AT523488B1 - Schutz-Reformervorrichtung zum Schutz eines Anodenabschnitts eines Brennstoffzellenstapels - Google Patents

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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), wobei die Temperiervorrichtung (40) zumindest teilweise als Wärmetauscher (50) ausgebildet ist, wobei der Gaskanal (20) eine erste Wärmetauscherseite (52) des Wärmetauschers (50) ausbildet ist, wobei die zweite Wärmetauscherseite (54) des Wärmetauschers (50) zumindest teilweise durch einen Kathodenabführabschnitt (142) des Brennstoffzellenstapels (110) ausgebildet ist.

Description

Beschreibung
SCHUTZ-REFORMERVORRICHTUNG ZUM SCHUTZ EINES ANODENABSCHNITTS EINES BRENNSTOFFZELLENSTAPELS
[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schutz-Reformervorrichtung zum Schutz eines Anodenabschnitts eines Brennstoffzellenstapels, ein Brennstoffzellensystem mit einer solchen Schutz-Reformervorrichtung sowie ein Verfahren zum Schutz eines Anodenabschnitts eines Brennstoffzellenstapels.
[0002] Es ist bekannt, dass bei Brennstoffzellen die Anodenabschnitte in bestimmten Betriebssituationen geschützt werden müssen. Dies gilt insbesondere beim Aufheizvorgang 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 katalytischen Schichten im Anodenabschnitt führen könnte. Um diese unerwünschten oxidierenden 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 Aufheizvorgangs eine elektrische Spannung anzulegen, um in elektrischer Weise den Anodenabschnitt vor Oxidation zu bewahren.
[0003] Brennstoffzellensysteme mit Schutz-Reformervorrichtungen sind beispielsweise aus der EP 2726188 B1 und der US 2011146154 A1 bekannt.
[0004] Nachteilhaft bei den bekannten Lösungen ist es, dass diese mit einer hohen Komplexität 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 zusätzliche 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.
[0005] Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die voranstehend beschriebenen Nachteile zumindest teilweise zu beheben. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, in kostengünstiger und einfacher Weise den Schutz eines Anodenabschnitts eines Brennstoffzellenstapels vor oxidierender Beschädigung während eines Aufheizvorgangs zu gewährleisten.
[0006] Die voranstehende Aufgabe wird gelöst durch eine Schutzreformervorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1, ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Anspruchs 7 sowie ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 10. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen SchutzReformervorrichtung beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem sowie dem erfindungsgemäßen Verfahren und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird beziehungsweise werden kann.
[0007] Erfindungsgemäß ist eine Schutz-Reformervorrichtung zum Schutz eines Anodenabschnitts 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 wärmeübertragendem Kontakt mit dem Katalysatorabschnitt steht für eine aktive Temperierung des Katalysatorabschnitts.
[0008] Eine erfindungsgemäße Schutz-Reformervorrichtung kann im Sinne der vorliegenden Erfindung auch als Zusatzreformervorrichtung oder Mikroreformervorrichtung bezeichnet werden. Eine solche Schutz-Reformervorrichtung dient also im Wesentlichen ausschließlich der Erzeugung des Schutzgases und nicht der Aufbereitung des Brenngases für die normale Betriebsnutzung des Brenngases hinter dem Brennstoffzellenstapel. 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.
[0009] Während des Aufheizvorgangs des Brennstoffzellenstapels wird der Brennstoffzellenstapel und insbesondere der Anodenabschnitt zu einem gewissen Aufheizzeit-punkt eine kritische Temperatur von zum Beispiel circa 400° Celsius erreichen. Sobald dies geschehen ist besteht das Risiko einer oxidativen Beschädigung des Anodenabschnitts. Um dies zu vermeiden, muss spätestens zu diesem Zeitpunkt eine reduzierende Atmosphäre im Anodenabschnitt geschaffen werden. Dies wird erfindungsgemäß nun durch die Schutz-Reformervorrichtung ermöglicht. Hierfür muss diese in einen reformierenden Zustand, also in einen Zustand, in welchem die katalytische Oxidation durchgeführt werden kann, überführt werden. Üblicherweise sind Katalysatorabschnitte für die Oxidation von Brennstoffgas beziehungsweise Brenngas 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 stöchiometrisch, also auch unstöchiometrisch erfolgen. Um nun erfindungsgemäß sicherzustellen, 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 Brennstoffzellensystems erfolgen.
[0010] 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 Oxidation des Brenngases in ein Schutzgas vorhanden ist. Mit Hilfe der Temperiervorrichtung 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 benötigt, um den Katalysatorabschnitt rechtzeitig auf eine Betriebstemperatur von zum Beispiel circa 200° Celsius zu bringen. Brenngas, welches innerhalb des Brennstoffzellenstapels aus einer entsprechenden Brenngasquelle grundsätzlich zur Verfügung steht, kann nun in den Gaskanal über den Gaseingang eingebracht werden, da dieser insbesondere Teil des Anodenzuführabschnitts ist. Das eingebrachte Brenngas wird nun durch den mittels der Temperiervorrichtung auf Betriebstemperatur gebrachten Katalysatorabschnitt zumindest teilweise katalytisch oxidiert, sodass aus dem Brenngas ein Schutzgas erzeugt wird. Ein solches Schutzgas weist dabei erfindungsgemäß insbesondere die Bestandteile Wasserstoff und Kohlenmonoxid auf. Das auf diese Weise produzierte Schutzgas wird nun durch den Anodenzuführabschnitt aus dem Gasausgang dem Anodenabschnitt zugeführt, sodass dort spätestens zum Erreichen der kritischen Temperatur von circa 400° Celsius, eine reduzierende Schutzgasatmosphäre erzeugt worden ist.
[0011] 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 zumindest reduziert. Somit wird in einfacher und kostengünstiger Weise eine Schutzmöglichkeit gegeben, um während des Aufheizvorgangs den Anodenabschnitt des Brennstoffzellenstapels vor oxidierender Beschädigung zu schützen.
[0012] Grundsätzlich ist dabei unerheblich, ob die Schutz-Reformervorrichtung sich direkt in dem Anodenzuführabschnitt oder in einem Bypass des Anodenzuführabschnitts befindet. Auch ist es hier gut zu erkennen, dass es sich bei der Schutz-Reformervorrichtung um einen Zusatzreformer zusätzlich zu dem normalen aufbereitenden 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 bilden. Damit reicht es aus, wenn bei geringen Strömungsgeschwindigkeiten und geringem Volumendurchsatz das Brenngas während des Aufheizvorgangs einmal den Katalysatorabschnitt zur Umsetzung überstreicht und auf diese Weise die schützende und reduzierende Atmosphäre im Anodenabschnitt geschaffen wird. Im normalen Betrieb des Brennstoffzellenstapels wird mit deutlich höheren Volumenströmen gefahren, sodass der Katalysatorabschnitt bei hohen Volumenströmen und dementsprechend geringerer Verweilzeit des Brenngases am Katalysatorabschnitt keine oder 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 Schutzfunktionalität ausgeführt werden kann.
[0013] Erfindungsgemäß ist es nun möglich eine integrale Produktion von Schutzgas mit einem besonders kleinen Mikroreformer in Form der Schutzreformervorrichtung zur Verfügung zu stellen, welcher durch die aktive Temperierung auch bei engen Betriebsfenstern für den Anodenschutz eingesetzt werden kann. Separate Gaszufuhren oder elektrische Schutzmaßnahmen können auf diese Weise im Wesentlichen vollständig oder im Wesentlichen vollständig vermieden werden.
[0014] Bei der Umsetzung am Katalysatorabschnitt können dabei unterschiedlichste katalytische Oxidationsreaktionen durchgeführt werden. So ist beispielsweise grundsätzlich ein sogenanntes Steam Reforming (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.
[0015] 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 Heizfunktionalität in die Temperiervorrichtung integriert. Dies ist insbesondere bei einem Aufheizvorgang dann vorteilhaft, wenn sichergestellt werden soll, dass zum Erreichen einer kritischen Anodentemperatur bereits der Katalysatorabschnitt in seinem Betriebsfenster liegt und auf diese Weise das Schutzgas produzieren kann beziehungsweise 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 vorhandenen Wärmequellen beziehungsweise der vorhandenen Kältequellen im Brennstoffzellensystem mit diesen verbunden werden.
[0016] Weitere Vorteile kann es mit sich bringen, wenn bei einer erfindungsgemäßen SchutzReformervorrichtung die Temperiervorrichtung zumindest teilweise als eigenständige Temperiervorrichtung unabhängig von Fluidströmen des Brennstoffzellenstapels ausgebildet ist. Dabei kann zum Beispiel ein eigener Heizmittelkreislauf oder ein eigener Kühlkreislauf diese Temperiervorrichtung mit Kälte oder Wärme ausstatten. Auch eine elektrisch betriebene Heizung als Temperiervorrichtung ist hier grundsätzlich 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.
[0017] Es ist vorgesehen, dass bei einer erfindungsgemäßen Schutz-Reformervorrichtung die Temperiervorrichtung zumindest teilweise als Wärmetauscher ausgebildet ist, wobei der Gaskanal eine erste Wärmetauscherseite des Wärmetauschers ausbildet. Eine solche Wärmetauscher-
ausbildung erlaubt es sowohl in separater Weise, wie im voranstehenden Absatz erläutert, aber auch in Kombination mit Fluidströmen des Brennstoffzellensystem, wie dies nachfolgend noch erläutert wird, eine Temperierung zur Verfügung zu stellen. Dabei kann die erste Wärmetauscherseite als kalte Wärmetauscherseite ausgebildet sein, wenn die Temperiervorrichtung 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 Wärmetauscherseite insbesondere, wie dies nachfolgend näher erläutert wird, mit Fluidströmen im Brennstoffzellensystem kombiniert. Auch eine Schaltbarkeit zwischen Kühlfunktion und Heizfunktion ist grundsätzlich, zum Beispiel durch das Schalten entsprechender Ventile in der Zufuhr zur zweiten Wärmetauscherseite des Wärmetauschers, im Rahmen der vorliegenden Erfindung möglich.
[0018] Grundsätzlich kann bei einer Schutzvorrichtung die zweite Wärmetauscherseite des Wärmetausches zumindest teilweise durch einen Kathodenzuführabschnitt des Brennstoffzellenstapels ausgebildet ist. Ein Kathodenzuführabschnitt ist insbesondere die Zufuhr von Luft oder Sauerstoff, um auf dem Kathodenabschnitt die entsprechenden Edukte zur Verfügung zu stellen. Insbesondere bei der Verwendung einer Kühlfunktionalität der Temperiervorrichtung kann hier AuBenluft 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.
[0019] Es ist vorgesehen, dass bei einer erfindungsgemäßen Schutz-Reformervorrichtung die zweite Wärmetauscherseite des Wärmetauschers zumindest teilweise durch einen Kathodenabführabschnitt des Brennstoffzellenstapels ausgebildet ist. Hier wird also das Abgas der Kathodenseite über den Kathodenabführabschnitt 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. Erwärmtes Abgas des Kathodenabschnitts kann seine Wärme nun über den Wärmetauscher an die erste Wärmetauscherseite und dort an das Brenngas beziehungsweise den Kathodenabschnitt abgegeben. Dies kann direkt im Nachgang zum Kathodenabschnitt, aber auch zum Beispiel im Nachgang zu einem vorgelagerten normalen Wärmetauscher des normalen Betriebsreformers ausgebildet sein.
[0020] Vorteile bringt es darüber hinaus mit sich, wenn bei einer erfindungsgemäßen SchutzReformervorrichtung die zweite Wärmetauscherseite des Wärmetauschers zumindest teilweise durch einen Anodenabführabschnitt des Brennstoffzellenstapels ausgebildet ist. In zum voranstehenden Absatz ähnlicher Weise kann auch Anodenabgas über den Anodenabführabschnitt nun in die zweite Wärmetauscherseite eingeführt werden und die entsprechende Restwärme zum Aufheizen des Katalysatorabschnitts 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.
[0021] Ebenfalls von Vorteil ist es, wenn bei einer erfindungsgemäßen Schutz-Reformervorrichtung der zweiten Wärmetauscherseite des Wärmetauschers wenigstens eine Ventilvorrichtung vorgelagert ist für eine Variation des der zweiten Wärmetauscherseite zugeführten Fluids. Damit können insbesondere die Varianten der voranstehenden 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 Kathodenabführabschnitt wie auch der Kathodenzuführabschnitt zugeführt werden. Uber ein rein qualitatives Ventil der Ventilvorrichtung kann nun ein Umschalten zwischen diesen Gasströmen stattfinden und damit auf Basis der Wärme beziehungsweise Kälte des jeweiligen Gasstroms die Temperierung der Schutz-Reformervorrichtung und damit des Katalysatorabschnitts gesteuert oder
geregelt werden. Neben einem reinen qualitativen Umschalten kann in der Ventilvorrichtung grundsätzlich auch ein quantitatives Schalten stattfinden, um die Mischverhältnisse der zugeführten Fluide zu variieren und auf diese Weise sich einstellende Mischtemperaturen auf der zweiten Wärmetauscherseite für eine noch detaillierte und genauere Kontrolle der Temperatur des KataIysatorabschnitts zu gewährleisten. Insbesondere ist eine solche Ventilvorrichtung also mit entsprechenden Temperatursensoren für die zugeführten und die gemischten Fluide sowie mit Strömungsmesselementen ausgestattet.
[0022] Vorteilhaft ist es ebenfalls, wenn bei einer erfindungsgemäßen Schutz-Reformervorrichtung der Gaskanal und/oder der Katalysatorabschnitt zumindest abschnittsweise 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 Materialen die Schutz-Reformervorrichtung zur Verfügung zu stellen. Mit anderen Worten wird es auf diese Weise möglich die Schutz-Reformervorrichtung noch kleiner und noch kompakter sowie kostengünstig auszugestalten.
[0023] Ebenfalls Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Brennstoffzellensystem, aufweisend: - zumindest einen Brennstoffzellenstapel mit einem Anodenabschnitt und einem Kathodenabschnitt, - einen Anodenzuführabschnitt zum Zuführen von reformiertem Anodenzuführgas 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 Reformerzuführgases zum Reformer, - einen Anodenabführabschnitt zum Abführen von Anodenabgas, - einen Kathodenabführabschnitt zum Abführen von Kathodenabgas.
[0024] Weiter ist im Anodenzuführabschnitt zwischen dem Reformer und dem Anodenabschnitt eine Schutz-Reformervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung angeordnet. 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 dabei sowohl in direkter Weise, als auch in indirekter Weise in den Kathodenzuführabschnitt eingebracht sein, wie dies später noch näher erläutert wird.
[0025] Erfindungsgemäß ist es von Vorteil, wenn bei einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem der Anodenzuführabschnitt einen Haupt-Anodenzuführabschnitt und einen BypassAnodenzuführabschnitt 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 werden indem diese vom Haupt-Anodenzuführabschnitt fluiddicht entkoppelt wird. Somit wird es möglich, dass nur während des Aufheizbetriebes die Schutzreformervorrichtung durch die entsprechende Ventilschaltung aktiviert ist. Im Normalbetrieb fließt kein Brenngas durch den Bypass-Anodenzuführabschnitt und damit auch nicht durch die Schutz-Reformervorrichtung.
[0026] Ebenfalls vorteilhaft kann es sein, wenn bei einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem im Kathodenzuführabschnitt, im Kathodenabführabschnitt und/oder im Anodenabführabschnitt eine Startbrennervorrichtung angeordnet ist. Diese erlaubt es, die Aufheizphase zu unterstützen und den jeweiligen Fluidstrom aktiv aufzuheizen. 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. Insbesondere kann auf diese Weise eine Wärmezufuhr ein- und ausgeschaltet werden.
[0027] Ebenfalls Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Schutz eines
Anodenabschnitts eines Brennstoffzellenstapels eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems, aufweisend die folgenden Schritte: - Uberwachung einer Anodentemperatur in dem Anodenabschnitt, - Uberwachung einer Schutz-Reformertemperatur der Schutz-Reformervorrichtung, - Kühlen und/oder Heizen der Schutz-Reformervorrichtung auf Basis der überwachten Temperatur mittels der Temperiervorrichtung.
[0028] 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 Kontrollierbarkeit wird es möglich, die Schutz-Reformervorrichtung deutlich kleiner auszugestalten, als dies bei einer normalen Betriebsreformervorrichtung der Fall ist.
[0029] Weiter von Vorteil kann es sein, wenn bei einem erfindungsgemäßen Verfahren der Schritt des Kühlens und/oder Heizens auf Basis eines vorgegebenen Betriebskorridors 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 Reformerfunktionalität am Katalysatorabschnitt sichergestellt und gleichzeitig eine Beschädigung des Reformers und/oder des Brennstoffzellenstapels durch zu hohe Temperaturen vermieden.
[0030] 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 Temperaturen oder Sensorparameter verwendet werden, um ein erfindungsgemäßes Verfahren in größerer Flexibilität und höherer Kontrollgenauigkeit durchzuführen.
[0031] Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Es zeigen schematisch:
[0032] Fig. 1 eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Schutz-Reformervorrichtung,
[0033] Fig. 2 eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Schutz-Reformervorrichtung,
[0034] Fig. 3 eine Ausführungsform eines Brennstoffzellensystems,
[0035] Fig. 4 eine weitere Ausführungsform eines Brennstoffzellensystems,
[0036] Fig. 5 eine weitere Ausführungsform eines Brennstoffzellensystems,
[0037] Fig. 6 eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems,
[0038] Fig. 7 eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems.
[0039] In der Figur 1 ist schematisch eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen SchutzReformervorrichtung 10 dargestellt. Diese ist mit einem Gaskanal 20 ausgestaltet, über welchen über einen Gaseingang 22 Brenngas zugeführt und über den Gasausgang 24 das Brenngas oder das erzeugte Schutzgas wieder abgeführt werden kann. Während eines Aufheizvorgangs des Brennstoffzellensystems 100 wird nun Brenngas über den Gaseingang 22 dem Gaskanal 20 zu-
geführt. Über die Temperiervorrichtung 40 kann die Temperatur des Katalysatorabschnitts 30 eingestellt werden. Insbesondere erfolgt dies durch Aufheizen und/oder durch Kühlen des KataIysatorabschnitts 30. Bei der Ausführungsform der Figur 1 handelt es sich hierbei um eine separate Temperiervorrichtung 40, welche zum Beispiel ein separates Kühlmittel oder auch eine elektrische Heizung 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 Gasausgang 24 wird nun das produzierte Schutzgas dem Anodenzuführabschnitt 120 zugeführt, sodass sich dort eine reduzierende Atmosphäre zum Schutz des Anoden-abschnitts 112 einstellen kann.
[0040] 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 KataIysatorabschnitt 30, sodass Fluid, welches durch die zweite Wärmetauscherseite 54 strömt einen Wärmeübergang mit dem Katalysatorabschnitt 30 zur Verfügung stellen kann. Bei kaltem Fluid auf der zweiten Wärmetauscherseite 54 findet also eine Kühlung des Katalysatorabschnitts 30 und bei heißem Fluid entsprechend ein Aufheizen des Katalysatorabschnitts 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.
[0041] Figur 3 zeigt schematisch die einfachste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems 100. Hier ist der Brennstoffzellenstapel 110 mit einem Anodenabschnitt 112 und einem Kathodenabschnitt 114 dargestellt. Uber einen Reformerzuführabschnitt 132 kann Brenngas einem Reformer 130 zugeführt werden, in welchem im normalen Betrieb das Brenngas für die Verwendung im Brennstoffzellenstapel 110 und dort im Anodenabschnitt 112 eingesetzt beziehungsweise umgesetzt wird. Für den Aufheizvorgang ist nun zwischen dem Reformer 130 und dem Anodenabschnitt 120 die erfindungsgemäße Schutz-Reformervorrichtung 10 angeordnet. Mit Hilfe einer hier separat ausgebildeten, zum Beispiel elektrisch wirkenden, Temperiervorrichtung 40 kann nun ein aktives Heizen oder auch ein aktives Kühlen oder eine Kombination aus Heizen 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.
[0042] In Figur 4 ist eine Weiterbildung dargestellt, bei welchem der Anodenzuführabschnitt 120 in einen Haupt-Anodenzuführabschnitt 120a und einen Bypassanodenzuführabschnitt 120b aufgeteilt wird. Uber 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 Betriebszustand ausgeschaltet werden. Mit anderen Worten wird damit eine erhöhte Kontrollierbarkeit des Durchströmens der Schutz-Reformervorrichtung 10 möglich.
[0043] In Figur 5 ist nun eine andere Ausgestaltung und eine weitere Integration der SchutzReformervorrichtung 10 dargestellt. Hier ist die Temperiervorrichtung 40 als Wärmetauscher 50 ausgebildet, sodass ein Aufheizen oder Kühlen und damit ein Temperieren 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-
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scher oder Startbrenner einsetzbar, um die von außen angesaugte Zuluft und damit das Kathodenzuführgas vor dem Erreichen der zweiten Wärmetauscherseite 54 aufzuheizen, sodass alternativ hier auch eine Heizfunktion zur Verfügung gestellt werden kann.
[0044] Bei der Ausführungsform der Figur 6 wird an Stelle des Kathodenzuführgases nun Kathodenabgas verwendet, welches über den Kathodenabführabschnitt 142 von Kathodenabschnitt 114 abgeführt wird. Bei der Ausführungsform der Figur 6 durchströmt 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.
[0045] 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 Kathodenabführabschnitt 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 zusätzlichen Einfluss auf die Temperatur und den Aufheizvorgang des Brennstoffzellenstapels 110 zu nehmen.
[0046] Die voranstehende Erläuterung der Ausführungsformen beschreibt die vorliegende Erfindung ausschließlich im Rahmen von Beispielen.
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 (12)

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 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), wobei die Temperiervorrichtung (40) zumindest teilweise als Wärmetauscher (50) ausgebildet ist, wobei der Gaskanal (20) eine erste Wärmetauscherseite (52) des Wärmetauschers (50) ausbildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Wärmetauscherseite (54) des Wärmetauschers (50) zumindest teilweise durch einen Kathodenabführabschnitt (142) des Brennstoffzellenstapels (110) ausgebildet ist.
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) teilweise als eigenständige Temperiervorrichtung (40) unabhängig von Fluidströmen des Brennstoffzellenstapels (110) ausgebildet ist.
4. Schutz-Reformervorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Wärmetauscherseite (54) des Wärmetauschers (50) zumindest teilweise durch einen Anodenabführabschnitt (122) des Brennstoffzellenstapels (110) ausgebildet ist.
5. Schutz-Reformervorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der zweiten Wärmetauscherseite (54) des Wärmetauschers (50) wenigstens eine Ventilvorrichtung (60) vorgelagert ist für eine Variation des der zweiten Wärmetauscherseite (54) zugeführten Fluids.
6. Schutz-Reformervorrichtung (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gaskanal (20) und/oder der Katalysatorabschnitt (30) zumindest abschnittsweise in einem aufbauenden Verfahren hergestellt sind.
7. Brennstoffzellensystem (100), aufweisend - zumindest einen Brennstoffzellenstapel (110) mit einem Anodenabschnitt (112) und einem Kathodenabschnitt (114), - einen Anodenzuführabschnitt (120) zum Zuführen von reformierten Anodenzuführgas von einem Reformer (130) zu dem Anodenabschnitt (112), - einen Kathodenzuführabschnitt (140) zum Zuführen von Kathodenzuführgas zum Kathodenabschnitt (114), - einen Reformer (130) zum Reformieren von Reformerzuführgas, - einen Reformerzuführabschnitt (132) zum Zuführen des Reformerzuführgases zum Reformer (130), - einen Anodenabführabschnitt (122) zum Abführen von Anodenabgas, - einen Kathodenabführabschnitt (142) zum Abführen von Kathodenabgas, dadurch gekennzeichnet, dass im Anodenzuführabschnitt (120) zwischen dem Reformer (130) und dem Anodenabschnitt (112) eine Schutz-Reformervorrichtung (10) mit den Merkmalen eines der Ansprüche 1 bis 6 angeordnet ist.
8. Brennstoffzellensystem (100) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Anodenzuführabschnitt (120) einen Haupt-Anodenzuführabschnitt (120a) und einen BypassAnodenzuführabschnitt (120b) aufweist, wobei die Schutz-Reformervorrichtung (10) in dem Bypass-Anodenzuführabschnitt (120b) angeordnet ist.
9. Brennstoffzellensystem (100) nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass im Kathodenzuführabschnitt (140), im Kathodenabführabschnitt (142) und/oder im Anodenabführabschnitt (122) eine Startbrennervorrichtung (150) angeordnet ist.
10. Verfahren zum Schutz eines Anodenabschnitts (112) eines Brennstoffzellenstapels (110) eines Brennstoffzellensystems (100) mit den Merkmalen eines der Ansprüche 7 bis 9, aufweisend die folgenden Schritte:
- Uberwachen einer Anodentemperatur in dem Anodenabschnitt (112),
- Uberwachen einer Schutz-Reformertemperatur der Schutz-Reformervorrichtung (10),
- Kühlen und/oder Heizen der Schutz-Reformervorrichtung (10) auf Basis der überwachten Temperaturen mittels der Temperiervorrichtung (40).
11. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Kühlens und/oder Heizens auf Basis eines vorgegeben Betriebskorridors der Schutz-Reformervorrichtung (10) durchgeführt wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Kühlens und/oder Heizens auf Basis einer minimalen Anodentemperatur und/ oder eines maximalen Temperaturunterschieds zu einer Kathodentemperatur des Kathodenabschnitts (114) des Brennstoffzellenstapels (110) durchgeführt wird.
Hierzu 6 Blatt Zeichnungen
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