WO2002055433A2 - Verfahren zum betrieb einer reformeranlage mit einer kaltstartreinigung und reformeranlage mit einer kaltstartreinigung - Google Patents

Verfahren zum betrieb einer reformeranlage mit einer kaltstartreinigung und reformeranlage mit einer kaltstartreinigung Download PDF

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WO2002055433A2
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Definitions

  • the invention relates to a method for operating a reformer system for providing a hydrogen-enriched product stream, and a reformer system.
  • a reformer system as a higher-level system has at least one reformer, gas lines, possibly a gas purification or a control system, etc.
  • by-products can arise which either impair or even destroy the mode of operation of the fuel cell as such. This is particularly the case if the reformer has not yet reached its operating temperature.
  • high power changes occur or a reformer has to be put into operation quickly, e.g. B. when starting an automobile, there is a risk that the hydrogen is not generated with sufficient purity shortly after the start of the reformer.
  • the product stream is supplied to the at least one fuel cell or is discarded depending on the pollutant concentration therein. This ensures that pollutants that can impair or even destroy the functioning of the fuel cells are kept away from the fuel cell.
  • the discarded product stream can advantageously be used further, for example directly as a heating medium or also for operating a burner for heating up further components, the possible uses not being restricted to this are. It is also possible to release the discarded product stream to the environment.
  • the product stream is fed to the fuel cell when the pollutant concentration is low and is discharged to the environment when the product stream has a high pollutant concentration.
  • This is to be understood as low in relation to the type of fuel cell used, since different purity requirements are required depending on the type. In most cases, the lower the operating temperature of the fuel cell, the higher the required fuel purity. Possible pollutants are H 2 S, CO, CO 2 , NH 3 , COS and others. For example, a low CO concentration of ⁇ 100 ppm, if possible even ⁇ 10 ppm, is required especially for PEM fuel cells.
  • the product stream generated within a period of 30 to 300 s after the start of commissioning of the reformer system is released to the environment. This is a particularly simple method of protecting the fuel cell from the resulting pollutants when starting up. However, U. more hydrogen may be released to the environment than required.
  • At least one parameter is determined which is proportional to one or more pollutant concentrations in a product stream.
  • the product stream is fed to a fuel cell or discarded.
  • the parameter can be determined with the help of a probe, which measures the pollutant concentration directly.
  • the Parameter indirectly from other reformer sizes such as B. the fuel mass flow, the temperature at one or more points, the amperages, among other things.
  • the advantage of this configuration is that, depending on the special parameters, the product stream is diverted at the right time, so that unnecessarily much hydrogen is not released into the environment.
  • the tolerance field can be adapted to the requirements of the fuel cell used, in particular it is possible to let the width of the tolerance field go to zero, so that there is a limit value, below or below which the product flow is fed to the fuel cell or discarded.
  • the CO concentration is measured as the pollutant concentration.
  • Carbon monoxide is a strong oxidizing agent and its presence in the fuel cell is a major impairment of the catalytic reaction.
  • the pollutant concentration or a parameter proportional to this, in particular the CO concentration, in the product stream is determined by means of at least one sensor. This allows the direct determination of the pollutant concentration, but also the indirect determination of the pollutant concentration in the product gas from other sizes.
  • a process control is particularly preferred in which the pollutant concentration or a parameter proportional to this, in particular the CO concentration, in the product stream are determined from the starting materials and the operating parameters of the reformer system.
  • the product stream is subjected to cleaning before it is discharged to the environment. This prevents pollutants from being discharged directly into the environment.
  • the CO concentration in the product stream is reduced by oxidation with the addition of O 2 . The oxidation with O 2 converts the carbon monoxide into carbon dioxide.
  • the product stream is at least partially fed to a catalytic reactor, in particular an electrically heatable catalytic reactor.
  • a catalytic reactor in particular an electrically heatable catalytic reactor.
  • Electrical ignition quickly reaches the ignition temperature of the catalytic reaction and minimizes the emission of pollutants to the environment.
  • the reformer system according to the invention for providing a hydrogen-containing product stream, in particular during a start phase of energy generation with a fuel cell has at least one reformer reactor for the catalytic generation of a hydrogen-containing product stream, a feed line and a line which can be connected to the fuel cell, at least one means for determination a parameter proportional to the pollutant concentration in the product stream, and at least one means arranged in the line, by means of which the product stream is fed or discarded in dependence on the pollutant concentration in the fuel cell during a starting phase of the reformer plant.
  • the reformer reactor is the part of the reformer plant where a catalytic reaction for the conversion of hydrocarbons takes place.
  • the at least one means for determining at least one parameter can be at least one sensor.
  • the parameter characterizes the pollutant concentration in the product stream.
  • the pollutant concentration can be measured directly, but it is also possible to determine it indirectly by determining it from other parameters. For example, it is possible to determine the pollutant concentration from the temperature in the reformer reactor and the mass flows of the starting materials.
  • the means by which the product stream is fed to the fuel cell or discarded is connected to a discharge line in which at least one cleaning system for cleaning the discarded product stream is arranged. This advantageously reduces the release of pollutants into the environment.
  • the use of an electrically heatable catalytic reactor as a cleaning system is particularly advantageous.
  • a control unit which is connected via a signal line to the means for determining a parameter and via a signal line to the means by which the product stream of the fuel cell is supplied or discarded during a start phase of the reformer system ,
  • This control unit enables central control of the reformer system, depending on the value of the specific parameter.
  • the connection of the control unit with the means for determining a parameter and with the means by which the product stream is fed to or discarded in the fuel cell allows the control of the guidance of the product stream according to the invention in a simple manner.
  • the control unit has at least one comparator, by means of which it is checked whether the at least one parameter lies within a predetermined tolerance range.
  • the tolerance field is specified, for example, on the basis of the requirements of the fuel cell used, and it is also possible to take into account requirements set by the user. In addition, it is possible to let the width of the tolerance field go to zero, that is, to specify a limit value, if the value is below or exceeded, the product flow is either fed to the fuel cell or else discarded.
  • the means for determining a parameter comprises an arithmetic unit. This can be used from other sizes such. B. the temperature or the fuel mass flow, pollutant concentrations in the product flow can be determined.
  • the means with which the product stream is either fed to the fuel cell or discarded comprises a valve.
  • a flap with which the connection between the reformer reactor and the fuel cell is closed and the product stream discarded, in particular fed to the environment.
  • the means by which the product stream is fed or discarded to the fuel cell has an actuating device connected to the control device.
  • This enables the control unit to actuate the valve or the flap.
  • the actuation unit is, for example, an electrical, electromagnetic or pneumatic actuation unit that is controlled by the control unit.
  • Fig. 1 shows schematically the structure of a first embodiment
  • FIG. 1 shows a reformer system 1 according to the invention with a reformer reactor 4, to which hydrocarbons are fed via a feed line 8 and in which a product stream 2 containing hydrogen is generated.
  • the product stream 2 exits the reformer reactor 4 via a line 9.
  • a means 5 for determining a characteristic variable is arranged in this line 9, which determines a characteristic variable that characterizes a pollutant concentration in the product stream 2 discarded.
  • the discarding of the product stream 2 can include introducing the product stream 2 into the environment, but it is also possible to continue using the product stream 2, for example directly as a heating medium or to convert it into a burner in order to heat up other components.
  • the cleaning system is a catalytic reactor, in particular a honeycomb body coated with a catalyst, which can be heated electrically and reduces the carbon monoxide concentration in product stream 2.
  • the reformer system 1 is controlled by a control unit 11. This is connected via a signal line 12 to the means 5 for determining a parameter and via a further signal line 13 to the means 6, with which the product stream is either fed to the fuel cell 3 or via the discharge line 10 is discarded.
  • the parameter transmitted to the control unit 11 via the signal line 12 is processed. In the case of an indirect determination of the pollutant concentration, the pollutant concentration can be calculated from it. Then the characteristic variable is compared with a predetermined tolerance field via a comparator (not shown) present in the control unit. Depending on the result of this comparison, the means 6 is then activated via the signal line 13 and either the product stream 2 into the Fuel cell 3 initiated or the product stream 2 passed into the discharge line 10 and discarded.
  • FIG. 2 schematically shows a second exemplary embodiment of a reformer system 1.
  • the reformer reactor 4 is fed with hydrocarbons via a feed line 8.
  • a product stream 2 leaves the reformer reactor 4 via a line 9 which leads to a cleaning system 7.
  • a cleaning system 7 In this, for example, a selective oxidation of the CO to CO 2 takes place .
  • a characteristic variable is determined by means 5, which is proportional to at least one pollutant concentration, preferably a CO concentration, in the product stream 2.
  • a parameter which is proportional to the pollutant concentration is determined again in the product stream 2 by a second means 14.
  • either the product stream 2 is led to the fuel cell 3 via the means 6 or is discarded via the discharge line 10.
  • control of the reformer system 1 takes place in accordance with the first exemplary embodiment by a control unit 11 (not shown) and corresponding signal lines 12, 13.
  • the invention describes a method for operating a reformer system 1 during a starting phase and a reformer system 1, with which a hydrogen-containing product stream 2 is provided with sufficient freedom from pollutants, the pollutants that can destroy a fuel cell 3 in a simple and inexpensive manner be kept away from the fuel cell 3.

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betrieb einer Reformeranlage (1) zur Bereitstellung eines Wasserstoff enthaltenden gasförmigen Produktsroms (2) während einer Startphase der Energieerzeugung mit einer Brennstoffzelle (3), bei dem eine Kenngröße bestimmt wird, die proportional zu einer Schadstoffkonzentration in einem Produkstrom (2) ist, und der Produktstrom (2) in Abhängigkeit von der Schadstoffkonzentration einer Brennstoffzelle (3) zugeführt oder verworfen wird. Desweiteren ist eine Reformeranlage (1) Gegenstand der Erfindung, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitet. Das Verfahren und die Reformeranlage (1) zeichnen sich dadurch aus, daß auf eine einfache und preiswerte Art und Weise die in einem Produktstrom (2) auftretenden Schadstoffe von einer Brennstoffzelle (3) ferngehalten werden.

Description

Verfahren zum Betrieb einer Reformeranlage mit einer Kaltstartreinigung und Reformeranlage mit einer Kaltstartreinigung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Reformeranlage zur Bereitstellung eines mit Wasserstoff angereicherten Produktstromes, sowie eine Reformeranlage.
Im Zuge der Energiediskussion wird der Einsatz von Brennstoffzellen insbesondere für mobile Anwendungen wie z.B. für Automobile zunehmend diskutiert. Eine Schwierigkeit bei der Brennstoffzellentechnik ist jedoch die Speicherung von größeren Energiemengen, da der für die meisten Brennstoffzellen wesentliche Energieträger Wasserstoff nur eine vergleichsweise geringe Energiespeicherdichte aufweist. Darüber hinaus sind derzeit keine vergleichbaren Versorgungssysteme für Wasserstoff vorhanden, wie sie z.B. für fossile Brennstoffe bestehen.
Eine Lösung für diese Probleme ist, den Wasserstoff direkt vor Ort aus wasserstoffreichen Brennstoffen, insbesondere Kohlenwasserstoffen, mit einer hohen Energiespeicherdichte zu erzeugen. Für die Gewinnung von Wasserstoff aus Kohlenwasserstoffen werden Reformer verwendet, die, je nach Brennstoff unterschiedliche Verfahren und chemische Reaktionen nutzend, den Wasserstoff mit Hilfe einer katalytischen Reaktion bereitstellen.
Während mit Reformer nur der katalytische Reaktor zur chemischen Umsetzung der Stoffe bezeichnet wird, weist eine Reformeranlage als übergeordnete Anlage mindestens einen Reformer, Gasleitungen, ggf. eine Gasreinigung oder eine Steuerung, etc. auf. Bei der katalytischen Umsetzung der Kohlenwasserstoffe können Nebenprodukte entstehen, die die Brennstoffzelle als solche in ihrer Wirkungsweise entweder beeinträchtigen oder sogar zerstören können. Dieses ist insbesondere dann der Fall, wenn der Reformer noch nicht seine Betriebstemperatur erreicht hat. Bei Anwendungen, wo hohe Leistungswechsel anfallen bzw. ein Reformer schnell in Betrieb genommen werden muß, z. B. beim Starten eines Automobils, besteht die Gefahr, daß der Wasserstoff kurz nach Reformerstart nicht mit ausreichender Reinheit erzeugt wird.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Betrieb einer Reformeranlage anzugeben, mit dem Wasserstoff in einer Startphase der Reformeranlage nur in ausreichender Reinheit einer Brennstoffzelle zugeführt werden kann, sowie eine Reformeranlage anzugeben, mit der dieses Verfahren durchgeführt werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch eine Reformeranlage gemäß Anspruch 11 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der jeweils abhängigen Ansprüche.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betrieb einer Reformeranlage zur Bereitstellung eines Wasserstoff enthaltenden, gasförmigen Produktstroms während einer Startphase der Energieerzeugung mit wenigstens einer Brennstoffzelle, wird der Produktstrom in Abhängigkeit von der Schadstoffkonzentration in diesem der wenigstens einen Brennstoffzelle zugeführt oder verworfen. Hiermit wird erreicht, daß Schadstoffe, die die Brennstoffzellen in ihrer Funktionsweise beeinträchtigen oder sogar zerstören können, von der Brennstoffzelle ferngehalten werden. Der verworfene Produktstrom kann vorteilhafterweise weiter verwendet werden, beispielsweise direkt als Wärmemedium oder auch zum Betreiben eines Brenners zum Aufheizen weiterer Komponenten, wobei die Verwendungsmöglichkeiten nicht darauf beschränkt sind. Auch eine Abgabe der verworfenen Produktstroms an die Umwelt ist möglich.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens wird der Produktstrom der Brennstoffzelle zugeführt, wenn die Schadstoffkonzentration gering ist und an die Umgebung abgeführt, wenn der Produktstrom eine hohe Schadstoffkonzentration aufweist. Gering ist hier in Bezug auf den verwendeten Brennstoffzellen-Typ zu verstehen, da je nach Typ jeweils unterschiedliche Reinheitsanforderungen erforderlich sind. In den meisten Fällen gilt, daß je niedriger die Betriebstemperatur der Brennstoffzelle ist, desto höher ist die geforderte Brennstoffreinheit. Mögliche Schadstoffe sind H2S, CO, CO2, NH3, COS und andere. Speziell für PEM-Brennstoffzellen ist beispielsweise eine geringe CO-Konzentration von < 100 ppm, möglichst sogar < 10 ppm erforderlich.
In einer Ausgestaltung des Verfahrens wird der innerhalb einer Zeitspanne von 30 bis 300 s nach Beginn der Inbetriebnahme der Reformeranlage erzeugte Produktstrom an die Umgebung abgegeben. Dieses ist eine besonders einfache Methode, die Brennstoffzelle beim Beginn der Inbetriebnahme von den anfallenden Schadstoffen zu schützen. Es wird jedoch u. U. mehr Wasserstoff an die Umgebung abgeleitet als erforderlich.
In einer bevorzugten Ausgestaltung wird wenigstens eine Kenngröße bestimmt, die proportional zu einer Schadstoffkonzentration oder mehreren Schadstoffkonzentrationen in einem Produktstrom ist. Je nachdem, ob die wenigstens eine Kenngröße in einem vorgegebenen Toleranzfeld liegt oder nicht, wird der Produktstrom einer Brennstoffzelle zugeführt oder verworfen. Mit Hilfe dieses Verfahrens wird somit die Brennstoffzelle vor Schadstoffen, die in der Reformeranlage entstehen, geschützt und eine längere Lebensdauer der Brennstoffzelle erzielt. Die Kenngröße kann mit Hilfe einer Sonde, welche die Schadstoffkonzentration direkt mißt, bestimmt werden. Alternativ kann die Kenngröße indirekt aus anderen Reformergrößen wie z. B. dem Brennstoffmassenstrom, der Temperatur an einer oder mehreren Stellen, den Stromstärken u.a. ermittelt werden. Vorteil dieser Ausgestaltung ist, daß in Abhängigkeit der speziellen Parameter der Produktstrom zur richtigen Zeit umgeleitet wird, so daß nicht unnötig viel Wasserstoff an die Umgebung abgegeben wird. Das Toleranzfeld kann an die Anforderungen der verwendeten Brennstoffzelle angepasst werden, insbesondere ist es möglich, die Breite des Toleranzfeldes gegen null gehen zu lassen, so dass ein Grenzwert vorliegt, bei dessen Unter- oder Überschreiten der Produktstrom der Brennstoffzelle zugeführt oder verworfen wird.
In einer besonderen Ausgestaltung wird als Schadstoffkonzentration die CO- Konzentration gemessen. Kohlenmonoxid ist ein starkes Oxidationsmittel und seine Anwesenheit in der Brennstoffzelle stellt eine wesentliche Beeinträchtigung der katalytischen Reaktion dar.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird die Schadstoffkonzentration oder eine zu dieser proportionale Kenngröße, insbesondere die CO-Konzentration, im Produktstrom mittels wenigstens eines Sensors ermittelt. Dies gestattet die direkte Bestimmung der Schadstoffkonzentration, aber auch die indirekte Bestimmung der Schadstoffkonzentration im Produktgas aus anderen Größen. Besonders bevorzugt ist hierbei eine Verfahrensführung, bei der die Schadstoffkonzentration oder eine zu dieser proportionale Kenngröße, insbesondere die CO-Konzentration, im Produktstrom aus den Edukten und den Betriebsparametern der Reformeranlage ermittelt werden.
In einer Ausgestaltung der Erfindung wird der Produktstrom einer Reinigung unterzogen, bevor er an die Umgebung abgeführt wird. Hierdurch wird vermieden, daß Schadstoffe direkt an die Umgebung abgeführt werden. In einer weiteren besonderen Ausgestaltung wird die CO- Konzentration im Produktstrom durch Oxidation unter O2-Zufuhr vermindert. Durch die Oxidation mit O2 wird das Kohlenmonoxid in Kohlendioxid umgewandelt.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird der Produktstrom wenigstens teilweise einem katalytischen Reaktor, insbesondere einem elektrisch beheizbaren katalytischen Reaktor, zugeführt. Dies bedingt eine Schadstoffreduktion im Produktstrom. Durch das elektrische Heizen wird die Zündtemperatur der katalytischen Reaktion schnell erreicht und der Ausstoß von Schadstoffen an die Umwelt minimiert.
Die erfϊndungsgemäße Reformeranlage zur Bereitstellung eines Wasserstoff enthaltenden Produktstroms, insbesondere während einer Startphase der Energieerzeugung mit einer Brennstoffzelle, weist mindestens einen Reformerreaktor zur katalytischen Erzeugung eines Wasserstoff enthaltenden Produktstroms, eine Zuleitung und eine Leitung, die mit der Brennstoffzelle verbindbar ist, ein Mittel zur Bestimmung wenigstens einer zur Schadstoffkonzentration im Produktstrom proportionalen Kenngröße, und mindestens ein in der Leitung angeordnetes Mittel, durch das während einer Startphase der Reformeranlage der Produktstrom in Abhängigkeit von der Schadstoffkonzentration in diesem der Brennstoffzelle zugeführt oder verworfen wird, auf. Der Reformerreaktor ist der Teil der Reformeranlage, an dem eine katalytische Reaktion zur Umsetzung von Kohlenwasserstoffen stattfindet. Das wenigstens eine Mittel zur Bestimmung wenigstens einer Kenngröße kann mindestens ein Meßfühler sein. Die Kenngröße charakterisiert die Schadstoffkonzentration im Produktstrom. Hierbei kann die Schadstoffkonzentration direkt gemessen werden, jedoch ist es auch möglich, diese indirekt zu bestimmen, in dem sie aus anderen Kenngrößen ermittelt wird. Beispielsweise ist es möglich, die Schadstoffkonzentration aus der Temperatur im Reformerreaktor und den Massenströmen der Edukte zu ermitteln. In einer Weiterbildung der Erfindung ist das Mittel, durch das der Produktstrom der Brennstoffzelle zugeführt oder verworfen wird, mit einer Ableitung verbunden, in der mindestens eine Reinigungsanlage zur Reinigung des verworfenen Produktstroms angeordnet ist. Dies vermindert vorteilhafterweise die Abgabe von Schadstoffen an die Umwelt. Besonders vorteilhaft ist in diesem Zusammenhang die Verwendung eines elektrisch beheizbaren katalytischen Reaktors als Reinigungsanlage.
Gemäß einer noch weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Reformeranlage ist eine Steuereinheit vorgesehen, die über eine Signalleitung mit dem Mittel zur Bestimmung einer Kenngröße und über eine Signalleitung mit dem Mittel, durch das während einer Startphase der Reformeranlage der Produktstrom der Brennstoffzelle zugeführt oder verworfen wird, verbunden ist. Diese Steuereinheit ermöglicht die zentrale Steuerung der Reformeranlage, je nach Wert der bestimmten Kenngröße. Die Verbindung der Steuereinheit mit dem Mittel zur Bestimmung einer Kenngröße und mit dem Mittel, durch das der Produktstrom der Brennstoffzelle zugeführt oder verworfen wird, erlaubt es in einfacher Weise, die Führung des Produktstroms erfindungsgemäß zu steuern.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Reformeranlage weist die Steuereinheit wenigstens einen Komparator auf, durch den überprüft wird, ob die wenigstens eine Kenngröße innerhalb eines vorgegebenen Toleranzfeldes liegt. Die Vorgabe des Toleranzfeldes erfolgt beispielsweise anhand der Anforderungen der verwendeten Brennstoffzelle, weiterhin ist es auch möglich, vom Benutzer gesetzte Anforderungen zu berücksichtigen. Zudem ist es möglich, die Breite des Toleranzfeldes gegen null gehen zu lassen, also einen Grenzwert vorzugeben, bei dessen Unter- oder Überschreiten der Produktstrom entweder der Brennstoffzelle zugeführt oder aber verworfen wird. In einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Reformeranlage umfaßt das Mittel zur Bestimmung einer Kenngröße ein Rechenwerk. Hiermit können aus anderen Größen wie z. B. der Temperatur oder dem Brennstoffmassenstrom, Schadstoffkonzentrationen im Produktstrom ermittelt werden.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Reformeranlage umfasst das Mittel, mit dem der Produktstrom entweder der Brennstoffzelle zugeführt oder verworfen wird, ein Ventil. Besonders bevorzugt ist in diesem Zusammenhang auch die Verwendung einer Klappe, mit der die Verbindung zwischen Reformerreaktor und Brennstoffzelle geschlossen und der Produktstrom verworfen, insbesondere der Umwelt zugeführt wird.
Das Mittel, durch das der Produktstrom der Brennstoffzelle zugeführt oder verworfen wird, weist gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Reformeranlage eine mit der Steuereinrichtung verbundene Betätigungseinrichtung auf. Dies ermöglicht die Betätigung des Ventils oder der Klappe durch die Steuereinheit. Bei der Betätigungseinheit handelt es sich beispielsweise um eine elektrische, elektromagnetische oder pneumatische Betätigungseinheit, die von der Steuereinheit gesteuert wird.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert, jedoch ist die Erfindung nicht auf diese beschränkt.
Es zeigen:
Fig. 1 schematisch den Aufbau eines ersten Ausführungsbeispiels und
Fig. 2 schematisch den Aufbau eines zweiten Ausführungsbeispiels. Figur 1 zeigt eine erfindungsgemäße Reformeranlage 1 mit einem Reformerreaktor 4, dem über eine Zuleitung 8 Kohlenwasserstoffe zugeführt werden und in dem ein Wasserstoff enthaltender Produktstrom 2 erzeugt wird. Der Produktstrom 2 tritt über eine Leitung 9 aus dem Reformerreaktor 4 aus. In dieser Leitung 9 ist ein Mittel 5 zur Bestimmung einer Kenngröße angeordnet, das eine Kenngröße ermittelt, die eine Schadstoffkonzentration im Produktstrom 2 charakterisiert In Abhängigkeit von der Schadstoffkonzentration wird der Produktstrom 2 mit Hilfe eines Mittels 6 entweder einer Brennstoffzelle 3 zugeführt oder über eine Ableitung 10 verworfen. Das Verwerfen des Produktstroms 2 kann ein Einleiten des Produktstroms 2 in die Umwelt umfassen, jedoch ist es auch möglich, den Produktstrom 2 weiter zu verwenden, beispielsweise direkt als Wärmemedium oder es auch in einem Brenner umsetzen, um andere Komponenten aufzuheizen. Bevor ein schadstoffreicher Produktstrom 2 an die Umwelt abgegeben wird, wird er zuvor von einer Reinigungsanlage 7 gereinigt. Die Reinigungsanlage ist in diesem Fall ein katalytischer Reaktor, insbesondere ein mit einem Katalysator beschichteter Wabenkörper, der elektrisch beheizbar ist und die Kohlenmonoxidkonzentration im Produktstrom 2 reduziert.
Die Steuerung der Reformeranlage 1 erfolgt durch eine Steuereinheit 11. Diese ist über eine Signalleitung 12 mit dem Mittel 5 zur Bestimmung einer Kenngröße und über eine weitere Signalleitung 13 mit dem Mittel 6 verbunden, mit dem der Produktstrom entweder der Brennstoffzelle 3 zugeführt oder über die Ableitung 10 verworfen wird. Die über die Signalleitung 12 an die Steuereinheit 11 übermittelte Kenngröße wird verarbeitet, im Falle einer indirekten Bestimmung der Schadstoffkonzentration kann aus ihr die Schadstoffkonzentration berechnet werden. Dann wird über einen (nicht gezeigten) in der Steuereinheit vorhandenen Komparator die Kenngröße mit einem vorgegebenen Toleranzfeld verglichen. In Abhängigkeit vom Ergebnis dieses Vergleichs wird dann über die Signalleitung 13 das Mittel 6 angesteuert und entweder der Produktstrom 2 in die Brennstoffzelle 3 eingeleitet oder der Produktstrom 2 in die Ableitung 10 geleitet und verworfen.
Figur 2 zeigt schematisch ein zweites Ausführungsbeispiel einer Reformeranlage 1. Über eine Zuleitung 8 wird der Reformerreaktor 4 mit Kohlenwasserstoffen beschickt. Ein Produktstrom 2 verlässt den Reformerreaktor 4 über eine Leitung 9, die zu einer Reinigungsanlage 7 führt. In dieser erfolgt beispielsweise eine selektive Oxidation des CO zu CO2. Vor Eintritt in die Reinigungsanlage 7 wird über ein Mittel 5 eine Kenngröße bestimmt, die proportional zu zumindest einer Schadstoffkonzentration, bevorzugt einer CO-Konzentration, im Produktstrom 2 ist. Nach Austritt aus der Reinigungsanlage 7 wird im Produktstrom 2 durch ein zweites Mittel 14 erneut eine Kenngröße bestimmt, die proportional zur Schadstoffkonzentration ist. In Abhängigkeit von den aus diesen beiden Kenngrößen bestimmten Schadstoffkonzentrationen wird über das Mittel 6 entweder der Produktstrom 2 zur Brennstoffzelle 3 geführt oder aber über die Ableitung 10 verworfen.
Die Steuerung der Reformeranlage 1 erfolgt in diesem Ausführungsbeispiel entsprechend dem ersten Ausfuhrungsbeispiel durch eine (nicht gezeigte) Steuereinheit 11 und entsprechende Signalleitungen 12, 13.
Die Erfindung beschreibt ein Verfahren zum Betrieb einer Reformeranlage 1 während einer Startphase sowie eine Reformeranlage 1, mit der ein Wasserstoff enthaltender Produktstrom 2 mit ausreichender Freiheit von Schadstoffen bereitgestellt wird, wobei die Schadstoffe, die eine Brennstoffzelle 3 zerstören können, auf eine einfache und preiswerte Art von der Brennstoffzelle 3 ferngehalten werden. Bezugszeichenliste
Reformeranlage
Produktstrom
Brennstoffzelle
Reformerreaktor
Mittel zur Bestimmung einer Kenngröße
Mittel zur Lenkung des Produktstroms
Reinigungsanlage
Zuleitung
Leitung
Ableitung
Steuereinheit
Signalleitung
Signalleitung
Zweites Mittel zur Bestimmung einer Kenngröße

Claims

Patentansprüche
Verfahren zum Betrieb einer Reformeranlage (1) zur Bereitstellung eines Wasserstoff enthaltenden gasförmigen Produktstroms (2), der wenigstens einer Brennstoffzelle (3) zugeführt wird, bei dem während einer Startphase der Reformeranlage (1) der Produktstrom (2) in Abhängigkeit von der Schadstoffkonzentration in diesem der wenigstens einen Brennstoffzelle (3) zugeführt oder verworfen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Produktstrom (2) der Brennstoffzelle (3) zugeführt wird, wenn der Produktstrom (2) eine geringe Schadstoffkonzentration aufweist, und der Produktstrom (2) an die Umgebung abgeführt wird, wenn der Produktstrom (2) eine hohe Schadstoffkonzentration aufweist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der Produktstrom (2) 30 bis 300 s nach Start der Reformeranlage (1) an die Umgebung abgegeben wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, bei dem wenigstens eine Kenngröße bestimmt wird, die proportional zur Schadstoffkonzentration in einem Produktstrom (2) ist, und überprüft wird, ob die wenigstens eine Kenngröße innerhalb eines vorgegebenen Toleranzfeldes liegt.
5. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem als Schadstoffkonzentration die CO- Konzentration gemessen wird.
6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, bei dem die Schadstoffkonzentration oder eine zu dieser proportionale Kenngröße, insbesondere die CO- Konzentration, im Produktstrom (2) mittels wenigstens eines Sensors ermittelt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem die Schadstoffkonzentration oder eine zu dieser proportionale Kenngröße, insbesondere die CO-Konzentration, im Produktstrom (2) aus den Edukten und den Betriebsparametern der Reformeranlage (4) ermittelt wird.
8. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem der Produktstrom (2) einer Reinigung unterzogen wird, bevor er verworfen wird.
9. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem die CO- Konzentration im Produktstrom (2) durch Oxidation unter O2-Zufuhr vermindert wird.
10. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem der Produktstrom (2) wenigstens teilweise einem katalytischen Reaktor, insbesondere einem elektrisch beheizbaren katalytischen Reaktor, zugeführt wird.
11. Reformeranlage (1) zur Bereitstellung eines Wasserstoff enthaltenden Produktstroms (2), insbesondere während einer Startphase der Energieerzeugung mit einer Brennstoffzelle (3), mit mindestens einem
Reformerreaktor (4) zur katalytischen Erzeugung eines Wasserstoff enthaltenden Produktstroms (2), der wenigstens eine Zuleitung (8) und eine Leitung (9), die mit der Brennstoffzelle (3) verbindbar ist, einem Mittel (5) zur Bestimmung wenigstens einer zur Schadstoffkonzentration im Produktstrom (2) proportionalen Kenngröße, und mindestens einem in der
Leitung (9) angeordneten Mittel (6), durch das während einer Startphase der Reformeranlage (1) der Produktstrom in Abhängigkeit von der Schadstoffkonzentration in diesem der Brennstoffzelle (3) zugeführt oder verworfen wird.
12. Reformeranlage (1) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel (6) mit einer Ableitung (10) verbunden ist, in der mindestens eine Reinigungsanlage (7) zur Reinigung des verworfenen Produktstroms (2) angeordnet wird.
13. Reformeranlage (1) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Reinigungsanlage (7) ein elektrisch beheizbarer katalytischer Reaktor ist.
14. Reformeranlage (1) nach einem der Ansprüche 11, 12, oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuereinheit (11) vorgesehen ist, die über eine
Signalleitung (12) mit dem Mittel (5) zur Bestimmung einer Kenngröße und über eine Signalleitung (13) mit dem Mittel (6) verbunden ist.
15. Reformeranlage (1) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (11) wenigstens einen Komparator aufweist, durch den überprüft wird, ob die wenigstens eine Kenngröße innerhalb eines vorgegebenen Toleranzfeldes liegt.
16. Reformeranlage (1) nach einem der Ansprüche 11 bis 15, wobei das Mittel (5) zur Bestimmung einer Kenngröße ein Rechenwerk umfasst.
17. Reformeranlage (1) nach einem der Ansprüche 11 bis 16, wobei das Mittel (6) ein Ventil umfasst.
18. Reformeranlage (1) nach einem der vorherigen Ansprüche 11 bis 16, wobei das Mittel (6) zur Lenkung des Produktstroms eine Klappe ist.
19. Reformeranlage (1) nach Anspruch 17 oder 18, wobei das Mittel (6) eine mit der Steuereinheit (11) verbundene Betätigungseinrichtung aufweist.
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