DE102008018152B4

DE102008018152B4 - Brennstoffzellensystem und zugehöriges Betriebsverfahren

Info

Publication number: DE102008018152B4
Application number: DE102008018152.8A
Authority: DE
Inventors: Andreas Kaupert
Original assignee: Eberspaecher Climate Control Systems GmbH and Co KG
Current assignee: Eberspaecher Climate Control Systems GmbH and Co KG
Priority date: 2008-04-10
Filing date: 2008-04-10
Publication date: 2019-03-07
Anticipated expiration: 2028-04-11
Also published as: US8557450B2; DE102008018152A1; US20090258262A1

Abstract

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,- wobei der Reformer (3) einen Rezirkulationsanschluss (55) aufweist, an den die Rezirkulationsleitung (31) angeschlossen ist, 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 Rezirkulationsanschluss (55)über einen Gaspfad (77) unter Umgehung der Verdampfungseinrichtung (66) zur Vorreaktionskammer (67) führt.

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 oder 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. Des Weiteren weist der Reformer einen Luftanschluss auf, an den eine Luftleitung zur Versorgung des Reformers mit Luft angeschlossen ist. Des Weiteren 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 Leistungsbereichrealisieren.
In der Schrift DE 11 2006 000 796 T5 ist ein Brennstoffzellensystem gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 beschrieben. Weitere Brennstoffzellensysteme mit Reformer sind in der DE 10 2007 039 594 A1 und der DE 10 2006 023 857 A1 dargestellt.
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 Anordnung 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.
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 und 2 jeweils eine stark vereinfachte, schaltplanartige Prinzipdarstellung eines Brennstoffzellensystems, bei unterschiedlichen Ausführungsformen,
3 und 4 jeweils einen stark vereinfachten, schaltplanartigen Längsschnitt durch einen Reformer, bei unterschiedlichen Ausführungsformen.

Entsprechend den 1 und 2 umfasst ein Brennstoffzellensystem 1 zumindest eine Brennstoffzelle 2 sowie wenigstens einen Reformer 3. Die Brennstoffzelle 2 umfasst üblicherweise eine Kathodenseite 4 sowie eine Anodenseite 5, die über ein Elektrolyt 6 voneinander getrennt sind. Im Betrieb setzt die Brennstoffzelle 2 am Elektrolyt 6 ein Wasserstoffgas enthaltendes Anodengas mit Sauerstoffgas enthaltendem Kathodengas, z.B. Luft, um, wobei elektrischer Strom an wenigstens einem elektrischen Anschluss 7 abgreifbar ist. Im Beispiel führt eine elektrische Leitung 8 zu einem elektrischen Verbraucher 9. Das Brennstoffzellensystem 1 kann beispielsweise in einem Kraftfahrzeug angeordnet sein und dort als zusätzliche oder als einzige Stromquelle dienen, um elektrische Verbraucher 9 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 Brennstoffzellensystems 1 bevorzugt der Brennstoffzelle 2 als Anodengas zugeführt werden kann. Der Reformer 3 enthält hierzu einen Gemischbildungsabschnitt 10 und einen Reformierungsabschnitt 11. Im Gemischbildungsabschnitt 10 erfolgt die Gemischbildung aus Kraftstoff und Oxidator. Sofern es sich beim Kraftstoff um einen flüssigen Kraftstoff handelt, beispielsweise Benzin, Diesel oder Biokraftstoff, erfolgt im Gemischbildungsabschnitt 10 außerdem eine Verdampfung des Kraftstoffs. Hierbei kann der Gemischbildungsabschnitt 10 beispielsweise mit einer kalten Flamme arbeiten. Im Reformierungsabschnitt 11 erfolgt die partielle Oxidation des Gemischs, wodurch die Kohlenwasserstoffe z.B. mit Sauerstoff in Wasserstoffgas, Kohlenmonoxid, Kohlendioxid und Wasser aufgespalten werden. Hierzu enthält der Reformierungsabschnitt 11 einen hierfür geeigneten Katalysator 12.
Zur Versorgung des Reformers 3 mit Kraftstoff ist eine Kraftstoffversorgungsleitung 13 vorgesehen, die eine an eine Eingangsseite 14 des Reformers 3 angeschlossene Kraftstoffleitung 15 und eine darin angeordnete Fördereinrichtung 16, z.B. eine Pumpe, umfasst. Die Eingangsseite 14 besitzt hierzu einen Kraftstoffanschluss 53. Zur Versorgung des Reformers 3 mit Oxidator, der insbesondere Luft sein kann, ist eine Oxidator- oder Luftversorgungseinrichtung 17 vorgesehen, die über eine Oxidator- oder Luftleitung 18 an die Eingangsseite 14 angeschlossen ist. Diese weist hierzu einen Luftanschluss 54 auf. Die gleiche Oxidator- bzw. Luftversorgungseinrichtung 17 wird im Beispiel gemäß 1 auch zur Versorgung der Brennstoffzelle 2 mit Kathodengas verwendet, bei dem es sich bevorzugt um Luft handelt. Hierzu zweigen eine Kathodengasleitung 20 und die Luftleitung 18 z. B. über eine geeignete Ventileinrichtung 21 von einer gemeinsamen Versorgungsleitung 19 ab. In dieser Versorgungsleitung 19 kann eine Fördereinrichtung 22, z.B. ein Gebläse, angeordnet sein.
Alternativ kann bei der in 2 gezeigten Ausführungsform zur Versorgung der Brennstoffzelle 2 mit Oxidatorgas eine separate zweite Oxidator- bzw. Luftzuführeinrichtung 49 vorgesehen sein, deren Oxidator- bzw. Luftleitung direkt die Kathodengasleitung 20 bildet. Diese zweite Oxidatorzuführung 49 enthält in der Kathodengasleitung 20 eine geeignete Fördereinrichtung 50, z. B. ein Gebläse, wodurch die Versorgung der Brennstoffzelle 2 mit Oxidatorgas unabhängig von der Luftversorgung des Reformers 3 ist. Bei der Ausführungsform gemäß 2 geht die Versorgungsleitung 19 direkt in die Luftleitung 18 über oder ist mit dieser identisch.
An eine Ausgangsseite 23 des Reformers 3 ist gemäß den 1 und 2 eine Reformatgasleitung 24 angeschlossen, über die das Reformatgas vom Reformer 3 abführbar ist. In den Beispielen ist die Reformatgasleitung 24 an die Anodenseite 5 der Brennstoffzelle 2 angeschlossen und kann in der Folge auch als Anodengasleitung 24 bezeichnet werden.
Das Brennstoffzellensystem 1 weist hier außerdem einen Restgasbrenner 25 auf, der in einem Brennraum 26 Kathodenabgas und Anodenabgas umsetzt. Bei dieser Verbrennungsreaktion, die mit offener Flamme oder katalytisch erfolgen kann, entsteht Brennerabgas, das über eine Abgasleitung 27 vom Restgasbrenner 25 abgeführt wird. Der Restgasbrenner 26 ist über eine Kathodenabgasleitung 28 an die Kathodenseite 4 der Brennstoffzelle 2 angeschlossen. Ferner ist der Restgasbrenner 25 über eine Anodenabgasleitung 29 an die Anodenseite 5 der Brennstoffzelle 2 angeschlossen. In die Abgasleitung 27 ist im Beispiel ein Wärmeübertrager 30 eingebunden, der außerdem in die Kathodengasleitung 20 eingebunden ist. Auf diese Weise kann die Wärme des Brennerabgases zum Aufheizen des Kathodengases 20 genutzt werden, was die Effektivität der Brennstoffzelle 2 erhöht. In der Abgasleitung 27 kann wenigstens ein weiterer Wärmeübertrager angeordnet sein, beispielsweise um einen Fahrzeuginnenraum zu beheizen und/oder um eine Brennkraftmaschine aufzuwärmen. Des Weiteren können in der Abgasleitung 27 Abgasbehandlungseinrichtungen, wie z.B. ein Oxidationskatalysator, angeordnet sein.
An den Restgasbrenner 25 ist eingangsseitig außerdem eine Kühlgasleitung 51 angeschlossen, über die dem Restgasbrenner 25 bedarfsabhängig ein Kühlgas, z.B. Luft, zugeführt werden kann. Insbesondere kann das Kühlgas dem Kathodenabgas zugemischt werden. Bei der Ausführungsform gemäß 1 zweigt die Kühlgasleitung 51 über die Ventileinrichtung 21 von der Versorgungsleitung 19 ab. Bei der in 2 gezeigten Ausführungsform zweigt die Kühlgasleitung 51 über ein entsprechendes Steuerventil 52 von der Kathodengasleitung 20 ab.
Bei den hier gezeigten Ausführungsformen der 1 und 2 ist außerdem eine Rezirkulationseinrichtung 83 vorgesehen, mit deren Hilfe über eine Rezirkulationsleitung 31 dem Reformer 3 Anodenabgas rückführbar ist. Hierzu ist die Rezirkulationsleitung 31 eingangsseitig bei 32 an die Anodenabgasleitung 29 und ausgangsseitig an die Eingangsseite 14 des Reformers 3 angeschlossen. Hierfür weist diese einen Rezirkulationsanschluss 55 auf. In der Rezirkulationsleitung 31 ist im Bespiel ein Rezirkulationswärmeübertrager 33 angeordnet, der außerdem in die Luftleitung 18 eingebunden ist. Hierdurch kann eine Aufheizung der zur Versorgung des Reformers 3 dienenden Reformerluft realisiert werden. Gleichzeitig kann dadurch eine Abkühlung des rückgeführten Anodenabgases realisiert werden. Es ist klar, dass der Rezirkulationswärmeübertrager 33 zusätzlich oder alternativ auch in die Kathodengasleitung 20 und/oder in die Brennstoffleitung 15 eingebunden sein kann.
In der Rezirkulationsleitung 31 ist, bevorzugt stromab des Rezirkulationswärmeübertragers 33, eine Fördereinrichtung 34 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 Nachbrenner 35 ausgestattet, der in die Reformatgasleitung 24 eingebunden ist. Im Nachbrenner 35 können beispielweise im Reformatgas noch enthaltene Kohlenwasserstoffe umgesetzt werden. Ebenfalls kann im Nachbrenner 35 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 Nachbrenner 35 über eine zusätzliche Oxidatorleitung 36 zugeführt. Diese Nachbrenneroxidatorleitung 36 zweigt im Beispiel gemäß 1 über die Ventileinrichtung 21 von der Versorgungsleitung 19 ab. Ebenso ist es grundsätzlich möglich, diese Nachbrenneroxidatorleitung 36 von der Kathodengasleitung 20 oder von der Reformeroxidatorleitung 18 abzuzweigen. Bei dem in 2 gezeigten Beispiel zweigt die Nachbrenneroxidatorleitung 36 über ein weiteres Steuerventil 37 von der Kathodengasleitung 20 ab. Die Nachbrenneroxidatorleitung 36 ist bei beiden Beispielen an eine Brennkammer 38 des Nachbrenners 35 angeschlossen. Zur Zündung der Nachbrenner-Verbrennungsreaktion kann eine entsprechende Zündhilfe 39 vorgesehen sein, bei der es sich um eine Glühkerze, einen Glühstift oder eine Zündkerze oder ein beliebiges anderes Zündorgan handeln kann. Außerdem kann eine in 2 gezeigte Zündhilfe 82 dem Reformer 3 bzw. dessen Gemischbildungsabschnitt 10 zugeordnet sein.
Des Weiteren ist der hier gezeigte Reformer 3 mit einem Nachbrennerwärmeübertrager 49 ausgestattet. Dieser ist einerseits mit dem Nachbrenner 35 wärmeübertragend gekoppelt und zusätzlich oder alternativ in die Reformatgasleitung 24, und zwar stromab des Nachbrenners 35 und andererseits in die Reformeroxidatorleitung 18, und zwar stromauf des Reformers 3 eingebunden. Zu diesem Zweck weist die Reformeroxidatorleitung 18 einen Wärmeübertragerzweig 41 mit einem zum Wärmeübertrager 40 führenden Vorlauf 42 und einem vom Wärmeübertrager 40 zurückkommenden Rücklauf 43 auf. Der Vorlauf 42 zweigt über eine Vorlaufventileinrichtung 44 vom Hauptstrang der Reformeroxidatorleitung 18 ab. Der Rücklauf 43 ist über eine Rücklaufventileinrichtung 45 an den Hauptstrang der Reformeroxidatorleitung 18 angeschlossen, und zwar stromab der Vorlaufventileinrichtung 44.
Bei der in 1 gezeigten Ausführungsform zweigt der Vorlauf 42 stromab der Ventileinrichtung 21 von der Reformeroxidator- bzw. Luftleitung 18 ab. Im Unterschied dazu ist bei der in 2 gezeigten Ausführungsform die Vorlaufventileinrichtung 44 in die Versorgungsleitung 19 eingebunden bzw. am Übergang zwischen der Versorgungsleitung 19 und der Luftleitung 18 angeordnet.
Grundsätzlich kann auch eine der Ventileinrichtungen 44 und 45 entfallen; ebenso kann die eine bzw. die jeweilige Ventileinrichtung innerhalb des Vorlaufs 42 oder innerhalb des Rücklaufs 43 angeordnet sein. Über den Strömungswiderstand ergibt sich die gewünschte Strömungsführung auch bei der Verwendung nur einer Ventileinrichtung 44 bzw. 45. Bemerkenswert ist außerdem, dass bei den hier gezeigten Ausführungsformen der Vorlauf 42 jeweils stromauf des Rezirkulationswärmeübertragers 33 von der Luftleitung 18 bzw. von der Versorgungsleitung 19 abzweigt.
Des Weiteren ist hier eine Steuerung 46 vorgesehen, die auf geeignete Weise mit den steuerbaren Komponenten des Brennstoffzellensystems 1, also beispielsweise mit den Fördereinrichtungen 16, 22, 34, 50 und mit den Ventileinrichtung 37, 44, 45, 52 sowie mit der Zündhilfe 39 verbunden ist. Außerdem kann die Steuerung 46 mit diversen Sensoren 47 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 Nachbrennerwärmeübertrager 40 eine bauliche Einheit. Hierbei umschließt der Nachbrennerwärmeübertrager 40 den Nachbrenner 35 bzw. dessen Brennkammer 38 zumindest teilweise in der Umfangsrichtung. Ferner ist bei der hier gezeigten Ausführungsform ein gemeinsamer Rohrkörper 48 durch eine unterbrochene Linie symbolisch angedeutet. Dieser gemeinsame Rohrkörper 48 dient als gemeinsames Gehäuse für den Nachbrennerwärmeübertrager 40 und den Nachbrenner 35. Ferner bildet dieser Rohrkörper 38 einen Abschnitt der Reformatgasleitung 24, nämlich zumindest den sich zwischen Reformer 3 und Nachbrenner 35 erstreckenden Abschnitt. Besagter Abschnitt ist hier mit 24' bezeichnet. Im Beispiel ist außerdem der Reformer 3 in besagtem Rohrkörper 48 untergebracht. Hierdurch ergibt sich eine besonders kompakte Bauweise für den mit dem Nachbrenner 35 und dem Nachbrennerwärmeübertrager 40 ausgestatteten Reformer 3.
Beim hier gezeigten Brennstoffzellensystem 1 ist die Kraftstoffversorgungseinrichtung 13 außerdem so ausgestaltet, dass damit flüssiger Kraftstoff in die Rezirkulationsleitung 31 einleitbar ist. Dabei kann die Kraftstoffversorgungseinrichtung 13 den Kraftstoff entsprechend 1 stromab des Rezirkulationswärmeübertragers 33 und insbesondere stromab der Fördereinrichtung 34 bei 56 in die Rezirkulationsleitung 31 einleiten. Hierdurch kann eine Kondensation des Kraftstoffdampfs im Rezirkulationswärmeübertragers 33 vermieden werden. Alternativ kann die Kraftstoffversorgungseinrichtung 13 den Kraftstoff gemäß 2 bei 57 stromauf des Rezirkulationswärmeübertragers 33 in die Rezirkulationsleitung 31 einleiten. Bei der in 2 gewählten Einleitstelle 57 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 Luftleitung 18 und für die Rezirkulationsleitung 31 separate Anschlüsse 54 bzw. 55 aufweist, so dass bis zum Reformer 3 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 Rezirkulationsleitung 31 eingeleiteten flüssigen Kraftstoffs kann die jeweilige Einleitstelle 56, 57 mittels einer Einleiteinrichtung 58 realisiert werden, die einerseits an die Kraftstoffversorgungseinrichtung 13 und andererseits an die Rezirkulationsleitung 31 angeschlossen ist. Die Einleiteinrichtung 58 kann beispielsweise eine Fläche 59 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 Fläche 59 mit dem heißen rezirkulierten Anodenabgas die Verdampfung.
Für die Einleitung von flüssigem Kraftstoff in die Rezirkulationsleitung 31 ist die Kraftstoffversorgungseinrichtung 13 mit einer Abzweigleitung 60 ausgestattet, die von der Kraftstoffleitung 15 über eine Ventileinrichtung 61 abzweigt, wodurch die Kraftstoffleitung 15 einen Hauptzweig der Kraftstoffversorgungseinrichtung 13 bildet. Besagter Hauptzweig, also die Kraftstoffleitung 15 führt direkt zum Reformer 3, während die Abzweigungsleitung 60 direkt zur Rezirkulationsleitung 31 führt. Die Ventileinrichtung 61 ist mit Hilfe der Steuerung 46 betätigbar und kann den Kraftstoffstrom der Fördereinrichtung 16 quasi beliebig zwischen dem Reformer 3 und der Rezirkulationsleitung 31 aufteilen.
Entsprechend den 3 und 4 kann der Reformer 3 bei einer besonders kompakten Bauweise ein röhrenförmiges Gehäuse 62 aufweisen, bei dem es sich insbesondere auch um den Rohrkörper 48 handeln kann. Das Gehäuse 62 ist bei der in 3 gezeigten Ausführungsform doppelwandig ausgeführt, während beim Reformer 3 der 4 eine einwandige Ausführung gezeigt ist. Beim doppelwandigen Gehäuse 62 sind zumindest zwei Hohlräume 63, 64 realisiert, die insbesondere zylindrisch ausgeführt und relativ zueinander koaxial angeordnet sein können, während beim einwandigen Gehäuse 62 zumindest ein Hohlraum 64 vorliegt. Der innenliegende Hohlraum 64 ist an die Kraftstoffversorgungseinrichtung 13 angeschlossen, wozu die Kraftstoffleitung 15 an den Kraftstoffanschluss 53 angeschlossen ist. Eine den innenliegenden Hohlraum 64 umschließende Wand 65 bildet einen Mantel bzw. einen Innenmantel und trägt eine Verdampfereinrichtung 66, die beispielsweise als Vliesverdampfer ausgeführt sein kann. Der innenliegende Hohlraum 64 bildet außerdem an den Gemischbildungsabschnitt 10 bzw. eine Vorreaktionskammer 67. Daran schließt sich innerhalb der Wand 65 der Reformierungsabschnitt 11 an, in dem der Katalysator 12 angeordnet ist. Zwischen den beiden Abschnitten 10 und 11 kann eine Flammsperre 68 angeordnet sein. Ferner besitzt das Gehäuse 62 einen Auslassanschluss 69, an den die Reformatgasleitung bzw. Anodengasleitung 24 bzw. 24' angeschlossen ist, die zum Nachbrenner 35 bzw. zur Brennstoffzelle 2 führt.
Während der innenliegende Hohlraum 64 durch die innenliegende Wand oder Innenwand 65 umhüllt ist, umhüllt bei der Ausführung der 3 eine außen liegende Wand oder Außenwand 70 den außenliegenden Hohlraum 63. An diese Außenwand 70 sind zum einen die Luftleitung 18 der Luftversorgungseinrichtung 17 über den Luftanschluss 54 und zum anderen die Rezirkulationsleitung 31 über den Rezirkulationsanschluss 55 angeschlossen. Zwischen der Innenwand 65 und der Außenwand 70 ist eine Zwischenwand 71 angeordnet, die innerhalb des ringförmigen außenliegenden Hohlraums 63 zwei ringförmige Kammern 72 und 73 voneinander trennt, die koaxial zueinander angeordnet sind. Die innenliegende Kammer oder Innenkammer 73 kommuniziert dabei mit dem Luftanschluss 54 und führt über einen durch Pfeile angedeuteten Luftpfad 74 zu mehreren, insbesondere ringförmig verteilt angeordneten Lufteinlassöffnungen 75, die an der Innenwand 65 ausgebildet sind. Im Unterschied dazu verbindet die außenliegende Kammer oder Außenkammer 72 den Rezirkulationsanschluss 55 mit Rezirkulationsöffnungen 76, die zweckmäßig ringförmig verteilt an der Innenwand 65 ausgebildet sind. Hierdurch wird ein durch Pfeile angedeuteter Rezirkulationspfad 77 im Reformer 3 realisiert. Im Gehäuse 62 angeordnete Zwischenböden 78 bzw. 79 bewirken eine Trennung der beiden Gaspfade 74, 77, so dass sich Luft und rezirkuliertes Gas erst in der Vorreaktionskammer 67 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 Reformer 3 der 4 umschließt die Kammer 72 die Wand 65 ausschließlich vor bzw. stromauf der Flammsperre 68. Hierdurch kann eine Kühlung der Flammsperre 68 und des nachfolgenden Katalysators 12 durch die Gaszuführung über die Kammer 72 vermieden werden. Bei der in 4 gezeigten Ausführungsform besitzen die Rezirkulationsleitung 31 und die Luftleitung 18 keine separaten Anschlüsse 54, 55 am Reformer 3, sondern einen gemeinsamen Anschluss 85. Die Luftleitung 18 und die Rezirkulationsleitung 31 sind hierzu bei 86 zusammengeführt und über einen gemeinsamen Leitungsabschnitt 87 an besagten gemeinsamen Anschluss 85 angeschlossen. Hierdurch fallen die beiden Gaspfade 74 und 77 zusammen. Bis zu den Einlassöffnungen 75 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 in 4 gezeigten Ausführungsform ist außerdem eine Variante der Einleiteinrichtung 58 gezeigt, die einen Freiraum 84 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 Vorreaktionskammer 67 unter Umgehung der Verdampfereinrichtung 66 erreichen.
Der Reformierungsabschnitt 11 bildet dabei eine der Vorreaktionskammer 67 nachgeordnete Hauptreaktionskammer 80. In dieser Hauptreaktionskammer 80 weist der Reformer 3 bevorzugt zumindest einen Temperatursensor 81 auf. Im Beispiel weist der Reformer 3 in der Vorreaktionskammer 67 ein Zündorgan 82 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 Reformer 3 lässt sich zweckmäßig wie folgt betreiben:
Während eines Kaltstarts, bei dem die Komponenten des Brennstoffzellensystems 1 bzw. des Reformers 3 Umgebungstemperatur aufweisen, wird der Reformer 3 zunächst als Brenner gestartet und betrieben, solange bis sein Katalysator 12 die Aktivierungstemperatur erreicht. Dieser Brennerbetrieb des Reformers 3 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 Nachbrenner 35 Reformatgas, das bereits vom Reformer 3 erzeugt worden ist, zumindest teilweise mit Oxidator umgesetzt werden. Der hierzu benötigte Oxidator wird über die Nachbrenneroxidatorleitung 36 zugeführt. Der hierbei von der Versorgungsleitung 19 (1) bzw. von der Kathodengasleitung 20 (2) teilweise abgezweigte Oxidator wird von der Brennstoffzelle 2 in diesem Zeitpunkt der Warmlaufphase nur bedingt benötigt. Beispielsweise wird im Restgasbrenner 25 nicht umgesetztes Reformatgas mit Oxidator, also Kathodengas, umgesetzt. Zweckmäßig wird als Oxidator für den Reformer 3 sowie für den Nachbrenner 35 sowie optional als Kathodengas Luft verwendet, wodurch gemäß 1 grundsätzlich eine gemeinsame Oxidatorzuführung 17 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 Ventileinrichtungen 44 und 45 so geschaltet werden, dass der Oxidatorstrom nicht direkt durch den Hauptstrang der Reformeroxidatorleitung 18 zum Reformer 3 gelangt, sondern über den Vorlauf 42, über den Nachbrennerwärmeübertrager 40 und über den Rücklauf 43 strömen muss, bevor es über den noch aktiven Teil der Oxidatorleitung 18 zur Eingangsseite 14 des Reformers 3 gelangt. Im Nachbrennerwärmeübertrager 40 erfolgt eine Aufheizung des dem Reformer 3 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 Reformers 3. Vorzugsweise wird bei diesem Warmlaufbetrieb nur ein Teil des Reformatgases umgesetzt, so dass der übrige und insbesondere größere Teil des Reformatgases als Anodengas der Brennstoffzelle 2 zuführbar ist. Hierdurch lässt sich auch eine Aufheizung der Brennstoffzelle 2 realisieren. Da im Nachbrenner 35 insbesondere nur ein Teil des Reformatgases umgesetzt wird, kann zusätzlich bevorzugt während dieser Startphase Anodenabgas, das bei geringer oder fehlender Umsetzung in der Brennstoffzelle 2 einen relativ hohen Anteil an Reformatgas enthält, über die Rezirkulationsleitung 31 ebenfalls dem Reformer 3 zugeführt werden. Auch diese Maßnahme kann zum schnelleren Aufheizen des Reformers 3 genutzt werden. Da zweckmäßig auch nur ein Teil des Anodenabgases rezirkuliert wird, kann im Restgasbrenner 25 vorzugsweise eine Verbrennung des Anodenabgases, das bei fehlender Umsetzung in der Brennstoffzelle 2 dem Anodengas entspricht, durchgeführt werden.
Sobald der Reformer 3 seine Betriebstemperatur erreicht hat, werden die Ventileinrichtungen 44 und 45 so geschaltet, dass der Zweig 41 deaktiviert wird, so dass das Oxidatorgas nunmehr wieder direkt über den Hauptstrang der Reformeroxidatorleitung 18 dem Reformer 3 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 Nachbrenner 35 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 Nachbrennerwärmeübertragers 40 bzw. der Brennstoffzelle 2 zu vermeiden, kann im Nachbrenner 35 bzw. in der Reformatgasleitung 24 ein geeigneter Temperatursensor 47 angeordnet sein.
Für normale Leistungen des Brennstoffzellensystems 1 reicht die Reformatgasmenge aus, die mittels Verdampfung flüssigen Kraftstoffs in der Verdampfereinrichtung 66 generiert werden kann. Die Verdampferleistung des Verdampfers 66 ist dabei begrenzt. Bei derartigen normalen Leistungen steuert die Steuerung 46 die Ventileinrichtung 61 so an, dass der Kraftstoff ausschließlich über die Kraftstoffleitung 15 im Reformer 3, also ausschließlich der Verdampfereinrichtung 66 zugeführt wird. Wenn dennoch mehr Reformat benötigt wird, beispielsweise für eine erhöhte Leistung der Brennstoffzelle 2 und/oder wenigstens eines weiteren Reformatgasverbrauchers, kann die Steuerung 46 die Ventileinrichtung 61 so betätigen, dass zunehmend flüssiger Kraftstoff auch der Rezirkulationsleitung 31 zugeführt wird, so dass zusätzlicher Kraftstoff über die Reformatleitung 31 zum Reformer 3 gelangt. Insgesamt kann somit die Menge des dem Reformer 3 zugeführten Kraftstoffs erhöht werden. Hierdurch lässt sich die mit Hilfe des Reformers 3 generierbare Reformatgasmenge erhöhen, was einer Leistungssteigerung des Reformers 3 entspricht. Beispielsweise arbeitet die Steuerung 46 hierbei mit Grenzwerten oder Schwellwerten. Dementsprechend kann für einen Reformerbetrieb mit bis zu einer vorbestimmten Grenzleistung der Kraftstoff ausschließlich direkt dem Reformer 3 zugeführt werden, während bei einer über die vorbestimmte Grenzleistung hinausgehende Leistung der Kraftstoff zusätzlich oder ausschließlich über rezirkuliertes Anodenabgas dem Reformer 3 zugeführt wird. Des Weiteren kann die Steuerung 46 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 Reformers 3 oberhalb einer vorbestimmten Grenztemperatur befindet.

Claims

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, - wobei der Reformer (3) einen Rezirkulationsanschluss (55) aufweist, an den die Rezirkulationsleitung (31) angeschlossen ist, 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 Rezirkulationsanschluss (55)über einen Gaspfad (77) unter Umgehung der Verdampfungseinrichtung (66) zur Vorreaktionskammer (67) führt.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, 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 2, 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 3, 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 4, 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 5, 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 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftstoffversorgungseinrichtung (13) eine gemeinsame Kraftstoffleitung aufweist, die über wenigstens eine Ventileinrichtung (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 7, dadurch gekennzeichnet, dass in eine Reformatgas vom Reformer (3) weg führende Reformatgasleitung (24) ein Nachbrenner (35) eingebunden ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 8, 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 9, 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 10, 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 12 oder 13 betreiben kann.
Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems nach einem der Ansprüche 1 bis 11, 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 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführung von Kraftstoff über rezirkuliertes Anodenabgas nur oberhalb einer vorbestimmten Grenztemperatur erfolgt.