DE102011006469B4

DE102011006469B4 - Brennstoffzellensystem und zugehöriges Betriebsverfahren

Info

Publication number: DE102011006469B4
Application number: DE102011006469.9A
Authority: DE
Inventors: Karsten Reiners; Dr. Wenzel Sven
Original assignee: Eberspaecher Climate Control Systems GmbH and Co KG
Current assignee: Eberspaecher Climate Control Systems GmbH and Co KG
Priority date: 2011-03-31
Filing date: 2011-03-31
Publication date: 2017-08-03
Anticipated expiration: 2031-04-01
Also published as: DE102011006469A1; US20120251901A1

Abstract

Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems (1), umfassend – zumindest eine Brennstoffzelle (2) mit zumindest zwei Elektroden (3) zum Anschließen zumindest eines elektrischen Verbrauchers (7), – einen Reformer (9) zur Erzeugung eines Reformatgases, – eine Brennstoffzellenzuführeinrichtung (13) zum Zuführen eines Brennstoffes zum Reformer (9) und/oder eine Oxidatorgaszuführeinrichtung (15) zum Zuführen eines Oxidatorgases zum Reformer (9), dadurch gekennzeichnet, dass eine dem Reformer (9) zugeführte Brennstoffmenge und/oder eine dem Reformer (9) zugeführte Oxidatorgasmenge abhängig von einer an zumindest einer der Elektroden (3) herrschenden Elektrodentemperatur derart eingestellt wird, dass eine Kohlenstoffbildungsgrenztemperatur des Reformatgases unterhalb der gemessenen Elektrodentemperatur liegt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem, insbesondere eines Kraftfahrzeuges. Die Erfindung betrifft weiter ein Verfahren zum Betreiben eines derartigen Brennstoffzellensystems.
Ein Brennstoffzellensystem weist üblicherweise zumindest eine Brennstoffzelle auf, welche zumindest zwei Elektroden und einen Elektrolyt umfasst. Die zwei Elektroden werden nach ihrer Funktion Anode und Kathode genannt und sind durch den Elektrolyt getrennt. Die Bedeutung von Brennstoffzellen. besteht darin, dass sie die bei der chemischen Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff zu Wasser freigesetzte chemische Energie in elektrische Energie umwandeln. Diese elektrische Energie kann dann von einem Verbraucher in Form von elektrischem Strom zur Energieversorgung verwendet oder gespeichert werden. Durch die chemischen Reaktionen, die zu einer Funktion der Brennstoffzelle führen, entsteht vorwiegend Wasser als Abfallprodukt. Diese Tatsache macht Brennstoffzellen zu einer umweltfreundlichen Art der Energieerzeugung. Die Edukte zur Versorgung der Brennstoffzelle werden gemäß den jeweiligen Elektroden, denen sie zugeführt werden, Kathodengas bzw. Anodengas genannt. Als Kathodengas dient üblicherweise Luft bzw. ein sauerstoffhaltiges Gas. Als Anodengas dient in der Regel Wasserstoff bzw. ein Wasserstoff enthaltendes Gas, das beispielsweise mittels eines Reformers aus Kohlenwasserstoffe gewonnen werden kann, bevor es der Anode in Form eines Reformatgases als Anodengas zugeführt wird. Hochtemperatur-Brennstoffzellen, wie etwa Festoxid-Brennstoffzellen (SOFC aus dem Englischen Solid Oxide Fuel Cell), weisen gewöhnlich Betriebstemperaturen von einigen hundert Grad Celsius auf. Die Brennstoffzelle muss daher auf eine entsprechende Temperatur gebracht werden, bis die obigen chemischen Reaktionen einsetzen und die Brennstoffzelle elektrische Energie liefert.
Die DE 695 20 082 T2 zeigt ein Brennstoffzellensystem gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, das einen Reformer umfasst, der eine Brennstoffzelle mit Reformatgas versorgt. Zwei Temperaturmessvorrichtungen messen die Temperatur einer Anode der Brennstoffzelle einlass- und auslassseitig, wobei eine Zuführung von Oxidatorgas und Brennstoff zum Reformer abhängig von der so gemessenen Temperaturdifferenz variiert wird.
Aus der DE 10 2006 017 617 A1 ist es bekannt, eine Regeneration einer Anode einer Brennstoffzelle beim Herunterfahren der Brennstoffzelle erst dann zu starten, wenn die Temperatur der Anode unterhalb einer kritischen Temperatur sinkt.
Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, für ein Verfahren zum Beitreiben eines Brennstoffzellensystems und für ein Brennstoffzellensystem eine verbesserte oder zumindest alternative Ausführungsform anzugeben, die sich insbesondere durch eine vereinfachte Handhabung auszeichnet.
Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, bei einem Brennstoffzellensystem der eingangs genannten Art eine Temperaturmessvorrichtung vorzusehen, die eine Elektrodentemperatur zumindest einer der Elektroden misst, und eine Steuerung so einzusetzen, dass sie eine dem Reformer zugeführte Menge an Brennstoff und/oder eine dem Reformer zugeführte Menge an Oxidatorgas abhängig von der gemessenen Elektrodentemperatur einstellt. Die Steuerung stellt also insbesondere in Abhängigkeit von der Elektrodentemperatur eine Brennstoffmenge und alternativ oder zusätzlich eine Oxidatorgasmenge ein, die dem Reformer zugeführt werden.
Das Reformatgas besitzt eine Kohlenstoffbildungsgrenztemperatur, unter der sich Kohlenstoff aus dem Reformatgas bildet. Trifft nun das Reformatgas auf eine Oberfläche, die eine Oberflächentemperatur aufweist, die kleiner ist als die Kohlenstoffbildungsgrenztemperatur, so führt dies insbesondere zur Bildung von Kohlenstoff auf dieser Oberfläche. Im Fall von Brennstoffzellen wird das Reformatgas einer Anode zugeführt. Ist eine Anodentemperatur niedriger als die Kohlenstoffbildungsgrenztemperatur, so führt dies zur Bildung von Kohlenstoff auf der Anodenoberfläche. Die Folge ist insbesondere eine Leistungsminderung der Anode, welche sich bis zur gänzlichen Untauglichkeit der Anode ausweiten kann. Die Erfindung nutzt nun die Erkenntnis, dass die Kohlenstoffbildungsgrenztemperatur über weite Temperaturbereiche, insbesondere durch Variation einer dem Reformer zugeführten Brennstoff-Oxidatorgas-Verhältnises, gesenkt werden kann. Gelingt es folgerichtig die Kohlenstoffbildungsgrenztemperatur unter der Anodentemperatur zu halten, so wird die Bildung von Kohlenstoff auf der Anode unterbrochen oder zumindest vermindert. Die von der Elektrodentemperatur, insbesondere der Anodentemperatur, abhängige Variation der dem Reformer zugeführten Brennstoffmenge und/oder Oxidatorgasmenge ist daher eine nützliche und einfache Art, Kohlenstoffbildungen, insbesondere auf der Anode, vorzubeugen.
Erfindungsgemäß ist die Steuerung derart ausgebildet bzw. programmiert, dass sie die dem Reformer zugeführte Brennstoffmenge und/oder die dem Reformer zugeführte Oxidatorgasmenge abhängig von der gemessenen Elektrodentemperatur so einstellt, dass ein Brennstoff-Oxidator-Verhältnis und somit ein Reformatgas resultiert, wessen Kohlenstoffbildungsgrenztemperatur unterhalb der Elektrodentemperatur liegt, womit insbesondere die Bildung von Kohlenstoff auf der entsprechenden Elektrode verhindert oder zumindest reduziert wird. Dies kann insbesondere dadurch realisiert werden, dass die Steuerung die Brennstoffmenge und/oder die Oxidatorgasmenge entsprechend der gemessenen Elektrodentemperatur zugeordneten Kennlinien bzw. Kennfeldern einstellt.
Die Steuerung ist entsprechend einer möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung durch eine Verbindung mit der Temperaturmessvorrichtung gekoppelt. Die Steuerung weist weiter eine Verbindung mit einer Brennstoffzuführeinrichtung und/oder eine Verbindung mit einer Oxidatorgaszuführeinrichtung auf. Die von der Brennstoffzuführeinrichtung dem Reformer zugeführte Brennstoffmenge und/oder die von der Oxidatorgaszuführeinrichtung dem Reformer zugeführte Oxidatorgasmenge wird nun durch die Steuerung abhängig von der gemessenen Elektrodentemperatur variiert. Dies kann insbesondere durch die Variation einer Leistung der entsprechenden Zuführeinrichtungen, beispielsweise die zugehörigen Fördereinrichtung, erreicht werden. Als Fördereinrichtung kann etwa eine Pumpe dienen, deren Leistung von der Steuerung eingestellt wird. Die Variation der dem Reformatgas zugeführten Brennstoffmenge und/oder die Oxidatorgasmenge dient nun insbesondere dazu, eine Kohlenstoffbildung auf der Anode durch die Reduzierung der Kohlenstoffbildungsgrenztemperatur zu vermeiden oder zumindest zu verringern.
Bei einer weiteren Ausführungsform weist das Brennstoffzellensystem zusätzlich einen Rezirkulationseinrichtung zur Rückführung von Anodenabgas zum Reformer auf. Die oben genannte Steuerung oder eine weitere Steuerung ist nun mit der Rezirkulationseinrichtung verbunden und derart ausgebildet, dass sie die dem Reformer rückgeführte Anodenabgasmenge des Anodenabgases abhängig von der gemessenen Elektrodentemperatur variiert. Dies kann insbesondere durch entsprechende Kennlinien bzw. Kennfelder oder durch die Ergänzung der vorhandenen Kennlinien bzw. Kennfelder erreicht werden. Die Rückführung des Anodenabgases zum Reformer kann beispielsweise dem Zweck dienen, die Kohlenstoffbildungsgrenztemperatur des Reformatgases, insbesondere durch Variation des Brennstoff-Oxidator-Verhältnises, unterhalb der gemessenen Elektrodentemperatur zu halten. Zusätzlich oder optional kann die zum Reformer rückgeführte Anodenabgasmenge von einem Reformatgasvolumenstrom abhängen. Eine Berücksichtigung des Reformatgasvolumenstroms kann insbesondere durch Anpassung der entsprechenden Kennlinien und Kennfeldern erfolgen, die der Steuerung zur Variation der rückgeführten Anodenabgasmenge zur Verfügung stehen.
Es sei darauf hingewiesen, dass die Verbindungen zwischen der Steuerung und der Brennstoffzuführeinrichtung und/oder der Oxidatorgaszuführeinrichtung bzw. der Temperaturmessvorrichtung sowie zu den nachfolgend genannten Zuführeinrichtungen bzw. ihrer Fördereinrichtungen nicht zwingend aus einem elektrischen Leiter bestehen. Vorstellbar sind insbesondere auch kabellose Verbindungen zur Übertragung der entsprechenden Signale. Das Gleiche gilt für Verbindungen zwischen Steuerungen, sofern mehrere Steuerungen vorliegen. Es sei ferner erwähnt, dass die einzelnen Verbindungen auch einen Rückkanal, insbesondere zum Abfragen der Werte der einzelnen Komponenten des Brennstoffzellensystems und deren Abgleich, aufweisen können.
Bei einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung können die oben genannten Änderungen der dem Reformer zugeführten Brennstoffmenge und/oder der dem Reformer zugeführten Oxidatorgasmenge und/oder dem Reformer rückgeführten Anodenabgasmenge zusätzlich jeweils einzeln oder gemeinsam eine Abhängigkeit von einem Umsatz zumindest einer der Brennstoffzellen aufweisen. Dies kann insbesondere durch entsprechende Kennlinien bzw. Kennfeldern oder durch Anpassung der vorhandenen Kennlinien bzw. Kennfelder realisiert werden. Die Berücksichtigung des Umsatzes kann insbesondere dem Zweck dienen, die Brennstoffmenge und/oder die Oxidatorgasmenge des Anodenabgases zu berücksichtigen, welche dem Reformer rückgeführt wird/werden.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung werden die dem Reformer zugeführte Brennstoffmenge und/oder Oxidatorgasmenge und/oder die dem Reformer rückgeführte Anodenabgasmenge abhängig von der gemessenen Elektrodentemperatur so eingestellt, dass die resultierende Kohlenstoffbildungstemperatur des Reformatgases unterhalb der gemessenen Elektrodentemperatur liegt. Dies kann insbesondere durch die bereits erwähnten Kennlinien bzw. Kennfelder oder zusätzliche Kennlinien und Kennfelder realisiert werden, die der gemessenen Elektrodentemperatur ein Brennstoff-Oxidatorgas-Verhältnis zugrunde liegen, die bei der Zuführung der Brennstoffmenge und/oder der Oxidatorgasmenge zum Reformer und/oder die dem Reformer rückgeführten Anodenabgasmenge sowie deren Änderungen berücksichtigt wird.
Bei einer weiteren Ausführungsform wird dem Reformatgas abhängig von der gemessenen Elektrodentemperatur Wasser zugeführt. Es wird also insbesondere abhängig von der gemessenen Elektrodentemperatur eine Wassermenge variiert, die dem Reformatgas beigemischt wird. Diese Beimischung des Wassers bzw. die Änderung der dem Reformatgas zugeführten Wassermenge dient insbesondere dem Zweck, die Kohlenstoffbildungsgrenztemperatur zu variieren und vorzugsweise unterhalb der gemessenen Elektrodentemperatur zu halten. Die dem Reformatgas zugeführte Wassermenge kann zusätzlich oder alternativ abhängig von einem Reformatgasvolumenstrom variiert werden. Dies kann insbesondere dem Zweck dienen, einen Anteil des Wassers im Reformatgas für beliebige Reformatgasvolumenströme zu gewährleisten. Zudem kann die dem Reformatgas zugeführte Wassermenge eine Abhängigkeit vom Umsatz zumindest einer der Brennstoffzellen aufweisen.
In einer weiteren Ausführungsform wird eine zum Reformatgas rückgeführte Anodenabgasmenge abhängig von der gemessenen Elektrodentemperatur verändert. Zusätzlich oder optional kann die zum Reformatgas rückgeführte Anodenabgasmenge abhängig vom Umsatz der jeweiligen Brennstoffzelle und/oder dem Reformatgasvolumenstrom variiert werden. Diese Änderungen dienen insbesondere dem Zweck, eine Kohlenstoffbildungsgrenztemperatur des Reformatgases zu verändern, vorzugsweise derart, dass die Kohlenstoffbildungsgrenztemperatur unterhalb der gemessenen Elektrodentemperatur liegt.
Es sei bemerkt, dass das dem Reformatgas zugeführte Wasser in allen Aggregatzuständen vorliegen kann. Es kann sich also insbesondere um Wasserdampf bzw. flüssiges Wasser handeln. Des Weiteren können andere wasserhaltige Flüssigkeiten bzw. Gase zum gleichen Ergebnis führen.
Die oben genannten Änderungen können bei den jeweiligen Ausführungsformen jeweils einzeln oder gemeinsam oder in beliebiger Kombination stufenlos oder gestuft erfolgen. Bei einer gestuften Änderung kann die jeweilige Stufe dabei insbesondere durch die entsprechenden Kennlinien bzw. Kennfeldern vorgegeben sein. Die Änderungen können weiter jeweils unabhängig voneinander oder abhängig voneinander oder in beliebiger Kombination unabhängig oder abhängig voneinander erfolgen. Es versteht sich, dass die einzelnen Änderungen einen Einfluss auf die Kohlenstoffbildungsgrenztemperatur und somit entsprechend auf die anderen veränderbaren Parameter haben können, was entsprechend berücksichtigt wird.
Die oben genannten Änderungen können optional erst dann erfolgen, wenn die gemessene Elektrodentemperatur oberhalb einer vorgegebenen Elektrodenmindesttemperatur liegt. Die Änderungen können alternativ oder zusätzlich erst dann erfolgen, wenn die gemessene Elektrodentemperatur unterhalb einer vorgegebenen Elektrodenhöchsttemperatur liegt. Es können weiter für die Zuführung der Brennstoffmenge und/oder Oxidatorgasmenge zum Reformer und die Zuführung von Wasser zum Reformatgas sowie die Rückführung von Anodenabgas zum Reformer und/oder zum Reformatgas jeweils einzeln oder gemeinsam oder in beliebiger Kombination entsprechende Elektrodenmindesttemperaturen und/oder Elektrodenhöchsttemperaturen vorgegeben sein.
Es sei darauf hingewiesen, dass die Bestimmung der Elektrodentemperatur durch die Temperaturmessvorrichtung nicht zwingend unmittelbar an der jeweiligen Elektrode erfolgen muss. Vorstellbar sind auch Temperaturbestimmungen an beliebigen anderen Stellen, sofern sie einen Rückschluss auf die entsprechende Elektrodentemperatur zulassen. Insbesondere kann die Temperaturmessung der Elektrode berührungslos erfolgen.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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 eine stark vereinfachte, schaltplanartige Prinzipdarstellung eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems,
2 ein Flussdiagramm zur Erläuterung eines erfindungsgemäßen Betriebsverfahrens.
Gemäß 1 umfasst ein Brennstoffzellensystem 1 zumindest eine Brennstoffzelle 2, die zumindest zwei Elektroden 3, nämlich eine Anode 4 und eine Kathode 5, aufweist, die durch einen Elektrolyt 6 getrennt sind. Ein elektrischer Verbraucher 7, ist dabei an den Elektroden 3 angeschlossen. Das Brennstoffzellensystem 1 weist weiter eine Temperaturmessvorrichtung 8 auf, die derart gestaltet ist, dass sie eine Elektrodentemperatur zumindest einer der Elektroden 3, hier eine Anodentemperatur der Anode 4, messen kann. Das Brennstoffzellensystem 1 weist einen Reformer 9 zur Versorgung der Brennstoffzelle 2 mit Reformatgas auf. Das Reformatgas wird dabei durch eine Reformatgasleitung 10 der Anode 4 der Brennstoffzelle 2 zugeführt. Eine Wasserzuführeinrichtung 11, weist einen Wasserbehälter 12 auf, und ist mit der Reformatgasleitung 10 zwischen Reformer 9 und Anode 4 derart verbunden, dass die Wasserzuführeinrichtung 11 dem Reformatgas vor dem Eintritt in die Brennstoffzelle 2 Wasser zuführen kann. Das Brennstoffzellensystem 1 weist eine Brennstoffzuführeinrichtung 13 zur Versorgung des Reformers 9 mit einem Brennstoff auf, die einen Brennstoffbehälter 14 umfasst. Das Brennstoffzellensystem 1 weist weiter eine Oxidatorgaszuführeinrichtung 15 zur Versorgung des Reformers 9 mit einem Oxidatorgas auf. Das hier gezeigte Brennstoffzellensystem 1 umfasst zusätzlich einen Restgasbrenner 16 zum Verbrennen von Anodenabgas und Kathodenabgas, wobei die Abgase durch Abgasleitungen 17 dem Restgasbrenner 16 zugeführt werden. Der Restgasbrenner 16 weist eine Brennerabgasleitung 18 auf, die wärmekoppelnd, beispielsweise durch einen Wärmetauscher 19, mit einer Kathodengaszuführeinrichtung 20 verbunden ist. Das Brennstoffzellensystem 1 weist weiter eine Rezirkulationseinrichtung 21 zur Rückführung des Anodenabgases zum Reformer 9 auf, wobei die Rezirkulationseinrichtung Anodenabgas von der entsprechenden Abgasleitung 17 zum Reformer 9 rückführt. Die Wasserzuführeinrichtung 11, die Brennstoffzuführeinrichtung 13, die Oxidatorgaszuführeinrichtung 15, die Kathodengaszuführeinrichtung 20 und die Rezirkulationseinrichtung 21 weisen jeweils eine Fördereinrichtung 22 auf, die durch Verbindungen 23 mit einer Steuerung 24 gekoppelt sind. Die Steuerung 24 ist zudem durch eine Verbindung 23 mit der Temperaturmessvorrichtung 8 verbunden.
Die Steuerung 24 ist nun derart ausgestattet bzw. programmiert, dass sie abhängig von der mit Hilfe der Temperaturmessvorrichtung 8 gemessenen Anodentemperatur der Anode 4, eine dem Reformer 9 zugeführte Brennstoffmenge und/oder eine dem Reformer 9 zugeführte Oxidatorgasmenge variiert. Dies kann insbesondere durch die Variation der Förderleistung der entsprechenden Fördereinrichtungen 22 der Brennstoffzuführeinrichtung 13 und der Oxidatorgaszuführeinrichtung 15 umgesetzt werden. Die Steuerung 24 ist zudem durch eine entsprechende Programmierung bzw. Ausstattung in der Lage, eine dem Reformer 9 rückgeführte Anodenabgasmenge abhängig von der durch die Temperaturmessvorrichtung 8 ermittelten Anodentemperatur der Anode 4 zu verändern. Diese Änderung kann insbesondere durch die Änderung der Leistung der Fördereinrichtung 22 der Rezirkulationseinrichtung 21 realisiert werden. Die Steuerung 24 ist zusätzlich derart programmiert bzw. ausgestaltet, dass sie in der Lage ist, eine Wassermenge zu variieren, die dem Reformatgas vor dessen Eintritt in die Brennstoffzelle 2 zugeführt wird. Dies kann insbesondere durch die Variation der Leistung der Fördereinrichtung 22 der Wasserzuführeinrichtung 11 realisiert sein. Die einzelnen Änderungen und Variationen der entsprechenden Leistungen der Fördereinrichtungen 22 und damit die jeweils zugeführte Brennstoffmenge, Oxidatorgasmenge, Anodenabgasmenge und Wassermenge bzw. der rückgeführten Anondenabgasmenge können dabei unabhängig oder abhängig voneinander erfolgen. Die Fördereinrichtungen 22 können weiter jeweils einzelnen oder gemeinsam oder in beliebiger Kombination angesteuert werden.
Die Steuerung 24 kann nun entsprechend einer vorteilhaften Ausführungsform so programmiert sein, dass sie das anhand von 2 im Folgenden beschriebene Betriebsverfahren realisieren kann.
Von einem Ausgangspunkt 25 aus überprüft das Verfahren in einem Vergleichsabschnitt 26, die von der Temperaturmessvorrichtung 8 gemessene Anodentemperatur der Anode 4. Wird eine Reduzierung der Anodentemperatur im Vergleich zur zuletzt gemessenen Anodentemperatur festgestellt, so wird während einer Operation 27 eine dem Reformer 9 zugeführte Brennstoffmenge reduziertund/oder eine dem Reformer 9 zugeführte Oxidatorgasmenge erhöht. Anschließend kehrt das Verfahren zum Ausgangspunkt 25 zurück und das Verfahren wird wiederholt. Wird im Vergleichsabschnitt 26 jedoch eine Erhöhung der Anodentemperatur der Anode 4 im Vergleich zur zuletzt gemessenen Anodentemperatur festgestellt, so wird während einer Operation 28 die dem Reformer 9 zugeführte Brennstoffmenge erhöht und/oder die dem Reformer 9 zugeführte Oxidatorgasmenge reduziert und das Verfahren kehrt anschließend zum Ausgangspunkt 25 zurück, worauf das Verfahren wiederholt wird. Bei einer unveränderten Anodentemperatur der Anode 4 im Vergleichsanschnitt 26 kehrt das Verfahren zum Ausgangspunkt 25 zurück und das Verfahren wird wiederholt. Die Änderung der dem Reformer 9 zugeführten Brennstoffmenge und/oder der dem Reformer 9 zugeführten Oxidatorgasmenge dient dem Zweck, eine Kohlenstoffbildungsgrenztemperatur des Reformatgases, unterhalb welcher sich Kohlenstoff aus dem Reformatgas bildet, soweit abzusenken, dass sie unterhalb der Anodentemperatur liegt. Dabei kann beispielsweise einer Anodentemperatur der Anode 4 ein entsprechendes Brennstoff-Oxidatorgas-Verhältnis, insbesondere in Form von Kennlinien und Kennfeldern, zugewiesen sein, wobei in den entsprechenden Operationen ein derartiges Verhältnis eingestellt wird.
Entsprechend dem Verfahren kann insbesondere bei den Operationen 27 und 28 zusätzlich oder alternativ eine Rückführung von Anodenabgas zum Reformer 9 variiert werden. Dieser Schritt kann optional während der Operationen 27 und 28 nachfolgende Operationen ausgeführt werden. Die Steuerung 24 verändert dabei eine dem Reformer rückgeführte Anodenabgasmenge abhängig von der gemessenen Anodentemperatur der Anode 4. Dies kann dazu dienen, die Kohlenstoffbildungsgrenztemperatur, insbesondere durch eventuell im Anodenabgas vorhandenes Brennstoff und/oder Oxidatorgas, unterhalb der gemessenen Anodentemperatur zu halten.
Bei einer alternativen Form des Verfahrens, verändert die Steuerung 24 zusätzlich eine dem Reformatgas zugeführte Wassermenge, welche zusätzlich von einem Reformergasvolumenstrom abhängen kann. Dabei gilt bevorzugt, dass die dem Reformatgas zugeführte Wassermenge mit sinkender Anodentemperatur und/oder steigendem Reformergasvolumenstrom erhöht bzw. mit steigender Anodentemperatur und/oder sinkendem Reformergasvolumenstrom reduziert wird. Dies dient insbesondere dazu, die Kohlenstoffbildungsgrenztemperatur des Reformatgases unterhalb der Anodentemperatur zu halten.
Das Verfahren kann weiter eine Anodenmindesttemperatur der Anode 4 berücksichtigen, wobei eine Zuführung von Wasser zum Reformatgas nur dann erfolgt, wenn die gemessene Anodentemperatur der Anode oberhalb der Anodenmindesttemperatur ist. Dies kann insbesondere dazu dienen, eine Minimalkohlenstoffbildungsgrenztemperatur zu berücksichtigen, unterhalb welcher eine weitere Reduzierung der Kohlenstoffbildungsgrenztemperatur durch Zuführung von Wasser nicht möglich ist. Das Verfahren kann alternativ oder zusätzlich eine Anodenhöchsttemperatur der Anode 4 berücksichtigen, wobei eine Zuführung von Wasser zum Reformatgas nur dann erfolgt, wenn die gemessene Anodentemperatur unterhalb der Anodenhöchsttemperatur liegt. Dies kann insbesondere dem Zweck dienen, Anodentemperaturen zu berücksichtigen, die oberhalb der Kohlenstoffbildungsgrenztemperatur des Reformatgases ohne Zuführung von Wasser liegen.
Alternativ zum oben genannten Verfahren zur Änderung der zum Reformatgas zugeführten Wassermenge abhängig von der Anodentemperatur und/oder des Reformatgasvolumenstroms ist auch ein Verfahren vorteilhaft, bei dem jeder Anodentemperatur bzw. jedem Anodentemperaturbereich eine anteilige Wassermenge zur Reformatgasmenge zugewiesen ist. Dies kann insbesondere durch in der Steuerung 24 hinterlegte Kennlinien bzw. Kennfelder realisiert sein. Die Steuerung 24 ändert nun die dem Reformatgas zugeführte Wassermenge entsprechend der in den Kennlinien bzw. Kennfeldern unterlegten Werte. Diese hinterlegten Werte können dabei insbesondere dem Zweck dienen, die Kohlenstoffbildungsgrenztemperatur des Reformatgases unterhalb der gemessenen Anodentemperatur zu halten. Die Werte können weiter von der Anodentemperatur und/oder vom Reformatgasvolumenstrom einzeln oder gemeinsam abhängen.
Es sei darauf hingewiesen, dass die hier beispielhaft beschriebenen Verfahrensvarianten in Abhängigkeit von der Anodentemperatur der Anode 4 alternativ oder zusätzlich eine Abhängigkeit von einer Kathodentemperatur einer Kathode 5 aufweisen können, ohne den Umfang dieser Erfindung zu verlassen.

Claims

Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems (1), umfassend – zumindest eine Brennstoffzelle (2) mit zumindest zwei Elektroden (3) zum Anschließen zumindest eines elektrischen Verbrauchers (7), – einen Reformer (9) zur Erzeugung eines Reformatgases, – eine Brennstoffzellenzuführeinrichtung (13) zum Zuführen eines Brennstoffes zum Reformer (9) und/oder eine Oxidatorgaszuführeinrichtung (15) zum Zuführen eines Oxidatorgases zum Reformer (9), dadurch gekennzeichnet, dass eine dem Reformer (9) zugeführte Brennstoffmenge und/oder eine dem Reformer (9) zugeführte Oxidatorgasmenge abhängig von einer an zumindest einer der Elektroden (3) herrschenden Elektrodentemperatur derart eingestellt wird, dass eine Kohlenstoffbildungsgrenztemperatur des Reformatgases unterhalb der gemessenen Elektrodentemperatur liegt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die dem Reformer (9) zugeführte Brennstoffmenge und/oder Oxidatorgasmenge abhängig von einem Umsatz zumindest einer der jeweiligen Brennstoffzellen (2) eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine dem Reformer (9) rückgeführte Anodenabgasmenge abhängig von der Elektrodentemperatur eingestellt wird.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die dem Reformer (9) zugeführte Anodenabgasmenge abhängig vom Umsatz zumindest einer der jeweiligen Brennstoffzellen (2) eingestellt wird.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Änderungen der dem Reformer (9) zugeführten Brennstoffmenge und/oder Oxidatorgasmenge und/oder Anodenabgasmenge gestuft oder stufenlos erfolgen.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Änderungen der dem Reformer (9) zugeführten Brennstoffmenge und/oder Oxidatorgasmenge und/oder Anodenabgasmenge abhängig oder unabhängig voneinander erfolgen.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass anhand der gemessenen Elektrodentemperatur ein Sollwert für das dem Reformer (9) zugeführte Brennstoff-Oxidatorgas-Verhältnis ermittelt wird, wobei dieser Sollwert einer Regelung der dem Reformer (9) zugeführten Brennstoffmenge und/oder Oxidatorgasmenge und/oder rückgeführten Anodenabgasmenge zugrunde gelegt wird.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine dem Reformatgas zugeführte Wassermenge abhängig von der gemessenen Elektrodentemperatur eingestellt wird.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die dem Reformatgas zugeführte Wassermenge abhängig vom Umsatz zumindest einer der jeweiligen Brennstoffzellen (2) eingestellt wird.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Änderung der dem Reformatgas zugeführten Wassermenge stufenlos oder gestuft erfolgt
Brennstoffzellensystem (1), insbesondere eines Kraftfahrzeuges, – mit zumindest einer Brennstoffzelle (2), die zumindest zwei Elektroden (3) zum Anschließen zumindest eines elektrischen Verbrauchers (7) aufweist, – mit zumindest einer Temperaturmessvorrichtung (8) zum Messen einer Elektrodentemperatur, die mit einer an zumindest einer der Elektroden (3) herrschenden Temperatur korreliert oder dieser Temperatur entspricht, – mit zumindest einem Reformer (9) zur Erzeugung eines Reformatgases zur Versorgung der Brennstoffzelle (2), – mit zumindest einer Brennstoffzuführeinrichtung (13) zum Zuführen eines Brennstoffes zum Reformer (9) und/oder mit zumindest einer Oxidatorgaszuführeinrichtung (15) zum Zuführen eines Oxidatorgases zum Reformer (9) dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoffzellensystem (1) eine Steuerung (24) aufweist, die so ausgestaltet und/oder programmiert ist, dass sie das Brennstoffzellensystem (1) gemäß dem Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 10 betreiben kann.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoffzellensystem (1) eine Rezirkulationseinrichtung (21) zur Rezirkulation von Anodenabgas zum Reformer (9) aufweist, wobei die Steuerung (24) eine von der Rezirkulationseinrichtung (21) zum Reformer (9) zugeführte Anodenabgasmenge abhängig von der gemessenen Elektrodentemperatur einstellt.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung (24) derart ausgebildet ist, dass sie die von der Rezirkulationseinrichtung (21) zum Reformer (9) zugeführte Anodenabgasmenge abhängig vom einem Reformatgasvolumenstrom ändert.