DE10241970A1 - Reformiervorrichtung und Brennstoffzellensystem - Google Patents

Reformiervorrichtung und Brennstoffzellensystem

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Abstract

Die Patentanmeldung befasst sich mit einer Reformiervorrichtung (100) und einem mit der Reformiervorrichtung ausgestatteten Brennstoffzellensystem, bei denen die Schädigung eines Kohlenmonoxid-Konvertierungskatalysators aufgrund von Oxidation auch dann verhindert werden kann, wenn die Reformiervorrichtung (100) im Ernstfall unter unerwarteten Umständen wie etwa einem Stromausfall zum Stillstand kommt. Das Brennstoffzellensystem umfasst die Reformiervorrichtung (100) und eine Brennstoffzelle (200). Die Reformiervorrichtung (100) enthält einen Reformer (2) und einen Kohlenmonoxid-Konvertierungsreaktor (5). Die Reformiervorrichtung (100) entfernt den Sauerstoff, der in der in den Kohlenmonoxid-Konvertierungsreaktor eindringenden Atmosphäre enthalten ist, mit Hilfe des in der Reformiervorrichtung zurückgebliebenen Wasserstoffs. Die Brennstoffzelle (200) erzeugt unter Nutzung eines Reformatgases als Brennstoffgas, das von der Reformiervorrichtung (100) reformiert wurde, elektrischen Strom.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf eine Reformiervorrichtung und auf ein mit der Reformiervorrichtung ausgestattetes Brennstoffzellensystem.
  • Es sind bereits umfangreiche Untersuchungen zu Verfahren durchgeführt worden, bei denen mit Hilfe eines Katalysators ein Reformierrohstoff wie Kohlenwasserstoff oder Alkohol zu einem Reformatgas reformiert wird, das hauptsächlich Wasserstoff enthält. Außerdem wurden Brennstoffzellen entwickelt, die mit diesem Reformatgas beschickt werden. Die Brennstoffzellen entsprechen elektrischen Batterien, die unter Verwendung von Wasserstoff und Sauerstoff durch eine Elektrolyse-Rückreaktion elektrische Energie erzeugen und nichts weiter als Wasser abgegeben. Brennstoffzellen sind daher als umweltfreundliche Stromerzeugungsvorrichtung in den Mittelpunkt des Interesses gerückt.
  • Die Brennstoffzellen kommen als mobile Brennstoffzellen, die als Energiequelle für bewegliche Objekte wie Elektrofahrzeuge verwendet werden, und als stationäre Brennstoffzellen zum Einsatz, die als Energiequelle für den Heim- und Bürobereich verwendet werden. Als Reformierrohstoff, mit dem Brennstoffzellen für bewegliche Objekte beschickt werden, wurden Methanol und Benzin untersucht, während als Reformierrohstoff für stationäre Brennstoffzellen Erdgas und Propan untersucht wurden.
  • Die chemische Reaktion bei der Dampfreformierung (engl. steam reforming) eines Kohlenwasserstoffkraftstoffs wie Benzin, Erdgas oder Propan umfasst im Allgemeinen eine Reformierung, eine Kohlenmonoxid-Konvertierung (engl. water-gas shift reaction) und eine selektive Oxidation. Die jeweiligen Reaktionen werden im Folgenden anhand der Reaktion von Methan, dem Hauptbestandteil von Erdgas, erläutert. Die Reformierung führt zu den in den chemischen Gleichungen (1) und (2) angegebenen Reaktionen. Obwohl kein Kohlenmonoxid zurückbleiben dürfte, wenn bei der in der chemischen Gleichung (2) gezeigten Reaktion jedes Kohlenmonoxidmolekül reagieren würde, bleiben in der Praxis nach der Reformierung ungefähr 912 Prozent des Kohlenmonoxids zurück.

    CH4 + H2O → 3H2 + CO (1)

    CO + H2O → H2 + CO2 (2)
  • Die Kohlenmonoxid-Konvertierung, die der Reaktion der chemischen Gleichung (2) entspricht, dient dazu, durch Reduzieren des Kohlenmonoxids Wasserstoff zu erzeugen. Nach der Kohlenmonoxid-Konvertierung beliebt ungefähr ein Prozent des Kohlenmonoxids zurück. Das Kohlenmonoxid ist für den Elektrodenkatalysator der Brennstoffzelle ein Giftstoff. Daher muss die Kohlenmanoxidkonzentration in dem der Brennstoffzelle zugeführten Reformiergas auf höchstens 100 ppm und besser noch auf höchstens 10 ppm gesenkt werden.
  • Nach der Kohlenmonoxid-Konvertierung wird bei der selektiven Oxidation eine vorbestimmte Menge Sauerstoff in das Gas eingeleitet, sodass es zu der Reaktion der folgenden chemischen Gleichung (3) kommt, bei der ein Katalysator verwendet wird, um das Kohlenmonoxid selektiv zu oxidieren und die Kohlenmonoxidkonzentration zu senken.

    CO + 0,5 O2 → CO2 (3)

  • Das Leistungsvermögen der bei der Reformierung, der Kohlenmonoxid-Konvertierung und der selektiven Oxidation eingesetzten Katalysatoren nimmt bei Kontakt mit Sauerstoff tendenziell ab. So wird insbesondere ein Kohlenmonoxid-Konvertierungskatalysator wie Kupfer oder Zink, der zur Kohlenmonoxid-Konvertierung eingesetzt wird, geschädigt, wenn er der oxidierenden Umgebung ausgesetzt ist.
  • Wenn sämtliche Ein- und Auslasse der Reformiervorrichtung blockiert würden, bliebe zwar das Reformiergas in der Reformiervorrichtung zurück, wenn die Vorrichtung nicht in Betrieb ist, doch würde aufgrund des Unterdrucks in der Reformiervorrichtung, der durch die Kondensation des in der Reformiervorrichtung enthaltenen Wasserdampfs und das Absinken der Temperatur in der Reformiervorrichtung entsteht, Außenluft in die Vorrichtung eindringen. Der Kohlenmonoxid-Konvertierungskatalysator wird dabei durch den Sauerstoff in der eindringenden Luft geschädigt.
  • Um das Eindringen der Luft und die Schädigung des Kohlenmonoxid-Konvertierungskatalysator zu verhindern, muss die Reformiervorrichtung so aufgebaut sein, dass sie dem Unterdruck standhalten kann und einen Dichtungsaufbau aufweist, der dem einer Vakuumvorrichtung entspricht. Dies bringt den Nachteil mit sich, dass die Herstellungskosten für die Reformiervorrichtung steigen. Denkbar wäre auch, das Reformiergas, das in der Reformiervorrichtung zurückbleibt, wenn die Reformiervorrichtung nicht in Betrieb ist, mit einem Inertgas wie Stickstoff zu ersetzen. Ungeachtet dessen müsste das Inertgas jedoch, da es auch dann, wenn das Reformiergas bereits gegen das Inertgas ausgetauscht wurde, Zeit braucht, die Temperatur in der Reformiervorrichtung senken, solange eingeleitet werden, bis die Temperatur ungefähr Zimmertemperatur erreicht hat, um so das Auftreten eines Unterdrucks in der Reformiervorrichtung und das Eindringen der Außenluft zu verhindern. Abgesehen davon ist es aufgrund von Bauraum- und Wartungsproblemen schwierig, in einem solchen System einen Inertgaszylinder, wie etwa einen Stickstoffzylinder, unterzubringen.
  • Alternativ dazu schlägt die JP 2000-277137 A vor, zum Ausspülen des verbliebenen Gases anstelle des Inertgases ein Spülgas zu verwenden, das durch Verbrennen des im System enthaltenen entflammbaren Gases erzeugt wird.
  • Darüber hinaus offenbart die JP 2000-277138 A ein Brennstoffzellen-Stromerzeugungssystem, dem Reformiergas und Luft zugeführt werden und das mit einer Brennstoffzelle ausgestattet ist, die das Spülgas durch den Verbrauch des in der Luft enthaltenen Sauerstoffs erzeugt und anstelle des Inertgases das erzeugte Spülgas verwendet.
  • Die in der JP 2000-277137 A offenbarte Vorrichtung funktioniert zwar während einer normalen Betriebspause, doch hat sie dessen ungeachtet den Nachteil, dass der Austausch mit dem Spülgas nicht durchgeführt werden kann, wenn andere, für den Reformiergasbetrieb benötigte Bestandteile unter unerwarteten Umständen, wie etwa einem Stromausfall, zum Stillstand kommen. Auch mit einem Spülgasreservebehälter wäre es schwierig, den Spülgasaustausch vorzunehmen, da während des Stromausfalls auch der Steuerungsabschnitt und die Ventile zum Stillstand kämen.
  • Bei der in der JP 2000-277137 A offenbarten Vorrichtung wären also ein Steuerungsabschnitt zur Steuerung eines das Spülgas erzeugenden Gasbrenners, ein Spülgasreservebehälter zur Aufbewahrung des Spülgases und ein Steuerungsabschnitt zur Steuerung der Spülgaszufuhr erforderlich. Diese Vorrichtung hätte den Nachteil, dass die Größe des Systems an sich und die Herstellungskosten zunähmen. Wenn darüber hinaus versucht würde, das entflammbare Gas vollständig zu verbrennen, bliebe Sauerstoff zurück und ergäbe sich der Nachteil, dass der Kohlenmonoxid-Konvertierungskatalysator geschädigt würde, wenn das sauerstoffhaltige Gas als Spülgas verwendet würde. Wenn dagegen versucht würde, den Sauerstoff vollständig zu verbrauchen, ergäbe sich der Nachteil, dass entflammbares Gas zurückbleiben könnte oder dass es zu einer unvollständigen Verbrennung käme, wodurch ein Gas wie Kohlenmonoxid entstünde.
  • Die JP 2000-277138 A erwähnt, dass das System auch dann funktioniert, wenn der Betrieb im Ernstfall zum Stillstand kommt, da das Spülgas im Spülgasbehälter aufbewahrt wird. Allerdings ist es nicht einfach, den Austausch mit dem Spülgas durchzuführen, da andere ergänzende Bestandteile der Reformiervorrichtung unter solch unerwarteten Umständen wie dem Stromausfall zum Stillstand kommen. Da zum Erzeugen des Spülgases außerdem eine Brennstoffzelle und der entsprechende Steuerungsabschnitt erforderlich sind, hat diese Vorrichtung den Nachteil, dass die Größe des Systems an sich und die Herstellungskosten zunehmen.
  • Es besteht also der Bedarf nach einer Reformiervorrichtung und einem höchst zuverlässigen, mit der Reformiervorrichtung ausgestatteten Brennstoffzellensystem, bei denen die Schädigung eines Kohlenmonoxid- Konvertierungskatalysator durch Oxidation auch dann verhindert werden kann, wenn die Reformiervorrichtung im Ernstfall unter unerwarteten Umständen wie einem Stromausfall zum Stillstand kommt.
  • Angesichts dessen sieht die Erfindung eine Reformiervorrichtung vor, die einen Reformer zum Erzeugen von Wasserstoff aus einem Reformierrohstoff und einen Kohlenmonoxid-Konvertierungsreaktor zum Erzeugen von Wasserstoff und Kohlendioxid aus Wasserdampf und Kohlenmonoxid, das in dem im Reformer erzeugten Gas enthalten ist, umfasst und in der Sauerstoff, der in von außen stammender Luft enthalten ist und im Begriff ist, in den Kohlenmonoxid-Konvertierungsreaktor einzudringen, durch den in der Reformiervorrichtung zurückgebliebenen Wasserstoff entfernt wird.
  • Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist ein Brennstoffzellensystem mit einer Reformiervorrichtung und einer Brennstoffzelle vorgesehen, die unter Nutzung eines Reformatgases als Brennstoffgas, das durch die Reformiervorrichtung reformiert wurde, elektrischen Strom erzeugt. Die Reformiervorrichtung enthält einen Reformer zum Erzeugen von Wasserstoff aus einem Reformierrohstoff und einen Kohlenmonoxid-Konvertierungsreaktor zum Erzeugen von Wasserstoff und Kohlendioxid aus Wasserdampf und Kohlenmonoxid, das in dem im Reformer erzeugten Gas enthalten ist. Sauerstoff, der in von außen stammender Luft enthalten ist und im Begriff ist, in den Kohlenmonoxid-Konvertierungsreaktor einzudringen, wird durch den in der Reformiervorrichtung zurückgebliebenen Wasserstoff entfernt.
  • Die Erfindung basiert auf der Idee, Sauerstoff, bevor die in den Reformer eindringende Luft in den Kohlenmonoxid- Konvertierungsreaktor eindringt, wenn die Reformiervorrichtung den Unterdruck entwickelt, aus der Atmosphäre mit Hilfe von Wasserstoff zu entfernen, der in der Reformiervorrichtung und in den Leitungen, die mit der Reformiervorrichtung in Verbindung stehen, zurückgeblieben ist. Das heißt also, dass der Sauerstoff aus der in den Kohlenmonoxid-Konvertierungsreaktor eindringenden Atmosphäre erfindungsgemäß mit Hilfe des in der Reformiervorrichtung zurückgebliebenen Wasserstoffs entfernt wird.
  • Die obigen und weitere Merkmale und Eigenschaften der Erfindung ergeben sich auch aus der folgenden ausführlichen Beschreibung erfindungsgemäßer Ausführungsbeispiele. In der Beschreibung wird auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen wird, in denen gleiche Bezugszahlen gleiche Elemente bezeichnen. Es zeigen:
  • Fig. 1 schematisch ein Brennstoffzellensystem gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
  • Fig. 2 schematisch ein Brennstoffzellensystem gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
  • Fig. 3 schematisch ein Brennstoffzellensystem gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
  • Fig. 4 in Schnittansicht eine Deoxidationseinrichtung beim dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
  • Fig. 5 schematisch ein Brennstoff zellensystem gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
  • Fig. 6 schematisch ein Brennstoffzellensystem gemäß einer Abwandlung des ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung;
  • Fig. 7 schematisch ein Brennstoffzellensystem gemäß einer Abwandlung des ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung;
  • Fig. 8 schematisch ein Brennstoffzellensystem gemäß einer Abwandlung des zweiten Ausführungsbeispiels der Erfindung;
  • Fig. 9 schematisch ein Brennstoffzellensystem gemäß einer Abwandlung des zweiten Ausführungsbeispiels der Erfindung; und
  • Fig. 10 schematisch ein Brennstoffzellensystem gemäß einer Abwandlung des dritten Ausführungsbeispiels der Erfindung.
  • Fig. 1 zeigt schematisch das Brennstoffzellensystem gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel. Fig. 1 zeigt in erster Linie die Abschnitte, die in Bezug zur Erfindung stehen, während andere ergänzende Bestandteile und der Steuerungsabschnitt weggelassen wurden. Das Brennstoffzellensystem umfasst eine Reformiervorrichtung 100 und eine Brennstoffzelle 200, die unter Nutzung eines von der Reformiervorrichtung 100 reformierten Reformatgases als Brennstoffgas elektrischen Strom erzeugt. Die Reformiervorrichtung 100 enthält einen Brenner 1, einen Reformer 2, einen Verdampfer 3, einen Wärmetauscher 4, einen Kohlenmonoxid-Konvertierungsreaktor 5 und eine Selektivoxidationseinrichtung 6.
  • Der einen Boden aufweisende hohlzylinderförmige Brenner 1 dient dazu, ein entflammbares Gas (z. B. Erdgas) zu verbrennen, mit dem der Reformer 2 erwärmt werden soll. Das entflammbare Gas und die für die Verbrennung benötigte Luft werden in den Brenner 1 eingeleitet. Ein anodenauslassseitiges Gas der Brennstoffzellen 2 wird ebenfalls in den Brenner 1 eingeleitet, um verbrannt zu werden.
  • Der Reformer 2 ist konzentrisch um den Brenner 1 herum angeordnet. Der Reformer 2 umfasst einen konzentrisch angeordneten, mit einem Boden versehenen Hohlzylinder mit einem Innenwandelement 21, in dem sich die Flamme des Brenners 1 zylinderförmig ausbildet, einem Außenwandelement 22 und einem zwischen dem Innenwandelement 21 und dem Außenwandelement 22 befindlichen Trennelement 23. Der Reformer 2 ist mit einem Reformierkatalysator (z. B. Ru-Katalysator) 2a beladen. Um das Außenwandelement 22 herum ist konzentrisch ein hohlzylinderförmiger Abgasleitungsabschnitt 14 angeordnet. Um den Außenrand des Abgasleitungsabschnitts 14 herum winden sich Wärmetauscherrohre 7.
  • Der Verdampfer 3 dient dazu, durch das Abgas des Brenners 1 Wasser zu verdampfen und dadurch. Wasserdampf zu erzeugen. Der Verdampfer 3 entspricht einem Rohrbündelwärmetauscher, der zwei Leitungsgruppen enthält, die in zwei verschiedenen Richtungen verlaufen. Das Abgas des Brenners 1 geht durch die in der einen Richtung verlaufenden Leitungen hindurch, während das über ein Absperrventil V1 den Wärmetauscherrohren 7 zugeführte Wasser durch die in der anderen Richtung verlaufenden Leitungen hindurchgeht.
  • Der Wärmetauscher 4 dient dazu, den in dem Verdampfer 3 verdampften Wasserdampf und einen über ein Absperrventil V2 zugeführten Reformierrohstoff mit Hilfe der Wärme des aus dem Reformer 2 entwichenen Gases vorzuheizen. Der Wärmetauscher 4 entspricht einem Kreuzstrom-Lamellenwärmetauscher, der zwei Leitungsgruppen enthält, die in zwei verschiedenen Richtungen verlaufen. Das aus dem Reformer 2 entwichene Gas geht durch die in der einen Richtung verlaufenden Leitungen hindurch, während der Reformierrohstoff und der Wasserdampf durch die in der anderen Richtung verlaufenden Leitungen hindurchgehen. Die Reformiervorrichtung 100 ist so aufgebaut, dass der Einlassseite des Wärmetauschers 4, die mit dem Reformierrohstoff und dem Wasserdampf versorgt wird, über ein Absperrventil V5 Stickstoff zugeführt werden kann. Der andere Einlass des Wärmetauscher 4 ist direkt mit dem Auslass des Reformers 2 verbunden, sodass das von dem Reformer 2 abgegebene Gas direkt in den Wärmetauscher 4 eingeleitet wird, ohne durch die Rohre zu gehen.
  • Der Kohlenmonoxid-Konvertierungsreaktor 5 liegt in Form eines Hohlzylinderbehälters vor und ist mit einem Kohlenmonoxid-Konvertierungskatalysator (z. B. Cu-Zn-Katalysator) beladen. Der Einlass des Kohlenmonoxid- Konvertierungsreaktors 5 ist direkt mit dem Wärmetauscher 4 verbunden, während der Auslass des Kohlenmonoxid- Konvertierungsreaktors 5 direkt mit der Selektivoxidationseinrichtung 6 verbunden ist.
  • Die Selektivoxidationseinrichtung 6 ist mit einem Selektivoxidationskatalysator (z. B. Ru-Katalysator) beladen und wird mit dem Gas von dem Kohlenmonoxid- Konvertierungsreaktor 5 und über ein Absperrventil V3 mit Luft versorgt. Der Auslass der Selektivoxidationseinrichtung 6 ist über ein Absperrventil V4 mit der Anodenseite der Brennstoffzelle 200 verbunden. Der Kathodenseite der Brennstoffzelle 200 wird Luft zugeführt. Dass anodenauslassseitige Gas der Brennstoffzelle 200 wird dem Brenner 1 zugeführt.
  • In einem zwischen dem Auslass der Selektivoxidationseinrichtung 6 und dem Absperrventil V4 gelegenen Kanal 9befindet sich ein Einwege-Ventil 8. Das Einwege-Ventil 8 dient dazu, ausschließlich einen Luftstrom von außen in Richtung des Kanals 9 zuzulassen. Das Einwege-Ventil 8 lässt also nur einen Luftstrom vor, außen in Richtung der Selektivoxidationseinrichtung 6 zu.
  • Für die Absperrventile V1 bis V5 werden normalerweise geschlossene Ventile verwendet, die sich bei anliegendem Strom öffnen und sich bei fehlendem Strom automatisch schließen.
  • Wenn der Brenner 1 gezündet wird, breitet sich die Verbrennungsflamme vom oberen Ende des Brenners in den Raum zwischen dem Brenner 1 und der Innenwand 21 des Reformers 2 aus und erwärmt den Reformierkatalysator 2a, mit dem der Reformer 2 beladen ist. Das Abgas der Verbrennungsflamme wird aus dem Abgasleitungsabschnitt 14 über den Verdampfer 3 nach außen abgegeben. Das Abgas erwärmt den Reformierkatalysator 2a und heizt gleichzeitig das durch die Wärmetauscherrohre 7 gehende Wasser vor, wenn es durch den Abgasleitungsabschnitt 14 strömt. Das Abgas verdampft auch das über die Wärmetauscherrohre 7 dem Verdampfer 3 zugeführte Wasser, das dann dem Einlass des Wärmetauschers 4 zugeleitet wird.
  • Der über das Absperrventil V2 zugeführte Reformierrohstoff und der in dem Verdampfer 3 verdampfte Wasserdampf vermischen sich an der Einlassseite des Wärmetauschers 4. Das Gemisch aus dem Reformierrohstoff und dem Wasserdampf wird dem Hohlraum des Reformers 2 zwischen dem Außenwandelement 22 und dem Trennelement 23 zugeführt, nachdem es durch den Wärmetauscher 4 auf ungefähr 500°C vorgeheizt wurde. Das zugeführte Gemisch des Wasserdampfs und des Reformierrohstoffs strömt zwischen dem Außenwandelement 22 und dem Trennelement 23wie in Fig. 1 gezeigt nach unten und wird an einem Bodenendabschnitt dem Hohlraum zwischen dem Innenwandelement 21 und dem Trennelement 23 zugeführt, um dann wie in Fig. 1 gezeigt nach oben in den Hohlraum zu strömen und aus dem Reformer 2 entweichen.
  • Das Gemisch aus dem Reformierrohstoff und dem Wasserdampf wird, während es durch den Reformer 2 hindurchgeht, mit Hilfe des Reformierkatalysators 2a durch die in den chemischen Gleichungen (1) und (2) gezeigte Reaktion zu einem hauptsächlich Wasserstoff enthaltenden Gas reformiert, um dann dem Wärmetauscher 4 zugeführt zu werden. Die Verbrennung des Brenners 1 wird so eingestellt, dass die Temperatur des aus dem Reformer 2 entweichenden Gases bei ungefähr 650°C bleibt.
  • Das aus dem Reformer 2 kommende Gas wird, nachdem es in dem Wärmetauscher 4 das Gemisch aus dem Reformierrohstoff und dem Wasserdampf erwärmt hat und auf ungefähr 200- 250°C abgekühlt wurde, dem Kohlenmonoxid-Konvertierungsreaktor 5 zugeführt. Die Kohlenmonoxidkonzentration in dem Gas entspricht in diesem Fall 9-12 Prozent. Die Kohlenmonoxidkonzentration wird mit Hilfe des Kohlenmonoxid-Konvertierungskatalysators in dem Kohlenmonoxid- Konvertierungsreaktor 5 durch die Reaktion der Gleichung (2) auf ungefähr 1 Prozent gesenkt., und das Gas wird dann der Selektivoxidationseinrichtung 6 zugeführt.
  • Der Selektivoxidationseinrichtung 6 wird außerdem über das Absperrventil V3 Luft zugeführt. Die Kohlenmonoxidkonzentration in der Selektivoxidationseinrichtung 6 wird mit Hilfe des Selektivoxidationskatalysators durch die Reaktion der chemischen Gleichung (3) auf mindestens 10 ppm gesenkt. Das reformierte Gas entweicht dann als Reformatgas in den Kanal 9. Das Reformatgas enthält hauptsächlich Wasserstoff und außerdem Kohlendioxidgas und Wasserdampf.
  • Das in den Kanal 9 abgegebene Reformatgas wird der Anodenseite der Brennstoffzelle 200 als Brennstoffgas zugeführt. Der Kathodenseite der Brennstoffzelle 200 wird als gasförmiges Oxidationsmittel Luft zugeführt. Die Brennstoffzelle 200 erzeugt durch die Elektrodenreaktion an der Kathodenelektrode, die den in der Luft enthaltenen Sauerstoff nutzt, und durch die Elektrodenreaktion an der Anodenelektrode, die den in dem Brennstoffgas enthaltenen Wasserstoff nutzt, Elektrizität. Der Wasserstoff in dem Brennstoffgas wird während der Elektrodenreaktion an der Anodenelektrode nicht vollständig verbraucht. Dieser Wasserstoff bleibt in dem anodenauslassseitigen Gas zurück, das dem Brenner 1 zugeführt wird, um dann verbrannt zu werden.
  • Wenn das Brennstoffzellensystem unter normalen Umständen angehalten wird, wird die Zufuhr des dem Brenner 1 zugeführten, für die Verbrennung benötigten Gases und der dem Brenner 1 zugeführten, für die Verbrennung benötigten Luft durch die (nicht gezeigte) Steuerungsvorrichtung blockiert, die Verbrennung kommt zum Stillstand, und die Absperrventile V1-V3 werden geschlossen. Gleichzeitig wird das Absperrventil V5 (das während des Betriebs des Brennstoffzellensystems stets geschlossen ist) geöffnet, um zur Durchführung einer Stickstoffspülung Stickstoffgas in die Reformiervorrichtung 100 einzuleiten. Nach Verstreichen einer vorbestimmten Zeitdauer werden die Absperrventile V4 und V5 geschlossen.
  • Die vorbestimmte Zeitdauer richtet sich in diesem Fall nach der Zeitdauer, während der sich die Temperatur in der Reformiervorrichtung 100, insbesondere die Temperatur des Kohlenmonoxid-Konvertierungsreaktors 5, ausreichend abgekühlt hat. Die Zeitdauer für die Stickstoffspülung muss nicht unbedingt vorbestimmt sein, sondern kann anstelle dessen auch durch Erfassen der Temperatur des Kohlenmonoxid-Konvertierungsreaktors 5 festgesetzt werden. Das Erfassen der Temperatur des Kohlenmonoxid- Konvertierungsreaktors 5 kann anhand der Temperatur anderer Abschnitte in der Reformiervorrichtung 100 abgeschätzt werden, ohne sie direkt zu erfassen.
  • Wenn das Brennstoffzellensystem im Ernstfall unter unerwarteten Umständen wie etwa einem Stromausfall zum Stillstand kommt, wird die Stromzufuhr zu den Absperrventilen V1-V5 unterbrochen und schließen sich die Absperrventil V1-V5 automatisch. Auf diese Weise wird die Reformiervorrichtung 100 vollständig nach außen abgesperrt und bleibt das Reformatgas (Hauptbestandteil: Wasserstoff) in der Reformiervorrichtung 100 zurück.
  • Die Reformiervorrichtung 100 nimmt aufgrund der Temperaturabnahme und der Kondensation des Wasserdampfs Unterdruck an. Wenn die Reformiervorrichtung 100 unter Unterdruck steht, dringt von dem Einwege-Ventil 8 aus über den Kanal 9 eine kleine Menge Luft (d. h. der Atmosphäre) in die Selektivoxidationseinrichtung 6 ein. Der Sauerstoff, der in der in die Selektivoxidationseinrichtung 6 eindringenden Luft enthalten ist, reagiert mit Hilfe des Selektivoxidationskatalysators mit dem Wasserstoff, der in dem in der Selektivoxidationseinrichtung 6 verbliebenen Gas enthalten ist, zu Wasser und wird entfernt. Das Gas diffundiert dann in den Kohlenmonoxid-Konvertierungsreaktor 5. Da in dem Gas, das in den Kohlenmonoxid-Konvertierungsreaktor 5 diffundiert, kein Sauerstoff enthalten ist, kann eine Schädigung des Kohlenmonoxid-Konvertierungskatalysators durch Oxidation verhindert werden.
  • Da die Außenluft, wenn die Reformiervorrichtung 100 unter dem Unterdruck steht, bevorzugt von dem Einwege-Ventil 8 aus in die Reformiervorrichtung 100 eindringt, gelangt die Luft nicht von anderen Abschnitten der Reformiervorrichtung 100 in die Reformiervorrichtung 100. Wenn die Reformiervorrichtung 100 im Ernstfall unter solch unerwarteten Umständen wie dem Stromausfall zum Stillstand kommt, dringt die Außenluft also auch dann, wenn die Reformiervorrichtung 100 unter dem Unterdruck steht, in die Reformiervorrichtung 100 lediglich über das Einwege-Ventil 8 ein, das sich an der Auslassseite der Selektivoxidationseinrichtung 6 befindet. Der in der Außenluft enthaltene Sauerstoff wird durch die Reaktion mit dem in der Selektivoxidationseinrichtung 6 verbliebenen Wasserstoff zu Wasser umgewandelt und dadurch entfernt. Daher kann eine Schädigung des Kohlenmonoxid- Konvertierungskatalysators aufgrund von Oxidation verhindert werden. Dieses Brennstoffzellensystem ist hochgradig zuverlässig, da die Reformiervorrichtung 100 die Schädigung des Kohlenmonoxid-Konvertierungskatalysators durch Oxidation auch dann verhindern kann, wenn das Brennstoffzellensystem im Ernstfall unter solch unerwarteten Umständen wie dem Stromausfall zum Stillstand kommt.
  • Das Einwege-Ventil 8 befindet sich beim ersten Ausführungsbeispiel zwar im Kanal 9 auf der Auslassseite der Selektivoxidationseinrichtung 6, doch kann das Einwege-Ventil auch in einem Kanal vorgesehen werden, der der Selektivoxidationseinrichtung 6 über das Absperrventil V3 Luft zuführt (siehe Fig. 6), oder es kann direkt mit der Selektivoxidationseinrichtung 6 verbunden werden (siehe Fig. 7). Wenn sich das Einwege-Ventil 8 in dem Kanal 9 auf der Auslassseite der Selektivoxidationseinrichtung 6 befindet, hat die von dem Einwege-Ventil 8 eindringende Außenluft in der Selektivoxidationseinrichtung 6 bis zum Kohlenmonoxid-Konvertierungsreaktor 5 einen langen Weg zurückzulegen, sodass der von außen eindringende Sauerstoff sicher entfernt werden kann.
  • Fig. 2 zeigt schematisch das Brennstoffzellensystem gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Abschnitte, die denen des ersten Ausführungsbeispiels entsprechen, sind mit den gleicher. Bezugszahlen versehen, und auf ihre erneute Erläuterung wurde verzichtet. Fig. 2 zeigt ähnlich wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel hauptsächlich die Abschnitte, die zur Erfindung einen Bezug haben, wobei andere ergänzende Bestandteile und der Steuerungsabschnitt weggelassen wurden.
  • Bei dem zweiten Ausführungsbeispiel befindet sich in einem Kanal, der das Absperrventil. V2 und den Wärmetauscher 4 verbindet, ein Einwege-Ventil 11. Das Einwege-Ventil 11 ist so angeordnet, dass es ausschließlich einen Luftstrom von außen in Richtung des Wärmetauschers 4 zulässt. Das Einwege-Ventil 11 lässt also nur Luft von außen in Richtung des Reformers 2 strömen.
  • Wenn das Brennstoffzellensystem unter normalen Umständen zum Stillstand kommt, geschieht dies wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel. Wenn das Brennstoffzellensystem im Ernstfall unter solch unerwarteten Umständen wie dem Stromausfall zum Stillstand kommt, wird die Verbrennung wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel angehalten und werden die Ventile V1-V4 geschlossen. Die Reformiervorrichtung 100 wird dadurch vollständig nach außen abgesperrt und das Reformatgas (Hauptbestandteil: Wasserstoff) bleibt darin zurück.
  • Die Reformiervorrichtung nimmt aufgrund der Temperaturabnahme und der Kondensation des Wasserdampfs Unterdruck an. Wenn die Reformiervorrichtung 100 unter dem Unterdruck steht, dringt über den Wärmetauscher 4 eine kleine Menge Luft (d. h. die Atmosphäre) in den Reformer 2 ein. Der Sauerstoff, der in der in den Reformer 2 eindringenden Luft enthalten ist, reagiert mit Hilfe des Reformierkatalysators mit dem Wasserstoff, der in dem zurückgebliebenen Gas enthalten ist, und wird dadurch entfernt. Das reformierte Gas diffundiert dann über den Wärmetauscher 4 in den Kohlenmonoxid-Konvertierungsreaktor 5. Da in dem Gas, das in den Kohlenmonoxid- Konvertierungsreaktor 5 diffundiert ist, kein Sauerstoff vorhanden ist, kann eine Schädigung des Kohlenmonoxid- Konvertierungskatalysators aufgrund von Oxidation verhindert werden.
  • Da die Außenluft, wenn die Reformiervorrichtung 100 unter dem Unterdruck steht, bevorzugt von dem Einwege-Ventil 11 aus in die Reformiervorrichtung 100 eindringt, gelangt die Luft nicht von anderen Abschnitten der Reformiervorrichtung 100 in die Reformiervorrichtung 100. Wenn die Reformiervorrichtung 100 im Ernstfall unter solch unerwarteten Umständen wie dem Stromausfall zum Stillstand kommt, dringt die Außenluft also auch dann, wenn die Reformiervorrichtung 100 unter dem Unterdruck steht, in die Reformiervorrichtung 100 lediglich über das Einwege-Ventil 11 ein, das sich an der Einlassseite des Reformers 2 befindet, und wird der in der Außenluft enthaltene Sauerstoff durch die Reaktion mit dem in dem Reformer 2 verbliebenen Wasserstoff zu Wasser umgewandelt und dadurch entfernt. Daher kann eine Schädigung des Kohlenmonoxid-Konvertierungskatalysators aufgrund von Oxidation verhindert werden. Dieses Brennstoffzellensystem ist hochgradig zuverlässig, da die Reformiervorrichtung 100 die Schädigung des Kohlenmonoxid-Konvertierungskatalysators durch Oxidation auch dann verhindern kann, wenn das Brennstoffzellensystem im Ernstfall unter solch unerwarteten Umständen wie dem Stromausfall zum Stillstand kommt.
  • Bei dem zweiten Ausführungsbeispiel befindet sich das Einwege-Ventil 11 zwar in dem Kanal, der das Absperrventil V2 und den Wärmetauscher 4 verbindet, doch kann das Einwege-Ventil 11 auch in einem Kanal 17 angeordnet werden, der den Wärmetauscher 4 und den Reformer 2 verbindet (siehe Fig. 8), oder es kann direkt mit dem Reformer 2 verbunden werden (siehe Fig. 9). Wenn das Einwege-Ventil 11 in dem das Absperrventil V2 und den Wärmetauscher 4 verbindenden Kanal oder in dem den Wärmetauscher 4 und den Reformer 2 verbindenden Kanal 17 vorgesehen ist, hat die von dem Einwege-Ventil 11 eindringende Außenluft in dem Reformer 2 bis zum Kohlenmonoxid-Konvertierungsreaktor 5 einen langen Weg zurückzulegen. Der mit der Außenluft eindringende Sauerstoff kann daher sicher entfernt werden.
  • Fig. 3 zeigt schematisch das Brennstoffzellensystem gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Abschnitte, die denen des ersten Ausführungsbeispiels entsprechen, sind mit den gleichen Bezugszahlen versehen, und auf ihre erneute Erläuterung wurde verzichtet. Fig. 3 zeigt ähnlich wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel hauptsächlich die Abschnitte, die zur Erfindung einen Bezug haben, wobei andere ergänzende Bestandteile und der Steuerungsabschnitt weggelassen wurden.
  • Bei dem dritten Ausführungsbeispiel befindet sich, wie in Fig. 3 gezeigt ist, in dem Kanal 9 eine Deoxidationseinrichtung 12 und an der Deoxidationseinrichtung 12 ein Einwege-Ventil 13. Das Einwege-Ventil 13 lässt lediglich einen Luftstrom von außen in Richtung der Deoxidationseinrichtung 12 zu. Fig. 4 zeigt die Deoxidationseinrichtung 12 des dritten Ausführungsbeispiels im Schnitt. Die Deoxidationseinrichtung 12 enthält einen Katalysatorschichtabschnitt 12b, der sich in einem zylinderförmigen Überzugsabschnitt 12a befindet und mit einem Deoxidationskatalysator (z. B. Pt-Katalysator) beladen ist, einen Einlassabschnitt 12c, der sich an einem Ende des Überzugsabschnitt 12a befindet, und einen Auslassabschnitt 12d, der sich an dem anderen Ende des Überzugsabschnitt 12a befindet. Der Einlassabschnitt 12c ist mit dem Einwege-Ventil 13 und der Auslassabschnitt 12d mit dem Kanal 9 verbunden. Der Auslassabschnitt 12d wird von einem Hohlzylinder gebildet, dessen zwei Enden offen sind. Der Einlassabschnitt wird dagegen von einem Hohlzylinder gebildet, der einen Boden hat. Der Boden befindet sich auf der am Katalysatorschichtabschnitt 12d liegenden Seite des Einlassabschnitts 12c. Außerdem befinden sich an der Seitenfläche nahe dem Boden zwei Bohrungen 12e, 12e mit einer kleinen, 0,2 mm großen Bohrung. Dieser Aufbau verhindert ein plötzliches Einströmen der Außenluft.
  • Wenn das Brennstoffzellensystem unter normalen Umständen zum Stillstand kommt, geschieht dies wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel. Wenn das Brennstoffzellensystem im Ernstfall unter solch unerwarteten Bedingungen wie dem Stromausfall zum Stillstand kommt, wird die Verbrennung wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel unterbrochen und werden die Absperrventile V1-V4 geschlossen. Die Reformiervorrichtung 100 wird auf diese Weise vollständig nach außen abgesperrt, und das Reformatgas (Hauptbestandteil: Wasserstoff) bleibt im Inneren zurück. Die Deoxidationseinrichtung 12 ist mit dem von der Reformiervorrichtung 100 abgegebenen Reformatgas gefüllt.
  • Die Reformiervorrichtung 100 nimmt durch die Kondensation des Wasserdampfs und die Abnahme der Temperatur Unterdruck an. Wenn die Reformiervorrichtung 100 unter dem Unterdruck steht, dringt von dem Einwege-Ventil 13 aus eine kleine Menge Luft (d. h. die Atmosphäre) in die Deoxidationseinrichtung 12 ein. Der Sauerstoff, der in der in die Deoxidationseinrichtung 12 gelangenden Luft enthalten ist, reagiert mit Hilfe des Deoxidationskatalysators, mit dem die Deoxidationseinrichtung 12 beladen ist, mit dem Wasserstoff, der in dem im Inneren verbliebenen Gas enthalten ist, und wird dadurch entfernt. Nach der Entfernung des Sauerstoff durch die Deoxidationseinrichtung 12 diffundiert das Gas durch den Kanal 9 in die Selektivoxidationseinrichtung 6. Da in dem Gas, das in den Kohlenmonoxid-Konvertierungsreaktor 5 diffundiert kein Sauerstoff zurückbleibt, kann eine Schädigung des Kohlenmonoxid-Konvertierungskatalysators aufgrund von Oxidation verhindert werden. Der Diffusionskoeffizient von Wasserstoff ist größer als der Diffusionskoeffizient von Sauerstoff. Findet nur die Diffusion Berücksichtigung, dringt der Sauerstoff somit niemals in den mit dem Wasserstoff gefüllten Bereich ein, solange noch Wasserstoff vorhanden ist. Diese Wirkungsweise gilt auch für die anderen Ausführungsbeispiele.
  • Da die Außenluft, wenn die Reformiervorrichtung 100 unter dem Unterdruck steht, bevorzugt von dem Einwege-Ventil 13 aus in die Reformiervorrichtung 100 eindringt, gelangt die Luft nicht von anderen Abschnitten der Reformiervorrichtung 100 in die Reformiervorrichtung 100. Wenn die Reformiervorrichtung 100 im Ernstfall unter solch unerwarteten Umständen wie dem Stromausfall zum Stillstand kommt, dringt die Außenluft also auch dann, wenn die Reformiervorrichtung 100 unter dem Unterdruck steht, in die Reformiervorrichtung 100 lediglich über das Einwege-Ventil 13 ein, das sich an der mit der Auslassseite der Reformiervorrichtung 100 verbundenen Deoxidationseinrichtung 12 befindet. Der in der Außenluft enthaltene Sauerstoff wird dann durch die Reaktion mit dem in der Deoxidationseinrichtung 12 verbliebenen Wasserstoff zu Wasser umgewandelt und dadurch entfernt. Daher kann eine Schädigung des Kohlenmonoxid- Konvertierungskatalysators aufgrund von Oxidation verhindert werden. Dieses Brennstoffzellensystem ist hochgradig zuverlässig, da die Reformiervorrichtung 100 die Schädigung des Kohlenmonoxid-Konvertierungskatalysators durch Oxidation auch dann verhindern kann, wenn das Brennstoffzellensystem im Ernstfall unter solch unerwarteten Umständen wie dem Stromausfall zum Stillstand kommt.
  • Selbst wenn der Sauerstoff bei der Reformiervorrichtung gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel in der Deoxidationseinrichtung 12 nicht vollständig entfernt werden könnte, kann der Sauerstoff aus der Atmosphäre wie bei der Reformiervorrichtung des ersten Ausführungsbeispiels an der Selektivoxidationseinrichtung 6 durch die Reaktion mit dem in der Selektivoxidationseinrichtung 6 verbliebenen Wasserstoff entfernt werden. Die Deoxidationseinrichtung 12 befindet sich zwar in dem Kanal 9 an der Auslassseite der Selektivoxidationseinrichtung 6, doch kann die Deoxidationseinrichtung 12 auch direkt mit der Selektivoxidationseinrichtung 6 verbunden werden (siehe Fig. 10).
  • Fig. 5 zeigt schematisch das Brennstoffzellensystem des vierten Ausführungsbeispiels. Die Abschnitte, die denen des ersten Ausführungsbeispiels entsprechen, sind mit den gleichen Bezugszahlen versehen, und auf ihre erneute Erläuterung wurde verzichtet. Fig. 5 zeigt ähnlich wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel hauptsächlich die Abschnitte, die zur Erfindung einen Bezug haben, wobei andere ergänzende Bestandteile und der Steuerungsabschnitt weggelassen wurden.
  • Bei dem vierten Ausführungsbeispiel befindet sich an der Einlassseite des Kohlenmonoxid-Konvertierungsreaktors 5 eine Deoxidationseinrichtung 15 und an der Auslassseite des Kohlenmonoxid-Konvertierungsreaktors 5 eine Deoxidationseinrichtung 16. Der Kohlenmonoxid- Konvertierungsreaktor 5 liegt in Form eines Hohlzylinderbehälters vor. Die Deoxidationseinrichtungen 15, 16 sind scheibenförmig, haben den gleichen Durchmesser wie der Kohlenmonoxid-Konvertierungsreaktor 5 und liegen an der gesamten Fläche der Einlassseite bzw. Auslassseite des Kohlenmonoxid-Konvertierungsreaktors 5 vor, sodass das Gas nicht in den Kohlenmonoxid-Konvertierungsreaktor 5 eindringen kann, ohne durch die Deoxidationseinrichtungen 15, 16 zu gehen. Die Verbindungsabschnitte zwischen dem Kohlenmonoxid-Konvertierungsreaktor 5 und der Deoxidationseinrichtung 15 und zwischen dem Kohlenmonoxid-Konvertierungsreaktor 5 und der Deoxidationseinrichtung 16 sind jeweils mit Dichtelementen abgedichtet. Die Deoxidationseinrichtungen 15, 16 sind mit dem Deoxidationskatalysator (Pt-Katalysator) beladen.
  • Wenn das Brennstoffzellensystem unter normalen Umständen zum Stillstand kommt, geschieht dies wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel. Wenn das Brennstoffzellensystem im Ernstfall unter solch unerwarteten Umständen wie dem Stromausfall zum Stillstand kommt, wird die Verbrennung wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel unterbrochen und werden die Ventile V1-V4 geschlossen. Die Reformiervorrichtung 100 wird auf diese Weise vollständig nach außen abgesperrt, und das Reformatgas (Hauptbestandteil: Wasserstoff) bleibt in der Reformiervorrichtung 100 zurück.
  • Die Reformiervorrichtung 100 nimmt durch die Kondensation des Wasserdampfs und das Absinken der Temperatur Unterdruck an. Wenn die Reformiervorrichtung 100 unter dem Unterdruck steht, gelangt über die jeweiligen Verbindungsabschnitte der Reformiervorrichtung 100 eine kleine Menge Luft (d. h. die Atmosphäre) in die Reformiervorrichtung 100. Die in die Reformiervorrichtung 100 gelangende Luft diffundiert allmählich in die Deoxidationseinrichtung 15 und die Deoxidationseinrichtung 16. Der Sauerstoff, der in der Luft enthalten ist und im Begriff ist, in die Deoxidationseinrichtung 15 und die Deoxidationseinrichtung 16 einzudringen, reagiert mit Hilfe des Deoxidationskatalysators mit dem in dem verbliebenen Gas enthaltenen Wasserstoff und wird dadurch entfernt. Das Gas diffundiert dann in den Kohlenmonoxid- Konvertierungsreaktor 5. Da das Gas, das in den Kohlenmonoxid-Konvertierungsreaktor 5 diffundiert ist, keinen Sauerstoff enthält, kann eine Schädigung des Kohlenmonoxid-Konvertierungskatalysators aufgrund von Oxidation verhindert werden.
  • Wenn die Reformiervorrichtung 100 im Ernstfall unter solch unerwarteten Umständen wie dem Stromausfall zum Stillstand kommt, reagiert auch dann, wenn die Außenluft aufgrund des Unterdruck in der Reformiervorrichtung 100 in die Reformiervorrichtung 100 eindringt, der in der Außenluft enthaltene Sauerstoff mit Hilfe des Deoxidationskatalysators mit dem Wasserstoff, der in den an der Einlass- und Auslassseite des Kohlenmonoxid- Konvertierungsreaktors 5 angeordneten Deoxidationseinrichtungen 15, 16 zurückgeblieben ist. Der Sauerstoff wird in Wasser umgewandelt und dadurch entfernt. Daher kann eine Schädigung des Kohlenmonoxid-Konvertierungskatalysators aufgrund von Oxidation verhindert werden. Dieses Brennstoffzellensystem ist höchst zuverlässig, da die Reformiervorrichtung 100 die Schädigung des Kohlenmonoxid-Konvertierungskatalysators aufgrund von Oxidation auch dann verhindern kann, wenn das Brennstoffzellensystem im Ernstfall unter solch unerwarteten Umständen wie dem Stromausfall zum Stillstand kommt. Die Verbindungsabschnitte zwischen dem Kohlenmonoxid- Konvertierungsreaktor 5 und der Deoxidationseinrichtung 15 und zwischen dem Kohlenmonoxid-Konvertierungsreaktor 5 und der Deoxidationseinrichtung 16 werden zwar jeweils von dem Dichtelement abgedichtet, doch können der Kohlenmonoxid-Konvertierungsreaktor 5, die Deoxidationseinrichtung 15 und die Deoxidationseinrichtung 16 auch zu einem durchgehenden Hohlzylinder ausgebildet sein. Der Abdichtaufbau mit den Dichtelementen hat den Vorteil, dass er den Herstellungsvorgang vereinfacht und eine bessere Wartung erlaubt. Durch den den Kohlenmonoxid- Konvertierungsreaktor 5, die Deoxidationseinrichtung 15 und die Deoxidationseinrichtung 16 enthaltenden Zylinderaufbau wird vollständig ausgeschlossen, dass aus einem Spalt zwischen dem Kohlenmonoxid-Konvertierungsreaktor 5 und der Deoxidationseinrichtung 15 oder zwischen dem Kohlenmonoxid-Konvertierungsreaktor 5 und der Deoxidationseinrichtung 16 Luft eintritt.
  • Obwohl bei dem ersten bis vierten Ausführungsbeispiel als Reformierkatalysator ein Ru-Katalysator, als Kohlenmonoxid-Konvertierungsreaktor ein Cu-Zn-Katalysator, als Selektivoxidationskatalysator ein Pt-Katalysator und als Deoxidationskatalysator ein Pt-Katalysator zum Einsatz kommen, sind die Katalysatoren nicht auf diese Elemente beschränkt, solange sie ihre jeweilige Funktion ausüben. So kann als Reformierkatalysator zum Beispiel ein Rh-Katalysator oder ein Ni-Legierungskatalysator, als Kohlenmonoxid-Konvertierungskatalysator ein Ni-Katalysator, als Selektivoxidationskatalysator ein Ru-Katalysator oder ein Pt-Katalysator und als Deoxidationskatalysator ein Pd-Katalysator, ein Rh-Katalysator oder ein Ru-Katalysator zum Einsatz kommen.
  • Die Erfindung ist nicht auf den in den ersten bis vierten Ausführungsbeispielen gezeigten Aufbau beschränkt und kann bei sämtlichen Reformiervorrichtungen und mit der Reformiervorrichtung ausgestatteten Brennstoffzellensystemen Anwendung finden, die in den Schutzumfang der Erfindung fallen. So kann die Reformiervorrichtung beispielsweise einen Aufbau haben, bei dem der Reformierabschnitt, der Kohlenmonoxid-Konvertierungsreaktor und die Selektivoxidationseinrichtung nicht direkt verbunden sind. Falls das Kohlenmonoxid ausreichend am Kohlenmonoxid-Konvertierungsreaktor reduziert werden kann und wenn die Vergiftungsbeständigkeit der Brennstoffzellen verbessert wird, kann die Reformiervorrichtung auch einen Aufbau haben, der anders als bei dem ersten Ausführungsbeispiel keine Selektivoxidationseinrichtung enthält.
  • Bei den erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen kann die Schädigung des Kohlenmonoxid-Konvertierungskatalysators durch Oxidation verhindert werden, wenn die Reformiervorrichtung im Ernstfall unter solch unerwarteten Umständen wie dem Stromausfall zum Stillstand kommt und ergibt sich daher eine hochgradig zuverlässige Reformiervorrichtung und ein hochgradig zuverlässiges mit der Reformiervorrichtung ausgestattetes Brennstoffzellensystem.
  • Da der Sauerstoff, der in der in den Kohlenmonoxid- Konvertierungsreaktor eindringenden Außenluft enthalten ist, bei den erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen durch den in der Reformiervorrichtung verbliebenen Wasserstoff entfernt wird, kann das Eindringen des Sauerstoffs in den Kohlenmonoxid-Konvertierungskatalysator auch dann verhindert werden, wenn die Reformiervorrichtung im Ernstfall unter solch unerwarteten Umständen wie dem Stromausfall zum Stillstand kommt. Daher kann die Schädigung des Kohlenmonoxid-Konvertierungskatalysator durch Oxidation verhindert werden.
  • Wenn die Reformiervorrichtung im Ernstfall unter solch unerwarteten Umständen wie dem Stromausfall zum Stillstand kommt, dringt die Außenluft bei dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung auch bei einem Unterdruck in der Reformiervorrichtung über das an der Selektivoxidationseinrichtung vorgesehene Einwege-Ventil in die Reformiervorrichtung ein und wird durch die Reaktion mit dem in der Selektivoxidationseinrichtung zurückgebliebenen Wasserstoff zu Wasser umgewandelt und dadurch entfernt. Daher können das Eindringen des Sauerstoffs in den Kohlenmonoxid-Konvertierungskatalysator und somit die Schädigung des Kohlenmonoxid- Konvertierungskatalysators durch Oxidation verhindert werden.
  • Wenn die Reformiervorrichtung im Ernstfall unter solch unerwarteten Umständen wie dem Stromausfall zum Stillstand kommt, dringt die Außenluft bei dem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung auch bei einem Unterdruck in der Reformiervorrichtung über das an dem Reformer vorgesehene Einwege-Ventil in die Reformiervorrichtung ein und wird durch die Reaktion mit dem in dem Reformer zurückgebliebenen Wasserstoff zu Wasser umgewandelt und dadurch entfernt. Daher können das Eindringen des Sauerstoffs in den Kohlenmonoxid- Konvertierungskatalysator und somit die Schädigung des Kohlenmonoxid-Konvertierungskatalysator durch Oxidation verhindert werden.
  • Wenn die Reformiervorrichtung im Ernstfall unter solch unerwarteten Umständen wie dem Stromausfall zum Stillstand kommt, dringt die Außenluft bei dem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung auch bei einem Unterdruck in der Reformiervorrichtung über das an der Deoxidationseinrichtung vorgesehene Einwege-Ventil in die Reformiervorrichtung ein und wird durch die Reaktion mit dem in der Deoxidationseinrichtung zurückgebliebenen Wasserstoff zu Wasser umgewandelt und dadurch entfernt. Daher können das Eindringen des Sauerstoffs in den Kohlenmonoxid-Konvertierungskatalysator und somit die Schädigung des Kohlenmonoxid-Konvertierungskatalysators aufgrund von Oxidation verhindert werden.
  • Wenn die Reformiervorrichtung im Ernstfall unter solch unerwarteten Umständen wie dem Stromausfall zum Stillstand kommt, reagiert der in der Außenluft enthaltene Sauerstoff, wenn die Reformiervorrichtung unter dem Unterdruck steht und die Außenluft in die Reformiervorrichtung eindringt, bei dem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung mit dem Wasserstoff, der in dem an der Einlassseite und der Auslassseite des Kohlenmonoxid-Konvertierungsreaktors vorgesehenen Deoxidationskatalysator zurückgeblieben ist, zu Wasser und wird entfernt. Daher können das Eindringen des Sauerstoffs in den Kohlenmonoxid-Konvertierungskatalysator und die Schädigung des Kohlenmonoxid- Konvertierungskatalysators durch Oxidation verhindert werden.
  • Die Reformiervorrichtung der erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiele verhindert die Schädigung des Kohlenmonoxid-Konvertierungskatalysators durch Oxidation auch bei einem im Ernstfall erfolgenden Stillstand der Reformiervorrichtung unter solch unerwarteten Umständen wie dem Stromausfall, wodurch eine Schädigung der Reformiervorrichtung unter solch unerwarteten Umständen verhindert werden und ein hochgradig zuverlässiges Brennstoffzellensystem zur Verfügung gestellt werden kann.
  • Die Prinzipien und Funktionsweise der Erfindung wurden zwar vorstehend anhand von besonderen Ausführungsbeispiele beschrieben, doch ist der Schutzumfang der Erfindung nicht darauf beschränkt, da die Ausführungsbeispiele allein der Veranschaulichung dienen sollen. So können weitere Abwandlungen und Änderungen vorgenommen und Äquivalente zum Einsatz kommen, ohne von dem in den Patentansprüchen definierten Schutzumfang abzuweichen.

Claims (18)

1. Reformiervorrichtung (100), mit:
einem Reformer (2) zum Erzeugen von Wasserstoff aus einem Reformierrohstoff; und
einem Kohlenmonoxid-Konvertierungsreaktor (5) zum Erzeugen von Wasserstoff und Kohlendioxid aus Wasserdampf und Kohlenmonoxid, das in dem im Reformer (2) erzeugten Gas enthalten ist,
dadurch gekennzeichnet, dass Sauerstoff, der in von außen stammender Luft enthalten ist und im Begriff ist, in den Kohlenmonoxid- Konvertierungsreaktor (5) einzudringen, durch den in der Reformiervorrichtung (I00) zurückgebliebenen Wasserstoff entfernt wird.
2. Reformiervorrichtung nach Anspruch 1, mit:
einer Selektivoxidationseinrichtung (6) zum selektiven Oxidieren von Kohlenmonoxid, das in dem von dem Kohlenmonoxid-Konvertierungsreaktor (5) abgegebenen Gas enthalten ist; und
einem Einwege-Ventil (8), das einen Luftstrom nur in Richtung von der Atmosphäre zur Selektivoxidationseinrichtung (6) zulässt.
3. Reformiervorrichtung nach Anspruch 1, mit einem Einwege-Ventil (11), das einen Luftstrom nur in Richtung von außen zum Reformer (2) zulässt.
4. Reformiervorrichtung nach Anspruch 1, mit:
einer mit der Auslassseite der Reformiervorrichtung verbunden Deoxidationseinrichtung (12); und
einem Einwege-Ventil (13), das einen Luftstrom nur in Richtung von außen zur Deoxidationseinrichtung (12) zulässt.
5. Reformiervorrichtung nach Anspruch 1, mit einer an der Einlassseite des Kohlenmonoxid-Konvertierungsreaktors (5) und an der Auslassseite des Kohlenmonoxid- Konvertierungsreaktors (5) vorgesehenen Deoxidationseinrichtung (15, 16).
6. Brennstoffzellensystem mit:
einer Reformiervorrichtung (100); und
einer Brennstoffzelle (200) zur Erzeugung elektrischen Stroms unter Nutzung eines Reformatgases als Brennstoffgas, das durch die Reformiervorrichtung (100) reformiert wurde, wobei
die Reformiervorrichtung einen Reformer (2) zum Erzeugen von Wasserstoff aus einem Reformierrohstoff und einen Kohlenmonoxid-Konvertierungsreaktor (5) zum Erzeugen von Wasserstoff und Kohlendioxid aus Wasserdampf und Kohlenmonoxid, das in dem im Reformer (2) erzeugten Gas enthalten ist, umfasst und
Sauerstoff, der in von außen stammender Luft enthalten ist und im Begriff ist, in den Kohlenmonoxid- Konvertierungsreaktor (5) einzudringen, durch den in der Reformiervorrichtung (100) zurückgebliebenen Wasserstoff entfernt wird.
7. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 6, bei dem die Reformiervorrichtung (100) außerdem eine Selektivoxidationseinrichtung (6) zum selektiven Oxidieren von Kohlenmonoxid, das in dem von dem Kohlenmonoxid- Konvertierungsreaktor (5) abgegebenen Gas enthalten ist, und ein Einwege-Ventil (8) enthält, das einen Luftstrom nur in Richtung von der Atmosphäre zur Selektivoxidationseinrichtung (6) zulässt.
8. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 6, bei der die Reformiervorrichtung (100) außerdem ein Einwege-Ventil (11) enthält, das einen Luftstrom nur in Richtung von außen zum Reformer (2) zulässt.
9. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 6, bei der die Reformiervorrichtung (100) außerdem eine mit der Auslassseite der Reformiervorrichtung verbundene Deoxidationseinrichtung (12) und ein Einwege-Ventil (13) enthält, das einen Luftstrom nur in Richtung von außen zur Deoxidationseinrichtung (12) zulässt.
10. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 6, bei der die Reformiervorrichtung (100) außerdem eine an der Einlassseite des Kohlenmonoxid-Konvertierungsreaktors (5) und an der Auslassseite des Kohlenmonoxid-Konvertierungsreaktors (5) vorgesehene Deoxidationseinrichtung (15, 16) umfasst.
11. Reformiervorrichtung nach Anspruch 2, bei der sich das Einwege-Ventil (8) an der Auslassseite der Selektivoxidationseinrichtung (6) befindet.
12. Reformiervorrichtung nach Anspruch 2, bei der sich das Einwege-Ventil (8) an einem Kanal zur Zufuhr von Luft zur Selektivoxidationseinrichtung (6) befindet.
13. Reformiervorrichtung nach Anspruch 2, bei der das Einwege-Ventil (8) direkt mit der Selektivoxidationseinrichtung (6) verbunden ist.
14. Reformiervorrichtung nach Anspruch 3, bei der sich das Einwege-Ventil (11) an einem mit der Einlassseite eines Wärmetauschers (4) verbundenen Kanal befindet.
15. Reformiervorrichtung nach Anspruch 3, mit einem Wärmetauscher (4) zum Vorheizen des Wasserdampfs und des Reformierrohstoffs, wobei sich das Einwege-Ventil (11) an einem den Wärmetauscher (4) und den Reformer (2) verbindenden Kanal (17) befindet.
16. Reformiervorrichtung nach Anspruch 3, bei der das Einwege-Ventil (11) direkt mit dem Reformer (2) verbunden ist.
17. Reformiervorrichtung nach Anspruch 4, bei der sich die Deoxidationseinrichtung (12) an einem Kanal (9) an der Auslassseite der Selektivoxidationseinrichtung (6) befindet.
18. Reformiervorrichtung nach Anspruch 4, bei der die Deoxidationseinrichtung (12) direkt mit der Selektivoxidationseinrichtung (6) verbunden ist.
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