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DE102006029743A1 - Brennstoffzellensystem - Google Patents

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DE102006029743A1
DE102006029743A1 DE102006029743A DE102006029743A DE102006029743A1 DE 102006029743 A1 DE102006029743 A1 DE 102006029743A1 DE 102006029743 A DE102006029743 A DE 102006029743A DE 102006029743 A DE102006029743 A DE 102006029743A DE 102006029743 A1 DE102006029743 A1 DE 102006029743A1
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Michael Rozumek
Stefan Käding
Manfred Pfalzgraf
Andreas Engl
Beate Bleeker
Michael Süßl
Markus Bedenbecker
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem, umfassend einen Reformer (26) und einen Nachbrenner (48) jeweils zum Umsetzen von zumindest Brennstoff und Oxidationsmittel; und eine Brennstoffzuführeinrichtung (10) zum Versorgen des Reformers (26) und des Nachbrenners (48) mit Brennstoff. Als besonders vorteilhaft ist dabei vorgesehen, dass zumindest dem Reformer (26) oder dem Nachbrenner (48) zumindest ein Durchflusseinstellventil (16, 20) zum Steuern der Brennstoffzufuhr vorgeschaltet ist. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug mit solch einem Brennstoffzellensystem.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem umfassend einen Reformer und einen Nachbrenner jeweils zum Umsetzen von zumindest Brennstoff und Oxidationsmittel; und eine Brennstoffzuführeinrichtung zum Versorgen des Reformers und des Nachbrenners mit Brennstoff.
  • Ferner betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug mit solch einem Brennstoffzellensystem.
  • Gattungsgemäße Systeme dienen der Umwandlung von chemischer Energie in elektrische Energie. Das zentrale Element bei derartigen Systemen ist eine Brennstoffzelle, bei der durch die kontrollierte Umsetzung von Wasserstoff und Sauerstoff elektrische Energie freigesetzt wird. Gängige Brennstoff zellensysteme sind beispielsweise ein PEM-System ("Proton Exchange Membrane"), welches typischerweise bei Betriebstemperaturen zwischen Raumtemperatur und etwa 100°C betrieben werden kann. Weiterhin sind Hochtemperaturbrennstoffzellen bekannt, beispielsweise sog. SOFC-Systeme ("Solid Oxide Fuel Cell"), welche beispielsweise in einem Temperaturbereich von ca. 800°C arbeiten.
  • Herkömmliche Brennstoffzellensysteme mit einem Reformer, einem Brennstoffzellenstapel und einem Nachbrenner weisen oft mehrere Pumpen sowie mehrere Gebläse zur Brennstoff- bzw. Oxidationsmittelversorgung der einzelnen Komponenten des Brennstoffzellensystems auf. Aufgrund einer somit resultierenden hohen Komponentenanzahl sind solche Systeme in der Herstellung teuer.
  • Ferner offenbart die DE 103 60 458 A1 ein gattungsgemäßes Brennstoffzellensystem mit verringerter Komponentenanzahl für die Brennstoffversorgung. Jedoch hat dieses System trotz der Kosteneinsparung durch weniger Komponenten den Nachteil, dass die Steuerbarkeit der einzelnen Komponenten des Brennstoffzellensystems verschlechtert wird, weil sich eine Änderung der Fördermenge von Brennstoff oder Oxidationsmittel automatisch auf alle Komponenten auswirkt.
  • Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung das gattungsgemäße Brennstoffzellensystem und ein Kraftfahrzeug mit solch einem Brennstoffzellensystem derart weiterzubilden, das ein kostengünstiges Brennstoffzellensystem bei gleichzeitig guter Steuerbarkeit zur Verfügung gestellt werden kann.
  • Diese Aufgabe wird durch das Brennstoffzellensystem gemäß Anspruch 1 und dem Kraftfahrzeug gemäß Anspruch 8 gelöst.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
  • Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem baut auf dem gattungsgemäßen Stand der Technik dadurch auf, dass zumindest dem Reformer oder dem Nachbrenner zumindest ein Durchflusseinstellventil zum Steuern der Brennstoffzufuhr vorgeschaltet ist. Durch einen derartigen Aufbau ist es möglich, mindestens eine Brennstoffzuführeinrichtung einzusparen, was die Herstellungskosten des Brennstoffzellensystems senkt. Gleichzeitig ist es möglich, trotz dieser Einsparung, die Zufuhr von Brennstoff zu den einzelnen Komponenten des Brennstoffzellensystems je nach gewünschtem Betriebszustand unabhängig voneinander zu steuern.
  • Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem kann in vorteilhafter Weise dadurch weitergebildet sein, dass dem Nachbrenner das zumindest eine Durchflusseinstellventil zum Steuern der Brennstoffzufuhr vorgeschaltet ist, und in einem Brennstoffversorgungsstrang zu dem Reformer kein Durchflusseinstellventil vorgesehen ist. Damit kann mindestens ein Ventil im Brennstoffversorgungsstrang des Reformers eingespart werden und somit können die Kosten des Brennstoffzellensystems gesenkt werden. Da der Nachbrenner einen geringeren Brennstoffverbrauch als der Reformer aufweist, ist die Versorgung des Reformers somit immer gesichert, wobei eine vergleichsweise geringere Zufuhr zum Nachbrenner durch Steuern des entsprechenden Durchflusseinstellventils erreicht werden kann.
  • Alternativ kann das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem derart ausgebildet sein, dass dem Reformer und dem Nachbrenner jeweils zumindest ein Durchflusseinstellventil zum Steuern der Brennstoffzufuhr vorgeschaltet ist. Bei dieser Ausführungsform ist im Vergleich zur Vorherigen ein zusätzliches Durchflusseinstellventil erforderlich, jedoch ermöglicht diese Ausführungsform eine nochmals gesteigerte Steuerbarkeit des Brennstoffzellensystems.
  • Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems ist weiterhin vorgesehen, dass eine Oxidationsmittelzuführeinrichtung zum Versorgen des Reformers und des Nachbrenners mit Oxidationsmittel vorgesehen ist. Damit lassen sich dieselben Kosteneinsparungen wie bei der Brennstoffzufuhr realisieren, weil zumindest eine Oxidationsmittelzuführeinrichtung eingespart werden kann.
  • Weiteres Einsparpotential ergibt sich dadurch, dass die Oxidationsmittelzuführeinrichtung geeignet ist, des Weiteren einen Brennstoffzellenstapel mit Kathodenzuluft zu versorgen. Auf Grund dieser Maßnahme ist keine separate Oxidationsmittelzuführeinrichtung für die Versorgung des Brennstoffzellenstapels erforderlich, was Kosteneinsparungen ermöglicht.
  • Ferner kann das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem dadurch weitergebildet sein, dass dem zumindest einen Durchflusseinstellventil ein Sensor nachgeschaltet ist, der zur Regelung des Durchflusseinstellventils mit einer elektronischen Steuereinheit gekoppelt ist. Durch Versorgen mehrerer Komponenten des Brennstoffzellensystems mittels einer einzigen Brennstoffzuführeinrichtung besteht die Möglichkeit, dass eine Änderung des Betriebszustands einer Komponente automatisch auch die Brennstoffversorgung der anderen Komponenten beeinflusst, weil der Druck in der Zuführleitung ansteigt oder abfällt. Um diesem Effekt entgegenzuwirken wird die vorstehend genannte Maßnahme ergriffen, wodurch eine exakte Regelung jeder Komponente sichergestellt werden kann.
  • Insbesondere ist dabei vorgesehen, dass der Sensor ein Durchflussmesser ist.
  • Des Weiteren stellt die Erfindung ein Kraftfahrzeug mit solch einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem bereit. Dieses Fahrzeug liefert die vorstehend beschriebenen Vorteile in übertragener Weise.
  • Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beispielhaft erläutert.
  • Es zeigen:
  • 1 ein schematisches Blockdiagramm eines ersten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems; und
  • 2 ein schematisches Blockdiagramm eines zweiten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems.
  • 1 zeigt ein schematisches Blockdiagramm eines ersten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems. Das Brennstoffzellensystem umfasst eine Brennstoffzuführeinrichtung 10 und eine Oxidationsmittelzuführeinrichtung 12 mit jeweils variabel einstellbaren Fördermengen, welche unabhängig voneinander mittels einer elektronischen Steuereinheit 14 einstellbar sind. Alle in den Figuren gestrichelt dargestellten Linien repräsentieren dabei Steuer- oder Messleitungen. Von den Ausgangsseiten der Brennstoffzuführeinrichtung 10 sowie der Oxidationsmittelzuführeinrichtung 12 zweigen Versorgungsstränge ab, in die jeweils ein durch die elektronische Steuereinheit 14 ansteuerbares Durchflusseinstellventil 16-24 geschaltet ist. Der Begriff Versorgungsstrang bezeichnet in diesem Zusammenhang insbesondere eine Versorgungsleitung, die an einer Stelle beginnt, ab der die Leitung eindeutig der Versorgung einer bestimmten Komponente des Brennstoffzellensystems zugeordnet werden kann. In diesem Sinne ist einem Reformer 26 des Brennstoffzellensystems über die Brennstoffzuführeinrichtung 10 und das Durchflusseinstellventil 16 Brennstoff, z.B. Diesel, Benzin oder Erdgas, zuführbar. Ferner ist dem Reformer 26 über die Oxidationsmittelzuführeinrichtung 12 und das Durchflusseinstellventil 18 Oxidationsmittel, z.B. Luft, zuführbar. Der dem Reformer 26 zugeführte Brennstoff und das Oxidationsmittel werden zu Reformat 28 umgesetzt, welches einem Brennstoffzellenstapel 30 zugeführt wird. Der Brennstoffzellenstapel 30 ist aus einzelnen Brennstoffzel len aufgebaut, die übereinander gestapelt und elektrisch in Reihe geschaltet sind. Das in dem Reformer 26 erzeugte Reformat 28 gelangt zu einer Anode der einzelnen Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels 30. Einer Kathode der Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels 30 ist über die Oxidationsmittelzuführeinrichtung 12, das Durchflusseinstellventil 24 und einen Wärmetauscher 32 Kathodenzuluft 34 als Oxidationsmittel zuführbar. Unter der Zufuhr des Reformats 28 und der Kathodenzuluft 34 erzeugen die einzelnen Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels 30 in allgemein bekannter Weise elektrische Energie, die an elektrischen Anschlüssen 36 und 38 über eine elektrische Spannung abgegriffen werden kann. Eine Kathodenabluft 40 strömt von dem Brennstoffzellenstapel 30 zu einer Mischeinheit 42 und ein Anodenabgas 44 wird einer Mischeinheit 46 eines Nachbrenners 48 zugeführt. Ferner ist dem Nachbrenner 48 über die Brennstoffzuführeinrichtung 10 und das Durchflusseinstellventil 20 Brennstoff zuführbar. In ähnlicher Weise ist dem Nachbrenner 48 über die Oxidationsmittelzuführeinrichtung 12 und das Durchflusseinstellventil 22 Oxidationsmittel zuführbar. Das Gemisch aus Brennstoff und Oxidationsmittel kann wahlweise mittels der Mischeinheit 46 mit Anodenabgas 44 vermischt werden. Die heißen Abgase des Nachbrenners 48 werden mit der den Brennstoffzellenstapel 30 verlassenden Kathodenabluft 40 in der Mischeinheit 42 vermischt. Das resultierende Gemisch durchströmt den Wärmetauscher 32, um die Kathodenzuluft 34 vorzuwärmen. Zur Regelung der Zufuhr von Brennstoff und Oxidationsmittel sind den Durchflusseinstellventilen 16-24 jeweils mit der elektronischen Steuereinheit 14 elektrisch gekoppelte Sensoren 50-58 nachgeschaltet, d.h. ausgangsseitig der Durchfluss einstellventile 16-24 angeordnet. Die Sensoren 50-58 können Drucksensoren oder Durchflussmesser sein, welche ein Messsignal zur Regelung der Durchflusseinstellventile 16-24 an die elektronische Steuereinheit 14 liefern. Als Durchflussmesser kommen beispielsweise Coriolis-Massedurchflussmesser, Wirbelzähler-Durchflussmesser oder Wirkdruck-Durchflussmesser in Frage.
  • Im Betrieb des Brennstoffzellensystems ist die Zufuhr von Brennstoff bzw. Oxidationsmittel zu dem Reformer 26, dem Nachbrenner 48 und dem Brennstoffzellenstapel 30 beliebig variierbar, indem die Fördermenge der entsprechenden Zuführeinrichtung 10 bzw. 12 und der Durchfluss des entsprechenden Durchflusseinstellventils 16-24 mittels der elektronischen Steuereinheit 14 entsprechend eingestellt werden. Dazu ermittelt die elektronische Steuereinheit 14 vorzugsweise mittels vorgegebener Tabellen die für einen gewünschten Betriebszustand erforderliche Ansteuerung der Brennstoffzuführeinrichtung 10, der Oxidationsmittelzuführeinrichtung 12 und die erforderlichen Durchflussmengen von Kraftstoff bzw. Oxidationsmittel an den einzelnen Durchflusseinstellventilen 16-24. Die tatsächliche Erreichung der gewünschten Durchflussmengen an den Durchflusseinstellventilen 16-24, wird durch Regelung der Durchflusseinstellventile 16-24 unter Auswertung der Messsignale der Sensoren 50-58 sichergestellt.
  • 2 zeigt ein schematisches Blockdiagramm eines zweiten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems. Das zweite Ausführungsbeispiel unterscheidet sich vom ersten Ausführungsbeispiel nur dadurch, dass die Durchflusseinstellventile 16 und 18 sowie die zugeordneten Sensoren 50 und 52 weggelassen sind. Somit können in diesem Ausführungsbeispiel zwei Durchflusseinstellventile und zwei Sensoren eingespart werden. Da die Zufuhr der Medien (Brennstoff und Oxidationsmittel) zum Reformer 26 höher ist, als die entsprechende Zufuhr der Medien zum Nachbrenner 48, müssen jedoch nach wie vor die Durchflusseinstellventile 20 und 22 zur Versorgung des Nachbrenners 48 sowie die zugeordneten Sensoren 54 und 56 vorhanden sein. Soll nun im Betrieb beispielsweise die Zufuhr der Medien zum Reformer 26 erhöht werden und die Versorgung zum Nachbrenner 48 konstant bleiben, so wird beispielsweise bei dieser Abwandlung die Fördermenge der Brennstoffzuführeinrichtung 10 sowie der Oxidationsmittelzuführeinrichtung 12 erhöht und der jeweilige Durchfluss der Durchflusseinstellventile 20 und 22 durch Regelung konstant gehalten, wozu ein Querschnitt dieser Durchflusseinstellventile verengt wird. Dies wird wie im Zusammenhang mit dem ersten Ausführungsbeispiel beschrieben, unter Auswertung der von den Sensoren 54 und 56 gelieferten Messsignale von der elektronischen Steuereinheit 14 durchgeführt. Hierdurch ergibt sich eine gesteigerte Medienversorgung des Reformers 26 und eine konstant gehaltene Medienversorgung des Nachbrenners 48.
  • In Abwandlung zu den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen, in denen dem Reformer 26 und dem Nachbrenner 48 jeweils nicht mehr als ein einziges Durchflusseinstellventil 16, 20 zur Brennstoffversorgung und jeweils nicht mehr als ein einziges Durchflusseinstellventil 18, 22 zur Oxidationsmittelversorgung zugeordnet ist, ist folgende Abwandlung möglich. So können beispielsweise dem Reformer 26 oder dem Nachbrenner 48 auch mehrere Durchflusseinstellventile für die Brennstoffversorgung und/oder mehrere Durchflusseinstellventile für die Oxidationsmittelversorgung, in Parallelschaltung zueinander, zugeordnet sein. Beispielsweise kann es vorteilhaft sein, einem Verdampfer oder einer Sekundär- oder Tertiärluftversorgung des Reformers 26 und/oder des Nachbrenners 48 über ein separat regelbares Durchflusseinstellventil Brennstoff bzw. Oxidationsmittel zuzuführen.
  • Die in der vorstehenden Beschreibung, in den Zeichnungen sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung wesentlich sein.
    • 10
    Brennstoffzuführeinrichtung
    12
    Oxidationsmittelzuführeinrichtung
    14
    Elektronische Steuereinheit
    16
    Durchflusseinstellventil
    18
    Durchflusseinstellventil
    20
    Durchflusseinstellventil
    22
    Durchflusseinstellventil
    24
    Durchflusseinstellventil
    26
    Reformer
    28
    Reformat
    30
    Brennstoffzellenstapel
    32
    Wärmetauscher
    34
    Kathodenzuluft
    36
    Elektrischer Anschluss
    38
    Elektrischer Anschluss
    40
    Kathodenabluft
    42
    Mischeinheit
    44
    Anodenabgas
    46
    Mischeinheit
    48
    Nachbrenner
    50
    Sensor
    52
    Sensor
    54
    Sensor
    56
    Sensor
    58
    Sensor

Claims (8)

  1. Brennstoffzellensystem umfassend einen Reformer (26) und einen Nachbrenner (48) jeweils zum Umsetzen von zumindest Brennstoff und Oxidationsmittel; und eine Brennstoffzuführeinrichtung (10) zum Versorgen des Reformers (26) und des Nachbrenners (48) mit Brennstoff, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest dem Reformer (26) oder dem Nachbrenner (48) zumindest ein Durchflusseinstellventil (16, 20) zum Steuern der Brennstoffzufuhr vorgeschaltet ist.
  2. Brennstoffzellensystem gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dem Nachbrenner (48) das zumindest eine Durchflusseinstellventil (20) zum Steuern der Brennstoffzufuhr vorgeschaltet ist, und in einem Brennstoffversorgungsstrang zu dem Reformer (26) kein Durchflusseinstellventil vorgesehen ist.
  3. Brennstoffzellensystem gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dem Reformer (26) und dem Nachbrenner (48) jeweils zumindest ein Durchflusseinstellventil (16, 20) zum Steuern der Brennstoffzufuhr vorgeschaltet ist.
  4. Brennstoffzellensystem gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Oxidationsmittelzuführeinrichtung (12) zum Versorgen des Reformers (26) und des Nachbrenners (48) mit Oxidationsmittel vorgesehen ist.
  5. Brennstoffzellensystem gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Oxidationsmittelzuführeinrichtung (12) geeignet ist, des Weiteren einen Brennstoffzellenstapel (30) mit Kathodenzuluft (34) zu versorgen.
  6. Brennstoffzellensystem gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem zumindest einen Durchflusseinstellventil (16, 20) ein Sensor (50, 54) nachgeschaltet ist, der zur Regelung des Durchflusseinstellventils (16, 20) mit einer elektronischen Steuereinheit (14) gekoppelt ist.
  7. Brennstoffzellensystem gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (50, 54) ein Durchflussmesser ist.
  8. Kraftfahrzeug mit einem Brennstoffzellensystem gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche.
DE102006029743A 2006-06-28 2006-06-28 Brennstoffzellensystem Ceased DE102006029743A1 (de)

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