WO2012062403A1 - Verfahren zum betrieb eines brennstoffzellensystems - Google Patents

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WO2012062403A1
WO2012062403A1 PCT/EP2011/005268 EP2011005268W WO2012062403A1 WO 2012062403 A1 WO2012062403 A1 WO 2012062403A1 EP 2011005268 W EP2011005268 W EP 2011005268W WO 2012062403 A1 WO2012062403 A1 WO 2012062403A1
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fuel
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Steffen Wieland
Nico Kocks
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Enymotion Gmbh
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/06—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
    • H01M8/0606—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants
    • H01M8/0612—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants from carbon-containing material
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the invention relates to a method for operating a fuel cell system.
  • Fuel cell systems convert chemical into electrical energy in an environmentally friendly manner, with low noise and high energy efficiency. In doing so, e.g. Hydrogen with the addition of a second reactant, usually oxygen reacted.
  • a direct supply of hydrogen is difficult, which is why hydrocarbon fuels are often used, which are first reacted catalytically in a reformer with the addition of air and / or water to a hydrogen-containing gas.
  • LPG liquefied petroleum gas
  • the main components of LPG are propane and n-butane. Further constituents may be propene, isobutane, butene, butadiene and odorants, which, however, play only a minor role in the operation of the fuel cell system, as described below.
  • composition of the liquefied gas in particular with regard to the components propane and butane, is usually not exactly known and varies depending on the manufacturer, but also, for example, on the fill level of the reservoir and thus in the course of the operation of the system.
  • liquefied gas namely the combustion and the production of heat
  • a precise knowledge of the composition is not required. Therefore, it is not necessary in this area to measure or keep the gas composition constant.
  • the amount of hydrogen produced is dependent on the reformer supplied air, water and / or heat (depending on the operation of the reformer) and the fuel or fuel mixture used.
  • a change in the amount of hydrogen is best achieved by optimizing the fuel volume flow with optimum operation of the reformer.
  • the object of the invention is to provide a method with which in such a case a constant supply of hydrogen to the fuel cell can be realized in a simple manner.
  • this is achieved by a method for operating a fuel cell system having at least one fuel cell and a hydrogen-containing gas reformer, wherein the fuel is supplied to the reformer with a variable composition and the value of at least a first system quantity is detected.
  • the detected first system variable is brought back to the predetermined desired value by varying at least one second system variable so that the hydrogen concentration in front of the fuel cell is essentially at one predetermined setpoint remains.
  • the invention is based on the recognition that there are system variables whose value represents an indicator of the hydrogen concentration of the gas after the reformer. By regulating or varying one or more further system variables, in particular the fuel volume flow, a constant hydrogen concentration can thus be achieved in a simple manner, without the need to analyze the composition of the fuel gas.
  • variable composition By a variable composition is meant herein not only a change in the fuel composition during operation, but e.g. also a change in the composition due to an exchange of the previously supplied fuel for a fuel whose proportional composition is unknown.
  • This second case can occur, for example, when changing a LPG cylinder.
  • the optimum fuel volume flow can be set by the method according to the invention without knowing the exact composition.
  • "Fuel in the context of this application can be any starting substance that can be used for hydrogen production. This includes liquefied gas, but e.g. Other hydrocarbon or alcoholic substances or mixtures of substances. The other reactants required for the reaction, in particular oxygen (air) or water, however, are supplied separately and are not part of the fuel.
  • the detected first system size may be, for example, a pressure before the reformer, a temperature after the reformer, an air flow supplied to the reformer, a temperature downstream of a fuel cell downstream burner, a hydrogen content of the gas supplied to the fuel cell, a heat of reaction of the fuel directly related with a calorific value of the fuel, or be a power of a connected to the reformer for supplying heat burner.
  • the second system size may be, for example, a fuel volume flow supplied to the reformer, an air volume flow supplied to the reformer, an amount of water supplied to the reformer, or a power of a burner connected to the heat supply reformer.
  • the method may be performed using a single detected first system size and a single second system size.
  • the hydrogen production in the reformer and the hydrogen concentration in the gas after the reformer depend on the S / C ratio (steam-to-carbon ratio) in the educt mixture and the temperature after the reformer.
  • a constant S / C ratio thus essentially also results in a constant hydrogen concentration.
  • an increase in the fuel volume flow results in a reduction of the S / C ratio.
  • the S / C ratio for different gas compositions can be determined, for example, between 100% butane and 100% propane (as well as any mixing ratios therebetween or between other substances).
  • the amount of fuel supplied, ie the fuel flow, and optionally the amount of water supplied kept constant, and it is set a constant temperature after the reformer.
  • the latter can be adjusted via the air supply, ie the air volume flow to the reformer and optionally a burner output of a burner connected to the reformer. In this way and via the (unique) detection of the required system variables with optimally adjusted system for known fuel compositions (and constant load on the fuel cell), for example, the setpoints can be obtained, which can be used for the inventive method.
  • the inventive method can be used both for reformers who work on the principle of endothermic steam reforming, as well as for reformer, the principle of partial oxidation or autothermal Reforming work.
  • the different operating principles change the available system sizes, depending on whether a heat, water or air supply for the chemical reaction is necessary or not.
  • the detected first system size is the pressure before the reformer or the temperature after the reformer (which is essentially proportional to the pressure) and the only second system size is the fuel volume flow.
  • the pressure upstream of the reformer depends inter alia on the temperature prevailing in the reformer, which in turn depends on the calorific value and thus on the composition of the fuel fed to the reformer.
  • the temperature drops or rises, for example due to a lower or higher proportion of butane
  • the temperature drops or rises and the pressure changes accordingly.
  • the monitoring of the pressure which can be measured at an easily accessible location, is therefore already sufficient in principle to be able to keep the hydrogen supply of the fuel cell constant despite a varying fuel composition.
  • Such a one-step control method is in principle sufficient to achieve a constant hydrogen concentration.
  • the adjustment to a new equilibrium value with a change in the fuel composition usually takes place more quickly if, for example, in a first step, a second system size other than the fuel volume flow is varied such that the detected first system variable returns to its desired value (the second system size being from its nominal value may differ), and only in a second step, the fuel flow is changed by a predetermined amount (the detected first system size may again deviate from its nominal value). Both steps are repeated alternately until both the detected first system size and the further second system size have reached their desired value again.
  • the second system size may also be the temperature after the reformer or the burner connected downstream of the fuel cell, the air volume flow, the supplied water quantity or the power of the burner connected to the heat supply reformer.
  • the method can be operated in such a way that additionally at least one further first system variable and at least one further second system variable are detected or varied.
  • the measurement or setting is then preferably in alternation with the other system sizes.
  • the heat of the fuel fed to the reformer is detected in a first step as detected first system size and in a further step the fuel volume flow as a second system size over a predetermined relationship between the heat of reaction of the fuel and the size of the fuel volume flow set.
  • This can be done, for example, by a lookup table stored in the system.
  • it may be advantageous not to readjust the fuel volume flow directly, but first, for example, to make the air volume flow and the adjustment of the fuel volume flow stepwise.
  • Another possible combination is, for example, as detected first system variables the temperature after the reformer and the temperature downstream of the fuel cell downstream burner and as a second system variables the fuel flow, the air flow, the amount of water and / or the power of the with the reformer for Heat supply connected burner (equivalent to the heat supplied to the reformer) to use.
  • An adjustment of the amount of water, the burner power and the air flow rate depends on the principle of the chemical reaction, after which the reformer works.
  • a further possible combination consists of detected first system variables, the temperature after the reformer and the hydrogen concentration in front of the fuel cell and as second system variables, the fuel volume flow, the air volume flow, the amount of water supplied and / or the power of a connected to the reformer for supplying heat burner to use.
  • Another possible combination is to use as detected first system variables the temperature after the reformer and the power of the burner connected to the heat supply reformer and as second system variables the fuel volume flow and the burner output, in particular when using a reformer which operates according to the steam reforming method ,
  • the burner output can be determined by the relationship between the fuel volume flow to the burner and the flow rate through the fuel line to the burner.
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a fuel cell system for carrying out a method according to the invention in accordance with a first embodiment
  • - Figure 3 is a schematic representation of a fuel cell system for carrying out a method according to the invention according to a second embodiment
  • FIG. 4 is a schematic representation of a fuel cell system for carrying out a method according to the invention according to a third embodiment
  • - Figure 5 is a schematic representation of a fuel cell system for carrying out a method according to the invention according to a fourth embodiment
  • - Figure 6 is a schematic representation of a fuel cell system for carrying out a method according to the invention according to a fifth embodiment
  • FIG. 7 shows a schematic representation of a fuel cell system for carrying out a method according to the invention in accordance with a sixth embodiment.
  • FIG. 8 shows a representation of the result of the regulation of a method according to the invention
  • Figure 1 shows for an exemplary fuel cell system, the dependence between the S / C ratio (steam-to-carbon), represented by the squares, and the air ratio ⁇ (oxygen-to-carbon), represented by the diamonds, depending on the Gas composition varying from 100% propane (equivalent to 0% butane) to 0% propane (00% butane).
  • the S / C ratio is a measure of the hydrogen yield (with otherwise constant values for the remaining system sizes)
  • the adjustment of this ratio can be used to set the hydrogen concentration in front of the fuel cell. It can be seen that with a reduction of the propane content (assuming a constant fuel volume flow and a constant Edukt- or heat input into the reformer), a reduction of the S / C ratio is carried out.
  • the air supply is regulated so that a temperature measured behind the reformer remains constant. For this reason, there is a reduction in the air ratio ⁇ with increased butane content.
  • the S / C ratio can be brought back to its optimal value for the respective system by the fuel flow is increased or reduced accordingly, since of course this amount of carbon per unit time supplied can be varied.
  • FIG. 2 illustrates a first embodiment of a method for operating a fuel cell system 10 having one (or more) fuel cells 12 in which, in a known manner, a hydrogen-containing gas is chemically converted into electrical energy with the supply of oxygen. All of the described methods are carried out with the same load on the fuel cell, so that consumption-dependent changes in the hydrogen concentration in the fuel cell are not included in the regulation.
  • the hydrogen-containing gas is generated in a reformer 14, wherein the starting material is a hydrocarbon-containing fuel which is supplied from a storage tank (not shown) as a fuel volume flow V B to the reformer 14 via a line 6.
  • the starting material is a hydrocarbon-containing fuel which is supplied from a storage tank (not shown) as a fuel volume flow V B to the reformer 14 via a line 6.
  • the fuel used in the examples described here is liquefied petroleum gas, which is also used as camping gas. These are essentially (as described above) a mixture of propane and n-butane, the exact composition of the consumer side is basically unknown and varies, inter alia, with the level of the storage tank.
  • the fuel cell 12 is followed by a burner 18 in which excess hydrogen is burned before the exhaust gas is discharged to the atmosphere.
  • the reformer 14 can work on the principle of endothermic steam reforming, partial oxidation or autothermal reforming. Accordingly, the reformer 14, depending on the operating method in addition to the fuel air, water and / or heat supplied.
  • a reformer 14 which operates on partial oxidation. Accordingly, a line 20 for supplying an air volume flow V L to the reformer 14 is provided. The generated hydrogen-containing gas is passed from the reformer 14 via a line 22 to the fuel cell 12. After the reformer 14, a temperature T R of the exiting gas is measured. The Temperature T R is a direct measure of the temperature prevailing in the reformer 14. Likewise, a pressure p in the conduit 16 before the reformer 14 is measured.
  • the fuel volume flow V B to the reformer 14 (used here as a second system large) can now be adjusted, for example via a PID control 24, so that the pressure p again assumes its setpoint (previously determined via the determination of the optimum system parameters).
  • the fuel volume flow V B (ie the amount of fuel supplied per unit time) is the only variable that has to be changed in order to bring the hydrogen content in front of the fuel cell 12 back to the optimum value due to the changed fuel calorific value.
  • the temperature T R can also be used after the reformer 14.
  • the temperature T R can also be used after the reformer 14.
  • a new equilibrium position can be achieved more quickly and overshoots can be significantly reduced if not only the fuel volume flow V B but also at least one further system size is changed.
  • first of all the air volume flow V L (as the second system variable) is adjusted via a control 26 so that the pressure p again assumes its predetermined setpoint. This adjustment is very fast. However, since an amount of fuel that deviates from the optimum is still supplied, the hydrogen content in front of the fuel cell 12 also deviates from its nominal value.
  • the fuel volume flow V B (as a further second system variable) is now changed by a predetermined value, while maintaining the ak- actual air volume flow V L. This has the consequence that the temperature in the reformer 14 and thus the pressure p changes again.
  • the air volume flow is adjusted again so that the pressure p again assumes its setpoint value.
  • the two method steps are carried out alternately until both the air volume flow V L and the pressure p have again reached their nominal values.
  • the then set fuel volume flow V B has the optimum value for the current fuel composition.
  • the regulation 26 of the air volume flow V L does not take place via the pressure p (which would also be possible), but via the temperature T R after the reformer 14, which is substantially proportional to the pressure p.
  • the temperature T R could also be used by the controller 24 instead of the pressure p as a controlled variable.
  • the reformer 14 can also work on the principle of autothermal reforming.
  • the then required water supply V w is shown by the dotted line. The amount of water supplied is then kept constant throughout the process.
  • the pressure p can also be detected and, as a second system variable, the quantity of water supplied to the reformer 14 or the power of the water Reformer 14 can be used for heat supply connected burner.
  • FIG. 3 schematically shows the sequence of a method according to a second embodiment with reference to the fuel cell system 10 shown there.
  • the air volume flow V L (second system variable) is adjusted again in a first method step such that the temperature T R after the reformer 14 (detected first system size) again assumes its setpoint.
  • a flow meter F detects the air volume flow V L
  • a control 30 determines a change in the fuel volume flow V B (further second system size), for example, a new ideal value can be calculated, or an ideal step size of the change can be determined.
  • the adaptation of the air volume flow V L and the fuel volume flow V B are alternately executed until the temperature T R and the air volume flow V L have returned to their desired values.
  • FIG. 4 shows a further method according to a third embodiment.
  • the air volume flow V L and the fuel volume flow V B are alternately changed.
  • first system variables serve for the air volume flow V L, the temperature T R after the reformer 14 and the fuel volume flow V B a temperature T B after the fuel cell 12 downstream burner 18.
  • the air volume flow V L on the scheme 26 adapted so that the temperature T R returns to its desired value.
  • the fuel volume flow V B is then varied by a specified value, by means of a control 40, which detects the temperature T B , in connection with the hydrogen contained in the exhaust gas of the fuel cell 12 and above with the hydrogen concentration c H. the fuel cell 12 is.
  • the controller 40 may also receive and evaluate the respective values for the temperature T R , for example to determine the step size of the change in the fuel volume flow V B in the next method step. These steps are performed alternately until both the temperature T R and the temperature T B have returned to their desired value. In this case, a determination of the actual value of the air volume flow V L can be dispensed with. However, this can also be detected and checked for its setpoint.
  • FIG. 5 shows a method according to a fourth embodiment.
  • the temperature T R is detected as the first system variable and the air volume flow V L is adjusted as a second system variable so that the temperature T R reaches its desired value again.
  • the hydrogen concentration c H in front of the fuel cell 12 is detected as a further first system variable by a sensor 50 and by a controller 52 as Basis for the change of the fuel volume flow V B used as a further second system size.
  • Both steps are carried out alternately until the hydrogen concentration c H and the air volume flow V L have returned to their nominal values.
  • the controller 52 may also obtain and evaluate the respective values for the temperature T R to determine the change in the fuel volume flow V B in the next method step.
  • FIG. 6 shows a method according to a fifth embodiment.
  • the temperature T R is detected as the first system variable, and the air volume flow V L is adapted in a first method step.
  • the calorific value of the fuel supplied to the reformer 14 is detected via a thermal sensor WTS as a further first system variable.
  • the calorific value is, for example in the case of a liquefied gas with the known components propane and butane, clearly dependent on the gas composition.
  • a controller 60 is provided which has a memory (not shown) in which this relationship is stored, for example in the form of a lookup table. When a change in the calorific value is detected, the controller 60 adjusts the fuel volume flow V B in accordance with the stored value. Both process steps take place alternately until the temperature T R and the air volume flow V L have again reached their nominal values.
  • FIG. 7 shows a method according to a sixth embodiment.
  • the reformer 14 operates on the principle of steam reforming. Therefore, in addition to the fuel via a line 20 'water is supplied while an air supply is not provided.
  • the water supply V w is kept constant at a preset value during the process.
  • heat is supplied to the reformer 14 via a burner 70.
  • the burner 70 is fed with the same fuel, which is also implemented in the reformer 14.
  • the currently supplied fuel flow is detected by means of a flow meter F and transferred to a control 74.
  • the output of the burner 70 is here adjusted via a control 76, which regulates the fuel flow to the burner 70, so that the temperature T R after the reformer 14 returns to its desired value.
  • the fuel volume flow V B is then changed by a predetermined amount.
  • the resulting deviation of the temperature T R from its desired value is in turn compensated by adjusting the power of the burner 70.
  • PID controllers are used in the examples shown here, but other suitable controls can of course also be used.
  • the methods can be adapted accordingly if the reformer 14 operates on a different principle than described for the respective embodiment. This is especially true for a supply of water or the setting of a burner power of a burner which heats the reformer 14, for example, by instead of the air volume flow V L, the reformer 14 supplied amount of water V w or the burner power is controlled to the temperature T R. adjust.
  • FIG. 8 shows by way of example the result of a regulation according to a method according to the invention. It can be seen that the S / C ratio can be kept constant over the entire range (pure propane to pure butane). In this case (when using an autothermal reformer 1) the amount of water V w kept constant and regulated the air supply. The temperature T R after the reformer 14 was kept at a constant setpoint. Air volume flow V L and fuel volume flow V B were automatically varied by the control. It can be seen that essentially a lower fuel volume flow V B is set when the proportion of propane is reduced.

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Abstract

Bei einem Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems mit wenigstens einer Brennstoffzelle (12) und einem Reformer (14) zur Erzeugung von wasserstoffhaltigem Gas wird dem Reformer (14) ein Brennstoff mit einer variablen Zusammensetzung zugeführt wird. Es wird der Wert wenigstens einer ersten Systemgröße erfasst. Bei einer Änderung der Brennstoffzusammensetzung und der damit verbundenen Abweichung der erfassten ersten Systemgröße von einem vorbestimmten Sollwert wird die erfasste erste Systemgröße durch Variation wenigstens einer zweiten Systemgröße wieder auf den vorbestimmten Sollwert gebracht. Dadurch bleibt die Wasserstoffkonzentration (cH) vor der Brennstoffzelle (12) im Wesentlichen auf einem vorbestimmten Sollwert.

Description

Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems.
Brennstoffzellensysteme wandeln chemische in elektrische Energie in um- weltverträglicher Weise um, mit niedriger Geräuschentwicklung und hoher Energieeffizienz. Dabei wird z.B. Wasserstoff unter Zugabe eines zweiten Reaktanten, meistens Sauerstoff, umgesetzt. Eine direkte Versorgung mit Wasserstoff ist jedoch schwierig, weshalb häufig kohlenwasserstoffhaltige Brennstoffe eingesetzt werden, die zunächst in einem Reformer katalytisch unter Zugabe von Luft und/oder Wasser zu einem wasserstoffhaltigen Gas umgesetzt werden.
Als kohlenwasserstoffhaltiger Brennstoff kann beispielsweise Flüssiggas (LPG) verwendet werden, was sich vor allem für portable Brennstoffzellensysteme anbietet. Die Hauptbestandteile von Flüssiggas sind Propan und n-Butan. Weitere Bestandteile können Propen, Iso-Butan, Buten, Butadien sowie Odorie- rungsstoffe sein, welche aber für den Betrieb des Brennstoffzellensystems, wie es im Folgenden beschrieben wird, nur eine untergeordnete Rolle spielen.
Die Zusammensetzung des Flüssiggases, insbesondere bezüglich der Komponenten Propan und Butan, ist meist nicht genau bekannt und ist abhängig vom Hersteller, aber auch z.B. vom Füllstand des Vorratsbehälters und somit im Ver- lauf des Betriebs des Systems veränderlich. Für die Hauptanwendung von Flüssiggas, nämlich der Verbrennung und der Gewinnung von Wärme, ist eine genaue Kenntnis der Zusammensetzung nicht erforderlich. Daher ist es in diesem Bereich auch nicht notwendig, die Gaszusammensetzung zu messen oder konstant zu halten. Da der Brennwert in Bezug auf das Volumen von Butan mit 123 MJ/m3 höher ist als der von Propan (93 MJ/m3, nach DIN 51857), ergibt sich bei einem gleichbleibenden Brennstoffvolumenstrom zum Reformer (bei gleichbleibenden restlichen Prozessparametern) bei Variation des Mischungsverhältnisses der beiden Gase eine unterschiedliche Gaszusammensetzung nach dem Reformer und insbesondere auch eine unterschiedliche Wasserstoffkonzentration.
Bei der Verwendung eines Brennstoffes, dessen Zusammensetzung sich im Lauf der Zeit verändert, oder einem Brennstoff mit unbekannter Zusammenset- zung ist es erforderlich, die Parameter des Reformers entsprechend anzupassen, um eine konstante Wasserstoffkonzentration zu gewährleisten.
Für einen stabilen Betrieb des Brennstoffzellensystems mit konstanter Leistung ist es notwendig, die produzierte Wasserstoffmenge und damit die Wasserstoffkonzentration in dem der Brennstoffzelle zugeführten Gas möglichst konstant zu halten. Bei gleichbleibendem Brennstoffvolumenstrom ist die produzierte Menge an H2 abhängig von der dem Reformer zugeführten Luft-, Wasser- und/oder Wärmemenge (je nach der Betriebsweise des Reformers) sowie vom verwendeten Brennstoff bzw. Brennstoffgemisch. Eine Veränderung der Wasserstoffmenge ist bei optimalem Betrieb des Reformers am besten durch eine An- passung des Brennstoffvolumenstroms zu erreichen.
Für Brennstoffzellensysteme, welche mit Brennstoffen mit variierender Zusammensetzung wie beispielsweise dem oben genannten Flüssiggas arbeiten, ist daher eine Regelung des Reformers erwünscht, um einen stabilen Betrieb zu gewährleisten. Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren vorzustellen, mit dem in einem derartigen Fall eine konstante Wasserstoffzufuhr zur Brennstoffzelle auf einfache Weise realisierbar ist.
Erfindungsgemäß wird dies mit einem Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems mit wenigstens einer Brennstoffzelle und einem Reformer zur Erzeugung von wasserstoffhaltigem Gas erreicht, bei dem dem Reformer ein Brennstoff mit einer variablen Zusammensetzung zugeführt wird und der Wert wenigstens einer ersten Systemgröße erfasst wird. Bei einer Änderung der Brennstoffzusammensetzung und der damit verbundenen Abweichung der er- fassten ersten Systemgröße von einem vorbestimmten Sollwert wird die erfasste erste Systemgröße durch Variation wenigstens einer zweiten Systemgröße wieder auf den vorbestimmten Sollwert gebracht, sodass die Wasserstoffkonzentra- tion vor der Brennstoffzelle im Wesentlichen auf einem vorbestimmten Sollwert bleibt. Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass es Systemgrößen gibt, deren Wert einen Indikator für die Wasserstoffkonzentration des Gases nach dem Reformer darstellt. Durch Regelung bzw. Variation von einer oder mehreren weiteren Systemgrößen, insbesondere des Brennstoffvolumenstroms, kann somit auf einfache Weise eine konstante Wasserstoffkonzentration erreicht werden, ohne die Notwendigkeit, die Zusammensetzung des Brenngases zu analysieren.
Unter einer variablen Zusammensetzung wird hier nicht nur eine Änderung der Brennstoffzusammensetzung während des Betriebs verstanden, sondern z.B. auch eine Veränderung der Zusammensetzung durch einen Austausch des bis- her zugeführten Brennstoffes gegen einen Brennstoff, dessen proportionale Zusammensetzung unbekannt ist. Dieser zweite Fall kann beispielsweise beim Wechsel einer Flüssiggasflasche auftreten. Auch in diesem Fall kann über das erfindungsgemäße Verfahren ohne Kenntnis der genauen Zusammensetzung der optimale Brennstoffvolumenstrom eingestellt werden. „Brennstoff im Sinne dieser Anmeldung kann jede Ausgangssubstanz sein, die zur Wasserstofferzeugung herangezogen werden kann. Dies umfasst Flüssiggas, aber z.B. auch andere kohlenwasserstoff- oder alkoholhaltige Stoffe oder Stoffgemische. Die weiteren zur Umsetzung benötigten Edukte, insbesondere Sauerstoff (Luft) oder Wasser werden hingegen separat zugeführt und sind nicht Bestandteil des Brennstoffs.
Die erfasste erste Systemgröße kann beispielsweise ein Druck vor dem Reformer, eine Temperatur nach dem Reformer, ein dem Reformer zugeführter Luftvolumenstrom, eine Temperatur nach einem der Brennstoffzelle nachgeschalteten Brenner, ein Wasserstoffgehalt des der Brennstoffzelle zugeführten Gases, eine Wärmetönung des Brennstoffes, die in direktem Zusammenhang mit einem Brennwert des Brennstoffes steht, oder eine Leistung eines mit dem Reformer zur Wärmezufuhr verbundenen Brenners sein.
Die zweite Systemgröße kann beispielsweise ein dem Reformer zugeführter Brennstoffvolumenstrom, ein dem Reformer zugeführter Luftvolumenstrom, eine dem Reformer zugeführte Wassermenge oder eine Leistung eines mit dem Reformer zur Wärmezufuhr verbundenen Brenners sein. Das Verfahren kann unter Verwendung einer einzigen erfassten ersten Systemgröße und einer einzigen zweiten Systemgröße durchgeführt werden.
Es ist jedoch auch möglich, mehrere zweite Systemgrößen oder wenigstens zwei erfasste erste Systemgrößen und wenigstens zwei zweite Systemgrößen zu verwenden, wobei die Einstellung auf die jeweiligen Sollwerte wechselweise erfolgt. Eine derartige mehrstufige Regelung ist besser dazu in der Lage, Überschwinger zu vermeiden als eine einstufige Regelung.
Generell gilt, dass die Wasserstoffproduktion im Reformer und die Wasserstoffkonzentration im Gas nach dem Reformer vom S/C-Verhältnis (Steam-to- Carbon-Verhältnis) im Eduktgemisch und der Temperatur nach dem Reformer abhängen. Ein konstantes S/C-Verhältnis bedingt somit im Wesentlichen auch eine konstante Wasserstoffkonzentration. Dabei gilt, dass eine Erhöhung des Brennstoffvolumenstroms eine Verringerung des S/C-Verhältnisses zur Folge hat. Über eine Anpassung des Brennstoffvolumenstroms lässt sich daher der S/C-Wert anpassen.
Für ein bestimmtes Brennstoffzellensystem lässt sich das S/C-Verhältnis für unterschiedliche Gaszusammensetzungen beispielsweise zwischen 100 % Butan und 100 % Propan (sowie beliebigen Mischungsverhältnissen dazwischen oder zwischen anderen Stoffen) bestimmen. Dazu wird vorzugsweise die zugeführte Brennstoffmenge, also der Brennstoffvolumenstrom, sowie gegebenenfalls die zugeführte Wassermenge konstant gehalten, und es wird eine konstante Temperatur nach dem Reformer eingestellt. Letzteres lässt sich über die Luftzufuhr, also den Luftvolumenstrom zum Reformer und gegebenenfalls eine Brennerleistung eines mit dem Reformer verbundenen Brenners einstellen. Auf diese Weise und über die (einmalige) Erfassung der benötigten Systemgrößen bei optimal eingestelltem System für bekannte Brennstoffzusammensetzungen (und gleichbleibender Last an der Brennstoffzelle) können beispielsweise die Sollwerte gewonnen werden, die sich für das erfindungsgemäße Verfahren verwenden lassen. Das erfindungsgemäße Verfahren lässt sich sowohl für Reformer einsetzen, die nach dem Prinzip der endothermen Dampfreformierung arbeiten, als auch für Reformer, die nach dem Prinzip der partiellen Oxidation oder der autothermen Reformierung arbeiten. Selbstverständlich ändern sich bei den unterschiedlichen Arbeitsprinzipien die verfügbaren Systemgrößen, je nachdem, ob etwa eine Wärme-, Wasser oder Luftzufuhr für die chemische Reaktion notwendig ist oder nicht. Nach einem ersten erfindungsgemäßen Verfahren wird als erfasste erste Systemgröße der Druck vor dem Reformer oder die Temperatur nach dem Reformer (die zum Druck im Wesentlichen proportional ist) und als einzige zweite Systemgröße der Brennstoffvolumenstrom verwendet. Der Druck vor dem Reformer ist unter anderem abhängig von der im Reformer herrschenden Temperatur, welche wiederum vom Brennwert und somit von der Zusammensetzung des dem Reformer zugeleiteten Brennstoffs abhängt. Sinkt oder steigt der Brennwert, beispielsweise durch einen geringeren oder höheren Butananteil, so sinkt oder steigt die Temperatur, und der Druck ändert sich entsprechend. Durch Anpassen des Brennstoffvolumenstroms verändert sich die Temperatur im Reformer und darü- ber der Druck vor dem Reformer. Die Überwachung des Druckes, der an einer gut zugänglichen Stelle messbar ist, ist somit prinzipiell bereits ausreichend, um die Wasserstoffversorgung der Brennstoffzelle trotz einer variierenden Brennstoffzusammensetzung konstant halten zu können.
Ein derartiges einstufiges Regelverfahren ist im Prinzip ausreichend, um eine konstante Wasserstoffkonzentration zu erreichen. Die Einstellung auf einen neuen Gleichgewichtswert bei einer Änderung der Brennstoffzusammensetzung erfolgt jedoch meist schneller, wenn beispielsweise in einem ersten Schritt eine andere zweite Systemgröße als der Brennstoffvolumenstrom so variiert wird, dass die erfasste erste Systemgröße wieder ihren Sollwert annimmt (wobei die zweite Systemgröße von ihrem Sollwert abweichen kann), und erst in einem zweiten Schritt der Brennstoffvolumenstrom um ein vorbestimmtes Maß verändert wird (wobei die erfasste erste Systemgröße wieder von ihrem Sollwert abweichen kann). Beide Schritte werden abwechselnd wiederholt, bis sowohl die erfasste erste Systemgröße als auch die weitere zweite Systemgröße wieder ihren Sollwert erreicht haben. Im neuen Gleichgewichtszustand ist demnach nur der Brennstoffvolumenstrom verändert, während die Systemgrößen wie Temperatur oder Luftvolumenstrom nur kurzzeitig während der Regelungs- und Anpassungsphase von ihren (vorher für das System festgelegten) Sollwerten abgewichen sind. Auf diese Weise lassen sich Überschwinger des Systems deutlich verringern, so dass die Zeit bis zum Erreichen des neuen Gleichgewichtszustands für die veränderte Brennstoffzusammensetzung kurz ist.
Als zweite Systemgröße kann, abhängig von der Betriebsart des Reformers, auch die Temperatur nach dem Reformer oder dem der Brennstoffzelle nachgeschalteten Brenner, der Luftvolumenstrom, die zugeführte Wassermenge oder die Leistung des mit dem Reformer zur Wärmezufuhr verbundenen Brenners dienen.
Prinzipiell kann das Verfahren so betrieben werden, dass zusätzlich wenigs- tens eine weitere erste Systemgröße und wenigstens eine weitere zweite Systemgröße erfasst bzw. variiert werden. Die Messung bzw. Einstellung erfolgt dann vorzugsweise im Wechsel mit den anderen Systemgrößen.
Nach einem anderen Beispiel für ein erfindungsgemäßes Verfahren wird in einem ersten Schritt als erfasste erste Systemgröße die Wärmetönung des dem Reformer zugeführten Brennstoffs erfasst und in einem weiteren Schritt der Brennstoffvolumenstrom als zweite Systemgröße über einen vorher bestimmten Zusammenhang zwischen der Wärmetönung des Brennstoffes und der Größe des Brennstoffvolumenstroms eingestellt. Dies kann beispielsweise durch eine im System gespeicherte Lookup-Table (Zuordnungstabelle) erfolgen. Auch in diesem Beispiel kann es vorteilhaft sein, nicht direkt den Brennstoffvolumenstrom nachzuregeln, sondern zunächst beispielsweise den Luftvolumenstrom und die Anpassung des Brennstoffvolumenstroms schrittweise vorzunehmen.
Eine andere mögliche Kombination besteht z.B. darin, als erfasste erste Sys- temgrößen die Temperatur nach dem Reformer und die Temperatur nach dem der Brennstoffzelle nachgeschalteten Brenner und als zweite Systemgrößen den Brennstoffvolumenstrom, den Luftvolumenstrom, die Wassermenge und/oder die Leistung des mit dem Reformer zur Wärmezufuhr verbundenen Brenners (gleichbedeutend mit der dem Reformer zugeführten Wärmemenge) zu verwen- den. Eine Anpassung der Wassermenge, der Brennerleistung bzw. des Luftvolumenstroms ist dabei abhängig vom Prinzip der chemischen Reaktion, nach dem der Reformer arbeitet. Eine weitere mögliche Kombination besteht darin, als erfasste erste Systemgrößen die Temperatur nach dem Reformer und die Wasserstoffkonzentration vor der Brennstoffzelle und als zweite Systemgrößen den Brennstoffvolumenstrom, den Luftvolumenstrom, die zugeführte Wassermenge und/oder die Leis- tung eines mit dem Reformer zur Wärmezufuhr verbundenen Brenners zu verwenden.
Eine weitere mögliche Kombination besteht darin, als erfasste erste Systemgrößen die Temperatur nach dem Reformer und die Leistung des mit dem Reformer zur Wärmezufuhr verbundenen Brenners sowie als zweite Systemgrößen den Brennstoffvolumenstrom und die Brennerleistung zu verwenden, insbesondere beim Einsatz eines Reformers, der nach dem Dampfreformierungsverfahren arbeitet. Die Brennerleistung kann dabei über den Zusammenhang zwischen dem Brennstoffvolumenstrom zum Brenner bzw. der Durchflussmenge durch die Brennstoffleitung zum Brenner bestimmt werden. In allen beschriebenen Kombinationen ist es vorteilhaft, die Systemgrößen wie beschrieben abwechselnd anzupassen. Auch alle anderen dem Fachmann geeignet erscheinende Kombinationen von Systemgrößen sind natürlich denkbar, wobei prinzipiell stets der Brennstoffvolumenstrom eine Anpassung erfahren muss. Die Last an der Brennstoffzelle bleibt jeweils während der Einstellung der Parameter auf eine veränderte Brennstoffzusammensetzung konstant.
In allen Verfahren ist es vorteilhaft, jeweils wenigstens eine PID-Regelung für die jeweiligen Systemgrößen vorzusehen, da dies eine schnelle und genaue Regelung ermöglicht.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nach- folgenden Beschreibung mehrerer Ausführungsbeispiele, mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen. In diesen zeigen:
- Figur 1 den Zusammenhang zwischen dem S/C-Verhältnis bzw. der Luftzahl λ und der Gaszusammensetzung;
- Figur 2 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß einer ersten Ausführungsform; - Figur 3 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß einer zweiten Ausführungsform;
- Figur 4 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß einer dritten Ausführungsform;
- Figur 5 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß einer vierten Ausführungsform; - Figur 6 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß einer fünften Ausführungsform;
- Figur 7 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß einer sechsten Aus- führungsform; und
- Figur 8 eine Darstellung des Ergebnisses der Regelung eines erfindungsgemäßen Verfahrens,
Figur 1 zeigt für ein beispielhaftes Brennstoffzellensystem die Abhängigkeit zwischen dem S/C-Verhältnis (Steam-to-Carbon), dargestellt durch die Quadrate, sowie der Luftzahl λ (Oxygen-to-Carbon), dargestellt durch die Rauten, in Abhängigkeit von der Gaszusammensetzung, variierend von 100 % Propan (entsprechend 0 % Butan) bis hin zu 0 % Propan ( 00 % Butan).
Da das S/C-Verhältnis ein Maß für die Wasserstoffausbeute ist (bei ansonsten gleichbleibenden Werten für die restlichen Systemgrößen), kann über die Anpassung dieses Verhältnisses die Wasserstoffkonzentration vor der Brennstoffzelle eingestellt werden. Es ist zu erkennen, dass bei einer Verringerung des Propangehaltes (unter Annahme eines konstanten Brennstoffvolumenstroms und einer konstanten Edukt- bzw. Wärmezuführung in den Reformer) eine Verringerung des S/C-Verhältnisses erfolgt. Die Luftzufuhr ist dabei so geregelt, dass eine hinter dem Reformer gemessene Temperatur konstant bleibt. Aus diesem Grund ergibt sich eine Verringerung der Luftzahl λ bei erhöhtem Butananteil. Das S/C-Verhältnis kann wieder auf seinen für das jeweilige System optimalen Wert gebracht werden, indem der Brennstoffvolumenstrom entsprechend erhöht oder reduziert wird, da natürlich auch über diese Größe die Menge des pro Zeiteinheit zugeführten Kohlenstoffs variiert werden kann. Figur 2 veranschaulicht eine erste Ausführungsform eines Verfahrens zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems 10, mit einer (oder mehreren) Brennstoffzellen 12, in denen auf bekannte Weise ein wasserstoffhaltiges Gas unter Zufuhr von Sauerstoff auf chemischem Weg in elektrische Energie umgesetzt wird. Alle beschriebenen Verfahren werden bei gleichbleibender Last an der Brennstoffzel- le durchgeführt, so dass verbrauchsabhängige Änderungen der Wasserstoffkonzentration in der Brennstoffzelle nicht in die Regelung eingehen.
Das wasserstoffhaltige Gas wird in einem Reformer 14 erzeugt, wobei als Ausgangsstoff ein kohlenwasserstoffhaltiger Brennstoff dient, der aus einem (nicht gezeigten) Vorratstank als Brennstoffvolumenstrom VB dem Reformer 14 über eine Leitung 6 zugeführt wird.
Als Brennstoff wird in den hier beschriebenen Beispielen Flüssiggas verwendet, wie es auch als Campinggas Einsatz findet. Dabei handelt es sich im Wesentlichen (wie oben beschrieben) um eine Mischung aus Propan und n-Butan, wobei die genaue Zusammensetzung verbraucherseitig prinzipiell unbekannt ist und unter anderem mit dem Füllstand des Vorratstanks variiert.
Der Brennstoffzelle 12 ist ein Brenner 18 nachgeschaltet, in dem überschüssiger Wasserstoff verbrannt wird, bevor das Abgas an die Atmosphäre abgegeben wird.
Der Reformer 14 kann nach dem Prinzip der endothermen Dampfreformie- rung, der partiellen Oxidation oder der autothermen Reformierung arbeiten. Entsprechend werden dem Reformer 14 je nach Betriebsverfahren neben dem Brennstoff Luft, Wasser und/oder Wärme zugeführt.
Im Beispiel der Figur 2 ist ein Reformer 14 gezeigt, der über partielle Oxidation arbeitet. Entsprechend ist eine Leitung 20 zur Zufuhr eines Luftvolumenstroms VL zum Reformer 14 vorgesehen. Das erzeugte wasserstoffhaltige Gas wird vom Reformer 14 über eine Leitung 22 zur Brennstoffzelle 12 geleitet. Nach dem Reformer 14 wird eine Temperatur TR des austretenden Gases gemessen. Die Temperatur TR ist dabei ein direktes Maß für die im Reformer 14 herrschende Temperatur. Ebenso wird ein Druck p in der Leitung 16 vor dem Reformer 14 gemessen.
Bei einer Änderung der Brennstoffzusammensetzung ändert sich zunächst aufgrund des veränderten Brennwerts bei gleicher Luftzufuhr die Temperatur TR nach dem Reformer 14. Aufgrund der veränderten Temperatur ändert sich auch der Druck p vor dem Reformer 14 in den Zuleitungen 16. Dieser wird hier als er- fasste erste Systemgröße detektiert.
Der Brennstoffvolumenstrom VB zum Reformer 14 (hier als zweite System- große verwendet) kann nun so angepasst werden, beispielsweise über eine PID- Regelung 24, dass der Druck p wieder seinen (vorher über die Bestimmung der optimalen Systemparameter festgelegten) Sollwert annimmt.
Aufgrund des oben beschriebenen Zusammenhangs ist der Brennstoffvolumenstrom VB (also die per Zeiteinheit zugeführte Brennstoffmenge) wegen des veränderten Brennwerts des Brennstoffs die einzige Größe, die verändert werden muss, um den Wasserstoffgehalt vor der Brennstoffzelle 12 wieder auf den optimalen Wert zu bringen.
Anstelle des Drucks p kann auch die Temperatur TR nach dem Reformer 14 verwendet werden. Es hat sich jedoch gezeigt, dass eine neue Gleichgewichtslage schneller erreicht und Überschwinger deutlich reduziert werden können, wenn nicht nur der Brennstoffvolumenstrom VB, sondern auch zumindest eine weitere Systemgröße verändert wird.
Nach einer detektierten Veränderung des Drucks p (erfasste erste System- große) wird in einer anderen Ausführungsform des Verfahrens daher zunächst der Luftvolumenstrom VL (als zweite Systemgröße) über eine Regelung 26 so angepasst, dass der Druck p wieder seinen vorbestimmten Sollwert annimmt. Diese Anpassung ist sehr schnell. Da aber nach wie vor eine vom Optimum abweichende Brennstoffmenge zugeführt wird, weicht auch der Wasserstoffgehalt vor der Brennstoffzelle 12 noch von seinem Sollwert ab. In einem weiteren Verfahrensschritt wird jetzt der Brennstoffvolumenstrom VB (als weitere zweite Systemgröße) um einen vorbestimmten Wert verändert, unter Beibehaltung des ak- tuellen Luftvolumenstroms VL. Dies hat zur Folge, dass sich die Temperatur im Reformer 14 und damit der Druck p wieder verändert. Nun wird wieder, unter Beibehaltung des aktuellen Brennstoffvolumenstroms VB, der Luftvolumenstrom so angepasst, dass der Druck p erneut seinen Sollwert annimmt. Die beiden Ver- fahrensschritte werden abwechselnd ausgeführt, bis sowohl der Luftvolumenstrom VL als auch der Druck p wieder ihre Sollwerte erreicht haben. Der dann eingestellte Brennstoffvolumenstrom VB hat den optimalen Wert für die aktuelle Brennstoffzusammensetzung.
Die Regelung 26 des Luftvolumenstroms VL erfolgt im gezeigten Fall nicht über den Druck p (was aber auch möglich wäre), sondern über die Temperatur TR nach dem Reformer 14, die im Wesentlichen proportional zum Druck p ist. Die Temperatur TR könnte auch von der Regelung 24 anstelle des Drucks p als Regelgröße verwendet werden.
Der Reformer 14 kann natürlich auch nach dem Prinzip der autothermen Re- formierung arbeiten. Für diesen Fall ist die dann erforderliche Wasserzufuhr Vw durch die gepunktete Linie dargestellt. Die Menge des zugeführten Wassers wird dann während des gesamten Verfahrensablaufs konstant gehalten.
Für den Fall, dass der Reformer 14 mit dem Verfahren der Dampfreformie- rung betrieben wird, kann statt der Temperatur TR auch der Druck p erfasst wer- den und als zweite Systemgröße die Menge des dem Reformer 14 zugeführten Wassers oder die Leistung des mit dem Reformer 14 zur Wärmezufuhr verbundenen Brenners verwendet werden.
Figur 3 zeigt schematisch den Ablauf eines Verfahrens gemäß einer zweiten Ausführungsform anhand des dort dargestellten Brennstoffzellensystems 10. In diesem Beispiel wird wieder in einem ersten Verfahrensschritt der Luftvo- lumenstrom VL (zweite Systemgröße) so angepasst, dass die Temperatur TR nach dem Reformer 14 (erfasste erste Systemgröße) wieder ihren Sollwert annimmt. Ein Durchflussmesser F erfasst den Luftvolumenstrom VL, und über eine Regelung 30 wird eine Änderung des Brennstoffvolumenstroms VB (weitere zwei- te Systemgröße) festgelegt, beispielsweise kann ein neuer Idealwert berechnet werden, oder eine ideale Schrittweite der Veränderung bestimmt werden. Die Anpassung des Luftvolumenstroms VL und des Brennstoffvolumenstroms VB werden abwechselnd ausgeführt, bis die Temperatur TR und der Luftvolumen- strom VL wieder ihre Sollwerte angenommen haben.
In Figur 4 ist ein weiteres Verfahren gemäß einer dritten Ausführungsform dargestellt. Auch in diesem Fall werden Luftvolumenstrom VL und Brennstoffvolumenstrom VB im Wechsel verändert. Als erfasste erste Systemgrößen dienen dabei für den Luftvolumenstrom VL die Temperatur TR nach dem Reformer 14 und für den Brennstoffvolumenstrom VB eine Temperatur TB nach dem der Brennstoffzelle 12 nachgeschalteten Brenner 18. In einem ersten Verfahrensschritt wird der Luftvolumenstrom VL über die Regelung 26 so angepasst, dass die Temperatur TR wieder ihren Sollwert annimmt. In einem weiteren Schritt wird dann der Brennstoffvolumenstrom VB um einen festgelegten Wert verändert, mittels einer Regelung 40, die die Temperatur TB erfasst, die im Zusammenhang mit dem im Abgas der Brennstoffzelle 12 enthal- tenen Wasserstoff und darüber mit der Wasserstoffkonzentration cH vor der Brennstoffzelle 12 steht.
Die Regelung 40 kann auch die jeweiligen Werte für die Temperatur TR erhalten und auswerten, um z.B. die Schrittweite der Veränderung des Brennstoffvolumenstroms VB im nächsten Verfahrensschritt festzulegen. Diese Schritte werden im Wechsel ausgeführt, bis sowohl die Temperatur TR als auch die Temperatur TB wieder ihren Sollwert angenommen haben. In diesem Fall kann auf eine Bestimmung des tatsächlichen Werts des Luftvolumenstroms VL verzichtet werden. Dieser kann aber zusätzlich auch erfasst und auf seinen Sollwert überprüft werden. Figur 5 zeigt ein Verfahren gemäß einer vierten Ausführungsform.
Wieder wird in einem ersten Verfahrensschritt die Temperatur TR als erste Systemgröße erfasst und der Luftvolumenstrom VL als zweite Systemgröße so angepasst, dass die Temperatur TR wieder ihren Sollwert erreicht.
Die Wasserstoffkonzentration cH vor der Brennstoffzelle 12 wird als weitere erste Systemgröße von einem Sensor 50 erfasst und von einer Regelung 52 als Grundlage für die Veränderung des Brennstoffvolumenstroms VB als weitere zweite Systemgröße verwendet.
Beide Schritte werden im Wechsel ausgeführt, bis die Wasserstoffkonzentration cH und der Luftvolumenstrom VL wieder ihre Sollwerte angenommen haben. Die Regelung 52 kann auch die jeweiligen Werte für die Temperatur TR erhalten und auswerten, um die Veränderung des Brennstoffvolumenstroms VB im nächsten Verfahrensschritt festzulegen.
In Figur 6 ist ein Verfahren gemäß einer fünften Ausführungsform dargestellt.
Wieder wird als erste Systemgröße die Temperatur TR erfasst und in einem ersten Verfahrensschritt der Luftvolumenstrom VL angepasst.
In einem zweiten Verfahrensschritt wird über einen Wärmetönurigssensor WTS als weitere erste Systemgröße der Brennwert des dem Reformer 14 zugeführten Brennstoffs erfasst. Der Brennwert ist, beispielsweise bei einem Flüssiggas mit den bekannten Komponenten Propan und Butan, auf eindeutige Weise abhängig von der Gaszusammensetzung. Es ist eine Regelung 60 vorgesehen, die einen (nicht dargestellten) Speicher aufweist, in dem dieser Zusammenhang abgelegt ist, beispielsweise in Form einer Lookup-Table (Zuordnungstabelle). Bei einer detektierten Änderung des Brennwerts stellt die Regelung 60 den Brennstoffvolumenstrom VB entsprechend des abgelegten Wertes ein. Beide Verfahrensschritte erfolgen im Wechsel, bis die Temperatur TR und der Luftvolumenstrom VL wieder ihre Sollwerte erreicht haben.
Figur 7 zeigt ein Verfahren gemäß einer sechsten Ausführungsform. In diesem Fall arbeitet der Reformer 14 nach dem Prinzip der Dampfreformierung. Daher wird zusätzlich zum Brennstoff über eine Leitung 20' Wasser zugeführt, wäh- rend eine Luftzufuhr nicht vorgesehen ist. Die Wasserzufuhr Vw wird während des Verfahrens konstant auf einem voreingestellten Wert gehalten. Außerdem wird dem Reformer 14 über einen Brenner 70 Wärme zugeführt. Der Brenner 70 wird mit demselben Brennstoff gespeist, der auch im Reformer 14 umgesetzt wird. Der aktuell zugeführte Brennstoffstrom wird mittels eines Flussmessers F erfasst und einer Regelung 74 übergeben. In einem ersten Verfahrensschritt wird hier die Leistung des Brenners 70 über eine Regelung 76, die den Brenn st off ström zum Brenner 70 regelt, so angepasst, dass die Temperatur TR nach dem Reformer 14 wieder ihren Sollwert annimmt.
In einem weiteren Verfahrensschritt wird dann der Brennstoffvolumenstrom VB um einen vorher festgelegten Betrag verändert. Die sich daraus ergebende Abweichung der Temperatur TR von ihrem Sollwert wird wiederum durch Anpassung der Leistung des Brenners 70 ausgeglichen.
Die Verfahrensschritte werden im Wechsel ausgeführt, bis sowohl die Temperatur TR als auch die Leistung des Brenners 70 wieder ihren Sollwert erreicht ha- ben.
Für alle Regelungen werden bei den hier gezeigten Beispielen PID-Regler eingesetzt, aber andere geeignete Regelungen können natürlich auch verwendet werden.
Bei allen beschriebenen Ausführungsformen gilt, dass die Verfahren entspre- chend angepasst werden können, wenn der Reformer 14 auf einem anderen als dem für die jeweilige Ausführungsform beschriebenen Prinzip arbeitet. Dies gilt insbesondere für eine Zufuhr von Wasser bzw. die Einstellung einer Brennerleistung eines Brenners, der den Reformer 14 beheizt, beispielsweise, indem anstelle des Luftvolumenstroms VL die dem Reformer 14 zugeführte Wassermenge Vw oder die Brennerleistung geregelt wird, um die Temperatur TR einzustellen.
Ebenso sind weitere, hier nicht beschriebene Systemgrößen und Kombinationen von Systemgrößen einsetzbar. Sämtliche Merkmale der einzelnen Verfahren können im Rahmen des Ermessens des Fachmanns miteinander kombiniert oder gegeneinander ausgetauscht werden. Auch wenn es hier nicht gezeigt ist, können selbstverständlich Wasserstoff- Shiftstufen nach dem Reformer 14 vorgesehen sein, um die Wasserstoffausbeute zu erhöhen und den CO-Anteil zu verringern.
Figur 8 stellt beispielhaft das Ergebnis einer Regelung gemäß eines erfindungsgemäßen Verfahrens dar. Es zeigt sich, dass das S/C-Verhältnis über den gesamten Bereich (reines Propan bis reines Butan) konstant gehalten werden kann. In diesem Fall wurde (bei der Verwendung eines autothermen Reformers 1 ) die Wassermenge Vw konstant gehalten und jeweils die Luftzufuhr geregelt. Die Temperatur TR nach dem Reformer 14 wurde dabei auf einem konstanten Sollwert gehalten. Luftvolumenstrom VL und Brennstoffvolumenstrom VB wurden durch die Regelung automatisch variiert. Dabei zeigt sich, dass im Wesentlichen bei Verringerung des Propananteils ein geringerer Brennstoffvolumenstrom VB eingestellt wird.
Insbesondere zeigt sich, dass das S/C-Verhältnis konstant gehalten werden kann. Die weiteren kritischen Größen für Brennstoffzellsysteme wie die CO- und CH4-Konzentrationen können ebenfalls unterhalb der kritischen Grenze von 1 % gehalten werden. Damit eignet sich dieses Verfahren auch sehr gut für Hochtem- peraturbrennstoffzellensysteme.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems mit wenigstens einer Brennstoffzelle (12) und einem Reformer (14) zur Erzeugung von wasser- stoffhaltigem Gas,
bei dem dem Reformer (14) ein Brennstoff mit einer variablen Zusammensetzung zugeführt wird und
der Wert wenigstens einer ersten Systemgröße erfasst wird,
wobei bei einer Änderung der Brennstoffzusammensetzung und der damit verbundenen Abweichung der erfassten ersten Systemgröße von einem vorbe- stimmten Sollwert die erfasste erste Systemgröße durch Variation wenigstens einer zweiten Systemgröße wieder auf den vorbestimmten Sollwert gebracht wird,
sodass die Wasserstoffkonzentration (cH) vor der Brennstoffzelle (12) im Wesentlichen auf einem vorbestimmten Sollwert bleibt.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die erfasste erste Systemgröße
ein Druck (p) vor dem Reformer (14), eine Temperatur (TR) nach dem Reformer (14), ein dem Reformer (14) zugeführter Luftvolumenstrom (VL), eine Temperatur (TB) nach einem der Brennstoffzelle (12) nachgeschalteten Brenner (18), ein Wasserstoffgehalt (cH) des der Brennstoffzelle (12) zugeführten Gases, eine Leistung eines mit dem Reformer (14) zur Wärmezufuhr verbundenen Brenners (70), oder eine Wärmetönung (WT) des dem Reformer (14) zugeführten Gases ist.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Systemgröße
ein dem Reformer (14) zugeführter Brennstoffvolumenstrom (VB), ein dem Reformer (14) zugeführter Luftvolumenstrom (VL),
eine dem Reformer (14) zugeführte Wassermenge (Vw) oder
eine Leistung eines mit dem Reformer (14) zur Wärmezufuhr verbundenen Brenners (70) ist.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass als erfasste erste Systemgröße der Druck (p) vor dem Reformer (14) oder die Temperatur (TR) nach dem Reformer (14) und als zweite Systemgröße der Brennstoffvolumenstrom (VB) verwendet wird.
5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass in einem ers- ten Schritt eine andere zweite Systemgröße als der Brennstoffvolumenstrom so variiert wird, dass die erfasste erste Systemgröße wieder ihren Sollwert annimmt, wobei diese zweite Systemgröße von ihrem Sollwert abweichen kann,
in einem zweiten Schritt der Brennstoffvolumenstrom (VB) um ein vorbestimmtes Maß verändert wird, wobei die erfasste erste Systemgröße wieder von ihrem Sollwert abweichen kann, und
beide Schritte abwechselnd wiederholt werden, bis die erfasste erste Systemgröße und die zweite Systemgröße wieder ihre jeweiligen Sollwerte erreicht haben.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Systemgröße der Luftvolumenstroms (VL), die zugeführte Wassermenge (Vw) oder die Leistung des mit dem Reformer (14) zur Wärmezufuhr verbundenen Brenners (70) ist.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass in einem ersten Schritt als erfasste erste Systemgröße die Wärmetönung (WT) des dem Reformer (14) zugeführten Brennstoffes erfasst wird und
in einem weiteren Schritt der Brennstoffvolumenstrom (VB) als zweite Systemgröße über einen vorher bestimmten Zusammenhang zwischen der Wärmetönung des Brenngases und der Größe des Brennstoffvolumenstroms (VB) eingestellt wird.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich wenigstens eine weitere erfasste erste Systemgröße und/oder wenigstens eine weitere zweite Systemgröße im Wechsel eingestellt werden.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine PID-Regelung zur Einstellung der jeweiligen Sys- temgrößen verwendet wird.
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