DE10140602A1

DE10140602A1 - Verfahren zum Druckaufbau in einer Brennstoffzellenanlage

Info

Publication number: DE10140602A1
Application number: DE10140602A
Authority: DE
Inventors: Joachim Blum; Christoph Fickinger
Original assignee: Ballard Power Systems AG; Siemens VDO Electric Drives Inc
Current assignee: Mercedes Benz Fuel Cell GmbH
Priority date: 2001-08-18
Filing date: 2001-08-18
Publication date: 2003-03-20
Also published as: WO2003017404A3; WO2003017404A2

Abstract

Ein Verfahren dient zum Druckaufbau in einer Brennstoffzellenanlage nach dem Abschluß einer Kaltstartphase derselben. Die Brennstoffzellenanlage besteht zumindest aus einer Brennstoffzelle (1) und einem Gaserzeugungssystem (2) zum Erzeugen eines wasserstoffhaltigen Gases zum Betreiben der Brennstoffzelle (1) aus wenigstens einem kohlenstoff- und wasserstoffhaltigen Ausgangsstoff, insbesondere ein Kohlenwasserstoffderivat, und Wasser. Zwischen der Brennstoffzelle (1) und dem in Strömungsrichtung des wasserstoffhaltigen Gases davor angeordneten Systemvolumen (V) des Gaserzeugungssystems (2) wird ein druckaufbauendes Bauteil (4) eingesetzt. Nach dem Abschluß der Kaltstartphase wird eine größere Menge an Ausgangsstoff und Wasser in das Systemvolumen (V) dosiert, als der Menge äquivalent wäre, die zum Bereitstellen der momentan von der Brennstoffzelle (1) geforderten elektrischen Leistung notwendig ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Druckaufbau in einer Brennstoffzellenanlage mit einem Gaserzeugungssystem nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.

Es ist allgemein bekannt, daß bei Brennstoffzellenanlagen mit einem Gaserzeugungssystem in der Startphase, also bevor das gesamte System auf Betriebstemperatur ist, spezielle Betriebsbedingungen gelten. So wird beispielsweise in der Startphase sehr häufig bei einem weitaus geringeren Systemdruck gearbeitet als in den Standardbetriebsbedingungen der Brennstoffzellenanlage. Um den Druckaufbau, welcher dadurch erforderlich wird, in dem System nun in zuverlässigen und geeigneten Verfahren durchzuführen, muß häufig in Kauf genommen werden, daß die Brennstoffzelle zumindest zwischenzeitlich nicht mit einer ausreichenden Menge an wasserstoffhaltigem Gas zum Erzeugen der geforderten Leistung der Brennstoffzelle, welche sich beispielsweise beim Einsatz in einem Kraftfahrzeug aus der Fahrpedalanforderung ergibt, versorgt wird. Die fehlende elektrische Leistung kann dann beispielsweise aus einem Zwischenspeicher, wie einer Batterie oder dergleichen, zugeführt werden.

Es ist nun Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Druckaufbau in einer Brennstoffzellenanlage mit einem Gaserzeugungssystem zu schaffen, welches in der Lage ist, den Druckaufbau möglichst schnell und einfach zu realisieren, wobei immer der erforderliche Reformatstrom, zur gewünschten Leistungsabgabe der Brennstoffzelle, zwischen Gaserzeugungssystem und Brennstoffzelle gewährleistet sein soll.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst.

Dadurch, daß die Menge an Ausgangsstoff und Wasser, welche in das Systemvolumen des Gaserzeugungsssytems dosiert wird, entsprechend erhöht wird, läßt sich sicherstellen, daß die Brennstoffzelle den von ihr geforderten Volumenstrom an wasserstoffhaltigem Gas erhält, und daß gleichzeitig eine ausreichende Menge an wasserstoffhaltigem Gas produziert wird, um einen Druckaufbau in dem Systemvolumen des Gaserzeugungssystems zu gewährleisten.

Dabei wird der Volumenstrom von dem Gaserzeugungssystem zu der Brennstoffzelle während des ganzen Prozesses auf einem Niveau entsprechend der Leistungsanforderung, welche an die Brennstoffzelle gestellt wird, gehalten. Beispielsweise wird der Volumenstrom konstant gehalten, wenn die Brennstoffzelle eine konstante Leistungsanforderung erfährt.

Im Bereich vor dem Systemvolumen des Gaserzeugungssystems wird die Menge an in das Systemvolumen dosierten Ausgangsstoffen und Wasser, beispielsweise ein Premix aus Wasser und Methanol oder dergleichen, erhöht. In dem Gaserzeugungssystem wird dementsprechend eine größere Menge an Edukten, insbesondere wasserstoffhaltigem Gas und CO₂ erzeugt. Da die Durchflußmenge zwischen dem Gaserzeugungssystem und der Brennstoffzelle gemäß dem oben genannten Beispiel konstant bleiben soll, bedeutet dies, daß durch die Erhöhung der dosierten Menge an Ausgangsstoffen und Wasser ein Volumenüberschuß dieser Stoffe in dem Gaserzeugungssystem anfällt. Der Druck in dem Systemvolumen des Gaserzeugungssystems wird sich also erhöhen.

In einer besonders günstigen Ausgestaltung der Erfindung werden Durchflußmenge und Druckniveau vor und/oder nach dem Systemvolumen des Gaserzeugungssytems erfaßt, wobei die Menge an dosierten Ausgangsstoffen und Wasser in Abhängigkeit dieser erfaßten Werte und der von der Brennstoffzelle geförderten elektrischen Leistung geregelt wird. Somit läßt sich eine ideale Anpassung sicherstellen.

In einer sehr günstigen Weiterbildung dieser Idee erfolgt die Regelung so, daß die Erhöhung der dosierten Menge an Ausgangsstoffen, welche als Druckniveau und Durchflußmenge vor dem Systemvolumen erfaßt wird, einen kontinuierlichen Druckanstieg bis auf den unter Standardbetriebsbedingungen vorgegebenen Systemdruck ermöglicht.

Sobald dieser unter Standardbedingungen vorgegebene Systemdruck erreicht ist, dieser kann gemäß einer besonders günstigen Weiterbildung der Erfindung beispielsweise durch ein Druckhalteventil als druckaufbauendes Bauteil vorgegeben werden, wird die Dosierung wieder der Menge angepaßt, welche für die momentan geförderte elektrische Leistung der Brennstoffzelle notwendig ist, das gesamte System arbeitet auf dem neuen Druckniveau.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den restlichen Unteransprüchen und dem anhand der Zeichnung nachfolgend dargestellten Ausführungsbeispiel.
Es zeigt:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Brennstoffzelle und eines Systemvolumens eines Gaserzeugungssystems; und
Fig. 2 ein Diagramm eines beispielhaften Verlaufs von Druckniveau und Durchflußmenge über der Zeit.
Fig. 1 zeigt eine sehr stark schematisierte Darstellung einer Brennstoffzelle 1 bzw. des Anodenraums der Brennstoffzelle 1. Des weiteren ist ein Systemvolumen V zu erkennen, welches hier das Systemvolumen V aller Komponenten und Leitungselemente eines nicht explizit dargestellten Gaserzeugungssystems 2 sein soll.
Derartige Gaserzeugungssysteme 2, welche aus flüssigen Ausgangsstoffen, welche Kohlenstoff und Wasserstoff enthalten, beispielsweise Alkohole oder dergleichen, und Wasser ein wasserstoffhaltiges Gas erzeugen, sind dabei aus dem Stand der Technik allgemein bekannt. Auf ihren Aufbau soll daher nicht näher eingegangen werden.
Über eine Dosierleitung 3 wird das Gaserzeugungssystem 2 mit dem Ausgangsstoff und Wasser, entweder als Premix oder getrennt, versorgt, wobei das Druckniveau p₁ und die Durchflußmenge Q₁ erfaßt werden. Zur Erfassung können dabei entsprechende geeignete Sensoren in den Bereich der Dosierleitung 3 integriert werden oder es kann über entsprechende Betriebsparameter der Dosiereinrichtungen, beispielsweise von nicht dargestellten Dosierpumpen oder dergleichen, Druck und Durchflußmenge erfaßt werden.
Nachdem der Ausgangsstoff und das Wasser in das Systemvolumen V des Gaserzeugungssystems 2 dosiert worden sind, wird auf an sich bekannter Weise ein überwiegend Wasserstoff- und CO₂-haltiges Gas erzeugt. Nach dem Durchströmen des Systemvolumens V wird erneut das Druckniveau p₂ und die Durchflußmenge Q₂ erfaßt, bevor das wasserstoffhaltige Eduktgas in die Brennstoffzelle 1 gelangt.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist es auch möglich, Druck und Durchflußmenge nur vor oder nach dem Systemvolumen V des Gaserzeugungssystems 2 zu erfassen.
Um während des gesamten bestimmungsgemäßen Betriebs den Druckaufbau in dem Systemvolumen 1 aufrecht zu erhalten, ist im Bereich zwischen dem Systemvolumen V des Gaserzeugungssystems 2 und der Brennstoffzelle 1 ein druckaufbauendes Bauteil, beispielsweise ein Druckhalteventil 4, angeordnet.
Anhand des Diagramms in Fig. 2 läßt sich nun der Ablauf des Verfahrens näher erläutern. Dabei ist die Darstellung so gewählt, daß über der Zeit t Druck p und Durchflußmenge Q aufgetragen sind. Die Zeitachse teilt sich in drei Abschnitte a, b, c auf. Der Abschnitt a symbolisiert den Kaltstart, bei welchem das Druckniveau p_a vergleichsweise klein ist. Deckungsgleich mit dem Druckniveau p_a sind hier die beiden Durchflußmengen Q_1a und Q_2a dargestellt. Für das hier dargestellte Beispiel soll angenommen werden, daß die Durchflußmenge Q₂, welche in die Brennstoffzelle 1 dosiert wird, und welche im real ausgeführten Fall sicherlich von der entsprechenden elektrischen Leistungsanforderung an die Brennstoffzelle abhängen wird, konstant bleibt. Für das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 wird also eine konstante Leistungsanforderung an die Brennstoffzelle 1 zugrunde gelegt, um die verfahrensgemäßen Schritte leichter erkennen zu können.
Da der Zusammenhang zwischen den Drücken p₁ und p₂ lediglich durch die Druckverluste in den Systemkomponenten des Gaserzeugungssystems 2 bestimmt wird, wird für das hier vorliegende Beispiel gemäß Fig. 2 lediglich die Bezeichnung p für den Druck verwendet, sie kann dabei sowohl den Druck p₁ als auch den Druck p₂ darstellen, deren Differenz ohnehin durch die in dem Systemvolumen V angeordneten Komponenten des Gaserzeugungssytems 2, gegebenenfalls als Funktion von Temperatur und Druchflußmenge abhängt und durch das Verfahren nicht verändert wird.
Nach Abschluß des Zeitabschnitts a, also wenn der Kaltstart abgeschlossen ist und das System sich soweit auf Temperatur befindet, daß der bestimmungsgemäße Betrieb problemlos möglich ist, beginnt das Verfahren zum Druckaufbau in der Brennstoffzellenanlage. Dazu wird die dosierte Menge an Ausgangsstoffen und Wasser erhöht, so daß sich im Bereich, in welchem die Durchflußmenge Q₁ erfaßt wird, die neue Durchflußmenge Q_1b einstellen wird, deren Niveau deutlich über dem der Durchflußmenge Q_1a liegt. Da für die Brennstoffzelle 1 weiterhin, wie bereits eingangs erwähnt, die Durchflußmenge Q_2b vonnöten ist, um die gewünschte elektrische Leistung bereitzustellen, wird sich aufgrund der erhöhten Durchflußmenge Q_1b ein Druckaufbau in dem Systemvolumen V ergeben. Der ansteigende Druck, hier durch die Funktion p_b dargestellt, wird dabei von den beiden Druchflußmengen Q_2b, Q_2a, dem Systemvolumen V sowie der Zeit t abhängen.
Nach Abschluß des Zeitabschnitts b wird sich dann der Druck p_c eingestellt haben, welcher dem während des bestimmungsgemäßen Betriebs vorgesehenen Systemdruck entspricht. Die Durchflußmenge Q_1c wird dabei wieder auf das Niveau abgesenkt, welches zur Bereitstellung der geforderten elektrischen Leistung für die Brennstoffzelle 1 erforderlich ist, die Durchflußmenge Q_1c wird also gleich der Durchflußmenge Q_2c sein.
Das Verfahren zum Druckaufbau ist prinzipiell mit dem Erreichen des letzten Punktes des Zeitabschnitts b abgeschlossen, im Zeitabschnitt c findet der bestimmungsgemäße Betrieb beim Systemdruck p_c statt.

Claims

1. Verfahren zum Druckaufbau in einer Brennstoffzellenanlage mit einem Gaserzeugungssystem zum Erzeugen eines wasserstoffhaltigen Gases zum Betreiben einer Brennstoffzelle in der Brennstoffzellenanlage aus wenigstens einem kohlenstoff- und wasserstoffhaltigen Ausgangsstoff, insbesondere einem Kohlenwasserstoffderivat, und Wasser nach dem Abschluß einer Kaltstartphase der Brennstoffzellenanlage, wobei zwischen der Brennstoffzelle und dem in Strömungsrichtung des wasserstoffhaltigen Gases davor angeordneten Systemvolumen ein druckaufbauendes Bauteil eingesetzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß eine größere Menge (Q_1b) an Ausgangsstoff und Wasser in das Systemvolumen (V) dosiert wird, als der Menge (Q_2b) äquivalent wäre, die zum Bereitstellen der momentan von der Brennstoffzelle (1) geforderten elektrischen Leistung notwendig wäre.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Durchflußmenge (Q) und Druckniveau (p) vor und/oder nach dem Systemvolumen (V) erfaßt werden, wobei die Menge (Q) an dosiertem Ausgangsstoff und Wasser in Abhängigkeit dieser erfaßten Werte und der von der Brennstoffzelle (1) geforderten Leistung geregelt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelung so erfolgt, daß über die Erhöhung der dosierten Menge (Q_1b) ein kontinuierlicher Druckanstieg (p_b) bis auf den unter Standardbetriebsbedingungen durch das druckaufbauende Bauteil (4) vorgegebenen Systemdruck (p_c) in dem Systemvolumen (V) erreicht wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Erhöhung der dosierten Menge (Q_1b) als Druckniveau (p₁) und Durchflußmenge (Q₁) vor dem Systemvolumen (V) erfaßt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß als druckaufbauendes Bauteil ein Druckhalteventil (4) eingesetzt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß Druckniveau (p) und Durchflußmenge (Q) zumindest teilweise über Sensoren erfaßt werden.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß Druckniveau (p) und Durchflußmenge (Q) zumindest teilweise über die Betriebsparameter von Dosiereinrichtungen für Ausgangsstoff und Wasser erfaßt werden.

8. Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7 in der Brennstoffzellenanlage, wobei diese zur Energieversorgung eines Kraftfahrzeugs eingesetzt wird.