Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Regelung der Reaktionstemperatur einer Brennstoffzelle gemäss dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Bei vielen Brennstoffzellen muss die Reaktionstemperatur konstant gehalten werden, um thermische Spannungen in einem Brennstoffzellenstapel zu vermeiden. Bei einigen Brennstoffzellentypen 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 Ab hängigkeit 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 Fig. 1 und 2 zwei verschiedene Ausführungsformen von Einrichtungen zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens.
Bei der Ausführungsform nach der Fig. 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, sodass 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 Fig. 2 zeigt eine Einrichtung zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens, die im Wesentlichen jener nach der Fig. 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 Fig. 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 Fig. 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 Aggregatzustand ändert.
The invention relates to a method for regulating the reaction temperature of a fuel cell according to the preamble of claim 1.
With many fuel cells, the reaction temperature must be kept constant in order to avoid thermal stresses in a fuel cell stack. In some fuel cell types, this is achieved by varying the excess air. If, for example, the generation of electricity is increased, the reaction temperature would normally decrease, or increase if the excess air is reduced. On the other hand, if the generation of electricity is reduced and / or the load is increased, the reaction temperature would rise without compensatory measures. In such a case, the excess air is therefore increased, whereby the reaction temperature can be kept constant.
Depending on the type of fuel cell, the exhaust gas temperature after leaving the system is so high that the thermal energy bound in the exhaust gas can still be used. However, the possibly high excess of air means that condensation heat can only be used to a relatively small extent. In general, the excess of air reduces the efficiency of the heat used in the exhaust gas of a fuel cell.
The aim of the invention is to avoid these disadvantages of the previous method for regulating the reaction temperature of the fuel cell by varying the excess air and to provide a method of the type mentioned at the outset which also enables the exhaust gas heat of the fuel cells to be used to a very high degree.
According to the invention, this is achieved in a method of the type mentioned at the outset by the characterizing features of claim 1.
The proposed measures also make it possible to control or keep the reaction temperature of the fuel cells constant. Since the excess air can be adjusted according to the requirements and the exhaust gas has a correspondingly high moisture content, especially when water is fed to the reformer of the fuel cell, condensation of the exhaust gas begins very early, which favors the heat transfer between the exhaust gas and a condensation heat exchanger becomes. As a result, the heat exchanger area can be kept correspondingly small, and there is a high degree of efficiency in using the heat of the exhaust gas.
In the ideal case, all of the energy required for the additional evaporation of the water vapor can be recovered in the condensation heat exchanger, which would not be possible if the air ratio was increased and some of the energy would not be able to escape in a recoverable manner. In the proposed method, the reaction temperature can be kept constant in an energetically more sensible manner than in the known methods.
The features of claim 2 make it possible in a simple manner to provide a specific reaction temperature and to control the supply of water to the reformer of the fuel cell as a function thereof.
The features of claim 3 allow a very variable use of the fuel cell, the control of the supply of water vapor is expediently carried out as a function of a characteristic field in which various fuel cell loads are stored as a function of the electrical power. It is possible to control or keep the reaction temperature constant even if the load on the fuel cells and their electrical output are varied.
The features of claim 4 make it possible in a simple manner to take into account any changes in the quality of the fuel gas.
The invention will now be explained in more detail with reference to the drawing. 1 and 2 show two different embodiments of devices for carrying out the method according to the invention.
In the embodiment according to FIG. 1, an intake pipe 5 is provided for supplying air to a fuel cell 1, in which a blower 3 is arranged. Furthermore, a water pipe 18, in which a controllable water valve 17 is arranged, and a fuel gas line 6, in which a controllable gas valve 4 is arranged, are provided. The water pipe 18 and the fuel gas line 6 open into a reformer 16 in which hydrogen gas is generated.
This reformer 16 is connected to the fuel cell 1 via a connecting line 22. This is provided with an exhaust pipe 10, via which hot exhaust gas can flow out of the fuel cell 1. The heat of the exhaust gas can be obtained in a downstream heat exchanger, preferably a condensation heat exchanger.
The electrical energy generated in the fuel cell is dissipated via the electrical line 11.
Depending on the operating state of the fuel cell 1, more or less water is fed to the reformer 16, but at least so much that the reforming process can take place in the reformer 16 so that the reaction temperature in the fuel cell 1 can be kept at a certain value. In most cases, the reaction temperature is kept constant, but in various cases a change in the reaction temperature by a certain amount can also be sought and achieved by correspondingly regulating the water supply by means of the water valve 17, without the air supply to the fuel cell 1 therefore having to be changed ,
FIG. 2 shows a device for carrying out the method according to the invention, which essentially corresponds to that according to FIG. 1, but which is provided with an automatic control. On the one hand, the temperature of the fuel cell 1 or a stack of fuel cells can be measured by means of a temperature measuring device 19 and this information can be supplied to a controller 2 via an input line 20, which controls the water valve 17 via an actuating line 21.
It is thus possible in a very simple manner to keep the temperature of the fuel cell 1 constant by appropriately adjusting the water valve 17.
The device according to FIG. 2 is further provided with a volume flow measuring device 9 which detects the volume flow of the fuel gas flowing into the reformer 16 and is connected via an input line 12 to an input of the controller 2.
A current meter 8 is also provided, which is arranged in the electrical line 11 and measures the electrical current generated by the fuel cell 1. This ammeter 8 is connected via an input line 13 to a further input of the controller 2.
In addition, a temperature sensor 7 is provided, which detects the temperature of the exhaust gas flowing out of the fuel cell 1 and is connected via an input line 14 to a further input of the controller 2.
With the device according to FIG. 2, it is also possible to regulate the water valve 4 as a function of the volume flow of the fuel gas flowing into the reformer 16. If the calorific value of the fuel gas is known, the load on the fuel cell 1 is also known due to the volume flow flowing into the reformer 16.
The electrical current derived from the fuel cell 1, which is detected by the ammeter 8, corresponds, like the electrical voltage, to a constantly monotonous function of the electrical power generated in the fuel cell 1.
The regulator 2 knows the electrical power produced indirectly by knowing the electrical current, which is detected by the ammeter 8 and communicated to the regulator 2 via the input line 13. The controller 2 can therefore calculate the water mass flow required for a specific reaction temperature of the fuel cell 1 or take it from a characteristic field and control the water valve 17 accordingly via the control line 21 and thus determine the inert water flow. All possible operating states with the corresponding water flow rates are stored in the characteristic field.
With a constant fuel gas volume and generated electric current, the exhaust gas temperature of the fuel cell 1 changes when the composition of the fuel gas changes, which temperature temperature is detected by the temperature sensor 7 and communicated to the controller 2 via the input line 14. In this way, the controller 2 can control the water valve 17 via information stored in a characteristic field via the control line 21 and can keep the reaction temperature of the fuel cell 1 constant.
Inert water means that it does not take part in chemical reactions, at most it changes the state of matter.