EP2062315A1 - Fuel cell system and method for starting a fuel cell system - Google Patents

Fuel cell system and method for starting a fuel cell system

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EP2062315A1
EP2062315A1 EP07785645A EP07785645A EP2062315A1 EP 2062315 A1 EP2062315 A1 EP 2062315A1 EP 07785645 A EP07785645 A EP 07785645A EP 07785645 A EP07785645 A EP 07785645A EP 2062315 A1 EP2062315 A1 EP 2062315A1
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EP
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fuel cell
cell system
cell stack
temperature
air ratio
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Withdrawn
Application number
EP07785645A
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German (de)
French (fr)
Inventor
Stefan Käding
Norbert GÜNTHER
Jeremy Lawrence
Su Zhou
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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 method for starting a fuel cell system with a reformer and a fuel cell stack, wherein the reformer fuel and air are fed as starting materials and the fuel cell stack is fed into the reformer generated reformate.
  • the invention relates to a fuel cell system with a reformer and a fuel cell stack, wherein the reformer fuel and air can be supplied as starting materials and the fuel cell stack, a reformate produced in the reformer can be fed.
  • the fuel cell stack is supplied with air and a hydrogen-rich reformate, the latter being produced in a reformer of fuel and oxidant, in particular air.
  • the reformers operate at air ratios that characterize the fuel-air ratio of 0.4 or below.
  • SOFC fuel cell systems (“Solid Oxide Fuel Cell”) have operating temperatures above 800 ° C. These must be achieved in a start-up phase. The required heat energy is due to the effluent from the reformer hot gases and preheated Kathodenzu Kunststoff the Fuel cell stack provided. During such a starting phase you are confronted with several problems. On the one hand, with the low air ratios customary for reformer operation, especially at low temperatures, excessive formation of soot in the air can occur
  • Fuel cell stack come. This can irreversibly damage the fuel cell stack by blocking the electrodes. Furthermore, there is the risk of irreversible oxidation of the anode material in the fuel cell stack at high temperatures and high air numbers. Only in the stationary operation of the fuel cell stack, that is, at the aforementioned high temperatures of above 800 0 C and low air speeds, for example, 0.4, the formation of soot and the oxidation of the anode material are less prob- lematic.
  • the invention has for its object to provide a method for starting a fuel cell system and such a fuel cell system available, so that even in the starting phase of the fuel cell system
  • Damage to the fuel cell stack is prevented by soot formation and oxidation.
  • the invention is based on the generic method characterized in that the fuel-air ratio of the reformer supplied starting materials characterizing air ratio is varied in dependence on a temperature of the fuel cell stack.
  • the air ratio is lowered with increasing temperature of the fuel cell stack.
  • the startup phase therefore begins with high airflow and low temperature, that is, with a combination of critical sizes that inhibit both soot formation and oxidation of the anode material. If the temperature in the fuel cell stack rises, the air ratio can be gradually reduced while maintaining non-critical air-temperature combinations until the air-fuel temperature-temperature combination typical for continuous operation is reached.
  • an air ratio in the range between 1.3 and 1.5 is set and that after reaching the operating temperature of the fuel cell stack, an air ratio in the range between 0.3 and 0.5 is set.
  • the air ratio is gradually reduced with increasing temperature of the fuel cell stack. This is a particularly practical solution, since the air ratio can be adjusted as needed, depending on the current temperature value.
  • the air-time function can thus be Timaler manner of the temperature-time function can be adjusted.
  • the invention is further developed in a particularly advantageous manner in that the temperature of the fuel cell stack is measured. Depending on the measured temperature values, the appropriate air numbers can thus be set.
  • a variable determined empirically as a function of the operating time of the fuel cell system is used as the temperature of the fuel cell stack. If the fuel cell system is sufficiently mature in terms of its starting characteristics, the temperature evolution of the fuel cell stack can be predicted based on empirical values. A temperature measurement in the fuel cell stack can therefore be dispensable. The empirical values may be sufficient to determine and then adjust the appropriate air ratios during start-up.
  • the invention is based on the generic fuel cell system characterized in that the air-fuel ratio of the reformer supplied starting materials characterizing air ratio in dependence on a temperature of the fuel cell stack is variable.
  • the advantages and peculiarities of the method according to the invention are also realized in the context of a system. This also applies to the following particularly preferred embodiments of the fuel cell system according to the invention.
  • the fuel cell system has an electronic control unit. tion has.
  • Such an electronic control takes over the temperature-dependent determination and adjustment of the air ratio according to the invention.
  • the electronic control can be made available especially for the fuel cell system. It is also possible that the controller is integrated into an existing electronic control, in particular in the motor vehicle. In this case, the controller may be configured to control or regulate all functions of the fuel cell system.
  • the dependence of the number of air to be varied on the temperature is stored in a memory belonging to the electronic control.
  • the fuel cell system according to the invention is advantageously designed so that the air ratio can be lowered with increasing temperature of the fuel cell stack.
  • an air ratio in the range between 1.3 and 1.5 is adjustable and that after reaching the operating temperature of the fuel cell stack, an air ratio in the range between 0.3 and 0.5 is adjustable.
  • the air ratio can be gradually reduced with increasing temperature of the fuel cell stack.
  • the system can also be developed so that the air ratio with increasing temperature of the fuel cell stack is continuously lowered. It may be useful to provide at least one temperature sensor for measuring the temperature of the fuel cell stack.
  • a variable empirically determined as a function of the operating time of the fuel cell system can be used as the temperature of the fuel cell stack, the values of this variable being available from a memory associated with the electronic control.
  • FIG. 1 is a schematic representation of a fuel cell system
  • FIG. 2 shows a temperature-time profile and a dependent air-fuel time curve according to the present invention
  • Figure 3 is a temperature-air ratio diagram for explaining the present invention.
  • FIG. 4 shows a flowchart for explaining a method according to the invention.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a fuel cell system.
  • the fuel cell system comprises a fuel supply device 26, that is to say in particular one Fuel pump, and an air supply 28, that is in particular a fan, the input side of which are coupled to a reformer 10.
  • the reformer 10 On the output side, the reformer 10 is coupled to the anode side of a fuel cell stack 12.
  • the cathode side of the fuel cell stack 12 communicates with an air supply device 30, that is to say in particular a blower.
  • the fuel cell stack 12 is equipped with a temperature sensor 24.
  • the fuel cell stack 12 is connected to a afterburner 32, which likewise communicates with an air feed device 34, that is to say in particular a blower.
  • An electronic controller 20 is provided with a memory 22 which is in communication with sensors of the system, that is in particular the temperature sensor 24 of the fuel cell stack 12 for the reception of signals.
  • the controller 20 is further connected to the fuel supply means 26 and the air supply lines 28, 30, 34 in connection to control their operation or to influence in the context of a scheme.
  • the fuel pump 26 and the air blower 28 convey fuel 14 and air 16 into the reformer 10.
  • the reformer produces a hydrogen-rich reformate 18, which is supplied to the anode side 12 of the fuel cell stack.
  • the cathode side of the fuel cell stack 12 is supplied with cathode feed air via the blower 30. This cathode feed is usefully preheated.
  • the depleted in the fuel cell stack 12 reformate 36 is supplied to an afterburner 32, which is also supplied with air through the blower 34 for carrying out the preferably residue-free combustion.
  • the afterburner 32 exits exhaust gas 38.
  • the thermal energy of the exhaust gas 38 can again be coupled into the heat balance of the fuel cell system, for example for preheating the pumped over the blower 30 cathode feed.
  • the air ratio ⁇ with which the reformer 10 is operated depends on the temperature of the fuel cell stack 12 measured by the temperature sensor 24 by influencing the fuel pump 26 and / or the air blower 28 via the Control 20 is set.
  • the setting is made so that uncritical air-temperature combinations are set, in particular with regard to the deposition of soot in the fuel cell stack 12 and the oxidation of the anode material in the fuel cell stack 12th
  • FIG. 2 shows a temperature-time profile and a dependent air-fuel time curve according to the present invention.
  • the temperature T sta ck goes from an initial temperature value, for example, the room temperature, and then increases rapidly to temperatures in the range of 500 0 C, and then approach the operating temperature of the fuel cell stack of about 850 0 C.
  • the variation of the air ratio ⁇ does not have to be stepwise as shown. A continuous course of the air ratio is also practicable.
  • the air value values ⁇ which are to be set at certain temperatures T staC k, are usefully stored in a control in the form of a table.
  • an empirically determined temperature T stck can be stored as a function of time in a memory of a controller.
  • FIG. 3 shows a temperature-air-figure diagram for explaining the present invention. It is illustrated that at low temperatures and low air numbers, excessive soot formation is present, while at high temperatures and high air numbers undesirable oxidation of the anode can occur. Starting from low temperatures, therefore, a high air ratio is selected according to the invention, in which only little soot formation and only slight oxidation of the anode will occur. On this basis, the temperature is lowered with increasing temperature until the operating temperature and the useful for the reformer operation air value value are reached.
  • FIG. 4 shows a flowchart for explaining a method according to the invention.
  • the temperature T stac k of the fuel cell stack is detected in step S11.
  • a certain air ratio ⁇ i is set.
  • step S03 it is checked whether the temperature T stack of the fuel cell stack exceeds a certain predetermined temperature Ti. If this is not the case, the method continues in step S11, that is to say the lambda value remains unchanged, and the temperature T ⁇ tack of the fuel cell stack is re- detected . If, however, the temperature T stack of the fuel cell stack exceeds the predetermined temperature Ti in step S03, it is checked in step S04 whether the fuel cell stack has already reached its operating temperature T B.
  • step S05 the index i is increased by 1 in step S05, in order to then proceed to step SO1.
  • the air ratio ⁇ is then set to a reduced lambda value ⁇ i + i.
  • step S04 it is determined in step S04 that the fuel cell stack reaches its operating temperature the procedure for starting the fuel cell system ends.

Abstract

The invention relates to a method for starting a fuel cell system comprising a reformer (10) and a stack of fuel cells (12). The fuel (14) and the air (16) are supplied to the reformer as starting materials and a reformate (18) produced in the reformer is supplied to the stack of fuel cells. According to the invention, the air ratio characterising the fuel-air ratio of the starting materials supplied to the reformer (10) is varied in accordance with the temperature of the stack of fuel cells (12). The invention also relates to a fuel cell system.

Description

BrennstoffZeilensystem und Verfahren zum Starten eines BrennstoffZeilensystemFuel cell system and method for starting a fuel cell system
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Starten eines BrennstoffZeilensystems mit einem Reformer und einem Brennstoffzellenstapel, wobei dem Reformer Brennstoff und Luft als Ausgangsstoffe zugeführt werden und dem Brennstoffzel- lenstapel ein in dem Reformer erzeugtes Reformat zugeführt wird.The invention relates to a method for starting a fuel cell system with a reformer and a fuel cell stack, wherein the reformer fuel and air are fed as starting materials and the fuel cell stack is fed into the reformer generated reformate.
Weiterhin betrifft die Erfindung ein Brennstoffzellensystem mit einem Reformer und einem Brennstoffzellenstapel, wobei dem Reformer Brennstoff und Luft als Ausgangsstoffe zuführbar sind und dem Brennstoffzellenstapel ein in dem Reformer erzeugtes Reformat zuführbar ist.Furthermore, the invention relates to a fuel cell system with a reformer and a fuel cell stack, wherein the reformer fuel and air can be supplied as starting materials and the fuel cell stack, a reformate produced in the reformer can be fed.
In gattungsgemäßen BrennstoffZeilensystemen wird in einem Brennstoffzellenstapel elektrische Energie erzeugt. Zu diesem Zweck wird dem Brennstoffzellenstapel Luft und ein wasserstoffreiches Reformat zugeführt, wobei letzteres in einem Reformer aus Brennstoff und Oxidationsmittel, insbesondere Luft, erzeugt wird. Um eine möglichst große Ausbeute an H2 zu erzielen, arbeiten die Reformer bei Luftzahlen, welche das Brennstoff-Luft-Verhältnis kennzeichnen, von 0,4 oder darunter.In generic fuel cell systems, electrical energy is generated in a fuel cell stack. For this purpose, the fuel cell stack is supplied with air and a hydrogen-rich reformate, the latter being produced in a reformer of fuel and oxidant, in particular air. To achieve the highest possible yield of H 2 , the reformers operate at air ratios that characterize the fuel-air ratio of 0.4 or below.
SOFC-Brennstoffzellensysteme ("Solid Oxide Fuel Cell") ha- ben Betriebstemperaturen oberhalb von 800 0C. Diese müssen in einer Startphase erreicht werden. Die erforderliche Wärmeenergie wird durch die aus dem Reformer ausströmenden heißen Gase sowie durch vorgewärmte Kathodenzuluft dem Brennstoffzellenstapel zur Verfügung gestellt. Während einer solchen Startphase ist man mit mehreren Problemen konfrontiert. Einerseits kann es bei den für den Reformerbetrieb üblichen niedrigen Luftzahlen insbesondere bei nied- rigen Temperaturen zu einer übermäßigen Rußbildung imSOFC fuel cell systems ("Solid Oxide Fuel Cell") have operating temperatures above 800 ° C. These must be achieved in a start-up phase. The required heat energy is due to the effluent from the reformer hot gases and preheated Kathodenzuluft the Fuel cell stack provided. During such a starting phase you are confronted with several problems. On the one hand, with the low air ratios customary for reformer operation, especially at low temperatures, excessive formation of soot in the air can occur
Brennstoffzellenstapel kommen. Dies kann den Brennstoffzellenstapel durch eine Blockade der Elektroden irreversibel schädigen. Weiterhin besteht bei hohen Temperaturen und hohen Luftzahlen die Gefahr einer irreversiblen Oxidation des Anodenmaterials im Brennstoffzellenstapel . Erst im stationären Betrieb des Brennstoffzellenstapels, das heißt bei den erwähnten hohen Temperaturen von oberhalb 800 0C und niedrigen Luftzahlen von beispielsweise 0,4 sind die Rußbildung und die Oxidation des Anodenmaterials weniger prob- lematisch.Fuel cell stack come. This can irreversibly damage the fuel cell stack by blocking the electrodes. Furthermore, there is the risk of irreversible oxidation of the anode material in the fuel cell stack at high temperatures and high air numbers. Only in the stationary operation of the fuel cell stack, that is, at the aforementioned high temperatures of above 800 0 C and low air speeds, for example, 0.4, the formation of soot and the oxidation of the anode material are less prob- lematic.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Starten eines Brennstoffzellensystems sowie ein solches Brennstoffzellensystem zur Verfügung zu stellen, so dass auch in der Startphase des Brennstoffzellensystems eineThe invention has for its object to provide a method for starting a fuel cell system and such a fuel cell system available, so that even in the starting phase of the fuel cell system
Schädigung des Brennstoffzellenstapels durch Rußbildung und Oxidation verhindert wird.Damage to the fuel cell stack is prevented by soot formation and oxidation.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen der unabhängigen An- sprüche gelöst.This task is solved with the features of the independent claims.
Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.Advantageous embodiments of the invention are indicated in the dependent claims.
Die Erfindung baut auf dem gattungsgemäßen Verfahren dadurch auf, dass die das Brennstoff-Luft-Verhältnis der dem Reformer zugeführten Ausgangsstoffe kennzeichnende Luftzahl in Abhängigkeit einer Temperatur des Brennstoffzellenstapels variiert wird. Durch die Variation der Luftzahl in Ab- hängigkeit der Temperatur des Brennstoffzellenstapels ist es möglich, zu jedem Betriebszeitpunkt, das heißt insbesondere während des Starts des Brennstoffzellensystems, unkritische Luftzahl-Temperatur-Kombinationen einzustellen.The invention is based on the generic method characterized in that the fuel-air ratio of the reformer supplied starting materials characterizing air ratio is varied in dependence on a temperature of the fuel cell stack. By varying the air ratio in Ab- Depending on the temperature of the fuel cell stack, it is possible to set non-critical air-fuel temperature combinations at each operating time, that is to say in particular during the start of the fuel cell system.
Insbesondere wird dies dadurch erreicht, dass die Luftzahl mit zunehmender Temperatur des Brennstoffzellenstapels erniedrigt wird. Die Startphase beginnt daher mit hoher Luft- zahl und niedriger Temperatur, das heißt mit einer Kombina- tion der kritischen Größen, die sowohl die Rußbildung als auch die Oxidation des Anodenmaterials hemmt. Steigt die Temperatur im BrennstoffZellenstapel, so kann die Luftzahl nach und nach unter Beibehaltung unkritischer Luftzahl- Temperatur-Kombinationen erniedrigt werden, bis die für den Dauerbetrieb typische Luftzahl-Temperatur-Kombination erreicht ist.In particular, this is achieved in that the air ratio is lowered with increasing temperature of the fuel cell stack. The startup phase therefore begins with high airflow and low temperature, that is, with a combination of critical sizes that inhibit both soot formation and oxidation of the anode material. If the temperature in the fuel cell stack rises, the air ratio can be gradually reduced while maintaining non-critical air-temperature combinations until the air-fuel temperature-temperature combination typical for continuous operation is reached.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass beim Start des Brennstoffzellensystems eine Luftzahl im Bereich zwischen 1,3 und 1,5 eingestellt wird und dass nach Erreichen der Betriebstemperatur des Brennstoffzellenstapels eine Luftzahl im Bereich zwischen 0,3 und 0,5 eingestellt wird.According to a particularly preferred embodiment of the method according to the invention, it is provided that when starting the fuel cell system, an air ratio in the range between 1.3 and 1.5 is set and that after reaching the operating temperature of the fuel cell stack, an air ratio in the range between 0.3 and 0.5 is set.
Es kann vorgesehen sein, dass die Luftzahl mit zunehmender Temperatur des Brennstoffzellenstapels stufenweise erniedrigt wird. Dabei handelt es sich um eine besonders praktikable Lösung, da die Luftzahl in Abhängigkeit des aktuellen Temperaturwertes bei Bedarf nachgefahren werden kann.It can be provided that the air ratio is gradually reduced with increasing temperature of the fuel cell stack. This is a particularly practical solution, since the air ratio can be adjusted as needed, depending on the current temperature value.
Es ist aber auch möglich, dass die Luftzahl mit zunehmender Temperatur des Brennstoffzellenstapels kontinuierlich erniedrigt wird. Die Luftzahl-Zeit-Funktion kann somit in op- timaler Weise der Temperatur-Zeit-Funktion angepasst werden.But it is also possible that the air ratio is continuously lowered with increasing temperature of the fuel cell stack. The air-time function can thus be Timaler manner of the temperature-time function can be adjusted.
Die Erfindung ist in besonders vorteilhafterweise dadurch weitergebildet, dass die Temperatur des Brennstoffzellen- stapels gemessen wird. In Abhängigkeit der gemessenen Temperaturwerte können somit die geeigneten Luftzahlen eingestellt werden.The invention is further developed in a particularly advantageous manner in that the temperature of the fuel cell stack is measured. Depending on the measured temperature values, the appropriate air numbers can thus be set.
Es ist aber auch möglich, dass als Temperatur des Brennstoffzellenstapels eine in Abhängigkeit der Betriebszeit des Brennstoffzellensystems empirisch ermittelte Größe verwendet wird. Ist das Brennstoffzellensystem im Hinblick auf seine Starteigenschaften in ausreichender Weise ausgereift, so kann die Temperaturentwicklung des Brennstoffzellenstapels auf der Grundlage empirischer Werte vorausgesagt werden. Eine Temperaturmessung im Brennstoffzellenstapel kann daher entbehrlich sein. Die empirischen Werte können ausreichen, um die geeigneten Luftzahlen während des Startbe- triebs zu ermitteln und dann einzustellen.However, it is also possible that a variable determined empirically as a function of the operating time of the fuel cell system is used as the temperature of the fuel cell stack. If the fuel cell system is sufficiently mature in terms of its starting characteristics, the temperature evolution of the fuel cell stack can be predicted based on empirical values. A temperature measurement in the fuel cell stack can therefore be dispensable. The empirical values may be sufficient to determine and then adjust the appropriate air ratios during start-up.
Die Erfindung baut auf dem gattungsgemäßen Brennstoffzellensystem dadurch auf, dass die das Brennstoff-Luft- Verhältnis der dem Reformer zugeführten Ausgangsstoffe kennzeichnende Luftzahl in Abhängigkeit einer Temperatur des Brennstoffzellenstapels variierbar ist. Auf diese Weise werden die Vorteile und Besonderheiten des erfindungsgemäßen Verfahrens auch im Rahmen eines Systems realisiert. Dies gilt auch für die nachfolgend angegebenen besonders bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems .The invention is based on the generic fuel cell system characterized in that the air-fuel ratio of the reformer supplied starting materials characterizing air ratio in dependence on a temperature of the fuel cell stack is variable. In this way, the advantages and peculiarities of the method according to the invention are also realized in the context of a system. This also applies to the following particularly preferred embodiments of the fuel cell system according to the invention.
Dieses ist in besonders nützlicher Weise so weitergebildet, dass das Brennstoffzellensystem eine elektronische Steue- rung aufweist. Eine solche elektronische Steuerung übernimmt die erfindungsgemäße temperaturabhängige Ermittlung und Einstellung der Luftzahl. Die elektronische Steuerung kann eigens für das Brennstoffzellensystem zur Verfügung gestellt werden. Ebenfalls ist es möglich, dass die Steuerung in eine bereits bestehende elektronische Steuerung, insbesondere im Kraftfahrzeug, integriert ist. In diesem Fall kann die Steuerung so ausgelegt sein, dass sie sämtliche Funktionen des Brennstoffzellensystems steuert bezie- hungsweise regelt.This is particularly well developed in such a way that the fuel cell system has an electronic control unit. tion has. Such an electronic control takes over the temperature-dependent determination and adjustment of the air ratio according to the invention. The electronic control can be made available especially for the fuel cell system. It is also possible that the controller is integrated into an existing electronic control, in particular in the motor vehicle. In this case, the controller may be configured to control or regulate all functions of the fuel cell system.
Nützlicherweise ist vorgesehen, dass die Abhängigkeit der zu variierenden Luftzahl von der Temperatur in einem der elektronischen Steuerung zugehörigen Speicher gespeichert ist.Usefully, it is provided that the dependence of the number of air to be varied on the temperature is stored in a memory belonging to the electronic control.
Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem ist vorteilhafter Weise so ausgebildet, dass die Luftzahl mit zunehmender Temperatur des Brennstoffzellenstapels erniedrigbar ist.The fuel cell system according to the invention is advantageously designed so that the air ratio can be lowered with increasing temperature of the fuel cell stack.
Besonders bevorzugt ist, dass beim Start des Brennstoffzellensystems eine Luftzahl im Bereich zwischen 1,3 und 1,5 einstellbar ist und dass nach Erreichen der Betriebstemperatur des Brennstoffzellenstapels eine Luftzahl im Bereich zwischen 0,3 und 0,5 einstellbar ist.It is particularly preferred that at the start of the fuel cell system, an air ratio in the range between 1.3 and 1.5 is adjustable and that after reaching the operating temperature of the fuel cell stack, an air ratio in the range between 0.3 and 0.5 is adjustable.
Gemäß einer Variante des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems ist vorgesehen, dass die Luftzahl mit zunehmender Temperatur des Brennstoffzellenstapels stufenweise er- niedrigbar ist.According to a variant of the fuel cell system according to the invention, it is provided that the air ratio can be gradually reduced with increasing temperature of the fuel cell stack.
Andererseits kann das System auch so weitergebildet sein, dass die Luftzahl mit zunehmender Temperatur des Brennstoffzellenstapels kontinuierlich erniedrigbar ist. Es kann nützlich sein, dass mindestens ein Temperatursensor zum Messen der Temperatur des Brennstoffzellenstapels vorgesehen ist.On the other hand, the system can also be developed so that the air ratio with increasing temperature of the fuel cell stack is continuously lowered. It may be useful to provide at least one temperature sensor for measuring the temperature of the fuel cell stack.
Ebenfalls kann in vorteilhafterweise vorgesehen sein, dass als Temperatur des Brennstoffzellenstapels eine in Abhängigkeit der Betriebszeit des Brennstoffzellensystems empirisch ermittelte Größe verwendbar ist, wobei die Werte die- ser Größe von einem der elektronischen Steuerung zugehörigen Speicher lieferbar sind.It can also advantageously be provided that a variable empirically determined as a function of the operating time of the fuel cell system can be used as the temperature of the fuel cell stack, the values of this variable being available from a memory associated with the electronic control.
Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen anhand besonders bevorzugter Ausführungsformen beispielhaft erläutert.The invention will now be described by way of example with reference to the accompanying drawings by way of particularly preferred embodiments.
Es zeigen:Show it:
Figur 1 eine schematische Darstellung eines Brennstoff- zellensystems;FIG. 1 is a schematic representation of a fuel cell system;
Figur 2 einen Temperatur-Zeit-Verlauf und einen davon abhängigen Luftzahl-Zeit-Verlauf gemäß der vorliegenden Erfindung;FIG. 2 shows a temperature-time profile and a dependent air-fuel time curve according to the present invention;
Figur 3 ein Temperatur-Luftzahl-Diagramm zur Erläuterung der vorliegenden Erfindung undFigure 3 is a temperature-air ratio diagram for explaining the present invention and
Figur 4 ein Flussdiagramm zur Erläuterung eines erfin- dungsgemäßen Verfahrens.FIG. 4 shows a flowchart for explaining a method according to the invention.
Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems . Das BrennstoffZeilensystem umfasst eine Brennstoffzuführeinrichtung 26, das heißt insbesondere eine Brennstoffpumpe, und eine Luftzuführung 28, das heißt insbesondere ein Gebläse, die eingangsseitig an einen Reformer 10 gekoppelt sind. Ausgangsseitig ist der Reformer 10 mit der Anodenseite eines Brennstoffzellenstapels 12 gekoppelt. Die Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels 12 steht mit einer Luftzuführeinrichtung 30, das heißt insbesondere einem Gebläse, in Verbindung. Der Brennstoffzellenstapel 12 ist mit einem Temperatursensor 24 ausgestattet. Ausgangsei- tig steht der Brennstoffzellenstapel 12 mit einem Nachbren- ner 32 in Verbindung, der ebenfalls mit einer Luftzuführeinrichtung 34, das heißt insbesondere einem Gebläse, in Verbindung steht. Es ist eine elektronische Steuerung 20 mit einem Speicher 22 vorgesehen, die mit Sensoren des Systems, das heißt insbesondere dem Temperatursensor 24 des Brennstoffzellenstapels 12 für den Empfang von Signalen in Verbindung steht. Die Steuerung 20 steht weiterhin mit der Brennstoffzuführeinrichtung 26 sowie den Luftzuführungen 28, 30, 34 in Verbindung, um deren Betrieb zu steuern beziehungsweise im Rahmen einer Regelung zu beeinflussen.FIG. 1 shows a schematic representation of a fuel cell system. The fuel cell system comprises a fuel supply device 26, that is to say in particular one Fuel pump, and an air supply 28, that is in particular a fan, the input side of which are coupled to a reformer 10. On the output side, the reformer 10 is coupled to the anode side of a fuel cell stack 12. The cathode side of the fuel cell stack 12 communicates with an air supply device 30, that is to say in particular a blower. The fuel cell stack 12 is equipped with a temperature sensor 24. On the output side, the fuel cell stack 12 is connected to a afterburner 32, which likewise communicates with an air feed device 34, that is to say in particular a blower. An electronic controller 20 is provided with a memory 22 which is in communication with sensors of the system, that is in particular the temperature sensor 24 of the fuel cell stack 12 for the reception of signals. The controller 20 is further connected to the fuel supply means 26 and the air supply lines 28, 30, 34 in connection to control their operation or to influence in the context of a scheme.
Im Betrieb des Systems fördern die Brennstoffpumpe 26 und das Luftgebläse 28 Brennstoff 14 und Luft 16 in den Reformer 10. Im Reformer entsteht ein Wasserstoffreiches Refor- mat 18, das der Anodenseite 12 des Brennstoffzellenstapels zugeführt wird. Der Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels 12 wird Kathodenzuluft über das Gebläse 30 zugeführt. Diese Kathodenzuluft ist nützlicherweise vorgewärmt. Das im Brennstoffzellenstapel 12 abgereicherte Reformat 36 wird einem Nachbrenner 32 zugeführt, dem ebenfalls Luft durch das Gebläse 34 zur Durchführung der vorzugsweise rückstandsfreien Verbrennung zugeführt wird. Den Nachbrenner 32 verlässt Abgas 38. Nützlicherweise kann die thermische E- nergie des Abgases 38 wieder in den Wärmehaushalt des Brennstoffzellensystems eingekoppelt werden, beispielsweise zur Vorwärmung der über das Gebläse 30 geförderten Kathodenzuluft .During operation of the system, the fuel pump 26 and the air blower 28 convey fuel 14 and air 16 into the reformer 10. The reformer produces a hydrogen-rich reformate 18, which is supplied to the anode side 12 of the fuel cell stack. The cathode side of the fuel cell stack 12 is supplied with cathode feed air via the blower 30. This cathode feed is usefully preheated. The depleted in the fuel cell stack 12 reformate 36 is supplied to an afterburner 32, which is also supplied with air through the blower 34 for carrying out the preferably residue-free combustion. The afterburner 32 exits exhaust gas 38. Usefully, the thermal energy of the exhaust gas 38 can again be coupled into the heat balance of the fuel cell system, for example for preheating the pumped over the blower 30 cathode feed.
Erfindungsgemäß ist im Startbetrieb des Brennstoffzellen- Systems vorgesehen, dass die Luftzahl λ, mit welcher der Reformer 10 betrieben wird, in Abhängigkeit der durch den Temperatursensor 24 gemessenen Temperatur des Brennstoff- zellenstapels 12 mittels Beeinflussung der Brennstoffpumpe 26 und/oder des Luftgebläses 28 über die Steuerung 20 ein- gestellt wird. Die Einstellung erfolgt so, dass unkritische Luftzahl-Temperatur-Kombinationen eingestellt werden, insbesondere im Hinblick auf die Ablagerung von Ruß im Brennstoffzellenstapel 12 sowie die Oxidation des Anodenmaterials im Brennstoffzellenstapel 12.According to the invention, it is provided in the starting mode of the fuel cell system that the air ratio λ with which the reformer 10 is operated depends on the temperature of the fuel cell stack 12 measured by the temperature sensor 24 by influencing the fuel pump 26 and / or the air blower 28 via the Control 20 is set. The setting is made so that uncritical air-temperature combinations are set, in particular with regard to the deposition of soot in the fuel cell stack 12 and the oxidation of the anode material in the fuel cell stack 12th
Figur 2 zeigt einen Temperatur-Zeit-Verlauf und einen davon abhängigen Luftzahl-Zeit-Verlauf gemäß der vorliegenden Erfindung. Hier ist ein beispielhafter Temperaturverlauf des Brennstoffzellenstapels gegen die Zeit aufgetragen. Die Temperatur Tstack geht von einem Anfangstemperaturwert, beispielsweise der Raumtemperatur, aus, und steigt dann rasch auf Temperaturen im Bereich von 500 0C an, um sich dann der Betriebstemperatur des Brennstoffzellenstapels von ca. 850 0C anzunähern. In Abhängigkeit davon wird die Luftzahl λ des Reformers eingestellt, nämlich ausgehend von λ = 1,4 und dann absteigend bis zu einem Wert von λ = 0,4. Die Variation der Luftzahl λ muss nicht, wie dargestellt, stufenweise erfolgen. Auch ein kontinuierlicher Verlauf der Luftzahl ist praktikabel. Die Luftzahlwerte λ, die bei bestimm- ten Temperaturen TstaCk einzustellen sind, sind nützlicherweise in einer Steuerung in Form einer Tabelle hinterlegt. Neben der gemessenen Temperatur Tstack kann auch eine empirisch ermittelte Temperatur Tstack in Abhängigkeit der Zeit in einem Speicher einer Steuerung hinterlegt sein. Figur 3 zeigt ein Temperatur-Luftzahl-Diagramm zur Erläuterung der vorliegenden Erfindung. Es ist veranschaulicht, dass bei niedrigen Temperaturen und niedrigen Luftzahlen eine übermäßige Rußbildung vorliegt, während bei hohen Temperaturen und hohen Luftzahlen eine unerwünschte Oxidation der Anode auftreten kann. Ausgehend von niedrigen Temperaturen wird daher erfindungsgemäß eine hohe Luftzahl gewählt, bei der eine nur geringe Rußbildung und eine nur ge- ringe Oxidation der Anode vorliegen wird. Hiervon ausgehend wird bei steigender Temperatur die Luftzahl erniedrigt, bis die Betriebstemperatur und der für den Reformerbetrieb nützliche Luftzahlwert erreicht sind.FIG. 2 shows a temperature-time profile and a dependent air-fuel time curve according to the present invention. Here is an exemplary temperature profile of the fuel cell stack plotted against time. The temperature T sta ck goes from an initial temperature value, for example, the room temperature, and then increases rapidly to temperatures in the range of 500 0 C, and then approach the operating temperature of the fuel cell stack of about 850 0 C. Depending on this, the air ratio λ of the reformer is set, namely starting from λ = 1.4 and then decreasing to a value of λ = 0.4. The variation of the air ratio λ does not have to be stepwise as shown. A continuous course of the air ratio is also practicable. The air value values λ, which are to be set at certain temperatures T staC k, are usefully stored in a control in the form of a table. In addition to the measured temperature T stac k, an empirically determined temperature T stck can be stored as a function of time in a memory of a controller. FIG. 3 shows a temperature-air-figure diagram for explaining the present invention. It is illustrated that at low temperatures and low air numbers, excessive soot formation is present, while at high temperatures and high air numbers undesirable oxidation of the anode can occur. Starting from low temperatures, therefore, a high air ratio is selected according to the invention, in which only little soot formation and only slight oxidation of the anode will occur. On this basis, the temperature is lowered with increasing temperature until the operating temperature and the useful for the reformer operation air value value are reached.
Figur 4 zeigt ein Flussdiagramm zur Erläuterung eines erfindungsgemäßen Verfahrens. Zum Start des Systems wird in Schritt SOl die Temperatur Tstack des Brennstoffzellensta- pels erfasst. In Schritt S02 wird eine bestimmte Luftzahl λi eingestellt. In Schritt S03 wird geprüft, ob die Tempe- ratur Tstack des Brennstoffzellenstapels eine bestimmte vorgegebene Temperatur Ti übersteigt. Ist dies nicht der Fall, so fährt das Verfahren bei Schritt SOl fort, das heißt der Lambdawert bleibt unverändert, und es erfolgt die erneute Erfassung der Temperatur TΞtack des Brennstoffzellenstapels . Übersteigt jedoch in Schritt S03 die Temperatur Tstack des Brennstoffzellenstapels die vorgegebene Temperatur Ti, so wird in Schritt S04 geprüft, ob der Brennstoffzellenstapel bereits seine Betriebstemperatur TB erreicht hat. Ist dies noch nicht der Fall, so wird in Schritt S05 der Index i um 1 vermehrt, um danach zu Schritt SOl überzugehen. Es wird die Luftzahl λ dann auf einen erniedrigten Lambdawert λi+i gesetzt. Wird in Schritt S04 hingegen ermittelt, dass der Brennstoffzellenstapel seine Betriebstemperatur erreicht hat, so endet das Verfahren zum Starten des Brennstoffzel- lensystems .FIG. 4 shows a flowchart for explaining a method according to the invention. To start the system, the temperature T stac k of the fuel cell stack is detected in step S11. In step S02, a certain air ratio λi is set. In step S03 it is checked whether the temperature T stack of the fuel cell stack exceeds a certain predetermined temperature Ti. If this is not the case, the method continues in step S11, that is to say the lambda value remains unchanged, and the temperature T Ξtack of the fuel cell stack is re- detected . If, however, the temperature T stack of the fuel cell stack exceeds the predetermined temperature Ti in step S03, it is checked in step S04 whether the fuel cell stack has already reached its operating temperature T B. If this is not yet the case, the index i is increased by 1 in step S05, in order to then proceed to step SO1. The air ratio λ is then set to a reduced lambda value λi + i. In contrast, it is determined in step S04 that the fuel cell stack reaches its operating temperature the procedure for starting the fuel cell system ends.
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.The features of the invention disclosed in the foregoing description, in the drawings and in the claims may be essential to the realization of the invention both individually and in any combination.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
10 Reformer10 reformers
12 Brennstoffzellenstapel12 fuel cell stacks
14 Brennstoff14 fuel
16 Luft16 air
18 Reformat18 Reformat
20 Steuerung20 control
22 Speicher22 memory
24 Temperatursensor24 temperature sensor
26 Brennstoffzuführeinrichtung26 fuel supply
28 Gebläse28 blowers
30 Gebläse30 blowers
32 Nachbrenner32 afterburner
34 Gebläse34 blowers
36 Reformat36 Reformat
38 Abgas 38 exhaust

Claims

ANSPRUCHE
1. Verfahren zum Starten eines Brennstoffzellensystems mit einem Reformer (10) und einem BrennstoffzellenstapelA method of starting a fuel cell system with a reformer (10) and a fuel cell stack
(12) , wobei dem Reformer Brennstoff (14) und Luft (16) als Ausgangsstoffe zugeführt werden und dem Brennstoffzellen- Stapel ein in dem Reformer erzeugtes Reformat (18) zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die das Brennstoff-Luft-Verhältnis der dem Reformer (10) zugeführten Ausgangsstoffe kennzeichnende Luftzahl in Abhängigkeit einer Temperatur des Brennstoffzellenstapels (12) variiert wird.(12), wherein the reformer fuel (14) and air (16) are supplied as starting materials and the fuel cell stack in the reformer generated reformate (18) is fed, characterized in that the fuel-air ratio of the Reformer (10) supplied starting materials characteristic air ratio as a function of a temperature of the fuel cell stack (12) is varied.
2. Verfahren zum Starten eines Brennstoffzellensystems nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftzahl mit zunehmender Temperatur des Brennstoffzellenstapels (12) erniedrigt wird.2. A method for starting a fuel cell system according to claim 1, characterized in that the air ratio is lowered with increasing temperature of the fuel cell stack (12).
3. Verfahren zum Starten eines Brennstoffzellensystems nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass beim Start des Brennstoffzellensystems eine Luftzahl im Bereich zwischen 1,3 und 1,5 eingestellt wird und dass nach Erreichen der Betriebstemperatur des Brennstoffzellenstapels (12) eine Luftzahl im Bereich zwischen 0,3 und 0,5 eingestellt wird.3. A method for starting a fuel cell system according to claim 1 or 2, characterized in that at the start of the fuel cell system, an air ratio in the range between 1.3 and 1.5 is set and that after reaching the operating temperature of the fuel cell stack (12) an air ratio in the range between 0.3 and 0.5 is set.
4. Verfahren zum Starten eines Brennstoffzellensystems nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftzahl mit zunehmender Temperatur des Brennstoffzellenstapels (12) stufenweise erniedrigt wird. 4. A method for starting a fuel cell system according to any one of the preceding claims, characterized in that the air ratio is gradually reduced with increasing temperature of the fuel cell stack (12).
5. Verfahren zum Starten eines Brennstoffzellensystems nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftzahl mit zunehmender Temperatur des Brennstoffzellenstapels (12) kontinuierlich erniedrigt wird.5. A method for starting a fuel cell system according to any one of the preceding claims, characterized in that the air ratio is continuously lowered with increasing temperature of the fuel cell stack (12).
6. Verfahren zum Starten eines Brennstoffzellensystems nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des Brennstoffzellenstapels (12) gemessen wird.6. A method for starting a fuel cell system according to any one of the preceding claims, characterized in that the temperature of the fuel cell stack (12) is measured.
7. Verfahren zum Starten eines Brennstoffzellensystems nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Temperatur des Brennstoffzellenstapels (12) eine in Abhängigkeit der Betriebszeit des Brennstoffzellensystems empirisch ermittelte Größe verwendet wird.7. A method for starting a fuel cell system according to any one of the preceding claims, characterized in that is used as the temperature of the fuel cell stack (12) a function of the operating time of the fuel cell system empirically determined size.
8. Brennstoffzellensystem mit einem Reformer (10) und einem Brennstoffzellenstapel (12) , wobei dem Reformer Brenn- Stoff (14) und Luft (16) als Ausgangsstoffe zuführbar sind und dem Brennstoffzellenstapel ein in dem Reformer erzeugtes Reformat (18) zuführbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die das Brennstoff-Luft-Verhältnis der dem Reformer (10) zugeführten Ausgangsstoffe kennzeichnende Luftzahl in Abhängigkeit einer Temperatur des Brennstoffzellenstapels (12) variierbar ist.8. Fuel cell system with a reformer (10) and a fuel cell stack (12), wherein the reformer fuel (14) and air (16) are fed as starting materials and the fuel cell stack, a reformate produced in the reformer (18) can be fed, characterized in that the air-fuel ratio of the reformer (10) supplied starting materials characterizing air ratio in dependence on a temperature of the fuel cell stack (12) is variable.
9. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoffzellensystem eine elektro- nische Steuerung (20) aufweist.9. Fuel cell system according to claim 8, characterized in that the fuel cell system has an electronic control (20).
10. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Abhängigkeit der zu variierenden Luftzahl von der Temperatur in einem der elektronischen Steuerung (20) zugehörigen Speicher (22) gespeichert ist.10. Fuel cell system according to claim 8 or 9, characterized in that the dependence of the to be varied Air ratio of the temperature in one of the electronic control (20) associated memory (22) is stored.
11. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftzahl mit zunehmender Temperatur des Brennstoffzellenstapels (12) erniedrigbar ist.11. Fuel cell system according to one of claims 8 to 10, characterized in that the air ratio with increasing temperature of the fuel cell stack (12) is degradable.
12. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass beim Start des Brennstoff- zellensystems eine Luftzahl im Bereich zwischen 1,3 und 1,5 einstellbar ist und dass nach Erreichen der Betriebstemperatur des Brennstoffzellenstapels (12) eine Luftzahl im Bereich zwischen 0,3 und 0,5 einstellbar ist.12. Fuel cell system according to one of claims 8 to 11, characterized in that at the start of the fuel cell system, an air ratio in the range between 1.3 and 1.5 is adjustable and that after reaching the operating temperature of the fuel cell stack (12) an air ratio in the range between 0.3 and 0.5 is adjustable.
13. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 8 bis13. Fuel cell system according to one of claims 8 to
12, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftzahl mit zunehmender Temperatur des Brennstoffzellenstapels (12) stufenweise erniedrigbar ist.12, characterized in that the air ratio with increasing temperature of the fuel cell stack (12) is gradually lowered.
14. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 8 bis14. Fuel cell system according to one of claims 8 to
13, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftzahl mit zunehmender Temperatur des Brennstoffzellenstapels (12) kontinuierlich erniedrigbar ist.13, characterized in that the air ratio with increasing temperature of the fuel cell stack (12) is continuously lowered.
15. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 8 bis15. Fuel cell system according to one of claims 8 to
14, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Temperatursensor (24) zum Messen der Temperatur des Brennstoffzellenstapels (12) vorgesehen ist.14, characterized in that at least one temperature sensor (24) for measuring the temperature of the fuel cell stack (12) is provided.
16. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 8 bis16. Fuel cell system according to one of claims 8 to
15, dadurch gekennzeichnet, dass als Temperatur des Brennstoffzellenstapels (12) eine in Abhängigkeit der Betriebszeit des Brennstoffzellensystems empirisch ermittelte Größe verwendbar ist, wobei die Werte dieser Größe von einem der elektronischen Steuerung (20) zugehörigen Speicher (22) lieferbar sind. 15, characterized in that as a temperature of the fuel cell stack (12) a function of the operating time of the fuel cell system empirically determined size is usable, the values of this size from a the electronic control (20) associated memory (22) are available.
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