DE102011087417A1

DE102011087417A1 - Brennstoffzellensystem mit verbesserter Oxidationsbeständigkeit

Info

Publication number: DE102011087417A1
Application number: DE102011087417A
Authority: DE
Inventors: Peter Horstmann; Ralf Brandenburger
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2011-11-30
Filing date: 2011-11-30
Publication date: 2013-06-06

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem (1), umfassend – eine Brennstoffzelle (2) mit einer Anode und einer Kathode, wobei zwischen der Anode und der Kathode ein Elektrolyt angeordnet ist; – eine Anodengasführung (4) zum Führen von Anodengas zu der Anode; – eine Kathodengasführung (6) zum Führen von Kathodengas zu der Kathode, und – einen Gasvorratsbehälter (15) zum Aufnehmen eines reduzierenden und/oder inerten Gases, aus dem das Gas in einer einstellbaren Menge in die Anodengasführung (4) einbringbar ist, wobei – wenigstens eine Vorrichtung zum Ermitteln eines Betriebszustands des Brennstoffzellensystems (1) vorgesehen ist, und wobei – eine elektronische Steuereinheit (17) vorgesehen ist, mit der ein Einbringen von Gas aus dem Gasvorratsbehälter (15) in die Anodengasführung (4) in Abhängigkeit des Betriebszustands steuerbar ist. Ein derartiges Brennstoffzellensystem (1) erlaubt eine verbesserte Oxidationsbeständigkeit insbesondere der Anode. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems (1).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem und ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems.
Stand der Technik
Wegen ihres Potentials zur Senkung des Kohlendioxid-Ausstoßes für die Bereitstellung von Strom und Wärme spielt die Kraft-Wärme-Kopplung eine zunehmend wichtigere Rolle im Energiemarkt. Dabei sind Brennstoffzellensysteme insbesondere auf Basis von keramischen Zellen, beziehungsweise Festoxidbrennstoffzellen (SOFC), die bei hohen Temperaturen von beispielsweise 650°C bis 1000°C betrieben werden können, wegen ihres hohen elektrischen Wirkungsgrads und ihrer meist langen Lebensdauer besonders interessant.
Um die für in Brennstoffzellen ablaufenden elektrochemischen Reaktionen geforderte elektrische Leitfähigkeit und ferner eine Katalysatorfunktion bereitstellen zu können, kann die Anode ein Metall, wie beispielsweise Nickel umfassen. Derartige Materialien können jedoch unter Umständen oxidationsempfindlich sein, so dass für eine Reduzierung der Oxidationsgefahr und damit der Gefahr von Rissbildungen und somit Beschädigungen der Anodenstruktur eine reduzierende Atmosphäre einstellbar sein kann.
Die Druckschrift DE 10 2006 023 857 A1 beschreibt ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems und ein Brennstoffzellensystem. Ein derartiges Brennstoffzellensystem umfasst einen Reformer, mit dem ein Brenngas generiert werden soll, indem ein fettes Gemisch aus Oxidatorgas und Kraftstoff mit Hilfe eines Katalysators umgesetzt wird. Bei einer Regeneration des Katalysators, um abgelagerte Rußpartikel zu entfernen, wird der Regenerationsprozess gemäß dieser Druckschrift gestoppt, sobald in einem Gasstrom stromabwärts des Reformers Sauerstoff feststellbar ist. Ferner kann gemäß dieser Druckschrift ein Gasdruckspeicher vorgesehen sein, der dazu dient, um einen durch die Umsetzung von Anodenabgas und Brenngas hervorgerufene Reduzierung des Drucks oder eine durch einen Abbrand der Partikelbeladung erfolgten Erhitzung und Volumenzunahme zu kompensieren. Für einen Druckausgleich weist der Gasruckspeicher eine auf einen gewünschten Druck eingestellte Membran auf.
Die Druckschrift GB 2 439 653 A beschreibt ein Brennstoffzellensystem. Ein derartiges Brennstoffzellensystem kann mit einer CPOX-Einheit arbeiten, wobei Brennstoff und ein unterstöchiometrischer Anteil an Sauerstoff in einen Reformer gegeben werden, um eine partielle katalytische Oxidation auszuführen. Dadurch soll ein wasserstoffhaltiges Gas erhalten werden, mit dem die Brennstoffzelle betreibbar ist. Dabei kann dem CPOX-Reformer Wasser zugegeben werden, um eine sogenannte autothermale Reformierung (ATR, autothermal reforming) durchzuführen.
Offenbarung der Erfindung
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Brennstoffzellensystem, umfassend

– eine Brennstoffzelle mit einer Anode und einer Kathode, wobei zwischen der Anode und der Kathode ein Elektrolyt angeordnet ist;
– eine Anodengasführung zum Führen von Anodengas zu der Anode;
– eine Kathodengasführung zum Führen von Kathodengas zu der Kathode, und
– einen Gasvorratsbehälter zum Aufnehmen eines reduzierenden und/oder inerten Gases, aus dem das Gas in einer einstellbaren Menge in die Anodengasführung einbringbar ist, wobei
– wenigstens eine Vorrichtung zum Ermitteln eines Betriebszustands des Brennstoffzellensystems vorgesehen ist, und wobei
– eine elektronische Steuereinheit vorgesehen ist, mit der ein Einbringen von Gas aus dem Gasvorratsbehälter in die Anodengasführung in Abhängigkeit des Betriebszustands steuerbar ist.

Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem kann als zentrale Einheit somit eine Brennstoffzelle umfassen. Diese ist in ihrer Ausführung nicht beschränkt und kann beispielsweise bezüglich Art und Material der Anode beziehungsweise Kathode, bezüglich Art und Material des Elektrolyten sowie bezüglich des Anoden- und Kathodengases frei wählbar sein. Beispielsweise kann die Brennstoffzelle eine Festoxidbrennstoffzelle sein. Dabei kann zwischen der Anode und der Kathode in an sich bekannter Weise ein Elektrolyt angeordnet sein.
Weiterhin kann das Brennstoffzellensystem zweckmäßigerweise eine Anodengasquelle und eine Kathodengasquelle umfassen. Die Art der jeweiligen Gasquelle ist nicht beschränkend. Beispielsweise kann die Anodengasquelle eine Quelle für ein Sauerstoff-haltiges Gas, wie etwa Luft sein, wohingegen die Kathodengasquelle beispielsweise eine Quelle für Wasserstoff oder ein Wasserstoff-haltiges Gas sein kann. Zum Führen von Anodengas zu der Anode beziehungsweise zum Führen von Kathodengas zu der Kathode kann das Brennstoffzellensystem eine Anodengasführung beziehungsweise eine Kathodengasführung umfassen, die mit der Anodengasquelle beziehungsweise mit der Kathodengasquelle verbunden sein kann.
Das Brennstoffzellensystem kann ferner einen Gasvorratsbehälter zum Aufnehmen eines reduzierendes Gases und/oder eines Inertgases umfassen, aus dem das reduzierende Gas und/oder das Inertgas in einer einstellbaren Menge in die Anodengasführung einbringbar ist. Folglich kann der Gasvorratsbehälter insbesondere mit der Anodengasführung verbindbar beziehungsweise verbunden sein. Insbesondere kann zwischen dem Gasvorratsbehälter und der Anodengasführung eine definiert öffenbare und schließbare Verbindung vorgesehen sein. Unter einem Gasvorratsbehälter kann dabei im Sinne der vorliegenden Erfindung jeglicher Aufnahmeraum verstanden werden, der ein reduzierendes Gas und/oder ein Inertgas temporär oder dauerhaft, beispielsweise unter Druck, aufnehmen und gegebenenfalls speichern kann. Somit kann durch das Vorsehen des Gasvorratsbehälters insbesondere zu jeder Zeit und in einer einstellbaren Menge, etwa durch Einstellung der Größe oder Zeitdauer eines Gasflusses aus dem Gasvorratsbehälter in die Anodengasführung, reduzierendes Gas und/oder Inertgas in die Anodengasführung gespeist und damit insbesondere zu der Anode geleitet werden.
Dabei kann ferner wenigstens eine Vorrichtung, wie etwa ein Sensor, zum Ermitteln eines Betriebszustands des Brennstoffzellensystems vorgesehen sein. Dieser kann seine Daten insbesondere an eine elektronische Steuereinheit weiterleiten, so dass durch die elektronische Steuereinheit ein Einbringen von reduzierendem Gas und/oder von Inertgas, wie etwa dessen Menge, also insbesondere der absoluten Menge oder der zeitbezogenen Menge beziehungsweise dem Gasfluss, aus dem Gasvorratsbehälter in die Anodengasführung in Abhängigkeit des von der wenigstens einen Vorrichtung ermittelten Betriebszustands steuerbar, insbesondere regelbar, sein kann. Ein Betriebszustand kann dabei jeglicher Zustand sein, in welchem das Brennstoffzellensystem arbeitet. Beispielsweise kann ein Betriebszustand ein Hochfahren beziehungsweise Einschalten, einen Normalbetrieb, wie auch ein Runterfahren beziehungsweise Abschalten des Brennstoffzellensystems umfassen. Darüber hinaus kann ein Betriebszustand ebenfalls einen von einem definierten Arbeiten abweichender Zustand, wie etwa ein auftretender Fehler sein, wie beispielsweise ein Arbeiten mit einem zu hohen Sauerstoffgehalt, etwa bedingt durch eine Leckage, oder Ähnliches. Grundsätzlich können in den Betriebszustand des Brennstoffzellensystems sämtliche Parameter, wie insbesondere Gasfluss und/oder Gaszusammensetzung und/oder Druck, etwa in dem Gasvorratsbehälter, einfließen, unter denen das Brennstoffzellensystem arbeitet.
Die Brennstoffzelle beziehungsweise der Anodengaspfad umfassend die Anodengasführung und gegebenenfalls einen Anodenraum der Brennstoffzelle kann somit zu jeder Zeit, insbesondere bei einem Einschalten oder Ausschalten der Brennstoffzelle, mit reduzierendem Gas oder Inertgas gespeist beziehungsweise gespült werden. Dies kann einer Oxidation insbesondere dann entgegenwirken, wenn kein Brenngas zu der Anode geleitet wird und eine Oxidationsgefahr somit am höchsten ist.
Darüber hinaus kann für den Fall, dass kein Anodengas beziehungsweise Brenngas zu der Anode geleitet werden kann, diese trotzdem noch mit einer reduzierenden Atmosphäre versorgt werden, so dass einem Sauerstoffüberschuss und damit der Gefahr einer Oxidation der Anode oder Teilen derselben entgegengewirkt werden kann. Dieser Fall kann beispielsweise eintreten, wenn eine Leckage in der Anodengasführung vorliegt, durch welche beispielsweise Sauerstoff oder ein Sauerstoff-haltiges Gas in die Anodengasführung eintreten kann. Darüber hinaus kann dieser Fall beispielsweise eintreten, wenn ein Fehler an der Anodengasversorgung vorliegt und somit kein Anodengas oder eine nicht ausreichende Menge an Anodengas zu der Anode geführt wird.
Dabei kann durch sowohl ein Inertgas als auch durch ein reduzierendes Gas die Menge eines gegebenenfalls in der Anodengasführung vorhandenen Sauerstoffhaltigen Gases reduziert oder selbiges unter Umständen vollständig verdrängt werden. Darüber hinaus kann insbesondere bei dem Verwenden eines reduzierenden Gases eine Überstöchiometrie bezogen auf den Sauerstoffgehalt an der Anode erzeugt werden, so dass eine reduzierende Atmosphäre entsteht, welche eine Oxidation verhindern kann. Als reduzierendes Gas kann dabei insbesondere jegliches Gas gemeint sein, welches eine Tendenz zur Sauerstoffbindung aufweist. Ein inertes Gas beziehungsweise ein Inertgas kann ferner insbesondere jedes Gas sein, durch welches die Anode beziehungsweise ein Anodenmaterial nicht oxidiert oder anderweitig beeinflusst beziehungsweise beschädigt wird.
Somit kann einer Oxidation der Anode in nahezu jedem Betriebszustand beziehungsweise bei jedem Fehler des Systems sicher entgegengewirkt werden.
Im Rahmen einer Ausgestaltung kann der Gasvorratsbehälter zum Beibehalten eines konstanten Innendrucks ein veränderliches Innenvolumen aufweisen. Dadurch kann sichergestellt werden, dass der Behälter vollständig oder zumindest bis auf ein geringes zu vernachlässigendes Restvolumen entleerbar ist und nicht etwa, wie bei einem Behälter mit starrem Volumen, nur bis zu einem Volumen entleerbar ist, das einem Innendruck des folgenden Systemdrucks entspricht. In dieser Ausgestaltung kann somit stets der gleiche Druck im Inneren des Behälters aufrechterhalten werden, indem bei einer abnehmenden gespeicherten Gasmenge beziehungsweise einem abnehmenden in dem Gasvorratsbehälter aufgenommenen Gasvolumen sich das Volumen des Gasdruckbehälters in gleicher Stärke verringert.
Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung kann der Gasvorratsbehälter mit Formiergas und/oder mit Anodengas gefüllt sein. In dieser Ausgestaltung können somit in dem Gasvorratsbehälter Gase angeordnet sein, welche problemlos der Brennstoffzelle beziehungsweise der Anode zuführbar sind und hier ferner zu einer Energiegewinnung einsetzbar sind. Dadurch kann bei einem Einführen des Gases aus dem Gasvorratsbehälter in die Anodengasführung das eingeführte Gas verwertet werden und braucht nicht unverbraucht aus dem System ausgetragen werden. Weiterhin kann auf einen Spülvorgang eines Anodenraums verzichtet werden für den Fall, dass ein nicht verwertbares Gas in den Anodenraum geleitet wurde. Darüber hinaus kann für eine Befüllung des Gasvorratsbehälters insbesondere mit Anodengas eine in dem Brennstoffzellensystem meist ohnehin vorhandende Anodengasquelle Verwendung finden, so dass auf weitere Gasquellen verzichtet werden kann. Das Brennstoffzellensystem ist somit in dieser Ausgestaltung besonders einfach und kostengünstig aufzubauen und zu betreiben. Ferner wird es möglich, auf Schwankungen bei der Anodengasversorgung zu reagieren, so dass stets eine geeignete und konstante Menge an Anodengas zu der Anode geführt werden kann, was ein konstantes und definiertes Arbeiten der Brennstoffzelle sicherstellen kann. Formiergas kann dabei ferner insbesondere eine Mischung aus Wasserstoff und Inertgas sein, wobei der Wasserstoff rein beispielhaft in einem Anteil von 4–5 %vorliegen kann.
Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung kann die Anodengasführung durch den Gasvorratsbehälter verlaufen. Dadurch kann auf das Vorsehen eines getrennten Gasvorratsbehälters verzichtet werden, was den Aufbau des Brennstoffzellensystems in dieser Ausgestaltung besonders einfach und kostengünstig macht. Darüber hinaus ist eine Einbindung in die Anodengasführung so besonders einfach möglich. In dieser Ausgestaltung kann das in dem Gasvorratsbehälter anordbare Gas somit insbesondere Anodengas beziehungsweise Brenngas sein, wodurch die Bevorratung eines weiteren Gases, wie eines Inertgases oder eines reduzierenden Gases, nicht notwendig ist. Ferner ist in dieser Ausgestaltung insbesondere ein Spülen des Anodengaspfades besonders einfach durchführbar, da der Gasvorratsbehälter auf einfache Weise etwa mit Anodengas gefüllt werden kann. Eine Ausgestaltung des Gasvorratsbehälters derart, dass die Anodengasführung durch diesen verläuft, kann dabei insbesondere bedeuten, dass der Gasvorratsbehälter eine Anodengasleitung unterbricht, also etwa einen mit der Anodengasleitung verbundenen Eingang und einen mit der Anodengasleitung verbundenen Ausgang aufweist, so dass das Anodengas von der Anodengasquelle durch den Gasvorratsbehälter zu der Anode geleitet wird. Folglich kann ein Einbringen von Gas aus dem Gasvorratsbehälter in die Anodengasführung in dieser Ausgestaltung insbesondere ein Einbringen in die Anodengasführung stromabwärts des Gasvorratsbehälters meinen. Dabei kann eine Druckhaltevorrichtung beziehungswiese ein Druckhalteventil in dem Eingang und/oder in dem Ausgang angeordnet sein.
Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung kann eine Steuereinheit vorgesehen sein, die derart ausgestaltet ist, um bei dem Auftreten eines fehlerhaften Betriebszustands das Brennstoffzellensystem abzuschalten. In dieser Ausgestaltung kann eine Oxidation der Anode beziehungsweise insbesondere eine Beschädigung letzterer besonders wirksam verhindert werden. Ein fehlerhafter Betriebszustand des Brennstoffzellensystems kann dabei beispielsweise ein solcher sein, bei dem die Anodengaszufuhr unterbrochen oder in einem Maße herabgesetzt ist, dass die Menge an zu der Anode geführtem Anodengas nicht mehr ausreichend ist, um eine reduzierende Atmosphäre an der Anode beizubehalten beziehungsweise um die Brennstoffzelle wie gewünscht zu betreiben. Ferner kann ein fehlerhafter Betriebszustand eine Leckage in der Anodengasführung und/oder einen erhöhten Gehalt an Sauerstoff in dem Anodengas umfassen. Um den fehlerhaften Betriebszustand feststellen zu können, können beispielsweise geeignete Sensoren vorgesehen sein, welche beispielhaft den Anodengasfluss und/oder den Druck und/oder die Anodengaszusammensetzung ermitteln und diese Daten an die Steuereinheit weitergeben beziehungsweise übermitteln. Die Steuereinheit kann dabei etwa mit einem Modell ausgerüstet sein, welches anhand der übermittelten Daten bestimmt, ob ein fehlerhafter Betriebszustand vorliegt, und gegebenenfalls das System abschaltet beziehungsweise ein Abschalten des Brennstoffsystems startet. Dabei kann die Steuereinheit etwa die Steuereinheit sein, welche den Gasfluss aus dem Gasvorratsbehälter in die Anodengasführung steuert, oder aber es kann eine weitere Steuereinheit vorgesehen sein. Ein fehlerhafter Betriebszustand kann dabei insbesondere ein solcher sein, der von einem gewünschten Betriebszustand in irgendeinem Parameter abweicht.
Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung kann das Brennstoffzellensystem ferner einen Reformer aufweisen und kann eine Steuereinheit vorgesehen sein, die derart ausgestaltet sein kann, das Einschalten und/oder Abschalten des Brennstoffzellensystems unter einem Betreiben des Reformers in einem CPOX-Betrieb durchzuführen. In dieser Ausgestaltung bietet sich somit der Vorteil, dass die Erzeugung einer reduzierenden oder inerten Atmosphäre etwa durch das Einleiten von Gas aus dem Gasvorratsbehälter durch einen CPOX-Betrieb des Reformers unterstützt werden kann. Dadurch kann der Verbrauch von insbesondere reduzierendem Gas verringert werden und die Zeit der Versorgung der Anode mit reduzierendem Gas verlängert werden.
Ein CPOX-Betrieb des Reformers im Sinne der vorliegenden Erfindung kann dabei insbesondere ein Betrieb sein, bei dem eine partielle Oxidation des Brennstoffs beziehungsweise des Anodengases, etwa von Erdgas, durchgeführt wird. Dies kann insbesondere durch eine unterstöchiometrische Sauerstoffzugabe in das Anodengas beziehungsweise in den Reformer und damit mit einem unterstöchiometrischen Brennstoff/Sauerstoff-Gemisch realisierbar sein. Durch das unterstöchiometrische Vorsehen von Sauerstoff kann dabei der Brennstoff beziehungsweise das Anodengas in dem Reformer nur teilweise oxidiert werden, so dass ein reduzierendes Gas mit einem insbesondere hohen Wasserstoffanteil und dem weiteren Vorliegen von Kohlenmonoxid und damit Brennstoffanteil, insbesondere bei einem geeigneten O/C-Verhältnis, beispielsweise von > 1,8, entstehen kann. Bei der partiellen Oxidation wird ein unterstöchiometrisches Brennstoff-Luft-Gemisch in einem Reformer teilweise verbrannt und es entsteht ein wasserstoffreiches Synthesegas, welches zum Beispiel in der Brennstoffzelle weiter verwendbar ist.
Dabei kann der Reformer beispielsweise in einem Normalbetrieb als herkömmlicher Reformer zur Erzeugung beziehungsweise zum Behandeln von Anodengas betrieben werden, was das Erzielen von hohen Wirkungsgraden ermöglicht. Das notwendige Wasser für eine Reformierungsreaktion kann beispielsweise durch eine Anodenrezirkulation für den Fall eines Normalbetriebs, also mit Stromfluss und dadurch Wasserbildung in der Brennstoffzelle, oder durch einen Verdampfer für den Fall eines Betreibens ohne Stromfluss, also etwa bei einem Ausschalten beziehungsweise Einschalten, bereitgestellt werden. Für einen CPOX-Betrieb kann der Reformer dann unter unterstöchiometrischer Sauerstoffzugabe, wie etwa Luftzugabe, mit sehr kleiner Leistung, also etwa von < 10% der Nennleistung, betrieben werden. Dadurch kann der Reformer sehr klein ausgelegt werden, was einen besonders kostengünstigen Aufbau und Betrieb ermöglicht. Darüber hinaus kann durch einen nur geringen Energieeintrag ein Abkühlen des Brennstoffzellensystems bei einem Ausschalten nicht wesentlich negativ beeinflusst werden.
Bezüglich eines Reformeraufbaus für ein Betreiben in dem vorbeschriebenen CPOX-Betrieb kann der Reformer beispielsweise zwei Reaktionsbereiche aufweisen, die seriell geschaltet sein können. Dabei kann ein Bereich für eine herkömmliche und an sich bekannte Reformierungsreaktion des Anodengases ausgelegt sein und damit etwa einen Katalysator, beispielsweise als Schüttung, umfassen, der bei einer Betriebstemperatur von beispielsweise ungefähr 400–500 °C die Dampfreformation katalysieren kann. In dem zweiten Reaktionsbereich können die Reaktionen des CPOX-Betriebes, beispielsweise bei ungefähr 550–600°C, ablaufen und hier ein entsprechender Katalysator, etwa ebenfalls als Schüttung, vorgesehen sein. Dieser Bereich kann somit nur bei Sauerstoffzugabe aktiviert werden und etwa nur für 10 % der Nennleistung der Brennstoffzelle ausgelegt sein, was Kosten sowie Bauraum einspart. Zwischen den beiden Bereichen kann beispielsweise durch eine entsprechende konstruktive Ausgestaltung bewirkt werden, dass stromabwärts des CPOX-Betriebs das Gas durch eine Kühlung auf unter 500°C abkühlt, bevor es den Bereich der Dampfreformierung durchströmt, für den Fall, dass letzter Bereich stromabwärts des Bereichs für den CPOX-Betrieb angeordnet ist. Umgekehrt könnten weitere Heizmittel vorgesehen sein, um stromabwärts des Bereichs für die Dampfreformierung das Gas auf die gewünschte Temperatur einzustellen.
Ferner kann durch einen CPOX-Betrieb und die damit verbundene Sauerstoffzugabe insbesondere unter Einhaltung eines geeigneten O/C-Verhältnisses von etwa > 1,8 das System vor Kohlenstoffablagerungen geschützt werden. Dieser Vorteil beruht somit insbesondere darauf, dass bei der Verwendung von Kohlenstoff-haltigen Gasen, wie etwa Erdgas mit seinem Hauptbestandteil Methan (CH₄), sich entlang der Anodengasführung beziehungsweise an der Anode Kohlenstoffablagerungen bilden können. Ob sich derartige Ablagerungen bilden kann ebenso, wie die Möglichkeit, diese wieder zu entfernen, etwa von dem O/C-Verhältnis abhängen. Das O/C-Verhältnis kann dabei insbesondere der Quotient aus der Anzahl der Sauerstoff- und Kohlenstoffatome bedeuten. Kohlenstoffablagerungen können die Funktion eines Brennstoffzellensystems beeinträchtigen, indem Funktionsflächen auf der Anode durch Beschichtung deaktiviert werden oder Durchströmungskanäle, wie etwa die Anodengasführung, verstopft werden. Durch die geringe Leistung bei einem CPOX-Betrieb kann dabei ferner eine Systemkühlung möglich sein.
Da ein CPOX-Betrieb insbesondere nur bei einem Einschalten beziehungsweise Ausschalten des Brennstoffzellensystems ausgeführt wird, fallen etwaige Wirkungsgradverluste durch die potentielle Bildung von Kohlendioxid nicht ins Gewicht beziehungsweise stören nicht. Darüber hinaus kann in einer Ausgestaltung auf einen Verdampfer verzichtet werden, da in einem Normalbetrieb Wasser für die Dampfreformierung etwa durch eine Rezirkulation einbringbar ist und bei einem Einschalten beziehungsweise Ausschalten keine Dampfreformierung benötigt wird.
Ein System mit Anodenrezirkulation kann in dieser Ausgestaltung ferner auch ohne elektrischen Stromfluss, also etwa bei einem Einschalten beziehungsweise Ausschalten des Systems, betrieben werden. Durch die unterstöchiometrische Luftzugabe in dem CPOX-Betrieb kann eine Oxidation etwa der Anode durch das Einstellen eines geeigneten O/C-Verhältnisses wie auch durch das Einstellen einer reduzierenden Atmosphäre verhindert werden, wobei das O/C-Verhältnis beispielsweise durch Sauerstoffzugabe und/oder Wasserzugabe möglich sein kann.
Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung kann die Kathodengasführung und/oder die Kathodengasquelle mit der Anodengasführung stromaufwärts des Reformers und/oder mit dem Reformer verbunden sein. In dieser Ausgestaltung kann ein CPOX-Betrieb des Reformers besonders einfach realisierbar sein, da keine zusätzliche Sauerstoffquelle vorgesehen sein muss, sondern lediglich eine definiert öffenbare und verschließbare Verbindung zwischen Anodengasführung beziehungsweise Reformer und Kathodengasführung beziehungsweise Kathodengasquelle vorgesehen zu sein braucht, um den Reformer mit Sauerstoff-haltigem Gas beziehungsweise mit Kathodengas zu versorgen. In dieser Ausgestaltung ist das Brennstoffzellensystem somit besonders einfach und kostengünstig herstellbar.
Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung kann in dem Gasvorratsbehälter ein Gasvolumen speicherbar sein, dass einem Volumen in Litern von ≥ 10 × P entspricht, wobei P die Gasanschlussleistung in kW bedeutet. Insbesondere kann in dem Gasvorratsbehälter ein Gasvolumen speicherbar sein, dass einem Volumen in Litern von ≥ 10 × P bis ≤ 15 × P entspricht. Ein derartiges Gasvolumen kann beispielsweise ausreichen, um ein vollständiges Abschalten des Brennstoffzellensystems unter Verwendung des in dem Gasvorratsbehälter vorhandenen Gases zu realisieren. Dadurch kann eine Oxidation und somit eine Beschädigung der Anode in dieser Ausgestaltung besonders sicher verhindert werden. Im Detail kann insbesondere in dieser Ausgestaltung auch für einen Zeitraum von ungefähr 10 Minuten bei Nennleistung beziehungsweise von 1,5 Stunden bei 10% der Nennleistung oder sogar länger eine ausreichende Versorgung der Anode mit reduzierender Atmosphäre beziehungsweise mit Inertgas sichergestellt werden, um kurzfristige Versorgungsausfälle auszugleichen oder das Brennstoffzellensystem herunterzufahren. Dabei ist für den Fachmann ersichtlich, dass nicht der Gasvorratsbehälter ein derartiges Volumen aufweisen braucht, sondern dass eine entsprechende Gasmenge auch unter Druck in dem Gasvorratsbehälter speicherbar sein kann.
Im Detail kann beispielsweise bei der Verwendung von Erdgas als Anodengas der Gasvorratsbehälter folgendermaßen ausgelegt werden, wobei die Größe des Gasvorratsbehälters sich insbesondere an dem Gasverbrauch des Brennstoffzellensystems orientieren kann. Dabei kann die Gasanschlussleistung in kW des Anodengases als Richtgröße Verwendung finden, da diese für jedes Brennstoffzellensystem bekannt beziehungsweise ermittelbar ist und diese ferner direkt proportional zu dem Gasverbrauch, also der der Anodengasquelle entnommenen Menge in kg, sein kann. Unter der Gasanschlussleistung kann dabei insbesondere die Menge an Gas, wie beispielsweise Erdgas, multipliziert mit dem spezifischen Heizwert des Brennstoffes verstanden werden, die das System im Nennbetriebspunkt dem Netz entnimmt. So verbraucht ein 1 kW System 0,1 kg/h beziehungsweise 1,67 g/min Anodengas. Die Normdichte (bei ca. 1 bar) von Erdgas als Anodengas beträgt ca. 0,75 kg/m³ bzw. 0,75 g/l. Bei 2 bar (1 barü) beträgt die Dichte 1,5 g/l. Das 1 kW System würde also ungefähr 1,1 l Erdgas (auf 2 bar komprimiert) verbrauchen und könnte mit einer Tankgröße von 12 l somit einen Versorgungsausfall von ungefähr 10 min überbrücken. Um die gleiche Zeitspanne zu bewältigen muss ein System mit einer definerten Gasanschlussleistung in kW eine Tankgröße von 12l × dieser Anschlussleistung aufweisen.
Dadurch können beispielsweise kurzzeitige Abschaltungen überbrückt werden. Ferner kann das System im Fall eines länger andauernden Ausfalls vor Beschädigungen geschützt werden, wobei eine geringe Leistung, wie etwa 10% des Nennwertes, um eine reduzierende Atmosphäre zu schaffen und gegebenenfalls „Notstrom“ zu erzeugen, vorteilhaft sein kann. Dadurch steht beispielsweise eine längere Zeitspanne, wie etwa mehr als 1,5 h für den Abkühlvorgang zur Verfügung.
Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung kann ein Einströmen von Gas aus dem Gasvorratsbehälter in die Anodengasführung in Abhängigkeit der Temperatur der Anode steuerbar sein. In dieser Ausgestaltung kann einer Oxidation und damit einer Beschädigung der Anode sicher entgegengewirkt werden, ein Ausströmen von Gas beziehungsweise ein Abschalten des Brennstoffzellensystems dabei jedoch auf einen geringstmöglichen Zeitraum reduzierbar sein. Dadurch kann verbrauchtes Gas eingespart werden, was die Betriebskosten senken kann und was ferner auch die Verwendung von kleindimensionierten Gasvorratsbehältern ermöglicht, wodurch Bauraum eingespart werden kann. Im Detail basiert diese Ausgestaltung auf der Erkenntnis, dass eine Oxidation der Anode meist nur bei erhöhten Temperaturen abläuft. Daher kann ein Einleiten eines reduzierenden Gases beziehungsweise eines Inertgases bei Temperaturen, die unter einer Oxidationstemperatur der Anode liegen, nicht mehr notwendig sein. Beispielsweise kann ein Einströmen von Gas aus dem Gasvorratsbehälter in die Anodengasführung durchgeführt werden bei Anodentemperaturen, die in einem Bereich von ≥ 300 °C liegen. Somit kann ein Einströmen von Gas aus dem Gasvorratsbehälter in die Anodengasführung beispielsweise beendet werden, wenn die Anodentemperatur 300°C oder weniger beträgt.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ferner ein Verfahren zum Betreiben eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems, umfassend die Verfahrensschritte:

– Leiten von Anodengas in einer Anodengasführung zu einer Anode einer Brennstoffzelle;
– Leiten von Kathodengas in einer Kathodengasführung zu einer Kathode der Brennstoffzelle; und
– Ermitteln eines Betriebszustands des Brennstoffzellensystems, insbesondere durch qualitatives und/oder quantitatives Untersuchen eines Anodengasflusses, wobei
– durch eine elektronische Steuereinheit in Abhängigkeit eines Betriebszustands des Brennstoffzellensystems reduzierendes Gas und/oder Inertgas aus einem Gasvorratsbehälter in die Anodengasführung geleitet wird.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann somit unabhängig von dem Betriebszustand die Anodengasführung und damit die Anode mit reduzierendem Gas und/oder mit Inertgas versorgt werden. Dadurch kann einer Oxidation der Anode beziehungsweise eines Anodenmaterials sicher entgegengewirkt werden.
Bezüglich weiterer Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens wird auf die vorstehenden Ausführungen bezüglich des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems verwiesen.
Im Rahmen einer Ausgestaltung kann das Brennstoffzellensystem bei einem fehlerhaften Betriebszustand, insbesondere unter Verwendung eines Reformers in einem CPOX-Betrieb, abgeschaltet werden. In dieser Ausgestaltung kann auch durch den Reformer eine reduzierende Atmosphäre an der Anode generiert werden und ferner durch die Einstellung eines geeigneten O/C-Verhältnisses Kohlenstoffablagerungen entgegengewirkt werden.
Zeichnungen und Beispiele
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Gegenstände werden durch die Zeichnungen veranschaulicht und in der nachfolgenden Beschreibung erläutert. Dabei ist zu beachten, dass die Zeichnungen nur beschreibenden Charakter haben und nicht dazu gedacht sind, die Erfindung in irgendeiner Form einzuschränken. Es zeigen
1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems;
2 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines Gasvorratsbehälters für ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem; und
3 ein beispielhaftes Diagramm darstellend die Bildung von Kohlenstoffablagerungen bei unterschiedlichen Temperaturen in Abhängigkeit des O/C-Verhältnisses.
1 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems 1. Derartige Brennstoffzellensysteme 1 können beispielsweise Verwendung finden als stationäre oder mobile Brennstoffzellensysteme. Beispielsweise können erfindungsgemäße Brennstoffzellensysteme 1 in Kraftfahrzeugen eingesetzt werden.
Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem 1 umfasst eine Brennstoffzelle 2, wie etwa eine Festoxidbrennstoffzelle (SOFC). Die Brennstoffzelle 2 ist nur schematisch gezeigt und kann etwa eine Anode und eine Kathode umfassen, wobei zwischen der Anode und der Kathode ein Elektrolyt angeordnet sein kann. Zweckmäßigerweise kann das Brennstoffzellensystem 1 ferner einen elektrischen Anschluss 3 zum Abgreifen elektrischer Energie umfassen. Das Brennstoffzellensystem 1 kann nur eine Brennstoffzelle 2 umfassen, oder auch eine Mehrzahl, einen Brennstoffzellenstapel ausbildenden Brennstoffzellen 2.
Bei Brennstoffzellen 2, wie etwa bei SOFC-Brennstoffzellen, kann die Kathode mit durchströmendem Kathodengas, wie insbesondere Sauerstoff-haltigem Gas, etwa Luft, in Kontakt kommen. Die Sauerstoffatome nehmen dabei von der elektrisch kontaktierten Kathode beziehungsweise Kathodenschicht Elektronen auf und können sich als zweifach negativ geladene Ionen durch den Elektrolyt bewegen. Die Leitfähigkeit des Elektrolyts kann dabei stark temperaturabhängig sein und erst bei Temperaturen, die oberhalb von etwa 700°C, liegen gewünschte Werte annehmen. Eine mögliche Kathodenreaktion ist dann wie folgt: O₂ + 4e^– → 2O₂ ^–
An der Anodenseite befindet sich dahingegen das Anodengas, wie insbesondere Wasserstoff- und/oder Kohlenmonoxid- haltiges Gas. Die Sauerstoffionen reagieren mit Wasserstoff beziehungsweise Kohlenmonoxid und geben Elektronen an die elektrisch leitende Anode beziehungsweise Anodenschicht, wie etwa Nickelschicht, ab. Eine mögliche Anodenreaktion ist dann wie folgt: 2O₂ ^– + 2H₂ → 2H₂O + 4e^– 2O₂ ^– + 2CO → 2CO₂ + 4e^–
Um die Brennstoffzelle 2 mit den entsprechenden Reaktionspartnern zu versorgen, kann das Brennstoffzellensystem 1 eine Anodengasführung 4 zum Führen von Anodengas von einer Anodengasquelle 5 zu der Anode und eine Kathodengasführung 6 zum Führen von Kathodengas von einer Kathodengasquelle 7 zu der Kathode umfassen. In der Anodengasführung 4 können dabei eine Entschwefelungsvorrichtung 8 und/oder eine Fördervorrichtung 9, wie etwa eine Pumpe oder ein Kompressor, vorgesehen sein. Ferner kann in der Anodengasführung 4 ein Reformer 10 zum Reformieren von Anodengas angeordnet sein. In der Kathodengasführung 6 kann eine Fördervorrichtung 11 zur Gasmengendosierung, wie etwa eine Pumpe oder ein Kompressor, angeordnet sein, um das Kathodengas zu fördern. Die Kathodengasquelle 7 kann beispielsweise Luft sein, wohingegen als Anodengasquelle 5 beispielsweise Erdgas oder ein Wasserstoff-haltiges Gas dienen kann.
Die Kathodengasführung 6 und/oder die Kathodengasquelle 7 kann ferner mit der Anodengasführung 4 stromaufwärts des Reformers 10 und/oder mit dem Reformer 10 verbunden sein, wobei nachstehende Ausführungen bezüglich einer Ausgestaltung einer Verbindung von Kathodengasführung 7 und Anodengasführung 4 beschrieben sind, jedoch gleichermaßen für weitere obengenannte Ausgestaltungen gelten. Dazu kann beispielsweise eine Verbindung 12 vorgesehen sein, welche mit der Kathodengasführung 6 und der Anodengasführung 4 verbunden ist. Ferner kann eine oder eine Mehrzahl von Vorrichtungen zum Führen des Kathodengasstroms, wie etwa ein Ventil 13 in der Kathodengasführung 6, insbesondere stromabwärts der Verbindung 12, und/oder ein Ventil 14 in der Verbindung 12 vorgesehen sein. Durch Steuerung der Ventile 13, 14, beispielsweise, kann so das Kathodengas in geeigneter Weise geführt werden. In einem Normalbetrieb, beispielsweise, kann die Kathodengasdosierung durch die Gasfördervorrichtung 11 erfolgen, wobei das Ventil 14 komplett geschlossen und das Ventil 13 komplett geöffnet sein kann.
Das Brennstoffzellensystem 1 kann weiterhin einen Anodenkreislauf zum Rezirkulieren von Anodenabgas umfassen. Der Anodenkreislauf kann dabei etwa eine Rezirkulationsleitung 18 umfassen, welche einen Anodenabgasausgang mit einem Anodengaseingang fluidisch außerhalb der Brennstoffzelle 2 verbindet. Dabei kann in der Rezirkulationsleitung 18 etwa eine Gasfördervorrichtung angeordnet sein. Die Gasfördervorrichtung kann etwa alternativ zu einer beispielhaften Ausgestaltung als Kolbenpumpe, Zahnradpumpe, Membranpumpe oder Gebläse als auch als Jet Pump bezeichnete Strahlpumpe ausgebildet sein. In dieser Ausgestaltung kann die Fördervorrichtung besonders unempfindlich gegenüber erhöhten Temperaturen sein, wobei ferner durch einen möglichen Verzicht auf bewegliche Teile beziehungsweise Durchführungen für Antriebe das Dichtigkeitsverhalten verbessert werden kann.
Das Brennstoffzellensystem 1 kann ferner einen Gasvorratsbehälter 15 zum Aufnehmen eines reduzierenden und/oder inerten Gases umfassen, aus dem das Gas in einer einstellbaren Menge in die Anodengasführung 4 einbringbar ist. Beispielsweise kann der Gasvorratsbehälter 15 mit Kathodengas und/oder Formiergas gefüllt sein. In der Ausgestaltung nach 1 ist der Gasvorratsbehälter ferner als Teil der Anodengasführung 4 ausgestaltet beziehungsweise verläuft die Anodengasführung 4 durch den Gasvorratsbehälter 15.
In 2 ist eine beispielhafte Ausführungsform eines Gasvorratsbehälters 15 für ein Brennstoffzellensystem 1 gezeigt. Der Gasvorratsbehälter 15 gemäß 2 ist mit einem Druckerhaltungssystem ausgestattet, wodurch in dem Gasvorratsbehälter 15 stets, auch bei einem Ausströmen von Gas, ein konstanter Druck beibehalten werden kann. Gemäß 2 weist der Gasvorratsbehälter 15 ein variables Volumen auf. Dieses kann realisiert werden, indem der Gasvorratsbehälter 15 ein starres Gehäuse 22 aufweist, in dem ein Eingang 23 und ein Ausgang 24 angeordnet sein können, und das ein Innenvolumen 25 zumindest teilweise begrenzen kann. In dem Innenvolumen 25 kann das insbesondere komprimierte inerte oder reduzierende Gas angeordnet sein. Das Innenvolumen 25 kann zumindest teilweise von einer elastischen Membran 26, 27 begrenzt sein, die mit einer starren Druckhaltevorrichtung 28 verbunden ist. Die Druckhaltevorrichtung 28 kann druckbeaufschlagt sein, insbesondere durch das Vorsehen von fest fixierten Federelementen 29. Durch diese Ausgestaltung kann, wenn Gas aus dem Ausgang 24 strömt und somit sich der Druck in dem Innenvolumen reduzieren würde, die druckbelastete Druckhaltevorrichtung 28 in das Innenvolumen 25 gepresst, wodurch der Druckverlust ausgeglichen wird. Zweckmäßigerweise können die Federelemente 29 auf einen geeigneten Druck für das Innenvolumen 25 eingestellt sein.
Zurückkommend zu 1 kann stromabwärts des Gasvorratsbehälters 15 und/oder an seiner Verbindung zu der Anodengasführung 4 ferner ein Gasflussbegrenzer, wie etwa ein Ventil 16, etwa ein Proportionalventil, angeordnet sein, über welches der Gasfluss aus dem Gasvorratsbehälter 15 in die Anodengasführung 4 steuerbar ist. In dem Gasvorratsbehälter 15 kann ein Gasvolumen speicherbar sein, dass einem Volumen in Litern von ≥ 10 × P entspricht. Die Dosierung des Anodengases beziehungsweise Brenngases kann hier über das Ventil 16 erfolgen, welches gleichermaßen den Druck in dem Gasvorratsbehälter 15 über einem vorbestimmten Wert halten kann. Dabei kann die Gasfördervorrichtung 9 etwa in einem Intervallbetrieb betrieben werden.
Ferner kann das Brennstoffzellensystem 1 eine elektronische Steuereinheit 17 umfassen. Mit dieser kann ein Einbringen von Gas aus dem Gasvorratsbehälter 15 in die Anodengasführung 4 auf Basis eines Betriebszustands des Brennstoffzellensystems 1 steuerbar sein. Dabei kann etwa die Temperatur der Anode, der Anodengasfluss und/oder der Druck in dem Gasvorratsbehälter 15 überwacht werden. Beispielsweise kann bei Unterschreitung eines vorgegebenen Wertes der Druck in dem Gasvorratsbehälter 15 durch Einführen von Gas, etwa durch die Gasfördervorrichtung 9, wieder erhöht werden, so dass stets ausreichend Gas in dem Gasvorratsbehälter 15 vorhanden ist. Die Steuereinheit 17 kann dabei mit den Gasfördervorrichtungen 9 und/oder 11 und/oder mit den Ventilen 14 und/oder 16 verbunden sein, um diese in geeigneter Weise anzusteuern. Um den Betriebszustand des Brennstoffzellensystems 1 zu ermitteln, kann ferner wenigstens eine Vorrichtung zum Ermitteln eines Betriebszustands des Brennstoffzellensystems 1 vorgesehen sein. Diese kann beispielsweise ein geeigneter Sensor sein, mit dem etwa ein Anodengasfluss in der Anodengasführung 4 qualitativ und/oder quantitativ ermittelbar ist.
Beispielsweise die Steuereinheit 17 oder eine weitere, nicht dargestellte Steuereinheit kann ferner derart ausgestaltet sein, um bei dem Auftreten eines fehlerhaften Betriebszustands das Brennstoffzellensystem 1 abzuschalten. Beispielsweise kann ein Abschalten ausgelöst werden, wenn der Druck in dem Gasvorratsbehälter 15 durch unzureichende Gasversorgung nicht erhöht werden kann, oder wenn ein zu hoher Sauerstoffgehalt in dem Anodengas detektiert wird. Ferner kann eine Steuereinheit, welche eine obengenannte oder eine weitere Steuereinheit sein kann, derart ausgestaltet sein, ein Einschalten und/oder ein Abschalten des Brennstoffzellensystems 1 unter einem Betreiben des Reformers 10 in einem CPOX-Betrieb durchzuführen. Dabei kann der für einen CPOX-Betrieb benötigte Sauerstoff durch die Kathodengasführung 6 beziehungsweise die Verbindung 12 zu der Anodengasführung 4 beziehungsweise zu dem Reformer 10 zugeführt werden, oder es kann eine separate Sauerstoffzufuhr, wie etwa ein Gebläse, vorgesehen sein.
Weiterhin kann an der Brennstoffzelle 2 ein Ausgang 19 vorgesehen sein, um Abgas aus der Brennstoffzelle 2 zu leiten. Darüber hinaus kann eine Heizvorrichtung vorgesehen sein, die über Leitungen 20, 21 mit der Brennstoffzelle 2 verbunden ist. Weitere Pumpen, wie etwa Rezirkulationspumpen, beziehungsweise Wärmetauscher oder weitere Bauteile können von dem Brennstoffzellensystem 1 umfasst sein, ohne hier explizit genannt zu sein.
Durch einen CPOX-Betrieb, beispielsweise, kann, wie auch durch eine Zufuhr von Wasser in die Anodengasführung 4, eine Bildung von Kohlenstoffablagerungen verhindert werden. Im Detail kann verhindert werden, dass sich etwa durch die Verwendung von Kohlenstoff-haltigen Brennstoffen in dem Anodengas in der Anodengasführung 4 beziehungsweise an der Anode Kohlenstoffablagerungen bilden, die das Arbeiten der Brennstoffzelle 2 negativ beeinflussen können. Durch die Zugabe von Wasser oder Sauerstoff, beispielsweise, kann ein O/C-Verhältnis von größer 1,8 eingestellt werden, wodurch derartige Kohlenstoffablagerungen verhindert werden können. Darüber hinaus kann eine Reformierung des Anodengases durch eine Wasserzufuhr besonders effizient durchgeführt werden. Dabei kann eine Zugabe von Wasser beispielsweise extern erfolgen, also beispielsweise durch das Vorsehen eines Verdampfers oder einer sonstigen Wasserquelle, oder auch intern, also beispielsweise durch das Vorsehen einer Rezirkulation des Anodenabgases.
3 zeigt diesbezüglich das Vorliegen von Kohlenstoffablagerungen in einem Anodengaspfad einer Brennstoffzelle 2. Dabei ist auf der x-Achse die Temperatur in °C aufgetragen, wohingegen die y-Achse das O/C-Verhältnis beschreibt. Es ist zu erkennen, dass die Bildung von Kohlenstoffablagerungen, welche durch den schwarz markierten Bereich verdeutlicht ist, abhängig sein kann von der Temperatur und dem O/C-Verhältnis. Wird, etwa durch Sauerstoffzugabe bei einem CPOX-Betrieb oder durch Wasserzugabe, das O/C-Verhältnis vergrößert, können Kohlenstoffablagerungen sicher verhindert werden, beziehungsweise gebildete Kohlenstoffablagerungen abgelöst werden.
Ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems 1 gemäß 1 kann dabei die folgenden Verfahrensschritte umfassen.

– Leiten von Anodengas in einer Anodengasführung 4 zu einer Anode einer Brennstoffzelle 2;
– Leiten von Kathodengas in einer Kathodengasführung 6 zu einer Kathode der Brennstoffzelle 2; und
– Ermitteln eines Betriebszustands des Brennstoffzellensystems 1, insbesondere durch qualitatives und/oder quantitatives Untersuchen eines Anodengasflusses, wobei
– durch eine elektronische Steuereinheit 17 in Abhängigkeit eines Betriebszustands des Brennstoffzellensystems 1 reduzierendes Gas und/oder Inertgas aus einem Gasvorratsbehälter 15 in die Anodengasführung 4 geleitet wird.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102006023857 A1 [0004]
GB 2439653 A [0005]

Claims

Brennstoffzellensystem, umfassend – eine Brennstoffzelle (2) mit einer Anode und einer Kathode, wobei zwischen der Anode und der Kathode ein Elektrolyt angeordnet ist; – eine Anodengasführung (4) zum Führen von Anodengas zu der Anode; – eine Kathodengasführung (6) zum Führen von Kathodengas zu der Kathode, und – einen Gasvorratsbehälter (15) zum Aufnehmen eines reduzierenden und/oder inerten Gases, aus dem das Gas in einer einstellbaren Menge in die Anodengasführung (4) einbringbar ist, wobei – wenigstens eine Vorrichtung zum Ermitteln eines Betriebszustands des Brennstoffzellensystems (1) vorgesehen ist, und wobei – eine elektronische Steuereinheit (17) vorgesehen ist, mit der ein Einbringen von Gas aus dem Gasvorratsbehälter (15) in die Anodengasführung (4) in Abhängigkeit des Betriebszustands steuerbar ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei der Gasvorratsbehälter (15) zum Beibehalten eines konstanten Innendrucks ein veränderliches Innenvolumen (25) aufweist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Anodengasführung (4) durch den Gasvorratsbehälter (15) verläuft.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei eine Steuereinheit vorgesehen ist, die derart ausgestaltet ist, um bei dem Auftreten eines fehlerhaften Betriebszustands das Brennstoffzellensystem (1) abzuschalten.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 4, wobei das Brennstoffzellensystem (1) einen Reformer (10) aufweist und wobei eine Steuereinheit vorgesehen ist, die derart ausgestaltet ist, das Einschalten und/oder Abschalten des Brennstoffzellensystems (1) unter einem Betreiben des Reformers (10) in einem CPOX-Betrieb durchzuführen.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Kathodengasführung (6) und/oder die Kathodengasquelle (7) mit der Anodengasführung (4) stromaufwärts des Reformers (10) und/oder mit dem Reformer (10) verbunden ist.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei in dem Gasvorratsbehälter (15) ein Gasvolumen speicherbar ist, dass einem Volumen in Litern von ≥ 10 × P entspricht.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei ein Einströmen von Gas aus dem Gasvorratsbehälter (15) in die Anodengasführung (4) in Abhängigkeit der Temperatur der Anode steuerbar ist.
Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, umfassend die Verfahrensschritte: – Leiten von Anodengas in einer Anodengasführung (4) zu einer Anode einer Brennstoffzelle (2); – Leiten von Kathodengas in einer Kathodengasführung (6) zu einer Kathode der Brennstoffzelle (2); und – Ermitteln eines Betriebszustands des Brennstoffzellensystems (1), insbesondere durch qualitatives und/oder quantitatives Untersuchen eines Anodengasflusses, wobei – durch eine elektronische Steuereinheit (17) in Abhängigkeit eines Betriebszustands des Brennstoffzellensystems (1) reduzierendes Gas und/oder Inertgas aus einem Gasvorratsbehälter (15) in die Anodengasführung (4) geleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei das Brennstoffzellensystem (1) bei einem fehlerhaften Betriebszustand, insbesondere unter Verwendung eines Reformers (10) in einem CPOX-Betrieb, abgeschaltet wird.