DE102012221461A1 - Fuel cell system and method for operating a fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem (1) mit einem Brennstoffzellenstack. Um einen besonders effektiven Austausch einer Entschwefelungsvorrichtung (10) zu erreichen und das Brennstoffzellensystem (1) vor durch schwefelhaltige Substanzen bewirkten Beschädigungen zu schützen, umfasst das Brennstoffzellensystem (1) – wenigstens eine Brennstoffzelle (2); – eine Anodengasführung (9) zum Zuführen von Anodengas zu der Brennstoffzelle (2); – eine Kathodengasführung (15) zum Zuführen von Kathodengas zu der Brennstoffzelle (2); und – eine Entschwefelungsvorrichtung (10) zum Entfernen von schwefelhaltigen Substanzen aus dem Anodengas, wobei – ein Schwefelsensor (36) zur Erfassung des Schwefelgehalts des zugeführten Anodengases vorgesehen ist. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems (1) und die Verwendung eines derartigen Brennstoffzellensystems (1).The present invention relates to a fuel cell system (1) with a fuel cell stack. In order to achieve a particularly effective replacement of a desulfurization device (10) and to protect the fuel cell system (1) from damage caused by substances containing sulfur, the fuel cell system (1) comprises - at least one fuel cell (2); - An anode gas guide (9) for supplying anode gas to the fuel cell (2); A cathode gas guide (15) for supplying cathode gas to the fuel cell (2); and - a desulfurization device (10) for removing sulfur-containing substances from the anode gas, wherein - a sulfur sensor (36) is provided for detecting the sulfur content of the supplied anode gas. The present invention further relates to a method for operating a fuel cell system (1) and the use of such a fuel cell system (1).
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem und ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems.The present invention relates to a fuel cell system and a method of operating a fuel cell system.
Stand der TechnikState of the art
Wegen ihres Potentials zur Senkung des CO2-Ausstoßes für die Bereitstellung von Strom und Wärme spielt die Kraft-Wärme-Kopplung eine zunehmend wichtigere Rolle im Energiemarkt. Dabei sind Brennstoffzellen-Anlagen auf Basis von keramischen Zellen (SOFC), die bei hoher Temperatur (beispielsweise 650–1000 °C) betrieben werden, wegen ihres hohen elektrischen Wirkungsgrads (etwa bis zu 60 %) besonders interessant. Diese Anlagen werden oftmals mit Erdgas aus dem Erdgasnetz betrieben. Wichtige Herausforderungen sind die Erreichung eines möglichst hohen elektrischen Wirkungsgrads bei gleichzeitig hoher Lebensdauer der Zellen. Cogeneration is playing an increasingly important role in the energy market because of its potential to reduce CO 2 emissions for the provision of electricity and heat. Here, fuel cell systems based on ceramic cells (SOFC), which are operated at high temperature (for example, 650-1000 ° C), because of their high electrical efficiency (about up to 60%) are particularly interesting. These plants are often operated with natural gas from the natural gas grid. Important challenges are the achievement of the highest possible electrical efficiency combined with a high cell life.
In dem Dokument
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Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Brennstoffzellensystem mit einem Brennstoffzellenstack, umfassend
- – wenigstens eine Brennstoffzelle;
- – eine Anodengasführung zum Zuführen von Anodengas zu der Brennstoffzelle;
- – eine Kathodengasführung zum Zuführen von Kathodengas zu der Brennstoffzelle; und
- – eine Entschwefelungsvorrichtung zum Entfernen von schwefelhaltigen Substanzen aus dem Anodengas, wobei
- – ein Schwefelsensor zur Erfassung des Schwefelgehaltes des zugeführten Anodengases vorgesehen ist.
- - at least one fuel cell;
- An anode gas guide for supplying anode gas to the fuel cell;
- A cathode gas guide for supplying cathode gas to the fuel cell; and
- - A desulfurization device for removing sulfur-containing substances from the anode gas, wherein
- - A sulfur sensor is provided for detecting the sulfur content of the supplied anode gas.
Ein derartiges Brennstoffzellensystem kann als zentrale Einheit somit einen Brennstoffzellenstack umfassen, der wenigstens eine Brennstoffzelle aufweist. Insbesondere kann der Brennstoffzellenstack eine Mehrzahl an Brennstoffzellen aufweisen, die planar und/oder tubular ausgestaltet sein können. Dabei soll der Begriff Brennstoffzellenstack nicht einschränkend derart verstanden werden, dass die Brennstoffzellen gestapelt angeordnet sind.Such a fuel cell system may thus comprise as a central unit a fuel cell stack which has at least one fuel cell. In particular, the fuel cell stack may have a plurality of fuel cells, which may be planar and / or tubular. The term fuel cell stack should not be understood to be limiting in that the fuel cells are stacked.
Die Brennstoffzellen sind dabei in ihrer Ausführung nicht beschränkt und können beispielsweise bezüglich Art und Material der Anode beziehungsweise Kathode, bezüglich Art und Material des Elektrolyten sowie bezüglich des Anoden- und Kathodengases frei wählbar sein. Beispielsweise können die Brennstoffzellen als Festoxidbrennstoffzellen ausgestaltet sein. Dabei kann zwischen der Anode und der Kathode in an sich bekannter Weise ein Elektrolyt angeordnet sein.The fuel cells are not limited in their execution and can be freely selected, for example, with respect to the type and material of the anode or cathode, with respect to the type and material of the electrolyte and with respect to the anode and cathode gas. For example, the fuel cells may be designed as solid oxide fuel cells. In this case, an electrolyte can be arranged between the anode and the cathode in a manner known per se.
Weiterhin kann das Brennstoffzellensystem zweckmäßigerweise einen Anschluss beziehungsweise eine Schnittstelle zum Anschließen einer Anodengasquelle und einen Anschluss beziehungsweise eine Schnittstelle zum Anschließen einer Kathodengasquelle umfassen. Die Art der jeweiligen Gasquelle ist nicht beschränkend. Beispielsweise kann die Anodengasquelle eine Quelle für Erdgas, Flüssiggas, Wasserstoff oder ein wasserstoffhaltiges Gas sein wohingegen die Kathodengasquelle beispielsweise eine Quelle für Sauerstoff oder ein sauerstoffhaltiges Gas, wie etwa Luft, sein kann. Die Anodengasquelle und die Kathodengasquelle sind dabei mit der Anode beziehungsweise mit der Kathode derart verbunden, etwa über eine geeignete Anodengasführung beziehungsweise Kathodengasführung, so dass Anodengas beziehungsweise Kathodengas zu der Anode beziehungsweise zu der Kathode führbar ist. Folglich kann Anodengas im Sinne der vorliegenden Erfindung insbesondere das zur Anode geführte Gas sein, wohingegen Kathodengas insbesondere das zur Kathode geführte Gas sein kann.Furthermore, the fuel cell system may expediently comprise a connection or an interface for connecting an anode gas source and a connection or an interface for connecting a cathode gas source. The type of gas source is not limiting. For example, the anode gas source may be a source of natural gas, LPG, hydrogen, or a hydrogen-containing gas, whereas the cathode gas source may be, for example, a source of oxygen or an oxygen-containing gas, such as air. The anode gas source and the cathode gas source are connected to the anode or to the cathode in such a way, for example via a suitable anode gas guide or cathode gas guide, so that anode gas or cathode gas to the anode or to the cathode is feasible. Consequently, for the purposes of the present invention, anode gas may be, in particular, the gas guided to the anode, whereas cathode gas may be, in particular, the gas conducted to the cathode.
Insbesondere kann das Brennstoffzellensystem einen Reformer zum Aufbereiten von Anodengas aufweisen. Diese Ausgestaltung ist insbesondere von Vorteil für die Verwendung einer Brennstoffzelle, welche mit Erdgas als Anodengas arbeitet. Hier können unter Umständen die im Erdgas enthaltenen Kohlenwasserstoffverbindungen an der Anode beispielsweise einer Hochtemperaturbrennstoffzelle nicht oder nur bedingt reaktionsfähig sein. Sie können jedoch durch eine Reformierungsreaktion beispielsweise in Wasserstoff und Kohlenmonoxid umgewandelt werden. Eine derartige Reformierung kann dabei neben einer Reaktion auf der katalytischen Anodenoberfläche insbesondere in dem vor dem Anodeneingang angeordneten Reformer beziehungsweise Prereformer ablaufen.In particular, the fuel cell system may include a reformer for processing anode gas. This embodiment is particularly advantageous for the use of a fuel cell, which works with natural gas as the anode gas. Here, under certain circumstances, the hydrocarbon compounds contained in the natural gas at the anode, for example, a high-temperature fuel cell can not be or only partially reactive. However, they can be converted by a reforming reaction into, for example, hydrogen and carbon monoxide. Such reforming can take place in addition to a reaction on the catalytic anode surface, in particular in the arranged before the anode input reformer or pre-reformer.
Da Erdgas beispielsweise oftmals schwefelhaltige Substanzen umfasst beziehungsweise diesem Schwefelverbindungen als Odorierungsmittel im Erdgasnetz zugesetzt werden, kann das Brennstoffzellensystem eine Entschwefelungsvorrichtung zum Entfernen von Schwefel beziehungsweise von schwefelhaltigen Substanzen aus dem Anodengas umfassen. Schwefelhaltige Substanzen können dabei im Sinne der vorliegenden Erfindung insbesondere reiner Schwefel beziehungsweise Substanzen sein, die zumindest teilweise Schwefel und/oder Schwefelverbindungen umfassen. For example, since natural gas often comprises sulfur-containing substances or sulfur compounds are added thereto as odorants in the natural gas network, the fuel cell system may comprise a desulfurization device for removing sulfur or sulfur-containing substances from the anode gas. In the context of the present invention, sulfur-containing substances may in particular be pure sulfur or substances which at least partially comprise sulfur and / or sulfur compounds.
Durch eine derartige Entschwefelungsvorrichtung können daher schwefelhaltige Substanzen aus dem Anodengasstrom entfernt werden und es kann somit verhindert werden, dass derartige schwefelhaltige Substanzen in den Reformer oder in die Brennstoffzelle beziehungsweise in den Brennstoffzellenstapel gelangen, wo sie eine Schädigung dieser Komponenten bewirken könnten. By means of such a desulphurisation device, sulfur-containing substances can therefore be removed from the anode gas stream and it can thus be prevented that such sulfur-containing substances enter the reformer or the fuel cell or into the fuel cell stack, where they could cause damage to these components.
Eine Entschwefelungsvorrichtung kann dabei insbesondere auf physikalischen und/oder chemischen Adsorptionsverfahren basieren. Sie kann ferner als Kartusche beziehungsweise als auswechselbares Bauteil ausgestaltet sein, welches oftmals beispielsweise aufgrund von Volumenanforderungen an das Brennstoffzellensystem nicht für die gesamte Lebensdauer des Brennstoffzellensystems ausgelegt ist, sondern als Austauschelement für definierte Intervalle ausgestaltet sein kann. A desulphurisation device may be based in particular on physical and / or chemical adsorption processes. It can also be designed as a cartridge or as a replaceable component, which is often not designed, for example, due to volume requirements of the fuel cell system for the entire life of the fuel cell system, but can be configured as a replacement element for defined intervals.
Um beispielsweise einen Austausch derartiger Vorrichtungen besonders effizient gestalten zu können, ist ein Schwefelsensor zur Erfassung des Schwefelgehalts des zugeführten Anodengases vorgesehen. Dadurch kann der Schwefelgehalt des Anodengases ermittelt und dadurch gleichermaßen die Schwefelbeladung einer Entschwefelungsvorrichtung bestimmt werden. Unter dem Schwefelgehalt kann im Sinne der vorliegenden Erfindung insbesondere die Konzentration an Schwefel beziehungsweise an schwefelhaltigen Substanzen insbesondere in dem Anodengas verstanden werden. Dabei kann in für den Fachmann ersichtlicher Weise durch eine Messung des Schwefelgehalts in dem Anodenabgas indirekt ebenfalls der Schwefelgehalt in dem Anodengas ermittelt werden. For example, in order to make an exchange of such devices particularly efficient, a sulfur sensor for detecting the sulfur content of the supplied anode gas is provided. As a result, the sulfur content of the anode gas can be determined and thus the sulfur loading of a desulphurisation device can be determined in the same way. For the purposes of the present invention, the sulfur content may be understood in particular to mean the concentration of sulfur or of substances containing sulfur, in particular in the anode gas. In this case, the sulfur content in the anode gas can also be indirectly determined by measuring the sulfur content in the anode exhaust gas in a way which is obvious to the person skilled in the art.
Durch einen derartigen Schwefelsensor kann somit vorteilhaft ermittelt werden, welche Konzentration an schwefelhaltigen Substanzen in dem Anodengas tatsächlich vorliegt beziehungsweise welche Menge an schwefelhaltigen Substanzen durch die Entschwefelungsvorrichtung bereits aus dem Anodengas entfernt wurde. Dadurch kann darauf reagiert werden, dass der Schwefelgehalt des Gases an verschiedenen Orten unterschiedlich ist und ferner über die Zeit schwankt. Es kann somit definiert und sicher und im Voraus festgestellt werden, wann eine Entschwefelungsvorrichtung ausgetauscht werden sollte beziehungsweise wann ein für das Brennstoffzellensystem schädlicher Schwefeldurchbruch zu erwarten ist. By means of such a sulfur sensor, it can thus be advantageously determined which concentration of sulfur-containing substances is actually present in the anode gas or which amount of sulfur-containing substances has already been removed from the anode gas by the desulphurisation device. This can be reacted to the fact that the sulfur content of the gas is different at different locations and also varies over time. It can thus be defined and determined in advance and in advance when a desulphurisation device should be replaced or when a sulfur breakthrough that is detrimental to the fuel cell system can be expected.
Dadurch kann zum Einen verhindert werden, dass die Entschwefelungsvorrichtung beziehungsweise die Kartusche überdimensioniert werden muss und/oder ausgetauscht wird, bevor eine größtmögliche Beladung erreicht ist. Vielmehr können die Wechselintervalle bedarfsgerecht ausgeführt werden, so dass die eingesetzten Kartuschen optimal genutzt werden können. Dadurch können Kosten eingespart werden. Weiterhin können auch bei unerwartet hoher Konzentration, wie etwa einer Stoßodorierung, an Schwefel beziehungsweise an schwefelhaltigen Substanzen Schäden des Brennstoffzellensystems verhindert werden. Somit wird das System geschützt vor Schäden durch unerwartet hohe Schwefelkonzentrationen in dem verwendeten Anodengas, wie etwa in verwendetem Erdgas. This can be prevented on the one hand that the desulfurization device or the cartridge must be oversized and / or replaced before a maximum load is reached. Rather, the change intervals can be performed as needed, so that the cartridges used can be used optimally. This can save costs. Furthermore, damage to the fuel cell system can be prevented even at unexpectedly high concentration, such as a shock odorization of sulfur or sulfur-containing substances. Thus, the system is protected from damage by unexpectedly high sulfur concentrations in the anode gas used, such as natural gas used.
Im Rahmen einer Ausgestaltung kann der Schwefelsensor auf einer chemischen und/oder elektrochemischen Reaktion basieren. Insbesondere kann der Schwefelsensor auf einer Reaktion des Anodengases mit Sauerstoff basieren. Dabei kann die Stärke der Reaktion in Abhängigkeit des Schwefelgehalts abnehmen. Weiterhin kann in dieser Ausgestaltung der Schwefelsensor mindestens einen durch eine schwefelhaltige Substanz vergiftbaren Katalysator umfassen. Dabei kann der Schwefelgehalt aus der Abnahme der Stärke der Reaktion, welche beispielsweise elektrisch und/oder thermisch messbar sein kann, ermittelbar sein. In dieser Ausgestaltung kann eine Ermittlung des Schwefelgehalts somit insbesondere auf einer Beeinflussung beziehungsweise Vergiftung des Schwefelsensors basieren. Dabei wird die Beeinflussung beziehungsweise Vergiftung durch die Anwesenheit schwefelhaltiger Substanzen hervorgerufen und ist insbesondere abhängig von dem Gehalt an schwefelhaltigen Verbindungen, also von deren Konzentration. Somit kann durch die Beeinflussung der Arbeitsweise eines Schwefelsensors, also insbesondere durch die Beeinflussung beziehungsweise das Abnehmen der Stärke einer chemischen und/oder elektrochemischen Reaktion des Schwefelsensors auf den Gehalt an schwefelhaltigen Substanzen in dem Anodengas geschlossen werden. Within the scope of an embodiment, the sulfur sensor can be based on a chemical and / or electrochemical reaction. In particular, the sulfur sensor may be based on a reaction of the anode gas with oxygen. The strength of the reaction may decrease depending on the sulfur content. Furthermore, in this embodiment, the sulfur sensor may comprise at least one catalyst poisonable by a sulfur-containing substance. In this case, the sulfur content can be determined from the decrease in the strength of the reaction, which can be measured, for example, electrically and / or thermally. In this embodiment, a determination of the sulfur content can thus be based in particular on influencing or poisoning of the sulfur sensor. In this case, the influence or poisoning is caused by the presence of sulfur-containing substances and is particularly dependent on the content of sulfur-containing compounds, ie of their concentration. Thus, by influencing the operation of a sulfur sensor, ie in particular by influencing or decreasing the strength of a chemical and / or electrochemical reaction of the sulfur sensor on the content of sulfur-containing substances in the anode gas can be concluded.
Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung kann der Schwefelsensor als katalytischer und/oder elektrochemischer Sensor ausgebildet sein, insbesondere wobei der Schwefelsensor einen Verbrennungskatalysator, eine Brennstoffzelle oder eine Lambdasonde umfassen oder sein kann. Derartige Schwefelsensoren können besonders kostengünstig ausbildbar sein und können dabei insbesondere mit Bezug auf Schwefel beziehungsweise schwefelhaltige Substanzen besonders sensitiv und selektiv sein. Darüber hinaus sind derartige Schwefelsensoren auch bei hohen Temperaturen besonders langzeitstabil und arbeiten sicher. Weiterhin kann es möglich sein, derartige Schwefelsensoren durch ohnehin in einem Brennstoffzellensystem vorhandene Steuergeräte beziehungsweise Peripherie zu steuern beziehungsweise die ermittelten Daten auswerten zu können. Dadurch können derartige Schwefelsensoren besonders kostengünstig und mit einfachem Aufbau auch in bereits bestehende Brennstoffzellensysteme integrierbar sein. In the context of a further embodiment, the sulfur sensor may be formed as a catalytic and / or electrochemical sensor, in particular wherein the sulfur sensor may include or may be a combustion catalyst, a fuel cell or a lambda probe. Such sulfur sensors can be formed particularly inexpensive and can in particular with respect to sulfur or sulfur-containing substances to be particularly sensitive and selective. In addition, such sulfur sensors are particularly long-term stability and work safely even at high temperatures. Furthermore, it may be possible to control such sulfur sensors by control units or peripherals already present in a fuel cell system or to be able to evaluate the determined data. As a result, such sulfur sensors can be integrated into existing fuel cell systems in a particularly cost-effective and simple manner.
Dabei können derartige Schwefelsensoren ferner auf einem besonders vorteilhaften Messverfahren basieren. Im Detail kann die Auswertung beispielsweise in dieser Ausgestaltung darauf basieren, dass der Schwefelsensor durch schwefelhaltige Substanzen vergiftet wird und damit nicht mehr wie gewünscht arbeitet. Folglich kann in dieser Ausgestaltung des Schwefelsensors insbesondere ein Abweichen von einer standardisierten und definierten Arbeitsweise zur Schwefelbestimmung dienen. Für den Fall eines Verbrennungskatalysators, beispielsweise, kann die Oxidation des Anodengases zur Schwefelbestimmung dienen. Dabei kann für die Oxidation des Anodengases insbesondere die Zufuhr von Kathodengas als Sauerstoffquelle für ein Verbrennen des Anodengases oder Anodenabgases von Vorteil sein, da bei einem Brennstoffzellensystem meist ohnehin eine genau geregelte Steuerung der Kathodengaszufuhr vorgesehen ist. Bezüglich eines elektrochemischen Sensors, der insbesondere eine Brennstoffzelle sein kann, kann diese ebenfalls durch schwefelhaltige Substanzen vergiftet werden, was beispielsweise an einer verminderten Erzeugung elektrischer Energie detektierbar sein kann. Weiterhin kann auch eine Lambdasonde durch eine Schwefelvergiftung mit verminderter Leistung arbeiten. Somit kann der Schwefelsensor insbesondere über eine Schwefelvergiftung und damit eine eingeschränkte Reaktion mit dem Anodengas die Konzentration an schwefelhaltigen Substanzen detektieren. In this case, such sulfur sensors can also be based on a particularly advantageous measurement method. In detail, the evaluation, for example, in this embodiment based on that the sulfur sensor is poisoned by sulfur-containing substances and thus no longer works as desired. Consequently, in this embodiment of the sulfur sensor in particular a deviation from a standardized and defined operation for sulfur determination can serve. For example, in the case of a combustion catalyst, the oxidation of the anode gas may serve to determine sulfur. In this case, for the oxidation of the anode gas in particular the supply of cathode gas as an oxygen source for burning the anode gas or anode exhaust gas be advantageous because in a fuel cell system usually a precisely controlled control of the cathode gas supply is provided anyway. With regard to an electrochemical sensor, which may be a fuel cell in particular, it may also be poisoned by substances containing sulfur, which may be detectable, for example, due to a reduced generation of electrical energy. Furthermore, a lambda probe can work by a sulfur poisoning with reduced power. Thus, the sulfur sensor can detect the concentration of sulfur-containing substances in particular via sulfur poisoning and thus a limited reaction with the anode gas.
Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung kann der Katalysator des Schwefelsensors Nickel, Palladium, Platin oder Mischungen daraus umfassen beziehungsweise aus den vorgenannten Materialien bestehen. Insbesondere als katalytischer Sensor können schwefelhaltige Substanzen beziehungsweise kann Schwefel besonders sensitiv und selektiv detektiert und nachgewiesen werden. Beispielsweise kann dem Schwefelsensor in dieser Ausgestaltung neben dem Anodengas ein sauerstoffhaltiges Gas, wie beispielsweise das Kathodengas, etwa Luft, zugeführt werden, um das Anodengas katalytisch oxidieren zu können und mit der katalytischen Oxidierung zusammenhängende Parameter zur Bestimmung der Konzentration an Schwefel beziehungsweise an schwefelhaltigen Substanzen heranziehen zu können. Dabei können derartige Materialien ferner für eine gute Auswertung in geeigneter Weise durch schwefelhaltige Substanzen vergiftet werden. ferner sind derartige Materialien in einem Brennstoffzellensystem meist ohnehin vorhanden, so dass ein Brennstoffzellensystem in dieser Ausgestaltung besonders kostengünstig ausbildbar sein kann. In a further embodiment, the catalyst of the sulfur sensor nickel, palladium, platinum or mixtures thereof may comprise or consist of the aforementioned materials. In particular, as a catalytic sensor sulfur-containing substances or sulfur can be detected and detected particularly sensitive and selective. For example, the sulfur sensor in this embodiment, in addition to the anode gas, an oxygen-containing gas, such as the cathode gas, such as air, are supplied to catalytically oxidize the anode gas and related to the catalytic oxidation parameters for determining the concentration of sulfur or sulfur-containing substances to be able to. In this case, such materials can also be poisoned by sulfur-containing substances for a good evaluation in a suitable manner. Furthermore, such materials are usually already present in a fuel cell system anyway, so that a fuel cell system in this embodiment can be designed in a particularly cost-effective manner.
Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung kann der Schwefelsensor
- – in der Anodengasführung und/oder
- – in einer Anodenabgasführung zum Abführen von Anodenabgas von der Brennstoffzelle und/oder
- – in einer von der Anodengasführung und/oder von der Anodenabgasführung abzweigenden Sensorführung
- - in the anode gas guide and / or
- In an anode exhaust gas duct for discharging anode exhaust gas from the fuel cell and / or
- In a sensor guide branching off from the anode gas guide and / or from the anode exhaust gas guide
In dieser Ausgestaltung kann der Schwefelsensor besonders günstig angeordnet sein, um eine Konzentration an schwefelhaltigen Substanzen in dem Anodengas oder Anodenabgas sicher und genau detektieren zu können. Bei dem Anordnen des Schwefelsensors in einer Anodengasführung beziehungsweise Anodenabgasführung kommt der Schwefelsensor mit besonders einfachem Aufbau mit dem Anodengas beziehungsweise mit dem Anodenabgas in Kontakt, um den Gehalt an schwefelhaltigen Substanzen zu ermitteln. Bei einer Anordnung in einer Sensorführung kann der Schwefelsensor eigenständig temperiert werden. Darüber hinaus kann unter definierten Bedingungen auf besonders einfache Weise sauerstoffhaltiges Gas zu dem Schwefelsensor geleitet werden, um beispielsweise Sauerstoff für eine Oxidation des Anodengases bereitzustellen. Dies kann beispielsweise durch eine geeignete Kathodengasführung oder Kathodenabgasführung realisiert werden, die in die Sensorführung münden kann. In this embodiment, the sulfur sensor can be arranged particularly favorable in order to detect a concentration of sulfur-containing substances in the anode gas or anode exhaust gas safely and accurately. When arranging the sulfur sensor in an anode gas guide or anode exhaust gas, the sulfur sensor with a particularly simple structure with the anode gas or with the anode exhaust gas comes into contact to determine the content of sulfur-containing substances. In an arrangement in a sensor guide, the sulfur sensor can be tempered independently. In addition, under defined conditions oxygen-containing gas can be passed to the sulfur sensor in a particularly simple manner, for example, to provide oxygen for an oxidation of the anode gas. This can be realized for example by a suitable cathode gas guide or cathode exhaust gas guide, which can lead to the sensor guide.
Bezüglich der Sensorführung kann dabei ferner ein geeignetes Volumen an Anodengas dem Schwefelsensor zugeführt werden, ohne jedoch den Strom an Anodengas wesentlich zu beeinflussen. Dadurch kann, beispielsweise wenn der Anodengasstrom in geeigneter Weise durch Ventile in einen durch die Sensorführung strömenden Teilstrom und in einen zur Anode strömenden Teilstrom aufteilbar ist, zum Einen die Brennstoffzelle stets wie gewünscht und mit einem geeigneten Anodengasstrom arbeiten, zum Anderen jedoch dem Schwefelsensor stets das gleiche und konstante Volumen an Anodengas zugeführt werden, so dass auch die Messbedingungen stets konstant sein können. In dieser Ausgestaltung können insbesondere der durch die Sensorführung geführte Anodengasstrom und der zu der Anode geführte Anodengasstrom unabhängig voneinander einstellbar sein. Ein Abzweigen von der Anodengasführung kann dabei gleichermaßen ein Abzweigen von der in der Anodengasführung angeordneten Entschwefelungsvorrichtung umfassen. With regard to the sensor guidance, a suitable volume of anode gas can furthermore be supplied to the sulfur sensor, but without substantially influencing the flow of anode gas. As a result, for example, when the anode gas stream is divisible by valves in a flowing through the sensor guide partial flow and a partial stream flowing to the anode, for a fuel cell always as desired and work with a suitable anode gas flow, on the other hand, however, the sulfur sensor always the same and constant volume of anode gas are supplied, so that the measurement conditions can always be constant. In this embodiment, in particular, the guided through the sensor guide anode gas flow and guided to the anode anode gas flow can be independently adjustable. A branching off of the anode gas guide can equally well Branches of the arranged in the anode gas guide desulfurization include.
Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung kann die Anodengasführung und/oder die Anodenabgasführung und/oder die Sensorführung eine Innenbeschichtung aufweisen, wobei die Innenbeschichtung den Katalysator des Schwefelsensors umfasst. Dies ist eine besonders einfache und effektive Ausgestaltung, um den Schwefelgehalt in dem Anodengas beziehungsweise in dem Anodenabgas messen zu können. Im Detail kann der Katalysator durch ein herkömmliches Beschichtungsverfahren, beispielsweise, auf die innere Oberfläche einer Gasführung, wie beispielsweise eines Rohres, aufgebracht werden, was Kosten sparen und einfach in der Herstellung sein kann. Darüber hinaus kann der Katalysator auf besonders einfache Weise durch ein einfaches Durchströmen der Gasführung mit dem Anodengas in Kontakt gebracht werden, wobei der Katalysator ferner eine besonders große Oberfläche aufweist und dadurch besonders aktiv sein kann. In the context of a further embodiment, the anode gas guide and / or the anode exhaust gas guide and / or the sensor guide may have an inner coating, wherein the inner coating comprises the catalyst of the sulfur sensor. This is a particularly simple and effective embodiment in order to be able to measure the sulfur content in the anode gas or in the anode exhaust gas. In detail, the catalyst can be applied by a conventional coating method, for example, to the inner surface of a gas guide, such as a pipe, which can save costs and be easy to manufacture. In addition, the catalyst can be brought into contact with the anode gas in a particularly simple manner by simply flowing through the gas guide, wherein the catalyst further has a particularly large surface and thus can be particularly active.
Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung kann der Schwefelsensor in gasleitender Verbindung, insbesondere in direkter gasleitender Verbindung, mit der Entschwefelungsvorrichtung angeordnet ist. In dieser Ausgestaltung kann besonders genau die zu detektierende Konzentration ermittelbar sein. Denn durch die insbesondere direkte und unmittelbare gasleitende Verbindung zwischen Entschwefelungsvorrichtung und Schwefelsensor kann der Schwefelsensor unmittelbar den Gasstrom vermessen, der die Entschwefelungsvorrichtung durchfließt und somit stets korrekte und verlässliche Daten liefern, die in unmittelbarem Zusammenhang mit dem Arbeiten der Entschwefelungsvorrichtung liegen. Eine gasleitende Verbindung kann dabei beispielsweise durch eine Gasführung, wie beispielsweise ein Rohr, oder auf andere dem Fachmann grundsätzlich bekannte Art realisiert werden. In the context of a further embodiment, the sulfur sensor in gas-conducting connection, in particular in direct gas-conducting connection, is arranged with the desulfurization device. In this embodiment, the concentration to be detected can be determined particularly accurately. Because of the particular direct and immediate gas-conducting connection between desulfurization and sulfur sensor, the sulfur sensor can directly measure the gas flow through the desulfurization and thus always provide correct and reliable data that are directly related to the work of the desulfurization. A gas-conducting connection can be realized for example by a gas guide, such as a pipe, or in any other way known in the art.
Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung kann die Entschwefelungsvorrichtung eine bestimmte Flusstrecke für das Anodengas aufweisen und kann die Sensorführung von der Entschwefelungsvorrichtung an einer Stelle abzweigen, die in einem Bereich von 50 bis 90 % der Flusstrecke für das Anodengas liegt, oder kann der Schwefelsensor an einer Stelle angeordnet sein, die in einem Bereich von 50 bis 90 % der Flusstrecke für das Anodengas liegt. In dieser Ausgestaltung ist eine besonders genaue Detektion des Gehalts an schwefelhaltigen Substanzen möglich, da hier im Wesentlichen nur ein Schwefeldurchbruch detektiert zu werden braucht. Im Detail wird kein Schwefel detektiert, solange die Entschwefelungsvorrichtung stromaufwärts der Abzweigung beziehungsweise des Schwefelsensors wie gewünscht arbeitet. Wenn die Entschwefelungsvorrichtung beziehungsweise der in einem Anfangsbereich angeordnete Bereich jedoch nur noch begrenzt arbeitet, etwa durch ein hohes Maß an Beladung, und dadurch schwefelhaltige Substanzen passieren lässt, kann dies durch den Schwefelsensor ermittelt werden. Dabei kann es insbesondere von Vorteil sein, dass der Schwefelsensor an einer Stelle angeordnet ist beziehungsweise die Sensorführung von einer Stelle abzweigt, von der stromabwärts in Flussrichtung des Anodengases noch eine Restkapazität an unbeladener und somit ordnungsgemäß arbeitender Entschwefelungsvorrichtung vorhanden ist, wodurch ein Austausch der Entschwefelungsvorrichtung nicht unmittelbar notwendig wird. Dabei kann die weitere mögliche Laufdauer insbesondere in Abhängigkeit der genauen Anordnung der Abzweigung der Sensorführung beziehungsweise des Schwefelsensors ausgebildet werden. Beispielsweise kann eine geeignete Stelle für den Schwefelsensor beziehungsweise für die Abzweigung der Sensorführung in dem letzten Drittel der Entschwefelungsvorrichtung in Flussrichtung des Anodengases sein. Beispielsweise kann eine derartige Stelle in Flussrichtung des Anodengases an einer Stelle von 75 % bis 90 % der Flussstrecke der Entschweflungsvorrichtung angeordnet sein, wobei somit noch ein Bereich von > 10 % bis < 25 % an Flusstrecke stromabwärts des Schwefelsensors oder der Abzweigung vorgesehen ist. Diese Werte sind jedoch rein beispielhaft und können je nach der zu erwartenden Schwefelbelastung des Anodengases und der gewünschten Vorlaufzeit bis zu einem Ausfall der Entschwefelungsvorrichtung abhängig sein. Obige Werte können beispielsweise für ein Wechselintervall der Entschwefelungsvorrichtung von zwei Jahren und einer Vorlaufzeit von 2 bis 3 Monaten gültig sein. Die Flussstrecke kann dabei insbesondere die von dem Anodengas durchströmte Wegstrecke meinen. In another embodiment, the desulfurization device may have a certain flow path for the anode gas and may branch the sensor guide from the desulfurization device at a location that is within a range of 50 to 90% of the anode gas flow path, or the sulfur sensor may be located at one location can be arranged, which lies in a range of 50 to 90% of the flow path for the anode gas. In this embodiment, a particularly accurate detection of the content of sulfur-containing substances is possible because essentially only one sulfur breakthrough needs to be detected here. In detail, no sulfur is detected as long as the desulfurization device operates upstream of the branch or sulfur sensor as desired. However, if the desulfurization device or the region arranged in an initial region only works to a limited extent, for instance due to a high degree of loading, and thereby allows substances containing sulfur to pass through, this can be determined by the sulfur sensor. It may be particularly advantageous that the sulfur sensor is arranged at one point or the sensor guide branches from a point downstream of the flow direction of the anode gas still has a residual capacity of unloaded and thus properly operating desulfurization, whereby an exchange of the desulfurization not becomes immediately necessary. In this case, the further possible running time can be formed in particular depending on the exact arrangement of the branch of the sensor guide or the sulfur sensor. For example, a suitable location for the sulfur sensor or for the diversion of the sensor guide in the last third of the desulfurization in the direction of flow of the anode gas. For example, such a location in the direction of flow of the anode gas may be located at a position of 75% to 90% of the flow path of the desulfurization device, thus still providing a range of> 10% to <25% of the flow distance downstream of the sulfur sensor or branch. However, these values are purely exemplary and may depend on the anticipated sulfur loading of the anode gas and the desired lead time to failure of the desulfurization device. The above values may, for example, be valid for a change interval of the desulphurisation device of two years and a lead time of 2 to 3 months. In this case, the flow path can mean, in particular, the path through which the anode gas flows.
Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung kann
- – ein Temperatursensor zum Ermitteln der Temperatur des Schwefelsensors und/oder des Sensorabgases vorgesehen sein, und kann der Schwefelgehalt aus einer Abnahme der Temperatur des Schwefelsensors und/oder des Sensorabgases ermittelbar sein, und/oder kann
- – eine Spannungs- und/oder Strom- und/oder Widerstandsmessvorrichtung zum Ermitteln von Strom, Widerstand und/oder Spannung des Schwefelsensors vorgesehen sein, wobei der Schwefelgehalt aus einer Veränderung der Spannung und/oder des Stroms und/oder des Widerstands des Schwefelsensors ermittelbar ist.
- A temperature sensor for determining the temperature of the sulfur sensor and / or the sensor exhaust gas can be provided, and the sulfur content can be determined from a decrease in the temperature of the sulfur sensor and / or the sensor exhaust gas, and / or can
- A voltage and / or current and / or resistance measuring device can be provided for determining the current, resistance and / or voltage of the sulfur sensor, wherein the sulfur content can be determined from a change in the voltage and / or the current and / or the resistance of the sulfur sensor ,
In dieser Ausgestaltung kann in besonders vorteilhafter Weise eine Detektion des Gehalts an schwefelhaltigen Substanzen ausgewertet werden. Im Detail sind ein Temperatursensor wie auch eine Spannungs- und/oder Strom- und/oder Widerstandsmessvorrichtung kostengünstig in ein Brennstoffzellensystem implementierbar. Weiterhin sind durch derartige Messverfahren bereits kleine Veränderungen der Temperatur beziehungsweise von Strom, Widerstand oder Spannung detektierbar, so dass ein Schwefelsensor in dieser Ausgestaltung besonders sensitiv sein kann. In this embodiment, a detection of the content of sulfur-containing substances can be evaluated in a particularly advantageous manner. In detail, a temperature sensor as well as a voltage and / or current and / or resistance measuring device are inexpensive in one Fuel cell system can be implemented. Furthermore, even small changes in the temperature or current, resistance or voltage can be detected by such measuring methods, so that a sulfur sensor in this embodiment can be particularly sensitive.
Ein Temperatursensor kann dabei insbesondere bei der Verwendung eines Verbrennungskatalysators in einem Schwefelsensor von Vorteil sein, da hier durch eine Verbrennung des Anodengases und/oder Anodenabgases eine Temperaturerhöhung erzielt wird, welche auf einfache Weise detektierbar sein kann. Dabei kann durch eine abnehmende Temperatur eine nachlassende Reaktivität des Katalysators ermittelt werden. Nimmt die Reaktivität des Katalysators ab, lässt dies einen Rückschluss auf die Vergiftung des Katalysators und damit entsprechend auf die die Vergiftung bedingenden schwefelhaltigen Substanzen in dem Anodengas zu. Ein Ermitteln der Temperatur des Schwefelsensors kann dabei beispielsweise ein Ermitteln der Temperatur eines Sensorgehäuses oder der katalytischen Oberfläche selbst bedeuten. Ein Temperatursensor kann dabei ferner mit wenig Aufwand anordbar sein und nur wenig Peripherie für eine geeignete Auswertung benötigen. A temperature sensor may be advantageous in particular when using a combustion catalyst in a sulfur sensor, since a temperature increase is achieved here by combustion of the anode gas and / or anode exhaust gas, which can be detected in a simple manner. It can be determined by a decreasing temperature, a decreasing reactivity of the catalyst. If the reactivity of the catalyst decreases, this can be traced back to the poisoning of the catalyst and thus to the poisoning-related sulfur-containing substances in the anode gas. Determining the temperature of the sulfur sensor may mean, for example, determining the temperature of a sensor housing or the catalytic surface itself. A temperature sensor can also be arranged with little effort and require little peripheral for a suitable evaluation.
Bezüglich einer Spannungs- und/oder Strom- und/oder Widerstandsmessvorrichtung kann diese insbesondere für einen elektrochemischen Schwefelsensor, wie beispielsweise eine Brennstoffzelle, von Vorteil sein, da hier etwa durch das Verwerten des Anodengases oder des Anodenabgases eine Spannung beziehungsweise ein Strom generierbar ist, wobei die Brennstoffzelle einen inneren Widerstand aufweist, welche Parameter vorteilhaft ermittelbar sein können, da sowohl der Innenwiderstand der Brennstoffzelle, wie auch die generierte Spannung beziehungsweise der generierte Strom abhängig ist von einer Vergiftung durch schwefelhaltige Substanzen. With regard to a voltage and / or current and / or resistance measuring device, this can be advantageous, in particular, for an electrochemical sulfur sensor, such as a fuel cell, since a voltage or a current can be generated here, for example, by utilizing the anode gas or the anode exhaust gas the fuel cell has an internal resistance, which parameters can be advantageously determined, since both the internal resistance of the fuel cell, as well as the generated voltage or the generated current is dependent on a poisoning by sulfur-containing substances.
Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung kann der Schwefelsensor in gasleitender Verbindung zu der Kathodengasführung und/oder einer Kathodenabgasführung zum Abführen von Kathodenabgas von der Brennstoffzelle und/oder einer Luftzufuhr angeordnet sein. In dieser Ausgestaltung kann somit insbesondere für das Vorsehen eines Verbrennungskatalysators in besonders einfacher und kostengünstiger Weise dem Schwefelsensor Sauerstoff zugeführt werden, um Anodengas oder Anodenabgas oxidieren beziehungsweise verbrennen zu können. Durch das Verwenden einer Kathodengasführung oder Kathodenabgasführung kann somit ein Strom an sauerstoffhaltigem Gas verwendet werden, der durch das Brennstoffzellensystem ohnehin geregelt wird, was somit ein besonders einfaches Regelverhalten ermöglicht. Mit Bezug auf eine insbesondere eigene und damit von der Kathodengasführung oder Kathodenabgasführung getrennte Luftzufuhr kann diese besonders frei und unabhängig von einem Kathodengasstrom beziehungsweise Kathodenabgasstrom regelbar sein. In the context of a further embodiment, the sulfur sensor can be arranged in gas-conducting connection to the cathode gas guide and / or a cathode exhaust gas guide for discharging cathode exhaust gas from the fuel cell and / or an air supply. In this embodiment, in particular for the provision of a combustion catalyst in a particularly simple and cost-effective manner, oxygen can be supplied to the sulfur sensor in order to oxidize or burn anode gas or anode exhaust gas. By using a cathode gas guide or cathode exhaust gas guide, it is thus possible to use a stream of oxygen-containing gas which is regulated anyway by the fuel cell system, which thus allows particularly simple control behavior. With respect to a particular own and thus separated from the cathode gas guide or cathode exhaust gas supply air this can be controlled particularly freely and independently of a cathode gas flow or cathode exhaust gas flow.
Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung kann der Schwefelsensor durch eine thermische Ankopplung an einen heizbaren Teil des Brennstoffzellensystems durch beim Betrieb des Brennstoffzellensystems entstehende Abwärme erhitzbar sein. In dieser Ausgestaltung kann zum Einen eine besonders einfache und energiesparende Erhitzung des Schwefelsensors möglich sein. Darüber hinaus kann der Schwefelsensor, beispielsweise für den Fall der Verwendung eines katalytischen Schwefelsensors, besonders aktiv und ferner sensitiv sein. In dieser Ausgestaltung kann der Schwefelsensor insbesondere thermisch an einen Teil der sogenannten Hotbox, also den erhitzten beziehungsweise heizbaren Teil des Brennstoffzellensystems thermisch angekoppelt sein. Dadurch kann Erhitzen des Schwefelsensors durch einen Teil des Brennstoffzellensystems ermöglicht werden, der in geeigneter Weise schon durch das Betreiben des Brennstoffzellensystems temperaturgeregelt sein kann. Somit kann insbesondere auf eine ohnehin genauestens geregelte Temperaturquelle zurückgegriffen werden, so dass ein Erhitzen des Schwefelsensors besonders einfach und kostengünstig möglich sein kann. In the context of a further embodiment, the sulfur sensor can be heated by a thermal coupling to a heatable part of the fuel cell system by the heat generated during operation of the fuel cell system waste heat. In this embodiment, on the one hand, a particularly simple and energy-saving heating of the sulfur sensor may be possible. In addition, the sulfur sensor, for example, in the case of using a catalytic sulfur sensor, be particularly active and also sensitive. In this embodiment, the sulfur sensor can in particular be thermally coupled thermally to a part of the so-called hot box, ie the heated or heatable part of the fuel cell system. Thereby, heating of the sulfur sensor can be made possible by a part of the fuel cell system, which can be suitably temperature-controlled already by the operation of the fuel cell system. Thus, it is possible in particular to resort to a temperature source regulated in any case, so that heating of the sulfur sensor can be possible in a particularly simple and cost-effective manner.
Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung kann der Schwefelsensor in einen Wärmetauscher, in einen Reformer, und/oder in einen Nachbrenner integriert sein. Dies können besonders geeignete Positionen sein, um den Schwefelsensor durch meist ohnehin thermisch genauestens geregelte Bauteile des Brennstoffzellensystems zu erhitzen, da hier meist eine sehr genaue Temperatursteuerung erfolgt. In the context of a further embodiment, the sulfur sensor can be integrated into a heat exchanger, into a reformer, and / or into an afterburner. These can be particularly suitable positions in order to heat the sulfur sensor through components of the fuel cell system that are usually thermally precisely controlled anyway, since a very precise temperature control usually takes place here.
Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung kann eine Schwefelbeladung der Entschwefelungsvorrichtung in Abhängigkeit des durch den Schwefelsensor ermittelten Schwefelgehalts ermittelbar sein, insbesondere wobei bei dem Überschreiten eines vorbestimmten Grenzwerts der Schwefelbeladung ein Warnhinweis, insbesondere zum Erneuern der Entschwefelungsvorrichtung, ausgebbar sein kann. In dieser Ausgestaltung kann somit durch ein Auswerten der von dem Schwefelsensor ermittelten Daten auf die Beladung der Entschwefelungsvorrichtung geschlossen werden. Für den Fall, dass die Beladung der Entschwefelungsvorrichtung einen vorbestimmten Grenzwert überschreitet, kann die Entschwefelungsvorrichtung nach dem Ausgeben eines Warnhinweises erneuert werden. Ein Erneuern der Entschwefelungsvorrichtung kann dabei in nicht einschränkender Weise ein Regenerieren, also insbesondere ein Entfernen der angelagerten schwefelhaltigen Substanzen, bedeuten, oder auch ein Austauschen der Entschwefelungsvorrichtung beziehungsweise des aktiven Teils der Entschwefelungsvorrichtung, wie insbesondere einer Entschwefelungskartusche. In the context of a further embodiment, a sulfur loading of the desulfurization device can be determined as a function of the sulfur content determined by the sulfur sensor, in particular if a warning message, in particular for renewing the desulfurization device, can be output when a predetermined sulfur loading threshold is exceeded. In this embodiment, it is therefore possible to conclude the loading of the desulphurisation device by evaluating the data determined by the sulfur sensor. In the event that the loading of the desulphurisation device exceeds a predetermined limit value, the desulphurisation device can be renewed after the issuing of a warning. Renewing the desulfurization can in a non-limiting way, a regeneration, ie in particular a removal of the deposited sulfur-containing substances, mean, or even a replacement of the desulfurization or the active part of the desulfurization device, in particular a desulphurisation cartridge.
Im Rahmen einer Ausgestaltung kann das Brennstoffzellensystem eine Steuereinheit zum Auswerten der von dem Schwefelsensor ermittelten Daten des Schwefelgehalts aufweisen. In dieser Ausgestaltung kann besonders vorteilhaft sichergestellt werden, dass die von dem Schwefelsensor ermittelte Konzentration an in dem Anodengas enthaltenen schwefelhaltigen Substanzen mit Bezug auf die Entschwefelungsleistung der Entschwefelungsvorrichtung ausgewertet und gegebenenfalls eine Warnung beziehungsweise ein Zeichen ausgegeben werden kann, um bei einer nahezu vollständigen Beladung beziehungsweise einem Schwefeldurchbruch die Entschwefelungsvorrichtung zu erneuern beziehungsweise das Brennstoffzellensystem herunterzufahren. Within the scope of an embodiment, the fuel cell system may have a control unit for evaluating the sulfur content data determined by the sulfur sensor. In this embodiment, it can be ensured with particular advantage that the concentration of sulfur-containing substances contained in the anode gas, as determined by the sulfur sensor, can be evaluated with respect to the desulphurisation power of the desulphurisation device and, if appropriate, a warning or a sign can be issued in order to obtain an almost complete charge or one Sulfur breakthrough to renew the desulfurization or shut down the fuel cell system.
Hinsichtlich weiterer Vorteile und technischer Merkmale des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems wird hiermit explizit auf die Erläuterungen im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren, den Figuren, sowie auf die Figurenbeschreibung verwiesen. With regard to further advantages and technical features of the fuel cell system according to the invention, reference is hereby explicitly made to the explanations in connection with the method according to the invention, the figures, as well as to the description of the figures.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ferner ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, insbesondere eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems, umfassend die Verfahrensschritte:
- a) Führen eines Anodengases zu der Anode einer Brennstoffzelle;
- b) Führen eines Kathodengases zu der Kathode einer Brennstoffzelle;
- c) Entfernen von schwefelhaltigen Substanzen aus dem Anodengas durch eine Entschwefelungsvorrichtung, und
- d) Ermitteln der Konzentration an schwefelhaltigen Substanzen in dem Anodengas durch einen Schwefelsensor.
- a) passing an anode gas to the anode of a fuel cell;
- b) passing a cathode gas to the cathode of a fuel cell;
- c) removing sulfur-containing substances from the anode gas through a desulfurization device, and
- d) Determining the concentration of sulfur-containing substances in the anode gas by a sulfur sensor.
Durch das vorbeschriebene Verfahren wird es möglich, zu ermitteln, welche Konzentration an Schwefel beziehungsweise an schwefelhaltigen Substanzen in dem Anodengas tatsächlich vorliegt beziehungsweise über einen definierten Zeitraum summarisch aufgetreten ist. Dadurch kann darauf reagiert werden, dass der Schwefelgehalt des Gases an verschiedenen Orten unterschiedlich ist und ferner über die Zeit schwankt. Es kann somit definiert und sicher und im Voraus festgestellt werden, wann eine Entschwefelungsvorrichtung ausgetauscht werden sollte beziehungsweise wann ein für das Brennstoffzellensystem schädlicher Schwefeldurchbruch zu erwarten ist. By the method described above, it is possible to determine which concentration of sulfur or of sulfur-containing substances is actually present in the anode gas or has occurred summarily over a defined period of time. This can be reacted to the fact that the sulfur content of the gas is different at different locations and also varies over time. It can thus be defined and determined in advance and in advance when a desulphurisation device should be replaced or when a sulfur breakthrough that is detrimental to the fuel cell system can be expected.
Im Rahmen einer Ausgestaltung kann der Schwefelgehalt durch eine Schwefelvergiftung des Schwefelsensors ermittelt werden. Dies ist eine besonders einfache, verlässliche und genaue Möglichkeit der Ermittlung der Konzentration an schwefelhaltigen Substanzen. In one embodiment, the sulfur content can be determined by sulfur poisoning of the sulfur sensor. This is a particularly simple, reliable and accurate way of determining the concentration of sulfur-containing substances.
Hinsichtlich weiterer Vorteile und technischer Merkmale des erfindungsgemäßen Verfahrens wird hiermit explizit auf die Erläuterungen im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem, den Figuren, sowie auf die Figurenbeschreibung verwiesen. With regard to further advantages and technical features of the method according to the invention, reference is hereby explicitly made to the explanations in connection with the fuel cell system according to the invention, the figures, as well as to the description of the figures.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ferner die Verwendung eines Brennstoffzellensystems, das wie vorstehend beschrieben ausgestaltet sein kann, in Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen oder Blockheizkraftwerken. Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen können dabei insbesondere Anlagen sein, welche insbesondere bei gleichzeitiger Gewinnung von elektrischer Energie nutzbare Wärme, beispielsweise für Heizzwecke oder auch für Produktionsprozesse, bereitstellt. Eine derartige Anlage kann somit ein Auskoppeln von Nutzwärme bei der Stromerzeugung mittels Brennstoffen erzeugen. Dabei kann insbesondere ein Einsatz bei Brennstoffzellen-Heizgeräten, Kraft-Wärme-Kopplung beziehungsweise Blockheizkraftwerken (BHKW) unterschiedlicher Leistungsklasse, wie etwa ≥ 0,5 bis über 1000 kW, möglich sein. The present invention further provides the use of a fuel cell system, which may be configured as described above, in combined heat and power plants or combined heat and power plants. Combined heat and power plants can be in particular plants, which provides useful heat, for example for heating purposes or for production processes, in particular with the simultaneous production of electrical energy. Such a system can thus produce a decoupling of useful heat in power generation by means of fuels. In particular, use in fuel cell heaters, combined heat and power or combined heat and power plants (CHP) of different power class, such as ≥ 0.5 to over 1000 kW, may be possible.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Gegenstände werden durch die Zeichnungen veranschaulicht und in der nachfolgenden Beschreibung erläutert. Dabei ist zu beachten, dass die Zeichnungen nur beschreibenden Charakter haben und nicht dazu gedacht sind, die Erfindung in irgendeiner Form einzuschränken. Es zeigen Further advantages and advantageous embodiments of the subject invention are illustrated by the drawings and explained in the following description. It should be noted that the drawings have only descriptive character and are not intended to limit the invention in any way. Show it
Das Brennstoffzellensystem
Das Brennstoffzellensystem
Ferner kann das Brennstoffzellensystem
Das Brennstoffzellensystem
Weiterhin kann das Brennstoffzellensystem
Es kann ferner ein weiterer Kathodengaspfad
Eine mit einem Kathodenabgasausgang
Der Nachbrenner
Darüber hinaus kann eine nicht dargestellte Kondensationsvorrichtung vorgesehen sein, welche Wasser kondensieren und über eine Fördervorrichtung
Weiterhin ist mit
Im Folgenden werden im Detail insbesondere die Entschwefelungsvorrichtung
Eine Ausgestaltung des Brennstoffzellensystems
Somit kann der Schwefelsensor
Bei der Ausgestaltung als katalytischer Schwefelsensor
Dabei kann, wie dies in
Ferner kann der Schwefelsensor
Der Schwefelsensor
Gemäß
Dabei kann die Entschwefelungsvorrichtung
Vorzugsweise kann die Entschwefelungsvorrichtung
Der Schwefelsensor
Vorzugsweise kann für den Schwefelsensor
Konkrete Einbaumöglichkeiten für die Sensorführung
Der Schwefelsensor
In
Durch eine Temperaturmessung kann auf den Alterungszustand der Entschweflungsvorrichtung
Diese Temperaturmessung kann in einer Steuereinheit ausgewertet werden. In der Steuerung kann dabei die Erhöhung der Temperatur über die Zeit ermittelt werden insbesondere für den Fall, dass die Systemregelung die Temperatur in der Umgebung des Schwefelsensors
In
Alternativ können zwei Lambdasonden
In
Alternativ kann in der Ausgestaltung gemäß
Auch bei der Verwendung einer Brennstoffzelle
Der Schwefelsensor
Ein Verfahren zum Steuern eines derartigen Brennstoffzellensystems
- a) Führen eines Anodengases zu der
Anode 3 einer Brennstoffzelle 2 ; - b) Führen eines Kathodengases zu der Kathode
4 einer Brennstoffzelle 2 ; - c) Entfernen von schwefelhaltigen Substanzen aus dem Anodengas durch eine Entschwefelungsvorrichtung
10 , und - d) Ermitteln der Konzentration an schwefelhaltigen Substanzen in dem Anodengas durch einen Schwefelsensor
36 .
- a) Passing an anode gas to the anode
3 afuel cell 2 ; - b) passing a cathode gas to the cathode
4 afuel cell 2 ; - c) removing sulfur-containing substances from the anode gas through a
desulfurization device 10 , and - d) Determining the concentration of sulfur-containing substances in the anode gas by a
sulfur sensor 36 ,
Insbesondere kann der Schwefelgehalt dabei durch eine Schwefelvergiftung des Schwefelsensors
Eine Messung braucht dabei nicht kontinuierlich zu erfolgen, sondern kann in bestimmten Zeitabständen oder bei bestimmten Betriebspunkten, in denen die Umgebungstemperatur des Schwefelsensors
Die Zuleitung des zu vermessenden Gases zu dem Schwefelsensor
Weiterhin können mehrere Schwefelsensoren
Bei Geräten mit einem Spitzenkessel für die Wärmeerzeugung kann der Schwefelsensor
Die vorbeschriebene Anordnung des Schwefelsensors
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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