DE102011006531B4

DE102011006531B4 - Brennstoffzellensystem und zugehöriges Betriebsverfahren

Info

Publication number: DE102011006531B4
Application number: DE102011006531.8A
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: 2022-12-29
Anticipated expiration: 2031-04-01
Also published as: DE102011006531A1; US9853315B2; US20120251902A1

Abstract

Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems (1), umfassend zumindest eine Hochtemperatur-Brennstoffzelle (2) mit zumindest zwei Elektroden (3) zum Anschließen wenigstens eines elektrischen Verbrauchers (7) und einen Reformer (9) zur Erzeugung eines Reformatgases, dadurch gekennzeichnet, dass eine dem Reformatgas zugeführte Wassermenge abhängig von einer Elektrodentemperatur eingestellt wird, die einer an zumindest einer der Elektroden (3) herrschenden Temperatur entspricht.

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 eine Betriebstemperatur 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.
Ein derartiges Brennstoffzellensystem ist beispielsweise aus der US 2011/0014529 A1 bekannt. Dabei wird die Temperatur des der Brennstoffzelle zuzuführenden Anodengases mit Hilfe eines Wärmetauschers oberhalb einer vorgegebenen Grenztemperatur gehalten, um die Bildung von Kohlenstoff im Anodengas zu vermeiden. Zu diesem Zweck kann dem Anodengas auch Wasser beigemischt werden, wenn die Temperatur des Anodengases unterhalb einer vorgegebenen Grenztemperatur sinkt.
Ein weiteres Brennstoffzellensystem ist in der US 2004 / 0 106 019 A1 beschrieben. Bei diesem Brennstoffzellensystem wird der Anode der Brennstoffzelle mittels einer separat von der Anodengaszuführeinrichtung mit der Anode fluidisch verbunden Zuführeinrichtung ein dampfhaltiges Gas zugeführt, um die Anode beim Startvorgang bzw. beim Herunterfahren des Brennstoffzellensystems vor einer Oxidation zu schützen.
In der WO 2004 / 015800 A2 ist ein Brennstoffzellensystem beschrieben, das PEM (Polymere Electrolyte Membrane) aufweist. Zur Vermeidung einer Beschädigung der PEM wird einem Reformatgas zur Kühlung Wasser zugeführt, um die Reformatgastemperatur stets 2° C unterhalb einer Betriebstemperatur der Brennstoffzelle zu halten.
Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, für ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystem sowie für ein derartiges 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 dem Reformatgas, vorzugsweise vor dem Eintritt in die Hochtemperatur-Brennstoffzelle, zugeführte Menge an Wasser abhängig von der gemessenen Elektrodentemperatur zuzuführen. Dies erfolgt insbesondere mit Hilfe einer Steuerung, die insbesondere in Abhängigkeit von der Elektrodentemperatur eine Wassermenge einstellt, die dem Reformatgas beigemischt wird.
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 Hochtemperatur-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 Zugabe von Wasser zum Reformatgas, 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 Reformatgas vor einem Kontakt mit der Anode zugeführten Wassermenge ist daher eine nützliche und einfache Art, Kohlenstoffbildungen auf der Anode vorzubeugen. Dies ist insbesondere beim Startvorgang einer Hochtemperatur-Brennstoffzelle von großem Nutzen, da die Elektroden hier eine besonders niedrige Elektrodentemperatur aufweisen und der Kontakt mit dem deutlich wärmeren Reformatgas zu einer starken Bildung von Kohlenstoff auf der entsprechenden Elektrode führt. Alternativ kann Wasser dem Reformatgas zugeführt werden, um eventuell auf der Anode bestehende Kohlenstoffablagerungen zu beseitigen.
Entsprechend einer vorteilhaften Ausführungsform kann somit die Steuerung derart ausgebildet bzw. programmiert sein, dass sie dem Reformatgas abhängig von der gemessenen Elektrodentemperatur eine Wassermenge so zuführt, dass die resultierende Kohlenstoffbildungsgrenztemperatur des Reformatgases 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 Wassermenge 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 der Wasserzuführeinrichtung auf. Die von der Wasserzuführeinrichtung dem Reformatgas zugeführte Wassermenge wird nun durch die Steuerung abhängig von der gemessenen Elektrodentemperatur variiert. Dies kann insbesondere durch die Variation einer Leistung der Wasserzuführeinrichtung, beispielsweise einer Fördereinrichtung, erreicht werden. Als Fördereinrichtung kann etwa eine Pumpe dienen, deren Leistung von der Steuerung eingestellt wird. Die Variation der dem Reformatgas zugeführten Wassermenge dient nun insbesondere dazu, eine Kohlenstoffbildung auf der Anode, insbesondere während des Startvorgangs einer Brennstoffzelle, durch die Reduzierung der Kohlenstoffbildungsgrenztemperatur zu vermeiden oder zumindest zu verringern. Alternativ erfolgt die Zuführung von Wasser zum Reformatgas unabhängig von der gemessenen Elektrodentemperatur, um insbesondere Kohlenstoffablagerungen auf der jeweiligen Elektrode zu beseitigen.
Es sei darauf hingewiesen, dass die Verbindungen zwischen der Steuerung und der Wasserzuführeinrichtung bzw. der Temperaturmessvorrichtung sowie zu den nachfolgende genannten Zuführeinrichtungen bzw. ihrer Fördereinrichtungen und 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 weist die Wasserzuführeinrichtung einen Wasserbehälter auf. Als Wasserbehälter dienen insbesondere ein Wassertank bzw. ein Druckbehälter, wobei die Steuerung entsprechend die Leistung der Fördereinrichtung, etwa eine Pumpe, abhängig von der gemessenen Elektrodentemperatur ändert, um die dem Reformatgas zugeführte Wassermenge zu variieren.
Bei einer weiteren Ausführungsform weist das Brennstoffzellensystem zusätzlich einen Restgasbrenner zur Verbrennung von Anodenabgas und Kathodenabgas auf. Der Restgasbrenner weist weiter eine Brennerabgasleitung auf, welche wärmeübertragend mit einer Kathodengaszuführleitung verbunden ist. Die Wärmeübertragung kann dabei insbesondere durch einen Wärmetauscher realisiert sein. Das somit aufgewärmte Kathodengas wird insbesondere währende des Startvorgangs der Brennstoffzelle zum Aufwärmen der jeweiligen Kathode benutzt.
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. Bei Wasserdampf kann der Wasserbehälter insbesondere einen Überdruck aufweisen, wobei die Steuerung ein entsprechendes Ventil der Wasserzuführeinrichtung betätigt, um die dem Reformatgas zugeführte Wassermenge zu variieren. Des Weiteren können andere wasserhaltige Flüssigkeiten bzw. Gase zum gleichen Ergebnis führen, wobei insbesondere auf eine Rückführung des Anodenabgases zum Reformatgas hingewiesen wird. Derartige Ausführungsformen zählen daher ebenfalls zum Umfang dieser Erfindung.
Die dem Reformatgas zugeführte Wassermenge kann bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform von einem Reformergasvolumenstrom abhängen. Dies soll insbesondere dem Zweck dienen, einen Anteil des Wassers im Reformatgas für beliebige Reformatgasvolumenströme zu gewährleisten. Eine entsprechende Anpassung der Wassermenge kann insbesondere durch zweckmäßige Kennlinien bzw. Kennfelder oder optional durch Ergänzung der bereits vorhandenen Kennlinien bzw. Kennfelder realisiert werden. Die Steuerung ändert dabei die dem Reformatgas zugeführte Wassermenge in Abhängigkeit vom Reformatgasvolumenstrom und/oder der gemessenen Elektrodentemperatur.
Bei einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung kann die Zuführung von Wasser zum Reformatgas optional erst dann erfolgen, wenn die gemessene Elektrodentemperatur oberhalb einer vorgegebenen Elektrodenmindesttemperatur liegt. Die oben beschriebenen Änderungen der dem Reformatgas zugeführten Wassermenge erfolgen demnach auch nur, wenn die gemessene Elektrodentemperatur oberhalb der Elektrodenmindesttemperatur liegt. Die Elektrodenmindesttemperatur kann dabei insbesondere einer Minimalkohlenstoffbildungsgrenztemperatur entsprechen, unterhalb welcher eine weitere Senkung der Kohlenstoffbildungsgrenztemperatur durch Zuführen von Wasser zum Reformatgas nicht mehr möglich ist. Die Steuerung stoppt dementsprechend das dem Reformatgas zugeführte Wasser, wenn die gemessene Elektrodentemperatur unterhalb der Elektrodenmindesttemperatur liegt.
Entsprechend kann bei einer weiteren Ausführungsform alternativ oder zusätzlich einer vorgegebenen Elektrodenhöchsttemperatur berücksichtigt werden, wobei eine Zuführung von Wasser zum Reformatgas nur erfolgt, wenn die gemessene Elektrodentemperatur unterhalb der Elektrodenhöchsttemperatur liegt. Die oben beschriebenen Änderungen der dem Reformatgas zugeführten Wassermenge erfolgen demnach auch nur, wenn die gemessene Elektrodentemperatur unterhalb der Elektrodenhöchsttemperatur liegt. Die Elektrodenhöchsttemperatur kann dabei insbesondere einer Temperatur der Elektrode entsprechen, die höher ist als die Kohlenstoffbildungsgrenztemperatur des Reformatgases ohne Zugabe von Wasser. Die Steuerung führt dementsprechend dem Reformatgas kein Wasser zu, wenn die gemessene Elektrodentemperatur oberhalb der Elektrodenhöchsttemperatur liegt.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wird eine dem Reformer zugeführte Brennstoffmenge eines Brennstoffes und/oder eine dem Reformer zugeführte Oxidatorgasmenge eines Oxidatorgases abhängig von der gemessenen Elektrodentemperatur eingestellt. Die oben genannte oder eine weitere Steuerung ist dementsprechend derart ausgebildet bzw. programmiert, dass sie die Brennstoffmenge und/oder die Oxidatorgasmenge jeweils einzeln oder gemeinsam abhängig von der gemessenen Elektrodentemperatur einstellt. Dies kann insbesondere durch entsprechende Kennlinien bzw. Kennfelder oder optional durch Ergänzung der bereits vorhandenen Kennlinien bzw. Kennfelder realisiert werden, die der gemessenen Elektrodentemperatur eine gewisse Brennstoffmenge und/oder eine Oxidatorgasmenge zuweisen, wobei die Steuerung die entsprechenden Kennlinien berücksichtigt. Diese Kennlinien bzw. Kennfelder können insbesondere dem Zweck dienen, der gemessenen Elektrodentemperatur ein Brennstoff-Oxidatorgas-Verhältnis zuzuweisen. Das der gemessenen Elektrodentemperatur zugewiesene Brennstoff-Oxidatorgas-Verhältnis kann nun insbesondere dem Zweck dienen, eine Kohlenstoffbildungsgrenztemperatur des Reformatgases unterhalb der gemessenen Elektrodentemperatur zu halten.
Entsprechend einer weiteren Ausführungsform kann eine dem Reformer und/oder dem Reformatgas rückgeführte Anodenabgasmenge des Anodenabgases abhängig von der gemessenen Elektrodentemperatur erfolgen. Eine der oben genannten Steuerungen oder eine weitere Steuerung ist dementsprechend derart ausgebildet bzw. programmiert, dass sie die Anodenabgasmenge die dem Reformer und/oder dem Reformatgas zugeführt wird, abhängig von der gemessenen Elektrodentemperatur einstellt. 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 und/oder zum Reformatgas kann beispielsweise dem Zweck dienen, die Kohlenstoffbildungsgrenztemperatur des Reformatgases, insbesondere durch eventuell im Anodenabgas vorhandenes Wasser, unterhalb der gemessenen Elektrodentemperatur zu halten.
Zusätzlich oder optional kann bei den oben genannten Änderungen der dem Reformatgas zugeführten Wassermenge und/oder der dem Reformer zugeführten Brennstoffmenge und/oder der dem Reformer zugeführten Oxidatorgasmenge und/oder dem Reformer und/oder dem Reformatgas rückgeführten Anodenabgasmenge ein Umsatz zumindest einer der Brennstoffzellen berücksichtigen werden. 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 Wassermenge des Anodenabgases zu berücksichtigen, welches dem Reformer und/oder dem Reformatgas rückgeführt wird.
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.
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. Die Temperaturmessung kann insbesondere auch 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.
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 eine stark vereinfachte, schaltplanartige Prinzipdarstellung eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems,
2 ein Flussdiagramm zur Erläuterung eines erfindungsgemäßen Betriebsverfahrens.

Gemäß 1 umfasst ein Brennstoffzellensystem 1 zumindest eine nachfolgend als Brennstoffzelle 2 bezeichnete Hochtemperatur-Brennstoffzelle, 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 Wassermenge variiert, 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 Steuerung 24 ist zusätzlich oder alternativ derart programmiert bzw. ausgestaltet, dass sie in der Lage ist, eine dem Reformer 9 zugeführte Brennstoffmenge und/oder eine dem Reformer 9 zugeführte Oxidatorgasmenge in Abhängigkeit der mit Hilfe der Temperaturmessvorrichtung 8 gemessenen Anodentemperatur der Anode 4 zu verändern. 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 einzelnen Änderungen und Variationen der entsprechenden Leistungen der Fördereinrichtungen 22 und damit die jeweils zugeführte Wassermenge, Brennstoffmenge, Oxidatorgasmenge und Anodenabgasmenge 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 die dem Reformatgas zugeführte Wassermenge 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 Reformatgas zugeführte Wassermenge 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 Reformatgas zugeführten Wassermenge kann nun insbesondere dem Zweck dienen, eine Kohlenstoffbildungsgrenztemperatur des Reformatgases, unterhalb welcher sich Kohlenstoff aus dem Reformatgas bildet, soweit abzusenken, dass sie unterhalb der Anodentemperatur liegt.
Die dem Reformatgas zugeführte Wassermenge kann dabei insbesondere auch von einem Reformergasvolumenstrom abhängen. Dabei gilt, dass die dem Reformatgas zugeführte Wassermenge mit dem Reformergasvolumenstrom erhöht bzw. reduziert wird. Dies dient insbesondere dazu, ein Verhältnis vom Reformatgas zu Wasser zu berücksichtigen um 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. Die Werte können des Weiteren auch von den in den Folgenden genannten Parametern jeweils einzeln oder gemeinsam oder in beliebiger Kombination abhängen.
Entsprechend dem Verfahren kann insbesondere bei den Operationen 27 und 28 zusätzlich oder alternativ eine dem Reformer 9 zugeführte Brennstoffmenge und/oder eine dem Reformer 9 zugeführte Oxidatorgasmenge abhängig von der gemessenen Anodentemperatur variiert werden. Diese Schritte können optional während der Operationen 27 und 28 nachfolgende Operationen ausgeführt werden. Entsprechendes gilt für die Variante des Verfahrens, bei der Anodentemperaturebereiche und die jeweiligen Kennlinien bzw. Kennfelder berücksichtigt werden. Das Steuern der dem Reformer 9 zugeführten Brennstoffmenge und/oder der dem Reformer 9 zugeführten Oxidatorgasmenge abhängig von der gemessenen Anodentemperatur der Anode 4 kann dabei insbesondere dazu dienen, eine Kohlenstoffbildungsgrenztemperatur des Reformatgases unterhalb der gemessenen Anodentemperatur zu halten. Dabei kann beispielsweise einer Anodentemperatur der Anode 4 ein entsprechendes Brennstoff-Oxidatorgas-Verhältnis, insbesondere in Form der genannten Kennlinien und Kennfeldem, zugewiesen sein, wobei in den entsprechenden Operationen ein derartiges Verhältnis eingestellt wird.
Bei einer alternativen Form des Verfahrens, verändert die Steuerung 24 zusätzlich eine Rückführung von Anodenabgas zum Reformer. 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 Wasser, unterhalb der gemessenen Anodentemperatur zu halten.
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 Hochtemperatur-Brennstoffzelle (2) mit zumindest zwei Elektroden (3) zum Anschließen wenigstens eines elektrischen Verbrauchers (7) und einen Reformer (9) zur Erzeugung eines Reformatgases, dadurch gekennzeichnet, dass eine dem Reformatgas zugeführte Wassermenge abhängig von einer Elektrodentemperatur eingestellt wird, die einer an zumindest einer der Elektroden (3) herrschenden Temperatur entspricht.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die dem Reformatgas zugeführte Wassermenge abhängig von einem Reformatgasvolumenstrom eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführung des Wassers zum Reformatgas nur oberhalb einer vorgegebenen Elektrodenmindesttemperatur der Elektrode erfolgt.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführung des Wassers zum Reformatgas nur unterhalb einer vorgegebenen Elektrodenhöchsttemperatur der Elektrode erfolgt.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführung des Wassers zum Reformatgas abhängig von einem Umsatz mindestens einer der jeweiligen Hochtemperatur-Brennstoffzellen (2) eingestellt wird.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die dem Reformatgas zugeführte Wassermenge so eingestellt wird, dass eine Kohlenstoffbildungsgrenztemperatur des Reformatgases unterhalb der gemessenen Elektrodentemperatur liegt.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine dem Reformer (9) zugeführte Brennstoffmenge und/oder eine dem Reformer (9) zugeführte Oxidatorgasmenge abhängig von der gemessenen Elektrodentemperatur eingestellt wird.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die dem Reformatgas zugeführte Wassermenge und/oder die dem Reformer (9) zugeführte Brennstoffmenge und/oder die dem Reformer (9) zugeführte Oxidatorgasmenge abhängig vom Umsatz mindestens einer der jeweiligen Hochtemperatur-Brennstoffzellen (2) eingestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Änderungen der dem Reformer (9) zugeführten Brennstoffmenge und/oder der dem Reformer (9) zugeführten Oxidatorgasmenge und/oder die von der Elektrodentemperatur abhängige Änderung der dem Reformatgas zugeführten Wassermenge gestuft erfolgen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Änderungen der dem Reformer (9) zugeführten Brennstoffmenge und/oder der dem Reformer (9) zugeführten Oxidatorgasmenge und/oder die von der Elektrodentemperatur abhängige Änderung der dem Reformatgas zugeführten Wassermenge stufenlos erfolgen
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Änderungen der dem Reformatgas zugeführten Wassermenge und/oder der dem Reformer (9) zugeführten Brennstoffmenge und/oder die dem Reformer (9) zugeführten Oxidatorgasmenge abhängig voneinander erfolgen.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Änderungen der dem Reformatgas zugeführten Wassermenge und/oder der dem Reformer (9) zugeführten Brennstoffmenge und/oder der dem Reformer (9) zugeführten Oxidatorgasmenge unabhängig voneinander erfolgen
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Änderungen der dem Reformer (9) zugeführten Brennstoffmenge und/oder der Reformer (9) zugeführten Oxidatorgasmenge derart erfolgen, dass die Kohlenstoffbildungstemperatur des Reformatgases unterhalb der gemessenen Elektrodentemperatur liegt.
Brennstoffzellensystem (1), insbesondere eines Kraftfahrzeuges, - mit zumindest einer Hochtemperatur-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) korreliert oder dieser Temperatur entspricht, - mit zumindest einem Reformer (9) zur Erzeugung eines Reformatgases zur Versorgung der Hochtemperatur-Brennstoffzelle (2), - mit zumindest einer Wasserzuführeinrichtung (11) zum Zuführen von Wasser zum Reformatgas, vorzugsweise zwischen dem Reformer (9) und der Hochtemperatur-Brennstoffzelle (2), und - mit einer Steuerung (24), die so ausgestaltet und/oder programmiert ist, dass sie das Brennstoffzellensystem (1) gemäß dem Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 13 betreiben kann.
Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoffzellensystem (1) zumindest einen Restgasbrenner (16) zur Verbrennung von Anodenabgas und Kathodenabgas aufweist, wobei der Restgasbrenner (16) eine Brennerabgasleitung (18) aufweist, die mit einer Kathodengaszuführeinrichtung (20) zur Versorgung der Hochtemperatur-Brennstoffzelle (2) mit Kathodengas wärmeübertragend gekoppelt ist.