DE102007039592B4

DE102007039592B4 - Vorrichtung und Verfahren zur Bereitstellung zumindest eines Prozessgases

Info

Publication number: DE102007039592B4
Application number: DE102007039592.4A
Authority: DE
Inventors: Richard Schauperl; Jürgen Rechberger; Dr. Prenninger Peter
Original assignee: AVL List GmbH
Current assignee: AVL List GmbH
Priority date: 2006-10-09
Filing date: 2007-08-22
Publication date: 2016-04-07
Anticipated expiration: 2027-08-23
Also published as: DE102007039592A1; AT502132A3; AT502132B1; AT502132A2; US20080083456A1

Abstract

Verfahren zur Bereitstellung zumindest eines Prozessgases, bei welchem die Temperatur und der Massefluss unabhängig voneinander einstellbar sind, welches in einem Prüfstand einer Brennstoffzelle oder einer Brennstoffzeilen-Komponente, wie Reformer, Katalysator, zu deren Prüfung zugeführt wird, wobei das Prozessgas mit Hilfe hochdynamisch ansteuerbarer Gasinjektoren aus zumindest zwei Teilströmen des Prozessgases mit definierten, jedoch unterschiedlichen Temperaturniveaus gemischt wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bereitstellung zumindest eines Prozessgases, bei welchem die Temperatur und der Massefluss unabhängig voneinander einstellbar sind, welches in einem Prüfstand einer Brennstoffzelle oder einer Brennstoffzellen-Komponente, wie Reformer, Katalysator, zu deren Prüfung zugeführt wird.
An Brennstoffzellenprüfständen müssen die Prozessgase hinsichtlich der thermodynamischen Kenngrößen (Druck, Temperatur, Volumenstrom, ggf. Befeuchtung) aber teilweise auch hinsichtlich der Gaszusammensetzung konditioniert werden. Dies kann beispielsweise mit Hilfe einer Gasmischstation und elektrischer Heizer realisiert werden. Konventionelle Brennstoffzellenprüfstände verwenden für die Massenstromeinstellung Mass Flow Controller, für die Temperierung Wärmetauscher und für die Befeuchtung Dampfspeicher mit Proportionalventilen, oder Direktverdampfer mit Mass Flow Controller. Die Temperierung erfolgt dabei über Messung der Temperatur und z. B. geregelte elektrische Beheizung. Mit diesen Prüfständen können Massenstromänderungen im 1 s-Bereich durchgeführt werden, Temperaturänderungen im 10 s-Bereich und Befeuchtungsänderungen im 1 s Bereich. Die Gasströme für Anode und Kathode werden dabei – beispielsweise für Niedrigtemperatur-Brennstoffzellen (z. B. PEMFC) – bis zu Temperaturen von ca. 150°C vorgewärmt, bevor diese den Brennstoffzellenkomponenten (z. B. Reformer, Stack oder Einzelzelle) zugeführt werden. Entsprechend der chemischen, bzw. elektrochemischen Reaktion in den Brennstoffzellenkomponenten können die Gastemperaturen am Austritt der jeweiligen Komponente ansteigen oder aber auch absinken. Für Hochtemperatur-Brennstoffzellen (z. B. MCFC oder SOFC) werden entsprechend höhere Prozessgastemperaturen bis 950°C benötigt.
Eine Aufgabe der Erfindung ist es nun, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bereitstellung zumindest eines Prozessgases, bei welchem die Temperatur und der Massefluss unabhängig voneinander einstellbar sind, derart zu verbessern, dass sehr rasche Änderungen des Masseflusses und der Temperatur des Prozessgases realisierbar sind. Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, auch die Befeuchtung des Prozessgases unabhängig von den Parametern Temperatur und Massefluss rasch ändern zu können.
Die Aufgabe wird gelöst mit einem Verfahren nach Anspruch 1 und einer Vorrichtung nach Anspruch 9. Erfindungsgemäß wird das Prozessgas mit Hilfe hochdynamisch ansteuerbarer Gasinjektoren aus zumindest zwei Teilströmen des Prozessgases mit definierten, jedoch unterschiedlichen Temperaturniveaus gemischt.
Eine entsprechende Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass für jedes Prozessgas zumindest zwei hochdynamisch ansteuerbare Gasinjektoren vorgesehen sind, die an Zuleitungen für zwei Teilströme des Prozessgases mit definierten, jedoch unterschiedlichen Temperaturniveaus angeschlossen sind und in die Anschlussleitung für das Prozessgas einmünden. Die erfindungsgemäße Vorrichtung für einen Prüfstand stellt definierte Gasmengen verschiedenster Spezies auf einem definierten Temperaturniveau für beispielsweise zwei Gaspfade (Anode und Kathode) zur Verfügung. Die Änderungen der Durchflüsse bzw. Temperaturen können hochdynamisch im Bereich unter 100 ms durchgeführt werden.
Erfindungsgemäß wird den Gasinjektoren ein erster Teilstrom des Prozessgases mit einer Temperatur im Bereich der Raumtemperatur, beispielsweise 25°C, und ein zweiter Teilstrom mit konstanter, höherer Temperatur im Bereich zwischen 100°C und 950°C zugeführt.
Um auch Kaltstarttests durchführen zu können, kann den Gasinjektoren der erste oder ein weiterer Teilstrom des Prozessgases mit konstanter, tieferer Temperatur im Bereich bis –35°C zugeführt werden.
Dabei kann im Prozessgas aus den beiden Teilströmen durch eine vorzugsweise kennfeldgesteuerte Ansteuerung der Gasinjektoren eine vorgebbare Mischtemperatur im Bereich der Ausgangstemperaturen der Teilströme des Prozessgases von ca. –35°C bis 950°C (für Hochtemperatur-Brennstoffzellen), oder –35°C bis 150°C (für Niedrigtemperatur-Brennstoffzellen) eingestellt werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsvariante der Erfindung kann dem Prozessgas mit Hilfe zumindest eines weiteren Injektors Flüssigwasser oder Wasserdampf zudosiert werden. Änderungen der Temperatur, des Masseflusses und der Befeuchtung des Prozessgases können aufgrund der sehr kurzen Ansprechzeiten der Injektoren (0 bis 10 ms) sehr rasch erfolgen. Das bedeutet, nach dem Anlegen der Betriebsspannung vergeht eine charakteristische Zeit, bis der Injektor öffnet. Als Ansprechzeit oder Einschwingzeit t90 wird die Zeit bezeichnet, die der Injektor benötigt, um nach einer Änderung der Messgröße 90% des Anzeigeendwertes (Massenfluss, Temperatur und/oder Befeuchtung) zu erreichen.
Erfindungsgemäß wird zur Prüfung einer Brennstoffzelle ein den Brennstoff, vorzugsweise H₂, enthaltender Anodengasstrom und ein ein Oxidationsmittel enthaltender Kathodengasstrom, vorzugsweise Luft, bereitgestellt, wobei der Massefluss und die Temperatur beider Prozessgasströme unabhängig voneinander eingestellt werden.
Die konditionierten Gasgemische können, getrennt für Anode und Kathode, dem Prüfling, beispielsweise einer PEM-Brennstoffzelle, zugeführt werden. In der erfindungsgemäßen Vorrichtung werden, getrennt für Anoden- und Kathodenpfad, definierte Gasgemische mit vorgegebener Temperatur eingestellt. Die Zusammensetzung der Gase ist vom jeweiligen Versuch abhängig und kann variabel über ein Automatisierungssystem vorgegeben werden.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen in schematischen Darstellungen näher erläutert. Es zeigen:
1 eine Ausführungsvariante der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bereitstellung von zwei Prozessgasen (Anodengasstrom und Kathodengasstrom) zur hochdynamischen Prüfung einer Brennstoffzelle; sowie die
2 und 3 Ausführungsvarianten der Vorrichtung gemäß 1.
Die Vorrichtung 1 gemäß 1 zur Bereitstellung von zwei Prozessgasen eines nicht weiter dargestellten Prüfstandes für eine Brennstoffzelle 2 (bzw. Brennstoffzellen-Stack) weist eine Anschlussleitung 3 für den Anodengasstrom sowie eine Anschlussleitung 4 für den Kathodengasstrom auf. Für jedes Prozessgas sind zwei hochdynamisch ansteuerbarer Gasinjektoren 3a, 3b bzw. 4a, 4b vorgesehen, die an Zuleitungen 5, 6 bzw. 7, 8 für jeweils zwei Teilströme des Prozessgases mit definierten, jedoch unterschiedlichen Temperaturniveaus angeschlossen sind und in die Anschlussleitung 3 bzw. 4 für das Prozessgas einmünden.
Die Zuleitungen 5, 7 für jeweils einen Teilstrom des Prozessgases werden über ein Temperiergerät 9 mit konstanter höherer Temperatur im Bereich von über 150°C, vorzugsweise über einen Ölbadwärmetauscher, geführt. Die beiden anderen Zuleitungen 6 und 8 führen jeweils einen Teilstrom des Prozessgases mit Raumtemperatur (ca. 25°C) zu. In einem Prüfstand für Hochtemperatur-Brennstoffzellen ist ein Temperiergerät 9 mit konstanter höherer Temperatur bis 950°C erforderlich.
Der Luftpfad für die Kathode kann zur Erweiterung des Messbereichs auch mit mehreren unterschiedlich dimensionierten, parallel geschalteten Gasinjektoren ausgestattet sein.
Die Befeuchtung der Prozessgase im Anoden- und Kathodenpfad erfolgt durch einen Injektor 3c bzw. 4c, welcher in die Zuleitung 3 bzw. 4 einmündet. Dem Prozessgas wird mit Hilfe dieser Injektoren Flüssigwasser oder Wasserdampf zudosiert. Bei Einspritzung von Flüssigwasser muss die erforderliche Verdampfungswärme durch das heiße Trägergas kompensiert werden. Die Injektoren 3c und 4c sind über eine Zuleitung 10 mit einem Wassertank 11 verbunden, wobei die Zuleitung 10 durch das Temperiergerät 9 führt, welche das Wasser vor der Einspritzung erwärmt, bzw. verdampft.
Bei der Ausführungsvariante gemäß 2 gelangt das flüssige Wasser aus dem Wassertank 11 in einen Verdampfer 12, wobei der Wasserdampf in der Zuleitung 10 durch das Temperiergerät 9 geführt, entsprechend temperiert und den Injektoren 3c und 4c zugeführt wird.
In der Ausführungsvariante gemäß 3 werden die Zuleitungen 6, 8 für jeweils einen Teilstrom des Prozessgases über eine Kühleinrichtung 17 mit konstanter Temperatur im Bereich bis –35°C geführt, wodurch auch Kaltstarttests der Brennstoffzelle 2 simuliert werden können.
Wie in den 1 bis 3 dargestellt, kann dem Prozessgas ein Inertgas, beispielsweise Stickstoff, zudosiert werden. Bevorzugt wird das Inertgas auf zumindest zwei unterschiedlichen Temperaturniveaus bereitgestellt. Dazu münden in die Anschlussleitung 3 für den Anodengasstrom zwei Gasinjektoren 3d, 3e, wobei die Zuleitung 13 zum Gasinjektor 3d durch das Temperiergerät 9 führt und die Zuleitung 14 zum Gasinjektor 3e Inertgas mit Raumtemperatur führt (1 und 2). Das Inertgas dient zur Verdünnung des Brenngases im Anodengasstrom. Wie in 3 dargestellt, kann auch die Zuleitung 14 zum Gasinjektor 3e über die Kühleinrichtung 17 geführt werden, sodass auch gekühltes Inertgas zur Verfügung steht.
Ausgangs der zu prüfenden Brennstoffzelle sind gesteuerte Druckhalteventile 15, 16 angedeutet, mit welchen im Prüfling ein voneinander unabhängiger, vorgegebener Druck im Anodenkreis und im Kathodenkreis eingestellt werden kann.
Die Gaskonditionierung (Temperatur, Massefluss und Befeuchtung) erfolgt bei den dargestellten Beispielen für jedes Prozessgas durch zumindest drei Gasinjektoren. Die Injektoren beziehen das jeweilige Prozessmedium auf einem definierten, aber unterschiedlichen Temperaturniveau (z. B. –35°C, 25°C, 150°C, 950°C). Durch kennfeldgesteuerte Ansteuerung dreier Injektoren kann eine beliebige Mischtemperatur und Befeuchtung (im Bereich von z. B. 25–150°C und 0 bis 100% rel. Feuchte) und ein beliebiger Massenfluss eingestellt werden. Die Gasinjektoren haben Ansprechzeiten von 0–10 ms, daher können die gewünschten Betriebszustände hochdynamisch (unter 100 ms) bereitgestellt werden.

Claims

Verfahren zur Bereitstellung zumindest eines Prozessgases, bei welchem die Temperatur und der Massefluss unabhängig voneinander einstellbar sind, welches in einem Prüfstand einer Brennstoffzelle oder einer Brennstoffzeilen-Komponente, wie Reformer, Katalysator, zu deren Prüfung zugeführt wird, wobei das Prozessgas mit Hilfe hochdynamisch ansteuerbarer Gasinjektoren aus zumindest zwei Teilströmen des Prozessgases mit definierten, jedoch unterschiedlichen Temperaturniveaus gemischt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass den Gasinjektoren ein erster Teilstrom des Prozessgases mit einer Temperatur im Bereich der Raumtemperatur, beispielsweise 25°C, und ein zweiter Teilstrom mit konstanter, höherer Temperatur im Bereich zwischen 100°C und 950°C zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass den Gasinjektoren der erste oder ein weiterer Teilstrom des Prozessgases mit konstanter, tieferer Temperatur im Bereich bis –35°C zugeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass im Prozessgas durch eine vorzugsweise kennfeldgesteuerte Ansteuerung der Gasinjektoren eine vorgebbare Mischtemperatur im Bereich der Ausgangstemperaturen der Teilströme des Prozessgases von ca. –35°C bis 950°C, beispielsweise 25°C bis 150°C, eingestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass dem Prozessgas mit Hilfe zumindest eines weiteren Injektors Flüssigwasser oder Wasserdampf zudosiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass dem Prozessgas ein Inertgas, beispielsweise Stickstoff, zudosiert wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Inertgas auf zumindest zwei unterschiedlichen Temperaturniveaus bereitgestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zur Prüfung einer Brennstoffzelle ein den Brennstoff, vorzugsweise H₂, enthaltender Anodengasstrom und ein ein Oxidationsmittel enthaltender Kathodengasstrom, vorzugsweise Luft, bereitgestellt wird, wobei der Massefluss und die Temperatur beider Prozessgasströme unabhängig voneinander einstellbar sind.
Vorrichtung (1) zur Bereitstellung zumindest eines Prozessgases, bei welchem die Temperatur und der Massefluss unabhängig voneinander einstellbar sind, in einer Anschlussleitung (3, 4) eines Prüfstand für Brennstoffzellen (2) oder Brennstoffzellen-Komponenten, wie Reformer, Katalysator, wobei für jedes Prozessgas zumindest zwei hochdynamisch ansteuerbare Gasinjektoren (3a, 3b, 4a, 4b) vorgesehen sind, die an Zuleitungen (5, 6, 7, 8) für jeweils zwei Teilströme des Prozessgases mit definierten, jedoch unterschiedlichen Temperaturniveaus angeschlossen sind und in die Anschlussleitung (3, 4) für das Prozessgas einmünden.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Zuleitung (5, 7) für einen Teilstrom des Prozessgases über ein Temperiergerät (9) mit konstanter höherer Temperatur im Bereich zwischen 100°C und 950°C, beispielsweise im Bereich zwischen 100°C und 150°C geführt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Zuleitung (6, 8) für einen Teilstrom des Prozessgases über eine Kühleinrichtung (17) mit konstanter Temperatur im Bereich bis –35°C geführt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine Anschlussleitung (3) für einen Anodengasstrom aufweist, in welche zwei Gasinjektoren (3a, 3b) für den Brennstoff, beispielsweise H₂, auf unterschiedlichen Temperaturniveaus und ein Injektor (3c) für Flüssigwasser oder Wasserdampf einmünden, sowie dass weiters eine Anschlussleitung (4) für einen Kathodengasstrom vorgesehen ist, in welche zwei Gasinjektoren (4a, 4b) für ein Oxidationsmittel, beispielsweise Luft, auf unterschiedlichen Temperaturniveaus und ein weiterer Injektor (4c) für Flüssigwasser oder Wasserdampf einmünden.
Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass in die Anschlussleitung (3) für den Anodengasstrom zwei Gasinjektoren (3d, 3e) für ein Inertgas, beispielsweise Stickstoff, auf unterschiedlichen Temperaturniveaus einmünden.