DE102006039527A1 - Brennstoffzellensystem und Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem mit einem Reformer (10) zum Liefern von Reformat (12) an einen Brennstoffzellenstapel (14). Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass mindestens eine weitere Einrichtung (16, 18, 20, 22, 24, 26) zum Liefern von Reformat (12) an den Brennstoffzellenstapel (14) vorgesehen ist. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem mit einem Reformer zum Liefern von Reformat an einen Brennstoffzellenstapel.
• Brennstoffzellensysteme dienen der Erzeugung von Elektrizität und Wärme aus Kohlenwasserstoffen, beispielsweise aus Diesel oder Benzin. Um das für den Betrieb eines Brennstoffzellenstapels erforderliche wasserstoffreiche Gas zur Verfügung zu stellen, wird üblicherweise ein Reformer eingesetzt, dem Brennstoff und Luft zugeführt werden. Der Reformer liefert als Ausgangsprodukt das erwünschte wasserstoffreiche Reformat, das dann im Brennstoffzellenstapel unter weiterer Umsetzung mit Luft verarbeitet wird. Das im Brennstoffzellenstapel abgereicherte Reformat kann dann noch einem Nachbrenner zugeführt werden, in dem unter weiterem Einsatz von Luft die Restenergie in Wärme umgesetzt wird; diese Wärme kann dann in das System zurückgeführt werden.
• Im kontinuierlichen Betrieb des Brennstoffzellensystems liefert dies eine bestimmte Leistung. Wird die Leistungsanforderung geändert, so müssen die dem Brennstoffzellenstapel zur Verfügung gestellten Gasmengen geändert werden. Insbesondere muss der Reformatvolumenstrom erhöht werden. Um dies zu erreichen, müssen letztlich das den Reformer mit Luft versorgende Gebläse und die den Reformer mit Brennstoff versorgende Brennstoffpumpe ihren Durchsatz erhöhen. Diese Vorgänge benötigen an sich bereits eine gewisse Zeit. Weiterhin wird Zeit dafür benötigt, um den Reformer an einem neuen Betriebspunkt zu stabilisieren. Ferner werden Verzögerungen durch die Wärmekapazität der beteiligten Komponenten zu erwarten sein. Um diese Verzögerung im Falle eines erhöhten Leistungsbedarfs zu Puffern, könnte eine Batterie zum Einsatz kommen. Dies hat jedoch den Nachteil, dass eine kostenintensive und schwere Komponente zusätzlich in das System eingebracht werden muss.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Brennstoffzellensystem und ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems in der Weise auszulegen, dass erhöhte Leistungsanforderungen ohne Verzögerung und ohne die Notwendigkeit einer leistungsstarken Batterie erfüllt werden können.
• Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst.
• Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
• Die Erfindung baut auf dem gattungsgemäßen Brennstoffzellensystem dadurch auf, dass mindestens eine weitere Einrichtung zum Liefern von Reformat an den Brennstoffzellenstapel vorgesehen ist. Die für die Bereitstellung der erhöhten Leistung erforderliche zusätzliche Gasmenge kann somit in kürzester Zeit zur Verfügung gestellt werden, ohne dass dies alleine durch den zuvor betriebenen Reformer bewerkstelligt werden müsste.
• Zu diesem Zweck ist vorgesehen, dass der Reformer und die weitere Einrichtung mit derselben Reformatzuführung des Brennstoffzellenstapels verbunden sind. Der Reformer ist somit zu der weiteren Einrichtung parallel geschaltet, so dass diese Komponenten schaltungstechnisch äquivalente Positionen einnehmen.
• Nützlicher Weise kann vorgesehen sein, dass die weitere Einrichtung einen weiteren Reformer umfasst. Ein solcher weiterer Reformer wird beispielsweise während des kontinuierlichen Betriebes auf demselben Temperaturniveau gehalten, wie der primäre Reformer. Kommt es zu einer höheren Leistungsanforderung, stünde der weitere Reformer sofort zur Verfügung, um zusätzliches Reformat parallel zu dem primären Reformer zu liefern.
• Es kann zusätzlich vorgesehen sein, dass die Reformer für unterschiedliche Betriebspunkte ausgelegt sind. Der weitere Reformer, der an sich für die Befriedigung höherer Lastanforderungen eingesetzt wird, kann somit den zusätzlichen Vorteil bringen, dass dieser wahlweise zum primären Reformer zum Einsatz kommen kann, nämlich dann, wenn dieser für einen anderen Betriebspunkt als der primäre Reformer optimiert ist. Das System kann somit wahlweise den einen oder den anderen Reformer oder bei sehr hohem Leistungsbedarf beide Reformer verwenden.
• Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Einrichtung einen Reformatspeicher umfasst. Ein solcher Speicher kann während des Normalbetriebs des Brennstoffzellensystems geladen, das heißt mit Reformort befüllt werden. Bei erhöhter Leistungsanforderung kann dieses Reformort dem Speicher dann wieder entnommen werden, wodurch der Speicher entladen wird.
• Nützlicherweise ist vorgesehen, dass der Reformatspeicher über ein schaltbares Ventil mit derselben gemeinsamen Reformatzuführung des Brennstoffzellenstapels verbunden ist wie der Reformer und dass in der gemeinsamen Reformatzuführung ein Druckerhöhungsventil vorgesehen ist, das eine Befüllung des Reformatspeichers auf einen Druck erlaubt, der den Druck zwischen Druckerhöhungsventil und Brennstoffzellenstapel übersteigt. Das Druckerhöhungsventil in der gemeinsamen Reformatzuführung stellt im aktivierten Zustand eine Drosselwirkung in Richtung des Brennstoffzellenstapels zur Verfügung. Somit lässt sich der Reformatspeicher mit einem Gasdruck befüllen, der den Gasdruck in Richtung Brennstoffzellenstapel übersteigt. Wird das Druckerhöhungsventil deaktiviert, so entfällt die Drosselwirkung. Reformat kann somit aus dem Reformatspeicher in Richtung Brennstoffzellenstapel zur Erfüllung der erhöhten Leistungsanforderungen überströmen. Nützlicherweise ist zu diesem Zweck in dem zu dem Reformatspeicher führenden Leitungszweig ein schaltbares Ventil vorgesehen, das bei deaktiviertem Druckerhöhungsventil das Abströmen von Reformat aus dem Reformatspeicher unterbinden oder zulassen kann.
• Die Erfindung baut auf dem gattungsgemäßen Verfahren dadurch auf, dass bei erhöhtem Leistungsbedarf Reformat an den Brennstoffzellenstapel durch eine weitere Einrichtung geliefert wird. Auf diese Weise werden die Vorteile und Besonderheiten des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems auch im Rahmen eines Verfahrens umgesetzt. Dies gilt auch für die nachfolgend angegebenen besonders bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens.
• Dieses ist in nützlicher Weise dadurch weitergebildet, dass die weitere Einrichtung einen weiteren Reformer umfasst, der bei erhöhtem Leistungsbedarf aktiviert wird.
• Ebenfalls kann vorgesehen sein, dass die Einrichtung einen Reformatspeicher umfasst, der bei niedrigem Leistungsbedarf geladen wird und bei erhöhtem Leistungsbedarf entladen wird.
• Die Erfindung ist in besonders vorteilhafter Weise dadurch weitergebildet, dass zum Laden des Reformatspeichers ein Druckerhöhungsventil in einer dem Reformatspeicher und dem Reformer gemeinsamen Reformatzuführung aktiviert wird, so dass eine Befüllung des Reformatspeichers auf einen Druck ermöglicht wird, der den Druck zwischen Druckerhöhungsventil und Brennstoffzellenstapel übersteigt, dass zum Beenden des Ladens des Reformatspeichers ein Absperrventil geschlossen wird, das in einer die gemeinsame Reformatzuführung mit dem Reformatspeicher verbindenden Leitung vorgesehen ist, und dass zum Entladen des Reformatspeichers das Absperrventil im deaktivierten Zustand des Druckerhöhungsventils geöffnet wird.
• Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen anhand besonders bevorzugter Ausführungsformen beispielhaft erläutert.
• Es zeigen:
• 1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems und
• 2 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems.
• Bei der nachfolgenden Beschreibung der Zeichnungen bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder vergleichbare Komponenten.
• 1 zeigt eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellen systems. Das Brennstoffzellensystem weist einen Reformer 10 auf, der mittels einer Brennstoffpumpe 32 und einem Gebläse 34 mit Brennstoff beziehungsweise Luft versorgt wird. In dem Reformer 10 wird Reformat 12 erzeugt, das über eine Reformatzuführung 28 einem Brennstoffzellenstapel 14 zugeführt wird. Dem Brennstoffzellenstapel 14 wird weiterhin durch ein Katodenluftgebläse 36 Katodenluft zugeführt. Den Brennstoffzellenstapel 14 verlässt abgereichertes Reformat 38, das unter Einsatz von Nachbrennerluft, die neben dem abgereicherten Reformat 38 durch ein Gebläse 40 in einen Nachbrenner 42 eingebracht wird, oxidiert wird. Den Nachbrenner 42 verlässt Abgas 44, das geringe Anteile an CO und NO enthält und somit arm an unerwünschten Emissionen ist.
• Zur Erfüllung eines erhöhten Leistungsbedarfs des Brennstoffzellensystems ist insbesondere eine erhöhte Reformatzuführung zum Brennstoffzellenstapel 14 erforderlich. Zu diesem Zweck ist parallel zu dem primären Reformer 10 ein weiterer Reformer 16 angeordnet, der ebenfalls über eine Brennstoffpumpe 18 und ein Luftgebläse 20 versorgt wird. Bei erhöhtem Leistungsbedarf wird der stets temperierte Reformer 16 zugeschaltet, um so den erhöhten Leistungsanforderungen verzögerungsfrei gerecht zu werden. Nützlicherweise kann vorgesehen sein, dass die Reformer 10, 16 im Hinblick auf ihren Betriebspunkt unterschiedlich ausgelegt sind. So können wahlweise entweder der eine Reformer oder der andere Reformer verwendet werden oder bei hohen Leistungsanforderungen beide Reformer parallel betrieben werden. Ebenso kann zusätzlich oder alternativ vorgesehen sein, dass die Reformer für einen Betrieb mit unterschiedlichen Brennstoffen ausgelegt sind. Auf dieser Grundlage steht ein System zur Verfügung, das in der Lage ist, mit verschiedenen Brennstoffen zu arbeiten, wobei in dem Fall, dass verschiedene Brennstoffe zur Verfügung stehen, die Anforderungen an einen erhöhten Leistungsbedarf verzögerungsfrei erfüllt werden können.
• 2 zeigt eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems. Gemäß dieser Ausführungsform ist zu dem primären Reformer 10 ein Reformatspeicher 22 parallel geschaltet. Im Normalbetrieb wird der Reformatspeicher 22 mit dem im Reformer 10 erzeugten Reformat befüllt, das heißt auf ein gewisses Druckniveau gebracht. Zu diesem Zweck wird ein Druckerhöhungsventil 26 aktiviert, das in der dem Reformer 10 und dem Reformatspeicher 22 gemeinsamen Reformatzuführung 28 angeordnet ist. Hierdurch kann der Reformatspeicher 22 auf ein Druckniveau gefüllt werden, das bei deaktiviertem Druckerhöhungsventil dazu ausreicht, Reformat vom Reformatspeicher 22 in den Brennstoffzellenstapel 14 überströmen zu lassen. Ist der Reformatspeicher 22 befüllt, so wird ein Ventil 24 geschlossen, das in einer die gemeinsame Reformatzuführung 28 mit dem Reformatspeicher 22 verbindenden Leitung 30 angeordnet ist. Soll dem Reformatspeicher 22 Reformat entnommen werden, so wird dieses Ventil 24 geöffnet, und Reformat kann bei deaktiviertem Druckerhöhungsventil 26 und entsprechenden Druckverhältnissen in den Brennstoffzellenstapel überströmen.
• Die in der vorstehenden Beschreibung, in den Zeichnungen sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung wesentlich sein.

10

Reformer

12

Reformat

14

Brennstoffzellenstapel

16

Reformer

18

Brennstoffpumpe

20

Luftgebläse

22

Reformatspeicher

24

Absperrventil

26

Druckerhöhungsventil

28

Reformatzuführung

30

Leitung

32

Brennstoffpumpe

34

Gebläse

36

Katodenluftgebläse

38

Reformat

40

Gebläse

42

Nachbrenner

44

Abgas

Claims (10)

1. Brennstoffzellensystem mit einem Reformer (10) zum Liefern von Reformat (12) an einen Brennstoffzellenstapel (14), dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine weitere Einrichtung (16, 18, 20, 22, 24, 26) zum Liefern von Reformat (12) an den Brennstoffzellenstapel (14) vorgesehen ist.
2. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Reformer (10) und die weitere Einrichtung (16, 18, 20, 22, 24, 26) mit derselben Reformatzuführung (28) des Brennstoffzellenstapels verbunden sind.
3. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die weitere Einrichtung einen weiteren Reformer (16) umfasst.
4. Brennstoffzellensystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Reformer (10, 16) für unterschiedliche Betriebspunkte ausgelegt sind.
5. Brennstoffzellensystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung einen Reformatspeicher (22) umfasst.
6. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Reformatspeicher (22) über ein schaltbares Ventil (24) mit derselben gemeinsamen Reformatzuführung (28) des Brennstoffzellenstapels (14) verbunden ist wie der Reformer (10) und dass in der gemeinsamen Reformatzuführung (28) ein Druckerhöhungsventil (26) vorgesehen ist, das eine Befüllung des Reformatspeichers auf einen Druck erlaubt, der den Druck zwischen Druckerhöhungsventil und Brennstoffzellenstapel übersteigt.
7. Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems mit einem Reformer (10) zum Liefern von Reformat (12) an einen Brennstoffzellenstapel (14), dadurch gekennzeichnet, dass bei erhöhtem Leistungsbedarf Reformat (12) an den Brennstoffzellenstapel durch eine weitere Einrichtung (16, 18, 20, 22, 24, 26) geliefert wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die weitere Einrichtung einen weiteren Reformer (16) umfasst, der bei erhöhtem Leistungsbedarf aktiviert wird.
9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung einen Reformatspeicher (22) umfasst, der bei niedrigem Leistungsbedarf geladen wird und bei erhöhtem Leistungsbedarf entladen wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, – dass zum Laden des Reformatspeichers (22) ein Druckerhöhungsventil (26) in einer dem Reformatspeicher und dem Reformer (10) gemeinsamen Reformatzuführung (28) aktiviert wird, so dass eine Befüllung des Reformatspeichers auf einen Druck ermöglicht wird, der den Druck zwischen Druckerhöhungsventil und Brennstoffzellenstapel (14) übersteigt, – dass zum Beenden des Ladens des Reformatspeichers (22) ein Absperrventil (24) geschlossen wird, das in einer die gemeinsame Reformatzuführung (28) mit dem Reformatspeicher verbindenden Leitung (30) vorgesehen ist, und – dass zum Entladen des Reformatspeichers (22) das Absperrventil (24) im deaktivierten Zustand des Druckerhöhungsventils (26) geöffnet wird.