DE10393133T5

DE10393133T5 - Brennstoffsteuerung für Brennstoffaufbereitungsdampferzeugung in Niedertemperatur-Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage

Info

Publication number: DE10393133T5
Application number: DE10393133T
Authority: DE
Inventors: Joshua D. Ellington Isom; Ha-Anh H. Bristol Pho; Zakiul South Windsor Kabir; Paul R. South Windsor Margiott; George R. Ellington Vartanian
Original assignee: UTC Fuel Cells LLC
Current assignee: UTC Power Corp
Priority date: 2002-08-20
Filing date: 2003-08-06
Publication date: 2005-08-11
Also published as: US6818336B2; AU2003261390A1; US20040038091A1; WO2004019428A3; JP2005536850A; WO2004019428A2; JP4533747B2; AU2003261390A8

Abstract

In einer Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage (10), aufweisend eine Niedertemperatur-Brennstoffzellenstapelanordnung (12) zum Liefern von bedarfsgerechter Leistung an eine elektrische Last (18), wobei die Zellenstapelanordnung (12) eine Anode (22) zum Aufnehmen und Reagieren lassen einer Wasserstoff-reichen Brennstoffströmung (28) und Abgeben eines Teils des Wasserstoff-reichen Brennstoffs als Ausstrom (30) hat, eine Quelle (46) von Kohlenwasserstoff-Brennstoff-Rohstoff hat, ein Brennstoffaufbereitungssystem (14) zum Konvertieren des Kohlenwasserstoff-Brennstoff-Rohstoffs zu einer Wasserstoff-reichen Brennstoffströmung für die Anode hat, und eine Versorgung mit Dampf (40, 44) für das Brennstoffaufbereitungssystem (14) hat, um die Konvertierung von dem Kohlenwasserstoff-Rohstoff zu ermöglichen, um die Wasserstoff-reiche Brennstoffströmung zur Verfügung zu stellen, wobei der Dampf eine Enthalpie hat, die mindestens teilweise durch Wärme durch Verbrennung (36) des Wasserstoff-reichen Ausstroms von der Anode bereitgestellt wird, ein Verfahren zum Aufrechterhalten einer angeglichenen Versorgung mit Dampf (40, 44) für das Brennstoffaufbereitungssystem (14), aufweisend:
Messen von mindestens einem Parameter (Druck, Temperatur), welcher die Enthalpie des Dampfes (40, 44) des Brennstoffaufbereitungssystems...

Description

TECHNISCHES GEBIET
Diese Erfindung bezieht sich auf Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlagen und insbesondere auf das Zuführen und die Steuerung von Wasserstoffreichen Brennstoff für eine Brennstoffzellen-Stapelanordnung. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf die Brennstoffsteuerung für Brennstoffaufbereitungsdampferzeugung in einer Niedertemperatur-Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage.
STAND DER TECHNIK
Die meisten Brennstoffzellenanordnungen sind angewiesen auf eine Versorgung der Anode einer Brennstoffzellen-Stapelanordnung (Fuel Cell Stack Assembly, CSA) mit Wasserstoff-reichem Brennstoff, um ein Reduktionsmittel für die elektrochemische Reaktion mit einem Oxidationsmittel zur Verfügung zu stellen, um elektrische Energie und als Nebenprodukte Wasser und Wärme zu erhalten. Das Oxidationsmittel, welches Luft sein kann, wird zur Kathode der Brennstoffzellen-Stapelanordnung geführt. Die Anode und Kathode werden durch einen Elektrolyten getrennt, welcher den Zellenanordnungstyp definiert. Ein üblicher Elektrolyt war und ist Phosphorsäure. Phosphorsäure-Brennstoffzellen neigen dazu, bei relativ hohen Temperaturen zu arbeiten, was zu damit verbundenen Vorteilen und Nachteilen führt. Eine weitere neuere Brennstoffzelle ist die PEM-Zelle, welche eine Polymerelektrolytmembran oder Protonenaustauschmembran (PEM) als Elektrolyten verwendet. Die PEM-Brennstoffzelle arbeitet bei Temperaturen (und manchmal bei Drücken) welche deutlich unter denen von Phosphorsäure-Zellen sind, typischerweise Temperaturen von weniger als dem Siedepunkt des Wassers, was zu einer Reihe von Vorteilen führt, welche zu dem wachsenden Interesse an diesen Brennstoffzel len und ihrer zunehmenden Anwendung führt. Auf der anderen Seite verursacht die verringerte Betriebstemperatur einer PEM-Brennstoffzelle auch zusätzliche Schwierigkeiten.
Wie bei vielen Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlagen wird eine Quelle an Kohlenwasserstoff-Rohstoffmaterial in der Stromerzeugungsanlage aufbereitet, um die benötigte Wasserstoff-reiche Strömung des Brennstoffreaktanten bzw. Reduktionsmittels an die Anode liefern zu können. Dieses Aufbereitungssystem wird durch ein Brennstoffaufbereitungssystem (Fuel Processing System, FPS) durchgeführt, welches üblicherweise Wasserstoff- von den Kohlenstoff- und/oder Sauerstoffbestandteilen des Kohlenwasserstoff-Rohmaterials durch eines von mehreren bekannten Verfahren trennt. Den meisten dieser Verfahren ist die Verwendung eines Reformers gemeinsam mit der zusätzlichen Verwendung eines Shift-Konverters und eventuell auch eines selektiven Oxidierers. Das Reformieren des Kohlenwasserstoff-Rohstoffs nutzt eine Reformierungsreaktion, welche beispielhaft dargestellt ist durch CH₄ + H₂O → 3H₂ + CO, und eine folgende Shift-Konversionsreaktion, beispielhaft dargestellt durch: CO + H₂O → H₂ + CO₂. Die Reformierung kann durchgeführt werden durch verschiedene Reformertypen, beispielsweise durch einen katalytischen Dampfreformer (Catalytic Steam Reformer, CSR) oder einen autothermen Reformer (Autothermal Reformer, ATR), wie es detailliert im US-Patent 6,120,923 diskutiert wird. Die Reaktion in einem katalytischen Dampfreformer ist endoterm und erfordert das Hinzufügen von Wärme, während die Reaktion in einem autothermen Reformer exoterm ist und kein eigenes Zuführen von Wärme erfordert. Obwohl der Reformertyp in Abhängigkeit des zu reformierenden Rohstoffs variieren kann, haben sie die ihnen gemeinsame Anforderung, dass Wasser (H₂O), zu Dampf erhitzt, in der Reaktion verwendet wird. Außerdem werden die Reaktionen unterstützt durch die Enthalpie des Dampfes und können mindestens beim katalytischen Dampfreformer zusätzliche Wärme erfordern. Für den Reformer des jeweils speziellen Brennstoffversorgungssystems gibt es ein entsprechendes optimales Dampf zu Kohlenstoff Verhältnis für die Erzeugung von dem durch die Brennstoffzelle unter verschiedenen Betriebs-/Lastbedingungen benötigten Wasserstoffs.
Wie bereits erwähnt, arbeiten Phosphorsäure-Brennstoffzellensysteme bei höheren Temperaturen und haben daher typischerweise ausreichende Wärmereserven, um den notwendigen Dampf für die Reformierungsreaktion unter allen Bedingungen bereitzustellen. Für Brennstoffzellen, welche andererseits bei niedrigeren Temperaturen arbeiten, z.B. PEM-Zellen, war es erforderlich, zusätzliche Wärmequellen zur Verfügung zu stellen, um Wasser zu Dampf für die Reformierungsreaktion umzuwandeln. Eine Technik, exemplarisch im genannten US-Patent 6,120,923 verwendet unverbrauchtes Brennstoffreaktantengas, welches als Abgas-Ausstrom die Anode der Zellenstapelanordnung verläßt, um einen Brenner und/oder Boiler (Wassererhitzer) zu erhitzen, um den notwendigen Dampf und die notwendige Wärme zur Verfügung zu stellen. Typischerweise wurde die Strömung von ausströmendem Brennstoff im Anodenabgas, welcher für zusätzliche Wärme verwendet wurde, abhängig von der elektrischen Last bzw. Belastung des Systems angeglichen. Obwohl dies ermöglichte, dass die Brennstoffströmung bis zu einem gewissen Ausmaß der Lastanforderung folgt, stellte es nicht unbedingt die Dampfenthalpie zur Verfügung, welche notwendig für effiziente transiente Anpassungen (bzw. Angleichungen, bzw. Reaktionen), sowohl Zunahme (hoch) und Abnahme (herunter), unter allen zu erwartenden Bedingungen notwendig war.
Es ist erwünscht, dass die Brennstoffzellen-Stapelanordnung der Last mit geringem Abstand folgt, so dass die Stromerzeugungsanlage ständig auf oder nahezu auf dem durch die Lasten erforderten Niveau arbeitet. Ein derartiger, der Last folgender Betrieb ermöglicht, dass das Stromerzeugungsanlagensystem effizienter bemessen und betrieben werden kann, während die notwendige Leistung für sich ändernde Lastanforderungen gewährleistet wird. Es ist nicht nur erwünscht, ausreichend Dampf zur Aufbereitung von ausreichendem Brennstoff für Zellenstapelanordnung während Lastzunahmen zu haben, aber es ist auch erwünscht, dass der Dampfdruck nicht übermäßig ist, sowohl aus ökonomischen als auch strukturellen Gründen, während Lastverringerungen. Dies erfordert daher eine ausgeglichene Versorgung mit Dampf. Wie oben diskutiert ist jedoch die derzeitige Steuerung von Wärmeenergie in einer Niedertemperatur-Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage typischerweise nicht ausreichend, um die erforderliche Reaktionsfähigkeit beim Brennstoffaufbereitungs prozess zu bieten, um Änderungen der Wasserstoff-Brennstoff-Anforderung an der Anode der Zellenstapelanordnung zu ermöglichen, welche notwendig sind, um einen der Last folgenden Betrieb effizient zu unterstützen.
Dementsprechend ist es ein Aspekt der vorliegenden Erfindung, eine Anordnung zur Steuerung von Wärmeenergie in einer Niedertemperatur-Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage zur Verfügung zu stellen, um die erforderliche Anpassungsfähigkeit bzw. Reaktionsfähigkeit beim Brennstoffaufbereitungsprozess zu bieten, um Änderungen der Wasserstoff-Brennstoff-Anforderung zu ermöglichen, welche notwendig sind, um einen der Last folgenden Betrieb zu ermöglichen.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung liegt darin, eine Anordnung zur Gewährleistung von ausreichender und angemessener Wärmeenergie für den Brennstoff-Reformierungsprozess sicherzustellen, um effizient dem lastabhängigen Betrieb der Brennstoffzelle folgen zu können.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung liegt darin, eine Anordnung zum Regeln der Brennstoffströmung zur Anode einer Brennstoffzelle zur Verfügung zu stellen, um eine angemessene Strömung von Ausstrom aus derselben zum Unterstützen einer ausgeglichenen Versorgung von Dampf und möglichen anderen Wärmeerfordernissen des Brennstoffzellenreformers zu gewährleisten, um den leistungsabhängigen Betrieb der Brennstoffzelle zu unterstützen.
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung ist eine Steuerungsanordnung in einer Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage mit einer Niedertemperatur-Brennstoffzellen-Stapelanordnung, einem Brennstoffaufbereitungssystem, welches Dampf erfordert und eine Einrichtung, um Dampf für das Brennstoffaufbereitungssystem zur Verfügung zu stellen, um die Brennstoffströmung zu dem Brennstoffaufbereitungssystem zu regulieren, um ausreichenden Brennstoff für den Brennstoffzellenstapel für lastabhängigen Betrieb zur Verfügung zu stellen und um ausreichenden Dampf für das Brennstoffaufbereitungssystem zur Verfügung zu stellen. Das Brennstoffaufbereitungssystem konvertiert unter Verwendung von Prozess-Dampf Kohlenwasserstoff-Rohstoff zu einem Wasserstoff-reichen Brennstoff für die Anode der Zellenstapelanordnung. Der wasserstoffhaltige Abgas-Ausstrom aus der Anode wird verwendet, um Wärmeenergie zur Verfügung zu stellen, um den Aufbereitungsdampf für das Brennstoffaufbereitungssystem zu erzeugen. Die Strömung der Kohlenwasserstoffzufuhr wird gesteuert, um die Enthalpie der Versorgung mit Aufbereitungsdampf aufrechtzuerhalten, um die Versorgung mit Wasserstoff-reichem Brennstoff zur Verfügung zu stellen, welche notwendig ist, um rasch auf Zunahmen und Verringerungen der elektrischen Belastung der Brennstoffzellenstapelanordnung reagieren zu können, ohne Dampfdruckgrenzen zu überschreiten.
Der Brennstoffzellen-Laststrom wird überwacht, um die Stromanforderung zu messen und ein Basis-Steuerungssignal zur Verfügung zu stellen, um die Brennstoffströmung zum Dampfaufbereitungssystem und damit auch zur Anode der Brennstoffzellenstapelanordnung zu regeln. Ein Parameter des Dampfes, z.B. Druck oder Temperatur wird als Maß für die Enthalpie des Dampfes überwacht, welcher für die Umwandlung der Kohlenwasserstoffzufuhr zu der Wasserstoff-reichen Brennstoffversorgung überwacht, welche für die Anode der Brennstoffzellenstapelanordnung erforderlich ist, und ermöglicht ein Korrektur- oder Ausgleichssignal für das Steuerungssignal, welches von dem Last-Stromsignal abgeleitet wird, um eine ausreichende angemessene Versorgung mit Dampf unter wechselnden Lastbedingungen an der Brennstoffzellenstapelanordnung innerhalb der Dampfdruckgrenzen während Übergängen nach oben oder nach unten zu ermöglichen. Diese Dampfdruckgrenzen werden typischerweise festgelegt durch die strukturellen Grenzen des Systems in bezug auf die oberen Druckgrenzen und durch Minimal-Betriebsanforderungen in Bezug auf die unteren Druckgrenzen, und können sich von System zu System unterscheiden. Die tatsächliche Brennstoffströmung wird überwacht und bietet ein Feedback-Signal für das Brennstoffströmungs-Steuerungssignal. Die Steuerung der Brennstoffströmung kann stattfinden durch Steuern eines Strömungsventils, eines Gebläses oder ähnliches. Die Steuerungsanordnung umfasst die Elemente, welche für die erwünschte Reaktion notwendig sind, und kann in verschiedenen Konfigurationen ausgeführt werden, welche in der Lage sind, die erforderlichen Funktionen zu erfüllen. Äußere und innere Steuerungskreise, jeweils mit einem oder mehreren Algorithmen, welche typischerweise eine Proportional/Integral (PI)-Steuerung nutzen, werden vorzugsweise verwendet.
Das Brennstoffaufbereitungssystem umfasst einen Reformer, welcher typischerweise ein autothermer Reformer oder ein katalytischer Dampfreformer sein kann, abhängig unter anderem von der Kohlenwasserstoffzufuhr und anderen Faktoren. Falls ein katalytischer Dampfreformer verwendet wird, kann zusätzlich eine Temperatur, welche für die endothermen Reaktionsbedingungen im Reformer charakteristisch ist, z.B. die Temperatur der oberen Röhren in dem Reformer, zusätzlich überwacht werden, um ein Temperatursignal zu erzeugen, welches verwendet wird, um das Brennstoffströmungs-Steuerungssignal weiter anzupassen.
Die genannten Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden deutlicher anhand der folgenden detaillierten Beschreibung von beispielhaften Ausführungsformen, dargestellt in den begleitenden Zeichnungen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein schematisches Diagramm der relevanten Bereiche einer repräsentativen Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage, in welcher die Steuerungsanordnung der Erfindung verwendet wird und welche eine Brennstoffaufbereitung mit einem autothermen Reformer (ATR) verwendet;
2 ist eine Kurzfassung von 1, welche die Verwendung eines katalytischen Dampfreformers (CSR) anstelle eines autothermen Reformers darstellt;
3 ist eine vereinfachte Darstellung der Basis-Steuerungsanordnung der Erfindung und umfasst eine optional verbesserte Ausführungsform davon, welche in gestrichelten Linien dargestellt ist;
4 ist ein schematisches Diagramm der Steuerungsanordnung der Erfindung, welches teilweise zur Verwendung in einer Stromerzeugungsanlage mit einer ATR-Brennstoffaufbereitung, wie in 1, verwendet ist; und
5 ist ein schematisches Diagramm einer weiteren Ausführungsform der Steuerungsanordnung der Erfindung, insbesondere geeignet zur Verwendung mit einer Stromerzeugungsanlage mit einer DSR-Brennstoffaufbereitung, wie in 2.
BESTE ART DER AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
Es wird auf 1 Bezug genommen. Dargestellt ist eine Brennstoffzelien-Stromerzeugungsanlage 10 mit einer Brennstoffzellenstapelanordnung (CSA) 12, einem Dampf-abhängigen Brennstoffaufbereitungssystem (FPS) 14 zur Erzeugung einer Strömung der Kohlenwasserstoff-Rohstoffzufuhr in eine Wasserstoff reiche Brennstoffversorgung für die Brennstoffzellenstapelanordnung (CSA) 12, elektrische Anschlüsse 16 vom Output der Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage 12, über welche eine elektrische Last 18 verbunden werden kann, und eine Steuerung 50 zum Steuern der Strömung von Kohlenwasserstoffzufuhrversorgung für das Brennstoffaufbereitungssystem FPS 14 auf eine Weise, welche eine ausreichende Versorgung mit Wasserstoff-reichem Brennstoff für die Brennstoffzellenstapelanordnung 12 bei lastabhängigem Betrieb zur Verfügung stellt, während das Erfordernis für Dampf in dem Brennstoffaufbereitungssystem FPS 14 optimiert wird.
Die Brennstoffzellenstapelanordnung 12 ist eine Niedertemperatur-Brennstoffzelle, typischerweise vom PEM-Typ, welche unterhalb des Siedepunkts arbeitet, typischerweise in einem Bereich von ca. 4,5°C (40°F) bis 82°C (180°F). Die Brennstoffzellenstapelanordnung 12 umfasst einen Anodenbereich 22, einen Kathodenbereich 24, und einen Elektrolytbereich 26, welcher in diesem Fall eine Polymerelektrolytmembran (PEM) ist. Die Brennstoffzellenstapelanordnung 12 arbeitet auf eine bekannte Weise, um elektrochemisch einen Brennstoffre aktanten und einen Oxidationsmittelreaktanten zu Wasser und elektrischer Energie zu konvertieren. Es versteht sich, dass die Erfindung auch auf andere Niedertemperatur-Brennstoffzellen anwendbar ist, z.B. Alkalizellen und ähnliche, mit anderen Elektrolytmedien. Zusätzlich umfasst die Brennstoffzellenstapelanordnung 12 und die Anlage 10 insgesamt typischerweise einen bekannten Wassermanagementbereich, der größtenteils hier nicht separat gezeigt ist. Ein derartiges Wassermanagement kann einen Kühler oder Wassertransportmedien umfassen, welche mit der Brennstoffzellenstapelanordnung 12 assoziiert sind, um Wasser zu der Brennstoffzellenstapelanordnung zu bringen und von ihr zu entfernen, wie auch separate Wassermanagementleitungen für Wärmetransfer und Erzeugung von Dampf.
Die Anode 22 der Zellenstapelanordnung 12 nimmt eine Versorgung von Wasserstoff-reichem Brennstoff vom Brennstoffaufbereitungssystem, FPS, 14 über die Leitung 28 auf, welches als reduzierender Reaktant in der elektrochemischen Reaktion dient. Ein Teil dieses Brennstoffs wird in der Reaktion im Brennstoffzellenstapel 12 verbraucht, ein unverbrauchter Teil wird jedoch von der Anode 22 als Abgasausstrom an der Leitung 30 abgegeben. Dieser Anodenabgasausstrom enthält eine teilweise verbrauchte Versorgung mit Wasserstoff und steht zur Verfügung, um durch Verbrennung eine Wärmequelle zu bieten, um mindestens Dampf für das Brennstoffaufbereitungssystem 14 und im Fall eines katalytischen Dampfreformers außerdem Wärme für den Reformer zur Verfügung zu stellen. Der Anodenabgasausstrom kann außerdem zu der Anode 22 rückzirkuliert werden.
Es wird nun detailliert auf das Brennstoffaufbereitungssystem 14 Bezug genommen, es umfasst einen Reformer, in diesem Fall einen autothermen Reformer (ATR) 32 zum Konvertieren einer Brennstoffzufuhr in die Wasserstoffreiche Versorgung für die Brennstoffzellenstapelanordnung 12. Der ATR 32 weist eine bekannte Konstruktion und einen bekannten Betrieb auf und konvertiert exotherm den Zufuhr-Brennstoff, Wasser (in Form von Dampf) und Luft zu H₂ und CO. Um den Ausstrom des autothermen Reformers 32 weiter aufzubereiten und CO zu CO₂ zu shiften und die Ausbeute an H₂ zu verbessern, umfasst das Brennstoffaufbereitungssystem 14 typischerweise ebenfalls weitere Kompo nenten 34, welche einen Shift-Konverter, einen selektiven Oxidierer und/oder weitere Komponenten umfassen können, die nicht detailliert gezeigt sind. Ein Brenner 36 (manchmal als „Reformerbrenner" bezeichnet) wird direkt oder indirekt über die Leitung 30 mit dem Ausstrom mit teilweise verbrauchtem Wasserstoff von der Anode 22 versorgt, wobei dieser Wasserstoff verbrannt wird, um als Wärmequelle zu dienen, um den Reformierungsprozess zu unterstützen. Die Wärme vom Auslass des Brenners 36 wird über die Leitung 38, welche Wärmetauscher umfassen kann, mindestens zu dem Primärbereich (Primary) 40' eines Boilers oder Dampferzeugers 40 geleitet. Wasser, entweder als Flüssigkeit oder 2-Phasengemisch, einschließlich Dampf, strömt in den Sekundärbereich (Secundary) 40" des Boilers 40 über die Leitung 42 vom Wassermanagementsystem und wird darin zu Dampf umgewandelt. Der im Dampferzeuger 40 erzeugte Dampf verläßt diesen über die Leitung 44 und steht zur Verwendung mit der Brennstoffzufuhr für die Reformierungsreaktion im Reformer 32 zur Verfügung. Die Enthalpie dieses Dampfes, die durch dessen Druck und/oder dessen Temperatur angezeigt wird, bestimmt die Kapazität des Dampfes, zumindest teilweise, ausreichende Mengen von Brennstoff-Rohstoffzufuhr zu den erwünschten Mengen an Wasserstoff-reichem Brennstoff zu reformieren. Für den Fall, dass ein katalytischer Dampfreformer verwendet wird, kann es erwünscht sein, außerdem Wärme vom Reformerbrenner zu verwenden, um den Reformer direkt zu erwärmen, wie im Folgenden erklärt.
Es versteht sich, dass die Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage 10 und insbesondere das Brennstoffaufbereitungssystem sowohl obere als auch untere Dampfdruckgrenzwerte aufweist, um einen sicheren und effizienten Betrieb des Systems zu gewährleisten. Die Dampfdruckgrenzwerte werden typischerweise bestimmt durch die strukturellen Grenzwerte des Systems bezüglich der oberen Druckgrenzwerte und durch Minimal-Betriebsanforderungen bezüglich der unteren Druckgrenzwerte und können sich von System zu System unterscheiden.
Die Rohbrennstoffzufuhr wird über die Leitung 46 zu dem Reformer 32 geführt. Die Rohbrennstoffzufuhr kann jegliches einer Vielzahl von Kohlenwasserstoffen sein, welche typischerweise für diesen Zweck verwendet werden, einschließlich Benzin, Dieselbrennstoff, Erdgas, Propan, Leichtöl, etc. Typischerweise wird ein autothermer Reformer verwendet, um die schwereren Brennstoffe zu reformieren, während die leichteren Brennstoffe ebenfalls unter Verwendung eines katalytischen Dampfreformers verwendet werden können. Außerdem soll der Ausdruck „Kohlenwasserstoffe", wie hier verwendet, nicht nur die schwereren nur aus C-H bestehenden Kohlenwasserstoffe umfassen, aber auch die Alkohole und anderen sauerstoffhaltigen Kohlenwasserstoffe. Die Strömungsrate der Rohbrennstoffzufuhr wird gesteuert bzw. kontrolliert durch eine variable Strömungssteuerung 48 in der Leitung 46, welche ein Ventil, ein Gebläse oder ähnliches sein kann. Obwohl die variable Strömungssteuerung 48 stromaufwärts von dem Reformer 32 dargestellt ist, wo der Brennstoff relativ kalt ist, versteht es sich, dass sie an irgendeiner von verschiedenen davon stromabwärtigen Stellen vor der Brennstoffzellenstapelanordnung 12 platziert sein kann. Der Dampf in der Leitung 54 wird der Rohbrennstoffzufuhr zugefügt bzw. mit dieser vermischt direkt vor dem Einströmen in den Reformer 32, z.B. bei der Gabelung 49, anschließend findet die Reformierungsreaktion im Reformer statt.
Eine Steuerungseinrichtung bzw. einfach „Steuerung" 50 zum Regeln der Strömungssteuerung 48 ist vorgesehen. Das Ziel der Erfindung ist es, eine geeignete Strömung von Rohbrennstoffzufuhr für den Reformer 32 zur Verfügung zu stellen, um diese wiederum einem Reformat zu konvertieren, um eine ausreichende Versorgung mit Wasserstoff-reichem Brennstoff zur Verfügung zu stellen, um sowohl die Brennstoffzellenstapelanordnung 12 für die jeweilige Anforderung an elektrischer Leistung, welche durch die Last 18 angefordert wird, zu betreiben und um auch den Reformerbrenner 36 zu betreiben, so dass ausreichend Wärmeenergie mindestens für den Dampferzeuger 40 zur Verfügung gestellt wird, um die erforderliche Dampfenthalpie für die benötigte Konvertierung von Rohbrennstoffzufuhr sicherzustellen. In letzterer Hinsicht überwacht die Steuerung 50 die Elektrizitätsanforderung, bzw. den Laststrom (I) der Brennstoffzellenstapelanordnung 12, gemessen durch einen Strom-(I)Sensor 52, z.B. ein Ampermeter, und sie überwacht die Enthalpie des Dampfversorgungssystems 40, welches sich beispielsweise in dem Druck (P) wiederspiegelt, welcher durch einen Drucksensor P gemessen wird. Es versteht sich, dass der Dampf gesättigt ist und daher entweder der Druck oder die Temperatur des Dampfes als Maß für die Dampfenthalpie genommen werden kann, wobei der Druck bevorzugt ist, da er bei den geringeren Temperaturen eines PEM-Systems genauer gemessen werden kann. Der gemessene Strom und der gemessene Dampfdruck werden als Input für die Steuerung 50 über die Leitungen 53 bzw. 54 bereitgestellt. Es versteht sich, dass der Ausdruck „Leitung" in diesem Kontext verwendet wird, um die entsprechend damit assoziierten Signale zu symbolisieren und es nicht beabsichtigt ist, dass der Ausdruck begrenzt ist auf fest verdrahtete Leiter. Ein Strömungssteuerungsbefehlssignal, FC, wird als Output von der Steuerung 50 an der Leitung 56 bereitgestellt, welche mit dem Aktuator der Steuerung 48 für variable Strömung verbunden ist, um den erforderlichen Brennstoffströmungssteuerungsvorgang zu bewirken. Der Status der resultierenden Brennstoffströmung wird durch einen Brennstoffströmungssensor FFL überwacht, der mit einer Leitung 46 verbunden ist, und ein entsprechendes Statussignal FFL wird über die Leitung 58 zur Steuerung 50 zurückgeleitet. Im Zusammenhang mit einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, die im Folgenden mit Bezug auf 2 beschrieben ist, ist ein optionaler Temperatursensor verbunden, um den Reformer 32 (bzw. 132) um die Temperatur des oberen Rohrs des Reformers 32 (bzw. 132) zu überwachen, und diese Temperatur als optionalen Input für die Steuerung 50 über die Leitung 60 zur Verfügung zu stellen, hier in Form gestrichelter Linien dargestellt. In jedem Fall gewährleistet die Steuerung, dass die Enthalpie des Dampfes geregelt wird, um Zunahmen und Verringerungen der Leistungsanforderung beim Betrieb innerhalb der Dampfdruckgrenzen zu erfüllen.
Es wird auf 2 Bezug genommen. Ein verkürzter Bereich der Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage, welcher einen alternativen Reformertyp zeigt, wird dargestellt, in diesem Fall ein katalytischer Dampfreformer (Catalytic Steam Reformer CSR) 132 anstelle des ATR 32 der Ausführungsform von 1. Der katalytische Dampfreformer 132 arbeitet endotherm und bezieht die für die endotherme Reaktion erforderliche Wärme indirekt vom Reformerbrenner 136 über einen Wärmetauscher 137 in dessen Nähe. Das Abgas des Reformerbrenners 136 fließt dann weiter durch den Wärmetauscher 137 und stellt Wärme für die Primärseite eines Dampfgenerators 140 bereit, welcher dazu dient, um Dampf zur Verwendung in der Reformierungsreaktion im CSR 132 zu erzeugen, wie es für den ATR 32 gemacht wird. Die Temperatur (T) des oberen Rohrs des katalytischen Dampfreformers 132 wird durch einen Temperatursensor T erhalten und über die Leitung 60 als Input an die Steuerung 150 weitergegeben, welche hier nur teilweise gezeigt ist. Die Temperatur des oberen Rohrs ist ein guter Indikator für den Betriebszustand des katalytischen Dampfreformers 132, wobei diese Information bezüglich des katalytischen Dampfreformers 132 von größerer Bedeutung sein kann als bei dem ATR 32, weil ersterer bei einer relativ geringen Temperatur arbeitet.
3 ist eine vereinfachte Darstellung der Basis-Steuerungsanordnung 50 der Erfindung. Umfasst sind zwei Basis-Inputs für Brennstoffzellen-Lastanforderungen, repräsentiert durch den Strom (I), und die Dampfenthalpie, repräsentiert durch den Dampfdruck (P). Ebenfalls umfasst ist das Brennstoff-Strömungs-Feedbacksignal (FFL). Der Laststrom (I) repräsentiert das Basis-Anforderungssignal zur Steuerung der Brennstoff-Strömungserfordernisse des Systems. Das Drucksignal (P) wird über eine Steuerung 62 verarbeitet, um ein Anpassungs- oder Kompensationssignal zu erstellen, welches beim Block 61 verwendet wird, um das Basis-Anforderungssignal zu modifizieren. Das FFL-Feedbacksignal wird über eine Steuerung 64 mit dem modifizierten Basis-Anforderungssignal verarbeitet, um ein Strömungssteuerungsbefehlssignal FC zu erhalten, welches von der Steuerung 50 ausgegeben wird und dazu dient, den erforderlichen Brennstoffströmungsvorgang zu bewirken. Die Temperatur des oberen Rohrs (T) des katalytischen Dampfreformers 132 wird als gestrichelte Linie als optionaler weiterer Input für die Steuerung 50 (oder 150) gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung dargestellt und in ähnlicher Weise über eine Steuerung 66 mit Proportional/Integral-Wirkungsweise zur Modifizierung des Basis-Anforderungssignals verarbeitet. Es versteht sich, dass die Steuerungen) 50 und/oder 150, im Folgenden funktionell detaillierter beschrieben, in irgendeiner von einer Anzahl von verschiedenen Formen ausgeführt sein kann, einschließlich diskreter Schaltungen, entweder digital oder analog, oder durch integrierte digitale Schaltungen, welche fest geschaltete Schaltkreise und damit verbundene Schaltungen enthalten können und/oder vollständig oder teilweise programmierbar sind, auf eine Weise, welche mit der funktionellen technischen Lehre konsistent ist. Typischerweise weist die Steue rung(en) 50 und/oder 150 großteils programmierbare digitale Datenverarbeitungseinrichtungen auf, welche zur Steuerung auf Software angewiesen sind.
Die Aufmerksamkeit wird nun auf eine detaillierter Analyse der Steueranordnung(en) der Erfindung gerichtet, wobei 4 die fundamentalere Anordnung darstellt, welche besonders geeignet sein kann für die Verwendung mit dem ATR 32 von 1 und wobei 5 eine Verfeinerung darstellt, welche besonders geeignet ist für die Verwendung mit dem katalytischen Dampfreformer, CSR, 132 von 2. Es wird zunächst auf 4 Bezug genommen, die Steuerung 50 hat eine Kaskadenkonfiguration mit einem sogenannten „inneren Kreis" 50' und einem „äußeren Kreis" 50". Der innere Kreis 50' verwendet eine Steuerung 64, vorzugsweise mit Proportional/Integral-Wirkungsweise (PI), und vergleicht den gemessenen Brennstoff-Strömungs-Feedback FFL mit einem Sollwert, der im äußeren Kreis 50" berechnet oder abgeleitet wird, um das Output-Befehlssignal FC bereitzustellen, welches die Position bzw. den Zustand der Strömungssteuerung 48 einstellt, um die erforderliche Brennstoffströmung zu ermöglichen. Der äußere Kreis 50" umfasst eine Steuerung 62, vorzugsweise mit PI-Wirkungsweise, welche das gemessene Dampfdruck-Feedback P mit einem Dampfdruck-Sollwert P_SP vergleicht, der eine Funktion des Brennstoffzellenstroms I ist, um einen Strömungsausgleichswert abzuleiten. Der Strömungsausgleichswert wird auf den vorhergesagten Strömungssollwert angewendet, um einen kompensierten Strömungssollwert für den inneren Kreis 50' bereitzustellen.
Insbesondere wird das Brennstoffzellen-Laststromsignal, I, als Input bereitgestellt, welcher repräsentativ für die gegenwärtige Anforderung bzw. Nachfrage an den Brennstoffzellenstapel 12 ist und als Basis zur Berechnung des Basis-Brennstoffströmungs-Steuerungssollwerts dient. Dieses Lastsignal, E, wird weitergeleitet zum Dispositionsblock bzw. zur Dispositionsfunktion 70. Entsprechende Beschleunigung und/oder Verzögerung (nicht gezeigt) kann vorgesehen sein, um Übergänge nach oben oder nach unten bei einem Betrieb zu berücksichtigen. Der Dispositionsblock 70 korreliert den Laststrom I und die gewünschte Brennstoffströmung W unter normalen Bedingungen des statio nären Zustands, so dass das resultierende Signal an der Leitung 72 der primäre Sollwert für den der Last angepassten Betrieb ist.
Der gemessene Dampfdruck P wird in der Steuerung 62 mit einem Dampfdrucksollwert, P_SP, der an der Leitung 63 zur Verfügung steht, verglichen, und die Steuerung 62 dient dazu, an der Leitung 75 eine Druckkorrektur bzw. einen Kompensationsfaktor bereitzustellen. Der Dampfdrucksollwert, P_SP, wird bestimmt durch Eingabe des gemessenen Stromes I an einem Dispositionsblock 65, welcher den Laststrom mit einem erwünschten Dampfdruck korreliert und dessen Rate begrenzt sein kann. Die Signale P und P_SP werden dann in der Steuerung 62 konditioniert. Dies kann auf mehrere Weisen geschehen, einschließlich beispielsweise einschließlich der Bestimmung eines Fehlersignals, konditionieren des Fehlersignales mit einem P/I-Steueralgorhithmus, mögliche Summierung mit einem ausgewählten Feed-Forward-Signal und/oder Anwendung von Grenzwerten auf das resultierende Signal, um einen Konfidenzintervall zu etablieren, welches fehlerhafte Reaktionen verhindern soll. Das resultierende Kompensationssignal an der Leitung 75 modifiziert das Brennstoffströmungs-Sollwertsignal 72 von dem Dispositionsblock 70 über die Schaltung 77, welche multiplizierend oder summierend sein kann, um dann den gewünschten Brennstoffströmungs-Sollwert als Fluidvolumen oder Gewichtseinheit pro Zeit, d.h. als „Rate", an die Output-Leitung 78 zu geben.
Es wird auf den inneren Kreis 50' Bezug genommen. Das Druck-korrigierte oder -kompensierte Brennstoffströmungs-Sollwertsignal von der Schaltung 77 wird über die Leitung 78 zur Steuerung 64 geleitet und bietet den Sollwert, gegen welche das gemessene Brennstoff-Strömungssignal FFL verglichen wird, um schließlich das Brennstoff-Strömungs-Befehlssignal LFC zur Verfügung zu stellen. Dies kann auf mehrere Weisen geschehen, einschließlich beispielsweise der Bestimmung eines Fehlersignals, konditionieren des Fehlersignals mit einem P/I-Steuerungsalgorhithmus, mögliche Summierung mit einem ausgewählten Feed-Forward-Signal und/oder die Anwendung von Grenzwerten auf das resultierende Signal, um ein „Konfidenzintervall" zu etablieren, welches fehlerhafte Reaktionen verhindern soll. Das resultierende Signal wird an der Leitung 80 als der Signalwert ausgegeben, der als Strö mungssteuerungs-Befehlssignal FC verwendet wird. Das FC-Steuerungssignal kann als ein analoger Wert vorgesehen sein oder zu entsprechenden Impulsen von repräsentativen variablen Breiten konvertiert werden, abhängig vom Typ der Steuerung, die mit der Strömungssteuerung 48 assoziiert ist. In jedem Fall ist das FC-Befehlssignal geeignet, um den erforderlichen Betrieb der Strömungssteuerung 48 zu steuern, z.B. durch Regeln der Öffnung eines Ventils oder der Geschwindigkeit eines Gebläses, etc.
Es wird nun auf 5 Bezug genommen. Die Steuerung 150 für die Stromerzeugungsanlage von 2 mit dem katalytischen Dampfreformer 132 ist detaillierter dargestellt. Die Steuerung umfasst einen inneren Kreis 150', welcher eine Steuerung 164 benützt, vorzugsweise mit PI-Wirkungsweise, und vergleicht das gemessene Brennstoffströmungs-Feedback FFL mit einem Sollwert, welcher in einem Paar von äußeren Kreisen 150" und 150"' berechnet oder abgeleitet wird, um das Output-Befehlssignal FC bereitzustellen, welches die Position oder den Zustand der Strömungssteuerung 48 einstellt, um die erforderliche Brennstoffströmung bereitzustellen. Die Steuerung 150 ist in vielerlei Hinsicht ähnlich zu der Steuerung 50 von 4, wobei ein wichtiger Unterschied ist, dass ein zweiter äußerer Kreis 150"' vorgesehen ist, um die Temperatur des oberen Rohrs des katalytischen Dampfreformers 132 in die Brennstoffströmungs-Steuerungsfunktion mit einzubeziehen.
Der erste äußere Kreis 150" umfasst eine Steuerung 162, vorzugsweise mit PI-Wirkungsweise, welche das gemessene Dampfdruck-Feedback-Signal P mit einem Dampfdruck-Sollwert P_SP vergleicht, welcher eine Funktion des Brennstoffzellenstroms I ist, um einen ersten Kompensationswert zu erhalten, welcher mit der Temperatur korreliert ist. Dieser erste Kompensationswert wird angewendet auf einen Wert, welcher bestimmt wird durch Korrelieren der Temperatur mit dem gemessenen Brennstoffzellenstrom I, und das Ergebnis dient als Temperatur-Sollwert für eine Steuerung 66 im zweiten äußeren Kreis 150"'. Die tatsächliche Temperatur des oberen Rohrs T des katalytischen Dampfreformers 132 wird in einer Steuerung 66 mit dem Sollwert verglichen, welcher durch den ersten äußeren Kreis 150" bereitgestellt wird, um einen Korrekturwert oder Kompensationswert basierend auf der Temperatur zu erhalten. Das Produkt dieses Kompensationswerts und eines vorhergesagten Strömungs-Sollwerts basierend auf dem Brennstoffzellenstrom I bietet einen kompensierten Strömungs-Sollwert für den inneren Kreis 150'.
Genauer gesagt wird das Brennstoffzellen-Laststromsignal I als Input für einen Dispositionsblock bzw. eine Dispositionsfunktion 88 angewendet. Der Dispositionsblock 88 korreliert den Laststrom I mit der Temperatur des oberen Rohrs des Reformers, die normalerweise bei gewünschten Bedingungen damit assoziiert ist. Der Output des Funktionsblocks 88 wird über die Leitung 89 zu einem Knoten 84 zur Anpassung geleitet, z.B. durch Multiplikation oder Summierung mit dem Korrektur-Signalwert, welcher von der Steuerung 162 ausgegeben wird.
Der gemessene Dampfdruck P wird in der Steuerung 162 mit einem Dampfdruck-Sollwert P_SP verglichen, welcher an der Leitung 163 bereitsteht. Der Dampfdruck-Sollwert P_SP wird bestimmt durch Input des gemessenen Stroms I an einem Dispositionsblock 165, welcher den Laststrom mit einem gewünschten Dampfdruck korreliert und dessen Rate begrenzt sein kann (nicht gezeigt). Die verglichenen Signale werden dann in der Steuerung 162 konditioniert bzw. angepasst. Dies kann auf verschiedene Weisen geschehen, einschließlich beispielsweise Bestimmen eines Fehlersignals, konditionieren des Fehlersignals mit einem P/I-Steuerungsalgorhithmus, möglicher Summierung mit einem ausgewählten Feed-Forward-Signal und/oder Anwendung von Grenzwerten auf das resultierende Signal, um ein „Konfidenzintervall" zu etablieren, welches fehlerhafte Reaktionen verhindern soll. Das Output 175 der Steuerung 162 ist ein Druck-basierter Temperatur-Korrekturfaktor oder -Kompensationsfaktor, welcher zum Knotenpunkt 84 weitergeleitet wird, wo er auf das primäre Temperatur-korrigierte Signal 89 vom Funktionsblock 88 angewendet wird, um ein erstes kompensiertes Temperatur-Sollwertsignal, T_SP, an der Leitung 90 bereitzustellen.
Der Temperatur-Sollwert T_SP an der Leitung 90 wird als Input für die Steuerung 66 im zweiten äußeren Kreis 150"' zum Vergleich mit der gemessenen Temperatur T des oberen Rohrs des katalytischen Dampfreformers 132 aufgenommen.
Die verglichenen Signale werden dann in einer Steuerung 66 konditioniert bzw. angepasst, so dass das resultierende Signal an der Leitung 91 einen Druck- und Temperatur-basierten Korrekturfaktor repräsentiert. Dies kann auf mehrere Weisen geschehen, einschließlich beispielsweise der Bestimmung eines Fehlersignals, Konditionieren bzw. Anpassen des Fehlersignals mit einem P/I-Kontrollalgorithmus, möglicher Summierung mit einem gewählten Feed-Forward-Signal, und/oder der Anwendung von Grenzwerten auf das resultierende Signal, um ein „Konfidenzintervall" zu etablieren, welches geeignet ist, fehlerhafte Reaktionen auszuschließen.
Das Brennstoffzellen-Lastsignal I wird ebenfalls auf der Leitung 92 zu einer Dispositionsfunktion 170 weitergeleitet. Die Dispositionsfunktion 170 ist analog zu der Dispositionsfunktion 70 in 4 und korreliert den Laststrom I mit einer gewünschten Brennstoffströmung, in lbs/h, unter normalen Bedingungen des stationären Zustands, so dass das resultierende Signal an der Leitung 172 der primäre Sollwert für den der Last angepassten Betrieb ist. Dieses Signal an der Leitung 172 wird modifiziert durch das Druck- und Temperatur-basierte Korrekturfaktor-Signal bzw. -Kompensationsfaktor-Signal an der Leitung 91 über die Schaltung 177, welche Multiplikation oder Summierung bereitstellen kann, um an der Leitung 94 den Sollwert für die gewünschte Brennstoffströmung zu erhalten.
Es wird Bezug genommen auf den inneren Kreis 150'. Das Druck- und Temperatur-kompensierte Brennstoffströmungs-Sollwertsignal von der Schaltung 177 wird über die Leitung 94 an die Steuerung 164 weitergeleitet und bietet den Sollwert, gegen welchen das Brennstoffströmungssignal FFL verglichen wird. Die Signale werden dann konditioniert bzw. angepasst in der Steuerung 164, und das resultierende Signal erscheint an der Leitung 180 als Signalwert, welcher als Strömungssteuerungs-Befehlssignal FC verwendet wird. Dies kann auf verschiedene Weisen geschehen, einschließlich beispielsweise der Bestimmung eines Fehlersignals, Konditionieren bzw. Anpassen des Fehlersignals mit einem P/I-Steuerungsalgorhithmus, möglich Summierung mit einem ausgewählten Feed-Forward-Signal, und/oder der Anwendung von Grenzwerten auf das resultierende Signal um ein „Konfidenzintervall" zu etablieren, welches geeignet ist, fehlerhafte Reaktionen auszuschließen. Wie bei der Ausführungsform von 4 kann das FC-Befehlssignal in der geeigneten Domäne bzw. Form bereitgestellt werden, welche nötig ist, um die Strömungssteuerung 48 zu steuern. Es versteht sich, dass die verschiedenen Betriebsparameter der Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage 10, z.B. die Brennstoffströmung durch die Leitung 46, die Temperatur des Reformats, welches den Reformer 32 verläßt, die Temperatur des teilweise verbrauchten Wasserstoffs, welches die Anode 22 des Brennstoffzellenstapels 12 verläßt, die Rate, mit welcher Luft zu dem Brenner 36 geführt wird, der Druck und die Temperatur des Dampfs im Sekundärbereich 40" des Dampferzeugers 40, die Rate, bei welcher Dampf durch die Leitung 44 strömt, etc., allgemein innerhalb der Bereiche sind, welche typisch und bekannt für die beschriebenen Anordnungen sind.
Zusammenfassung
Ein Steuerungsverfahren und eine Steuerungsanordnung (48, 50, 150, I, T, P, FFL) werden in einer Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage (10) bereitgestellt zum Regeln (48, FC) der Brennstoffströmung zu einem Dampf-basierten Brennstoffaufbereitungssystem (FPS, 14), welches mit einer Niedertemperatur-Brennstoffzellenstapelanordnung (12) assoziiert ist. Ein Teil des Brennstoffs, der durch das FPS (14) bereitgestellt wird, wird verwendet, um Dampf für das FPS zur Verfügung zu stellen. Die Brennstoffströmung zu dem FPS wird geregelt in Abhängigkeit des Leistungsbedarfs (I) an die Brennstoffzelle (12) und von mindestens der Enthalpie des Dampfs (P, T), so dass die Dampfenthalpie geregelt wird, um Zunahmen und Verringerungen des Leistungsbedarfs zu entsprechen, ohne Dampfdruckgrenzwerte zu überschreiten. Zusätzlich zu der Abhängigkeit von Dampfdruck (P) als fundamentales Maß für die Dampfenthalpie kann die Steuerung zusätzlich die Reaktionstemperatur bei oder in einem Reformer, z.B. einem katalytischen Dampfreformer (132) verwenden, um die Brennstoffströmung und damit die Dampfenthalpie zu regeln.

Claims

In einer Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage (10), aufweisend eine Niedertemperatur-Brennstoffzellenstapelanordnung (12) zum Liefern von bedarfsgerechter Leistung an eine elektrische Last (18), wobei die Zellenstapelanordnung (12) eine Anode (22) zum Aufnehmen und Reagieren lassen einer Wasserstoff-reichen Brennstoffströmung (28) und Abgeben eines Teils des Wasserstoff-reichen Brennstoffs als Ausstrom (30) hat, eine Quelle (46) von Kohlenwasserstoff-Brennstoff-Rohstoff hat, ein Brennstoffaufbereitungssystem (14) zum Konvertieren des Kohlenwasserstoff-Brennstoff-Rohstoffs zu einer Wasserstoff-reichen Brennstoffströmung für die Anode hat, und eine Versorgung mit Dampf (40, 44) für das Brennstoffaufbereitungssystem (14) hat, um die Konvertierung von dem Kohlenwasserstoff-Rohstoff zu ermöglichen, um die Wasserstoff-reiche Brennstoffströmung zur Verfügung zu stellen, wobei der Dampf eine Enthalpie hat, die mindestens teilweise durch Wärme durch Verbrennung (36) des Wasserstoff-reichen Ausstroms von der Anode bereitgestellt wird, ein Verfahren zum Aufrechterhalten einer angeglichenen Versorgung mit Dampf (40, 44) für das Brennstoffaufbereitungssystem (14), aufweisend: Messen von mindestens einem Parameter (Druck, Temperatur), welcher die Enthalpie des Dampfes (40, 44) des Brennstoffaufbereitungssystems (14) anzeigt; Messen von mindestens einem Parameter (Strom, Spannung), welcher den an die Zellenstapelanordnung (12) gerichteten Leistungsbedarf anzeigt; und Regeln (48, 50) der Strömung von Kohlenwasserstoff-Brennstoff-Rohstoff (46) zu dem Brennstoffaufbereitungssystem (14) in Abhängigkeit von mindestens der Enthalpie des Dampfes und des Leistungsbedarfs, so dass die Enthalpie des Dampfes geregelt wird, um Zunahmen und Abnahmen des Leistungsbedarfs innerhalb von Dampfdruckgrenzwerten zu entsprechen.
Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem: mindestens der Druck des Dampfes (40, 44) gemessen wird, um ein Signal (P) bereitzustellen, welches die Enthalpie des Dampfes anzeigt; der Laststrom gemessen wird, um ein Signal (I) bereitzustellen, welches den tatsächlichen Leistungsbedarf anzeigt; und bei welchem der Schritt des Regelns (48, 50) der Strömung von Kohlenwasserstoff-Rohstoff aufweist: Anpassen (70, 170) des Leistungsbedarfssignals (I), um ein vorläufiges Brennstoffströmungs-Sollwertsignal (72, 172) bereitzustellen; Modifizieren des vorläufigen Brennstoffströmungs-Sollwertsignals (72, 172) in Abhängigkeit (62, 162, 66, 88, 84) von mindestens dem Signal (P), welches die Enthalpie des Dampfes repräsentiert, um ein kompensiertes Brennstoffströmungs-Sollwertsignal (78, 94) bereitzustellen; und Verwenden des kompensierten Brennstoffströmungs-Sollwertsignals (78, 94), Bereitstellen (FFL, 64, 164) eines Brennstoffströmungs-Befehlssignals (FC) zum Steuern (48) der Strömung von Kohlenwasserstoff-Brennstoff-Rohstoff (46) zu dem Brennstoffaufbereitungssystem (14).
Verfahren nach Anspruch 2, bei welchem der Schritt des Bereitstellens eines Brennstoffströmungs-Befehlssignals (FC) zum Steuern (48) der Strömung von Kohlenwasserstoff-Brennstoff-Rohstoff (46) die folgenden weiteren Schritte aufweist: Messen der tatsächlichen Brennstoffströmung und Bereitstellen (58) eines Feedbacksignals (FFL), welches diese anzeigt; Vergleichen (64, 164) des Brennstoffströmungs-Feedbacksignals (FFL) mit dem kompensierten Brennstoffströmungs-Sollwertsignal (78, 94), um einen Hinweis auf jegliche Differenz zwischen denselben zu erhalten; und Anpassen (64, 164) des kompensierten Brennstoffströmungs-Sollwertsignals (78, 94) in Abhängigkeit des Hinweises auf die Differenz, um das Brennstoffströmungs-Steuerungssignal (FC) zu erhalten.
Verfahren nach Anspruch 2, bei welchem das Brennstoffaufbereitungssystem (14) einen katalytischen Dampfreformer (132) umfasst und die folgenden weiteren Schritte umfasst: Messen einer Temperatur im katalytischen Dampfreformer, um ein Signal (T) bereitzustellen, welches die Reaktionstemperatur darin anzeigt; und weiteres Modifizieren (177) des vorläufigen Brennstoffströmungs-Sollwertsignals (172) durch eine Funktion (66) des Signals (T), welches die Temperatur des katalytischen Dampfreformers anzeigt, um weitere Kompensation (91) für das Brennstoffströmungs-Sollwertsignal (94) bereitzustellen.
Verfahren nach Anspruch 3, bei welchem das Brennstoffaufbereitungssystem (14) einen katalytischen Dampfreformer (132) umfasst, aufweisend die weiteren Schritte: Messen einer Temperatur in dem katalytischen Dampfreformer, um ein Signal (T) bereitzustellen, welches die Reaktionstemperatur darin anzeigt; und weiteres Modifizieren (177) des vorläufigen Brennstoffströmungs-Sollwertsignals (172) durch eine Funktion (66) des Signals (T), welches die Temperatur des katalytischen Dampfreformers anzeigt, um weitere Kompensation (91) für das Brennstoffströmungs-Sollwertsignal (94) bereitzustellen.
Verfahren nach Anspruch 4, bei welchem der Schritt des weiteren Modifizierens (177) des vorläufigen Brennstoffströmungs-Sollwertsignals (172) die folgenden weiteren Schritte umfasst: Anpassen (88) des Leistungsbedarfssignals (I), um ein primäres Temperatur-korreliertes Signal (89') bereitzustellen, Justieren (84) des primären Temperatur-korrelierten Signals (89) mit einem Druck-basierten Kompensationssignal (175), welches als Funktion (162) des Signals (P) bereitgestellt wird, welches die Enthalpie des Dampfes repräsentiert, um somit ein kompensiertes Temperatur-Sollwertsignal (90) bereitzustellen; und Vergleichen (162) des Signals (T), welches die Temperatur des katalytischen Dampfreformers anzeigt, mit dem kompensierten Temperatur-Sollwertsignal (90), um die weitere Kompensation (91) für das Brennstoffströmungs-Sollwertsignal (94) bereitzustellen.
Verfahren nach Anspruch 5, bei welchem der Schritt des weiteren Modifizierens (177) des vorläufigen Brennstoffströmungs-Sollwertsignals (172) die folgenden weiteren Schritte umfasst: Anpassen (88) des Leistungsbedarfssignals (I), um ein primäres Temperatur-korreliertes Signal (89') bereitzustellen, Justieren (84) des primären Temperatur-korrelierten Signals (89) mit einem Druck-basierten Kompensationssignal (175), welches als Funktion (162) des Signals (P) bereitgestellt wird, welches die Enthalpie des Dampfes repräsentiert, um somit ein kompensiertes Temperatur-Sollwertsignal (90) bereitzustellen; und Vergleichen (162) des Signals (T), welches die Temperatur des katalytischen Dampfreformers anzeigt, mit dem kompensierten Temperatur-Sollwertsignal (90), um die weitere Kompensation (91) für das Brennstoffströmungs-Sollwertsignal (94) bereitzustellen.
In einer Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage (10), aufweisend eine Niedertemperatur-Brennstoffzellenstapelanordnung (12), um je nach Bedarf Leistung für eine elektrische Last (18) zur Verfügung zu stellen, wobei die Brennstoffzellenanordnung (12) eine Anode (22) zum Aufnehmen und Reagieren lassen einer Wasserstoff-reichen Brennstoffströmung (28) und Abgeben eines Teils des Wasserstoff-reichen Brennstoffs als Ausstrom (30) hat, eine Quelle (46) von Kohlenwasserstoff-Brennstoff-Rohstoff hat, ein Brennstoffaufbereitungssystem (14) zum Konvertieren des Kohlenwasserstoff-Brennstoff-Rohstoffs zu der Wasserstoff-reichen Brennstoffströmung für die Anode, und eine Versorgung mit Dampf (40, 44) für das Brennstoffaufbereitungssystem (14) hat, um die Konvertierung von Kohlenwasserstoff-Rohstoff zu unterstützen, um die Wasserstoff-reiche Brennstoffströmung zur Verfügung zu stellen, wobei der Dampf eine Enthalpie hat, die zumindestens teilweise durch Wärme durch Verbrennung (36) des Wasserstoff-reichen Ausstroms von der Anode bereitgestellt wird, eine Steuerungsanordnung (48, 50, 150, I, T, P, FFL) zum Aufrechterhalten einer angepassten Versorgung mit Dampf (40, 44) für das Brennstoffaufbereitungssystem (14), aufweisend: eine Einrichtung (P, T) zum Messen von mindestens einem Parameter (Druck, Temperatur), welcher die Enthalpie des Dampfes (40, 44) für das Brennstoffaufbereitungssystem (14) anzeigt und Bereitstellen eines entsprechenden Signals (P, T); eine Einrichtung (I) zum Messen mindestens eines Parameters (Strom, Spannung), welcher den Leistungsbedarf an die Zellenstapelanordnung (12) anzeigt und zum Bereitstellen eines entsprechenden Signals (I); eine Einrichtung (48) zum Steuern der Strömung des Kohlenwasserstoff-Rohstoffs in Reaktion auf ein Brennstoff-Befehlssignal (FC); und eine Steuerungseinrichtung (50, 150), welche auf das Signal (P, T) reagiert, das die Enthalpie des Dampfs anzeigt, und auf das Signal (I), welches den Leistungsbedarf an die Zellenstapelanordnung (12) anzeigt, um ein Brennstoff-Befehlssignal (FC) bereitzustellen, so dass die Enthalpie des Dampfes geregelt wird, um Zunahmen und Verringerungen des Leistungsbedarfs innerhalb von Dampfdruckgrenzwerten zu entsprechen.
Steuerungsanordnung (48, 50, 150, I, T, P, FFL) nach Anspruch 8, bei welcher: die Einrichtung (P, T) zum Messen des mindestens einen Parameters (Druck, Temperatur), welches die Enthalpie des Dampfs (40, 44) für das Brennstoffaufbereitungssystem (14) anzeigt, mindestens den Druck des Dampfs mißt und ein entsprechendes Signal (P) bereitstellt; die Einrichtung (I) zum Messen eds mindestens eines Parameters (Strom, Spannung), welcher den Leistungsbedarf an die Zellenstapelanordnung (12) anzeigt, den Laststrom mißt und ein entsprechendes Signal (I) bereitstellt; und die Steuerungseinrichtung (50, 150) eine Anpassungseinrichtung (70, 170) aufweist, welche auf das Leistungsbedarfssignal (I) reagiert, um ein vorläufiges Brennstoffströmungs-Sollwertsignal (72, 172) bereitzustellen und eine Kompensierungseinrichtung (62, 162, 66, 88, 84, 77, 177) aufweist, welche mindestens auf den Dampfdruck (P) reagiert, um das vorläufige Brennstoffströmungs-Sollwertsignal (72, 172) in Abhängigkeit von mindestens der Enthalpie des Dampfes zu kompensieren, um ein kompensiertes Brennstoffströmungs-Sollwertsignal (78, 94) bereitzustellen.
Steuerungsanordnung (48, 50, 150, I, T, P, FFL) nach Anspruch 9, aufweisend eine Brennstoffströmungs-Messeinrichtung (FFL, 158) um ein Feedbacksignal (FFL) bereitzustellen, welches die tatsächliche Brennstoffströmung anzeigt, und bei welcher die Kontrolleinrichtung (50, 150) außerdem eine Einrichtung (64, 164) aufweist, welche auf das kompensierte Brennstoffströmungs-Sollwertsignal (78, 94) und das Feedbacksignal (FFL) der tatsächlichen Brennstoffströmung reagiert, um das Brennstoffströmungs-Befehlssignal (FC) bereitzustellen.
Steuerungsanordnung (48, 50, 150, I, T, P, FFL) nach Anspruch 10, bei welcher das Brennstoffaufbereitungssystem (14) der Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage (10) einen katalytischen Dampfreformer (132) aufweist, wobei die Einrichtung (P, T) zum Messen des mindestens einen Parameters (Druck, Temperatur), welcher die Enthalpie des Dampfes (40, 44) für das Brennstoffaufbereitungssystem (14) anzeigt, zusätzlich die Reaktionstemperatur (T) im katalytischen Dampfreformer (132) mißt und ein entsprechendes Signal (T) bereitstellt, und wobei die Kompensierungseinrichtung (62, 162, 66, 88, 84, 77, 177) außerdem auf die Temperatur (T) im katalytischen Dampfreformer (132) reagiert, um weiter das vorläufige Brennstoffströmungs-Sollwertsignal (72, 172) zu Kompensieren (66, 177), in Abhängigkeit der Temperatur (T) des katalytischen Dampfreformers, um ein weiter kompensiertes Brennstoffströmungs-Sollwertsignal (94) bereitzustellen.