AT407314B - Brennstoffzellenanordnung - Google Patents

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AT407314B AT0195598A AT195598A AT407314B AT 407314 B AT407314 B AT 407314B AT 0195598 A AT0195598 A AT 0195598A AT 195598 A AT195598 A AT 195598A AT 407314 B AT407314 B AT 407314B
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Description

AT 407 314 B
Die Erfindung bezieht sich auf eine Brennstoffzeltenanordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Bei einem reinen Verbrennungsprozeß wird die adiabate Verbrennungstemperatur ideal nur vom Brenngas und dem Luftüberschuß bestimmt. Real stellt sich eine Verbrennungstemperatur 5 ein, die auch von der Wärmeabstrahlung aus der Verbrennungszone und den Wärmeverlusten, die beide belastungsabhängig sind, bestimmt wird. Die Verbrennungstemperatur eines Verbrennungssystems ist somit eine Funktion des Brenngases, des Luftüberschusses und der Belastung.
Bei Brennstoffeellenanordnungen der eingangs erwähnten Art geht die im Brennstoff gebundene chemische Energie in elektrische Energie und thermische Energie über. Neben den bei io einem Verbrennungssystem auftretenden oben erwähnten Parametern Brenngas, Luftüberschuß und Belastung wird die Reaktionstemperatur auch vom Anteil der elektrischen Energie an der Energiefreisetzung nach folgender Beziehung bestimmt. T = f(B, Hu.l, λ)
Dabei bedeuten T die Reaktions-Temperatur, B die Belastung, Hu den Heizwert des Brenn-15 gases, I den Strom und λ den Luftüberschuß.
Anmerkung: Diese Beziehung stellt keine exakte Formel dar, sondern zeigt lediglich, daß die Temperatur eine Funktion der angegebenen Parameter ist.
Bei vielen Brennstoffzellen, insbesondere SOFC-Zellen, soll die Reaktionstemperatur konstant gehalten werden, um thermische Spannungen im Brennstoffeellenstapel zu vermeiden. Dies hat 20 gemäß der oben genannten Zusammenhänge zur Folge, daß mit Hilfe des Luftüberschusses die Reaktionstemperatur konstant gehalten wird. Wird beispielsweise die Stromerzeugung erhöht, so würde normalerweise die Reaktionstemperatur sinken. Daher wird der Luftüberschuß vermindert, wodurch die Temperatur wieder steigt. Wird andererseits die Stromerzeugung vermindert und bzw. oder die Belastung erhöht, so würde ohne Ausgleichsmaßnahmen die Reaktionstemperatur 25 ansteigen. Daher wird in einem solchen Fall der Luftüberschuß erhöht, wodurch die Reaktions-Temperatur konstant gehalten werden kann.
Dies zeigt deutlich, daß bei einer Brennstoffeellenanordnung eine Gas-Luft-Verbund-Steue-rung, wie sie bei konventionellen Heizungsanlagen üblich ist, nicht angewandt werden kann. Brennstoffeellen benötigen daher meist sehr zahlreiche Sensoren und Regler, welche die Ver-30 brennungsparameter überwachen und entsprechend steuern. Dies erfordert jedoch einen sehr erheblichen konstruktiven Aufwand.
Aus der EP 0568 822 A2 ist ein Energieversorgungssystem bekannt geworden, das eine Brennstoffzelle zusammen mit einer Wärmeversorgung zum Inhalt hat, bei welcher Wert auf eine gleichmäßige und günstige Energieverteilung sowohl des erzeugten Stroms wie auch der Wärme 35 gelegt ist.
Aus der US 5 187 024 ist eine Brennstoffeellenanordnung bekannt geworden, bei der die Temperatur der Brennstoffeelle selbst konstant gehalten werden soll. Hierzu ist eine Kühlvorrichtung vorgesehen, bei der die auftretenden Wärmeverluste so klein wie möglich gehalten werden sollen. 40 Ziel der Erfindung ist es, die eingangs geschilderten Nachteile zu vermeiden und eine Brennstoffeellenanordnung der eingangs erwähnten Art vorzuschlagen, die sich auf einfache Weise im Sinne einer Konstanthaltung der Reaktionstemperatur steuern läßt und nur einen geringen konstruktiven Aufwand erfordert.
Erfindungsgemäß wird dies bei einer Brennstoffeellenanordnung der eingangs erwähnten Art 45 durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 erreicht.
Durch die vorgeschlagenen Maßnahmen ist sichergesteilt, daß die Regelung mittels des Volumenstromsensors zur Erfassung des Gasstromes, des elektrischen Leistungsmessers und des Abgas-Temperatursensors den momentanen Betriebszustand der Brennstoffeellenanordnung erfaßt und aufgrund der abgelegten Kennlinienfelder das regelbare Gebläse steuert und so den so Luftüberschuß im Sinne einer Konstanthaltung der Reaktionstemperatur steuert.
Durch die Merkmale des Anspruches 2 ergibt sich der Vorteil einer sehr einfachen konstruktiven Lösung. Der vom Strommesser gemessene Strom ist - wie auch die Spannung - eine stetige monotone Funktion der in der Brennstoffeelle produzierten elektrischen Leistung. Bei konstantem Druck in der Brennstoffeelle, der vorausgesetzt werden kann, ist jedem Stromwert ein bestimmter 55 Spannungswert zugeordnet, wodurch allein aus dem Stromwert die elektrische Leistung ermittelt 2
AT 407 314 B werden kann.
Durch die Merkmale des Anspruches 3 kann auf einfache Weise der Regelung der Heizwert des verwendeten Brenngases eingegeben werden.
Durch die Merkmale des Anspruches 4 wird es ermöglicht, mit geringem konstruktiven Aufwand den Heizwert des verwendeten Brenngases mittels der Kennlinienfelder einfach zu ermitteln.
Durch die Merkmale des Anspruches 5 kann der Heizwert des Brenngases sehr einfach ermittelt und der Regelung übermittelt werden.
Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:
Fig. 1 bis 3 drei verschiedene Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen Brennstoffeellenanordnung und
Fig. 4 eine Kennlinie, die den Zusammenhang zwischen Strom und Spannung einer Brennstoffzelle zeigt.
Gleiche Bezugszeichen bedeuten in allen Figuren gleiche Einzelteile.
Bei der Ausführungsform nach der Fig. 1 ist ein Brennstoffeellenstapel 1 vorgesehen, der über eine Luftleitung 5, in der ein regelbares Gebläse 3 angeordnet ist und über eine Gasleitung 6, in der ein Gasventil 4 angeordnet ist, mit Luft und Gas versorgbar ist. Dabei ist in der Gasleitung 6 ein Volumenstrommesser 9 angeordnet, der über eine Signalleitung 12 mit einer Regelung 2 verbunden ist.
Aus dem Brennstoffeellenstapel 1 führt eine Abgasleitung 10 weg, in der ein Temperatursensor 7 angeordnet ist, der über eine Signalleitung 14 mit der Regelung 2 verbunden ist.
Weiter führt aus dem Brennstoffeellenstapel 1 eine elektrische Ausleitung 11 weg, in der ein Strommesser 8 zur Erfassung der elektrischen Leistung angeordnet ist und der über eine Signalleitung 13 mit der Regelung 2 verbunden ist.
Die Regelung 2 weist Einstellschalter 16 auf, die zur groben Einstellung des Heizwertes des Gases dienen.
Die Regelung 2 ist weiter über eine Steuerieitung 15 mit einem Motor des Gebläses 3 verbunden und steuert dieses in seiner Drehzahl. Weiter ist die Regelung über eine Verbindungsleitung 20 mit einem Kennlinienfeldspeicher 19 verbunden, in dem experimentell ermittelte Kennlinienfelder für alle möglichen Betriebszustände und zur Konstanthaltung der Reaktionstemperatur erforderlichen Luftdurchsatzes abgelegt sind.
Die Ausführungsform nach der Fig. 2 unterscheidet sich von jener nach der Fig. 1 dadurch, daß die Regelung 2 mit einem weiteren Kennlinienfeldspeicher 17 über eine Verbindungsleitung 21 verbunden ist. In diesem Kennlinienfeldspeicher 17 sind Kennlinien abgelegt, die experimentell den Zusammenhang zwischen der Abgastemperatur beim Start des Brennstoffeellenstapels 1 vor Beginn der Stromerzeugung und dem Heizwert des verwendeten Brenngases zeigen.
Die Ausführungsform nach der Fig. 3 unterscheidet sich von jener nach der Fig. 1 dadurch, daß in der Gasleitung 6 weiter ein Gassensor 18 zur Erfassung des Heizwertes des verwendeten Brenngases angeordnet ist, der über eine Signalleitung 22 mit der Regelung 2 verbunden ist.
Beim Betrieb des Brennstoffeellenstapels wird durch den Volumenstrommesser 9, den Strommesser 8, der aufgrund des konstant gehaltenen Druckes in dem Brennstoffeellenstapel 1 und dem bekannten Zusammenhang zwischen Strom und Spannung des Brennstoffzellenstapels 1 ein eindeutiges Maß für die momentane elektrische Leistung ist, und den Temperatursensor 7, der die Abgastemperatur erfaßt, ein eindeutiges Bild für den Betriebszustand des Bennstoffeellenstapels erhalten. Dadurch kann die Regelung 2 den für eine bestimmte Reaktionstemperatur notwendigen Luftüberschuß mittels eines Algorithmus errechnen.
Dieser Algorithmus berücksichtigt dabei die Brennstoffeellenbelastung, die aus dem Brenngasvolumenstrom, der mit dem Volumenstrommesser 9 ermittelt wird, und dem Heizwert und dem erzeugten elektrischen Strom ermittelt wird.
Dies erfolgt nach dem Algorithmus λ = f(Belastung, Strom) z.B. λ = Ba x (b x Imax - l)c
Dabei werden die Koeffizienten a, b und c experimentell im Labor ermittelt, wobei b<1 sein muß, und B die Belastung, I den Strom und λ den Luftüberschuß bedeuten. 3

Claims (5)

  1. AT 407 314 B PATENTANSPRÜCHE: 1. Brennstoffzellenanordnung mit einer elektrischen Ausleitung (11) und einer Abgasleitung (10), sowie zugehörigen Hilfeaggregaten, wie Reformer, einem in einer Luftleitung (5) angeordneten regelbaren Geblase (3), einem in einer Gasleitung (6) angeordneten Gasventil (4) und einer zur Konstanthaltung der Reaktionstemperatur vorgesehenen Regelung (2), die mit dem Gebläse (3) über eine Steuerleitung (15) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelung (2) mit einem in der Gasleitung (6) angeordneten Volumenstrommesser (9), einem in der elektrischen Ausleitung (11) angeordneten Leistungsmesser und einem in der Abgasleitung (19) angeordneten Temperatursensor (7) über Signalleitungen (12, 14) verbunden ist, sowie mit einem Kennlinienfeldspeicher (19) in Verbindung steht, in dem experimentell ermittelte mögliche Betriebszustände mit den zugehörigen Luftmengen abgelegt sind, und über eine Steuerleitung (15) mit dem regelbaren Gebläse (3) verbunden ist.
  2. 2. Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Leistungsmesser durch einen Strommesser (8) gebildet ist, wobei der Druck in der Brennstoffzelle (1) konstant gehalten ist.
  3. 3. Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelung (2) Einstellschalter (16) zur Grobeinstellung des Heizwertes des Brenngases aufweist.
  4. 4. Brennstoffeellenanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelung (2) mit einem weiteren Kennlinienfeldspeicher (17) verbunden ist, in dem experimentell bestimmte, den Heizwert des Brenngases in Abhängigkeit von der Abgastemperatur beim Start der Brennstoffeelle (1) vor dem Beginn der Stromerzeugung darstellende Kennlinien abgelegt sind.
  5. 5. Brennstoffeellenanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in der Gasleitung (6) ein Gassensor (9) angeordnet ist, der über eine Signalleitung (12) mit der Regelung (2) verbunden ist. HIEZU 4 BLATT ZEICHNUNGEN 4
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