DE19629265A1 - Method and equipment for matching fuel-cell unit output to power demand - Google Patents

Method and equipment for matching fuel-cell unit output to power demand

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Abstract

A method for power matching of a fuel cell unit in which the partial oxygen pressure of the oxidant flowing to the fuel cell unit is continually matched to a variable electrical and thermal power demand. The partial oxygen pressure is continuously adapted by a combination of an oxygen enrichment system and a compression system for the oxidant. The thermal efficiency or the thermal capacity or the fuel cell unit is variably matched to the power demand, or more specifically, the electrical efficiency or the electrical output/power of the fuel cell unit is variably matched to the power demand.

Description

Die Erfindung bezieht sich aufThe invention relates to

  • - ein Verfahren zur kontinuierlichen Leistungsanpassung einer Brennstoffzelle oder einer Brennstoffzellenanlage sowie auf- A method for continuously adjusting the performance of a Fuel cell or a fuel cell system as well
  • - eine Brennstoffzellenanlage, die ein kombiniertes System aus einem Sauerstoffanreicherer, einem Verdichtungssystem und einer Steuerung in der Zuleitung des Oxidans umfaßt.- a fuel cell system, which is a combined system from an oxygenator, a compression system and a control in the supply of the oxidant.

Aus der DE-PS 42 01 795 ist ein Verfahren zur Leistungsstei­ gerung einer Brennstoffzelle und eine Anlage zur Durchführung des Verfahrens bekannte bei der zur Leistungssteigerung der Sauerstoffpartialdruck einer mit Luft als Oxidans betriebenen Brennstoffzelle erhöht werden kann. Dieses Verfahren und die Anlage dazu lösen die Probleme, die auftreten, wenn von einer Brennstoffzellenanlage eine erhöhte Leistung kurzfristig abgerufen werden soll. Bislang ungelöst ist jedoch das Pro­ blem, daß eine Brennstoffzellenanlage einem variablen elek­ trischen und thermischen Leistungsbedarf kontinuierlich ange­ paßt wird, und damit der jeweils optimale Wirkungsgrad er­ reicht wird oder daß die thermische zu Ungunsten der elektri­ schen Leistung oder umgekehrt gesteigert werden soll.From DE-PS 42 01 795 is a method for performance gerung a fuel cell and a plant for implementation the method known in the to increase the performance of Oxygen partial pressure of an air-operated oxidant Fuel cell can be increased. This procedure and the Attachment to solve the problems that arise when from a Fuel cell system increased performance in the short term should be retrieved. So far, however, the pro is unsolved blem that a fuel cell system a variable elec trical and thermal power requirements continuously fits, and thus the optimal efficiency he is enough or that the thermal to the disadvantage of the electri performance or vice versa.

Der variable elektrische und thermische Leistungsbedarf kann bislang bei Brennstoffzellen mit konstantem Druck nur in ein­ geschränkter Weise abgedeckt werden, weil die spezifische Strom-Spannungscharakteristik ein bestimmtes Verhältnis der Strom- und Wärmeerzeugung festlegt. Es besteht daher ein Be­ darf, daß Systeme gefunden werden, bei denen ein variabler thermischer und elektrischer Leistungsbedarf über einen wei­ teren Bereich abgedeckt werden kann als es bislang (durch die bekannte Variation von Druck oder Sauerstoffgehalt) möglich war.The variable electrical and thermal power requirements can So far only in one with constant pressure fuel cells restricted way to be covered because of the specific Current-voltage characteristic a certain ratio of Electricity and heat generation. There is therefore a loading may be found in systems in which a variable thermal and electrical power requirements over a white area can be covered than previously (by the known variation of pressure or oxygen content) possible was.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfah­ ren und eine Brennstoffzellenanlage zur Verfügung zu stellen mit einem Systemwirkungsgrad, der bei variablem thermischen und elektrischen Leistungsbedarf für jeden Anwendungs- und Betriebsfall optimiert ist. Außerdem ist es Aufgabe der vor­ liegenden Erfindung, ein System mit einer höheren Flexibili­ tät zu schaffen, das bei Bedarf die elektrische zugunsten der thermischen Leistung oder umgekehrt verringern kann.The object of the present invention is therefore a method ren and to provide a fuel cell system with a system efficiency that with variable thermal and electrical power requirements for every application and Operating case is optimized. It is also the job of the front lying invention, a system with a higher flexibility to create the electrical system in favor of the thermal output or vice versa.

Allgemeine Erkenntnis der Erfindung ist, daß bei einer Kombi­ nation aus Sauerstoffanreicherung und Druckerhöhung in der Zuleitung des Oxidans ein Leistungshub erreicht werden kann, der deutlich größer ist als der, den man durch alleinige Sau­ erstoffanreicherung oder durch alleinige Druckerhöhung er­ reicht. Außerdem ist Erkenntnis der Erfindung, daß durch eine Kombination wie oben beschrieben, eine Anpassung von Druck und Sauerstoffgehalt des Oxidans erreicht werden kann wodurch der thermische und elektrische Leistungsbedarf über einen weiteren Bereich abgedeckt wird als bei einer Variation von Druck oder Sauerstoffgehalt alleine.General knowledge of the invention is that in a station wagon nation from oxygen enrichment and pressure increase in the Supply of the oxidant a power stroke can be achieved which is significantly larger than the one you sow by sole sow enrichment or by increasing the pressure alone enough. In addition, knowledge of the invention is that by a Combination as described above, an adjustment of pressure and oxygen content of the oxidant can be achieved the thermal and electrical power requirement over one wider area is covered than with a variation of Pressure or oxygen content alone.

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Anpassung der thermischen und elektrischen Leistung einer Brennstoffzellen­ anlage, wobei der Sauerstoffpartialdruck des der Brennstoff­ zellenanlage zuströmenden Oxidans einem variablen elektri­ schen und thermischen Leistungsbedarf kontinuierlich angepaßt wird. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung er­ geben sich aus den Unteransprüchen und aus der Beschreibung.The invention relates to a method for adapting the thermal and electrical power of a fuel cell plant, where the oxygen partial pressure of the fuel Cell plant inflowing oxidant a variable electrical and thermal power requirements continuously adjusted becomes. He further advantageous embodiments of the invention arise from the subclaims and from the description.

Bevorzugt wird das Verfahren durch eine Brennstoffzelle oder einen Brennstoffzellenstapel ausgeführt, der eine Kombination aus einem Sauerstoffanreicherungssystem und einem Verdich­ tungssystem mit einer Steuerungsanlage enthält.The method is preferred by a fuel cell or a fuel cell stack running a combination from an oxygen enrichment system and a compression contains system with a control system.

Das Verfahren kann auch so durchgeführt werden, daß haupt­ sächlich der thermische Wirkungsgrad oder die thermische Lei­ stung der Brennstoffzelle kurz oder langfristig erhöht wer­ den. Ebenso kann das Verfahren so durchgeführt werden, daß hauptsächlich der elektrische Wirkungsgrad oder die elektri­ sche Leistung der Brennstoffzelle kurzfristig oder längerfri­ stig variabel an den Bedarf angepaßt werden.The method can also be carried out so that at all mainly the thermal efficiency or the thermal lei fuel cell in the short or long term  the. The method can also be carried out in such a way that mainly the electrical efficiency or the electri performance of the fuel cell in the short term or longer term can be variably adapted to requirements.

Die Erfindung offenbart auch eine Brennstoffzellenanlage, die ein kombiniertes System aus einem Sauerstoffanreicherer und einem Verdichtungssystem für das Oxidans mit einer Steuerung zur kontinuierlichen Leistungsanpassung umfaßt, wobei über die Steuerung der Druck des Oxidans und der Anteil des Sauer­ stoffs im Oxidans derart regelbar sind, daß ein variabler thermischer und elektrischer Leistungsbedarf durch die Anlage im Rahmen der Regelbarkeit des Gesamtsystems optimal abge­ deckt werden kann. Sauerstoffanreicherer und Verdichter sind bevorzugt in die Zuleitung des Oxidans zur Brennstoffzelle/ zum Brennstoffzellenstapel (= stack) eingebaut.The invention also discloses a fuel cell system which a combined system of an oxygenator and a compression system for the oxidant with a controller for continuous power adjustment, wherein over controlling the pressure of the oxidant and the proportion of the acid Substance in the oxidant are adjustable so that a variable thermal and electrical power requirements by the system optimally within the scope of the controllability of the overall system can be covered. Are oxygen enrichers and compressors preferably in the supply line of the oxidant to the fuel cell / built into the fuel cell stack.

Die Erfindung kann, wie die bereits bekannten Systeme, zur mobilen Energieversorgung und zur einseitigen kurzfristigen Leistungssteigerung eingesetzt werden. Weil die thermische Leistungsabgabe zu Ungunsten der elektrischen und umgekehrt verändert werden kann, kann sie auch bei stationären Anwen­ dungen zum Einsatz kommen. Dabei ist die Brennstoffzellenan­ lage zumindest ein Teil eines Energieversorgungssystems für Wohn- oder Nutzgebäude. Die dabei benutzten Brennstoffzellen­ anlagen bestehen bevorzugt aus einzelnen Brennstoffzellensta­ pel oder "stacks", wobei ein Brennstoffzellenstapel wiederum viele einzelne Brennstoffzellen umfaßt.The invention, like the already known systems, for mobile energy supply and for one-sided short-term Performance increase can be used. Because the thermal Power output to the disadvantage of the electrical and vice versa can be changed, it can also be used in stationary applications applications are used. The fuel cell is on lay at least part of an energy supply system for Residential or utility building. The fuel cells used Plants preferably consist of individual fuel cell stacks pel or "stacks", with a fuel cell stack in turn includes many individual fuel cells.

Geeignete Brennstoffzellen sind alle bekannten Brennstoffzel­ len insbesondere solche mit Polymerelektrolytmembranen (PEMFC = Macromolecular Fuel Cell, DMFC = Liquid Fuel Cell).Suitable fuel cells are all known fuel cells len especially those with polymer electrolyte membranes (PEMFC = Macromolecular Fuel Cell, DMFC = Liquid Fuel Cell).

Das erfindungsgemäß einsetzbare Sauerstoffanreicherungssystem kann aus einer Luftzerlegungsanlage mit oder ohne eigenem Verdichtungssystem bestehen. Dabei kann der Sauerstoffanrei­ cherer durch eine Membrantrenneinheit, eine Druckwechsel- Adsorptions- oder -Absorptionseinheit, eine Gaszentrifugenein­ heit oder eine Kryoanlage, jeweils mit oder ohne integriertem Verdichter, realisiert werden.The oxygen enrichment system that can be used according to the invention can be from an air separation plant with or without its own Compression system exist. The oxygenation can through a membrane separation unit, a pressure change  Adsorption or absorption unit, a gas centrifuge unit or a cryo system, each with or without an integrated Compressors.

Bei geringem Energieverbrauch wird die Brennstoffzellenanlage mit geringer Last betrieben, das heißt, die Brennstoffzellen werden mit Reaktanden (also Oxidans und Brennstoff) unter ge­ ringem Druck versorgt. Die Höhe des Drucks wird durch das Verdichtungssystem geregelt. Bei der Versorgung mit Reaktan­ den unter geringem Druck kann das Verdichtungssystem ein Lüf­ ter oder ein Gebläse sein. Bei dieser Ausgestaltung ist der Eigenverbrauch des Verdichtungssystems oder der Versorgungs­ einrichtung für die Reaktanden am geringsten. Wenn das Ver­ fahren hingegen bei hohem Druck betrieben wird ist zum Bei­ spiel ein Turbokompressor-Expander-System zur Versorgung der Brennstoffzellen mit Reaktanden einsetzbar.With low energy consumption, the fuel cell system operated at low load, that is, the fuel cells are with reactants (i.e. oxidant and fuel) under ge low pressure. The amount of pressure is determined by the Compression system regulated. When supplying reactane the compression system can ventilate under low pressure ter or a blower. In this configuration, the Self-consumption of the compression system or the supply facility for the reactants least. If the ver driving on the other hand is operated at high pressure play a turbo compressor expander system to supply the Fuel cells with reactants can be used.

Es ist vorgesehen, daß bei einer erfindungsgemäßen Anlage oder bei der Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens die Abwärme der Brennstoffzelle und auch die Abwärme der Luftzerlegungsanlage und des Verdichtungssystems sowie der Regelelektronik genutzt werden kann. Zusätzlich kann auch die Abwärme aus dem Wärmetauscher (Intercooler) zwischen dem Kom­ pressor und der Brennstoffzelle über die Brennstoffzellen ge­ nutzt werden. Neben den bekannten Arten die Abwärme eines Sy­ stems zu nutzen, kann die Abwärme auch zur Hebung des Tempe­ raturniveaus der Anlage genutzt werden oder zum Verdampfen von Methanol oder Wasser im System selbst. Bei der Verwendung in einem stationären Energieversorgungssystem kann die Abwär­ me zur Haus- oder Fernwärmeversorgung genutzt werden sowie mittels einer Absorptionswärmepumpe zur Kälteerzeugung.It is provided that in a system according to the invention or when carrying out a method according to the invention the waste heat from the fuel cell and also the waste heat from the Air separation plant and the compression system as well as the Control electronics can be used. In addition, the Waste heat from the heat exchanger (intercooler) between the com pressor and the fuel cell via the fuel cells be used. In addition to the known types, the waste heat from a Sy Using stems, the waste heat can also be used to raise the temperature system levels or for evaporation of methanol or water in the system itself. When using in a stationary energy supply system, the waste heat me for house or district heating supply are used as well by means of an absorption heat pump for cooling.

Erfindungsgemäß ist das Problem der Austrocknung oder erhöh­ ten Befeuchtung bei luftbetriebenen Brennstoffzellen durch die Sauerstoffanreicherung, die dadurch reduzierte Menge an durchgeführtem Gas und den dadurch reduzierten Abtransport von Wasser verkleinert. According to the problem of dehydration or increased humidification of air-powered fuel cells the oxygenation, the reduced amount of performed gas and the resulting reduced removal downsized by water.  

Ebenso wird das Problem des Regelaufwandes bei der Luftbeimi­ schung zum Brennstoff durch die Beimischung einer mit Sauer­ stoff angereicherten Luft deutlich reduziert, da der beige­ mischte Volumenstrom stark erhöht wird (zum Beispiel 500 ppm statt 100 ppm "Luft-Beigabe").Likewise, the problem of the regular effort in the air admixture to the fuel by adding an acid Substance-enriched air is significantly reduced because of the beige mixed volume flow is greatly increased (for example 500 ppm instead of 100 ppm "air addition").

Mit dem erfindungsgemäß offenbarten System kann ein vorgege­ bener eben auch variabler Bedarf an elektrischer und thermi­ scher Energie durch eine Brennstoffzellenanlage gedeckt wer­ den. Bei der vorliegenden Erfindung legt die spezifische Strom-Spannungscharakteristik kein enges Verhältnis der Strom- und Wärmeerzeugung mehr fest und es kann der elektri­ sche und thermische Leistungsbedarf durch eine Anlage in ei­ nem weitaus weiteren Bereich abgedeckt werden als zuvor. Ins besondere ist der Bereich weitaus größer als bei einer Anlage nach dem genannten Stand der Technik, wo nur jeweils entweder der Druck oder der Sauerstoffanteil im Oxidans variiert wer­ den konnte.With the system disclosed according to the invention, one can there is also a variable need for electrical and thermal Sheer energy is covered by a fuel cell system the. In the present invention, the specific Current-voltage characteristics not a tight ratio of Power and heat generation more solid and it can be the electri cal and thermal power requirements through a plant in egg far more area than before. Ins special is the area is much larger than in a plant according to the state of the art, where only either the pressure or the proportion of oxygen in the oxidant varies who could.

Die Variation, die bei der Kombination von Sauerstoffanrei­ cherer und Verdichtungssystem möglich ist, erlaubt auch eine kontinuierliche Regelung des Systems. Es sind somit höhere Systemwirkungsgrade somit erreichbar als bei Systemen, die alleine mit Anreicherung oder alleine mit Druckerhöhung ar­ beiten.The variation that occurs when combining oxygenation and compression system is also possible continuous control of the system. So they are higher System efficiencies are therefore achievable than with systems that alone with enrichment or alone with pressure increase ar work.

Schließlich ist die Erfindung auch einsetzbar zur Kostenre­ duktion und Größenminimierung (letzteres nur dann, wenn sehr starke Lastwechsel auftreten), wo eine höhere elektrische Nettoleistungsdichte angestrebt wird. Bei stromgeführter Be­ triebsweise der Brennstoffzelle wird ein hoher elektrischer Nettowirkungsgrad der Stromquelle angestrebt, der ebenfalls verbessert wird. Die Erfindung ermöglicht also bei dem Be­ trieb von Brennstoffzellen erheblich höhere Flexibilität und bessere Wirkungsgrade als sie bisher möglich waren.Finally, the invention can also be used for cost purposes production and size minimization (the latter only if very strong load changes occur) where a higher electrical Net power density is sought. With live Be the fuel cell becomes a high electrical drive Net efficiency of the power source sought, which is also is improved. The invention thus enables the Be fuel cells significantly increased flexibility and better efficiencies than were previously possible.

Claims (8)

1. Verfahren zur Leistungsanpassung einer Brennstoffzellenan­ lage, wobei der Sauerstoffpartialdruck des der Brennstoffzel­ lenanlage zuströmenden Oxidans einem variablen elektrischen und thermischen Leistungsbedarf kontinuierlich angepaßt wird.1. Method for power adjustment of a fuel cell location, the oxygen partial pressure of the fuel cell Oil plant inflowing oxidant a variable electrical and thermal power requirements are continuously adjusted. 2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Sauerstoffpar­ tialdruck durch eine Kombination aus einem Sauerstoffanrei­ cherungssystem und einem Verdichtungssystem für das Oxidans kontinuierlich angepaßt wird.2. The method of claim 1, wherein the oxygen par tial pressure through a combination of an oxygen series system and a compression system for the oxidant is continuously adjusted. 3. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüchen bei dem hauptsächlich der thermische Wirkungsgrad oder die thermische Leistung der Brennstoffzellenanlage variabel an den Lei­ stungsbedarf angepaßt wird.3. The method according to any one of the preceding claims in the mainly the thermal efficiency or the thermal Power of the fuel cell system variable on the Lei need is adapted. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei dem hauptsächlich der elektrische Wirkungsgrad oder die elektri­ sche Leistung der Brennstoffzellenanlage variabel an den Lei­ stungsbedarf angepaßt wird.4. The method according to any one of claims 1 or 2, in which mainly the electrical efficiency or the electri cal performance of the fuel cell system variable at the Lei need is adapted. 5. Brennstoffzellenanlage, die ein kombiniertes System aus einem Sauerstoffanreicherer und einem Verdichtungssystem für das Oxidans mit einer Steuerung zur kontinuierlichen Lei­ stungsanpassung umfaßt, wobei über die Steuerung der Druck des Oxidans und der Anteil des Sauerstoffs im Oxidans derart regelbar sind, daß eine variabler thermischer und/oder elek­ trischer Leistungsbedarf durch die Anlage optimal abgedeckt werden kann.5. Fuel cell system, which is a combined system an oxygenator and a compression system for the oxidant with a control for continuous lei Power adjustment includes, with the control of the pressure of the oxidant and the proportion of oxygen in the oxidant in such a way are adjustable that a variable thermal and / or elec The power requirement is optimally covered by the system can be. 6. Brennstoffzellenanlage nach Anspruch 5, bei der die Steue­ rung in der Zuleitung des Oxidans zum Brennstoffzellenstapel integriert ist.6. The fuel cell system according to claim 5, wherein the tax tion in the supply of the oxidant to the fuel cell stack is integrated. 7. Verwendung einer Brennstoffzellenanlage nach Anspruch 5 oder 6 zur stationären Energieversorgung. 7. Use of a fuel cell system according to claim 5 or 6 for stationary energy supply.   8. Verwendung einer Brennstoffzellenanlage nach Anspruch 5 oder 6 zur mobilen Energieversorgung.8. Use of a fuel cell system according to claim 5 or 6 for mobile energy supply.
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