DE102017100163A1

DE102017100163A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Ansteuerung eines Brennstoffzellensystems

Info

Publication number: DE102017100163A1
Application number: DE102017100163.8A
Authority: DE
Inventors: Timur Kazdal; Manfred Hampe
Original assignee: Technische Universitaet Darmstadt
Current assignee: Technische Universitaet Darmstadt
Priority date: 2017-01-05
Filing date: 2017-01-05
Publication date: 2018-07-05

Abstract

Es ist Vorrichtung (100) zur Ansteuerung eines Brennstoffzellensystems (200) offenbart, wobei das Brennstoffzellensystem (200) einen Reformer (210), eine Brennstoffzelle (220) und einen Abgasrückkanal (230) umfasst, wobei der Reformer (210) ausgebildet ist, um unter Nutzung von Wärme einen Brennstoff teilweise in Wasserstoff umzuwandeln, die Brennstoffzelle ausgebildet ist, um den Wasserstoff zumindest teilweise zur Erzeugung von elektrischer Energie zu nutzen, und der Abgasrückkanal ausgebildet ist, um zumindest ein Teil von ungenutzten Wasserstoff und/oder Brennstoff von der Brennstoffzelle zur Gewinnung der Wärme an den Reformer zurückzuführen. Die Vorrichtung umfasst: ein Modul (110) zur Steuerung des Reformers, um einen gewünschten Anteil an Brennstoff zur Umwandlung in Wasserstoff zu nutzen; und ein Modul (120) zur Steuerung der Brennstoffzelle, um einen gewünschten Anteil des Wasserstoffs zur Erzeugung der elektrischen Energie zu nutzen, so dass der ungenutzte Wasserstoff und/oder der ungenutzte Brennstoff über den Abgasrückkanal (230) für eine Erzeugung der Wärme zum Betreibendes Reformators nutzbar ist.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Ansteuerung eines Brennstoffzellensystems und auf das entsprechende Brennstoffzellensystem. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zur Erzeugung einer Förderleistung und einer Integration von Abwärme in einem Brennstoffzellenprozess.
Hintergrund
Für Brennstoffzellen als Energiewandler ist es wichtig, einen möglichst hohen Wirkungsgrad zu erreichen, um effizient mit dem vorhandenen Rohstoff umzugehen. Die Brennstoffzellen selbst werden zwar direkt mit Wasserstoff betrieben, häufig kommt aber Erdgas oder Methan oder ein anderer Energieträger als primäre Energiequelle zum Einsatz, der zunächst in einem Reformer in Wasserstoff umgewandelt wird.
Vorgelagerte und/oder nachgelagerte Apparate, die zur Wandlung der Energie aus Methan zur Elektrizität genutzt werden, können durch parasitäre Effekte den Wirkungsgrad deutlich verringern. Ein Beispiel hierfür ist die Bereitstellung von Druck als Treibkraft für die Durchströmung der Apparate. Der erforderliche Druckgradient für brennbare Gase (wie beispielsweise Erdgas) kann zwar durch einen speziellen Kompressor bereitgestellt werden, hierzu sind jedoch ein Motor und ein Steuergerät erforderlich, die zusätzliche Energie brauchen. Außerdem enthält der Kompressor bewegte Teile, die für brennbare Gase besondere Anforderungen zu erfüllen haben und daher aufwendig und teuer sind.
Weiterhin wird für die Umwandlung oder Reaktion von Methan in Wasserstoff Wasserdampf genutzt, der mit dem Methan entsprechend gemischt wird. Um den Wasserdampf zu erzeugen wird häufig eine externen Heizleistung genutzt, die den Wirkungsgrad weiter deutlich senkt, da der dazu genutzte Treibstoff für die Energiewandlung nicht mehr zur Verfügung steht.
Um diese Apparate und Vorgänge effizient zu betreiben, ist ein entsprechendes Wärmemanagement sehr wichtig.
Ein konventionelles Wärmemanagement ist in der WO 2013/174712 A1 für ein Brennstoffzellensystem offenbart. Das Wärmemanagementsystem kann dem Brennstoffzellenstack Wärme zuführen oder entziehen. Für die Dampferzeugung ist der Reformer extra mit einer Dampferzeugungseinheit kombiniert. Um die Wärme in dem Reformer zu erzeugen, wird direkt Brennstoff (Erdgas oder Methan) aus der Brennstoffzufuhr genutzt. Das System erfordert daher eine Förderleistung, um Methan zum Brenner zu transportieren. Auch der Anfahrvorgang erfordert zusätzliche externe Energie, da noch kein Wasserdampf von der Brennstoffzelle bereitgestellt wird, die zunächst aufzuheizen ist.
Ein weiteres konventionelles Brennstoffzellensystem ist in der DE 10 2006 047 493 A1 offenbart, das eine Kühlvorrichtung für den Brennstoffzellenstack aufweist, wobei die Temperatur über den Druck einstellbar ist. Der entstehende Dampf wird genutzt, um Brennstoff anzusaugen, und im Anschluss komplett in den Reformer geleitet. Um den Reformer zu beheizen, wird ein Teil des Reformats (energiereiches Reaktionsprodukt des Reformers) über ein Ventil zurückgeführt und wieder verbrannt.
Das Wärmemanagement von den bestehenden Systemen ist daher noch unzureichend und es besteht ein Bedarf nach alternativen Möglichkeiten, um das Wärmemanagement und somit den Wirkungsgrad von Brennstoffzellensystemen weiter zu verbessern.
Zusammenfassung
Zumindest ein Teil der obengenannten Probleme wird durch eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Ansteuerung eines Brennstoffzellensystems nach Anspruch 1 oder Anspruch 12 oder ein entsprechendes Brennstoffzellensystem nach Anspruch 5 gelöst. Die abhängigen Ansprüche definieren weitere vorteilhafte Ausführungsformen für die unabhängigen Ansprüche.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Ansteuerung eines Brennstoffzellensystems. Das Brennstoffzellensystem umfasst einen Reformer, eine Brennstoffzelle und einen Abgasrückkanal. Der Reformer ist ausgebildet, um unter Nutzung von Wärme einen Brennstoff teilweise in Wasserstoff umzuwandeln. Die Brennstoffzelle ist ausgebildet, um den Wasserstoff zumindest teilweise zur Erzeugung von elektrischer Energie zu nutzen. Der Abgasrückkanal ist ausgebildet, um zumindest ein Teil von ungenutzten Wasserstoff und/oder Brennstoff von der Brennstoffzelle zur Gewinnung der Wärme an den Reformer zurückzuführen. Die Vorrichtung zur Ansteuerung umfasst die folgenden Merkmale: ein Modul zur Steuerung des Reformers, um einen gewünschten Anteil an Brennstoff zur Umwandlung in Wasserstoff zu nutzen; und ein Modul zur Steuerung der Brennstoffzelle, um einen gewünschten Anteil des Wasserstoffs zur Erzeugung der elektrischen Energie zu nutzen, so dass der ungenutzte Wasserstoff und/oder der ungenutzte Brennstoff über den Abgasrückkanal für eine Erzeugung der Wärme zum Betreiben des Reformators nutzbar ist.
Insbesondere wird es mit der Ansteuervorrichtung somit möglich, die im Reformer erforderliche Energiezufuhr allein durch ungenutzten Wasserstoff oder ungenutzten Brennstoff bereitzustellen, ohne dass es einer zusätzlichen Förderung von Brennstoff oder einer Umleitung von erzeugtem Wasserstoff bedarf. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass der Reformer den Brennstoff (zum Beispiel Erdgas oder Methan) nicht vollständig in Wasserstoff umwandelt, sondern gezielt einen Anteil des Brennstoffes an die Brennstoffzelle weiterleitet. Dieser Anteil kann durch die Brennstoffzelle hindurch geleitet und so anschließend zur Energieerzeugung in dem Reformator genutzt werden.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung soll der genutzte Brennstoff nicht weiter eingeschränkt werden, sondern lediglich dazu geeignet sein, um durch eine Umwandlung in Wasserstoff den nötigen Brennstoff für die Brennstoffzelle bereitzustellen. Insbesondere kann der Brennstoff Erdgas oder reines Methan oder ein anderer gasförmiger Brennstoff sein, der beispielsweise unter Einwirkung von Wärme und Wasserdampf zumindest teilweise in Wasserstoff umgewandelt werden kann, wobei der Sauerstoff beispielsweise in Form von Kohlenstoffmonoxid oder Kohlenstoffdioxid ausgegeben wird.
Optional ist das Modul zur Steuerung des Reformers ausgebildet, um zumindest einen der folgenden Parameter zur Steuerung des Reformers zu ändern: eine Betriebstemperatur des Reformers, eine Menge an zugeführtem Wasserstoff und/oder Brennstoff aus dem Abgasrückkanal, einen Druck der zugeführten Luft, eine Menge an zugeführter Luft, eine Menge an Edukt Methan, eine Menge an Edukt Wasser, wobei das Brennstoffzellensystem eine Luftzufuhr umfassen kann, um gezielt eine bestimmte Menge an Luft für den Reformer zur Erzeugung der Wärme bereitzustellen.
Außerdem kann das Modul zur Steuerung der Brennstoffzelle optional ausgebildet sein, um zumindest einen der folgenden Parameter zur Steuerung der Brennstoffzelle zu ändern: eine elektrische Leistungsabgabe der Brennstoffzelle (Stromfluss), eine Menge an zugeführtem Wasserstoff, eine Menge an zugeführtem Brennstoff, einen Druck des zugeführten Wasserstoffes oder der zugeführten Luft, eine Betriebstemperatur der Brennstoffzelle, wobei die Luft wieder über die Luftzufuhr bereitgestellt werden kann. Die Steuerung über die Leistungsabgabe kann z.B. durch eine Messung eines durch die Brennstoffzelle erzeugten Stromflusses oder einer Spannung geschehen. Diese Steuerung ist vorteilhaft, da diese Größe leicht gemessen werden kann und direkt mit dem Verbrauch gekoppelt ist. Wird beispielsweise die Leistungsabgabe reduziert, so wird weniger Wasserstoff umgesetzt.
Optional ist das Modul zur Steuerung der Brennstoffzelle und/oder das Modul zur Steuerung des Reformers weiter ausgebildet, um über den Abgasrückkanal die Menge an ungenutztem Wasserstoff und/oder an ungenutztem Brennstoff derart zu steuern, dass eine ausreichende Wärmeerzeugung in dem Reformer ermöglicht wird. Hiermit wird erreicht, dass das Brennstoffzellensystem autark arbeiten kann und insbesondere keine Abzweigung von zugeführtem Brennstoff oder von erzeugtem Wasserstoff für die Wärmeerzeugung erforderlich ist. Vielmehr wird durch die Steuervorrichtung erreicht, dass die Brennstoffzelle und/oder der Reformer derart betrieben werden, dass sie eine ausreichende Menge Brennstoff zur Wärmeerzeugung in dem Reformer über die Abgase der Brennstoffzelle bereitstellen.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auch auf ein Brennstoffzellensystem mit: einem Reformer zur steuerbaren Umwandlung von Brennstoff in Wasserstoff unter Nutzung von Wärme, zumindest einer Brennstoffzelle mit zumindest einer Abgasleitung zur steuerbaren Nutzung von Wasserstoff zur Erzeugung von elektrischer Energie; einer Luftzufuhr, die Luft für den Reformer zur Erzeugung der Wärme und für die Brennstoffzelle bereitstellt, und einem Abgasrückkanal. Der Abgasrückkanal ist ausgebildet, um zumindest eine Menge von ungenutzten Wasserstoff und/oder Brennstoff von der Brennstoffzelle zur Gewinnung der Wärme an den Reformer zurückzuführen. Der Reformer ist ausgebildet, um den zurückgeführten Teil für eine Wärmeerzeugung, die zur Umwandlung des Brennstoffes in Wasserstoff benötigt wird, zu nutzen.
Der Wasserstoff wird in der Brennstoffzelle ohne sein Elektron durch eine Elektrolytmembran geleitet und auf der anderen Seite mit Sauerstoff verbunden (zu Wasser oxidiert), wobei die fehlenden Elektronen aufgenommen werden und sich so eine elektrische Spannung zwischen beiden Seiten der Elektrolytmembran herausbildet. Auf diesen Prozess kann man gezielt Einfluss nehmen. Unter einer steuerbaren Umwandlung oder steuerbaren Oxidation soll insbesondere verstanden werden, dass unter Nutzung einer beispielhaften geeigneten Ansteuerung nicht der gesamte Brennstoff in Wasserstoff umgewandelt wird, sondern gezielt nur ein bestimmter Teil davon umgewandelt wird. In ähnlicher Weise soll unter einer steuerbaren Nutzung von Wasserstoff verstanden werden, dass nicht der gesamte zur Verfügung stehende Wasserstoff zur Erzeugung von elektrischer Energie genutzt werden soll, sondern gezielt eine bestimmte Menge ungenutzt bleiben soll, die dann über den Abgasrückkanal an den Reformer zurückgeführt werden kann.
Optional umfasst das Brennstoffzellensystem weiter eine der zuvor definierten Vorrichtungen zur Ansteuerung. Daher kann die Steuerung des Brennstoffzellensystems beispielsweise durch die Vorrichtung, wie sie zuvor definiert wurde, erfolgen.
Die Brennstoffzelle umfasst beispielsweise eine Kathodenseite und eine Anodenseite, die durch die Elektrolytmembran getrennt sind. Der Abgasrückkanal kann dann mit der Anodenseite verbunden sein und die Luftzufuhr kann mit der Kathodenseite verbunden sein. Beispielsweise ist der Abgasrückkanal nur mit der Anodenseite verbunden (nicht aber mit der Kathodenseite der Brennstoffzelle) und die Luftzufuhr ist nur mit der Kathodenseite verbunden (nicht aber mit der Anodenseite). Dadurch wird eine Trennung zwischen dem unverbrannten Gemisch aus Wasserstoff und Brennstoff, wie es in die Brennstoffzelle auf der Anodenseite zugeführt wird, und den Abgasprodukten auf der Kathodenseite, die beispielsweise Wasser bzw. Wasserdampf enthalten, erreicht. Somit wird eine höhere Konzentration des noch zur Verbrennung zur Verfügung stehenden Restbrennstoffes erreicht, der dann dem Reformer zugeführt werden kann, ohne dass eine Mischung mit dem Wasserdampf, der auf der Kathodenseite erzeugt wird, erfolgt.
Optional umfasst das Brennstoffzellensystem einen Verdampfer zur Erzeugung von Wasserdampf und eine Strahlpumpe zum Vermischen von Brennstoff mit dem Wasserdampf. Außerdem kann die Strahlpumpe ausgebildet sein, um den gemischten Brennstoff und Wasserdampf zusammen in den Reformer zu leiten. Die Nutzung der Strahlpumpe bietet den Vorteil, dass keine aufwendige Pumpe zum Ansaugen des Brennstoffs erforderlich ist, was zu einer deutlichen Kosteneinsparung führt. Die entsprechende Förderleistung kann durch die Strahlpumpe erreicht werden, wenn zur Verdampfung Wasser genutzt wird, das unter einem erhöhten Druck steht. Bei dieser Art von Brennstoffförderung sind keine aufwendigen Sicherheitsvorkehrungen zu treffen, um ein leicht brennbares Gas anzusaugen.
Optional umfasst das Brennstoffzellensystem ein Temperierungssystem, um eine Abwärme der Brennstoffzelle und/oder des Abgases aus der Brennstoffzelle und/oder eines Abgases des Reformers und/oder eine Abwärme des Shift-Reaktors zu dem Verdampfer zu führen und zur Wasserverdampfung zu nutzen.
Optional umfasst das Brennstoffzellensystem einen Kondensator, der ausgebildet ist, um Wasserdampf aus dem Abgas der Brennstoffzelle (z.B. auf der Kathodenseite) zu kondensieren und das kondensierte Wasser dem Verdampfer zur Dampferzeugung zur Verfügung zu stellen.
Optional umfasst das Brennstoffzellensystem eine verzweigungsfreie Verbindung zwischen dem Reformer und der Brennstoffzelle, um sämtlichen durch den Reformer produzierten Wasserstoff in die Brennstoffzelle zu leiten. Optional ist zwischen dem Reformer und der Brennstoffzelle ein Shift-Reaktor ausgebildet, um einen Kohlenstoffmonoxidgehalt des Abgases des Reformers zu verringern. Eine verzweigungsfreie Verbindung umfasst insbesondere eine Verbindung, die keinerlei Ventile oder andere Bauteile aufweist, die ein Abzweigen von einer bestimmten Gasmenge ermöglichen. Dies bietet den Vorteil, dass die Verbindung in einem hohen Maß abgedichtet werden kann und die Verluste von leicht flüchtigen Wasserstoff minimiert werden können. Außerdem kann die Gesamtanlage kompakt gebaut werden.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auch auf ein Verfahren zum Steuern eines Brennstoffzellensystems. Das Verfahren umfasst: Steuern der Brennstoffzelle, um einen gewünschten Anteil an Wasserstoff zur Erzeugung von elektrischer Energie zu nutzen; Steuern eines Reformers, um einen gewünschten Anteil an Brennstoff zur Wasserstoffumwandlung zu nutzen; und Rückführen eines Teiles eines Abgases der Brennstoffzelle zu dem Reformer, um es dort zur Wärmeproduktion und zum Betreiben des Reformers zu nutzen.
Optional kann bei dem Verfahren die Brennstoffzelle und/oder der Reformer derart gesteuert werden, dass die Wärmeproduktion in dem Reformer vollständig aus Abgasen der Brennstoffzelle betrieben wird. Ebenso können alle Funktionen, wie sie zuvor für das Brennstoffzellensystem und/oder die Ansteuervorrichtung definiert wurden, als weitere optional Verfahrensschritte Teil des erfindungsgemäßen Verfahrens sein.
Dieses Verfahren oder zumindest Teile davon kann/können ebenfalls in Form von Anweisungen in Software oder auf einem Computerprogrammprodukt implementiert oder gespeichert sein, wobei gespeicherte Anweisungen in der Lage sind, die Schritte nach dem Verfahren auszuführen, wenn das Verfahren auf einem Prozessor läuft (z.B. eine Steuereinheit für eine Brennstoffzelle). Daher bezieht sich die vorliegende Erfindung ebenfalls auf Computerprogrammprodukt mit darauf gespeichertem Software-Code (Softwareanweisungen), der ausgebildet ist, um eines der zuvor beschriebenen Verfahren auszuführen, wenn der Software-Code durch eine Verarbeitungseinheit ausgeführt wird. Die Verarbeitungseinheit kann jede Form von Computer oder Steuereinheit sein, die einen entsprechenden Mikroprozessor aufweist, der einen Software-Code ausführen kann.
Im Vergleich zu den Brennstoffzellensystemen, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt sind, unterscheiden sich Ausführungsbeispiele dadurch, dass über die Brennstoffzelle ein Anteil von Restwasserstoff und über die Reformer-Temperatur ein Anteil von Restmethan im Brennstoffzellenabgas eingestellt wird, der dann zusammen ausreichend Heizleistung liefert, um den Reformer zu betreiben. Hierbei ist eine mengenmäßige Steuerung möglich. Es können aber auch beide Bestandteile (Restwasserstoff und Restmethan) derart gemischt werden, dass deren Heizleistung sich gezielt auf einen gewünschten Wert einstellen lässt und so vorteilhafterweise zu einer flexiblen und effizienten Ansteuerung des Reformers führt. Insbesondere ist bei Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung kein weiterer Brennstoff aus der Brenngasleitung erforderlich. Es wird auch kein Reformat selbst verbrannt, wie es beispielsweise in den eingangs erwähnten konventionellen Brennstoffzellensystemen der Fall ist. Zusammen mit der Dampfstrahlpumpe wird außerdem der Einsatz eines Kompressors bei Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung vermieden. Zur Erzeugung der Förderleistung vielmehr die Abwärme des Brennstoffzellenprozesses in vorteilhafter Weise genutzt.
Daher wird bei Ausführungsbeispielen die benötigte Hilfsenergie, wie Wärme und elektrische Arbeit, bei Ausführungsbeispielen verringert und somit der Wirkungsgrad für den Energiewandlungsprozess erhöht.
Figurenliste
Die Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden besser verstanden von der folgenden detaillierten Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen der unterschiedlichen Ausführungsbeispiele, die jedoch nicht so verstanden werden sollten, dass sie die Offenbarung auf die spezifischen Ausführungsformen einschränkt, sondern lediglich der Erklärung und dem Verständnis dienen.

1 zeigt eine Vorrichtung zur Ansteuerung eines Brennstoffzellensystems gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
2 zeigt ein Brennstoffzellensystem zusammen mit der in 1 gezeigten Vorrichtung zur Ansteuerung des Brennstoffzellensystems gemäß weiteren Ausführungsbeispielen.
3 zeigt ein Flussdiagram für ein Verfahren zur Ansteuerung eines Brennstoffzellensystems

Detaillierte Beschreibung
1 zeigt eine Vorrichtung 100, die zur Ansteuerung eines Brennstoffzellensystems 200 geeignet ist.
Das Brennstoffzellensystem 200 umfasst einen Reformer 210, eine Brennstoffzelle 220 und einen Abgasrückkanal 230. Der Reformer 210 ist ausgebildet, um unter Nutzung von Wärme einen Brennstoff aus einer Brennstoffzufuhr 205 teilweise in Wasserstoff umzuwandeln und an die Brennstoffzelle 220 weiterzuleiten. Die Abgase des Reformers 210 können über eine Abgasleitung (nicht gezeigt) abgeführt werden. Die Brennstoffzelle 220 ist ausgebildet, um den Wasserstoff zumindest teilweise zur Erzeugung von elektrischer Energie zu nutzen. Der Abgasrückkanal 230 ist ausgebildet, um zumindest ein Teil von ungenutzten Wasserstoff und/oder Brennstoff von einem Auslass der Brennstoffzelle 220 zur Gewinnung der Wärme an den Reformer 210 zurückzuführen.
Die Ansteuervorrichtung 100 umfasst ein Modul 110 zur Steuerung des Reformers 210, um einen gewünschten Anteil an Brennstoff zur Umwandlung in Wasserstoff zu nutzen und einen ungenutzten Anteil an die Brennstoffzelle 220 weiterzuleiten. Die Steuerung erfolgt über eine erste Steuerleitung 101. Die Ansteuervorrichtung 100 umfasst außerdem ein Modul 120 zur Steuerung der Brennstoffzelle 220, um einen gewünschten Anteil des Wasserstoffs zur Erzeugung der elektrischen Energie zu nutzen. Der ungenutzte Anteil wird zusammen mit dem von dem Reformer 210 weitergeleiteten Brennstoff ausgegeben. Die Steuerung der Brennstoffzelle 220 erfolgt über eine zweite Steuerleitung 102. Dadurch ist der ungenutzte Wasserstoff und/oder der ungenutzte Brennstoff über den Abgasrückkanal 230 für eine Erzeugung der Wärme zum Betreiben des Reformators nutzbar.
Die Brennstoffzelle 220 umfasst außerdem einen Abgasauslass 225, über den insbesondere nicht-brennbare Abgase (z.B. Wasserdampf) ausgegeben wird.
2 zeigt weitere optionale Details des Brennstoffzellensystem 200 zusammen mit der Ansteuerungsvorrichtung 100, die über die Steuerleitungen 101, 102 (gestrichelten Linien) die Komponenten des Brennstoffzellensystems 200 ansteuert.
Das Brennstoffzellensystem 200 umfasst den Reformer 210 mit einer Reformer-Einheit 212 und einem Oxidator 214. Außerdem umfasst das Brennstoffzellensystem 200 die Brennstoffzelle 220 mit einer Kathodenseite 222 und einer Anodenseite 224. Der Brennstoff wird über die Brennstoffzufuhr 205 und die Luft wird über eine Luftzufuhr 215 zugeführt. Abgase werden über den Abgasauslass 225 und Abwasser wird über einen Abwasserauslass 235 ausgegeben. Außerdem umfasst das gezeigte Brennstoffzellensystem 200 eine Pumpe 262, einen Verdampfer 242, einen Dampfstrahler 244, einen Shift-Reaktor 216 und einen Kondensator 260.
Der Brennstoff kommt von der Brennstoffzufuhr 205 über ein Ventil 243, welches die Menge an Brennstoff steuert, zu der Strahlpumpe 244. Diese Steuerung kann ebenfalls über die Ansteuervorrichtung 100 erfolgen, wozu dann eine entsprechende Steuerleitung vorhanden ist (nicht gezeigt). Außerdem wird über die Pumpe 262 Wasser zu dem Verdampfer 242 gepumpt, wo das Wasser verdampft wird und dann als Wasserdampf der Strahlpumpe 244 zugeführt wird. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel wird der Wasserdruck durch die Pumpe 262 insbesondere auf einen Druck erhöht, der größer ist als der Betriebsdruck. Das Wasser wird anschließend durch Verwendung der Abwärme der Brennstoffzelle 220 verdampft, wobei der Überdruck des Wasserdampfes als Treibmedium für die Strahlpumpe 244 genutzt wird. Auf der Saugseite entsteht dabei ein Unterdruck, der den Strom von Brennstoff aus der Treibstoffzufuhr 205 ansaugt und die beiden Ströme miteinander vermischt. An der Ausgangsseite der Strahlpumpe 244 entspannt sich das Gasgemisch auf einen gewünschten Betriebsdruck. Durch die besondere Verschaltung und Nutzung der Dampfstrahl-Verdichter-Technologie ist es möglich, konventionelle Kompressoren zum Ansaugen von Brennstoff zu ersetzen und so die Energieausnutzung zu verbessern. Hierbei wird das gewünschte Vermischen des Brennstoffes mit Wasserdampf wie gesagt durch die Strahlpumpe 244 automatisch erfüllt. Der Wirkungsgrad des so definierten Prozesses erhöht sich durch die dargestellte Verschaltung beträchtlich, da der Bedarf an Strom und Heizleistung minimiert werden kann.
Das Gemisch wird von der Strahlpumpe 244 zu der Reformer-Einheit 212 weitergeführt. Die Reformer-Einheit 212 koppelt thermisch an den Oxidator 214, der Wärme erzeugt, sodass unter der Wärmeeinwirkung das Gemisch aus Wasserdampf und Brennstoff zumindest teilweise in Wasserstoff umgewandelt wird. Dieses heiße Gemisch wird anschließend nach der Reformer-Einheit 212 dem Shift-Reaktor 216 zugeführt, wobei das heiße Gemisch aus Wasserstoff und verbleibendem Brennstoff über einen ersten Wärmetauscher 251 die thermische Energie teilweise an den durch die Strahlpumpe 244 erzeugten Strahl aus Brennstoff und Wasserdampf abgibt.
Der optionale Shift-Reaktor 216 verringert einen Gehalt von Kohlenstoffmonoxid und leitet das Gemisch anschließend zur Anodenseite 222 der Brennstoffzelle 220. Die Brennstoffzelle 220 umfasst eine Elektrolytmembran (nicht dargestellt), die die Anodenseite 224 von der Kathodenseite 222 trennt und die ausgebildet ist, um lediglich Wasserstoffkerne (Protonen) hindurchzulassen, die mit Sauerstoff oxidieren und unter Aufnahme der fehlenden Elektronen Wasserdampf bilden, der auf der Kathodenseite 222 die Brennstoffzelle 220 verlässt. Auf der Anodenseite verbleibt der Restbrennstoff in dem von dem Shift-Reaktor 216 zugeführten Gemisch, da die Membran idealerweise nur für Protonen durchlässig ist.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die Brennstoffzelle 220 so angesteuert, dass nicht der sämtliche Wasserstoff, der der Brennstoffzelle 220 zugeführt wird, durch die Elektrolytmembran zur Kathodenseite 222 transportiert wird, sondern über den Abgasrückkanal 230 eine bestimmte Menge zurückgeführt wird, und zwar zu dem Oxidator 214. Dort wird dieses Gemisch aus Restwasserstoff und Restbrennstoff genutzt, um die Wärme zu erzeugen, die dann durch die Reformer-Einheit 212 verwendet wird.
Auf der Kathodenseite 222 erzeugt die Brennstoffzelle 220 zum Beispiel Wasserdampf, der an den Kondensator 260 weitergeleitet wird. In dem Kondensator 260 wird dieser Wasserdampf abgekühlt und zu Wasser kondensiert, wobei das kondensierte Wasser über die Pumpe 262 angesaugt wird, um dem Verdampfer 242 und anschließend der Strahlpumpe 244 zugeführt zu werden. Eine Restabgasmenge (z.B. Wasserdampf oder Kohlenstoffdioxid) wird über den Abgasauslass 225 ausgegeben. Ebenso kann das ungenutzte Wasser von dem Kondensator 260 über einen Abwasserauslass 235 ausgegeben werden.
Das Brennstoffzellensystem 200 umfasst weiter ein Temperierungssystem 250 mit einer Vielzahl von Wärmetauschern 251, 252, .... So ist der erster Wärmetauscher 251 zwischen der Strahlpumpe 244 und der Reformer-Einheit 212 ausgebildet und gibt Wärme von dem erzeugten Wasserstoff in der Reformer-Einheit 212 an das Gemisch aus Brennstoff und Wasserdampf ab. Ein zweiter Wärmetauscher 252 ist an dem Shift-Reaktor 216 ausgebildet, um die Wärme aus dem Shift-Reaktor 216 aufzunehmen. Ein dritter Wärmetauscher 253 koppelt thermisch an die Brennstoffzelle 220, um die Wärme von der Kathodenseite 222 aufzunehmen. Ein vierter Wärmetauscher 254 ist an dem Kondensator 260 ausgebildet, um die Wärme aus dem Abgas der Kathodenseite 222 der Brennstoffzellen aufzunehmen. Ein fünfter Wärmetauscher 255 ist an einem Einlass des Oxidators 214 angeordnet und ist mit dem Auslass des Oxidators 214 verbunden, um eine Abwärme am Auslass des Oxidators 214 an den Gasstrom, der in den Oxidator 214 eingelassen wird, abzugeben und diesen dadurch aufzuheizen. Nach dieser Wärmeabgabe werden die Abgase aus dem Oxidator 214 an den Kondensator 260 geleitet werden
Das Temperierungssystem 250 stellt einen fluiden Kreislauf (z.B. für Wasser oder ein Kühlmittel) von dem Kondensator 260 über den dritten Wärmetauscher 253, den zweiten Wärmetauscher 252 hin zu dem Verdampfer 242 und zurück über einen externen Wärmetauscher 257, einer weiteren Pumpe 259 hin zu dem Kondensator 260 bereit. Die Wärme wird daher zunächst von dem Kondensator 260 und anschließend durch den dritten Wärmetauscher 253 aufgenommen. Der dritte Wärmetauscher 253 ist mit dem zweiten Wärmetauscher 252 verbunden, der zu einer weiteren Temperaturerhöhung des fluiden Mediums im Kreislauf führt. In dem Verdampfer 242 wird diese Wärme zur Verdampfung von Wasser genutzt. Die verbleibende Restwärmemenge kann über den optionalen externen Wärmetauscher 257 extern genutzt werden. Die weitere Pumpe 259 treibt den Wärmekreislauf von der Pumpe 259 zum vierten Wärmetauscher 254, zum dritten Wärmetauscher 253, zum zweiten Wärmetauscher 252, zum Verdampfer 242 und zum externen Wärmetauscher 257 und anschließend zur Pumpe 259 an. Das System stellt ein Beispiel zur Reintegration eines Teils der Abwärme dar und nicht zwangsweise die optimale Verschaltung.
Außerdem zeigt die 2 die Vorrichtung 100 zum Ansteuern des Brennstoffzellensystems 200, wobei die gestrichelten Steuerleitungen 101, 102 mit der Brennstoffzelle 220 und mit dem Reformer 210 verbunden sind, um diese zu steuern. Es versteht sich, dass weitere optionale Steuerleitungen genutzt werden können, um die verschiedenen Flüsse entlang der verschiedenen Leitungen gezielt zu steuern, um so eine Mengenregulierung des zugeführten Brennstoffes oder des zugeführten Dampfes oder des zugeführten Wasserstoffes zu regulieren. Hierzu können beispielsweise weitere Steuerleitungen und/oder zusätzlich Ventile vorgesehen sein, über die einige oder alle Pumpen oder die Mengen der entsprechenden Gase/Flüssigkeiten, die durch die verschiedenen Leitungen geleitet werden, durch die Ansteuervorrichtung 100 geregelt werden können.
Der Reformer 210 kann insbesondere über die Temperatur gesteuert werden, da der Prozess der Umwandlung von Brennstoff, wie beispielsweise Methan in Wasserstoff, sehr stark von der Temperatur aber auch von dem vorhandenen Volumen abhängt. Je höher die Temperatur und je kleiner das Volumen ist, umso schneller läuft die chemische Reaktion ab. Daher kann durch eine Regelung der Temperatur, mit der der Reformer 210 betrieben wird, als auch des zugeführten Volumens oder Menge an Brennstoff die Reaktion oder Umwandlung gezielt gesteuert werden. Die Temperatur des Reformers 210 kann beispielsieweise über das Temperierungssystem aber auch über die Zusammensetzung und die Menge an zugeführtem Brennstoff/Wasserstoff Gemisch gesteuert werden.
Der Anteil des Restwasserstoffs kann über die Brennstoffzelle 220 gesteuert werden, wobei der wichtigste Steuerparameter die elektrische Leistungsabgabe der Brennstoffzelle ist. Dies kann beispielsweise über den Druck (z.B. unter Nutzung eines Ventils) auf der Anodenseite aber auch über die Temperatur, die über das Temperierungssystem steuerbar ist, geschehen. Über die Reformertemperatur kann wie gesagt der Anteil des Restbrennstoffes wie Methan im Brennstoffzellenabgas eingestellt werden. Zusammen liefern die beiden Bestandteile genug Heizleistung- um den Reformer zu betreiben. Es ist daher kein weiteres Methan aus der Brenngasleitung 205 nötig und es wird auch kein Reformat verbrannt, wie es in den eingangs erwähnten konventionellen Systemen der Fall ist.
3 zeigt ein Flussdiagram für ein Verfahren zur Ansteuerung eines Brennstoffzellensystems. Das Verfahren umfasst: Steuern S110 der Brennstoffzelle, um einen gewünschten Anteil an Wasserstoff zur Erzeugung von elektrischer Energie zu nutzen, Steuern S120 eines Reformers, um einen gewünschten Anteil an Brennstoff zur Wasserstoffumwandlung zu nutzen; und Rückführen S130 eines Teiles eines anodenseitigen Abgases der Brennstoffzelle zu dem Reformer, um es dort zur Wärmeproduktion und zum Betreiben des Reformers zu nutzen.
Dieses Verfahren kann ebenfalls in Software implementiert sein, um eine Steuereinheit für die Brennstoffzelle anzusteuern.
Ausführungsbeispiele stellen eine innovative Verschaltung und Nutzung der Dampfstrahl-Verdichter-Technologie dar und bieten eine Reihe von Vorteilen. So wird bei Ausführungsbeispielen die Abwärme der Brennstoffzellen 220 genutzt, um Wasserdampf auf ein erhöhtes Druckniveau zu erzeugen. Der Wasserdampf wird dann als Treibmedium in die Strahlpumpe 244 genutzt, um Brennstoff zu fördern und sich dabei gleichzeitig zu vermischen. Daher sind aufwendige Kompressoren als auch Mischer nicht erforderlich, die beide durch den Strahlpumpe 244 ersetzt werden. Hierbei handelt es sich um eine bekannte und bewährte Technologie ohne bewegte Teile, was die Robustheit des Systems weiter erhöht.
Ein weiterer Vorteil von Ausführungsbeispielen besteht darin, dass der Energieverbrauch drastisch reduziert wird, da die Verdampferleistung nicht mehr extern bezogen werden muss. Außerdem entsteht eine weitere Energieeinsparung durch die Druckerhöhung in einem inkompressiblen Medium wie Wasser und nicht in der Gasphase. Für den Betrieb ist hauptsächlich thermische Energie erforderlich, die der Prozess als Abwärme bereitstellt, sodass der Stromverbrauch und die Förderleistung um ca. 90% reduziert werden können.
Ein besonderer Vorteil von Ausführungsbeispielen besteht darin, dass der Wasserstoff in der Brennstoffzelle nicht mehr größtmöglich verbraucht wird und somit ein starker Abfall der Wasserstoffkonzentration innerhalb der Brennstoffzelle 220 verhindert wird. Dies führt dazu, dass die Wasserstoffkonzentration über die gesamte Zelle auf einem annähernd gleichen Niveau gehalten werden kann und dadurch die Effizienz der Brennstoffzelle 220 erhöht werden kann. Obwohl der Brennstoffausnutzungsgrad sich dadurch verringern mag, da ein Teil vom Wasserstoff aus der Brennstoffzelle 220 ausgegeben wird, wird der gesamte Wirkungsgrad oder der elektrische Wirkungsgrad deutlich erhöht, da keine zusätzliche Heizenergie zum Betreiben des Reformers 210 erforderlich ist - der Reformer 210 ist durch die verbleibende Restbrennstoffmenge aus der Brennstoffzelle 220 gezielt steuerbar. Daher wird, auch wenn das Wasserstoff in der Brennstoffzelle 220 nicht so gut in Strom umgesetzt wird, trotzdem pro Volumen Brennstoff mehr Strom erzeugt, was den Gesamtwirkungsgrad deutlich erhöht.
Die in der Beschreibung, den Ansprüchen und den Figuren offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung wesentlich sein.
Bezugszeichenliste

100: Vorrichtung
101,102: Steuerleitungen
110: Modul zur Steuerung des Reformers
120: Modul zur Steuerung der Brennstoffzelle
200: Brennstoffzellensystem
205: Brennstoffzufuhr
210: Reformer
211: Verbindung zwischen Reformer und Brennstoffzelle
212: Reformer-Einheit
214: Oxidator
215: Luftzufuhr
216: Shift-Reaktor
220: Brennstoffzelle
222: Kathodenseite
224: Anodenseite
225: Abgasauslass
230: Abgasrückkanal
235: Abwasserauslass
242: Verdampfer
243: Ventil
244: Strahlpumpe
250: Temperierungssystem
251, 252, ...: Wärmetauscher
259: weitere Pumpe
260: Kondensator
262: Pumpe

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2013/174712 A1 [0006]
DE 102006047493 A1 [0007]

Claims

Vorrichtung (100) zur Ansteuerung eines Brennstoffzellensystems (200), wobei das Brennstoffzellensystem (200) einen Reformer (210), eine Brennstoffzelle (220) und einen Abgasrückkanal (230) umfasst, wobei der Reformer (210) ausgebildet ist, um unter Nutzung von Wärme einen Brennstoff teilweise in Wasserstoff umzuwandeln, die Brennstoffzelle ausgebildet ist, um den Wasserstoff zumindest teilweise zur Erzeugung von elektrischer Energie zu nutzen, und der Abgasrückkanal (230) ausgebildet ist, um zumindest ein Teil von ungenutzten Wasserstoff und/oder Brennstoff von der Brennstoffzelle (220) zur Gewinnung der Wärme an den Reformer (210) zurückzuführen, die Vorrichtung (100) umfasst: ein Modul (110) zur Steuerung des Reformers (210), um einen gewünschten Anteil an Brennstoff zur Umwandlung in Wasserstoff zu nutzen; und ein Modul (120) zur Steuerung der Brennstoffzelle (220), um einen gewünschten Anteil des Wasserstoffs zur Erzeugung der elektrischen Energie zu nutzen, so dass der ungenutzte Wasserstoff und/oder der ungenutzte Brennstoff über den Abgasrückkanal (230) für eine Erzeugung der Wärme zum Betreiben des Reformers (210) nutzbar ist.
Vorrichtung (100) nach Anspruch 1, wobei das Brennstoffzellensystem eine Luftzufuhr (215) umfasst, die Luft für den Reformer (210) zur Erzeugung der Wärme bereitstellt, und das Modul (110) zur Steuerung des Reformers (210) ausgebildet ist, um zumindest einen der folgenden Parameter zur Steuerung des Reformers (210) zu ändern: - eine Betriebstemperatur des Reformers (210), - eine Menge an zugeführtem Wasserstoff und/oder Brennstoff aus dem Abgasrückkanal (230), - einen Druck der zugeführten Luft, - eine Menge an zugeführter Luft, - eine Menge an Edukt Methan, - eine Menge an Edukt Wasser.
Vorrichtung (100) nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei das Brennstoffzellensystem (200) eine Luftzufuhr (215) umfasst, die Luft für die Brennstoffzelle (220) zur Erzeugung von elektrischer Energie unter Nutzung von Wasserstoff bereitstellt, und das Modul (110) zur Steuerung der Brennstoffzelle (220) ausgebildet ist, um zumindest einen der folgenden Parameter zur Steuerung der Brennstoffzelle (220) zu ändern: - eine Menge an zugeführtem Wasserstoff, - eine Menge an zugeführtem Brennstoff, - einen Druck des zugeführten Wasserstoffes oder der zugeführten Luft, - eine Betriebstemperatur der Brennstoffzelle (220), - eine Elektrische Leistungsabgabe.
Vorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Modul (120) zur Steuerung der Brennstoffzelle (220) und/oder das Modul (110) zur Steuerung des Reformers (210) ausgebildet sind, um über den Abgasrückkanal (230) die Menge an ungenutztem Wasserstoff und/oder an ungenutztem Brennstoff derart zu steuern, dass eine ausreichende Wärmeerzeugung in dem Reformer (210) ermöglicht wird.
Brennstoffzellensystem (200) mit: einem Reformer (210) zur steuerbaren Umwandlung von Brennstoff in Wasserstoff unter Nutzung von Wärme; zumindest einer Brennstoffzelle (220) mit zumindest einer Abgasleitung zur steuerbaren Nutzung von Wasserstoff zur Erzeugung von elektrischer Energie; einer Luftzufuhr (215), die Luft für den Reformer (210) zur Erzeugung der Wärme und für die Brennstoffzelle (220) bereitstellt; und einem Abgasrückkanal (230), der ausgebildet ist, um zumindest eine Menge von ungenutzten Wasserstoff und/oder Brennstoff von der Brennstoffzelle (220) zur Gewinnung der Wärme an den Reformer (210) zurückzuführen und der Reformer (210) ausgebildet ist, um den zurückgeführten Teil für eine Wärmeerzeugung zur Umwandlung des Brennstoffes in Wasserstoff zu nutzen.
Brennstoffzellensystem (200) nach Anspruch 5, welches weiter eine Vorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 4 aufweist.
Brennstoffzellensystem (200) nach Anspruch 5 oder Anspruch 6, wobei die Brennstoffzelle eine Kathodenseite (222) und eine Anodenseite (224) aufweist, die durch eine Elektrolytmembran getrennt sind, der Abgasrückkanal (230) mit der Anodenseite (224) verbunden ist und die Luftzufuhr (215) mit der Kathodenseite (222) verbunden ist.
Brennstoffzellensystem (200) nach einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei eine Verbindung (211) zwischen dem Reformer (210) und der Brennstoffzelle (220) verzweigungsfrei ist, um sämtlichen durch den Reformer (210) produzierten Wasserstoff in die Brennstoffzelle (220) zu leiten, wobei optional zwischen dem Reformer (210) und der Brennstoffzelle (220) ein Shift-Reaktor (216) ausgebildet ist, um einen Kohlenstoffmonoxidgehalt des Abgases des Reformers (210) zu verringern.
Brennstoffzellensystem (200) nach einem der Ansprüche 5 bis 8, das weiter einen Verdampfer (242) zur Erzeugung von Wasserdampf und eine Strahlpumpe (244) zum Vermischen von Brennstoff mit dem Wasserdampf aufweist und die Strahlpumpe (244) ausgebildet ist, um den gemischten Brennstoff und Wasserdampf zusammen in den Reformer (210) zu leiten.
Brennstoffzellensystem (200) nach Anspruch 9, das weiter ein Temperierungssystem (250) aufweist, um eine Abwärme der Brennstoffzelle (220) und/oder des Abgases aus der Brennstoffzelle (220) und/oder eines Abgases des Reformers (210) und/oder eine Abwärme des Shift-Reaktors (216) zu dem Verdampfer (242) zu führen und zur Wasserverdampfung zu nutzen.
Brennstoffzellensystem (200) nach Anspruch 9 oder Anspruch 10, das weiter einen Kondensator (260) umfasst, der ausgebildet ist, um Wasserdampf aus dem Abgas der Brennstoffzelle (220) zu kondensieren und das kondensierte Wasser dem Verdampfer (242) zur Dampferzeugung zur Verfügung zu stellen.
Verfahren zum Steuern eines Brennstoffzellensystems (200) nach einem der Ansprüche 5 bis 11, mit folgenden Schritten: Steuern (S110) der Brennstoffzelle (220), um einen gewünschten Anteil an Wasserstoff zur Erzeugung von elektrischer Energie zu nutzen; Steuern (S120) eines Reformers (210), um einen gewünschten Anteil an Brennstoff zur Wasserstoffumwandlung zu nutzen; und Rückführen (S130) eines Teiles eines anodenseitigen Abgases der Brennstoffzelle (220) zu dem Reformer (210), um es dort zur Wärmeproduktion und zum Betreiben des Reformers (210) zu nutzen.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei die Brennstoffzelle (220) und/oder der Reformer (210) derart gesteuert werden, dass die Wärmeproduktion in dem Reformer (210) vollständig aus Abgasen der Brennstoffzelle (220) betrieben wird.
Computerprogrammprodukt mit darauf gespeicherter Software, die ausgebildet ist, um das Verfahren nach einem der Ansprüche 12 und 13 auszuführen, wenn die Software auf einer Datenverarbeitungseinheit ausgeführt wird.