DE19947880B4

DE19947880B4 - Verfahren zur Regelung der Reaktionstemperatur von Brennstoffzellen mit vorgeschaltetem Reformer

Info

Publication number: DE19947880B4
Application number: DE19947880A
Authority: DE
Inventors: Thomas Dr. Hocker
Original assignee: Vaillant GmbH
Current assignee: VAILLANT GMBH, 42859 REMSCHEID, DE
Priority date: 1998-10-02
Filing date: 1999-09-23
Publication date: 2004-12-09
Anticipated expiration: 2019-09-24
Also published as: CH694307A5; AT406717B; ATA164298A; DE19947880A1

Abstract

Verfahren zur Regelung der Reaktionstemperatur einer Brennstoffzelle (1) mit einem vorgeschalteten Reformer (16), in dem Wasser und ein Brenngas zur Erzeugung von Wasserstoff eingeleitet werden, der in der Brennstoffzelle (1) mit Luft zur Reaktion gebracht wird, dadurch gekennzeichnet, dass zur Regelung der Temperatur der Brennstoffzelle (1) die Zufuhr von inertem Wasser in den Reformer (16) variiert wird.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Regelung der Reaktionstemperatur einer Brennstoffzelle gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Aus der DE 196 05 404 C1 ist bekannt, dass Brennstoffzellen mit einem Überschuss an Reaktionskomponenten betrieben werden, um bei Lastwechseln genügend Wasserstoff zur Verfügung zu haben. Kraftstoffmenge und Wassermenge werden vor dem Eintritt in einen Reformer exakt dahingehend eingestellt, dass gemäß der Reaktionsgleichungen einer Dampfreformierung eine definierte Wasserstoffmenge zur Verfügung steht. Auch aus der DE 197 37 406 A1 ist bekannt, aus Methanol und Wasserdampf Wasserstoff für den Betrieb einer Brennstoffzelle bedarfsgerecht zu reformieren. Die Wasserdampfreformierung von Methanol ist detailliert in EP 813 262 B1 beschrieben. Die US 4 904 548 A lehrt, dass die Strom-Spannungs-Kennlinie einer Brennstoffzelle sowohl von der zugeführten Menge an Brenngas, als auch deren Temperatur abhängig ist. Aus der DE 691 23 042 T2 ist bekannt, dass die im Abgas einer Brennstoffzelle enthaltene brennstoffgebundene und thermische Energie nur Beheizung des Systems genutzt werden kann. Aus dem Stand der Technik ist nicht bekannt, dass gezielt inertes Wasser in den Brenngasstrom eingeleitet wird.

Bei vielen Brennstoffzellen muss die Reaktionstemperatur konstant gehalten werden, um thermische Spannungen in einem Brennstoffzellenstapel zu vermeiden. Normalerweise wird dies über die Variation des Luftüberschusses erreicht. Wird beispielsweise die Stromerzeugung erhöht, so würde normalerweise die Reaktionstemperatur sinken, bzw. es steigt diese, wenn der Luftüberschuss vermindert wird. Wird andererseits die Stromerzeugung vermindert und bzw. oder die Belastung erhöht, so würde ohne Ausgleichsmaßnahmen die Reaktionstemperatur ansteigen. Es wird in einem solchen Fall daher der Luftüberschuss erhöht, wodurch die Reaktionstemperatur konstant gehalten werden kann.

Je nach der Art der Brennstoffzellen ist die Abgastemperatur nach Verlassen des Systems so hoch, dass die im Abgas gebundene thermische Energie noch genutzt werden kann. Der gegebenenfalls hohe Luftüberschuss bedingt jedoch, dass Kondensationswärme nur in relativ geringem Maße genutzt werden kann. Allgemein gilt, dass mit dem Luftüberschuss der Wirkungsgrad der Wärmenutzung des Abgases einer Brennstoffzelle abnimmt.

Ziel der Erfindung ist es, diese Nachteile des bisherigen Verfahrens zur Regelung der Reaktionstemperatur der Brennstoffzelle mittels Variation des Luftüberschusses zu vermeiden und ein Verfahren der eingangs erwähnten Art anzugeben, das auch die Ausnutzung der Abgaswärme der Brennstoffzellen in einem sehr hohen Ausmaß ermöglicht.

Erfindungsgemäß wird dies bei einem Verfahren der eingangs erwähnten Art durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 erreicht.

Durch die vorgeschlagenen Maßnahmen ist es ebenfalls möglich, die Reaktionstemperatur der Brennstoffzellen zu steuern, bzw. konstant zu halten. Da dabei der Luftüberschuss entsprechend den Erfordernissen eingestellt werden kann und insbesondere bei verstärkter Zufuhr von Wasser zum Reformer der Brennstoffzelle das Abgas einen entsprechend hohen Feuchteanteil aufweist, setzt die Kondensation des Abgases sehr früh ein, wodurch der Wärmeübergang zwischen dem Abgas und einem Kondensations-Wärmetauscher begünstigt wird. Dadurch kann die Wärmetauscherfläche entsprechend klein gehalten werden, und es ergibt sich ein hoher Wirkungsgrad der Nutzung der Wärme des Abgases. Im idealen Fall kann die gesamte Energie, die zum zusätzlichen Verdunsten des Wasserdampfes benötigt wurde, im Kondensations-Wärmetauscher wieder zurückgewonnen werden, was bei einer Erhöhung der Luftzahl nicht möglich wäre und einen Teil der Energie nicht wiedergewinnbar entweichen ließe. Bei dem vorgeschlagenen Verfahren lässt sich die Reaktionstemperatur energetisch sinnvoller konstant halten als bei den bekannten Verfahren.

Durch die Merkmale des Anspruches 2 ist es auf einfache Weise möglich, eine bestimmte Reaktionstemperatur vorzusehen und in Abhängigkeit von dieser die Zufuhr von Wasser zum Reformer der Brennstoffzelle zu steuern.

Die Merkmale des Anspruches 3 ermöglichen einen sehr variablen Einsatz der Brennstoffzelle, wobei die Regelung der Zufuhr von Wasserdampf zweckmäßigerweise in Abhängigkeit von einem Kennlinienfeld erfolgt, in dem verschiedene Brennstoffzellenbelastungen in Abhängigkeit von der elektrischen Leistung abgelegt sind. Dabei ist es möglich, die Reaktionstemperatur auch dann zu steuern bzw. konstant zu halten, wenn die Belastung der Brennstoffzellen und deren elektrische Leistung variiert werden.

Durch die Merkmale des Anspruches 4 ist es auf einfache Weise möglich, allfällige Änderungen der Brenngasqualität zu berücksichtigen.

Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen 1 und 2 zwei verschiedene Ausführungsformen von Einrichtungen zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Bei der Ausführungsform nach der 1 ist zur Versorgung einer Brennstoffzelle 1 mit Luft ein Ansaugrohr 5 vorgesehen, in dem ein Gebläse 3 angeordnet ist. Weiters sind ein Wasserrohr 18, in dem ein regelbares Wasserventil 17 angeordnet ist, und eine Brenngasleitung 6, in der ein regelbares Gasventil 4 angeordnet ist, vorgesehen. Dabei münden das Wasserrohr 18 und die Brenngasleitung 6 in einen Reformer 16, in dem Wasserstoffgas erzeugt wird.
Dieser Reformer 16 ist über eine Verbindungsleitung 22 mit der Brennstoffzelle 1 verbunden. Diese ist mit einer Abgasleitung 10 versehen, über die heißes Abgas aus der Brennstoffzelle 1 abströmen kann. Dabei kann die Wärme des Abgases in einem nachgeschalteten Wärmetauscher, vorzugsweise einen Kondensations-Wärmetauscher, gewonnen werden.
Die in der Brennstoffzelle erzeugte elektrische Energie wird über die elektrische Leitung 11 abgeleitet.
Dabei wird je nach dem Betriebszustand der Brennstoffzelle 1 mehr oder weniger Wasser dem Reformer 16 zugeführt, mindestens jedoch so viel, dass der Reformierungsprozess im Reformer 16 stattfinden kann, so dass die Reaktionstemperatur in der Brennstoffzelle 1 auf einem bestimmten Wert gehalten werden kann. In den meisten Fällen wird dabei die Reaktionstemperatur konstant gehalten, doch kann in verschiedenen Fällen auch eine Änderung der Reaktionstemperatur um einen bestimmten Betrag angestrebt und durch entsprechende Regelung der Wasserzufuhr mittels des Wasserventils 17 erreicht werden, ohne dass deshalb die Luftzufuhr zur Brennstoffzelle 1 geändert werden müsste.
Die 2 zeigt eine Einrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, die im Wesentlichen jener nach der 1 entspricht, die jedoch mit einer automatischen Steuerung versehen ist. Dabei kann einerseits die Temperatur der Brennstoffzelle 1 oder eines Stapels von Brennstoffzellen mittels einer Temperaturmesseinrichtung 19 gemessen werden und diese Information mittels einer Eingangsleitung 20 einem Regler 2 zugeführt werden, die über eine Stellleitung 21 das Wasserventil 17 steuert.
Damit ist es auf sehr einfache Weise möglich, die Temperatur der Brennstoffzelle 1 durch entsprechende Verstellung des Wasserventils 17 konstant zu halten.
Die Einrichtung nach der 2 ist weiters mit einem Volumenstrommessgerät 9 versehen, das den Volumenstrom des in den Reformer 16 einströmenden Brenngases erfasst und über eine Eingangsleitung 12 mit einem Eingang des Reglers 2 verbunden ist.
Weiters ist ein Strommesser 8 vorgesehen, der in der elektrischen Leitung 11 angeordnet ist und den von der Brennstoffzelle 1 erzeugten elektrischen Strom misst. Dieser Strommesser 8 ist über eine Eingangsleitung 13 mit einem weiteren Eingang des Reglers 2 verbunden.
Außerdem ist ein Temperatursensor 7 vorgesehen, der die Temperatur des aus der Brennstoffzelle 1 abströmenden Abgases erfasst und über eine Eingangsleitung 14 mit einem weiteren Eingang des Reglers 2 verbunden ist.
Mit der Einrichtung nach der 2 ist es auch möglich, das Wasserventil 4 in Abhängigkeit vom Volumenstrom des in den Reformer 16 strömenden Brenngases zu regeln. So ist bei bekanntem Heizwert des Brenngases durch den in den Reformer 16 strömenden Volumenstrom auch die Belastung der Brennstoffzelle 1 bekannt.
Der aus der Brennstoffzelle 1 abgeleitete elektrische Strom, der durch den Strommesser 8 erfasst wird, entspricht, wie auch die elektrische Spannung, einer stetig monotonen Funktion der in der Brennstoffzelle 1 erzeugten elektrischen Leistung.
Der Regler 2 kennt die produzierte elektrische Leistung indirekt über die Kenntnis des elektrischen Stromes, der über den Strommesser 8 erfasst und über die Eingangsleitung 13 dem Regler 2 mitgeteilt wird. Der Regler 2 kann daher den für eine bestimmte Reaktionstemperatur der Brennstoffzelle 1 notwendigen Wassermassenstrom errechnen oder einem Kennlinienfeld entnehmen und über die Stellleitung 21 das Wasserventil 17 entsprechend steuern und so den inerten Wasserstrom festlegen. In dem Kennlinienfeld sind alle möglichen Betriebszustände mit den entsprechenden Wasserdurchsätzen hinterlegt.
Bei jeweils konstantem Brenngasvolumen und erzeugtem elektrischen Strom verändert sich bei einer Änderung der Zusammensetzung des Brenngases die Abgastemperatur der Brennstoffzelle 1, welche von dem Temperatursensor 7 erfasst und über die Eingangsleitung 14 dem Regler 2 mitgeteilt wird. So kann der Regler 2 über in einem Kennlinienfeld abgelegte Informationen über die Steuerleitung 21 das Wasserventil 17 ansteuern und die Reaktionstemperatur der Brennstoffzelle 1 konstant halten.
Inertes Wasser bedeutet, dass es an chemischen Reaktionen nicht teilnimmt, allenfalls den Aggregatszustand ändert.

Claims

Verfahren zur Regelung der Reaktionstemperatur einer Brennstoffzelle (1) mit einem vorgeschalteten Reformer (16), in dem Wasser und ein Brenngas zur Erzeugung von Wasserstoff eingeleitet werden, der in der Brennstoffzelle (1) mit Luft zur Reaktion gebracht wird, dadurch gekennzeichnet, dass zur Regelung der Temperatur der Brennstoffzelle (1) die Zufuhr von inertem Wasser in den Reformer (16) variiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zufuhr von Wasser in Abhängigkeit von der Reaktionstemperatur der Brennstoffzelle (1) geregelt oder gesteuert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zufuhr von Wasser in Abhängigkeit von der bei jeder Brennstoffzellenbelastung erzeugten elektrischen Leistung geregelt wird, wobei ein bestimmter Luftüberschuss festgelegt ist.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgastemperatur der Brennstoffzelle (1) zur Erfassung einer Veränderung der Brenngasqualität oder Brenngaszusammensetzung gemessen und bei der Regelung der Wasserzufuhr berücksichtigt wird.