DE19707814C1 - Brennstoffzellen-Energieerzeugungsanlage - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Brennstoffzellen-Energie­ erzeugungsanlage nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Derartige Anlagen werden beispielsweise zur Bereitstellung der elektri­ schen Energie in Elektrofahrzeugen verwendet. Bei einem der be­ kannten Anlagentypen wird in der Reformaterzeugungseinrichtung eine Heißdampfreformierung von Methanol durchgeführt, wobei Me­ thanol und Wasser in flüssiger Form im Fahrzeug bevorratet wer­ den können. Die Reformierungsreaktion wird so eingestellt, daß das erzeugte Gasgemisch, Reformat genannt, wasserstoffreich ist. Im Reformat enthaltenes Kohlenmonoxid ist unerwünscht, da es die Brennstoffzellen vergiftet, und wird daher üblicherweise in ei­ ner oder mehreren, dem Reformierungsreaktor nachgeschalteten Gasreinigungsstufen entfernt, z. B. durch partielle CO-Oxidation oder selektive Abtrennung des Kohlenmonoxids oder des Wasser­ stoffs. Als reformatqualitätsindikativer Sensor kommt z. B. ein Kohlenmonoxid-Sensor zum Einsatz, mit dem der Kohlenmonoxidge­ halt im Reformat überwacht wird, um abhängig davon bestimmte An­ lagensteuerungsmaßnahmen durchzuführen.

So ist in der Offenlegungsschrift GB 2 250 130 A eine Brenn­ stoffzellen-Energieerzeugungsanlage der eingangs genannten Art beschrieben, bei der der Kohlenmonoxidgehalt des Reformats von einem an der Eingangsseite einer CO-Oxidationsstufe angeordneten CO-Sensor gemessen wird. Die damit erhaltene Information wird dort dazu benutzt, die Menge an in die CO-Oxidationsstufe einge­ leitetem Sauerstoff auf ein stöchiometrisches Maß einzustellen, um dadurch stets eine vollständige CO-Oxidation sicherzustellen.

In der Offenlegungsschrift EP 0 710 996 A1 ist eine weitere Brennstoffzellen-Energieerzeugungsanlage der eingangs genannten Art beschrieben, wobei in unterschiedlichen Varianten entweder nur ein CO-Sensor an der Eintritts- oder Austrittsseite des dor­ tigen Brennstoffzellenstapels oder zwei Sensoren unterschiedli­ cher Empfindlichkeiten seriell an der Eintrittsseite des Brenn­ stoffzellenstapels angeordnet sind. In jedem Fall ist das jewei­ lige Ausgangssignal des oder der CO-Sensoren einer Steuereinheit zugeführt, die in Abhängigkeit davon den Betrieb bestimmter Einheiten der Reformaterzeugungseinrichtung steuert, speziell den Betrieb eines Reformierungsreaktors, eines CO-Konverters und einer Einheit zur Durchführung einer partiellen Oxidationsreak­ tion. Als Steuerungsmaßnahmen sind dort sowie in der Offenle­ gungsschrift EP 0 710 835 A2, die eine weitgehend ähnliche Anla­ ge offenbart, insbesondere die Steuerung der in die partielle Oxidationseinheit eingeleiteten Luftmenge oder die Erhöhung der Reaktionstemperatur in dieser Einheit und/oder im Reformierungs­ reaktor oder die Steuerung der Reaktionstemperatur im CO-Konver­ ter angegeben. In der letztgenannten Druckschrift werden ver­ schiedene Ausführungen von CO-Sensoren beschrieben, insbesondere auch solche, welche die Struktur und Funktionsweise einer ein­ zelnen Brennstoffzelle besitzen, an die ein konstanter elektri­ scher Verbraucher angeschlossen ist oder denen ein externer Po­ tentiostatenschaltkreis mit Referenzelektrode zugeordnet ist.

Die oben genannten, herkömmlichen Anlagen haben die Eigenschaft, daß bei Detektieren eines zu hohen CO-Gehaltes im Reformat durch den jeweilen CO-Sensor selbst dann, wenn der dadurch veranlaßte Steuerungseingriff in die Reformaterzeugungseinrichtung in deren völligem Abschalten besteht, noch für eine gewisse Zeitdauer restliches Reformat mit hohem CO-Gehalt in die Brennstoffzellen­ anordnung gelangt und dieses Kohlenmonoxid die Brennstoffzellen­ aktivität vermindern kann.

Bei einem in der Patentschrift DE 21 57 722 C2 offenbarten Re­ gelsystem für eine Brennstoffzelle ist eine Regelung des Brenn­ stoffzuflusses zur Brennstoffzelle in Abhängigkeit von den Meß­ größen Gesamtausgangsstrom der Brennstoffzelle, Temperatur des Reformierungsreaktors und Stellung des Zumeßventils einer Strahlpumpe vorgesehen, wobei in der Strahlpumpe der Brennstoff mit zugeführtem Dampf vermischt wird.

Bei einem in der Offenlegungsschrift GB 2 268 322 A beschriebe­ nen Brennstoffzellensystem ist ein Wasserstoffspeicher vorgese­ hen, in welchem Wasserstoff, der von einem Reformierungsreaktor erzeugt wird, zwischengespeichert werden kann und als Puffer zwischen dem rascher reagierenden Brennstoffzellenstapel und dem langsamer reagierenden Reformer insbesondere während raschen Lastwechseln fungiert. Der Wasserstoffspeicher soll außerdem er­ möglichen, den Reformer in einem Ein-/Ausschaltbetrieb betreiben zu können.

Der Erfindung liegt als technisches Problem die Bereitstellung einer Brennstoffzellen-Energieerzeugungsanlage der eingangs ge­ nannten Art zugrunde, die sehr rasch auf Störungen bei der Re­ formatbereitstellung reagiert und insbesondere verhindert, daß solche Störungen zu Schädigungen der Brennstoffzellenanordnung führen.

Die Erfindung löst dieses Problem durch die Bereitstellung einer Brennstoffzellen-Energieerzeugungsanlage mit den Merkmalen des Anspruchs 1.

Bei dieser Anlage ist in einer ersten Alternative ein von der Steuereinheit angesteuertes Ventil vorgesehen, mit dem die Ein­ speisung des von der Reformaterzeugungseinrichtung bereitge­ stellten Reformatgasstroms in die Brennstoffzellenanordnung ab­ hängig von der sensorisch erfaßten Reformatqualität freigegeben oder unterbrochen wird. Die Unterbrechung kann beispielsweise darin bestehen, daß das Reformat über eine Zweigleitung abge­ führt wird, z. B. in Form einer Bypassleitung um die Brennstoff­ zellenanordnung herum. Die im störungsfreien Anlagenbetrieb freigegebene Einspeisung des Reformats in die Brennstoffzellen­ anordnung kann somit bei Detektieren einer ungenügenden Refor­ matqualität, z. B. eines zu hohen CO-Gehaltes im Reformat, sofort durch entsprechende Ansteuerung des Ventils unterbrochen werden, so daß unverzüglich das Eindringen schädlicher Reformatbestand­ teile, wie eine zu hohe Kohlenmonoxidmenge, in die Brennstoff­ zellenanordnung unterbunden wird. Das selbst bei völliger Ab­ schaltung der Reformaterzeugungseinrichtung noch für eine gewis­ se Zeitdauer abgegebene Reformat ungenügender Qualität gelangt nicht in die Brennstoffzellenanordnung, sondern wird anderweitig abgeführt. Eine Vergiftung der Brennstoffzellenanordnung z. B. durch zuviel Kohlenmonoxid läßt sich dadurch vermeiden.

Als eine zweite Alternative, die anstelle oder zusätzlich zur erstgenannten vorgesehen sein kann, besitzt die Anlage ein von der Steuereinheit angesteuertes Zuluftregelventil in der Sauer­ stoffeinspeiseleitung für die Brennstoffzellenanordnung, mit dem die Luft- bzw. Sauerstoffzufuhr zur Brennstoffzellenanordnung abhängig von der sensorisch erfaßten Reformatqualität geregelt werden kann. Durch entsprechende Änderung der Sauerstoffzufuhr zur Brennstoffzellenanordnung können temporär höhere Kohlenmon­ oxid-Konzentrationen im Reformatgasstrom erlaubt werden, ohne daß dies zu Schädigungen der Brennstoffzellen führt.

Bei einer nach Anspruch 2 weitergebildeten Anlage ist jeweils ein reformatqualitätsindikativer Sensor an der Eintritts- und der Austrittsseite einer dem Reformierungsreaktor nachgeschalte­ ten Reformatreinigungseinheit vorgesehen. Auf diese Weise wird die Reformatqualität an verschiedenen Stellen des Reformatstroms und damit sehr zuverlässig überwacht. Je näher der jeweilige Sensor vor der Brennstoffzellenanordnung positioniert ist, um so vollständiger überwacht er den Betrieb der gesamten Reformater­ zeugungseinrichtung, während mit einem weiter von der Brenn­ stoffzellenanordnung entfernt liegenden Sensor eine große Früh­ warnzeit erzielt wird, wenn sich bereits dort eine ungenügende Reformatqualität aufgrund einer Betriebsstörung im stromaufwärts davon gelegenen Teil der Anlage ergibt.

Bei einer nach Anspruch 3 weitergebildeten Anlage hat der jewei­ lige Sensor die Struktur einer einzelnen einer Mehrzahl von Brennstoffzellen, welche die Brennstoffzellenanordnung bilden. Ein so aufgebauter Sensor besitzt die gleiche Anfälligkeit ge­ genüber Verschlechterungen der Reformatqualität, insbesondere auch hinsichtlich des CO-Gehalts im Reformat, wie die eigentli­ che Brennstoffzellenanordnung, er ist jedoch kleiner und kann selektiv und genauer überwacht werden, so daß von ihm Verände­ rungen im Reformat schneller detektiert werden können, als dies an der eigentlichen Brennstoffzellenanordnung möglich ist.

Bei einer nach Anspruch 4 weitergebildeten Anlage ist vor der Eintrittsseite des Reformierungsreaktors ein reformatqualitä­ tisindikativer Sensor angeordnet, mit dem die Zusammensetzung des zu reformierenden Gasgemischs erfaßt wird. Mit diesem Sensor kann schon eine fehlerhafte Zusammensetzung des zu reformieren­ den Gasgemischs detektiert werden, so daß die Einspeisung von daraus erzeugtem Reformat ungenügender Qualität in die Brenn­ stoffzellenanordnung sehr frühzeitig verhindert werden kann.

Bei einer nach Anspruch 5 weitergebildeten Anlage wird einem die Struktur einer einzelnen Brennstoffzelle der Brennstoffzellenan­ ordnung aufweisenden, reformatqualitätsindikativen Sensor katho­ denseitig ein sauerstoffhaltiger Gasstrom zugeführt, welcher ei­ ner Luft- bzw. Sauerstoffeinspeiseleitung der Brennstoffzellen­ anordnung entnommen ist. Damit vermag dieser Sensor gleichzeitig die Luft- bzw. Sauerstoffzufuhr zur Brennstoffzellenanordnung zu überwachen.

Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Hier­ bei zeigen:

Fig. 1 ein Blockdiagramm einer Brennstoffzellen-Energieer­ zeugungsanlage mit mehreren reformatqualitätsindikati­ ven Sensoren und

Fig. 2 eine schematische Seitenansicht eines Typs der in Fig. 1 verwendeten Sensoren.

Die in Fig. 1 gezeigte Brennstoffzellen-Energieerzeugungsanlage beinhaltet eine Brennstoffzellenanordnung 1 üblicher Bauart, beispielsweise in Form eines sogenannten Brennstoffzellensta­ pels, dem als Brennstoff ein wasserstoffreiches Reformat zuführ­ bar ist, das von einer Reformaterzeugungseinrichtung 2 mittels einer Heißdampfreformierung von Methanol erzeugt wird. Die Re­ formaterzeugungseinrichtung 2 beinhaltet hierzu eine eingangs­ seitige Bevorratungs- und Aufbereitungseinheit 3, die Methanol und Wasser in flüssiger Form bevorratet und diese beiden Kompo­ nenten zu einem heißen Gemisch aus Wasserdampf und Methanol auf­ bereitet. Dieses zu reagierende Gasgemisch wird einem Methanol­ reformierungsreaktor 4 zugeführt und dort in einem herkömmlichen Prozeß in ein wasserstoffreiches Reformat umgesetzt, das prozeß­ bedingt einen gewissen Anteil Kohlenmonoxid und gegebenenfalls bestimmte Restkohlenwasserstoffe enthält. Das Kohlenmonoxid sollte auf einen Anteil von weniger als etwa 50 ppm reduziert werden, um Verluste in der Brennstoffzellenaktivität der Brenn­ stoffzellenanordnung 1 zu verhindern. Ebenso ist der Gehalt an Restkohlenwasserstoffen, die einen eher langfristigen, dafür um­ so schädlicheren Einfluß auf die Brennstoffzellenanordnung 1 ha­ ben können, auf ein bestimmtes Maß zu beschränken. Um dies zu erreichen, ist dem Reformierungsreaktor 4 eine Reformatreini­ gungseinheit nachgeschaltet, die aus zwei seriell hintereinan­ derliegenden Reformatreinigungsstufen 5, 6 besteht. Der Aufbau der Gasreinigungsstufen 5, 6 ist ebenso wie derjenige des Refor­ mierungsreaktors 4 und der Bevorratungs- und Aufbereitungsein­ heit 3 von irgendeiner der herkömmlichen, geeigneten Arten und bedarf daher keiner näheren Erläuterung. Das Kohlenmonoxid kann z. B. durch selektive Oxidation oder Methanisierung entfernt wer­ den. Eine weitere Möglichkeit ist die selektive Abtrennung des Wasserstoffs, z. B. durch Einsatz geeigneter Membranen mit spezi­ fischer Wasserstoffdurchlässigkeit. Das Auftreten von Restkoh­ lenwasserstoffen im Reformat kann zudem durch geeignete Steue­ rung des Umsatzes im Reformierungsreaktor 4 vermieden werden.

Solange die solchermaßen aufgebaute Reformaterzeugungseinrich­ tung 2 störungsfrei arbeitet, liefert sie somit ausgangsseitig ein im wesentlichen aus reinem Wasserstoff bestehendes Reformat, in welchem andere Bestandteile nicht mehr in für die Brennstoff­ zellenanordnung 1 schädlichen Mengen enthalten sind. Dieses was­ serstoffreiche Reformat ist der Brennstoffzellenanordnung 1 über eine Reformateinspeiseleitung 7 zuführbar, in welcher ein an­ steuerbares 3-Wege-Ventil 8 liegt. In der Brennstoffzellenanord­ nung 1 wird dann zur Stromgewinnung das im wesentlichen aus Was­ serstoff bestehende Reformat mit Sauerstoff umgesetzt, welcher der Brennstoffzellenanordnung 1 kathodenseitig über eine Sauer­ stoffeinspeiseleitung 9 zugeführt wird, in der sich ein ansteu­ erbares Zuluftregelventil 29 befindet. Über die Einspeiseleitung 9 kann der Sauerstoff z. B. in Form von Kompressorluft zugeführt werden. Das Reaktionsprodukt wird über eine Auslaßleitung 10 nach außen abgeführt, während die von der Brennstoffzellen­ anordnung 1 durch diesen Prozeß erzeugte elektrische Energie an entsprechenden elektrischen Ausgangsleitungen 11 anliegt.

Zur Überwachung der Qualität des in der Reformaterzeugungsein­ richtung 2 gewonnenen Reformats hinsichtlich Verwendbarkeit in der Brennstoffzellenanordnung 1 sind an unterschiedlichen Stel­ len im Reformatströmungsweg Reformatqualitätsensoren vorgesehen, und zwar ein erster solcher Sensor 12 zwischen dem Reformie­ rungsreaktor 4 und der ausschließenden Reformatreinigungsstufe 5, ein zweiter Sensor 13 zwischen den beiden Reformatreinigungs­ stufen 5, 6 und ein dritter Sensor 14 an der Austrittsseite der strömungsabwärtigen Reformatreinigungsstufe 6. Der Aufbau dieser drei Reformatqualitätssensoren 12, 13, 14 ist in Fig. 2 veran­ schaulicht. Die dort gezeigte Struktur der Sensoren entspricht derjenigen einer einzelnen Brennstoffzelle, von denen eine Viel­ zahl in der Brennstoffzellenanordnung 1 verwendet wird. Der Sen­ sor beinhaltet zwei parallele Elektroden 21, 22, die an gegen­ überliegenden Außenflächen einer ionenleitenden Membran 23 ange­ bracht sind. Die beiden Elektroden 21, 22 können auch in einem ionenleitenden Elektrolyten angeordnet sein. Dieser Komplex ist in einem Gehäuse 24 untergebracht, aus dem elektrische Anschluß­ leitungen 25 herausgeführt sind, die mit den Elektroden 21, 22 kontaktiert sind. Eine erste, als Anode fungierende Elektrode 21 wird dem Reformatstrom 26 ausgesetzt, während die andere, als Kathode fungierende Elektrode 22 mit Luft 27 oder reinem Sauer­ stoff beaufschlagt wird.

Damit funktioniert der gemäß Fig. 2 aufgebaute Sensor als Brenn­ stoffzelle, die bei Anwesenheit von Wasserstoff im Reformat elektrische Energie erzeugt, die an den Anschlußleitungen 25 ab­ genommen werden kann. Da der Sensor eine vergleichbare Elektro­ denstruktur besitzt wie der Brennstoffzellenstapel in der Brenn­ stoffzellenanordnung 1, ist er in seiner Leistung in gleicher Weise von der Reformatqualität abhängig wie die Brennstoffzel­ lenanordnung 1 selbst. Dies betrifft vor allem die wichtigen Störfaktoren Kohlenmonoxid und Methanol, jedoch auch alle ande­ ren, für die Brennstoffzellenanordnung 1 schädlichen Reformatbe­ standteile, auch wenn diese eventuell noch gar nicht als solche bekannt sein sollten. Besonders vorteilhaft ist es, den Luft- bzw. Sauerstoffstrom 27 für den Sensor von der Sauerstoffein­ speiseleitung 9 der Brennstoffzellenanordnung abzuzweigen. In diesem Fall überwacht der Sensor gleichzeitig die Kathodenzuluft für die Brennstoffzellenanordnung 1. Der Sensor reagiert dann unmittelbar wie die Zellen der Brennstoffzellenanordnung 1. Da­ mit erlaubt dieser Sensoraufbau die zuverlässige Überwachung der Reformatqualität hinsichtlich Eignung in der Brennstoffzellenan­ ordnung 1. Um zu erreichen, daß der Sensor empfindlicher als die Brennstoffzellenanordnung 1 selbst reagiert, wird er in speziel­ ler Weise betrieben, wozu insbesondere folgende Varianten in Be­ tracht kommen.

Bei einer ersten Betriebsweise, wie sie in Fig. 2 veranschau­ licht ist, wird ein konstanter elektrischer Verbraucher 28 zwi­ schen die beiden Elektroden 21, 22 geschaltet, und mittels nicht gezeigter Strom- und/oder Spannungsmesser werden entweder der durch den Verbraucher 28 fließende Strom, die über ihm abfallen­ de Spannung oder beide Größen quantitativ erfaßt. Dadurch können schon geringfügige Veränderungen der Reformatqualität detektiert werden, was in der Brennstoffzellenanordnung 1 selbst nicht so einfach möglich ist. Der elektrische Verbraucher 28 kann bei­ spielsweise eine Leuchtdiode sein, deren Betriebszustand über­ wacht wird.

Eine zweite Sensorbetriebsweise besteht darin, mittels einer ex­ ternen Potentiostatenschaltung über die Zellelektroden 21, 22 eine konstante Spannung anzulegen und die sich dadurch einstel­ lende Stromstärke zu messen. Die Spannung wird so eingestellt, daß der elektrische Strom aus der Umsetzung von Wasserstoff an der Anode 21 resultiert und deshalb sehr empfindlich auf die Re­ formatqualität reagiert. Alternativ kann die Sensorspannung auch so eingestellt werden, daß sowohl Wasserstoff als auch Kohlen­ monoxid im Sensor umgesetzt werden. Diese Maßnahme ist insbeson­ dere für den Betrieb des an der Ausgangsseite des Reformierungs­ reaktors 4 gelegenen Sensors 12 günstig, da dort stromaufwärts der Reformatreinigungseinheit 5, 6 neben Wasserstoff noch ver­ gleichsweise viel Kohlenmonoxid, z. B. zwischen 1% und 3%, im Reformat vorliegt. Ein noch exakterer Sensorbetrieb kann durch zusätzliches Einbringen einer Bezugselektrode auf der Luftseite der Sensorzelle verwirklicht werden. Bei dieser Bezugselektrode kann es sich um einen von der Kathode 22 elektrisch abgetrenn­ ten, ansonsten gleich aufgebauten Elektrodenbereich handeln, der nicht stromdurchflossen ist und damit als sogenanntes Luftele­ ment eine konstante Bezugsspannung zur Verfügung stellt.

Anstelle des gezeigten Sensoraufbaus mit Brennstoffzellenstruk­ tur können auf Wunsch auch andere Sensorbauarten als Reformat­ qualitätssensoren verwendet werden, beispielsweise spezielle CO- Sensoren, mit denen dann die Reformatqualität speziell hinsicht­ lich des CO-Anteils überwacht wird.

Wieder auf Fig. 1 bezugnehmend, ist daraus zu erkennen, daß die Ausgangssignale der drei Reformatqualitätssensoren 12, 13, 14 einer Anlagensteuereinheit 15 zugeführt werden, der außerdem über eine diesbezügliche Eingangsleitung 16 eine Information über den jeweiligen Zustand der Brennstoffzellenanordnung 1 zu­ geführt wird. Außerdem empfängt die Steuereinheit 15 das Aus­ gangssignal eines Sensors 17, der die Zusammensetzung des Metha­ nol/Wasser-Gemischs vor Eintritt in den Reformierungsreaktor 4 überwacht und auf diese Weise eine Anlagenüberwachungskomponente im Vorfeld der Reformaterzeugung bildet. Dieser Sensor 17 kann beispielsweise ein herkömmlicher Brechungsindex-Sensor sein, mit dem sich der Brechungsindex des zu reagierenden Gasgemischs in der Dampfphase oder im noch unverdampften, flüssigen Gemischzu­ stand bestimmen läßt. Diese Brechungsindexinformation erlaubt die Ermittlung der jeweiligen Methanol/Wasser-Gemischzusammen­ setzung und liefert somit eine Aussage über den Betriebszustand der Bevorratungs- und Aufbereitungseinheit 3.

Mit den empfangenen Ausgangssignalen der verschiedenen Sensoren ist die Steuereinheit 15 somit in der Lage, sowohl den Zustand der einzelnen Komponenten der Reformaterzeugungseinrichtung 2 und damit den Zustand der letzteren insgesamt ständig daraufhin zu überwachen, ob sie ein für die Brennstoffzellenanordnung 1 geeignetes Reformat erzeugt. Sobald die Steuereinheit 15 fest­ stellt, daß an einer sensorisch überwachten Stelle des Refor­ matströmungsweges bzw. des zu reagierenden Gasgemischs vor dem Reformierungsreaktor 4 aufgrund eines Fehlbetriebs eine fehler­ hafte Gaszusammensetzung vorliegt, die zu Schädigungen der Brennstoffzellenanordnung 1 aufgrund ungenügender Reformatquali­ tät führen würde, schaltet sie über eine entsprechende Steuer­ leitung 18 das Ventil 8 um. Dadurch wird das von der Reformater­ zeugungseinrichtung 2 gelieferte Reformat, das im fehlerfreien Anlagenbetrieb vom Ventil 8 in die Brennstoffzellenanordnung 1 weitergeleitet wird, in eine Abzweigleitung 19 abgeleitet, wel­ che die Brennstoffzellenanordnung 1 als Bypassleitung umgeht.

Auf diese Weise verhindert die Steuereinheit 15 rechtzeitig jeg­ liches Eintreten von Reformat ungenügender Qualität in die Brennstoffzellenanordnung 1. Zusätzlich zum Unterbrechen der Re­ formateinspeisung in die Brennstoffzellenanordnung 1 durch Um­ steuern des Ventils 8 veranlaßt die Steuereinheit 15 über eine entsprechende Steuerleitung 20 eine Abschaltung der Bevorra­ tungs- und Aufbereitungseinheit 3, was die Reformaterzeugungs­ einrichtung 2 stillsetzt. Damit wird die weitere Produktion von Reformat ungenügender Qualität gestoppt, während das von der Re­ formaterzeugungseinrichtung 2 für eine gewisse Ansprechzeit noch gelieferte Reformat ungenügender Qualität über die Abzweiglei­ tung 19 abgeführt wird, ohne die Brennstoffzellenanordnung 1 zu schädigen. Erst wenn wieder eine ausreichende Reformatqualität erreicht ist, schaltet die Steuereinheit 15 das Ventil 8 wieder in die normale Betriebsstellung um, um das Reformat in die Brennstoffzellenanordnung 1 einzuspeisen.

Als weitere Maßnahme regelt die Steuereinheit 15 durch entspre­ chende Ansteuerung des Zuluftregelventils 29 die Menge an Sauer­ stoff, die der Brennstoffzellenanordnung 1 kathodenseitig zuge­ führt wird, in Abhängigkeit von den empfangenen Sensorausgangs­ signalen. Dabei variiert die Steuereinheit 15 die der Brenn­ stoffzellenanordnung 1 zugeführte Zuluftmenge insbesondere in Abhängigkeit der sensorisch erfaßten CO-Konzentration im Refor­ matgas derart, daß kurzzeitige höhere CO-Konzentrationen für die Brennstoffzellenanordnung unschädlich bleiben und toleriert wer­ den können, ohne daß in solchen Fällen die Reformatzufuhr unter­ brochen werden muß.

Die Anlagensteuereinheit 15 erfüllt außerdem alle übrigen, not­ wendigen Anlagensteuerungsfunktionen für die verschiedenen Anla­ genkomponenten, was hier nicht weiter von Interesse und daher in Fig. 1 nicht näher dargestellt ist. Alternativ kann die Steuer­ einheit 15 eine von der eigentlichen Anlagensteuereinheit ge­ trennte Überwachungseinheit sein, deren Funktion auf die hier eingehend beschriebene Reformatüberwachungsfunktionalität be­ schränkt ist.

Durch die an mehreren Stellen des Reformatströmungsweges ange­ ordneten Sensoren vermag die Steuereinheit 15 die jeweils ausge­ fallene Anlagenkomponente genau zu lokalisieren. Zudem ist die Frühwarnzeit des jeweiligen Sensors für die Steuereinheit 15 um­ so größer, je weiter der Sensor stromaufwärts von der Brenn­ stoffzellenanordnung 1 entfernt ist, so daß umso früher das Ven­ til 8 zwecks Unterbrechung der Reformateinspeisung in die Brenn­ stoffzellenanordnung 1 und Abführen des Reformats in die Ab­ zweigleitung 19 umgeschaltet werden kann. Je näher andererseits der Sensor vor der Brennstoffzellenanordnung 1 liegt, umso voll­ ständiger überwacht er die Reformaterzeugungseinrichtung 2.

Es versteht sich, daß zahlreiche Modifikationen der gezeigten Anlage im Rahmen der Erfindung realisierbar sind. So kann bei entsprechend geänderter Auslegung der Anlage statt Methanol eine andere Kohlenwasserstoffverbindung zur Wasserstoffgewinnung ver­ wendet werden, wobei die Reformaterzeugungseinrichtung 2 einen für den jeweiligen Anwendungsfall geeigneten, herkömmlichen Auf­ bau besitzt. Wenn dies wünschenswert erscheint, können weniger als die vier gezeigten Sensoren zum Einsatz kommen, solange we­ nigstens ein Sensor im Reformatströmungsweg vorhanden ist. Die erfindungsgemäße Anlage eignet sich sowohl für mobile Anwendun­ gen, beispielsweise in Kraftfahrzeugen, als auch für stationäre Ein­ satzfälle.

Claims (5)

1. Brennstoffzellen-Energieerzeugungsanlage mit

• 1. - einer Reformaterzeugungseinrichtung (2), die einen Reformie­ rungsreaktor (4) beinhaltet und ein wasserstoffreiches Reformat erzeugt,
• 2. - einer Brennstoffzellenanordnung (1), der eintrittsseitig das von der Reformaterzeugungseinrichtung erzeugte Reformat über ei­ ne Reformateinspeiseleitung (7) zuführbar ist,
• 3. - wenigstens einem im Reformatströmungsweg angeordneten, refor­ matqualitätsindikativen Sensor (12, 13, 14, 17) und
• 4. - einer Steuereinheit (15),

gekennzeichnet durch

• 1. - ein Ventil (8) in der Reformateinspeiseleitung (7), das von der Steuereinheit (15) derart ansteuerbar ist, daß es die Ein­ speisung des von der Reformaterzeugungseinreichtung (2) abgege­ benen Reformats in die Brennstoffzellenanordnung (1) in Abhän­ gigkeit vom Ausgangssignal des wenigstens einen reformatquali­ tätsindikativen Sensors (12, 13, 14, 17) freigibt oder unter­ bricht, und/oder
• 2. - ein Zuluftregelventil (29) in einer Luft- oder Sauerstoff­ einspeiseleitung (9) der Brennstoffzellenanordnung (1), das von der Steuereinheit (15) in Abhängigkeit vom Ausgangssignal des wenigstens einen reformatqualitätsindikativen Sensors (12, 13, 14, 17) ansteuerbar ist.

2. Brennstoffzellen-Energieerzeugungsanlage nach Anspruch 1, weiter dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens je ein reformatqualitätsindikativer Sensor (12, 14) an der Eintrittsseite und der Austrittsseite einer dem Reformie­ rungsreaktor (4) nachgeschalteten Reformatreinigungseinheit (5, 6) der Reformaterzeugungseinrichtung (2) vorgesehen ist.

3. Brennstoffzellen-Energieerzeugungsanlage nach Anspruch 1 oder 2, weiter dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffzellenanordnung (1) aus einer Mehrzahl von gleich­ artigen Brennstoffzellen besteht und wenigstens einer der refor­ matqualitätsindikativen Sensoren (12, 13, 14) die Struktur einer einzelnen solchen Brennstoffzelle besitzt.

4. Brennstoffzellen-Energieerzeugungsanlage nach einem der An­ sprüche 1 bis 3, weiter dadurch gekennzeichnet, daß einer der reformatqualitätsindikativen Sensoren ein Sensor (17) zur Erfassung der Zusammensetzung des zu reformierenden Gas­ gemischs ist, der auf der Eintrittsseite des Reformierungsreak­ tors (4) angeordnet ist.

5. Brennstoffzellen-Energieerzeugungsanlage nach Anspruch 3 oder 4, weiter dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens einem der die Struktur einer einzelnen Brennstoff­ zelle der Brennstoffzellenanordnung (1) besitzenden, reformat­ qualitätsindikativen Sensoren (12, 13, 14) kathodenseitig ein sauerstoffhaltiger Gasstrom zugeführt ist, der aus einer Luft- oder Sauerstoffeinspeiseleitung (9) der Brennstoffzellenanord­ nung (1) abgezweigt ist.