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Dokumentenidentifikation DE10324315A1 16.12.2004
Titel Verfahren zur Überwachung der Qualität eines von einem Reformer für den Betrieb von Brennstoffzellen gelieferten Gasgemisches
Anmelder Siemens Building Technologies AG, Zürich, CH
Erfinder Stampfl, Siegfried, 76461 Muggensturm, DE
Vertreter Berg, P., Dipl.-Ing., Pat.-Ass., 80339 München
DE-Anmeldedatum 27.05.2003
DE-Aktenzeichen 10324315
Offenlegungstag 16.12.2004
Veröffentlichungstag im Patentblatt 16.12.2004
IPC-Hauptklasse G01N 27/62
IPC-Nebenklasse C01B 3/00   H01M 8/04   H01M 8/06   
Zusammenfassung Verfahren zur Überwachung der Qualität eines von einem Reformer für den Betrieb von Brennstoffzellen gelieferten Reformats. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass das Reformat zur Bestimmung der Qualität dem Brenner des Reformers zugeführt wird und dass die Zündung des Reformats im Brennerraum automatisch erfolgt, sobald ausreichend Wasserstoff im Gasgemisch vorhanden ist. In Abhängigkeit von der dabei gebildeten Flamme wird von einem Sensor ein Messsignal erzeugt, dessen Größe zur Bestimmung der Qualität des Reformats ausgewertet wird. Vorzugsweise wird ein Ionisationsstromsignal von einem Flammenionisationsdetektor zur Bestimmung des Grades der Verunreinigung des Reformats durch Kohlen - bzw. Kohlenwasserstoffe ausgewertet.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ein Verfahren zur Überwachung der Qualität eines von einem Reformer für den Betrieb einer Brennstoffzelle gelieferten Gasgemisches.

Ein Verfahren der eingangsgenannten Art ist beispielsweise aus der EP 0 710 996 B1 bekannt. Die 1 dieser Druckschrift zeigt einen Reformer zur Erzeugung von Wasserstoff, der als Brennstoff über eine Leitung den Brennstoffzellen zugeführt wird. In der Zuführleitung ist hierbei ein Kohlenmonoxid-Sensor zur Messung der Kohlenstoffmonoxidkonzentration in dem Reformat vorgesehen.

Die Verwendung eines Kohlenmonoxid-Sensors, wie dieser auch in Verbindung mit 2 beschrieben ist, hat den Nachteil, dass dieser eine starke Degradation in Bezug auf die Nachweisempfindlichkeit über die Lebensdauer aufweist.

Auch kann die Lebensdauer des Sensors durch Verunreinigungen im Gas stark herabgesetzt werden. Ein frühzeitiger Ausfall des Sensors aufgrund von z.B. CO-Verunreinigungen im Reformat kann daher nicht ausgeschlossen werden.

Aus der Druckschrift WO 01/27596 ist ein CO-Sensor zur Messung der Kohlenstoffmonoxikonzentration in dem Reformat bekannt. Das Messprinzip dieses Sensors basiert auf der Infrarotspektroskopie, die eine genaue Messung der Kohlenstoffmonoxidkonzentration ermöglicht. Ein solcher Sensor ist jedoch teuer. Somit stellt die Verwendung dieses Sensors keine sehr kostengünstige Lösung zur Überwachung der Qualität des Reformats dar.

In Zusammenhang mit der Flammenüberwachung ist es bereits bekannt eine sogenannte Ionisationselektrode als Sensor zu verwenden. Diese ist z.B. in der Druckschrift US 6,501,383 B1 näher beschrieben.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde eine zuverlässige und kostengünstige Überwachung der Qualität des Reformats für Brennstoffzellen vorzuschlagen.

Die Überwachung der Qualität des Gasgemisches hinsichtlich eventueller Verunreinigungen, insbesondere mit CO, ist für die Lebensdauer der Brennstoffzellen wichtig.

Die eingangs genannte Aufgabe wird erfindungsgemäss durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.

Das erfindungsgemässe Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass das vom Reformer gelieferte Gasgemisch zur Bestimmung der Qualität dem Brennerraum des Reformers zugeführt wird und das die Zündung des Reformats im Brennerraum automatisch erfolgt, sobald ausreichend Wasserstoff im Gasgemisch vorhanden ist. In Abhängigkeit von der hierbei gebildeten Flamme wird dann ein Messsignal erhalten, dessen Grösse zur Bestimmung der Qualität des Reformats ausgewertet wird. Beispielsweise kann die Zündung dann erfolgen, wenn der Anteil des Wasserstoffes im Gasgemisch wenigstens 95 Prozent beträgt.

Vorzugsweise wird das Messsignal von einem Flammenionisationsdetektor erzeugt und zur Bestimmung der Verunreinigung des Reformats ausgewertet. Beispielsweise wird der Flammenionisationsstrom einer Ionisationselektrode in eine dem gemessenen Strom proportionale Spannung umgesetzt, die dann in einen digitalen Messwert gewandelt wird, der mit einem Referenzwert verglichen wird. Der Referenzwert kann z. B. bei der ersten Inbetriebnahme der Anlage unter Berücksichtigung von Fertigungstoleranzen des Brenners, des Sensors und der Empfindlichkeit der Brennstoffzellen in Bezug auf Verunreinigungen festgelegt werden. Eine Kontrolle des Referenzwertes kann beispielsweise in Verbindung mit der routinemässigen Wartung der Energieversorgungsanlage erfolgen.

Vorzugsweise wird das Reformat am Reformerausgang über eine Zuleitung mit ausgleichender Wirkung gegen Druckschwankungen z.B. mit Hilfe einer Kapillare in den Brennerraum geführt. Dadurch kann eine weitgehende Unabhängigkeit von Druckschwankungen des Gasgemisches am Refomerausgang erreicht werden. Dies bewirkt, dass eine möglichst konstante Gasmenge in den Brennerraum hineinströmt, wodurch eine gleichmässige Flamme erhalten wird.

In Abhängigkeit von der Gasmenge am Reformerausgang kann auch eine Korrektur des Messsignales unter Berücksichtigung der jeweiligen mechanischen Gegebenheiten der Anlage erfolgen.

Da die Überwachung der Qualität des Reformats auch Rückschlüsse auf mögliche Fehler im Reformer selbst erlaubt, stellt das erfindungsgemässe Verfahren somit auch eine ergänzende sicherheitstechnische Massnahme zur Funktionskontrolle des Reformers dar. Beispielsweise kann dadurch eine Degradation der Katalysatoren oder eine Verkokung während des Betriebes des Reformers frühzeitig erkannt werden. Folgeschäden, z.B. Zerstörung der Brennstoffzellen und ein dadurch bedingter Ausfall der Anlage können somit rechtzeitig verhindert werden.

Das erfindungsgemässe Verfahren hat auch den Vorteil, dass durch die Einbeziehung der in der Regel in Verbindung mit der Ionisationselektrode bereits vorhandenen fehlersicheren Flammenüberwachung und Brennersteuerung des Reformers auf eine zusätzliche, fehlersichere Überwachung der Wasserstoffflame und auf eine gesonderte Zündeinrichtung verzichtet werden kann. Dadurch kann eine hohe Fehlersicherheit ohne nennenswerten zusätzlichen Aufwand erzielt werden. Beispielsweise kann bei einer Störung des Reformers die bereits vorhandene Brennersteuerung eine Inbetriebnahme der Anlage verhindern bzw. diese abschalten. Auch hat die Verwendung der Ionisationselektrode als Detektor zur Bestimmung der Qualtiät des Reformats den Vorteil, das diese keine Degradation der Nachweisempfindlichkeit aufgrund der Verunreinigungen im Reformat zeigt. Weiterhin verfügt die Ionisationselektrode über eine hohe Lebensdauer und weist eine hohe Langzeitstabilität im Messverhalten auf.

Das erfindungsgemässe Verfahren ermöglicht somit eine zuverlässige, fehlersichere, langzeitstabile und wartungsfreundliche Überwachung der Qualität des Reformats mit geringem technischen Aufwand.

Da der detektierte Ionisationsstrom z.B. bei einer reinen Wasserstofflamme im wesentlichen gleich Null ist und in Abhängigkeit vom Grad der Verunreinigung des Wasserstoffs durch Kohlen- bzw. Kohlenwasserstoffe mit zunehmender Verunreingung bis zu einem Maximum und danach nicht mehr ansteigt (Sättigung), sollte die Auswertung im linearen Arbeitsbereich erfolgen.

Die konstruktive Auslegung des Reformerbrenners z.B. des Düsendurchmessers und des Sensors z.B. Geometrie der Ionisationselektrode sind hierbei entsprechend zu berücksichtigen.

Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung anhand der Figur und aus den Patentansprüchen.

Die einzige Figur zeigt schematisch in einem Funktionsblockbild beispielhaft eine Hausenergieversorgungsanlage (HEVA), welche einen Reformer 1, einen für den Betrieb des Reformers notwendigen Gasbrenner 2 und wenigstens eine Brennstoffzelle 9 aufweist. Dem Reformer wird beispielsweise von einem öffentlichen Erdgasnetz z.B. Methan oder Methanol zugeführt. In Verbindung mit Wasser bzw. Wasserdampf wird das Reformat erzeugt. Der Brenner des Reformers erzeugt hierbei die für den Reformierungsprozess notwendige Temperatur von zum Beispiel 700 Grad Celsius. Der Brenner weist ein Flammenrost 3 für die gebildeten Gasflammen 4 im Brennerraum auf. Für den Reformierungsprozess können Brenner unterschiedlicher Bauart in Frage kommen. Vorzugsweise wird hier ein Brenner mit Vormischgebläse oder Abluftgebläse 5 eingesetzt, wodurch z.B. ein Rückstau der Verbrennungsabgase im Brennerraum vermieden werden kann.

Bei störungsfreiem Betrieb der Anlage erhält man am Ausgang des Reformers das als Brennstoff für die Brennstoffzelle vorgesehene Wasserstoffgas. Das Wasserstoffgas kann hierbei jedoch Verunreinigungen zum Beispiel durch Kohlenstoffe bzw. durch Kohlenwasserstoffe (CO, CO2, CH4, etc.) aufweisen. Der Grad der Verunreinigung ist dabei beispielsweise abhängig von der Temperatur des Reformierungsprozesses, vom Katalysator und auch vom Volumenverhältnis des dem Reformer zugeführten Erdgases und Wasserdampfes. Insbesondere beim Start der Anlage muss deshalb zunächst gewartet werden, bis die optimale Betriebstemperatur zur Erzeugung des Wasserstoffgases erreicht wird.

Wenn dies der Fall ist und auch die notwendige Reinheit des Wasserstoffgases festgestellt worden ist, erst dann wird das Reformat der Brennstoffzelle zugeführt. Dies ist notwendig, da ansonsten die Verunreinigungen im Reformat zu irreversiblen Schäden der Brennstoffzellen und damit zu einem Ausfall der Anlage führen können.

Zur Überwachung der Qualtiät des Reformats wird vorzugsweise nur ein geringer Anteil des am Ausgang des Reformers bereitgestellten Reformats z.B. über eine entsprechende Ausleitung mit Kapillare in den Brennerraum geführt.

Vorzugsweise ist die Gasausleitung so konstruiert, dass trotz Druckschwankungen am Reformerausgang eine möglichst konstante Gasmenge in den Brennerraum hineinströmt. Dadurch kann eine gleichmässige, ruhige Flamme erhalten werden. Die Zündung der entnommenen Probe des Reformats erfolgt automatisch durch den Brenner, sobald ausreichend z.B. wenigstens 95 Prozent Wasserstoffgas im Gasgemisch vorhanden ist. Anhand der gebildeten Wasserstoffflamme 7 kann dann der Grad der Verunreinigung im Reformat festgestellt werden. Der Anteil an Rückständen von Brennerabgasen im Bereich der auszuwertenden Wasserstoffflame 7 sollte hierbei vernachlässigbar klein sein.

Dies kann beispielsweise über ein hier nur schematisiertes Trennelement 6 sichergestellt werden, wobei ein geringfügiges Übersprechen der Brennerabgase zur Wasserstoffflamme zugelassen werden kann. Zur Analyse bzw. Auswertung der Wasserstoffflamme 7 wird vorzugsweise ein Flammenionisationsdetektor 8 verwendet. Wenn beispielsweise keine Wasserstoffflamme 7 vorhanden ist, dann ist der von der Ionisationselektrode des Flammenionisationsdetektors 8 gelieferte Ionisationsstrom im wesentlichen gleich Null. Durch das Übersprechen der Brennerabgase zur Wasserstoffflamme kann dieser auch geringfügig von Null verschieden sein. Anhand des aufgrund der Brennerabgasrückstände bedingten Messsignals kann z.B. auch eine Selbstkontrolle des Senors bzw. des Detektors durchgeführt werden. Bei Vorhandensein der Wasserstoffflame steigt der vom Sensor erfasste Flammenionisationsstrom proportional in Abhängigkeit des Grades der Verunreingung bis auf ein Maximum (Sättigung) an. Mit zunehmender Stabilisierung des Reformierungsprozesses kann die Verunreinigung und damit auch das vom Sensor detektierte Messsignal wieder auf ein Minimum zurückgehen. Der maximal zulässige Grad der Verunreinigung wird so festgelegt, dass dieser keine Beschädigung der Brennstoffzellen bewirken kann. Dieser wird hierbei als Referenzwert der Auswertung zugrundegelegt. Vorzugsweise wird der Referenzwert in Abhängigkeit der Fertigungstoleranzen des Brenners, der Ionisationselektrode und der Elektronik des Flammenionisationsdetektors festgelegt. Der Referenzwert sollte dabei auch die unterschiedliche Empfindlichkeit verschiedener Fabrikate von Brennstoffzellen bezüglich der Verunreinigungen berücksichtigen.

Der Referenzwert kann z.B. bei der ersten Inbetriebnahme der Anlage in einer hier nicht dargestellten Steuereinheit der Anlage gespeichert werden. Die Steuereinheit vergleicht dann z.B. den gespeicherten Referenzwert mit dem vom Flammenionisationsdetektor gelieferten Messwert. Der Vergleich kann hierbei kontinuierlich oder auch nur in definierten Zeitintervallen erfolgen. Durch den Vergleich wird dann festgestellt, ob der gemessene Grad der Verunreinigung des Reformats innerhalb der zulässigen Grenzen liegt. Übersteigt der festgestellte Grad der Verunreinigung das zulässige Mass, so wird beispielsweise die Zufuhr des Reformats bzw. des Wasserstoffs zu der Brennstoffzelle unterbunden. Dies kann z. B. mit Hilfe eines hier nicht dargestellten Stellgliedes erfolgen, welches von der Steuereinheit in Abhängigkeit von dem Vergleichsergebnis entsprechend gesteuert wird.

Bei der routinemässigen Wartung der Energieversorgungsanlage kann auch der Referenzwert überprüft und bei Bedarf neu festgelegt werden. Dies ist jedoch nur in längeren Wartungsintervallen notwendig.


Anspruch[de]
  1. Verfahren zur Überwachung der Qualität eines von einem Reformer (1) für den Betrieb einer Brennstoffzelle (9) gelieferten Reformats, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Teil des vom Reformer gelieferten Gasgemisches einem Brenner (2) zugeführt wird und dass die Zündung des Reformats im Brennerraum automatisch erfolgt, sobald ausreichend Wasserstoff im Gasgemisch vorhanden ist und das in Abhängigkeit von der hierbei gebildeten Flamme (7) von einem Sensor (8) ein Messsignal erhalten wird, dessen Grösse zur Bestimmung der Qualität des Reformats ausgewertet wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zündung dann erfolgt, wenn der Anteil des Wasserstoffes im Gasgemisch wenigstens 95 Prozent beträgt.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das vom Sensor (8) erhaltene Messsignal ein Ionisationsstromsignal ist, dessen Signalgrösse von dem Grad der Verunreinigung des Reformats abhängig ist.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das analoge Ionisationsstromsignal in einen digitalen Messwert gewandelt und dass der Messwert mit einem Referenzwert verglichen wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, das der Referenzwert eine zulässige Verunreinigung des Reformats durch Kohlen- bzw. Kohlenwasserstoffe definiert und das in Abhängigkeit des Vergleichs zwischen Messwert und Referenzwert das vom Reformer gelieferte Reformat der Brennstoffzelle zugeführt wird oder nicht.
  6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, das der Referenzwert in Abhängigkeit von Fertigungstolerenzen des Brenners (2) und des Sensors (8) und der Empfindlichkeit der Brennstoffzellen (9) festgelegt wird.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Referenzwert in definierten Zeitintervallen überprüft und bei Bedarf neu festgelegt wird.
Es folgt ein Blatt Zeichnungen






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