CN111052472B - 用于运行燃料电池装置的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于运行燃料电池装置（10）的方法，其中根据所使用的燃料的质量特征参量来运行所述燃料电池装置（10）。在此提出，由对于所使用的燃料的成分的部分分析来确定所述质量特征参量。本发明也涉及一种用这样的方法来运行的燃料电池装置（10）。

Description

用于运行燃料电池装置的方法
技术领域
本发明涉及一种用于运行燃料电池装置的方法，其中根据所使用的燃料的质量特征参量来运行所述燃料电池装置。
背景技术
DE 10 2013 221 618 A公开了一种用于运行燃料电池装置的方法，所述燃料电池装置具有至少一个燃料电池单元，其中根据所使用的天然气的所检测到的质量特征参量来运行重整器单元和/或所述燃料电池单元。
发明内容
相对于此，本发明具有如下优点，即：从对于所使用的燃料的成分的部分分析中确定所述质量特征参量。由此能够实现对于所述燃料电池装置的有效调节，而没有对所使用的燃料进行全面分析。
通过在从属权利要求中所列出的特征，能够实现本发明的根据独立权利要求所述的有利的改进方案。因此优选的是，所述燃料电池装置具有至少一个重整器单元和/或至少一个燃料电池单元，其中根据所使用的燃料的质量特征参量来运行所述至少一个重整器单元和/或所述至少一个燃料电池单元，由此能够有针对性地进行所述调节。
所述质量特征参量优选相应于所使用的燃料的、每个分子的潜在能释放的电子的数量、尤其是相应于电子配置，由此能够为调节所述燃料电池装置而提供有说服力的质量特征参量。
为了调节所述燃料电池装置而以有利的方式预设额定值，其中第一额定值相应于氧与碳之间的比例，第二额定值相应于燃料利用率，和/或第三额定值相应于电流值，由此能够实现特别精确且有效的调节。
在一种有利的实施方式中，所述燃料电池装置具有废气再循环系统，其中根据所述质量特征参量并且尤其根据第一、第二和/或第三额定值来调节所述废气再循环率，由此能够针对性地为了有效的调节而设定所使用的燃料和再循环的废气的混合。
在另一种有利的实施方式中，所述燃料电池装置具有供水机构，其中根据所述质量特征参量并且尤其根据第一、第二和/或第三额定值来调节供水率，由此能够有针对性地为了有效的调节而设定所使用的燃料和所供给的水、尤其水蒸气的混合。
本发明也涉及一种燃料电池装置，该燃料电池装置用根据前述说明所述的方法来运行。
附图说明
在附图中示意性地示出了本发明的实施例并且在下面的说明中对其进行详细解释。其中：
图1示出了燃料电池装置的一种实施例的示意图，
图2示出了燃料电池装置的另一种实施例的示意图。
具体实施方式
在图1中示出了燃料电池装置10的一种实施例的示意图。所述燃料电池装置10具有燃料电池单元12。所述燃料电池单元12在所示出的实施例中具有用于提供电能的燃料电池14。但是作为替代方案也能够考虑，所述燃料电池单元12具有多个燃料电池14，这些燃料电池例如形成燃料电池堆。同样也能够考虑，所述燃料电池单元12具有多个燃料电池堆。
在所示出的情况中，所述燃料电池是固体氧化物燃料电池（英语：Solid OxidFuel Cell, SOFC）。然而，作为替代方案也能够考虑使用其他电池技术、像例如聚合物电解质燃料电池（英语：Polymer Electrolyte Fuel Cell, PEFC）、熔融碳酸盐燃料电池（英语：Molten Carbonate Fuel Cell, MCFC）和/或磷酸燃料电池（英语：Phosphoric Acid FuelCell, PAFC）。
所述燃料电池包括阳极16和阴极18。在所述阳极16和所述阴极18之间布置有电解质20。所述阳极16通过电解质20与所述阴极18分开。
氧化剂、尤其是空气或氧气能够通过输入管路22供给至所述燃料电池单元12的阴极18。所述氧化剂通过阀24被导入并且借助于压缩机26被压缩。
为了提供电能或产生电压28，此外有必要的是，在阳极16上给燃料电池单元12供给含燃料的合成气体、在所示出的情况下是含氢的合成气体。为了产生含燃料的合成气体，在所述燃料电池单元12的前面布置有重整器单元30。所述重整器单元30通过流体连接32与燃料电池单元12或者与燃料电池14的阳极16相连接。为此，所述流体连接32包括管道34。
为了产生含可燃气体的合成气体，将由天然气和另外的反应物、尤其是氧气和/或水蒸气构成的混合物供给至重整器单元30，所述混合物通过重整、在这里通过蒸汽重整被转化成含可燃气体的合成气体。天然气通过压缩机36来压缩并且经由阀37被供给至燃料电池装置10。在所述压缩机36的下游，将水、特别是水蒸气形式的水作为另一反应物混合到天然气中。
在图1所示出的实施例中，所述燃料电池装置具有废气再循环系统38，通过该废气再循环系统38将水作为另一反应物混合到天然气中。因此，所述废气再循环系统38被设置用于使废气、在所示出的情况中是阳极废气至少部分地再循环，以用于与天然气和另一反应物、在所示出的情况中是水或水蒸汽混合。因此所述废气再循环系统38是阳极废气再循环系统。为此，所述废气再循环系统38具有压缩机40，该压缩机被设置用于使废气再循环至重整器单元30。由此，能够将来自所述燃料电池单元12中的反应过程的水蒸气用于重整天然气。在重整期间，长链烷烃被完全重整。相比之下，甲烷部分地在重整器单元30中被重整并且部分地在燃料电池单元12中被重整。此外，能够使未使用的合成气体再循环至燃料电池中，这提高了所述燃料电池装置10的燃料利用率。
天然气的各种烷烃与水蒸汽一起被导入到重整器单元30中并且在那里被重整。用于重整的通用的反应方程式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE002
，
从该公式中可知，由烷烃和水蒸汽构成的混合物被转化成含一氧化碳且含氢气的合成气体。天然气的其他可能的成分、例如特别是氮气、氧气和/或二氧化碳能够在不发生反应的情况下通过所述重整器单元30。
此外，所述燃料电池装置具有补燃器42，所述补燃器额外地使燃料电池单元12的废气燃烧。在此，从所述燃料电池单元12的阳极废气中残留的燃料、通常是氢气和一氧化碳以及必要时残留的烷烃与处于阴极废气中的氧气反应。热的燃烧废气从燃烧器42中排出，所述热的燃烧废气例如能够用于对建筑物中的用水和/或热水进行加热。
根据天然气的组成，为了优化的重整而需要不同量的水蒸汽。同样，合成气体中的浓度取决于所使用的天然气的组成。因此，有利的是，检测所使用的燃料或所使用的天然气的质量，由此能够实现对于所述燃料电池装置的有效调节。
相应地，所述燃料电池装置10具有分析单元44，该分析单元被设置用于在运行状态中检测天然气的质量特征参量。如在所提及的现有技术中所解释的那样，这种质量特征参量能够通过燃烧值确定或者对于所使用的燃料的所有成分的耗费的分析来进行，以便能够实现对于所述燃料电池装置10的尽可能精确的调节。
相对于此，用于运行燃料电池装置10的本方法现在具有以下优点，即：仅仅由对于所使用的燃料的成分的部分分析来确定所述质量特征参量，由此不再需要对所使用的燃料或所使用的天然气的所有成分进行全面分析。
因此，根据所使用的燃料或所使用的天然气的质量特征参量来运行所述重整器单元30和所述燃料电池单元12。
在此，所述质量特征参量相应于所使用的燃料的、每个分子的潜在能释放的电子的数目，其在下面被称为电子配置Ke-。
在此假设，天然气由4种电化学活性的主要种属所组成，这里由烷烃甲烷（CH4）、乙烷（C2H6）、丙烷（C3H8）、丁烷（C4H10）所组成。但是作为替代方案，也能够采用其他数目的主要种属。
在运行本燃料电池装置10时，为了确定电子配置而仅仅考虑到燃料中的电化学活性的物质。而后在本发明的范围内，在将天然气用作燃料的情况下，能够将所述电子配置Ke-描述如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE004
，
其中xCnH2n +2 （n＝1、2、3、4、…）表示电化学活性的烷烃的物质量。
因此，根据本发明，为了作为质量特征参量来确定电子配置而仅仅对燃料或者天然气执行部分分析，方法是：通过所述分析单元44仅仅对电化学活性的物质的、与在所述燃料中存在的物质的总数目不相应的特定数目的物质量执行分析。相应地，为了确定电子配置Ke-，不是检测所使用的燃料的所有成分，由此能够实现所述燃料电池装置10的简化的运行。
在所示出的实施例中，为了检测所述燃料的所提到的物质量而使用气相色谱仪，所述气相色谱仪被设置用于关于所提到的物质来分析燃料或天然气。然后将检测到的值传送给调节单元46，然后借助于该调节单元作为质量特征参量来确定电子配置Ke-。但是作为替代方案，也可能的是，借助于所述分析单元44来确定所述电子配置Ke-，随后将所述电子配置Ke-作为值传送给调节单元46。
为了调节所述燃料电池装置10而给所述调节单元46预设额定值，其中第一额定值相应于氧与碳之间的比例φ，第二额定值相应于燃料利用率Uf,S，并且第三额定值相应于电流值I。在此，电流值I相应于通过燃料电池单元12产生的电流并且因此也能够被理解为燃料电池单元12的电流值I。通过对于所提到的额定值φ、Uf,S和I的预设，能够对所述燃料电池装置10进行有针对性的并且因此也有效的调节，其中不必通过测量技术检测所述值。
最后，在所确定的电子配置Ke-和所预设的额定值φ、Uf,S和I的基础上，借助于所述调节单元46来调节所述燃料电池装置内部的体积流量。
在图1中所示出的实施例中，所述废气再循环率rA取决于质量特征参量或电子配置Ke-和第一、第二和第三额定值。在此，所述废气再循环率rA相应于借助于所述废气再循环系统38再循环的阳极废气的百分比份额。
为了调节所述废气再循环系统38中的流量，所述废气再循环率rA在所述调节单元46中通过以下公式来确定：
Figure DEST_PATH_IMAGE006
，
其中
Figure DEST_PATH_IMAGE008
能够被理解为天然气系数并且代表着函数，该函数在准备阶段中由根据经验所测得的天然气数据的回归来确定并且仅仅取决于所述电子配置Ke-和氧-碳-比例φ。因此，能够仅仅根据所确定的电子配置Ke-和所预设的额定值φ、Uf,S和I来确定所述废气再循环率rA，由此能够实现对于所述燃料电池装置10的简化的调节。
相应地，所述废气再循环系统38的压缩机40通过其转速来如此调节，从而出现所述废气再循环率rA。因此，这也能够被理解为，仅仅根据所确定的电子配置Ke-和所预设的额定值φ、Uf,S和I来确定并且相应地调节所述废气再循环系统38中的体积流量
Figure DEST_PATH_IMAGE010
。所述体积流量/>
Figure 60879DEST_PATH_IMAGE010
与所提到的参量Ke-、φ、Uf,S和I的函数关系在此可以描述如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE012
；
作为替代方案，也能够在所述燃料电池装置10的其它位置处、尤其在所述燃料电池装置10的阳极侧的导流部的位置处仅仅根据所确定的电子配置Ke-和所预设的额定值φ、Uf,S和I来确定并且相应地调节体积流。在此，存在着像用于所述废气再循环系统38中的体积流
Figure DEST_PATH_IMAGE014
那样的函数关系。
能够在所述燃料电池装置10的可能的位置上进行这样的调节，所述可能的位置例如是以下位置：在所述废气再循环系统38的汇入口的上游；在所述废气再循环系统38的汇入口的下游并且在所述重整器单元30的上游；在所述重整器单元30的下游并且在所述燃料电池单元12的上游；在所述燃料电池单元12的下游并且在所述废气再循环系统38的分支的上游；在所述废气再循环系统38的分支的下游并且在所述补燃器42的上游。也能够考虑，在所述燃料电池装置10的这些位置中的多个位置上同时调节体积流量。
在所示出的实施例中，除了调节所述燃料电池装置10的体积流量
Figure DEST_PATH_IMAGE016
之外，也用相同的函数关系来调节天然气体积流量。
在额外地确定所使用的燃料或天然气的密度或摩尔质量MNG时，也可以类似于体积流量来确定并且相应地调节质量流量。在此，例如所述废气再循环系统38中的质量流量
Figure DEST_PATH_IMAGE018
与所提到的参量Ke-、φ、Uf,S、I和MNG之间的函数关系能够描述如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE020
；
类似于体积流量，也能够相应地在所述燃料电池装置10的其他位置处、首先在所述燃料电池装置10的阳极侧的导流部的位置处仅仅根据所确定的电子配置Ke-、所确定的摩尔质量MNG和所预设的额定值φ、Uf,S和I来确定并且相应地调节所述质量流量。在此，以类似的方式存在像用于所述废气再循环系统38中的质量流量
Figure DEST_PATH_IMAGE022
那样的函数关系。
在图2中示出了燃料电池装置10的另一种实施例的示意图。与在图1中示出的实施例不同，图2中的燃料电池装置10具有供水机构48或供水管路49来代替废气再循环系统38，其中根据质量特征参量Ke-或者电子配置Ke-和第一、第二和第三额定值φ、Uf,S和I来调节供水率rW。在这里，也仅仅根据所提到的参量来进行调节，由此简化对于所述燃料电池装置10的调节。
相应地，所述供水机构48的压缩机50或者泵通过其转速来如此调节，从而出现所述供水率rW。相应地，这也能够被理解为，仅仅根据所确定的电子配置Ke-和所预设的额定值φ、Uf,S和I来确定并且相应地调节所述供水机构48中的体积流量
Figure DEST_PATH_IMAGE024
。所述体积流量和质量流量与所提到的参量Ke-、φ、Uf,S和I的函数关系能够以类似用于图2的实施例的方式来描述，如其已经为图1的实施例所描述的那样。

Claims (9)

1.用于运行燃料电池装置(10)的方法，其中根据所使用的燃料的质量特征参量来运行所述燃料电池装置(10)，其特征在于，由对于所使用的燃料的成分的部分分析来确定所述质量特征参量，其中，所述质量特征参量相应于所使用的燃料的、每个分子的潜在能释放的电子的数目。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述燃料电池装置(10)具有至少一个重整器单元(30)和/或至少一个燃料电池单元(12)，其中根据所使用的燃料的质量特征参量运行所述至少一个重整器单元(30)和/或所述至少一个燃料电池单元(12)。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，为了调节所述燃料电池装置(10)而预设额定值，其中第一额定值相应于氧和碳之间的比例(φ)，第二额定值相应于燃料利用率(Uf,S)和/或第三额定值相应于电流值(I)。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述燃料电池装置(10)具有废气再循环系统(38)，其中根据所述质量特征参量(Ke-)来调节废气再循环率(rA)。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述燃料电池装置(10)具有供水机构(48)，其中根据所述质量特征参量(Ke-)来调节供水率(rW)。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述质量特征参量相应于电子配置(Ke-)。
7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，根据第一、第二和/或第三额定值(φ、Uf,S、I)来调节所述废气再循环率(rA)。
8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，根据第一、第二和/或第三额定值(φ、Uf,S、I)来调节所述供水率(rW)。
9.燃料电池装置(10)，该燃料电池装置用根据前述权利要求中任一项所述的方法来运行。
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