DE102008018152A1 - Brennstoffzellensystem und zugehöriges Betriebsverfahren - Google Patents
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Abstract
Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft ein mit einem Reformer ausgestattetes Brennstoffzellensystem sowie ein zugehöriges Betriebsverfahren.
- Aus der
DE 102 44 883 B4 ist eine Heizeinrichtung für ein Fahrzeug bekannt, die einen Reformer zum Generieren eines Wasserstoffgas enthaltenden Reformatgases aus einem Wasserstoff enthaltenden Brennstoff und einem Oxidator enthält. Ferner ist eine an eine Eingangsseite des Reformers angeschlossene Oxidatorleitung zum Zuführen des Oxidators zum Reformer vorgesehen. Des weiteren ist eine an eine Ausgangsseite des Reformers angeschlossene Reformatgasleitung zum Abführen von Reformatgas vom Reformer vorgesehen. Außerdem umfasst die Heizeinrichtung einen in die Reformatgasleitung eingebundenen Nachbrenner zum Umsetzen zumindest eines Teils des Reformatgases mit einem Oxidator. Ferner ist ein Nachbrennerwärmeübertrager vorgesehen, der einerseits stromab des Nachbrenners in die Reformatgasleitung eingebunden ist und der bei der bekannten Heizeinrichtung andererseits in einen Heizkreis zum Beheizen eines Fahrzeuginnenraums o der zum Anwärmen einer Brennkraftmaschine des Fahrzeugs eingebunden ist. - Aus der
DE 10 2005 058 530 A1 ist ein Brennstoffzellensystem bekannt, dessen Reformer zwei voneinander getrennte Kraftstoffanschlüsse aufweist, die im Reformer jeweils zu einem Fließverdampfer führen und denen jeweils flüssiger Kraftstoff zuführbar ist. Desweiteren weist der Reformer einen Luftanschluss auf, an den eine Luftleitung zur Versorgung des Reformers mit Luft angeschlossen ist. Desweiteren kann eine Rezirkulationsleitung vorgesehen sein, die Anodenabgas der Brennstoffzelle stromauf des Reformers in die zum Reformer führende Luftleitung einleitet. Darüber hinaus kann beim bekannten Brennstoffzellensystem flüssiger Kraftstoff in die Rezirkulationsleitung eingeleitet werden, wodurch der Kraftstoff zunächst in die Luftleitung und über diese in den Reformer gelangt. Durch die aufgezeigten unterschiedlichen Möglichkeiten, dem Reformer Kraftstoff zuzuführen, lässt sich für den Reformer ein relativ großer Leistungsbereich realisieren. - Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, für ein Brennstoffzellensystem bzw. für ein zugehöriges Betriebsverfahren eine verbesserte Ausführungsform anzugeben, die sich insbesondere dadurch auszeichnet, dass mit Hilfe des Reformers besonders hohe Leistungen realisierbar sind.
- Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
- Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, den Reformer mit separaten Anschlüssen für rezirkuliertes Anodenabgas und zugeführte Reformerluft auszustatten. Der ggf. dem rückgeführten Anodenabgas zugeführte Kraftstoff vermischt sich dann erst im Reformer mit der Reformerluft. Da sich das rezirkulierte Anodenabgas auf einem höheren Temperaturniveau als die die dem Reformer zugeführte Luft befindet, kann durch die vorgeschlagene Bauweise die Verdampfung des flüssigen Kraftstoffs in der Rezirkulationsleitung bis zum Reformer verbessert werden, wodurch insgesamt mehr Kraftstoff verdampft werden kann, was zu einer Leistungssteigerung des Reformers genutzt werden kann. Darüber hinaus besteht bei einem heißen Kraftstoff-Luft-Gemisch stets die Gefahr einer Selbstentzündung, was innerhalb des Reformers erwünscht sein kann, jedoch außerhalb des Reformers zu vermeiden ist.
- Sofern die Rezirkulationsleitung gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform einen Rezirkulationswärmeübertrager enthält, mit dessen Hilfe das rezirkulierte Anodengas gekühlt bzw. die dem Reformer zugeführte Luft aufgeheizt werden kann, ist bei einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung vorgesehen, die Kraftstoffeinleitung in die Rezirkulationsleitung stromauf oder stromab des Rezirkulationswärmeübertragers zu realisieren. Die Anordnung stromauf begünstigt aufgrund des höheren Temperaturniveaus die Verdampfung, während die Anord nung stromab die Gefahr einer Kondensation des Kraftstoffdampfs im Rezirkulationswärmeübertrager reduziert.
- Bei einer anderen vorteilhaften Ausführungsform kann in eine Reformatgas vom Reformer abführende Reformatgasleitung ein Nachbrenner eingebunden sein. Hierdurch kann insbesondere bei einem Kaltstart des Systems eine rasche Aufheizung realisiert werden. Besonders vorteilhaft ist es dabei, wenn ein Nachbrennerwärmeübertrager in die Reformatgasleitung eingebunden und/oder wärmeübertragend mit dem Nachbrenner gekoppelt wird. Hierdurch kann die im Betrieb des Nachbrenners generierte Wärme zum Aufheizen von Edukten des Brennstoffzellensystems genutzt werden. Beispielsweise kann besagter Nachbrennerwärmeübertrager stromauf des Reformers in eine Oxidatorleitung eingebunden werden, die den Reformer und/oder die Brennstoffzelle mit Oxidatorgas, also insbesondere mit Luft versorgt.
- Beispielsweise kann durch die Aufheizung oder Vorwärmung des dem Reformer zugeführten Oxidators der Reformer schneller stabile Zustände für die Gemischbildung erreichen, insbesondere für die Brennstoffverdampfung, sowie für die partielle Oxidation des Gemischs. Ferner kann der Reformer dadurch rascher seine Betriebstemperatur erreichen. Insbesondere begünstigt der aufgeheizte Oxidator die Verdampfung eines flüssigen Brennstoffs und reduziert dadurch die anderenfalls hierzu erforderliche elektrische Energie.
- Durch die verkürzte Startphase kann der Reformer rascher seine Volllast erreichen und ausreichend Reformatgas generieren. Die Nachverbrennung im Nachbrenner erhöht dabei die Qualität des Reformatgases, was eine Rußbildung im nachfolgenden Pfad reduziert.
- Der Nachbrenner kann bevorzugt unterstöchiometrisch betrieben werden, wodurch gegebenenfalls im Reformatgas noch enthaltene Kohlenwasserstoffe durch partielle Oxidation in Wasserstoffgas, Kohlendioxid und Kohlenmonoxid sowie Wasser umsetzbar sind. Die Qualität des Reformatgases lässt sich dadurch steigern, was eine signifikante Verbesserung hinsichtlich der Vermeidung einer Rußbildung z. B. in einer nachgeordneten Brennstoffzelle beiträgt.
- Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
- Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
- Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen.
- Es zeigen, jeweils schematisch,
-
1 und2 jeweils eine stark vereinfachte, schaltplanartige Prinzipdarstellung eines Brennstoffzellensystems, bei unterschiedlichen Ausführungsformen, -
3 und4 jeweils einen stark vereinfachten, schaltplanartigen Längsschnitt durch einen Reformer, bei unterschiedlichen Ausführungsformen. - Entsprechend den
1 und2 umfasst ein Brennstoffzellensystem1 zumindest eine Brennstoffzelle2 sowie wenigstens einen Reformer3 . Die Brennstoffzelle2 umfasst üblicherweise eine Kathodenseite4 sowie eine Anodenseite5 , die über ein Elektrolyt6 voneinander getrennt sind. Im Betrieb setzt die Brennstoffzelle2 am Elektrolyt6 ein Wasserstoffgas enthaltendes Anodengas mit Sauerstoffgas enthaltendem Kathodengas, z. B. Luft, um, wobei elektrischer Strom an wenigstens einem elektrischen Anschluss7 abgreifbar ist. Im Beispiel führt eine elektrische Leitung8 zu einem elektrischen Verbraucher9 . Das Brennstoffzellensystem1 kann beispielsweise in einem Kraftfahrzeug angeordnet sein und dort als zusätzliche oder als einzige Stromquelle dienen, um elektrische Verbraucher9 des Fahrzeugs mit elektrischer Energie zu versorgen. - Der Reformer
3 ist so ausgestaltet, dass er aus einem Wasserstoff enthaltenden Kraftstoff, bei dem es sich grundsätzlich um einen beliebigen, bevorzugt flüssigen Kohlenwasserstoff handelt, und einem geeigneten Oxidator, z. B. Luft, ein Wasserstoffgas enthaltendes Reformatgas generiert, das innerhalb des Brennstoffzellensystems1 bevorzugt der Brennstoffzelle2 als Anodengas zugeführt werden kann. Der Reformer3 enthält hierzu einen Gemischbildungsabschnitt10 und einen Reformierungsabschnitt11 . Im Gemischbildungsabschnitt10 erfolgt die Gemischbildung aus Kraftstoff und Oxidator. Sofern es sich beim Kraftstoff um einen flüssigen Kraftstoff handelt, beispielsweise Benzin, Diesel oder Biokraftstoff, erfolgt im Gemischbildungsabschnitt10 außerdem eine Verdampfung des Kraftstoffs. Hierbei kann der Gemischbildungsabschnitt10 beispielsweise mit einer kalten Flamme arbeiten. Im Reformierungsabschnitt11 erfolgt die partielle Oxidation des Gemischs, wodurch die Kohlenwasserstoffe z. B. mit Sauerstoff in Wasserstoffgas, Kohlenmonoxid, Kohlendioxid und Wasser aufgespalten werden. Hierzu enthält der Reformierungsabschnitt11 einen hierfür geeigneten Katalysator12 . - Zur Versorgung des Reformers
3 mit Kraftstoff ist eine Kraftstoffversorgungsleitung13 vorgesehen, die eine an eine Eingangsseite14 des Reformers3 angeschlossene Kraftstoffleitung15 und eine darin angeordnete Fördereinrichtung16 , z. B. eine Pumpe, umfasst. Die Eingangsseite14 besitzt hierzu einen Kraftstoffanschluss53 . Zur Versorgung des Reformers3 mit Oxidator, der insbesondere Luft sein kann, ist eine Oxidator- oder Luftversorgungseinrichtung17 vorgesehen, die über eine Oxidator- oder Luftleitung18 an die Eingangsseite14 angeschlossen ist. Diese weist hierzu einen Luftanschluss54 auf. Die gleiche Oxidator- bzw. Luftversorgungseinrichtung17 wird im Beispiel gemäß1 auch zur Versorgung der Brennstoffzelle2 mit Kathodengas verwendet, bei dem es sich bevorzugt um Luft handelt. Hierzu zweigen eine Kathodengasleitung20 und die Luftleitung18 z. B. über eine geeignete Ventileinrichtung21 von einer gemeinsamen Versorgungsleitung19 ab. In dieser Versorgungsleitung19 kann eine Fördereinrichtung22 , z. B. ein Gebläse, angeordnet sein. - Alternativ kann bei der in
2 gezeigten Ausführungsform zur Versorgung der Brennstoffzelle2 mit Oxidatorgas eine separate zweite Oxidator- bzw. Luftzuführeinrichtung49 vorgesehen sein, deren Oxidator- bzw. Luftleitung direkt die Kathodengasleitung20 bildet. Diese zweite Oxidatorzuführung49 enthält in der Kathodengasleitung20 eine geeignete Fördereinrichtung50 , z. B. ein Gebläse, wodurch die Versorgung der Brennstoffzelle2 mit Oxidatorgas unabhängig von der Luftversorgung des Reformers3 ist. Bei der Ausführungsform gemäß2 geht die Versorgungsleitung19 direkt in die Luftleitung18 über oder ist mit dieser identisch. - An eine Ausgangsseite
23 des Reformers3 ist gemäß den1 und2 eine Reformatgasleitung24 angeschlossen, über die das Reformatgas vom Reformer3 abführbar ist. In den Beispielen ist die Reformatgasleitung24 an die Anodenseite5 der Brennstoffzelle2 angeschlossen und kann in der Folge auch als Anodengasleitung24 bezeichnet werden. - Das Brennstoffzellensystem
1 weist hier außerdem einen Restgasbrenner25 auf, der in einem Brennraum26 Kathodenabgas und Anodenabgas umsetzt. Bei dieser Verbrennungsreaktion, die mit offener Flamme oder katalytisch erfolgen kann, entsteht Brennerabgas, das über eine Abgasleitung27 vom Restgasbrenner25 abgeführt wird. Der Restgasbrenner26 ist über eine Kathodenabgasleitung28 an die Kathodenseite4 der Brennstoffzelle2 angeschlossen. Ferner ist der Restgasbrenner25 über eine Anodenabgasleitung29 an die Anodenseite5 der Brennstoffzelle2 angeschlossen. In die Abgasleitung27 ist im Beispiel ein Wärmeübertrager30 eingebunden, der außerdem in die Kathodengasleitung20 eingebunden ist. Auf diese Weise kann die Wärme des Brennerabgases zum Aufheizen des Kathodengases20 genutzt werden, was die Effektivität der Brennstoffzelle2 erhöht. In der Abgasleitung27 kann wenigstens ein weiterer Wärmeübertrager angeordnet sein, beispielsweise um einen Fahrzeuginnenraum zu beheizen und/oder um eine Brennkraftmaschine aufzuwärmen. Des weiteren können in der Abgasleitung27 Abgasbehandlungseinrichtungen, wie z. B. ein Oxidationskatalysator, angeordnet sein. - An den Restgasbrenner
25 ist eingangsseitig außerdem eine Kühlgasleitung51 angeschlossen, über die dem Restgasbrenner25 bedarfsabhängig ein Kühlgas, z. B. Luft, zugeführt werden kann. Insbesondere kann das Kühlgas dem Kathodenabgas zugemischt werden. Bei der Ausführungsform gemäß1 zweigt die Kühlgasleitung51 über die Ventileinrichtung21 von der Versorgungsleitung19 ab. Bei der in2 gezeigten Ausführungsform zweigt die Kühlgasleitung51 über ein entsprechendes Steuerventil52 von der Kathodengasleitung20 ab. - Bei den hier gezeigten Ausführungsformen der
1 und2 ist außerdem eine Rezirkulationseinrichtung83 vorgesehen, mit deren Hilfe über eine Rezirkulationsleitung31 dem Reformer3 Anodenabgas rückführbar ist. Hierzu ist die Rezirkulationsleitung31 eingangsseitig bei32 an die Anodenabgasleitung29 und ausgangsseitig an die Eingangsseite14 des Reformers3 angeschlossen. Hierfür weist diese einen Rezirkulationsanschluss55 auf. In der Rezirkulationsleitung31 ist im Bespiel ein Rezirkulationswärmeübertrager33 angeordnet, der außerdem in die Luftleitung18 eingebunden ist. Hierdurch kann eine Aufheizung der zur Versorgung des Reformers3 dienenden Reformerluft realisiert werden. Gleichzeitig kann dadurch eine Abkühlung des rückgeführten Anodenabgases realisiert werden. Es ist klar, dass der Rezirkulationswärmeübertrager33 zusätzlich oder alternativ auch in die Kathodengasleitung20 und/oder in die Brennstoffleitung15 eingebunden sein kann. - In der Rezirkulationsleitung
31 ist, bevorzugt stromab des Rezirkulationswärmeübertragers33 , eine Fördereinrichtung34 angeordnet, bei der es sich beispielsweise um eine Pumpe, um ein Gebläse oder um einen Verdichter oder Kompressor oder dergleichen handeln kann. - Der hier vorgestellte Reformer
3 ist zusätzlich mit einem Nachbrenner35 ausgestattet, der in die Reformatgasleitung24 eingebunden ist. Im Nachbrenner35 können beispielweise im Reformatgas noch enthaltene Kohlenwasserstoffe umgesetzt werden. Ebenfalls kann im Nachbrenner35 zumindest teilweise eine Umsetzung des Reformatgases erfolgen. In jedem Fall wird hierzu ein Oxidator benötigt, insbesondere Sauerstoff. Dieser Oxidator, der bevorzugt Luft ist, wird dem Nachbrenner35 über eine zusätzliche Oxidatorleitung36 zugeführt. Diese Nachbrenneroxidatorleitung36 zweigt im Beispiel gemäß1 über die Ventileinrichtung21 von der Versorgungsleitung19 ab. Ebenso ist es grundsätzlich möglich, diese Nachbrenneroxidatorleitung36 von der Kathodengasleitung20 oder von der Reformeroxidatorleitung18 abzuzweigen. Bei dem in2 gezeigten Beispiel zweigt die Nachbrenneroxidatorleitung36 über ein weiteres Steuerventil37 von der Kathodengasleitung20 ab. Die Nachbrenneroxidatorleitung36 ist bei beiden Beispielen an eine Brennkammer38 des Nachbrenners35 angeschlossen. Zur Zündung der Nachbrenner-Verbrennungsreaktion kann eine entsprechende Zündhilfe39 vorgesehen sein, bei der es sich um eine Glühkerze, einen Glühstift oder eine Zündkerze oder ein beliebiges anderes Zündorgan handeln kann. Außerdem kann eine in2 gezeigte Zündhilfe82 dem Reformer3 bzw. dessen Gemischbildungsabschnitt10 zugeordnet sein. - Des weiteren ist der hier gezeigte Reformer
3 mit einem Nachbrennerwärmeübertrager49 ausgestattet. Dieser ist einerseits mit dem Nachbrenner35 wärmeübertragend gekoppelt und zusätzlich oder alternativ in die Reformatgasleitung24 , und zwar stromab des Nachbrenners35 und andererseits in die Reformeroxidatorleitung18 , und zwar stromauf des Reformers3 eingebunden. Zu diesem Zweck weist die Reformeroxidatorleitung18 einen Wärmeübertragerzweig41 mit einem zum Wärmeübertrager40 führenden Vorlauf42 und einem vom Wärmeübertrager40 zurückkommenden Rücklauf43 auf. Der Vorlauf42 zweigt über eine Vorlaufventileinrichtung44 vom Hauptstrang der Reformeroxidatorleitung18 ab. Der Rücklauf43 ist über eine Rücklaufventileinrichtung45 an den Hauptstrang der Reformeroxidatorleitung18 angeschlossen, und zwar stromab der Vorlaufventileinrichtung44 . - Bei der in
1 gezeigten Ausführungsform zweigt der Vorlauf42 stromab der Ventileinrichtung21 von der Reformeroxidator- bzw. Luftleitung18 ab. Im Unterschied dazu ist bei der in2 gezeigten Ausführungsform die Vorlaufventileinrichtung44 in die Versorgungsleitung19 eingebunden bzw. am Übergang zwischen der Versorgungsleitung19 und der Luftleitung18 angeordnet. - Grundsätzlich kann auch eine der Ventileinrichtungen
44 und45 entfallen; ebenso kann die eine bzw. die jeweilige Ventileinrichtung innerhalb des Vorlaufs42 oder innerhalb des Rücklaufs43 angeordnet sein. Über den Strömungswiderstand ergibt sich die gewünschte Strömungsführung auch bei der Verwendung nur einer Ventileinrichtung44 bzw.45 . - Bemerkenswert ist außerdem, dass bei den hier gezeigten Ausführungsformen der Vorlauf
42 jeweils stromauf des Rezirkulationswärmeübertragers33 von der Luftleitung18 bzw. von der Versorgungsleitung19 abzweigt. - Des weiteren ist hier eine Steuerung
46 vorgesehen, die auf geeignete Weise mit den steuerbaren Komponenten des Brennstoffzellensystems1 , also beispielsweise mit den Fördereinrichtungen16 ,22 ,34 ,50 und mit den Ventileinrichtung37 ,44 ,45 ,52 sowie mit der Zündhilfe39 verbunden ist. Außerdem kann die Steuerung46 mit diversen Sensoren47 gekoppelt sein, bei denen es sich beispielsweise um Temperatursensoren und/oder um Drucksensoren oder dergleichen handeln kann. - Im gezeigten, bevorzugten Beispiel bilden der Nachbrenner
35 und der Nachbrennerwärmeübertrager40 eine bauliche Einheit. Hierbei umschließt der Nachbrennerwärmeübertrager40 den Nachbrenner35 bzw. dessen Brennkammer38 zumindest teilweise in der Umfangsrichtung. Ferner ist bei der hier gezeigten Ausführungsform ein gemeinsamer Rohrkörper48 durch eine unterbrochene Linie symbolisch angedeutet. Dieser gemeinsame Rohrkörper48 dient als gemeinsames Gehäuse für den Nachbrennerwärmeübertrager40 und den Nachbrenner35 . Ferner bildet dieser Rohrkörper38 einen Abschnitt der Reformatgasleitung24 , nämlich zumindest den sich zwischen Reformer3 und Nachbrenner35 erstreckenden Abschnitt. Besagter Abschnitt ist hier mit24' bezeichnet. Im Beispiel ist außerdem der Reformer3 in besagtem Rohrkörper48 untergebracht. Hierdurch ergibt sich eine besonders kompakte Bauweise für den mit dem Nachbrenner35 und dem Nachbrennerwärmeübertrager40 ausgestatteten Reformer3 . - Beim hier gezeigten Brennstoffzellensystem
1 ist die Kraftstoffversorgungseinrichtung13 außerdem so ausgestaltet, dass damit flüssiger Kraftstoff in die Rezirkulationsleitung31 einleitbar ist. Dabei kann die Kraftstoffversorgungseinrichtung13 den Kraftstoff entsprechend1 stromab des Rezirkulationswärmeübertragers33 und insbesondere stromab der Fördereinrichtung34 bei56 in die Rezirkulationsleitung31 einleiten. Hierdurch kann eine Kondensation des Kraftstoffdampfs im Rezirkulationswärmeübertragers33 vermieden werden. Alternativ kann die Kraftstoffversorgungseinrichtung13 den Kraftstoff gemäß2 bei57 stromauf des Rezirkulationswärmeübertragers33 in die Rezirkulationsleitung31 einleiten. Bei der in2 gewählten Einleitstelle57 herrscht ein höheres Temperaturniveau im rückgeführten Anodenabgas, was für die Verdampfung des zugeführten flüssigen Kraftstoffs vorteilhaft ist. - Von besonderer Bedeutung ist hierbei, dass der Reformer
3 für die Luftleitung18 und für die Rezirkulationsleitung31 separate Anschlüsse54 bzw.55 aufweist, so dass bis zum Reformer3 eine Medientrennung vorliegt. Hierdurch kann auch bei heißen rückgeführten Anodenabgasen eine Selbstentzündung des Anodenabgas-Kraftstoff-Gemischs vermieden werden, da der hierzu erforderliche Oxidator fehlt. Zur Unterstützung der Verdampfung des in die Rezirkulationsleitung31 eingeleiteten flüssigen Kraftstoffs kann die jeweilige Einleitstelle56 ,57 mittels einer Einleiteinrichtung58 realisiert werden, die einerseits an die Kraftstoffversorgungseinrichtung13 und andererseits an die Rezirkulationsleitung31 angeschlossen ist. Die Einleiteinrichtung58 kann beispielsweise eine Fläche59 aufweisen, die im Betrieb des Brennstoffzellensystems vom rückgeführten Anodenabgas angeströmt wird und welcher der flüssige Kraftstoff so zugeführt wird, dass er sich darauf verteilt. Hierdurch wird die Oberfläche des Kraftstoffs vergrößert, was seine Verdampfung begünstigt. Gleichzeitig unterstützt auch die Beaufschlagung der Fläche59 mit dem heißen rezirkulierten Anodenabgas die Verdampfung. - Für die Einleitung von flüssigem Kraftstoff in die Rezirkulationsleitung
31 ist die Kraftstoffversorgungseinrichtung13 mit einer Abzweigleitung60 ausgestattet, die von der Kraftstoffleitung15 über eine Ventileinrichtung61 abzweigt, wodurch die Kraftstoffleitung15 einen Hauptzweig der Kraftstoffversorgungseinrichtung13 bildet. Besagter Hauptzweig, also die Kraftstoffleitung15 führt direkt zum Reformer3 , während die Abzweigungsleitung60 direkt zur Rezirkulationsleitung31 führt. Die Ventileinrichtung61 ist mit Hilfe der Steuerung46 betätigbar und kann den Kraftstoffstrom der Fördereinrichtung16 quasi beliebig zwischen dem Reformer3 und der Rezirkulationsleitung31 aufteilen. - Entsprechend den
3 und4 kann der Reformer3 bei einer besonders kompakten Bauweise ein röhrenförmiges Gehäuse62 aufweisen, bei dem es sich insbesondere auch um den Rohrkör per48 handeln kann. Das Gehäuse62 ist bei der in3 gezeigten Ausführungsform doppelwandig ausgeführt, während beim Reformer3 der4 eine einwandige Ausführung gezeigt ist. Beim doppelwandigen Gehäuse62 sind zumindest zwei Hohlräume63 ,64 realisiert, die insbesondere zylindrisch ausgeführt und relativ zueinander koaxial angeordnet sein können, während beim einwandigen Gehäuse62 zumindest ein Hohlraum64 vorliegt. Der innenliegende Hohlraum64 ist an die Kraftstoffversorgungseinrichtung13 angeschlossen, wozu die Kraftstoffleitung15 an den Kraftstoffanschluss53 angeschlossen ist. Eine den innenliegenden Hohlraum64 umschließende Wand65 bildet einen Mantel bzw. einen Innenmantel und trägt eine Verdampfereinrichtung66 , die beispielsweise als Vliesverdampfer ausgeführt sein kann. Der innenliegende Hohlraum64 bildet außerdem an den Gemischbildungsabschnitt10 bzw. eine Vorreaktionskammer67 . Daran schließt sich innerhalb der Wand65 der Reformierungsabschnitt11 an, in dem der Katalysator12 angeordnet ist. Zwischen den beiden Abschnitten10 und11 kann eine Flammsperre68 angeordnet sein. Ferner besitzt das Gehäuse62 einen Auslassanschluss69 , an den die Reformatgasleitung bzw. Anodengasleitung24 bzw.24' angeschlossen ist, die zum Nachbrenner35 bzw. zur Brennstoffzelle2 führt. - Während der innenliegende Hohlraum
64 durch die innenliegende Wand oder Innenwand65 umhüllt ist, umhüllt bei der Ausführung der3 eine außen liegende Wand oder Außenwand70 den außenliegenden Hohlraum63 . An diese Außenwand70 sind zum einen die Luftleitung18 der Luftversorgungsein richtung17 über den Luftanschluss54 und zum anderen die Rezirkulationsleitung31 über den Rezirkulationsanschluss55 angeschlossen. Zwischen der Innenwand65 und der Außenwand70 ist eine Zwischenwand71 angeordnet, die innerhalb des ringförmigen außenliegenden Hohlraums63 zwei ringförmige Kammern72 und73 voneinander trennt, die koaxial zueinander angeordnet sind. Die innenliegende Kammer oder Innenkammer73 kommuniziert dabei mit dem Luftanschluss54 und führt über einen durch Pfeile angedeuteten Luftpfad74 zu mehreren, insbesondere ringförmig verteilt angeordneten Lufteinlassöffnungen75 , die an der Innenwand65 ausgebildet sind. Im Unterschied dazu verbindet die außenliegende Kammer oder Außenkammer72 den Rezirkulationsanschluss55 mit Rezirkulationsöffnungen76 , die zweckmäßig ringförmig verteilt an der Innenwand65 ausgebildet sind. Hierdurch wird ein durch Pfeile angedeuteter Rezirkulationspfad77 im Reformer3 realisiert. Im Gehäuse62 angeordnete Zwischenböden78 bzw.79 bewirken eine Trennung der beiden Gaspfade74 ,77 , so dass sich Luft und rezirkuliertes Gas erst in der Vorreaktionskammer67 mischen und ggf. miteinander reagieren können. - Bei der in
4 gezeigten Ausführungsform sind mehrere Besonderheiten erkennbar, die jeweils für sich oder in beliebiger Kombination realisierbar sind. Beim Reformer3 der4 umschließt die Kammer72 die Wand65 ausschließlich vor bzw. stromauf der Flammsperre68 . Hierdurch kann eine Kühlung der Flammsperre68 und des nachfolgenden Katalysators12 durch die Gaszuführung über die Kammer72 vermieden werden. Bei der in4 gezeigten Ausführungsform besitzen die Rezirkulationsleitung31 und die Luftleitung18 keine separaten Anschlüsse54 ,55 am Reformer3 , sondern einen gemeinsamen Anschluss85 . Die Luftleitung18 und die Rezirkulationsleitung31 sind hierzu bei86 zusammengeführt und über einen gemeinsamen Leitungsabschnitt87 an besagten gemeinsamen Anschluss85 angeschlossen. Hierdurch fallen die beiden Gaspfade74 und77 zusammen. Bis zu den Einlassöffnungen75 kann sich bereits eine hinreichende Durchmischung zwischen Luft und rezirkuliertem Anodenabgas oder zwischen Luft und einem Gemisch aus rezirkuliertem Anodenabgas und mehr oder weniger verdampftem Kraftstoff einstellen. Bei der in4 gezeigten Ausführungsform ist außerdem eine Variante der Einleiteinrichtung58 gezeigt, die einen Freiraum84 enthält, in den der flüssige Kraftstoff eingespritzt werden kann, z. B. durch Eindüsung oder Zerstäubung, und der vom rezirkulierten Anodenabgas durchströmt wird. - Beachtenswert ist hierbei, dass die über den Gaspfad
77 rezirkulierten Gase die Vorreaktionskammer67 unter Umgehung der Verdampfereinrichtung66 erreichen. - Der Reformierungsabschnitt
11 bildet dabei eine der Vorreaktionskammer67 nachgeordnete Hauptreaktionskammer80 . In dieser Hauptreaktionskammer80 weist der Reformer3 bevorzugt zumindest einen Temperatursensor81 auf. Im Beispiel weist der Reformer3 in der Vorreaktionskammer67 ein Zündorgan82 auf, bei dem es sich beispielsweise um einen Glühstift oder um eine Zündkerze oder dergleichen handeln kann. - Das hier gezeigte Brennstoffzellensystem
1 bzw. der hier gezeigte Reformer3 lässt sich zweckmäßig wie folgt betreiben: Während eines Kaltstarts, bei dem die Komponenten des Brennstoffzellensystems1 bzw. des Reformers3 Umgebungstemperatur aufweisen, wird der Reformer3 zunächst als Brenner gestartet und betrieben, solange bis sein Katalysator12 die Aktivierungstemperatur erreicht. Dieser Brennerbetrieb des Reformers3 wird durch Überstöchiometrie erreicht. Anschließend wird in den Reformerbetrieb umgeschaltet, wofür in Unterstöchiometrie übergegangen wird, beispielsweise zu einer Luftzahl von ca. 0,4. Anschließend kann im Nachbrenner35 Reformatgas, das bereits vom Reformer3 erzeugt worden ist, zumindest teilweise mit Oxidator umgesetzt werden. Der hierzu benötigte Oxidator wird über die Nachbrenneroxidatorleitung36 zugeführt. Der hierbei von der Versorgungsleitung19 (1 ) bzw. von der Kathodengasleitung20 (2 ) teilweise abgezweigte Oxidator wird von der Brennstoffzelle2 in diesem Zeitpunkt der Warmlaufphase nur bedingt benötigt. Beispielsweise wird im Restgasbrenner25 nicht umgesetztes Reformatgas mit Oxidator, also Kathodengas, umgesetzt. Zweckmäßig wird als Oxidator für den Reformer3 sowie für den Nachbrenner35 sowie optional als Kathodengas Luft verwendet, wodurch gemäß1 grundsätzlich eine gemeinsame Oxidatorzuführung17 realisierbar ist. - Im Nachbrenner
35 wird durch die Umsetzung des Reformatgases Wärme erzeugt, die zum Aufheizen des Reformers genutzt werden kann. Dies erfolgt hier dadurch, dass die Ventileinrich tungen44 und45 so geschaltet werden, dass der Oxidatorstrom nicht direkt durch den Hauptstrang der Reformeroxidatorleitung18 zum Reformer3 gelangt, sondern über den Vorlauf42 , über den Nachbrennerwärmeübertrager40 und über den Rücklauf43 strömen muss, bevor es über den noch aktiven Teil der Oxidatorleitung18 zur Eingangsseite14 des Reformers3 gelangt. Im Nachbrennerwärmeübertrager40 erfolgt eine Aufheizung des dem Reformer3 zugeführten Oxidators. Der erhitzte Oxidator vereinfacht insbesondere die Verdampfung des flüssigen Brennstoffs, vereinfacht die Umsetzung des Brennstoff-Oxidator-Gemischs und erhöht insgesamt das Temperaturniveau des Reformers3 . Vorzugsweise wird bei diesem Warmlaufbetrieb nur ein Teil des Reformatgases umgesetzt, so dass der übrige und insbesondere größere Teil des Reformatgases als Anodengas der Brennstoffzelle2 zuführbar ist. Hierdurch lässt sich auch eine Aufheizung der Brennstoffzelle2 realisieren. Da im Nachbrenner35 insbesondere nur ein Teil des Reformatgases umgesetzt wird, kann zusätzlich bevorzugt während dieser Startphase Anodenabgas, das bei geringer oder fehlender Umsetzung in der Brennstoffzelle2 einen relativ hohen Anteil an Reformatgas enthält, über die Rezirkulationsleitung31 ebenfalls dem Reformer3 zugeführt werden. Auch diese Maßnahme kann zum schnelleren Aufheizen des Reformers3 genutzt werden. Da zweckmäßig auch nur ein Teil des Anodenabgases rezirkuliert wird, kann im Restgasbrenner25 vorzugsweise eine Verbrennung des Anodenabgases, das bei fehlender Umsetzung in der Brennstoffzelle2 dem Anodengas entspricht, durchgeführt werden. - Sobald der Reformer
3 seine Betriebstemperatur erreicht hat, werden die Ventileinrichtungen44 und45 so geschaltet, dass der Zweig41 deaktiviert wird, so dass das Oxidatorgas nunmehr wieder direkt über den Hauptstrang der Reformeroxidatorleitung18 dem Reformer3 zuführbar ist. - Für den Normalbetrieb kann der Nachbrenner
35 ebenfalls betrieben werden, um die Qualität des Reformatgases zu steigern. Hierzu ist es insbesondere vorteilhaft, den Nachbrenner35 unterstöchiometrisch zu betreiben. Durch die verbesserte Qualität des Reformatgases kann die Neigung zur Rußbildung im nachfolgenden Pfad reduziert werden. - Um eine Überhitzung des Nachbrenners
35 bzw. des Nachbrennerwärmeübertragers40 bzw. der Brennstoffzelle2 zu vermeiden, kann im Nachbrenner35 bzw. in der Reformatgasleitung24 ein geeigneter Temperatursensor47 angeordnet sein. - Für normale Leistungen des Brennstoffzellensystems
1 reicht die Reformatgasmenge aus, die mittels Verdampfung flüssigen Kraftstoffs in der Verdampfereinrichtung66 generiert werden kann. Die Verdampferleistung des Verdampfers66 ist dabei begrenzt. Bei derartigen normalen Leistungen steuert die Steuerung46 die Ventileinrichtung61 so an, dass der Kraftstoff ausschließlich über die Kraftstoffleitung15 im Reformer3 , also ausschließlich der Verdampfereinrichtung66 zugeführt wird. Wenn dennoch mehr Reformat benötigt wird, beispielsweise für eine erhöhte Leistung der Brennstoffzelle2 und/oder wenigstens eines weiteren Reformatgasverbrauchers, kann die Steuerung46 die Ventileinrichtung61 so betätigen, dass zunehmend flüssiger Kraftstoff auch der Rezirkulationsleitung31 zugeführt wird, so dass zusätzlicher Kraftstoff über die Reformatleitung31 zum Reformer3 gelangt. Insgesamt kann somit die Menge des dem Reformer3 zugeführten Kraftstoffs erhöht werden. Hierdurch lässt sich die mit Hilfe des Reformers3 generierbare Reformatgasmenge erhöhen, was einer Leistungssteigerung des Reformers3 entspricht. Beispielsweise arbeitet die Steuerung46 hierbei mit Grenzwerten oder Schwellwerten. Dementsprechend kann für einen Reformerbetrieb mit bis zu einer vorbestimmten Grenzleistung der Kraftstoff ausschließlich direkt dem Reformer3 zugeführt werden, während bei einer über die vorbestimmte Grenzleistung hinausgehende Leistung der Kraftstoff zusätzlich oder ausschließlich über rezirkuliertes Anodenabgas dem Reformer3 zugeführt wird. Desweiteren kann die Steuerung46 hierbei eine vorbestimmte Grenztemperatur im Reformer berücksichtigen, dahingehend, dass die Zuführung von Kraftstoff über das rezirkulierte Anodenabgas nur dann durchgeführt wird, wenn sich die Temperatur des Reformers3 oberhalb einer vorbestimmten Grenztemperatur befindet. - ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
- Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
- Zitierte Patentliteratur
-
- - DE 10244883 B4 [0002]
- - DE 102005058530 A1 [0003]
Claims (14)
- Brennstoffzellensystem, insbesondere in einem Kraftfahrzeug, – mit wenigstens einer Brennstoffzelle (
2 ) zum Generieren von elektrischem Strom, – mit wenigstens einem Reformer (3 ) zum Generieren eines Reformatgases, – mit einer Kraftstoffversorgungseinrichtung (13 ) zum Zuführen von Kraftstoff zum Reformer (3 ), – mit einer Rezirkulationseinrichtung (83 ), die eine an den Reformer (3 ) angeschlossene Rezirkulationsleitung (31 ) zum Zuführen von Anodenabgas der Brennstoffzelle (2 ) zum Reformer (3 ) aufweist, – mit einer Luftversorgungseinrichtung (17 ), die eine separat zur Rezirkulationsleitung (31 ) an den Reformer (3 ) angeschlossene Luftleitung (18 ) zum Zuführen von Luft zum Reformer (3 ) aufweist, – wobei die Kraftstoffversorgungseinrichtung (13 ) so ausgestaltet ist, dass damit Kraftstoff in die Rezirkulationsleitung (31 ) einleitbar ist. - Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, – dass der Reformer (
3 ) einen Kraftstoffanschluss (53 ) aufweist, an den eine Kraftstoffleitung (15 ) der Kraftstoffversorgungseinrichtung (13 ) angeschlossen ist und der zu einer Verdampfungseinrichtung (66 ) zum Verdampfen des flüssig zugeführten Kraftstoffs führt, – dass der Reformer (3 ) eine Vorreaktionskammer (67 ) enthält, in die der von der Verdampfungseinrichtung (66 ) erzeugte Kraftstoffdampf eintritt, – dass der Reformer (3 ) einen Rezirkulationsanschluss (55 ) aufweist, an den die Rezirkulationsleitung (31 ) angeschlossen ist und der über einen Gaspfad (77 ) unter Umgehung der Verdampfungseinrichtung (66 ) zur Vorreaktionskammer (67 ) führt. - Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Rezirkulationswärmeübertrager (
33 ) vorgesehen ist, der einerseits in die Rezirkulationsleitung (31 ) und andererseits in die Luftleitung (18 ) eingebunden ist. - Brennstoffzellensystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftstoffversorgungseinrichtung (
13 ) so ausgestaltet ist, dass damit Kraftstoff stromauf oder stromab des Rezirkulationswärmeübertragers (33 ) in die Rezirkulationsleitung (31 ) einleitbar ist. - Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftstoffversorgungseinrichtung (
13 ) zum Zuführen von Kraftstoff zur Rezirkulationsleitung (31 ) an eine Einleiteinrichtung (58 ) angeschlossen ist, die in die Rezirkulationsleitung (31 ) eingebunden ist und die eine im Betrieb vom rezirkulierten Anodenabgas angeströmte Fläche (59 ) aufweist, auf der sich der zugeführte Flüssigkraftstoff verteilt, oder die einen vom rezirkulierten Anodenabgas durchströmten Freiraum enthält, in den im Betrieb der Flüssigkraftstoff eingedüst wird. - Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zur Versorgung der Brennstoffzelle (
2 ) mit Luft eine weitere Luftversorgungseinrichtung (49 ) vorgesehen ist, die eine weitere Luftleitung (20 ) zum Zuführen von Luft zur Brennstoffzelle (2 ) aufweist. - Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, – dass der Reformer (
3 ) eine Hauptreaktionskammer (80 ) enthält, in der zumindest ein Katalysator (12 ) angeordnet ist, – dass der Reformer (3 ) zumindest einen Temperatursensor (80 ) aufweist, der stromab oder stromauf des Katalysators (12 ) angeordnet ist. - Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftstoffversorgungseinrichtung (
13 ) eine gemeinsame Kraftstoffleitung aufweist, die über wenigstens eine Ventilreinrichtung (61 ) in zumindest zwei Kraftstoffleitungszweige (15 ,60 ) übergeht, von denen einer direkt zum Reformer (3 ) und von denen ein anderer zur Rezirkulationsleitung (31 ) führt. - Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass in eine Reformatgas vom Reformer (
3 ) weg führende Reformatgasleitung (24 ) ein Nachbrenner (35 ) eingebunden ist. - Brennstoffzellensystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Nachbrennerwärmeübertrager (
40 ) vorgesehen ist, der einerseits stromab des Nachbrenners (35 ) in die Reformatgasleitung (24 ) eingebunden und/oder wärmeübertragend mit dem Nachbrenner (35 ) gekoppelt ist. - Brennstoffzellensystem nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Nachbrennerwärmeübertrager (
40 ) andererseits stromauf des Reformers (3 ) in einen Zweig (41 ) der Luftleitung (18 ) eingebunden ist. - Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuerung (
46 ) vorgesehen ist, die mit den Komponenten des Brennstoffzellensystems (1 ) so zusammenwirkt und die so ausgestaltet ist, dass sie das Brennstoffzellensystem (1 ) zum Ausführen des Verfahrens nach einem der Ansprüche (13 ) oder (14 ) betreiben kann. - Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, – dass für einen Reformerbetrieb bis zu einer vorbestimmten Grenzleistung der Kraftstoff ausschließlich direkt dem Reformer (
3 ) zugeführt wird, – dass für einen Reformerbetrieb mit einer über die vorbestimmte Grenzleistung hinausgehende Leistung der Kraftstoff zusätzlich oder ausschließlich über rezirkuliertes Anodenabgas dem Reformer (3 ) zugeführt wird. - Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführung von Kraftstoff über rezirkuliertes Anodenabgas nur oberhalb einer vorbestimmten Grenztemperatur erfolgt.
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