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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Temperaturregelung in einem Brennstoffzellensystem. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Brennstoffzellensystem gemäß dem Oberbegriff des unabhängigen Anspruches 7.
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Stand der Technik
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In der amerikanischen Offenlegungsschrift
US 2006 /127 719 A1 ist ein Brennstoffzellensystem gezeigt. Dieses Brennstoffzellensystem beinhaltet eine Brennstoffzelle, die zur Umsetzung zweier Brennstoffe in elektrische Energie dient. Zur Erzeugung wenigstens eines der beiden Brennstoffe weist das Brennstoffzellensystem einen Reformer auf. Dieser Reformer kann beispielsweise durch Dampfreformierung aus Methanol Wasserstoff gewinnen, welcher der Brennstoffzelle als einer der Brennstoffe zugeführt wird. Um die Dampfreformierung innerhalb des Reformers zu ermöglichen, weist letzterer einen Brenner auf, der die notwendige Reaktionswärme in den Reformer einbringt. Zusätzlich wird die Abwärme des Brenners über ein Abgasführungssystem auf die Brennstoffzelle geleitet, um diese zu erhitzen. Darüber hinaus weist das Brennstoffzellensystem einen Verdampfer auf, in welchem Methanol in die Gasphase überführt werden kann. Dieses Methanolgas kann anschließend dem Abgas des Brenners zugeführt werden und an einer Außenwand der Brennstoffzelle katalytisch reagieren. Dadurch wird eine weitere Temperatursteigerung der Brennstoffzelle erreicht. Als nachteilig hat es sich herausgestellt, dass der Verdampfer einen sehr hohen Energieverbrauch aufweist und anfällig für Fehlfunktionen ist.
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Die
DE 10 2005 010 935 A1 offenbart ein Brennstoffzellensystem mit einem Reformer, der einen Brenner und einen Katalysator umfasst und zum Umsetzen von Brennstoff und Oxidationsmittel zu Reformat vor gesehen ist, und mit einer Brennstoffzelle, insbesondere einer Hochtemperatur-Brennstoffzelle, die auf der Grundlage von durch den Reformer erzeugtem Reformat elektrische Energie erzeugt und dabei Anodenabgas freisetzt, wobei Mittel vorgesehen sind, die dazu geeignet sind, das gesamte Anodenabgas dem Brenner zuzuführen.
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Die
EP 1 040 079 B1 offenbart ein Verfahren zum Betrieb einer Anlage zur Wasserdampfreformierung einer Kohlenwasserstoff- oder Kohlenwasserstoffderivat-Ausgangssubstanz mit einem Reformierungsreaktor, bei dem bei warmgelaufener Anlage im Reformierungsreaktor die zu reformierende Ausgangssubstanz eine Wasserdampfreformierung erfährt und beim Kaltstart der Anlage wenigstens ein Teil des Reformierungsreaktors als Mehrfunktions-Reaktoreinheit in einer ersten Betriebsphase als katalytische Brennereinheit unter Zufuhr eines Brennstoffs und eines sauerstoffhaltigen Gases und in einer anschließenden zweiten Betriebsphase als POX-Einheit zur partiellen Oxidation der Ausgangssubstanz betrieben wird, kurz vor dem Übergang von der ersten auf die zweite Betriebsphase dem zugeführten Gemisch aus Brennstoff und sauerstoffhaltigem Gas Wasser zudosiert wird und/oder der Brennstoffmengenstrom während der ersten Betriebsphase mit steigender Temperatur der Mehrfunktions-Reaktoreinheit erhöht wird und/oder der Mengenstrom an sauerstoffhaltigem Gas schon während der ersten Betriebsphase unterstöchiometrisch eingestellt wird
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Die
DE 102 52 076 A1 offenbart ein brennstoffverarbeitendes System mit einem zweistufigen System für magere Verbrennung für einen Schnellstart des brennstoffverarbeitenden Systems und eine thermische Integration für die Reaktortemperatursteuerung.
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Aufgabe und Vorteile der Erfindung
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Brennstoffzellensystem bereitzustellen, welches einfach aufgebaut ist, wenig Bauraum benötigt und einen schnellen Kaltstart, insbesondere bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunktes, ermöglicht. Diese Aufgabe wird durch das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruches 1 in vorteilhafter Weise gelöst. Darüber hinaus wird die Aufgabe durch das Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Anspruches 7 in vorteilhafter Weise gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung und des Verfahrens ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen. Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben sind, gelten dabei selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem und jeweils umgekehrt. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein.
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Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Temperaturregelung in einem Brennstoffzellensystem offenbart, mit einer Brennstoffzelle, einem Reformer und einem Brenner, wobei in dem Reformer aus einem Treibstoff wenigstens ein Brennstoff erzeugt wird, der Brenner den Reformer für die Erzeugung des Brennstoffes heizt, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:
- - in einer Aufheizphase der zumindest teilweise flüssige Treibstoff in einen Abgasstrom des Brenners eingespritzt wird,
- - der Treibstoff in dem Abgasstrom in ein Treibstoffgas verdampft,
- - der Abgasstrom auf die Brennstoffzelle geleitet wird,
- - das Treibstoffgas mit einer katalytischen Beschichtung eines Wärmeelementes reagiert,
- - bei der Reaktion das Treibstoffgas katalytisch verbrannt und eine Wärme erzeugt wird, die die Brennstoffzelle erhitzt,
wobei in einer Kühlphase eine Kühlluft dem Abgasstrom beigemischt wird, wobei die Kühlluft eine geringe Temperatur als der Abgasstrom aufweist.
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Der vorrangige Gedanke des beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens besteht in der Nutzung der Abwärme des Reformers zum Verdampfen des Treibstoffes, so dass es keines separaten Verdampfers mehr bedarf. Ein nach diesem Verfahren betriebenes Brennstoffzellensystem weist folglich eine wesentlich höhere Zuverlässigkeit und Effizienz auf. Als Treibstoff im Sinne der Erfindung sind dabei all jene Stoffe gemeint, welche in dem Reformer umgesetzt werden, um wenigstens einen der Brennstoffe für die Brennstoffzelle zu erzeugen. Gleichfalls oder alternativ kann es sich bei dem Treibstoff auch um einen oder beide der Brennstoffe handeln, welche in der Brennstoffzelle in elektrische Energie umgesetzt werden. Entscheidend ist, dass der Treibstoff in einer flüssigen Phase in den Abgasstrom des Brenners eingeführt wird und dort verdampft. Folglich wird die zur Verdampfung benötigte Energie den heißen Abgasen des Brenners entzogen. Es bedarf keiner Bestromung eines Verdampfers, um den Treibstoff in die gasförmige Phase zu überführen.
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Ausgangspunkt für die Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Nutzung einer Brennstoffzelle in einem Brennstoffzellensystem, zur Erzeugung von elektrischer Energie. Die Umwandlung von chemischer in elektrische Energie mittels einer Brennstoffzelle stellt eine effiziente und umweltfreundliche Methode zur Gewinnung von elektrischem Strom dar. Dabei finden üblicherweise zwei räumlich getrennte Elektrodenreaktionen statt, bei denen Elektronen freigesetzt bzw. gebunden werden. Bekannte Reaktanden sind Wasserstoff und Sauerstoff, die in Form verschiedener Fluide bereitgestellt werden können. Insbesondere Sauerstoff kann in Form von Umgebungsluft der Brennstoffzelle zugeführt werden. Allerdings können insbesondere beim Betrieb von HT-PEM Brennstoffzellen (High Temperature - Proton Exchange Membrane) bei Temperaturen unter dem Taupunkt Schäden an der Brennstoffzelle entstehen. Durch die Verwendung der Abgase des Reformers findet eine Aufheizung der Brennstoffzelle auf die benötigte Betriebstemperatur statt. Um diesen Vorgang abzukürzen, weist die erfindungsgemäße Brennstoffzelle ein Wärmeelement auf, welches die Brennstoffzelle erhitzt. Um dieses zu ermöglichen, ist das Wärmeelement mit einer katalytischen Beschichtung zu versehen, an der eine Umsetzung des in dem Abgasstrom vorhandenen Treibstoffes stattfindet.
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Als katalytische Verbrennung wird im Rahmen der Erfindung eine Oxidation bezeichnet, die nicht mittels einer heißen Flamme abläuft, sondern kontrolliert mittels eines Katalysators bei niedrigeren Temperaturen. Durch niedrigere Verbrennungstemperaturen wird die Bildung von Stickoxiden (NOx) so gut wie vollständig vermieden. Als Katalysatoren für die katalytische Verbrennung sind insbesondere Metalle der 8. Nebengruppe (Platin; Palladium; Rhodium) verwendbar. An die Form der Katalysatoren (Platten; Waben; Schüttgut) werden keine speziellen Anforderungen gestellt.
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Eine erste vorteilhafte Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass der Treibstoff zumindest teilweise in einer der folgenden Phasen eingespritzt wird: Flüssig, fest, aerosolartig. Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, dass der Treibstoff in den heißen Abgasen des Reformers in die gasförmige Phase überführt wird. Aus Gründen der Zuführung hat es sich vorteilhaft herausgestellt, wenn der Treibstoff in einer flüssigen Phase vorliegt. Nichtsdestoweniger können auch Bestandteile des eingespritzten Treibstoffes fest sein. Dieses ist insbesondere dann der Fall, wenn der Treibstoff sehr stark abgekühlt wird und so kurzfristig in die feste Phase übergeht. Um eine optimale Verdampfung zu erreichen, sollte der Treibstoff in dem Abgasstrom zerstäubt werden. Die so erzielte große Oberfläche der Treibstoffpartikel erlaubt eine gleichmäßige und schnelle Verdampfung innerhalb des Abgasstromes. Als bevorzugt hat es sich heraus gestellt, wenn der Treibstoff mittels einer Pumpe aus einem Vorratsbehälter gepumpt wird. Dieser Vorratsbehälter kann identisch sein mit dem Behälter, aus dem jener Treibstoff entnommen wird, welcher in dem Reformer in den Brennstoff umgewandelt wird. Gleichfalls können Teile des im Reformer erzeugten Brennstoffes in einen Vorratsbehälter abgeführt werden und von dort aus, bei Bedarf in den Abgasstrom eingesprüht werden.
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Eine vorteilhafte Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass in der Aufheizphase mit zunehmender Abgastemperatur eine Menge an eingespritztem Treibstoff erhöht wird. Dadurch ist sichergestellt, dass der eingespritzte Treibstoff auch vollständig in dem Abgasstrom des Brenners verdampft. So bilden sich keine Flüssigkeitsreste in einer Abgasführung, welche den Abgasstrom auf die Brennstoffzelle leitet. Darüber hinaus muss die Brennstoffzelle bzw. das Wärmeelement eine Katalysetemperatur überschritten haben, bevor eine katalytische Umsetzung des Treibstoffes in Wärme geschehen kann. Ist diese Katalysetemperatur noch nicht erreicht, kann es passieren, dass der Treibstoff an dem Katalysator adsorbiert wird und so zu einer Kühlung der Brennstoffzelle bzw. des Wärmeelementes führt. Erschwerend kommt hinzu, dass bei einer Überschreitung der Katalysetemperatur es zu einer schlagartigen Zündung der katalytischen Verbrennung kommen kann, bei der die Temperatur auf dem Wärmeelement zumindest lokal 900°C weit überschreiten kann. Somit ist eine lokale Schädigung des Wärmeelementes bzw. des darin integrierten Katalysators möglich.
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Ausgangspunkt für das erfindungsgemäße Verfahren ist das Bestreben die Brennstoffzelle in einer kurzen Zeitspanne auf die benötigte Betriebstemperatur zu erwärmen. Der dazu auf die Brennstoffzelle geleitete Abgasstrom führt zusätzlich noch den verdampften Treibstoff mit, damit dieser katalytisch an der katalytischen Beschichtung des Wärmeelementes reagiert. Nach Erreichen der Betriebstemperatur führt die exotherme elektrochemische Reaktion der Brennstoffzelle dazu, dass deren Temperatur selbstständig weiter ansteigt. In diesem Fall kann es geboten sein, dass die Brennstoffzelle nicht mehr weiter erhitzt, sondern gekühlt wird. Es ist vorgesehen, dass in einer Kühlphase eine Kühlluft, insbesondere eine Umgebungsluft, dem Abgasstrom beigemischt wird, wobei die Kühlluft eine geringere Temperatur als der Abgasstrom aufweist. Diese Kühlluft kann insbesondere durch einen extern angeordneten Kühlventilator in den Abgasstrom eingebracht werden. Diese Ausführungsvariante hat den Vorteil, dass der Kühlventilator nur der geringen Temperatur der Kühlluft ausgesetzt ist und nicht mit dem heißen Abgasstrom direkt in Verbindung tritt. Der Kühlventilator kann auch dazu genutzt werden, die Strömung innerhalb der Abgasführung aufrecht zu erhalten. Im Rahmen des Aufheizens generiert zwar der Brenner einen heißen Abgasstrom. Dieser muss jedoch auch auf die Brennstoffzelle geleitet werden. Durch eine entsprechende Anordnung des Kühlventilators kann dieser zuerst kalte Umgebungsluft auf die Brennstoffzelle leiten. An einem Verbindungsbereich der Abgasführung mit der Kühlluftzuführung entsteht dadurch ein Überdruck, der den Abgasstrom in Richtung der Brennstoffzelle drückt. Durch den entstehenden Kamineffekt kann die Leistung des Kühlventilators reduziert werden, da die warmen Abgase selbstständig für das Aufrechterhalten des Abgasstromes sorgen. Erst wenn die Aufheizphase abgeschlossen ist und das Brennstoffzellensystem in die Kühlphase übergeht, kann der Kühlventilator wieder aktiviert werden, um Kühlluft dem heißen Abgasstrom beizumischen.
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Da nach Abschluss der Aufheizphase die Brennstoffzelle selbstständig Wärme erzeugt, wird in einer weiteren vorteilhaften Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens bei einem Übergang aus der Aufheizphase in die Kühlphase die Menge an eingespritztem Treibstoff reduziert. Die dem Verfahren zugrunde liegende Grundidee der schnellen Erwärmung der Brennstoffzelle ist abgeschlossen, sodass keine weitere externe Wärme mehr der Brennstoffzelle zugeführt werden muss. Aus Gründen der Abgasnachverbrennung kann es angebracht sein, noch kleine Mengen Treibstoff in den Abgasstrom einzuspritzen. Denn unter Verwendung des katalytisch beschichteten Wärmeelementes kann eine Nachverbrennung der Abgase mit hoher Luftzahl stattfinden. Dadurch findet eine nochmalige Reduktion der CO-, H2- und Methanol- Emission in die Umgebungsluft statt. Durch die zugeführte kalte Kühlluft ist genügend Sauerstoff vorhanden, um eine nahezu vollständige Nachverbrennung der genannten Stoffe durchzuführen.
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Um eine optimale Einspritzung des Treibstoffes in den Abgasstrom vornehmen zu können, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn wenigstens ein Temperatursensor mindestens eine Temperatur eines der folgenden Elemente misst: der Brennstoffzelle, des Wärmeelementes, des Abgasstromes oder der Kühlluft. Durch die ermittelten Temperaturen kann in einer zentralen Recheneinheit bestimmt werden, welche Menge an Treibstoff in den heißen Abgasstrom eingespritzt werden soll. Dadurch ist eine schnelle Überbrückung der Zeitspanne bis zum Erreichen der Betriebstemperatur durch die Brennstoffzelle möglich.
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Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin ein Brennstoffzellensystem, mit einer Brennstoffzelle, einem Reformer, einen Brenner und einer Abgasführung, wobei der Reformer aus einem Treibstoff wenigstens einen Brennstoff erzeugt, der Brennstoff in der Brennstoffzelle nutzbar ist, der Brenner den Reformer für die Erzeugung des Brennstoffes heizt, die Abgasführung einen Abgasstrom des Brenners auf die Brennstoffzelle leitet. Ferner wird ein Fördermittel den Treibstoff in flüssiger Form derart in den Abgasstrom einspritzt, dass der Treibstoff in dem Abgasstrom verdampft, wobei das Brennstoffzellensystem ferner einen extern angeordneten Kühlventilator zum Einbringen einer Kühlluft in den Abgasstrom aufweist, wobei das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem nach einem der oben beschriebenen Verfahren betreibbar ist. Dabei sollen Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben wurden, auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem gelten. Bei dem Fördermittel kann es sich insbesondere um eine Pumpe handeln, die den flüssigen Treibstoff aus einem Vorratsbehälter in die Abgasführung pumpt.
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Die dem Brennstoffzellensystem zugrunde liegende Brennstoffzelle kann, muss aber nicht aus einer Mehrzahl von Brennstoffzelleneinheiten geformt sein. Jede der Einheiten weist eine erste Elektrode und eine zweite Elektrode sowie ein Elektrolyt auf. Durch eine Beaufschlagung der Elektroden mit zwei unterschiedlichen Brennstoffen wird durch eine elektrochemische Reaktion ein elektrischer Strom erzeugt. Da die Brennstoffzelle chemische Energie auf direktem Weg in elektrische Energie umwandelt, ist sie im Gegensatz zu einem Verbrennungsprozess nicht dem maximal theoretischen Wirkungsgrad eines Carnot-Prozesses unterworfen. Die beiden Brennstoffe werden häufig in Form verschiedener Fluide bereitgestellt. Ein Beispiel für die zwei korrespondierenden Elektrodenreaktionen sind die folgenden: H2 => 2H+ + 2e- (Anodenreaktion) 2H+ + 2e- + ½ O2 => H2O (Kathodenreaktion).
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Der gewonnene elektrische Strom kann in einer Last verbraucht werden.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung kann die erste Elektrode als eine Anodenplatte ausgeformt sein. Bei einer Brennstoffzelle, welche mit den Reaktanden Sauerstoff und Wasserstoff betrieben wird, nimmt die Anode das Wasserstoffgas auf und die Kathode Sauerstoff, der insbesondere aus der Umgebungsluft zugeführt wird. Das Wasserstoffgas wird in der Anode aufgespalten um freie Protonen und Elektronen zu erzeugen. Die Protonen gelangen durch den Elektrolyt an die Kathode, reagieren dort mit dem Sauerstoff und den Elektronen, um Wasser zu erzeugen. Die Elektronen von der Anode können nicht durch den Elektrolyt gelangen, da dieser isolierend ist. Folglich ist es möglich, diese Elektronen durch eine Last zu führen, in der die Elektronen eine gewünschte Arbeit verrichten. Da häufig die von einer Brennstoffzelle zur Verfügung gestellte Leistung nicht ausreicht, kann eine Kombination einer Mehrzahl von Brennstoffzelleneinheiten in eine Brennstoffzelle stattfinden. Dabei sind Bipolarplatten zwischen den einzelnen Brennstoffzelleneinheiten der Brennstoffzelle angeordnet. Für einzelne Brennstoffzelleneinheiten, die im Brennstoffzellenbetrieb genutzt werden und der Umsetzung von Wasserstoff und Sauerstoff dienen, liegt die gelieferte Spannung theoretisch bei ca. 1,23 Volt bei einer Temperatur von 25 °C. Häufig wird dieser theoretische Wert in der Praxis aber nicht erreicht, da die Spannung vom Brennstoff, von der Qualität der Zelle und von der Temperatur abhängig ist. Um eine höhere Spannung zu erhalten, kann eine Mehrzahl von Brennstoffzelleneinheiten in der Brennstoffzelle angeordnet sein. Insbesondere eine Reihenschaltung der Brennstoffzelleneinheiten ergibt eine leistungsfähige Brennstoffzelle.
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Um eine Umsetzung des eingespritzten flüssigen Treibstoffes in dem Abgasstrom zu erreichen, zeichnet sich eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems dadurch aus, dass dieses ein Wärmeelement aufweist, wobei das Wärmeelement eine katalytische Beschichtung aufweist und der verdampfte Treibstoff an dem Wärmeelement katalytisch verbrennbar ist. Durch die katalytische Umsetzung des Treibstoffes entsteht Wärme, welche das Wärmeelement aufheizt. Die so gewonnene Wärme wird dann gemäß dem beschriebenen Verfahren genutzt, um die Brennstoffzelle aufzuheizen, damit diese die Betriebstemperatur erreicht.
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In einer Ausführungsvariante ist das Wärmelement Teil eines Gehäuses der Brennstoffzelle. Folglich umschließt das Wärmeelement die Brennstoffzelle zumindest bereichsweise. Der an dem Gehäuse vorbeistreichende Abgasstrom enthält den verdampften Treibstoff. Dieser reagiert katalytisch mit dem Wärmeelement und heizt so das Gehäuse der Brennstoffzelle auf. Durch eine entsprechende Auslegung der inneren Struktur der Brennstoffzelle ist ein Wärmetransport mit nur geringen Verlusten erreichbar. Folglich strömt die Wärme von dem äußeren Gehäuse in das Innere der Brennstoffzelle ein und sorgt so dafür, dass die erste und zweite Elektrode schnell eine Temperatur erreichen, welche einen Start der elektrochemischen Reaktion ermöglicht. In einer alternativen Ausführungsvariante ist das Wärmelement ein katalytischer Brenner, der in dem Abgasstrom angeordnet ist. Der Treibstoff wird wiederum an der katalytischen Beschichtung des Wärmeelementes umgesetzt und erzeugt so eine direkte Erwärmung des Wärmeelementes. Die generierte Wärme wird aber nicht durch Wärmetransport in das Innere der Brennstoffzelle eingeführt. Vielmehr leitet der Abgasstrom die im Wärmeelement entstehende Wärme ab. Der Abgasstrom wird dadurch weiter erhitzt. Der nunmehr in seiner Temperatur erhöhte Abgasstrom trifft anschließend auf das Gehäuse der Brennstoffzelle auf. Die Kombination des warmen Abgasstromes mit der zusätzlichen durch das Wärmeelement eingebrachten Wärmemenge führt zu einer schnellen Aufheizung der Brennstoffzelle auf die benötigte Betriebstemperatur. Um eine schnelle katalytische Umsetzung des verdampften Treibstoffs an dem Wärmeelement zu erreichen, ist es vorteilhaft, wenn die katalytische Beschichtung des Wärmeelementes einen Oxidationskatalysator aufweist. Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn die katalytische Beschichtung wenigstens einen der folgenden Stoffe aufweist: Platin, Palladium beschichtete Aluminium-Körper, Cereisen, Raney-Nickel, Rhodium, Palladium, Vanadiumpentoxid oder Samariumoxid.
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Ausführungsbeispiele
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Weitere Vorteile, Merkmale oder Einzelheiten der Erfindung sind in der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen erläutert werden, beschrieben. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein. Es zeigen:
- 1 ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem,
- 2 ein Diagramm einer Brennstoffzellentemperatur als Funktion der Zeit und
- 3 ein weiteres Diagramm der Brennstoffzellentemperatur als Funktion der Zeit.
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In 1 ist ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem 10 dargestellt. Das Brennstoffzellensystem 10 beinhaltet eine Brennstoffzelle 20, die zur elektrochemischen Umsetzung von zwei Brennstoffen zur Erzeugung elektrischer Energie dient. Im Rahmen des dargestellten Ausführungsbeispieles, weist die Brennstoffzelle 20 eine Anode 21 und eine Kathode 22 auf. Dieses soll nicht als Beschränkung dahingehend verstanden werden, dass die Brennstoffzelle 20 ausschließlich mit einer Anode 21 und einer Kathode 22 betrieben werden kann. Vielmehr kann die Brennstoffzelle 20 auch eine Vielzahl von Brennstoffzelleneinheiten aufweisen, bei der jede der Einheiten über eine Anode 21 und Kathode 22 verfügt. Die in der Zeichnung gewählte Brennstoffzelle 20 soll vielmehr eine einfache Verdeutlichung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystemes 10 ermöglichen.
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In der dargestellten Brennstoffzelle 20 werden Wasserstoff und Sauerstoff elektrochemisch verbrannt, um daraus elektrischen Strom zu generieren. Der Sauerstoff wird der Brennstoffzelle 20 durch eine Umgebungsluft 24 zugeführt. Die Umgebungsluft 24 tritt dabei durch einen Wärmetauscher 25 hindurch, der für eine Erwärmung sorgt. Anschließend wird die Umgebungsluft 24 der Brennstoffzelle 20 an der Seite der Kathode 22 zugeführt. Der Wasserstoff kann einerseits in einem speziell dafür vorgesehenen Behälter gelagert sein und der Brennstoffzelle 20 zugeführt werden. Allerdings ist Wasserstoff chemisch sehr reaktiv und stellt somit ein gewisses Gefährdungspotential dar. Folglich hat es sich als vorteilhaft erwiesen, einen chemisch stabileren Stoff mitzuführen, welcher in einem Reformer 30 in Wasserstoff umgesetzt wird. Das dargestellte Brennstoffzellensystem 10, weist einen Tank 60 auf, in welchem Träger von Wasserstoff, wie etwa Biomasse, fossile Energieträger, wie zum Beispiel Erdgas oder Methanol, gelagert werden können. Diese Wasserstoffträger werden über eine Förderpumpe 61 in einen Verdampfer 36 gefördert. Nachdem der Energieträger in die gasförmige Phase übergegangen ist, wird dieser in einem Reformer 30 katalytisch umgesetzt. Dieses kann beispielsweise im Rahmen einer Dampfreformierung geschehen. Vorraussetzung dafür ist die Zufuhr von Wärme durch einen Brenner 35. Dieser Brenner 35 kann ebenfalls durch den Energieträger aus dem Tank 60 betrieben werden. Eine Treibstoffpumpe sorgt für einen entsprechenden Transport des Energieträgers in den Brenner, wo dieser verbrannt wird, um die benötigte Energie für die Dampfreformierung zu erzeugen. Bei der Dampfreformierung findet eine katalytische Umsetzung von leichten Kohlenwasserstoffen statt, aus welchen unter Zuführung der Wärme des Brenners 35 ein Synthesegas hervorgeht. Dieses weist insbesondere Kohlenmonoxyd, Methan und Wasserstoff auf. Der so erzielte Wasserstoff wird über eine Versorgungsleitung 27 der Anode 21 zugeführt.
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Brennstoffzellen 20, insbesondere bei HT-PEM (High Temperature- Proton Exchange Membran) Brennstoffzellen können erst bei Temperaturen von 130°C bis 180°C betrieben werden. Folglich muss vor Betriebsbeginn in einer Aufheizphase die Temperatur der Brennstoffzelle auf mindestens 130°C gebracht werden. Um diese Vorgabe zu erfüllen, werden im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens eine Mehrzahl verschiedener Schritte durchgeführt. Die noch kalte Brennstoffzelle 20 soll in der Aufheizphase auf die gewünschte Betriebstemperatur aufgeheizt werden. Dazu wird innerhalb der Aufheizphase der zumindest teilweise flüssige Treibstoff aus dem Tank 60 in einen Abgasstrom des Brenners 35 eingespritzt. Dadurch, dass der Abgasstrom des Brenners 35 eine Temperatur aufweist, die oberhalb des Verdampfungspunktes des Treibstoffes liegt, wird der Treibstoff in dem Abgasstrom in ein Treibstoffgas umgewandelt. Mittels einer Abgasführung 50 wird der Abgasstrom auf die Brennstoffzelle 20 geleitet. Durch den warmen Abgasstrom findet eine Aufheizung der Brennstoffzelle 20 statt. Eine zusätzliche Aufheizung der Brennstoffzelle 20 und eine damit verbundene Verkürzung der Aufheizphase finden dadurch statt, dass das im Abgasstrom enthaltene Treibstoffgas mit einer katalytischen Beschichtung eines Wärmeelementes 40 reagiert. Bei dieser Reaktion wird das Treibstoffgas katalytisch verbrannt und eine Wärme erzeugt, die die Brennstoffzelle 20 erhitzt. Der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass der flüssige Treibstoff aus dem Tank 60 nicht zuerst in einem Verdampfer in ein Treibstoffgas umgewandelt und dann dem Abgasstrom beigefügt wird. Vielmehr erfolgt die Verdampfung des Treibstoffes unter Zuhilfenahme der hohen Temperatur des Abgasstromes.
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Um dem Abgasstrom eine definierte Strömungsrichtung hin zu einem Abgasaustritt 26 zu verschaffen, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, ein Gebläse 55 zu nutzen. Dieses Gebläse 55 fördert eine Kühlluft, insbesondere eine Umgebungsluft derart, dass diese dem Abgasstrom beigemischt wird und für eine entsprechend definierte Strömungsrichtung sorgt. Die dargestellte Ausführungsvariante hat den Vorteil, dass das Gebläse 55 nur mit der Umgebungsluft in Berührung kommt. Folglich muss das Gebläse 55 nicht für die hohen Temperaturen des Abgasstromes in der Abgasführung 50 ausgelegt sein. Im Rahmen der Aufheizphase wird ein geringer Anteil von Umgebungsluft durch das Gebläse 55 dem Abgasstrom beigemischt. Die zugeführte Menge muss nur ausreichen, um eine definierte Strömungsrichtung zu erzeugen. Die Steuerung der beigemischten Umgebungsluftmenge kann durch eine Variation einer Drehzahl des Gebläses 55 und/oder eine Stellung einer Abdeckung 56 geschehen. Dabei regelt die Abdeckung 56 einen dem Gebläse zugeführten Volumenstrom. Um die Menge des eingespritzten Treibstoffes zu optimieren, hat es sich als vorteilhaft erwiesen eine Mehrzahl von Temperatursensoren 81, 81', 81" in das Brennstoffzellensystem 10 zu integrieren. Somit ist es möglich, mit steigender Abgastemperatur des Brenners 36 die Menge des eingespritzten flüssigen Treibstoffes zu erhöhen. Die Brennstoffzufuhr kann dabei von einem Steuergerät 80 geregelt werden.
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In den 2 und 3 sind Diagramme dargestellt, welche den Zeitablauf der Regelgrößen Reformertemperatur 100 und Brennstoffzellentemperatur 110 sowie den Stellgrößen Kuhlluftvolumenstrom 130 und beigemischter Menge Treibstoff 140 in einer Aufheizphase darstellt. Ebenfalls eingezeichnet ist ein Regelwert für die erzeugte Stromproduktion 140 durch die Brennstoffzelle 20. Zu Beginn der Aufheizphase wird der Reformer 30 durch den Brenner 35 aufgewärmt. Nach ca. 50 Sekunden hat die Temperatur des Abgases einen Wert erreicht, bei dem mit der Verdampfung des zumindest teilweise flüssigen Treibstoffes begonnen werden kann. Mit zunehmender Steigung der Reformer- und Abgastemperatur wird die Menge des eingespritzten Treibstoffes erhöht und gleichzeitig auch die Menge der von dem Gebläse 80 geförderten Umgebungsluft angehoben, um eine genügende Verbrennungsluft für die Aufheizung der Brennstoffzelle 20 bereitzustellen. Nach ca. 80 Sekunden ist die Temperatur des Abgases hoch genug, um die maximale Menge an Treibstoff beizumischen. Schon nach einer kurzen Zeit von 130 Sekunden hat die Brennstoffzelle 20 eine Temperatur von ca. 125°C erreicht, welcher die beiden Brennstoffe zur Stromproduktion in die Brennstoffzelle geleitet werden können. Die Beimischung des Treibstoffes in den Abgasstrom wie auch die Leistung des Gebläses 55 können reduziert werden, um die Brennstoffzelle 20 im weiteren Aufheizvorgang nicht unnötig zu kühlen. Eine weitere Erwärmung bis zur optimalen Betriebstemperatur erfolgt auf Grund der Stromproduktion der Brennstoffzelle 20. Beim Erreichen der Betriebstemperatur nach ca. 220 Sekunden, kann die Leistung des Gebläses 55 wieder angehoben werden und der Wärmeproduktion der Brennstoffzelle 20 angepasst werden. Alternativ zu dem in 2 beschriebenen Verfahren, ist es auch möglich, die Aufheizzeit noch weiter zu verringern, in dem der Treibstoff bis zum Erreichen der endgültigen Betriebstemperatur zugegeben wird. Dieses verdeutlicht das Diagramm aus 3.
