WO2021155417A1 - Schutz-reformervorrichtung zum schutz eines anodenabschnitts eines brennstoffzellenstapels - Google Patents

Schutz-reformervorrichtung zum schutz eines anodenabschnitts eines brennstoffzellenstapels Download PDF

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Definitions

  • the present invention relates to a protective reformer device for protecting an anode section of a fuel cell stack, a fuel cell system with such a protective reformer device and a method for protecting an anode section of a fuel cell stack.
  • the anode sections must be protected in certain operating situations. This is particularly true when the fuel cell stack is heated up. From a critical limit temperature of, for example, about 400 ° Celsius in the anode section, undesired oxidation could damage or even delaminate catalytic layers in the anode section. In order to avoid this undesirable oxidizing damage, it is known to flush the anode section with a protective gas from an external gas supply during the heating process. It is also known to apply an electrical voltage to the anode section during the Auffilvor transition in order to protect the anode section from oxidation in an electrical manner.
  • the above object is achieved by a protective reformer device with the features of claim 1, a fuel cell system with the features of claim 10 and a method with the features of claim 13. Further features and details of the invention emerge from the subclaims, the description and the Drawings.
  • a protective reformer device is designed to protect an anode section of a fuel cell stack from oxidative damage during a heating process.
  • the protective reformer device has a gas channel with a gas inlet and a gas outlet for guiding fuel gas from an anode feed section of the fuel cell stack.
  • a catalytic converter section is arranged in the gas channel for catalytic oxidation of at least part of the fuel gas into a protective gas for supply to the anode section.
  • the gas duct is also equipped with a temperature control device which is in heat transferring contact with the catalyst section for active temperature control of the catalyst section.
  • a protective reformer device can also be characterized as an additional reformer device or microreformer device for the purposes of the present invention.
  • Such a protective reformer device is therefore essentially only used to generate the protective gas and not to process the fuel gas for normal operational use of the fuel gas behind the fuel cell stack.
  • the protective gas can now be produced directly within the fuel cell system during the heating process. A separate connection to a protective gas source is no longer necessary for this. The functionality of this protective gas production is explained in more detail below.
  • the fuel cell stack and in particular the anode section will reach a critical temperature of, for example, approximately 400 ° Celsius at a certain heating time.
  • a critical temperature for example, approximately 400 ° Celsius at a certain heating time.
  • the protective reformer device For this purpose, it must be converted into a reforming state, i.e. into a state in which the catalytic oxidation can be carried out.
  • catalyst sections for the oxidation of fuel gas or fuel gas are designed with operating temperatures between approximately 200 ° Celsius and approximately 600 ° Celsius.
  • the fuel gas introduced is now at least partially catalytically oxidized by the catalyst section brought to operating temperature by means of the temperature control device, so that a protective gas is generated from the fuel gas.
  • a protective gas has, according to the invention, in particular the constituents hydrogen and carbon monoxide.
  • the protective gas produced in this way is now fed through the anode feed section from the gas outlet to the anode section, so that a reducing protective gas atmosphere is generated there at the latest when the critical temperature of approx. 400 ° Celsius is reached.
  • a separate gas supply with protective gas is no longer necessary, since the protective gas can rather be generated integrally by the protective reformer device within the fuel cell system. It is often necessary to apply a voltage to protect the fuel cell stack. This puts additional strain on the entire fuel cell system. This disadvantage is overcome or at least reduced by using protective gas.
  • a protection facility is given to protect the anode section of the fuel cell stack from oxidative damage during the heating process.
  • the protective reformer device is located directly in the anode feed section or in a bypass of the anode feed section. It is also easy to see here that the protective reformer device is an additional reformer in addition to the normal conditioning reformer for the fuel gas.
  • the protective reformer device and in particular also the catalyst section can be made significantly smaller, since the protective gas does not have to flow continuously through the anode section for the protective effect, but has to fill it essentially only once in order to form the reducing atmosphere with the protective effect. It is thus sufficient if the fuel gas sweeps over the catalyst section once during the heating process at low flow rates and low volume throughput and in this way the protective and reducing atmosphere is created in the anode section.
  • the catalyst section has no or essentially no effect at high volume flows and a correspondingly lower residence time of the fuel gas on the catalyst section.
  • the protective reformer device has no or essentially no effect, so that it can be made correspondingly small and compact with regard to the exclusive protection functionality.
  • catalytic oxidation reactions can be carried out during the reaction at the catalyst section.
  • steam reforming SR
  • Partial catalytic oxidation CPOX
  • a complete or essentially complete oxidizing conversion of fuel gas into the protective gas is also possible in principle.
  • the temperature control device is designed as a heating device, as a cooling device or as a combined heating and cooling device.
  • a heating function is advantageously integrated into the temperature control device. This is particularly advantageous during a heating process if it is to be ensured that the catalyst section is already in its operating window to reach a critical anode temperature and can thus produce the protective gas or the protective gas has already been produced.
  • a cooling functionality may also be necessary or advantageous during the further heating process in order to avoid damage to the catalyst section during the heating phase.
  • the temperature control device is designed for maximum flexibility in the use of the protective reformer device both as a heating device and as a cooling device.
  • the heat source or the cold source can be freely selected depending on the area of application and, in particular, can be connected to the existing heat sources or the existing cold sources in the fuel cell system.
  • the temperature control device is at least partially designed as an independent temperature control device independent of the fluid flows of the fuel cell stack.
  • a separate heating medium circuit or a separate cooling circuit can equip this temperature control device with cold or heat.
  • An electrically operated heater as a temperature control device is also fundamentally conceivable here.
  • separate temperature control devices can also be combined with heat exchangers, as will be explained below.
  • a separately designed temperature control device brings increased flexibility in the Control of the temperature control device with it, so that the temperature control can be carried out in particular without influence and without dependence on the rest of the fuel cell system.
  • the temperature control device is at least partially designed as a heat exchanger, the gas channel forming a first heat exchanger side of the heat exchanger.
  • a heat exchanger design makes it possible to provide temperature control in a separate manner, as explained in the preceding paragraph, but also in combination with fluid flows of the fuel cell system, as will be explained below.
  • the first heat exchanger side can be designed as a cold heat exchanger side if the temperature control device is configured for heating. If a cooling situation is desired, the first heat exchanger side can also be defined as the hot heat exchanger side, the second opposite heat exchanger side correspondingly providing the cooling function as the cold side.
  • the second heat exchanger side is particularly, as will be explained in more detail below, combined with fluid flows in the fuel cell system. Switching between the cooling function and the meat function is also fundamentally possible within the scope of the present invention, for example by switching the corresponding valves in the supply to the second heat exchanger side of the heat exchanger.
  • the second heat exchanger side of the heat exchanger is at least partially formed by a cathode feed section of the fuel cell stack.
  • a cathode feed section is, in particular, the feed of air or oxygen in order to make the corresponding starting materials available on the cathode section.
  • outside air or supplied oxygen can form this cold source here.
  • the second heat exchanger side of the heat exchanger is at least partially covered by a cathode discharge section of the fuel cell stack. pels is formed.
  • the exhaust gas from the cathode side is fed back to the second heat exchanger side via the cathode discharge section.
  • Heating and thus a heat source on the second heat exchanger side can also be ensured.
  • He warmed exhaust gas from the cathode section can now transfer his heat via the heat exchanger to the first heat exchanger side and there to the fuel gas or the cathode section. This can be implemented directly after the cathode section, but also, for example, after an upstream normal heat exchanger of the normal operating reformer.
  • the second heat exchanger side of the heat exchanger is at least partially formed by an anode discharge section of the fuel cell stack.
  • the anode exhaust gas can now also be introduced into the second heat exchanger side via the anode discharge section and the corresponding residual heat used to heat up the catalyst section.
  • Upstream aftertreatment of the anode exhaust gas for example an oxidation catalytic converter or other heat exchangers for processing the heat, is also conceivable here.
  • valve devices can of course be used to feed the individual fluid flows of the fuel cell stack to the second heat exchanger side of the heat exchanger depending on the desired heat or cooling requirement.
  • At least one valve device is upstream of the second heat exchanger side of the heat exchanger for a variation of the fluid supplied to the second heat exchanger side.
  • a multi-turn valve is located upstream of the second heat exchanger side and that both an anode discharge section and the cathode discharge section as well as the cathode feed section are fed to this valve device.
  • a purely qualitative valve of the valve device can now be used to switch between these gas flows and the temperature of the protective reformer device and thus the catalyst section can be controlled or regulated on the basis of the heat or cold of the respective gas flow.
  • a quantitative ves switching take place in order to vary the mixing ratios of the supplied fluids and in this way to ensure mixing temperatures on the second heat exchanger side for an even more detailed and more precise control of the temperature of the catalytic converter section.
  • a Ventilvor direction is thus equipped with appropriate temperature sensors for the supplied and the mixed fluids and with flow measuring elements.
  • the gas duct and / or the catalytic converter section are produced at least in sections in a build-up process.
  • This is, for example, a so-called 3D printing process that uses metal materials in particular.
  • the use of several components in the printing process makes it possible to print the catalytic converter section together with the gas duct and thus to produce it in a build-up process.
  • This allows the protective reformer device to be made available even with very small dimensions through the use of the metallic Ma materials. In other words, it is possible in this way to make the protective reformer device even smaller, more compact and inexpensive.
  • the present invention also relates to a fuel cell system comprising: at least one fuel cell stack with an anode section and a cathode section, an anode feed section for feeding reformed anode feed gas from a reformer to the anode section, a cathode feed section for feeding cathode feed gas to the cathode section, a reformer for reforming of reformer feed gas, a reformer feed section for feeding the reformer feed gas to the reformer, an anode discharge section for discharging anode exhaust gas, a cathode discharge section for discharging cathode exhaust gas.
  • a protective reformer device is arranged in the anode feed section between the reformer and the anode section.
  • a fuel cell system according to the invention thus has the same advantages as has been explained in detail with reference to a protective reformer device according to the invention.
  • the protective reformer device can be introduced into the Anodenzumaterab section both in a direct manner and in an indirect manner, as will be explained in more detail later.
  • the anode feed section has a main anode feed section and a bypass anode feed section.
  • the protective reformer device is arranged in the bypass anode feed section.
  • the protective reformer device can also be switched off by being decoupled from the main anode feed section in a fluid-tight manner. It is thus possible for the protective reformer device to be activated by the corresponding valve circuit only during the heating operation. In normal operation, no fuel gas flows through the bypass anode feed section and thus also not through the protective reformer device.
  • a starting burner device is arranged in the cathode feed section, in the cathode discharge section and / or in the anode discharge section. This makes it possible to support the heating phase and to actively heat up the respective fluid flow.
  • a starting burner device can at least partially provide the desired heat source both electrically and in a correspondingly exothermic conversion of the gas carried therein.
  • a heat supply can be switched on and off in this way.
  • the present invention also relates to a method for protecting an anode section of a fuel cell stack of a fuel cell system according to the invention, comprising the following steps:
  • Reformer device Cooling and / or heating of the protective reformer device based on the monitored temperature by means of the temperature control device.
  • a method according to the invention brings with it the same advantages as have been explained in detail with reference to a fuel cell system according to the invention and with reference to a protective reformer device according to the invention.
  • the point in time from which the protective gas atmosphere is to be made available in the anode section can be flexibly selected in this way. As has already been explained, this can be useful even before a critical temperature is reached in the anode section, so that targeted temperature management on the protective reformer device makes the protective gas atmosphere available in the desired manner.
  • This targeted controllability makes it possible to design the protective reformer device to be significantly smaller than is the case with a normal operational reformer device.
  • the step of cooling and / or heating is carried out on the basis of a predetermined operating corri dors of the protective reformer device.
  • This operating corridor is a temperature corridor for the protective reformer device and is, for example, between approximately 200 ° Celsius and approximately 600 ° Celsius. In this way, the reformer functionality is ensured at the catalyst section and at the same time damage to the reformer and / or the fuel cell stack due to excessively high temperatures is avoided.
  • the step of cooling and / or heating is carried out on the basis of a minimum anode temperature and / or a maximum temperature difference to a cathode temperature of the cathode section of the fuel cell stack.
  • a minimum anode temperature and / or a maximum temperature difference to a cathode temperature of the cathode section of the fuel cell stack can be done as an alternative or in addition to the control functionality in the preceding paragraph.
  • other temperatures or sensor parameters can also be used in order to carry out a method according to the invention with greater flexibility and greater control accuracy.
  • FIG. 1 shows an embodiment of a protective reformer device according to the invention
  • FIG. 2 shows a further embodiment of a protective reformer device according to the invention
  • Fig. 3 shows an embodiment of a fuel cell system according to the invention
  • Fig. 5 shows a further embodiment of a fuel cell system according to the invention
  • FIG. 6 shows a further embodiment of a fuel cell system according to the invention
  • FIG. 7 shows a further embodiment of a fuel cell system according to the invention.
  • FIG. 1 an embodiment of a protective reformer device 10 according to the invention is shown schematically.
  • This is designed with a gas channel 20 through which fuel gas is supplied via a gas inlet 22 and the fuel gas or the protective gas generated can be discharged again via the gas outlet 24.
  • fuel gas is now supplied to the gas channel 20 via the gas inlet 22.
  • the temperature of the catalyst section 30 can be adjusted via the temperature control device 40. In particular, this takes place by heating and / or cooling the catalyst section 30.
  • this is a separate temperature control device 40 which, for example, has a separate coolant or also an electrical fleece or a separate heating means.
  • the defined temperature control thermally switches on the catalytic converter section 30 and at the same time protects it from undesired damage, so that an activated catalytic converter section 30 controls the fuel gas flowing through the gas channel 20 can convert in a catalytic oxidizing manner into a protective gas.
  • the protective gas produced is now fed to the anode section 112 via the gas outlet 24, so that a reducing atmosphere can be established there to protect the anode section 112.
  • FIG. 2 is based on a similar core idea for the production of protective gas in the gas duct 20.
  • the temperature control device 40 of the protective reformer device 10 is designed as a heat exchanger 50.
  • the gas channel 20 therefore forms the first heat exchanger side 52 with the gas inlet 22 and gas outlet 24.
  • a second heat exchanger side 54 is equipped with heat-transferring contact via a wall, in particular directly with the catalytic converter section 30, so that fluid which flows through the second heat exchanger side 54 can provide a heat transfer to the catalytic converter section 30.
  • the catalyst section 30 is cooled, and when the fluid is hot, the catalyst section 30 is correspondingly heated.
  • the embodiment of FIG. 2 can be integrated identically into the heating process, as has been explained with reference to FIG.
  • FIG. 3 schematically shows the simplest embodiment of a fuel cell system 100 according to the invention.
  • the fuel cell stack 110 is shown with an anode section 112 and a cathode section 114.
  • a reformer feed section 132 fuel gas can be fed to a reformer 130, in which, during normal operation, the fuel gas for use in the fuel cell stack 110 and there in the anode section 112 is used or converted.
  • the protective reformer device 10 according to the invention is now arranged between the reformer 130 and the anode section 112.
  • FIG. 4 shows a further development in which the anode feed section 120 is divided into a main anode feed section 120a and a bypass anode feed section 120b.
  • the protective reformer device 10 can be integrated into the inflow to the anode section 112 during the heating process and can be switched off in the normal operating state. In other words, an increased controllability of the flow through the protective reformer device 10 is possible.
  • the temperature control device 40 is designed as a heat exchanger 50, so that heating or cooling and thus temperature control by fluid flows within the fuel cell system 100 is possible.
  • supply air is introduced as cathode supply gas directly into heat exchanger 50 via second heat exchanger side 54 and then supplied to cathode segment 114 via cathode supply segment 140. If cold air is sucked in, a cooling function can be made available in this way.
  • heat exchangers or start burners can of course also be used to heat up the supply air drawn in from the outside and thus the cathode supply gas before it reaches the second heat exchanger side 54, so that a heating function can also be made available here as an alternative.
  • cathode exhaust gas is now used, which is discharged from cathode section 114 via cathode discharge section 142.
  • this cathode exhaust gas first flows through the normal reformer 130 on its other heat exchanger side and then the second heat exchanger side 54 of the protective reformer device 10.
  • FIG. 7 an expanded embodiment is shown which, in particular, allows the temperature control device 40 to be switched as a heat exchanger 50.
  • cathode exhaust gas from the cathode discharge section 142 and anode exhaust gas from the anode discharge section 122 are brought together in a valve device 60. This can involve both qualitative and quantitative switching.
  • FIG. 7 it can be seen from FIG. 7 that an Various points of starting burner devices 150 are provided in order to take additional influence on the temperature and the heating process of the fuel cell stack 110.
  • protective reformer device 20 gas duct 22 gas inlet 24 gas outlet 30 catalyst section 40 temperature control device 50 heat exchanger 52 first heat exchanger side 54 second heat exchanger side 60 valve device
  • anode section 114 cathode section 120 anode supply section 120a main anode supply section 120b bypass anode supply section 122 anode removal section 130 reformer 132 reformer supply section 140 cathode supply section 142 cathode removal section 150 starting burner device

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schutz-Reformervorrichtung (10) zum Schutz eines Anodenabschnitts (112) eines Brennstoffzellenstapels (110) vor oxidierender Beschädigung während eines Aufheizvorgangs, aufweisend einen Gaskanal (20) mit einem Gaseingang (22) und einem Gasausgang (24) zum Führen von Brenngas aus einem Anodenzuführabschnitt (120) des Brennstoffzellenstapels (110), wobei im Gaskanal (20) ein Katalysatorabschnitt (30) angeordnet ist für eine katalytische Oxidation zumindest eines Teils des Brenngases in ein Schutzgas zur Zuführung zum Anodenabschnitt (112), wobei weiter der Gaskanal (20) eine Temperiervorrichtung (40) aufweist in wärmeübertragendem Kontakt mit dem Katalysatorabschnitt (30) für eine aktive Temperierung des Katalysatorabschnitts (30).

Description

Schutz-Reformervorrichtung zum Schutz eines Anodenabschnitts eines
Brennstoffzellenstapels
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schutz-Reformervorrichtung zum Schutz eines Anodenabschnitts eines Brennstoffzellenstapels, ein Brennstoffzellensystem mit ei ner solchen Schutz-Reformervorrichtung sowie ein Verfahren zum Schutz eines Anodenabschnitts eines Brennstoffzellenstapels.
Es ist bekannt, dass bei Brennstoffzellen die Anodenabschnitte in bestimmten Be triebssituationen geschützt werden müssen. Dies gilt insbesondere beim Aufheizvor gang des Brennstoffzellenstapels. So kann es ab einer kritischen Grenztemperatur von zum Beispiel circa 400° Celsius im Anodenabschnitt dazu kommen, dass eine unerwünschte Oxidation zur Beschädigung oder sogar zur Delamination von katalyti schen Schichten im Anodenabschnitt führen könnte. Um diese unerwünschten oxi dierenden Beschädigungen zu vermeiden, ist es bekannt, mit einem Schutzgas aus einer externen Gasversorgung den Anodenabschnitt während des Aufheizvorgangs zu spülen. Auch ist es bekannt, an dem Anodenabschnitt während des Aufheizvor gangs eine elektrische Spannung anzulegen, um in elektrischer Weise den Anoden abschnitt vor Oxidation zu bewahren.
Nachteilhaft bei den bekannten Lösungen ist es, dass diese mit einer hohen Komple xität einhergehen. So ist das Vorsehen einer separaten Schutzgasversorgung für den Aufheizvorgang mit zusätzlichen Bauteilen und zusätzlichen Fluidleitungen versehen. Insbesondere bei einer mobilen Anwendung des Brennstoffzellenstapels führt dies neben dem Bauraum auch hinsichtlich erhöhtem Gewicht zu deutlichen Nachteilen. Wird ein elektrischer Schutz der Anode gewünscht, so führt dies dazu, dass die zu sätzliche elektrische Belastung in einem Zeitpunkt während des Aufheizvorgangs angelegt werden muss, zu welchem bereits weitere elektrische Lasten am System anliegen. Somit ist die elektrische Belastung durch diese Schutzfunktion zusätzlich erhöht.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die voranstehend beschriebenen Nach teile zumindest teilweise zu beheben. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, in kostengünstiger und einfacher Weise den Schutz eines Anodenab schnitts eines Brennstoffzellenstapels vor oxidierender Beschädigung während eines Aufheizvorgangs zu gewährleisten. Die voranstehende Aufgabe wird gelöst durch eine Schutzreformervorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1, ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Anspruchs 10 sowie ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 13. Weite re Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zu sammenhang mit der erfindungsgemäßen Schutz-Reformervorrichtung beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem sowie dem erfindungsgemäßen Verfahren und jeweils umge kehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird beziehungsweise werden kann.
Erfindungsgemäß ist eine Schutz-Reformervorrichtung zum Schutz eines Anodenab schnitts eines Brennstoffzellenstapels vor oxidierender Beschädigung während eines Aufheizvorgangs ausgebildet. Hierfür weist die Schutz-Reformervorrichtung einen Gaskanal mit einem Gaseingang und einem Gasausgang zum Führen von Brenngas aus einem Anodenzuführabschnitt des Brennstoffzellenstapels auf. Im Gaskanal ist dabei ein Katalysatorabschnitt angeordnet für eine katalytische Oxidation zumindest eines Teils des Brenngases in ein Schutzgas zur Zuführung zum Anodenabschnitt. Weiter ist der Gaskanal mit einer Temperiervorrichtung ausgestattet, welche in wär meübertragendem Kontakt mit dem Katalysatorabschnitt steht für eine aktive Tempe rierung des Katalysatorabschnitts.
Eine erfindungsgemäße Schutz-Reformervorrichtung kann im Sinne der vorliegenden Erfindung auch als Zusatzreformervorrichtung oder Mikroreformervorrichtung be zeichnet werden. Eine solche Schutz-Reformervorrichtung dient also im Wesentli chen ausschließlich der Erzeugung des Schutzgases und nicht der Aufbereitung des Brenngases für die normale Betriebsnutzung des Brenngases hinter dem Brennstoff zellenstapel. Erfindungsgemäß kann während des Aufheizvorgangs nun innerhalb des Brennstoffzellensystems das Schutzgas direkt produziert werden. Hierfür ist kein separater Anschluss an eine Schutzgasquelle mehr notwendig. Nachfolgend wird die Funktionalität dieser Schutzgasproduktion näher erläutert.
Während des Aufheizvorgangs des Brennstoffzellenstapels wird der Brennstoffzel lenstapel und insbesondere der Anodenabschnitt zu einem gewissen Aufheizzeit punkt eine kritische Temperatur von zum Beispiel circa 400° Celsius erreichen. So bald dies geschehen ist besteht das Risiko einer oxidativen Beschädigung des Ano- denabschnitts. Um dies zu vermeiden, muss spätestens zu diesem Zeitpunkt eine reduzierende Atmosphäre im Anodenabschnitt geschaffen werden. Dies wird erfin dungsgemäß nun durch die Schutz-Reformervorrichtung ermöglicht. Hierfür muss diese in einen reformierenden Zustand, also in einen Zustand, in welchem die kataly tische Oxidation durchgeführt werden kann, überführt werden. Üblicherweise sind Katalysatorabschnitte für die Oxidation von Brennstoffgas beziehungsweise Brenn gas mit Betriebstemperaturen zwischen circa 200° Celsius und circa 600° Celsius ausgestaltet. In diesem Betriebskorridor ist es möglich mit dem Katalysator Brenngas in ein Schutzgas zu überführen. Dabei kann diese Überführung sowohl stöchiomet risch, also auch unstöchiometrisch erfolgen. Um nun erfindungsgemäß sicherzustel len, dass während des Aufheizvorgangs beim Erreichen der kritischen Temperatur im Anodenabschnitt dieser mit einem entsprechenden Schutzgas beaufschlagt wird, kann in aktiver Weise die Produktion von Schutzgas innerhalb des Brennstoffzellen systems erfolgen.
Während des Aufheizvorgangs wird also zu einem Zeitpunkt, insbesondere vor dem Erreichen der kritischen Temperatur am Anodenabschnitt, sichergestellt, dass am Katalysatorabschnitt eine ausreichende Betriebstemperatur für die katalytische Oxi dation des Brenngases in ein Schutzgas vorhanden ist. Mit Hilfe der Temperiervor richtung kann dabei sowohl ein Aufheizen, als auch ein Abkühlen stattfinden, um den Katalysatorabschnitt in dem gewünschten Betriebskorridor zu halten. Während des Aufheizvorgangs wird jedoch insbesondere in einem ersten Schritt ein Aufheizen be nötigt, um den Katalysatorabschnitt rechtzeitig auf eine Betriebstemperatur von zum Beispiel circa 200° Celsius zu bringen. Brenngas, welches innerhalb des Brennstoff zellenstapels aus einer entsprechenden Brenngasquelle grundsätzlich zur Verfügung steht, kann nun in den Gaskanal über den Gaseingang eingebracht werden, da die ser insbesondere Teil des Anodenzuführabschnitts ist. Das eingebrachte Brenngas wird nun durch den mittels der Temperiervorrichtung auf Betriebstemperatur ge brachten Katalysatorabschnitt zumindest teilweise katalytisch oxidiert, sodass aus dem Brenngas ein Schutzgas erzeugt wird. Ein solches Schutzgas weist dabei erfin dungsgemäß insbesondere die Bestandteile Wasserstoff und Kohlenmonoxid auf. Das auf diese Weise produzierte Schutzgas wird nun durch den Anodenzuführab- schnitt aus dem Gasausgang dem Anodenabschnitt zugeführt, sodass dort spätes tens zum Erreichen der kritischen Temperatur von circa 400° Celsius, eine reduzie rende Schutzgasatmosphäre erzeugt worden ist. Wie aus der voranstehenden Erläuterung ersichtlich wird, ist nun kein separater Gasvorrat mit Schutzgas mehr notwendig, da vielmehr das Schutzgas integral durch die Schutz-Reformervorrichtung innerhalb des Brennstoffzellensystems erzeugbar ist. Es ist oftmals notwendig, zum Schutz des Brennstoffzellenstapels eine Spannung anzulegen. Dadurch wird das gesamte Brennstoffzellensystem zusätzlich belastet. Dieser Nachteil ist durch die Verwendung von Schutzgas überwunden oder zumin dest reduziert. Somit wird in einfacher und kostengünstiger Weise eine Schutzmög lichkeit gegeben, um während des Aufheizvorgangs den Anodenabschnitt des Brennstoffzellenstapels vor oxidierender Beschädigung zu schützen.
Grundsätzlich ist dabei unerheblich, ob die Schutz-Reformervorrichtung sich direkt in dem Anodenzuführabschnitt oder in einem Bypass des Anodenzuführabschnitts be findet. Auch ist es hier gut zu erkennen, dass es sich bei der Schutz- Reformervorrichtung um einen Zusatzreformer zusätzlich zu dem normalen aufberei tenden Reformer für das Brenngas handelt. Somit kann die Schutz- Reformervorrichtung und insbesondere auch der Katalysatorabschnitt deutlich kleiner ausgebildet sein, da für die Schutzwirkung das Schutzgas nicht kontinuierlich durch den Anodenabschnitt strömen muss, sondern diesen im Wesentlichen ausschließlich einmal füllen muss, um die reduzierende Atmosphäre mit der Schutzwirkung zu bil den. Damit reicht es aus, wenn bei geringen Strömungsgeschwindigkeiten und ge ringem Volumendurchsatz das Brenngas während des Aufheizvorgangs einmal den Katalysatorabschnitt zur Umsetzung überstreicht und auf diese Weise die schützen de und reduzierende Atmosphäre im Anodenabschnitt geschaffen wird. Im normalen Betrieb des Brennstoffzellenstapels wird mit deutlich höheren Volumenströmen ge fahren, sodass der Katalysatorabschnitt bei hohen Volumenströmen und dement sprechend geringerer Verweilzeit des Brenngases am Katalysatorabschnitt keine o- der im Wesentlichen keine Wirkung entfaltet. Für den normalen Betrieb hat also die Schutz-Reformervorrichtung keine oder im Wesentlichen keine Wirkung, sodass sie entsprechend klein und kompakt hinsichtlich der ausschließlichen Schutzfunktionali tät ausgeführt werden kann.
Erfindungsgemäß ist es nun möglich eine integrale Produktion von Schutzgas mit ei nem besonders kleinen Mikroreformer in Form der Schutzreformervorrichtung zur Verfügung zu stellen, welcher durch die aktive Temperierung auch bei engen Be triebsfenstern für den Anodenschutz eingesetzt werden kann. Separate Gaszufuhren oder elektrische Schutzmaßnahmen können auf diese Weise im Wesentlichen voll ständig oder im Wesentlichen vollständig vermieden werden.
Bei der Umsetzung am Katalysatorabschnitt können dabei unterschiedlichste kataly tische Oxidationsreaktionen durchgeführt werden. So ist beispielsweise grundsätzlich ein sogenanntes Steam Reform ing (SR) denkbar. Auch eine partielle katalytische Oxidation (CPOX) kann eingesetzt werden. Selbstverständlich ist grundsätzlich auch eine vollständige oder im Wesentlichen vollständige oxidierende Umsetzung von Brenngas in das Schutzgas möglich.
Vorteilhaft ist es weiter, wenn bei einer erfindungsgemäßen Schutzvorrichtung die Temperiervorrichtung als Heizvorrichtung, als Kühlvorrichtung oder als kombinierte Heiz- und Kühlvorrichtung ausgebildet ist. Vorteilhaft ist insbesondere eine Heizfunk tionalität in die Temperiervorrichtung integriert. Dies ist insbesondere bei einem Auf heizvorgang dann vorteilhaft, wenn sichergestellt werden soll, dass zum Erreichen einer kritischen Anodentemperatur bereits der Katalysatorabschnitt in seinem Be triebsfenster liegt und auf diese Weise das Schutzgas produzieren kann bezie hungsweise das Schutzgas bereits produziert worden ist. Jedoch kann während des Weiteren Aufheizvorgangs auch eine Kühlfunktionalität notwendig oder vorteilhaft sein, um eine Beschädigung des Katalysatorabschnitts während der Aufheizphase zu vermeiden. Insbesondere ist die Temperiervorrichtung für eine maximale Flexibilität im Einsatz der Schutz-Reformervorrichtung sowohl als Heiz-, als auch als Kühlvor richtung ausgebildet. Die Wärmequelle beziehungsweise die Kältequelle kann dabei je nach Einsatzbereich frei gewählt werden und insbesondere auf Basis der vorhan denen Wärmequellen beziehungsweise der vorhandenen Kältequellen im Brennstoff zellensystem mit diesen verbunden werden.
Weitere Vorteile kann es mit sich bringen, wenn bei einer erfindungsgemäßen Schutz-Reformervorrichtung die Temperiervorrichtung zumindest teilweise als eigen ständige Temperiervorrichtung unabhängig von Fluidströmen des Brennstoffzellen stapels ausgebildet ist. Dabei kann zum Beispiel ein eigener Heizmittelkreislauf oder ein eigener Kühlkreislauf diese Temperiervorrichtung mit Kälte oder Wärme ausstat ten. Auch eine elektrisch betriebene Heizung als Temperiervorrichtung ist hier grund sätzlich denkbar. Selbstverständlich können solche separaten Temperiervorrichtung auch mit Wärmetauschern, wie sie nachfolgend erläutert werden, kombiniert werden. Eine separat ausgebildete Temperiervorrichtung bringt eine erhöhte Flexibilität in der Kontrolle der Temperiervorrichtung mit sich, sodass insbesondere ohne Einfluss und ohne Abhängigkeit vom restlichen Brennstoffzellensystem die Temperierkontrolle durchgeführt werden kann.
Weitere Vorteile kann es mit sich bringen, wenn bei einer erfindungsgemäßen Schutz-Reformervorrichtung die Temperiervorrichtung zumindest teilweise als Wär metauscher ausgebildet ist, wobei der Gaskanal eine erste Wärmetauscherseite des Wärmetauschers ausbildet. Eine solche Wärmetauscherausbildung erlaubt es so wohl in separater Weise, wie im voranstehenden Absatz erläutert, aber auch in Kom bination mit Fluidströmen des Brennstoffzellensystem, wie dies nachfolgend noch er läutert wird, eine Temperierung zur Verfügung zu stellen. Dabei kann die erste Wär metauscherseite als kalte Wärmetauscherseite ausgebildet sein, wenn die Tempe riervorrichtung zum Aufheizen konfiguriert ist. Sofern eine Kühlsituation gewünscht ist, kann die erste Wärmetauscherseite auch als heiße Wärmetauscherseite definiert werden, wobei entsprechend die zweite gegenüberliegende Wärmetauscherseite als kalte Seite die Kühlfunktion zur Verfügung stellt. Dabei ist die zweite Wärmetau scherseite insbesondere, wie dies nachfolgend näher erläutert wird, mit Fluidströmen im Brennstoffzellensystem kombiniert. Auch eine Schaltbarkeit zwischen Kühlfunkti on und Fleizfunktion ist grundsätzlich, zum Beispiel durch das Schalten entsprechen der Ventile in der Zufuhr zur zweiten Wärmetauscherseite des Wärmetauschers, im Rahmen der vorliegenden Erfindung möglich.
Vorteilhaft ist es darüber hinaus, wenn bei einer erfindungsgemäßen Schutzvorrich tung die zweite Wärmetauscherseite des Wärmetausches zumindest teilweise durch einen Kathodenzuführabschnitt des Brennstoffzellenstapels ausgebildet ist. Ein Ka- thodenzuführabschnitt ist insbesondere die Zufuhr von Luft oder Sauerstoff, um auf dem Kathodenabschnitt die entsprechenden Edukte zur Verfügung zu stellen. Insbe sondere bei der Verwendung einer Kühlfunktionalität der Temperiervorrichtung kann hier Außenluft oder zugeführter Sauerstoff diese Kältequelle ausbilden. Auch hier ist nochmals darauf hinzuweisen, dass selbstverständlich über Ventile unterschiedliche Fluidströme der zweiten Wärmetauscherseite separat in qualitativer oder kombiniert in quantitativer Weise zugeführt werden können.
Weitere Vorteile kann es mit sich bringen, wenn bei einer erfindungsgemäßen Schutz-Reformervorrichtung die zweite Wärmetauscherseite des Wärmetauschers zumindest teilweise durch einen Kathodenabführabschnitt des Brennstoffzellensta- pels ausgebildet ist. Hier wird also das Abgas der Kathodenseite über den Katho denabführabschnitt wieder der zweiten Wärmetauscherseite zugeführt. Insbesondere während des Aufheizvorgangs kann auf diese Weise auch ein Aufheizen und damit eine Wärmequelle auf der zweiten Wärmetauscherseite gewährleistet werden. Er wärmtes Abgas des Kathodenabschnitts kann seine Wärme nun über den Wärme tauscher an die erste Wärmetauscherseite und dort an das Brenngas beziehungs weise den Kathodenabschnitt abgegeben. Dies kann direkt im Nachgang zum Ka thodenabschnitt, aber auch zum Beispiel im Nachgang zu einem vorgelagerten nor malen Wärmetauscher des normalen Betriebsreformers ausgebildet sein.
Vorteile bringt es darüber hinaus mit sich, wenn bei einer erfindungsgemäßen Schutz-Reformervorrichtung die zweite Wärmetauscherseite des Wärmetauschers zumindest teilweise durch einen Anodenabführabschnitt des Brennstoffzellenstapels ausgebildet ist. In zum voranstehenden Absatz ähnlicher Weise kann auch Ano denabgas über den Anodenabführabschnitt nun in die zweite Wärmetauscherseite eingeführt werden und die entsprechende Restwärme zum Aufheizen des Katalysa torabschnitts eingesetzt werden. Hier sind auch vorgelagerte Nachbehandlungen des Anodenabgases, zum Beispiel einen Oxidationskatalysator oder weitere Wärmetau scher zum Aufbereiten der Wärme denkbar. Auch hier sei nochmals darauf hinge wiesen, dass selbstverständlich Ventilvorrichtungen eingesetzt werden können, um die einzelnen Fluidströme des Brennstoffzellenstapels je nach gewünschtem Wärme oder Kältebedarf der zweiten Wärmetauscherseite des Wärmetauschers zuzuführen.
Ebenfalls von Vorteil ist es, wenn bei einer erfindungsgemäßen Schutz- Reformervorrichtung der zweiten Wärmetauscherseite des Wärmetauschers wenigs tens eine Ventilvorrichtung vorgelagert ist für eine Variation des der zweiten Wärme tauscherseite zugeführten Fluids. Damit können insbesondere die Varianten der vor anstehenden Absätze kombiniert werden. So ist es beispielsweise denkbar, dass ein mehrgängiges Ventil der zweiten Wärmetauscherseite vorgelagert ist und dieser Ventilvorrichtung sowohl ein Anodenabführabschnitt als auch der Kathodenabführab schnitt wie auch der Kathodenzuführabschnitt zugeführt werden. Über ein rein quali tatives Ventil der Ventilvorrichtung kann nun ein Umschalten zwischen diesen Gas strömen stattfinden und damit auf Basis der Wärme beziehungsweise Kälte des je weiligen Gasstroms die Temperierung der Schutz-Reformervorrichtung und damit des Katalysatorabschnitts gesteuert oder geregelt werden. Neben einem reinen qua litativen Umschalten kann in der Ventilvorrichtung grundsätzlich auch ein quantitati- ves Schalten stattfinden, um die Mischverhältnisse der zugeführten Fluide zu variie ren und auf diese Weise sich einstellende Mischtemperaturen auf der zweiten Wär metauscherseite für eine noch detaillierte und genauere Kontrolle der Temperatur des Katalysatorabschnitts zu gewährleisten. Insbesondere ist eine solche Ventilvor richtung also mit entsprechenden Temperatursensoren für die zugeführten und die gemischten Fluide sowie mit Strömungsmesselementen ausgestattet.
Vorteilhaft ist es ebenfalls, wenn bei einer erfindungsgemäßen Schutz- Reformervorrichtung der Gaskanal und/oder der Katalysatorabschnitt zumindest ab schnittsweise in einem aufbauenden Verfahren hergestellt sind. Dabei handelt es sich zum Beispiel um ein sogenanntes 3D-Druckverfahren, welches insbesondere Metallmaterialen verwendet. Durch die Verwendung von mehreren Komponenten bei dem Druckverfahren wird es möglich den Katalysatorabschnitt gemeinsam mit dem Gaskanal zu drucken und damit in aufbauendem Verfahren herzustellen. Dies erlaubt es auch bei sehr kleinen Abmessungen durch die Verwendung der metallischen Ma terialen die Schutz-Reformervorrichtung zur Verfügung zu stellen. Mit anderen Wor ten wird es auf diese Weise möglich die Schutz-Reformervorrichtung noch kleiner und noch kompakter sowie kostengünstig auszugestalten.
Ebenfalls Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Brennstoffzellensystem, aufweisend: zumindest einen Brennstoffzellenstapel mit einem Anodenabschnitt und einem Kathodenabschnitt, einen Anodenzuführabschnitt zum Zuführen von reformiertem Anoden- zuführgas von einem Reformer zu dem Anodenabschnitt, einen Kathodenzuführabschnitt zum Zuführen von Kathodenzuführgas zum Kathodenabschnitt, einen Reformer zum Reformieren von Reformerzuführgas, einen Reformerzuführabschnitt zum Zuführen des Reformerzuführga- ses zum Reformer, einen Anodenabführabschnitt zum Abführen von Anodenabgas, einen Kathodenabführabschnitt zum Abführen von Kathodenabgas. Weiter ist im Anodenzuführabschnitt zwischen dem Reformer und dem Anodenab schnitt eine Schutz-Reformervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ange ordnet. Damit bringt ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf eine erfindungsgemäße Schutz- Reformervorrichtung erläutert worden ist. Die Schutz-Reformervorrichtung kann da bei sowohl in direkter Weise, als auch in indirekter Weise in den Anodenzuführab schnitt eingebracht sein, wie dies später noch näher erläutert wird.
Erfindungsgemäß ist es von Vorteil, wenn bei einem erfindungsgemäßen Brennstoff zellensystem der Anodenzuführabschnitt einen Haupt-Anodenzuführabschnitt und einen Bypass-Anodenzuführabschnitt aufweist. Dabei ist die Schutz- Reformervorrichtung in dem Bypass-Anodenzuführabschnitt angeordnet. Mit anderen Worten kann bei einem Ausschalten über Ventilvorrichtungen des Bypass- Anodenzuführabschnittes auch die Schutz-Reformervorrichtung ausgeschaltet wer den indem diese vom Haupt-Anodenzuführabschnitt fluiddicht entkoppelt wird. Somit wird es möglich, dass nur während des Aufheizbetriebes die Schutzreformervorrich tung durch die entsprechende Ventilschaltung aktiviert ist. Im Normalbetrieb fließt kein Brenngas durch den Bypass-Anodenzuführabschnitt und damit auch nicht durch die Schutz-Reformervorrichtung.
Ebenfalls vorteilhaft kann es sein, wenn bei einem erfindungsgemäßen Brennstoff zellensystem im Kathodenzuführabschnitt, im Kathodenabführabschnitt und/oder im Anodenabführabschnitt eine Startbrennervorrichtung angeordnet ist. Diese erlaubt es, die Aufheizphase zu unterstützen und den jeweiligen Fluidstrom aktiv aufzuhei zen. Dabei kann eine solche Startbrennervorrichtung sowohl in elektrischer Weise als auch in einer entsprechend exothermen Umsetzung des darin geführten Gases die gewünschte Wärmequelle zumindest teilweise zur Verfügung stellen. Insbeson dere kann auf diese Weise eine Wärmezufuhr ein- und ausgeschaltet werden.
Ebenfalls Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Schutz ei nes Anodenabschnitts eines Brennstoffzellenstapels eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems, aufweisend die folgenden Schritte:
Überwachung einer Anodentemperatur in dem Anodenabschnitt,
Überwachung einer Schutz-Reformertemperatur der Schutz-
Reformervorrichtung, Kühlen und/oder Heizen der Schutz-Reformervorrichtung auf Basis der überwachten Temperatur mittels der Temperiervorrichtung.
Dabei bringt ein erfindungsgemäßes Verfahren die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem und mit Bezug auf eine erfindungsgemäße Schutz-Reformervorrichtung erläutert worden sind. Insbesondere kann auf diese Weise flexibel der Zeitpunkt gewählt werden, ab welchem die Schutzgasatmosphäre in dem Anodenabschnitt zur Verfügung gestellt werden soll. Wie bereits erläutert worden ist, kann dies bereits vor Erreichen einer kritischen Temperatur beim Anodenabschnitt sinnvoll sein, sodass ein gezieltes Temperaturmanagement an der Schutz-Reformervorrichtung diese in gewünschter Weise die Schutzgasatmosphäre zur Verfügung stellt. Durch diese gezielte Kontrol- lierbarkeit wird es möglich, die Schutz-Reformervorrichtung deutlich kleiner auszuge stalten, als dies bei einer normalen Betriebsreformervorrichtung der Fall ist.
Weiter von Vorteil kann es sein, wenn bei einem erfindungsgemäßen Verfahren der Schritt des Kühlens und/oder Heizens auf Basis eines vorgegebenen Betriebskorri dors der Schutz-Reformervorrichtung durchgeführt wird. Dieser Betriebskorridor ist ein Temperaturkorridor für die Schutz-Reformervorrichtung und liegt zum Beispiel zwischen circa 200° Celsius und circa 600° Celsius. Auf diese Weise wird die Refor merfunktionalität am Katalysatorabschnitt sichergestellt und gleichzeitig eine Be schädigung des Reformers und/oder des Brennstoffzellenstapels durch zu hohe Temperaturen vermieden.
Ebenfalls von Vorteil ist es, wenn bei einem erfindungsgemäßen Verfahren der Schritt des Kühlens und/oder Heizens auf Basis einer minimalen Anodentemperatur und/oder eines maximalen Temperaturunterschieds zu einer Kathodentemperatur des Kathodenabschnitts des Brennstoffzellenstapels durchgeführt wird. Dies kann alternativ oder zusätzlich zu der Kontrollfunktionalität im voranstehenden Absatz durchgeführt werden. Somit können selbstverständlich auch noch weitere Tempera turen oder Sensorparameter verwendet werden, um ein erfindungsgemäßes Verfah ren in größerer Flexibilität und höherer Kontrollgenauigkeit durchzuführen.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Aus führungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein. Es zeigen schema tisch:
Fig. 1 eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Schutz- Reformervorrichtung,
Fig. 2 eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Schutz- Reformervorrichtung,
Fig. 3 eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensys tems,
Fig. 4 eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brennstoffzel lensystems,
Fig. 5 eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brennstoffzel lensystems,
Fig. 6 eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brennstoffzel lensystems,
Fig. 7 eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brennstoffzel lensystems.
In der Figur 1 ist schematisch eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Schutz-Reformervorrichtung 10 dargestellt. Diese ist mit einem Gaskanal 20 ausge staltet, über welchen über einen Gaseingang 22 Brenngas zugeführt und über den Gasausgang 24 das Brenngas oder das erzeugte Schutzgas wieder abgeführt wer den kann. Während eines Aufheizvorgangs des Brennstoffzellensystems 100 wird nun Brenngas über den Gaseingang 22 dem Gaskanal 20 zugeführt. Über die Tem periervorrichtung 40 kann die Temperatur des Katalysatorabschnitts 30 eingestellt werden. Insbesondere erfolgt dies durch Aufheizen und/oder durch Kühlen des Kata lysatorabschnitts 30. Bei der Ausführungsform der Figur 1 handelt es sich hierbei um eine separate Temperiervorrichtung 40, welche zum Beispiel ein separates Kühlmit tel oder auch eine elektrische Fleizung oder ein separates Heizmittel aufweist. Die definierte Temperierung schaltet auf diese Weise thermisch den Katalysatorabschnitt 30 ein und schützt diesen gleichzeitig vor unerwünschter Beschädigung, sodass ein aktivierter Katalysatorabschnitt 30 das durch den Gaskanal 20 strömende Brenngas in katalytischer oxidierender Weise in ein Schutzgas umsetzen kann. Über den Gas ausgang 24 wird nun das produzierte Schutzgas dem Anodenabschnitt 112 zuge führt, sodass sich dort eine reduzierende Atmosphäre zum Schutz des Anodenab schnitts 112 einstellen kann.
Die Figur 2 basiert auf einem ähnlichen Kerngedanken zur Produktion von Schutzgas im Gaskanal 20. Jedoch ist hier die Temperiervorrichtung 40 der Schutz- Reformervorrichtung 10 als Wärmetauscher 50 ausgebildet. Der Gaskanal 20 bildet daher mit Gaseingang 22 und Gasausgang 24 die erste Wärmetauscherseite 52 aus. Eine zweite Wärmetauscherseite 54 ist mit wärmeübertragendem Kontakt über eine Wandung ausgestattet, insbesondere direkt mit dem Katalysatorabschnitt 30, sodass Fluid, welches durch die zweite Wärmetauscherseite 54 strömt einen Wärmeüber gang mit dem Katalysatorabschnitt 30 zur Verfügung stellen kann. Bei kaltem Fluid auf der zweiten Wärmetauscherseite 54 findet also eine Kühlung des Katalysatorab schnitts 30 und bei heißem Fluid entsprechend ein Aufheizen des Katalysatorab schnitts 30 statt. Ansonsten kann die Ausführungsform der Figur 2 identisch in den Aufheizvorgang integriert werden, wie dies mit Bezug auf Figur 1 erläutert worden ist.
Figur 3 zeigt schematisch die einfachste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems 100. Hier ist der Brennstoffzellenstapel 110 mit einem Ano denabschnitt 112 und einem Kathodenabschnitt 114 dargestellt. Über einen Refor- merzuführabschnitt 132 kann Brenngas einem Reformer 130 zugeführt werden, in welchem im normalen Betrieb das Brenngas für die Verwendung im Brennstoffzel lenstapel 110 und dort im Anodenabschnitt 112 eingesetzt beziehungsweise umge setzt wird. Für den Aufheizvorgang ist nun zwischen dem Reformer 130 und dem Anodenabschnitt 112 die erfindungsgemäße Schutz-Reformervorrichtung 10 ange ordnet. Mit H ilfe einer hier separat ausgebildeten, zum Beispiel elektrisch wirkenden, Temperiervorrichtung 40 kann nun ein aktives Fleizen oder auch ein aktives Kühlen oder eine Kombination aus Fleizen und Kühlen, für das zuströmende Brenngas zur Verfügung gestellt werden, sodass der Katalysatorabschnitt in der Schutz- Reformervorrichtung 10 entsprechend aktiviert werden kann, um eine reduzierende Schutzgasatmosphäre während des Aufheizvorgangs im Anodenabschnitt 112 zu gewährleisten. Entsprechendes Abgas aus dem Anodenabschnitt 112 wird über den Anodenabführabschnitt 122 ausgebracht. Die Kathodenseite des Kathodenabschnitts 114 ist bei dieser einfachen Ausführungsform komplett getrennt von der erfindungs gemäßen Schutz-Reformervorrichtung 10. In Figur 4 ist eine Weiterbildung dargestellt, bei welchem der Anodenzuführabschnitt 120 in einen Haupt-Anodenzuführabschnitt 120a und einen Bypassanodenzuführab- schnitt 120b aufgeteilt wird. Über entsprechende Ventilvorrichtungen 60 kann auf diese Weise während des Aufheizvorgangs die Schutz-Reformervorrichtung 10 in den Zufluss zum Anodenabschnitt 112 integriert werden und im normalen Betriebs zustand ausgeschaltet werden. Mit anderen Worten wird damit eine erhöhte Kontrol- lierbarkeit des Durchströmens der Schutz-Reformervorrichtung 10 möglich.
In Figur 5 ist nun eine andere Ausgestaltung und eine weitere Integration der Schutz- Reformervorrichtung 10 dargestellt. Hier ist die Temperiervorrichtung 40 als Wärme tauscher 50 ausgebildet, sodass ein Aufheizen oder Kühlen und damit ein Temperie ren durch Fluidströme innerhalb des Brennstoffzellensystems 100 möglich wird. Bei der Ausführungsvariante der Figur 5 wird hierfür Zuluft als Kathodenzuführgas direkt über die zweite Wärmetauscherseite 54 in den Wärmetauscher 50 eingebracht und anschließend über den Kathodenzuführabschnitt 140 dem Kathodenabschnitt 114 zugeführt. Wird kalte Luft angesaugt, kann auf diese Weise eine Kühlfunktion zur Verfügung gestellt werden. Jedoch sind selbstverständlich auch andere Wärmetau scher oder Startbrenner einsetzbar, um die von außen angesaugte Zuluft und damit das Kathodenzuführgas vor dem Erreichen der zweiten Wärmetauscherseite 54 auf zuheizen, sodass alternativ hier auch eine Heizfunktion zur Verfügung gestellt wer den kann.
Bei der Ausführungsform der Figur 6 wird an Stelle des Kathodenzuführgases nun Kathodenabgas verwendet, welches über den Kathodenabführabschnitt 142 von Ka thodenabschnitt 114 abgeführt wird. Bei der Ausführungsform der Figur 6 durch strömt nun dieses Kathodenabgas zuerst den normalen Reformer 130 auf dessen anderer Wärmetauscherseite und anschließend die zweite Wärmetauscherseite 54 der Schutz-Reformervorrichtung 10. Hierbei handelt es sich insbesondere um eine Heizmöglichkeit für den Katalysatorabschnitt 30.
In der Figur 7 ist eine erweiterte Ausgestaltung dargestellt, die insbesondere eine Schaltbarkeit der Temperiervorrichtung 40 als Wärmetauscher 50 erlaubt. Hier wird in einer Ventilvorrichtung 60 ein Zusammenführen von Kathodenabgas aus dem Ka thodenabführabschnitt 142 und von Anodenabgas aus dem Anodenabführabschnitt 122 durchgeführt. Dabei kann es sich sowohl um ein qualitatives als auch um ein quantitatives Schalten handeln. Außerdem ist der Figur 7 zu entnehmen, dass an verschiedenen Stellen Startbrennervorrichtungen 150 vorgesehen sind, um zusätzli chen Einfluss auf die Temperatur und den Aufheizvorgang des Brennstoffzellensta pels 110 zu nehmen.
Die voranstehende Erläuterung der Ausführungsformen beschreibt die vorliegende Erfindung ausschließlich im Rahmen von Beispielen. Selbstverständlich können ein zelne Merkmale der Ausführungsformen, sofern technisch sinnvoll, frei miteinander kombiniert werden, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Bezugszeichenliste
10 Schutz-Reformervorrichtung 20 Gaskanal 22 Gaseingang 24 Gasausgang 30 Katalysatorabschnitt 40 Temperiervorrichtung 50 Wärmetauscher 52 erste Wärmetauscherseite 54 zweite Wärmetauscherseite 60 Ventilvorrichtung
100 Brennstoffzellensystem 110 Brennstoffzellenstapel
112 Anodenabschnitt 114 Kathodenabschnitt 120 Anodenzuführabschnitt 120a Haupt-Anodenzuführabschnitt 120b Bypass-Anodenzuführabschnitt 122 Anodenabführabschnitt 130 Reformer 132 Reformerzuführabschnitt 140 Kathodenzuführabschnitt 142 Kathodenabführabschnitt 150 Startbrennervorrichtung

Claims

Patentansprüche
1. Schutz-Reformervorrichtung (10) zum Schutz eines Anodenabschnitts (112) eines Brennstoffzellenstapels (110) vor oxidierender Beschädigung während eines Aufheizvorgangs, aufweisend einen Gaskanal (20) mit einem Gasein gang (22) und einem Gasausgang (24) zum Führen von Brenngas aus einem Anodenzuführabschnitt (120) des Brennstoffzellenstapels (110), wobei im Gaskanal (20) ein Katalysatorabschnitt (30) angeordnet ist für eine katalyti sche Oxidation zumindest eines Teils des Brenngases in ein Schutzgas zur Zuführung zum Anodenabschnitt (112), wobei weiter der Gaskanal (20) eine Temperiervorrichtung (40) aufweist in wärmeübertragendem Kontakt mit dem Katalysatorabschnitt (30) für eine aktive Temperierung des Katalysatorab schnitts (30).
2. Schutz-Reformervorrichtung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperiervorrichtung (40) als Heizvorrichtung, als Kühlvorrichtung oder als kombinierte Heiz- und Kühlvorrichtung ausgebildet ist.
3. Schutz-Reformervorrichtung (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperiervorrichtung (40) zumindest teil weise als eigenständige Temperiervorrichtung (40) unabhängig von Fluidströ men des Brennstoffzellenstapels (110) ausgebildet ist.
4. Schutz-Reformervorrichtung (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperiervorrichtung (40) zumindest teil weise als Wärmetauscher (50) ausgebildet ist, wobei der Gaskanal (20) eine erste Wärmetauscherseite (52) des Wärmetauschers (50) ausbildet.
5. Schutz-Reformervorrichtung (10) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Wärmetauscherseite (54) des Wärmetauschers (50) zumindest teilweise durch einen Kathodenzuführabschnitt (140) des Brennstoffzellensta pels (110) ausgebildet ist.
6. Schutz-Reformervorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Wärmetauscherseite (54) des Wärmetau schers (50) zumindest teilweise durch einen Kathodenabführabschnitt (142) des Brennstoffzellenstapels (110) ausgebildet ist.
7. Schutz-Reformervorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Wärmetauscherseite (54) des Wärmetau schers (50) zumindest teilweise durch einen Anodenabführabschnitt (122) des Brennstoffzellenstapels (110) ausgebildet ist.
8. Schutz-Reformervorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der zweiten Wärmetauscherseite (54) des Wärmetau schers (50) wenigstens eine Ventilvorrichtung (60) vorgelagert ist für eine Varia tion des der zweiten Wärmetauscherseite (54) zugeführten Fluids.
9. Schutz-Reformervorrichtung (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gaskanal (20) und/oder der Katalysator abschnitt (30) zumindest abschnittsweise in einem aufbauenden Verfahren her gestellt sind.
10. Brennstoffzellensystem (100), aufweisend
- zumindest einen Brennstoffzellenstapel (110) mit einem Anodenabschnitt (112) und einem Kathodenabschnitt (114),
- einen Anodenzuführabschnitt (120) zum Zuführen von reformierten Ano- denzuführgas von einem Reformer (130) zu dem Anodenabschnitt (112),
- einen Kathodenzuführabschnitt (140) zum Zuführen von Kathodenzu- führgas zum Kathodenabschnitt (114),
- einen Reformer (130) zum Reformieren von Reformerzuführgas,
- einen Reformerzuführabschnitt (132) zum Zuführen des Reformerzuführ- gases zum Reformer (130),
- einen Anodenabführabschnitt (122) zum Abführen von Anodenabgas,
- einen Kathodenabführabschnitt (142) zum Abführen von Kathodenabgas, wobei im Anodenzuführabschnitt (120) zwischen dem Reformer (130) und dem Anodenabschnitt (112) eine Schutz-Reformervorrichtung (10) mit den Merkmalen eines der Ansprüche 1 bis 9 angeordnet ist.
11. Brennstoffzellensystem (100) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Anodenzuführabschnitt (120) einen Haupt-Anodenzuführabschnitt (120a) und einen Bypass-Anodenzuführabschnitt (120b) aufweist, wobei die Schutz-Reformervorrichtung (10) in dem Bypass-Anodenzuführabschnitt (120b) angeordnet ist.
12. Brennstoffzellensystem (100) nach einem der Ansprüche 10 oder 11 , dadurch gekennzeichnet, dass im Kathodenzuführabschnitt (140), im Kathodenab führabschnitt (142) und/oder im Anodenabführabschnitt (122) eine Startbren nervorrichtung (150) angeordnet ist.
13. Verfahren zum Schutz eines Anodenabschnitts (112) eines Brennstoffzellensta pels (110) eines Brennstoffzellensystems (100) mit den Merkmalen eines der Ansprüche 10 bis 12, aufweisend die folgenden Schritte:
- Überwachen einer Anodentemperatur in dem Anodenabschnitt (112),
- Überwachen einer Schutz-Reformertemperatur der Schutz- Reformervorrichtung (10),
- Kühlen und/oder Heizen der Schutz-Reformervorrichtung (10) auf Basis der überwachten Temperaturen mittels der Temperiervorrichtung (40).
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Kühlens und/oder Heizens auf Basis eines vorgegeben Betriebskorridors der Schutz-Reformervorrichtung (10) durchgeführt wird.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Kühlens und/oder Heizens auf Basis einer minimalen Ano dentemperatur und/oder eines maximalen Temperaturunterschieds zu einer Ka thodentemperatur des Kathodenabschnitts (114) des Brennstoffzellenstapels
(110) durchgeführt wird.
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