EP1938411A2 - Brennstoffzellensystem und verfahren zum betreiben eines reformers - Google Patents

Brennstoffzellensystem und verfahren zum betreiben eines reformers

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EP1938411A2
EP1938411A2 EP06775857A EP06775857A EP1938411A2 EP 1938411 A2 EP1938411 A2 EP 1938411A2 EP 06775857 A EP06775857 A EP 06775857A EP 06775857 A EP06775857 A EP 06775857A EP 1938411 A2 EP1938411 A2 EP 1938411A2
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EP
European Patent Office
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fuel cell
reformer
reformate
exhaust gas
burner
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP06775857A
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English (en)
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Inventor
Stefan Käding
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Enerday GmbH
Original Assignee
Enerday GmbH
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Publication date
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Definitions

  • the invention relates to a fuel cell system with a reformer for converting fuel and oxidant to reformate, and with at least one fuel cell, the reformate is supplied. Furthermore, the invention relates to a method for operating a reformer for converting fuel and oxidant to reformate.
  • FIG. 1 shows a known simple fuel cell system designed for the use of hydrocarbons.
  • the fuel cell system shown in FIG. 1 has a reformer 110 to which fuel 112 is supplied by a fuel pump 144. Furthermore, the reformer 110 is supplied with oxidizing agent 114, which in the case illustrated is composed of air conveyed by a blower 146 and anode waste gas 126 introduced via an injector 124.
  • the anode exhaust gas 126 is generated by a fuel cell 118 associated with a fuel cell blower 150 and supplied to the reformate 116 produced by the reformer 110.
  • the reformate 116 is a hydrogen-containing gas that is energized in the fuel cell 118 by means of cathode air delivered by the fuel cell blower 150 to electricity and heat.
  • the non-recirculated portion of the anode exhaust gas is supplied to an afterburner 130, which is associated with a Nachbrennerbläse 152.
  • the depleted reformate is reacted with air delivered by the afterburner fan 152 to produce a combustion exhaust gas containing low emissions of CO and NO. - -
  • the intake of the anode exhaust gas 126 takes place with (cold) air upstream of the reformer.
  • the air / anode exhaust gas mixture can be flammable, ignite if necessary and damage the reformer 110 due to the high temperatures that then occur.
  • the intake of the anode exhaust gas 126 as shown, with cold air, it may lead to undesirable soot formation.
  • the object of the present invention is to develop the generic fuel cell systems and methods so that damage to the reformer is ignited by igniting gas mixtures and that an undesirable soot formation is at least reduced compared to the prior art.
  • the fuel cell system builds on the generic state of the art in that the reformer comprises a reformer burner and a reforming catalyst and that between the reformer burner and the reforming catalyst means for supplying anode exhaust gas of the fuel cell and / or reformate and / or exhaust gas of the fuel cell downstream afterburner are provided.
  • the probability of undesirable flame formation is at least significantly lower, since the flue gas leaving the reformer burner contains a lower proportion of oxygen - -
  • the recycled anode exhaust gas is supplied to the hot flue gas, so that there is at least no substantial cooling of the anode exhaust gas mixture, whereby a soot formation can be at least significantly reduced compared to the prior art.
  • the combustion of fuel in the reformer burner at the outlet of the reformer burner provides a larger amount of gas than at its inlet, whereby a larger proportion of the anode exhaust gas can be returned.
  • the means for supplying anode exhaust gas of the fuel cell and / or of reforming and / or exhaust gas of an afterburner connected downstream of the fuel cell comprise at least one injector.
  • the injector can be an injector operating on the Venturi principle, through which the flue gas leaving the reformer burner flows, sucking, for example, anode exhaust gas.
  • the fuel cell system according to the invention can advantageously be further developed by providing means for reacting the gas present there between the means for supplying anode exhaust gas of the fuel cell and / or reformate and / or exhaust gas of an afterburner connected downstream of the fuel cell and the reforming catalyst.
  • the means for supplying anode exhaust gas of the fuel cell and / or reformate and / or exhaust gas of an afterburner connected downstream of the fuel cell and the reforming catalyst are located in the combustion mixture of the associated second mixture forming zone less oxygen and a possibly adverse hotspot formation in the catalyst can be avoided.
  • the high proportion of water that forms during the oxidation of the hydrogen can be advantageous for the possibly necessary evaporation of the fuel (for example, when using liquid fuels such as diesel or gasoline).
  • the means for venting the gas comprise a burner, in particular a catalytic burner.
  • a burner like the reformer burner, may be a pore burner.
  • At least two of the components, reformer burner, reformer catalyst and means for supplying anode exhaust gas of the fuel cell and / or of Reform- mat and / or exhaust gas downstream of the fuel cell afterburner are thermally coupled.
  • a thermal coupling of the components installed in the reformer reformer burner, injector (possibly with additional burner) and reformer catalyst makes it possible to influence the temperature profile in the reforming catalyst or in the entire reformer, which in turn can advantageously affect the reforming process.
  • a likewise preferred development of the fuel cell system according to the invention provides that means are provided for controlling the temperature of reformate emerging from the reformer catalyst. This makes it possible to bring the reformate, which emerges from the reforming catalyst, to the correct temperature for the next process steps. ever - -
  • the means for tempering reformate emerging from the reformer catalyst comprise a heat exchanger which transfers waste heat generated by the reformer to reformate emerging from the reformer catalyst.
  • a heat exchanger may, but is not limited to, be formed, for example, by reformate line sections that are (immediately) adjacent to a burner associated with the reformer.
  • means for carrying out a lambda control of the reformer are provided.
  • the lambda control can be carried out, as usual, via a variation of the fuel quantities or the amounts of combustion air.
  • the means for carrying out the lambda control can operate in particular microprocessor-based and comprise at least one lambda probe.
  • the means for supplying anode exhaust gas of the fuel cell and / or reformate and / or exhaust gas of an afterburner connected downstream of the fuel cell are suitable for metering the supply. If, for example, anode exhaust gas is supplied via an injector which operates variably, that is, whose recirculated gas quantity is adjustable, the C / O ratio in the reformer can be influenced in the desired manner. - -
  • the inventive method for operating a reformer is based on the generic state of the art in that an area between a reformer burner and a reforming catalyst anode exhaust gas of a fuel cell and / or reformate and / or exhaust gas of a fuel cell downstream afterburner is supplied.
  • the region is supplied with the anode exhaust gas of the fuel cell and / or the reformate and / or the exhaust gas of an afterburner connected downstream of the fuel cell via at least one injector.
  • an advantageous development provides that the gas present after the supply of the anode exhaust gas of the fuel cell and / or of the exhaust gas of an afterburner downstream of the fuel cell is reacted in a burner, in particular in a catalytic burner.
  • provision can be made for tempering reformate emerging from the reformer catalyst.
  • the reformate leaving the reformer catalyst it is possible, for example, for the reformate leaving the reformer catalyst to be heated by a heat exchanger which transfers waste heat generated by the reformer to reformate emerging from the reformer catalyst.
  • the anode exhaust gas of the fuel cell and / or the reformate and / or the exhaust gas of an afterburner connected downstream of the fuel cell is metered into the region.
  • An essential basic idea of the invention is to avoid unwanted formation of flames and / or unwanted formation of soot in a reformer in that in particular recirculated anode exhaust gas is not fed before the reformer, but between a reformer burner and a reforming catalyst.
  • FIG. 1 shows a schematic already explained at the beginning
  • FIG. 2 is a schematic representation of an embodiment of the fuel cell system according to the invention, which is also suitable for carrying out the method according to the invention.
  • the illustrated in Figure 2 embodiment of the fuel cell system according to the invention comprises a reformer 10 for converting fuel 12 and oxidant 14 to reformate 16.
  • the fuel for example, gasoline or diesel
  • the reformer 10 by a fuel pump 44 is supplied.
  • air 14 which is supplied to the reformer 10 through a reforming fan 46.
  • Part of the reformate 16 generated by the reformer 10 is supplied to a fuel cell 18 or a fuel cell stack, wherein the hydrogen-containing gaseous reformate supplied to the fuel cell 18 in the fuel cell 18 is converted into electricity and heat by means of cathode air supplied by a fuel blower 50.
  • the reformate removed by the reaction in the fuel cell 18 is supplied to an afterburner 30, for example a pore burner, to which an afterburner fan 52 is assigned.
  • the reformer 10 includes a reformer burner 20 to which the fuel 12 and the oxidizer 14 are supplied. Furthermore, the reformer 10 comprises a burner catalyst 22, to which a fuel pump 48 is assigned. Between the reformer burner 20 and the reforming catalyst 22 means 24 are provided, through which the exhaust gas emerging from the reformer burner 20 anode gas 26 can be supplied. Additionally or alternatively, it may be provided that reformate 16 and / or exhaust gas 28 of the afterburner 30 is supplied to this flue gas, as indicated by the dashed lines.
  • the means 24 are formed in the present case by an injector 32, which operates on the Venturi principle.
  • the injector 32 is capable of varying the amount of anode 26 and / or reformate 16 and / or afterburner exhaust 28 supplied.
  • the injector 32 may be advantageous to provide one or more (not shown) valve devices or blowers over which the respectively supplied amount of gas can be adjusted.
  • another burner 34 such as a catalytic pore burner, is provided to vent the gas supplied to the further burner 34.
  • Fuel for example, when using liquid fuels.
  • the reformate 16 emerging from the reformer catalyst 22 is first heated.
  • means 36 are provided in the form of lines and a heat exchanger 38, wherein the heat exchanger 38 transfers waste heat of the reformer burner 20 to the reformate 16 to heat it, so that it has an optimal temperature for the subsequent process steps. If the reformate emerging from the reforming catalyst 22 has a temperature which is too high for the subsequent process steps, it is possible to cool the reformate 16 emerging from the reforming catalyst 22 by clever routing. In such a case, the heat exchanger 38 could for example be bypassed by a bypass (not shown).
  • means 40 in the form of a controller are provided, which are capable of carrying out a lambda control of the reformer 10.
  • a lambda control of the reformer is possible via a variation of the supplied fuel or air quantities, wherein the actual lambda value is preferably detected via a lambda probe (not shown) and taken into account in the control.
  • a lambda control is particularly advantageous in order to prevent undesired flame formation in the region of the injector 32 from the outset, or to stop it if necessary, if necessary.
  • the inventive method for operating a reformer can with the fuel cell system of Figure 2 as - -
  • the reformer 10 is provided for reacting fuel 12 and oxidizer 14 to reformate 16.
  • the reformer 10 has a reformer burner 20 and a reforming catalyst 22.
  • Anode exhaust gas 26 of a fuel cell 18 and / or reformate 16 and / or exhaust gas 28 of an afterburner 30 connected downstream of the fuel cell 18 is fed to a region 42 between the reformer burner 20 and the reformer catalytic converter 22.
  • the supply of the gas takes place via an injector 32.
  • the gas mixture leaving the injector 32 is consumed by the further burner 22.
  • a tempering of the reformate 16 emerging from the reforming catalyst 22 takes place through the heat exchanger 38, which transfers waste heat generated by the reformer burner 20 to the reformate 16.
  • the lambda control of the reformer 10 is performed by the means 40 in the form of a controller. Furthermore, the injector 32 is designed to vary the amount of gas supplied via it; If appropriate, further valve devices or blowers and the like (not shown) may be provided for this purpose.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem mit einem Reformer (10) zum Umsetzen von Brennstoff (12) und Oxidationsmittel (14) zu Reformat (16), und mit zumindest einer Brennstoffzelle (18), der Reformat (16) zugeführt wird. Erfindungsgemäß ist dabei vorgesehen, dass der Reformer (10) einen Reformerbrenner (20) und einen Reformerkatalysator (22) aufweist und dass zwischen dem Reformerbrenner (20) und dem Reformerkatalysator (22) Mittel (24) zum Zuführen von Anodenabgas (26) der Brennstoffzelle (18) und/oder von Reformat (16) und/ oder von Abgas (28) eines der Brennstoffzelle (18) nachgeschalteten Nachbrenners (30) vorgesehen sind. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines Reformers (10) zum Umsetzen von Brennstoff (12) und Oxidationsmittel (14) zu Reformat (16).

Description

BrennstoffZeilensystem und Verfahren zum Betreiben eines Reformers
Die Erfindung betrifft ein BrennstoffZeilensystem mit einem Reformer zum Umsetzen von Brennstoff und Oxidationsmittel zu Reformat, und mit zumindest einer Brennstoffzelle, der Reformat zugeführt wird. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines Reformers zum Umsetzen von Brennstoff und Oxidationsmittel zu Reformat.
Figur 1 zeigt ein bekanntes einfaches Brennstoffzellensys- tem, das für den Einsatz von Kohlenwasserstoffen ausgelegt ist. Das in Figur 1 dargestellte Brennstoffzellensystem weist einen Reformer 110 auf, dem von einer Brennstoffpumpe 144 Brennstoff 112 zugeführt wird. Weiterhin wird dem Reformer 110 Oxidationsmittel 114 zugeführt, das sich im dargestellten Fall aus von einem Gebläse 146 geförderter Luft und über einen Injektor 124 eingebrachtem Anodenabgas 126 zusammensetzt. Das Anodenabgas 126 wird von einer Brennstoffzelle 118 erzeugt, der ein Brennstoffzellengebläse 150 zugeordnet ist und der von dem Reformer 110 erzeugtes Reformat 116 zugeführt wird. Bei dem Reformat 116 handelt es sich um ein Wasserstoffhaltiges Gas, das in der Brennstoff- zelle 118 mit Hilfe von durch das Brennstoffzellengebläse 150 geförderter Kathodenluft zu Strom und Wärme ungesetzt wird. Im dargestellten Fall wird der nicht zurückgeführte Teil des Anodenabgases einem Nachbrenner 130 zugeführt, dem ein Nachbrennergebläse 152 zugeordnet ist. In dem Nachbren- ner 130 erfolgt eine Umsetzung des abgereicherten Reformats mit durch das Nachbrennergebläse 152 geförderter Luft zu einem Verbrennungsabgas, das geringe Emissionen an CO und NO enthält. - -
Bei dem in Figur 1 dargestellten Brennstoffzellensystem erfolgt die Ansaugung des Anodenabgases 126 mit (kalter) Luft vor dem Reformer. Unter ungünstigen Betriebsbedingungen kann das Luft-/Anodenabgas-Gemisch brennbar sein, sich ge- gebenenfalls entzünden und durch die dann entstehenden hohen Temperaturen den Reformer 110 beschädigen. Für den Fall, dass die Ansaugung des Anodenabgases 126, wie dargestellt, mit kalter Luft erfolgt, kann es zu einer unerwünschten Rußbildung kommen.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, die gattungsgemäßen Brennstoffzellensysteme und Verfahren so weiterzubilden, dass eine Beschädigung des Reformers durch sich entzündende Gasgemische vermieden wird und dass eine unerwünschte Rußbildung im Vergleich zum Stand der Technik zumindest verringert wird.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst.
Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem baut auf dem gattungsgemäßen Stand der Technik dadurch auf, dass der Reformer einen Reformerbrenner und einen Reformerkatalysator aufweist und dass zwischen dem Reformerbrenner und dem Reformerkatalysator Mittel zum Zuführen von Anodenabgas der Brennstoffzelle und/oder von Reformat und/oder von Abgas eines der Brennstoffzelle nachgeschalteten Nachbrenners vorgesehen sind. Bei dieser Lösung ist die Wahrscheinlichkeit einer unerwünschten Flammenausbildung zumindest deutlich geringer, da in dem aus dem Reformerbrenner austretenden Rauchgas ein geringerer Sauerstoffanteil enthalten ist - -
als in Luft. Für den unwahrscheinlichen Fall, dass es zwischen dem Reformerbrenner und dem Reformerkatalysator dennoch zu einer unerwünschten Flammenausbildung im Gasgemisch kommt, ist diese beispielsweise durch die Variation des Lambdawertes der Verbrennung im Reformerbrenner sehr gut korrigierbar. Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht darin, dass das zurückgeführte Anodenabgas dem heißen Rauchgas zugeführt wird, so dass es zumindest zu keiner wesentlichen Abkühlung des Anodenabgas-Gasgemisches kommt, wodurch eine Rußbildung im Vergleich zum Stand der Technik zumindest deutlich verringert werden kann. Darüber hinaus ist es vorteilhaft, dass durch die in dem Reformerbrenner erfolgende Verbrennung von Brennstoff am Ausgang des Reformerbrenners eine größere Gasmenge als an dessen Eingang zur Verfügung steht, wodurch ein größerer Anteil des Anodenabgases zurückgeführt werden kann.
Bei dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem ist vorzugsweise weiterhin vorgesehen, dass die Mittel zum Zufüh- ren von Anodenabgas der Brennstoffzelle und/oder von Refor- mat und/oder von Abgas eines der Brennstoffzelle nachgeschalteten Nachbrenners zumindest einen Injektor umfassen. Bei dem Injektor kann es sich insbesondere um einen nach dem Venturi-Prinzip arbeitenden Injektor handeln, der von dem aus dem Reformerbrenner austretenden Rauchgas durchströmt wird und dabei beispielsweise Anodenabgas ansaugt.
Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem kann in vorteilhafter Weise dadurch weitergebildet sein, dass zwischen den Mitteln zum Zuführen von Anodenabgas der Brennstoffzelle und/oder von Reformat und/oder von Abgas eines der Brennstoffzelle nachgeschalteten Nachbrenners und dem Reformerkatalysator Mittel zum Abreagieren des dort vorhandenen Gases vorgesehen sind. In diesem Fall befinden sich in der dem Brennerkatalysator zugeordneten zweiten Gemischbildungszone weniger Sauerstoffanteile und eine unter Umständen nachteilige Hotspot-Bildung in dem Katalysator kann vermieden werden. Außerdem kann der hohe Wasseranteil, der sich bei der Oxidation des Wasserstoffes bildet, vorteilhaft für die eventuell notwendige Verdampfung des Brennstoffes sein (zum Beispiel bei der Verwendung von flüssigen Brennstoffen wie Diesel oder Benzin) .
Im vorstehend erläuterten Zusammenhang wird bevorzugt, dass die Mittel zum Abreagieren des Gases einen Brenner umfassen, insbesondere einen katalytischen Brenner. Bei einem derartigen Brenner kann es sich, ebenso wie bei dem Reformerbrenner, um einen Porenbrenner handeln.
Für das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem wird es weiterhin bevorzugt, dass zumindest zwei der Komponenten, Reformerbrenner, Reformerkatalysator und Mittel zum Zuführen von Anodenabgas der Brennstoffzelle und/oder von Refor- mat und/oder von Abgas eines der Brennstoffzelle nachgeschalteten Nachbrenners, thermisch gekoppelt sind. Insbesondere eine thermische Kopplung der im Reformer verbauten Komponenten Reformerbrenner, Injektor (eventuell mit weiterem Brenner) und Reformerkatalysator, ermöglicht es, das Temperaturprofil im Reformerkatalysator beziehungsweise im gesamten Reformer zu beeinflussen, was sich wiederum vorteilhaft auf den Reformierungsprozess auswirken kann.
Eine ebenfalls bevorzugte Weiterbildung des erfindungsgemä- ßen Brennstoffzellensystems sieht vor, dass Mittel zum Temperieren von aus dem Reformerkatalysator austretendem Re- format vorgesehen sind. Damit ist es möglich, das Reformat, das aus dem Reformerkatalysator austritt, auf die richtige Temperatur für die nächsten Prozessschritte zu bringen. Je - -
nach Anwendungsfall ist es dabei möglich, das Reformat durch geschickte Gasführung aufzuheizen oder abzukühlen, bevor es der Brennstoffzelle zugeführt wird.
Im vorstehend erläuterten Zusammenhang kann beispielsweise vorgesehen sein, dass die Mittel zum Temperieren von aus dem Reformerkatalysator austretendem Reformat einen Wärmetauscher umfassen, der von dem Reformer erzeugte Abwärme auf aus dem Reformerkatalysator austretendes Reformat über- trägt. Ein derartiger Wärmetauscher kann, ohne darauf beschränkt zu sein, beispielsweise durch Reformatleitung- sabschnitte gebildet werden, die (unmittelbar) benachbart zu einem dem Reformer zugeordneten Brenner angeordnet sind.
Bei bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems ist vorgesehen, dass Mittel zur Durchführung einer Lambda-Regelung des Reformers vorgesehen sind. Die Lambda-Regelung kann dabei, wie üblich, über eine Variation der Brennstoffmengen beziehungsweise der Verbren- nungsluftmengen durchgeführt werden. Die Mittel zur Durchführung der Lambda-Regelung können insbesondere mikroprozessorgestützt arbeiten und zumindest eine Lambda-Sonde umfassen.
Für das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem wird es weiterhin als vorteilhaft erachtet, dass die Mittel zum Zuführen von Anodenabgas der Brennstoffzelle und/oder von Reformat und/oder von Abgas eines der Brennstoffzelle nachgeschalteten Nachbrenners geeignet sind, die Zuführung do- siert vorzunehmen. Wenn beispielsweise Anodenabgas über einen Injektor zugeführt wird, der variabel arbeitet, das heißt, dessen zurückgeführte Gasmenge einstellbar ist, kann das C/O-Verhältnis im Reformer in der gewünschten Weise be- einflusst werden. - -
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben eines Reformers baut auf dem gattungsgemäßen Stand der Technik dadurch auf, dass einem Bereich zwischen einem Reformerbrenner und einem Reformerkatalysator Anodenabgas einer Brennstoffzelle und/oder Reformat und/oder Abgas eines einer Brennstoffzelle nachgeschalteten Nachbrenners zugeführt wird. Dadurch ergeben sich die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem erläuterten Eigenschaften und Vor- teile in gleicher oder ähnlicher Weise, weshalb zur Vermeidung von Wiederholungen auf die entsprechenden Ausführungen im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem verwiesen wird.
Gleiches gilt sinngemäß für die folgenden bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens, wobei zur Vermeidung von Wiederholungen auch diesbezüglich auf die entsprechenden Ausführungen im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem verwiesen wird.
Vorzugsweise ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren vorgesehen, dass dem Bereich das Anodenabgas der Brennstoffzelle und/oder das Reformat und/oder das Abgas eines der Brennstoffzelle nachgeschalteten Nachbrenners über zumindest ei- nen Injektor zugeführt wird.
Im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird es weiterhin als vorteilhaft erachtet, dass das nach der Zuführung des Anodenabgases der Brennstoffzelle und/oder des Reformats und/oder des Abgases eines der Brennstoffzelle nachgeschalteten Nachbrenners vorliegende Gas zumindest teilweise abreagiert wird. - -
In diesem Zusammenhang sieht eine vorteilhafte Weiterbildung vor, dass das nach der Zuführung des Anodenabgases der Brennstoffzelle und/oder des Reformats und/oder des Abgases eines der Brennstoffzelle nachgeschalteten Nachbrenners vorliegende Gas in einem Brenner abreagiert wird, insbesondere in einem katalytischen Brenner.
Zumindest bei bestimmten Ausführungsformen des erfindungs- gemäßen Verfahrens kann vorgesehen sein, dass aus dem Re- formerkatalysator austretendes Reformat temperiert wird.
Dabei ist es beispielsweise möglich, dass aus dem Reformerkatalysator austretendes Reformat durch einen Wärmetauscher temperiert wird, der von dem Reformer erzeugte Abwärme auf aus dem Reformerkatalysator austretendes Reformat überträgt .
Als besonders vorteilhaft für das erfindungsgemäße Verfahren wird es erachtet, dass eine Lambda-Regelung des Refor- mers durchgeführt wird.
Vorzugsweise ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren weiterhin vorgesehen, dass das Anodenabgas der Brennstoffzelle und/oder das Reformat und/oder das Abgas eines der Brenn- stoffzelle nachgeschalteten Nachbrenners dem Bereich dosiert zugeführt wird.
Ein wesentlicher Grundgedanke der Erfindung besteht darin, eine unerwünschte Flammenausbildung und/oder eine uner- wünschte Rußbildung in einem Reformer dadurch zu vermeiden, dass insbesondere zurückgeführtes Anodenabgas nicht vor dem Reformer eingespeist wird, sondern zwischen einem Reformerbrenner und einem Reformerkatalysator. - -
Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgen anhand der zugehörigen Zeichnungen beispielhaft näher erläutert.
Es zeigen:
Figur 1 eine eingangs bereits erläuterte schematische
Darstellung eines Brennstoffzellensystems gemäß dem Stand der Technik; und
Figur 2 eine schematische Darstellung einer Ausführungs- form des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems, das auch zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist.
Die in Figur 2 dargestellte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems umfasst einen Reformer 10 zum Umsetzen von Brennstoff 12 und Oxidationsmittel 14 zu Reformat 16. Dabei wird der Brennstoff 12, beispielsweise Benzin oder Diesel, dem Reformer 10 durch eine Brennstoff- pumpe 44 zugeführt. Als Oxidationsmittel dient im vorliegenden Fall Luft 14, die dem Reformer 10 durch ein Reformergebläse 46 zugeführt wird. Ein Teil des von dem Reformer 10 erzeugten Reformats 16 wird einer Brennstoffzelle 18 be- ziehungsweise einem Brennstoffzellenstack zugeführt, wobei das der Brennstoffzelle 18 zugeführte wasserstoffhaltige gasförmige Reformat in der Brennstoffzelle 18 mit Hilfe von durch ein Brennstoffgebläse 50 zugeführter Kathodenluft zu Strom und Wärme umgesetzt wird. Im vorliegenden Fall wird das durch die Umsetzung in der Brennstoffzelle 18 abgerei- cherte Reformat einem Nachbrenner 30, beispielsweise einem Porenbrenner, zugeführt, dem ein Nachbrennergebläse 52 zugeordnet ist. Der Reformer 10 umfasst einen Reformerbrenner 20, dem der Brennstoff 12 und das Oxidationsmittel 14 zugeführt wird. Weiterhin umfasst der Reformer 10 einen Brennerkatalysator 22, dem eine Brennstoffpumpe 48 zugeordnet ist. Zwischen dem Reformerbrenner 20 und dem Reformerkatalysator 22 sind Mittel 24 vorgesehen, durch die dem aus dem Reformerbrenner 20 austretenden Rauchgas Anodenabgas 26 zugeführt werden kann. Zusätzlich oder alternativ kann vorgesehen sein, dass diesem Rauchgas Reformat 16 und/oder Abgas 28 des Nachbren- ners 30 zugeführt wird, wie dies durch die gestrichelten Linien angedeutet ist. Die Mittel 24 sind im vorliegenden Fall durch einen Injektor 32 gebildet, der nach dem Ventu- ri -Prinzip arbeitet. Vorzugsweise ist der Injektor 32 dazu in der Lage, die zugeführte Menge von Anodenabgas 26 und/oder Reformat 16 und/oder Nachbrennerabgas 28 zu variieren. Insbesondere wenn über den Injektor 32 verschiedene Gase zugesetzt werden, kann es vorteilhaft sein, eine oder mehrere (nicht dargestellte) Ventileinrichtungen oder Gebläse vorzusehen, über die die jeweils zugeführte Gasmenge eingestellt werden kann. Beispielsweise ist es möglich das C/O-Verhältnis in dem Reformer 110 zu beeinflussen, indem die Menge des zugeführten Anodenabgases variiert wird. Obwohl dies nicht zwingend erforderlich ist, ist bei der dargestellten Ausführungsform zwischen dem Injektor 32 und dem Reformerkatalysator 22 ein weiterer Brenner 34, beispielsweise ein katalytischer Porenbrenner, vorgesehen, um das dem weiteren Brenner 34 zugeführte Gas abzureagieren. Dadurch befindet sich in der Gemischbildungszone des Reformerkatalysators 22 ein geringerer Sauerstoffanteil, und dies trägt dazu bei, dass eine Hotspot-Bildung im Reformerkatalysator vermieden wird. Außerdem kann der hohe Wasseranteil, der sich bei der Oxidation des Wasserstoffs bildet, vorteilhaft für die eventuell notwendige Verdampfung des - -
Brennstoffs sein (zum Beispiel bei der Verwendung von flüssigen Brennstoffen) .
Eine weitere optionale Besonderheit des in Figur 2 darge- stellten Brennstoffzellensystems besteht darin, dass das aus dem Reformerkatalysator 22 austretende Reformat 16 zunächst temperiert wird. Zu diesem Zweck sind Mittel 36 in Form von Leitungen und einem Wärmetauscher 38 vorgesehen, wobei der Wärmetauscher 38 Abwärme des Reformerbrenners 20 auf das Reformat 16 überträgt, um dieses zu erwärmen, damit es eine für die nachfolgenden Prozessschritte optimale Temperatur aufweist. Falls das aus dem Reformerkatalysator 22 austretende Reformat eine für die nachfolgenden Prozessschritte zu hohe Temperatur aufweist, ist es möglich, dass aus dem Reformerkatalysator 22 austretende Reformat 16 durch geschickte Leitungsführung zu kühlen. In einem derartigen Fall könnte der Wärmetauscher 38 beispielsweise durch einen (nicht dargestellten) Bypass umgangen werden.
Weiterhin sind im dargestellten Fall Mittel 40 in Form eines Controllers vorgesehen, die dazu in der Lage sind, eine Lambda-Regelung des Reformers 10 durchzuführen. Eine Lamb- da-Regelung des Reformers ist über eine Variation der zugeführten Kraftstoff- beziehungsweise Luftmengen möglich, wo- bei der aktuelle Lambda-Wert vorzugsweise über eine (nicht dargestellte) Lambda-Sonde erfasst und bei der Regelung berücksichtigt wird. Eine Lambda-Regelung ist insbesondere vorteilhaft, um eine unerwünschte Flammenausbildung im Bereich des Injektors 32 von vornherein zu vermeiden oder ge- gebenenfalls zu beenden, falls dies erforderlich werden sollte .
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben eines Reformers kann mit dem Brennstoffzellensystem von Figur 2 wie - -
folgt durchgeführt werden: Der Reformer 10 ist zum Umsetzen von Brennstoff 12 und Oxidationsmittel 14 zu Reformat 16 vorgesehen. Dabei weist der Reformer 10 einen Reformerbrenner 20 und einen Reformerkatalysator 22 auf. Einem Bereich 42 zwischen dem Reformerbrenner 20 und dem Reformerkataly- sator 22 wird Anodenabgas 26 einer Brennstoffzelle 18 und/oder Reformat 16 und/oder Abgas 28 eines der Brennstoffzelle 18 nachgeschalteten Nachbrenners 30 zugeführt. Die Zuführung des Gases erfolgt dabei über einen Injektor 32. Das aus dem Injektor 32 austretende Gasgemisch wird durch den weiteren Brenner 22 abreagiert. Eine Temperierung des aus dem Reformerkatalysator 22 austretenden Reformats 16 erfolgt durch den Wärmetauscher 38, der von dem Reformerbrenner 20 erzeugte Abwärme auf das Reformat 16 über- trägt. Die Lambda-Regelung des Reformers 10 wird durch die Mittel 40 in Form eines Controllers durchgeführt. Weiterhin ist der Injektor 32 dazu ausgelegt, die über ihn zugeführte Gasmenge zu variieren; gegebenenfalls können zu diesem Zweck weitere (nicht dargestellte) Ventileinrichtungen oder Gebläse und dergleichen vorgesehen sein.
Die in der vorstehenden Beschreibung, in den Zeichnungen sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung wesentlich sein.
- -
Bezugszeichenliste
10 Reformer 12 Brennstoff
14 Oxidationsmittel
16 Reformat
18 Brennstoffzelle
20 Reformerbrenner 22 Reformerkatalysator
24 Mittel zum Zuführen von Gas
26 Anodenabgas
28 Abgas
30 Nachbrenner 32 Injektor
34 weiterer Brenner
36 Mittel zum Temperieren des Reformats
38 Wärmetauscher 40 Controller 42 Bereich
44 Brennstoffpumpe
46 Reformergebläse
48 Brennstoffpumpe
50 Brennstoffzellengebläse 52 Nachbrennergebläse
110 Reformer
112 Brennstoff
114 Oxidationsmittel
116 Reformat 118 Brennstoffzelle
124 Injektor
126 Anodenabgas
130 Nachbrenner 144 Brennstoffpumpe 146 Gebläse
150 Brennstoffzellengebläse
152 Nachbrennergebläse

Claims

ANSPRUCHE
1. BrennstoffZeilensystem mit einem Reformer (10) zum Umsetzen von Brennstoff (12) und Oxidationsmittel (14) zu Re- format (16) , und mit zumindest einer Brennstoffzelle (18) , der Reformat (16) zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Reformer (10) einen Reformerbrenner (20) und einen Reformerkatalysator (22) aufweist und dass zwischen dem Reformerbrenner (20) und dem Reformerkatalysator (22) Mittel (24) zum Zuführen von Anodenabgas (26) der Brennstoffzelle (18) und/oder von Reformat (16) und/oder von Abgas (28) eines der Brennstoffzelle (18) nachgeschalteten Nachbrenners (30) vorgesehen sind.
2. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (24) zum Zuführen von Anodenabgas (26) der Brennstoffzelle (18) und/oder von Reformat (16) und/oder von Abgas (28) eines der Brennstoffzelle (18) nachgeschalteten Nachbrenners (30) zumindest einen Injektor (32) umfassen.
3. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Mitteln (24) zum Zuführen von Anodenabgas (26) der Brennstoffzelle (18) und/oder von Reformat (16) und/oder von Abgas (28) eines der Brennstoffzelle (18) nachgeschalteten Nachbrenners (30) und dem Reformerkatalysator (22) Mittel (34) zum Abreagieren des dort vorhandenen Gases vorgesehen sind.
4. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (34) zum Abreagieren des Ga- ses einen Brenner (34) umfassen, insbesondere einen kataly- tischen Brenner (34) .
5. Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei der
Komponenten, Reformerbrenner (18) , Reformerkatalysator (20) und Mittel (24) zum Zuführen von Anodenabgas (26) der Brennstoffzelle (18) und/oder von Reformat (16). und/oder von Abgas (28) eines der Brennstoffzelle (18) nachgeschal- teten Nachbrenners (30), thermisch gekoppelt sind.
6. Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel (36) zum Temperieren von aus dem Reformerkatalysator (22) austreten- dem Reformat (16) vorgesehen sind.
7. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (36) zum Temperieren von aus dem Reformerkatalysator (20) austretendem Reformat (16) ei- nen Wärmetauscher (38) umfassen, der von dem Reformer (10) erzeugte Abwärme auf aus dem Reformerkatalysator (22) austretendes Reformat (16) überträgt.
8. Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel (40) zur
Durchführung einer Larabda-Regelung des Reformers (10) vorgesehen sind.
9. Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (24) zum
Zuführen von Anodenabgas (26) der Brennstoffzelle (18) und/oder von Reformat (16) und/oder von Abgas (28) eines der Brennstoffzelle (18) nachgeschalteten Nachbrenners (30) geeignet sind, die Zuführung dosiert vorzunehmen.
10. Verfahren zum Betreiben eines Reformers (10) zum Umsetzen von Brennstoff (12) und Oxidationsmittel (14) zu Reformat (16), dadurch gekennzeichnet, dass einem Bereich (42) zwischen einem Reformerbrenner (20) und einem Reformerkatalysator (22) Anodenabgas (26) einer Brennstoffzelle (18) und/oder Reformat (16) und/oder Abgas (28) eines einer Brennstoffzelle (18) nachgeschalteten Nachbrenners (30) zugeführt wird.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch, gekennzeichnet, dass dem Bereich (42) das Anodenabgas (26) der Brennstoffzelle (18) und/oder das Reformat (16) und/oder das Abgas (28) eines der Brennstoffzelle (18) nachgeschalteten Nach- brenners (30) über zumindest einen Injektor (32) zugeführt wird.
12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass das nach der Zuführung des Anodenabgases (26) der Brennstoffzelle (18) und/oder des Reformats (16) und/oder des Abgases (28) eines der Brennstoffzelle (18) nachgeschalteten Nachbrenners (30) vorliegende Gas zumindest teilweise abreagiert wird.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das nach der Zuführung des Anodenabgases (26) der Brennstoffzelle (18) und/oder des Reformats (16) und/oder des Abgases (28) eines der Brennstoffzelle (18) nachgeschalteten Nachbrenners (30) vorliegende Gas in einem Bren- ner (34) abreagiert wird, insbesondere in einem katalyti- schen Brenner (34) .
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem Reformerkatalysator (22) austretendes Reformat (16) temperiert wird.
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem Reformerkatalysator (20) austretendes Reformat (16) durch einen Wärmetauscher (38) temperiert wird, der von dem Reformer (10) erzeugte Abwärme auf aus dem Reformerkatalysator (22) austretendes Reformat (16) überträgt.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass eine Lambda-Regelung des Reformers (10) durchgeführt wird.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Anodenabgas (26) der Brennstoffzelle (18) und/oder das Reformat (16) und/oder das Abgas (28) eines der Brennstoffzelle (18) nachgeschalteten Nachbrenners (30) dem Bereich (42) dosiert zugeführt wird.
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