einen vorher bestimmten Zusammenhang zwischen der Wärmetönung des Brennstoffes und der Größe des Brennstoffvolumenstroms eingestellt. Dies kann beispielsweise durch eine im System gespeicherte Lookup-Table (Zuordnungstabelle) erfolgen.
Auch in diesem Beispiel kann es vorteilhaft sein, nicht direkt den Brennstoffvolumenstrom nachzuregeln, sondern zunächst beispielsweise den Luftvolumenstrom und die Anpassung des Brennstoffvolumenstroms schrittweise vorzunehmen.
Eine andere mögliche Kombination besteht z. B. darin, als erfasste erste Systemgrößen die Temperatur nach dem Reformer und die Temperatur nach dem der Brennstoffzelle nachgeschalteten Brenner und als zweite Systemgrößen den Brennstoffvolumenstrom, den Luftvolumenstrom, die Wassermenge und/oder die Leistung des mit dem Reformer zur Wärmezufuhr verbundenen Brenners (gleichbedeutend mit der dem Reformer zugeführten Wärmemenge) zu verwenden. Eine Anpassung der Wassermenge, der Brennerleistung bzw. des Luftvolumenstroms ist dabei abhängig vom Prinzip der chemischen Reaktion, nach dem der Reformer arbeitet.
Eine weitere mögliche Kombination besteht darin, als erfasste erste Systemgrößen die Temperatur nach dem Reformer und die Wasserstoffkonzentration vor der Brennstoffzelle und als zweite Systemgrößen den Brennstoffvolumenstrom, den Luftvolumenstrom, die zugeführte Wassermenge und/oder die Leistung eines mit dem Reformer zur Wärmezufuhr verbundenen Brenners zu verwenden.
Eine weitere mögliche Kombination besteht darin, als erfasste erste Systemgrößen die Temperatur nach dem Reformer und die Leistung des mit dem Reformer zur Wärmezufuhr verbundenen Brenners sowie als zweite Systemgrößen den Brennstoffvolumenstrom und die Brennerleistung zu verwenden, insbesondere beim Einsatz eines Reformers, der nach dem Dampfreformierungsverfahren arbeitet. Die Brennerleistung kann dabei über den Zusammenhang zwischen dem Brennstoffvolumenstrom zum Brenner bzw. der Durchflussmenge durch die Brennstoffleitung zum Brenner bestimmt werden.
In allen beschriebenen Kombinationen ist es vorteilhaft, die Systemgrößen wie beschrieben abwechselnd anzupassen. Auch alle anderen dem Fachmann geeignet erscheinende Kombinationen von Systemgrößen sind natürlich denkbar, wobei prinzipiell stets der Brennstoffvolumenstrom eine Anpassung erfahren muss.
In allen Verfahren ist es vorteilhaft, jeweils wenigstens eine PID-Regelung für die jeweiligen Systemgrößen vorzusehen, da dies eine schnelle und genaue Regelung ermöglicht.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mehrerer Ausführungsbeispiele, mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen. In diesen zeigen:
1 den Zusammenhang zwischen dem S/C-Verhältnis bzw. der Luftzahl λ und der Gaszusammensetzung;
2 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß einer ersten Ausführungsform;
3 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß einer zweiten Ausführungsform;
4 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß einer dritten Ausführungsform;
5 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß einer vierten Ausführungsform;
6 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß einer fünften Ausführungsform;
7 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß einer sechsten Ausführungsform; und
8 eine Darstellung des Ergebnisses der Regelung eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
1 zeigt für ein beispielhaftes Brennstoffzellensystem die Abhängigkeit zwischen dem S/C-Verhältnis (Steam-to-Carbon), dargestellt durch die Quadrate, sowie der Luftzahl λ (Oxygen-to-Carbon), dargestellt durch die Rauten, in Abhängigkeit von der Gaszusammensetzung, variierend von 100% Propan (entsprechend 0% Butan) bis hin zu 0% Propan (100% Butan).
Da das S/C-Verhältnis ein Maß für die Wasserstoffausbeute ist (bei ansonsten gleichbleibenden Werten für die restlichen Systemgrößen), kann über die Anpassung dieses Verhältnisses die Wasserstoffkonzentration vor der Brennstoffzelle eingestellt werden. Es ist zu erkennen, dass bei einer Verringerung des Propangehaltes (unter Annahme eines konstanten Brennstoffvolumenstroms und einer konstanten Edukt- bzw. Wärmezuführung in den Reformer) eine Verringerung des S/C-Verhältnisses erfolgt. Die Luftzufuhr ist dabei so geregelt, dass eine hinter dem Reformer gemessene Temperatur konstant bleibt. Aus diesem Grund ergibt sich eine Verringerung der Luftzahl λ bei erhöhtem Butananteil.
Das S/C-Verhältnis kann wieder auf seinen für das jeweilige System-optimalen Wert gebracht werden, indem der Brennstoffvolumenstrom entsprechend erhöht oder reduziert wird, da natürlich auch über diese Größe die Menge des pro Zeiteinheit zugeführten Kohlenstoffs variiert werden kann.
2 veranschaulicht eine erste Ausführungsform eines Verfahrens zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems 10, mit einer (oder mehreren) Brennstoffzellen 12, in denen auf bekannte Weise ein wasserstoffhaltiges Gas unter Zufuhr von Sauerstoff auf chemischem Weg in elektrische Energie umgesetzt wird.
Das wasserstoffhaltige Gas wird in einem Reformer 14 erzeugt, wobei als Ausgangsstoff ein kohlenwasserstoffhaltiger Brennstoff dient, der aus einem (nicht gezeigten) Vorratstank als Brennstoffvolumenstrom V_B dem Reformer 14 über eine Leitung 16 zugeführt wird.
Als Brennstoff wird in den hier beschriebenen Beispielen Flüssiggas verwendet, wie es auch als Campinggas Einsatz findet. Dabei handelt es sich im Wesentlichen (wie oben beschrieben) um eine Mischung aus Propan und n-Butan, wobei die genaue Zusammensetzung verbraucherseitig prinzipiell unbekannt ist und unter anderem mit dem Füllstand des Vorratstanks variiert.
Der Brennstoffzelle 12 ist ein Brenner 18 nachgeschaltet, in dem überschüssiger Wasserstoff verbrannt wird, bevor das Abgas an die Atmosphäre abgegeben wird.
Der Reformer 14 kann nach dem Prinzip der endothermen Dampfreformierung, der partiellen Oxidation oder der autothermen Reformierung arbeiten. Entsprechend werden dem Reformer 14 je nach Betriebsverfahren neben dem Brennstoff Luft, Wasser und/oder Wärme zugeführt.
Im Beispiel der 2 ist ein Reformer 14 gezeigt, der über partielle Oxidation arbeitet. Entsprechend ist eine Leitung 20 zur Zufuhr eines Luftvolumenstroms V_L zum Reformer 14 vorgesehen. Das erzeugte wasserstoffhaltige Gas wird vom Reformer 14 über eine Leitung 22 zur Brennstoffzelle 12 geleitet. Nach dem Reformer 14 wird eine Temperatur T_R des austretenden Gases gemessen. Die Temperatur T_R ist dabei ein direktes Maß für die im Reformer 14 herrschende Temperatur. Ebenso wird ein Druck p in der Leitung 16 vor dem Reformer 14 gemessen.
Bei einer Änderung der Brennstoffzusammensetzung ändert sich zunächst aufgrund des veränderten Brennwerts bei gleicher Luftzufuhr die Temperatur T_R nach dem Reformer 14. Aufgrund der veränderten Temperatur ändert sich auch der Druck p vor dem Reformer 14 in den Zuleitungen 16. Dieser wird hier als erfasste erste Systemgröße detektiert.
Der Brennstoffvolumenstrom V_B zum Reformer 14 (hier als zweite Systemgröße verwendet) kann nun so angepasst werden, beispielsweise über eine PID-Regelung 24, dass der Druck p wieder seinen (vorher über die Bestimmung der optimalen Systemparameter festgelegten) Sollwert annimmt.
Aufgrund des oben beschriebenen Zusammenhangs ist der Brennstoffvolumenstrom V_B (also die per Zeiteinheit zugeführte Brennstoffmenge) wegen des veränderten Brennwerts des Brennstoffs die einzige Größe, die verändert werden muss, um den Wasserstoffgehalt vor der Brennstoffzelle 12 wieder auf den optimalen Wert zu bringen.
Anstelle des Drucks p kann auch die Temperatur T_R nach dem Reformer 14 verwendet werden.
Es hat sich jedoch gezeigt, dass eine neue Gleichgewichtslage schneller erreicht und Überschwinger deutlich reduziert werden können, wenn nicht nur der Brennstoffvolumenstrom V_B, sondern auch zumindest eine weitere Systemgröße verändert wird.
Nach einer detektierten Veränderung des Drucks p (erfasste erste Systemgröße) wird in einer anderen Ausführungsform des Verfahrens daher zunächst der Luftvolumenstrom V_L (als zweite Systemgröße) über eine Regelung 26 so angepasst, dass der Druck p wieder seinen vorbestimmten Sollwert annimmt. Diese Anpassung ist sehr schnell. Da aber nach wie vor eine vom Optimum abweichende Brennstoffmenge zugeführt wird, weicht auch der Wasserstoffgehalt vor der Brennstoffzelle 12 noch von seinem Sollwert ab. In einem weiteren Verfahrensschritt wird jetzt der Brennstoffvolumenstrom V_B (als weitere zweite Systemgröße) um einen vorbestimmten Wert verändert, unter Beibehaltung des aktuellen Luftvolumenstroms V_L. Dies hat zur Folge, dass sich die Temperatur im Reformer 14 und damit der Druck p wieder verändert. Nun wird wieder, unter Beibehaltung des aktuellen. Brennstoffvolumenstroms V_B, der Luftvolumenstrom so angepasst, dass der Druck p erneut seinen Sollwert annimmt. Die beiden Verfahrensschritte werden abwechselnd ausgeführt, bis sowohl der Luftvolumenstrom V_L als auch der Druck p wieder ihre Sollwerte erreicht haben. Der dann eingestellte Brennstoffvolumenstrom V_B hat den optimalen Wert für die aktuelle Brennstoffzusammensetzung.
Die Regelung 26 des Luftvolumenstroms V_L erfolgt im gezeigten Fall nicht über den Druck p (was aber auch möglich wäre), sondern über die Temperatur T_R nach dem Reformer 14, die im Wesentlichen proportional zum Druck p ist. Die Temperatur T_R könnte auch von der Regelung 24 anstelle des Drucks p als Regelgröße verwendet werden.
Der Reformer 14 kann natürlich auch nach dem Prinzip der autothermen Reformierung arbeiten. Für diesen Fall ist die dann erforderliche Wasserzufuhr V_W durch die gepunktete Linie dargestellt. Die Menge des zugeführten Wassers wird dann während des gesamten Verfahrensablaufs konstant gehalten.
Für den Fall, dass der Reformer 14 mit dem Verfahren der Dampfreformierung betrieben wird, kann statt der Temperatur T_R auch der Druck p erfasst werden und als zweite Systemgröße die Menge des dem Reformer 14 zugeführten Wassers oder die Leistung des mit dem Reformer 14 zur Wärmezufuhr verbundenen Brenners verwendet werden.
3 zeigt schematisch den Ablauf eines Verfahrens gemäß einer zweiten Ausführungsform anhand des dort dargestellten Brennstoffzellensystems 10.
In diesem Beispiel wird wieder in einem ersten Verfahrensschritt der Luftvolumenstrom V_L (zweite Systemgröße) so angepasst, dass die Temperatur T_R nach dem Reformer 14 (erfasste erste Systemgröße) wieder ihren Sollwert annimmt. Ein Durchflussmesser F erfasst den Luftvolumenstrom V_L, und über eine Regelung 30 wird eine Änderung des Brennstoffvolumenstroms V_B (weitere zweite Systemgröße) festgelegt, beispielsweise kann ein neuer Idealwert berechnet werden, oder eine ideale Schrittweite der Veränderung bestimmt werden. Die Anpassung des Luftvolumenstroms V_L und des Brennstoffvolumenstroms V_B werden abwechselnd ausgeführt, bis die Temperatur T_R und der Luftvolumenstrom V_L wieder ihre Sollwerte angenommen haben.
In 4 ist ein weiteres Verfahren gemäß einer dritten Ausführungsform dargestellt.
Auch in diesem Fall werden Luftvolumenstrom V_L und Brennstoffvolumenstrom V_B im Wechsel verändert. Als erfasste erste Systemgrößen dienen dabei für den Luftvolumenstrom V_L die Temperatur T_R nach dem Reformer 14 und für den Brennstoffvolumenstrom V_B eine Temperatur T_B nach dem der Brennstoffzelle 12 nachgeschalteten Brenner 18.
In einem ersten Verfahrensschritt wird der Luftvolumenstrom V_L über die Regelung 26 so angepasst, dass die Temperatur T_R wieder ihren Sollwert annimmt. In einem weiteren Schritt wird dann der Brennstoffvolumenstrom V_B um einen festgelegten Wert verändert, mittels einer Regelung 40, die die Temperatur T_B erfasst, die im Zusammenhang mit dem im Abgas der Brennstoffzelle 12 enthaltenen Wasserstoff und darüber mit der Wasserstoffkonzentration c_H vor der Brennstoffzelle 12 steht.
Die Regelung 40 kann auch die jeweiligen Werte für die Temperatur T_R erhalten und auswerten, um z. B. die Schrittweite der Veränderung des Brennstoffvolumenstroms V_B im nächsten Verfahrensschritt festzulegen.
Diese Schritte werden im Wechsel ausgeführt, bis sowohl die Temperatur T_R als auch die Temperatur T_B wieder ihren Sollwert angenommen haben. In diesem Fall kann auf eine Bestimmung des tatsächlichen Werts des Luftvolumenstroms V_L verzichtet werden. Dieser kann aber zusätzlich auch erfasst und auf seinen Sollwert überprüft werden.
5 zeigt ein Verfahren gemäß einer vierten Ausführungsform.
Wieder wird in einem ersten Verfahrensschritt die Temperatur T_R als erste Systemgröße erfasst und der Luftvolumenstrom V_L als zweite Systemgröße so angepasst, dass die Temperatur T_R wieder ihren Sollwert erreicht.
Die Wasserstoffkonzentration c_H vor der Brennstoffzelle 12 wird als weitere erste Systemgröße von einem Sensor 50 erfasst und von einer Regelung 52 als Grundlage für die Veränderung des Brennstoffvolumenstroms V_B als weitere zweite Systemgröße verwendet.
Beide Schritte werden im Wechsel ausgeführt, bis die Wasserstoffkonzentration c_H und der Luftvolumenstrom V_L wieder ihre Sollwerte angenommen haben.
Die Regelung 52 kann auch die jeweiligen Werte für die Temperatur T_R erhalten und auswerten, um die Veränderung des Brennstoffvolumenstroms V_B im nächsten Verfahrensschritt festzulegen.
In 6 ist ein Verfahren gemäß einer fünften Ausführungsform dargestellt.
Wieder wird als erste Systemgröße die Temperatur T_R erfasst und in einem ersten Verfahrensschritt der Luftvolumenstrom V_L angepasst.
In einem zweiten Verfahrensschritt wird über einen Wärmetönungssensor WTS als weitere erste Systemgröße der Brennwert des dem Reformer 14 zugeführten Brennstoffs erfasst. Der Brennwert ist, beispielsweise bei einem Flüssiggas mit den bekannten Komponenten Propan und Butan, auf eindeutige Weise abhängig von der Gaszusammensetzung. Es ist eine Regelung 60 vorgesehen, die einen (nicht dargestellten) Speicher aufweist, in dem dieser Zusammenhang abgelegt ist, beispielsweise in Form einer Lookup-Table (Zuordnungstabelle). Bei einer detektierten Änderung des Brennwerts stellt die Regelung 60 den Brennstoffvolumenstrom V_B entsprechend des abgelegten Wertes ein.
Beide Verfahrensschritte erfolgen im Wechsel, bis die Temperatur T_R und der Luftvolumenstrom V_L wieder ihre Sollwerte erreicht haben.
7 zeigt ein Verfahren gemäß einer sechsten Ausführungsform. In diesem Fall arbeitet der Reformer 14 nach dem Prinzip der Dampfreformierung. Daher wird zusätzlich zum Brennstoff über eine Leitung 20' Wasser zugeführt, während eine Luftzufuhr nicht vorgesehen ist. Die Wasserzufuhr V_W wird während des Verfahrens konstant auf einem voreingestellten Wert gehalten. Außerdem wird dem Reformer 14 über einen Brenner 70 Wärme zugeführt. Der Brenner 70 wird mit demselben Brennstoff gespeist, der auch im Reformer 14 umgesetzt wird. Der aktuell zugeführte Brennstoffstrom wird mittels eines Flussmessers F erfasst und einer Regelung 74 übergeben.
In einem ersten Verfahrensschritt wird hier die Leistung des Brenners 70 über eine Regelung 76, die den Brennstoffstrom zum Brenner 70 regelt, so angepasst, dass die Temperatur T_R nach dem Reformer 14 wieder ihren Sollwert annimmt.
In einem weiteren Verfahrensschritt wird dann der Brennstoffvolumenstrom V_B um einen vorher festgelegten Betrag verändert. Die sich daraus ergebende Abweichung der Temperatur T_R von ihrem Sollwert wird wiederum durch Anpassung der, Leistung des Brenners 70 ausgeglichen.
Die Verfahrensschritte werden im Wechsel ausgeführt, bis sowohl die Temperatur T_R als auch die Leistung des Brenners 70 wieder ihren Sollwert erreicht haben.
Für alle Regelungen werden bei den hier gezeigten Beispielen PID-Regler eingesetzt, aber andere geeignete Regelungen können natürlich auch verwendet werden.
Bei allen beschriebenen Ausführungsformen gilt, dass die Verfahren entsprechend angepasst werden können, wenn der Reformer 14 auf einem anderen als dem für die jeweilige Ausführungsform beschriebenen Prinzip arbeitet. Dies gilt insbesondere für eine Zufuhr von Wasser bzw. die Einstellung einer Brennerleistung eines Brenners, der den Reformer 14 beheizt, beispielsweise, indem anstelle des Luftvolumenstroms V_L die dem Reformer 14 zugeführte Wassermenge V_W oder die Brennerleistung geregelt wird, um die Temperatur T_R einzustellen.
Ebenso sind weitere, hier nicht beschriebene Systemgrößen und Kombinationen von Systemgrößen einsetzbar. Sämtliche Merkmale der einzelnen Verfahren können im Rahmen des Ermessens des Fachmanns miteinander kombiniert oder gegeneinander ausgetauscht werden.
Auch wenn es hier nicht gezeigt ist, können selbstverständlich Wasserstoff-Shiftstufen nach dem Reformer 14 vorgesehen sein, um die Wasserstoffausbeute zu erhöhen und den CO-Anteil zu verringern.
8 stellt beispielhaft das Ergebnis einer Regelung gemäß eines erfindungsgemäßen Verfahrens dar. Es zeigt sich, dass das S/C-Verhältnis über den gesamten Bereich (reines Propan bis reines Butan) konstant gehalten werden kann. In diesem Fall wurde (bei der Verwendung eines autothermen Reformers 14) die Wassermenge V_W konstant gehalten und jeweils die Luftzufuhr geregelt. Die Temperatur T_R nach dem Reformer 14 wurde dabei auf einem konstanten Sollwert gehalten. Luftvolumenstrom V_L und Brennstoffvolumenstrom V_B wurden durch die Regelung automatisch variiert. Dabei zeigt sich, dass im Wesentlichen bei Verringerung des Propananteils ein geringerer Brennstoffvolumenstrom V_B eingestellt wird.
Insbesondere zeigt sich, dass das S/C-Verhältnis konstant gehalten werden kann. Die weiteren kritischen Größen für Brennstoffzellsysteme wie die CO- und CH₄-Konzentrationen können ebenfalls unterhalb der kritischen Grenze von 1% gehalten werden. Damit eignet sich dieses Verfahren auch sehr gut für Hochtemperaturbrennstoffzellensysteme.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

DIN 51857 [0005]

Claims

Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems mit wenigstens einer Brennstoffzelle (12) und einem Reformer (14) zur Erzeugung von wasserstoffhaltigem Gas, bei dem dem Reformer (14) ein Brennstoff mit einer variablen Zusammensetzung zugeführt wird und der Wert wenigstens einer ersten Systemgröße erfasst wird, wobei bei einer Änderung der Brennstoffzusammensetzung und der damit verbundenen Abweichung der erfassten ersten Systemgröße von einem vorbestimmten Sollwert die erfasste erste Systemgröße durch Variation wenigstens einer zweiten Systemgröße wieder auf den vorbestimmten Sollwert gebracht wird, sodass die Wasserstoffkonzentration (C_H) vor der Brennstoffzelle (12) im Wesentlichen auf einem vorbestimmten Sollwert bleibt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erfasste erste Systemgröße ein Druck (p) vor dem Reformer (14), eine Temperatur (T_R) nach dem Reformer (14), ein dem Reformer (14) zugeführter Luftvolumenstrom (V_L), eine Temperatur (T_B) nach einem der Brennstoffzelle (12) nachgeschalteten Brenner (18), ein Wasserstoffgehalt (c_H) des der Brennstoffzelle (12) zugeführten Gases, eine Leistung eines mit dem Reformer (14) zur Wärmezufuhr verbundenen Brenners (70), oder eine Wärmetönung (WT) des dem Reformer (14) zugeführten Gases ist.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Systemgröße ein dem Reformer (14) zugeführter Brennstoffvolumenstrom (V_B), ein dem Reformer (14) zugeführter Luftvolumenstrom (V_L), eine dem Reformer (14) zugeführte Wassermenge (V_W) oder eine Leistung eines mit dem Reformer (14) zur Wärmezufuhr verbundenen Brenners (70) ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass als erfasste erste Systemgröße der Druck (p) vor dem Reformer (14) oder die Temperatur (T_R) nach dem Reformer (14) und als zweite Systemgröße der Brennstoffvolumenstrom (V_B) verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass in einem ersten Schritt eine andere zweite Systemgröße als der Brennstoffvolumenstrom so variiert wird, dass die erfasste erste Systemgröße wieder ihren Sollwert annimmt, wobei diese zweite Systemgröße von ihrem Sollwert abweichen kann, in einem zweiten Schritt der Brennstoffvolumenstrom (V_B) um ein vorbestimmtes Maß verändert wird, wobei die erfasste erste Systemgröße wieder von ihrem Sollwert abweichen kann, und beide Schritte abwechselnd wiederholt werden, bis die erfasste erste Systemgröße und die zweite Systemgröße wieder ihre jeweiligen Sollwerte erreicht haben.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Systemgröße der Luftvolumenstroms (V_L), die zugeführte Wassermenge (V_W) oder die Leistung des mit dem Reformer (14) zur Wärmezufuhr verbundenen Brenners (70) ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass in einem ersten Schritt als erfasste erste Systemgröße die Wärmetönung (WT) des dem Reformer (14) zugeführten Brennstoffes erfasst wird und in einem weiteren Schritt der Brennstoffvolumenstrom (V_B) als zweite Systemgröße über einen vorher bestimmten Zusammenhang zwischen der Wärmetönung des Brenngases und der Größe des Brennstoffvolumenstroms (V_B) eingestellt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich wenigstens eine weitere erfasste erste Systemgröße und/oder wenigstens eine weitere zweite Systemgröße im Wechsel eingestellt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine PID-Regelung zur Einstellung der jeweiligen Systemgrößen verwendet wird.