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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Gebiet der Erfindung
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Die
hier beschriebene Erfindung bezieht sich auf ein Brennstoffzellensystem
unter Nutzung einer Festoxid-Brennstoffzelle, insbesondere ein Brennstoffzellensystem,
das geeignet ist, das Brennstoffnutzverhältnis variabel
zu steuern.
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Beschreibung des zugehörigen
Standes der Technik
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Ein
Steuerungsverfahren eines konventionellen Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzellensystems ist
beschrieben. 3 zeigt ein herkömmliche
Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzellensystem. Wie in 3 dargestellt,
wandelt dann, wenn das Brennstoffzellensystem in Betrieb ist, eine
Brennstoffverfahrenseinrichtung 14 einen Rohstoff wie etwa
Erdgas unter Nutzung von Dampf um, um ein Gas zu bilden, das Wasserstoff
als Hauptkomponente enthält. Das Gas wird befeuchtet durch
einen wasserstoffseitigen Befeuchter 11 und in eine Brennstoffzelle 1 geliefert. Auch
eine Luftversorgungseinrichtung 3 liefert Luft als Oxidationsgas
zu einem oxidationsseitigen Befeuchter 13 und das Oxidationsgas
ist dadurch befeuchtet und wird zu der Brennstoffzelle 1 geliefert. Die Brennstoffzelle 1 ist
mit einem Leistungswandler 6 verbunden, der erzeugte Gleichstromleistung
zu einer Wechselstromleistung wandelt. Der Leistungswandler 6 ist
mit einem elektrischen Leistungssystem 7 und einem elektrischen
Verbraucher 8 verbunden.
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Die
Wärme, die durch die Brennstoffzelle
1 einhergehend
mit der Leistungserzeugung erzeugt wird, wird durch Kühlwasser,
das in einer Kühlleitung
19 strömt, zurückgewonnen.
Das Kühlwasser wird durch eine Kühlwasserumwälzpumpe
16 umgewälzt und
die zurückgewonnene Wärme wird in einem Wärmetauscher
15 durch
Kühlung des Wassers auf Wasser übertragen, welches
durch eine Pumpe
17 in einer Ausgangswärmerückgewinnungsleitung
20 umgewälzt
wird. So wird Warmwasser in einem Warmwassertank
12 vorgehalten
(siehe bspw. ungeprüfte
japanische
Patentveröffentlichung (Kokai) Nr. 2002-42841 ).
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Die
Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzelle ist dadurch gekennzeichnet, dass
die Ausgangswärmerückgewinnungswirksamkeit höher
ist als die Leistungserzeugungswirksamkeit. Daher ist bei gewöhnlichem
Betrieb die Wassertemperatur schnell angehoben und der Warmwassertank
ist leicht mit Warmwasser zu befüllen. In einem solchen
Fall, im Hinblick auf die Wirksamkeit des Systems, bei welchem die Ausgangswärmerükgewinnungswirksamkeit
höher ist, ist der Leistungserzeugungsbetrieb aufgehoben.
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Die
Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzelle ist dadurch gekennzeichnet, dass
Stadtgas als hauptsächlicher Brennstoff umgewandelt wird
zur Erzeugung von Wasserstoff und Kohlenmonoxid. Wenn auch das erzeugte
Kohlenmonoxid abgetrennt wird, gibt es ein Problem, dass eine erhebliche
Zeit erforderlich ist, um das Kohlenmonoxid abzutrennen. Es ist
daher schwer, den Brennstoff entsprechend zu dem Leistungserzeugungsbetrag
und/oder Temperaturänderungen schnell umzuwandeln. Entsprechend
wird das Brennstoffnutzungsverhältnis sehr langsam gesteuert.
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Um
die vorbeschriebenen Nachteile zu überwinden, wurde ein
Ausgangswärmerückgewinnungssystem für
ein Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzellensystem entwickelt. Es wurde
jedoch kein Ausgangswärmerückgewinnungssystem
für ein Festoxid-Brennstoffzellensystem bislang vorgeschlagen. Da
ein Elektrolyt unterschiedlich ist von einem Festelektrolyt, kann
die Steuerung, so wie sie ist, die für eine Abgasrückgewinnung
für ein Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzellensystem relevant
ist, nicht auf ein Festoxid-Brennstoffzellensystem, übertragen
werden.
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Das
Festoxid-Brennstoffzellensystem ist dadurch gekennzeichnet, dass
der Leistungserzeugungswirkungsgrad höher ist als der Abgaswärmerückgewinnungswirkungsgrad.
Im Hinblick auf eine elektrische Leistungslieferung be züglich
einer elektrischen Last (ein elektrischer Verbraucher) ist die Festoxid-Brennstoffzelle
der Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzelle überlegen. Im Hinblick
auf eine stabile Versorgung von Warm Wasser zu einer Last, die damit
versorgt werden soll, hat die Festoxid-Brennstoffzelle jedoch den
Nachteil, dass der absolut lieferbare Betrag an Warm Wasser gering
ist.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die
hier beschriebene Erfindung ist vorgeschlagen im Hinblick auf die
oben genannten Probleme. Es ist ein Ziel der Erfindung, ein Brennstoffzellensystem
anzugeben, das geeignet ist, eine stabile Warm Wasserversorgung
zu einer Last, die damit zu versorgen ist, zu liefern.
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Um
diese Probleme zu lösen, hat die Erfindung die folgenden
Eigenschaften.
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Ein
Brennstoffzellensystem gemäß der Erfindung weist
eine Festoxid-Brennstoffzelle auf; einen Wärmetauscher,
der Wärme zwischen Abgas von der Festoxid-Brennstoffzelle
und Wasser tauscht; einen Warmwasservorratstank, der das Wasser
aufbewahrt, kreislaufrohre, die es ermöglichen, dass das Wasser
zwischen dem Warmwasseraufbewahrungstank und dem Wärmetauscher
strömt; eine Umwälzpumpe, die für die
Umwälzrohre vorgesehen ist, und eine Steuerung, die das
Brennstoffnutzungsverhältnis der Festoxid-Brennstoffzelle in Übereinstimmung mit
dem genutzten Anteil an Warmwasser in dem Warmwasseraufbewahrungstank
während des Leistungserzeugungsbetriebs steuert.
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Ein
Brennstoffzellensystem weist weiter eine Festoxid-Brennstoffzelle
auf; einen Wärmetauscher, der Wärme zwischen Abgas
aus der Festoxid-Brennstoffzelle und Wasser tauscht; einen Heißwasservorratstank,
der das Wasser vorhält; Umwälzrohre, die es ermöglichen,
dass das Wasser zwischen dem Warmwasservorratstank und dem Wärmetauscher umläuft;
eine Umwälzpumpe, die für die Umwälzrohre
vorgesehen ist, eine Steuerung, welche das Brennstoffnutzungsverhältnis
der Festoxid-Brennstoffzelle in Übereinstimmung mit dem
Verhältnis oder der Temperatur des Warmwassers in dem Warmwasservorratstank
während des Leistungserzeugungsbetriebs steuert.
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Das
Brennstoffzellensystem hat eine Steuerung, welche den Versorgungsanteil
an Brennstoffgas in Übereinstimmung mit dem Betrag an Warmwasser,
der zu dem Verwender geliefert wird, steuert, um hierdurch das Brennstoffnutzungsverhältnis durch
die Brennstoffzelle zu ändern. Beispielsweise im Fall,
dass ein großer Betrag an Warmwasser angefordert ist oder
wenn das Verhältnis von Warmwasser in dem Warmwasservorratstank
gering ist, wird das Brennstoffnutzungsverhältnis abgesenkt
ungeachtet des Niveaus der elektrischen Last. Der Energieanteil
des Abgases, das durch die Brennstoffzelle erzeugt wird, wird angehoben;
so wird der Anteil an Warmwasser, das durch den Wärmetauscher
erzeugt wird, angehoben. Im Ergebnis ist der Lagerungsbetrag (Verhältnis
von Warmwasser in dem Warmwasservorratstank) über die Temperatur
des Warmwassers angehoben. Folglich ist der Anteil an Warmwasser
angehoben und Warmwasser kann in stabiler Weise zu der Last (Verbraucher)
geliefert werden.
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Es
sollte beachtet werden, dass die Formulierung „Brennstoffnutzungsverhältnis"
bedeutet, das Verhältnis des Anteils an Brennstoffgas der
tatsächlich zu der elektrochemischen Reaktion (Leistungserzeugungsreaktion)
beiträgt, zu dem Anteil an Brennstoffgas ist, das zu der
Brennstoffzelle geliefert wird. Wenn der Anteil an Brennstoffgas,
der zu der Brennstoffzelle geliefert wird, angehoben wird, nimmt
das Brennstoffnutzungsverhältnis ab.
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Wenn
die Betriebstemperatur der Festoxid-Brennstoffzelle abnimmt, steuert
die Steuerungseinheit so, dass das Brennstoffnutzungsverhältnis
in der Festoxid-Brennstoffzelle vermindert wird.
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Herkömmlicherweise
hat es das folgende Problem gegeben. Wenn ein Zustand kontinuierlich auftritt,
dass der Leistungserzeugungsanteil abnimmt und die Betriebstemperatur
der Brennstoffzelle abnimmt, hat der Anteil an Wärme zurückgewonnen von
der Abgaswärme abgenommen und der Anteil an Warm wasser,
der zu dem Verbraucher zu liefern ist, hat auch abgenommen. Hiermit
einhergehend hat die Leistungserzeugungswirksamkeit der Brennstoffzelle abgenommen,
wenn die Betriebstemperatur der Brennstoffzelle abgenommen hat.
Im Ergebnis hat der maximale Leistungsanteil, der zur elektrischen Last
lieferbar ist, abgenommen auf einen niedrigeren Wert als den Auslegewert.
Danach braucht es eine beträchtlich lange Zeit bis die
Brennstoffzelle die Betriebstemperatur wiedergewinnt bis zu dem
Niveau, dass der maximale Leistungsanteil, der zu der elektrischen
Last lieferbar ist, erzeugt durch die Brennstoffzelle, und der Auslegungswert
erreicht ist und dass die Leistungserzeugungswirksamkeit ausreichend
hoch ist. Im Ergebnis schafft es die Brennstoffzelle nicht einer
scharf erhöhten Leistungsnachfrage der (elektrischen) Last
nachzukommen. Demgegenüber, gemäß der
hier beschriebenen Erfindung, wird der Anteil an Brennstoffgas,
der zu der Brennstoffzelle geliefert wird, angehoben und verbrannt,
wenn die Betriebstemperatur der Brennstoffzelle abnimmt. Dadurch
wird das Brennstoffnutzungsverhältnis vermindert und die
Temperatur des Abgases angehoben. Der Wärmeaustausch zwischen
dem Abgas und dem Wasser durch den Wärmetauscher ist beschleunigt und
der Erzeugungsanteil von Warmwasser wird angehoben und so das Anteilsverhältnis
von Warmwasser im Warmwasservorratstank angehoben. Weiter kann die
Wassertemperatur in dem Warmwasservorratstank angehoben werden in
kurzer Zeit und die Betriebstemperatur der Brennstoffzelle ist weitestgehend
an einer Abnahme gehindert. Weiter kann die Temperatur der Brennstoffzelle
in kurzer Zeit auf eine Temperatur angehoben werden, bei welcher
eine maximale Leistungsversorgung zu der elektrischen Last geliefert
werden kann. Die geforderte Leistung kann rasch an die Last geliefert
werden.
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Wenn
der Leistungserzeugungsanteil der Festoxid-Brennstoffzelle abnimmt,
steuert die Steuereinheit so, dass das Brennstoffnutzungsverhältnis der
Festoxid-Brennstoffzelle abnimmt.
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Wenn
der Leistungsanteil erzeugt durch die Brennstoffzelle abnimmt, wird
die Menge an Brennstoffgas, geliefert zu der Brennstoffzelle, angehoben, um
dadurch das Brennstoffnutzungsverhältnis zu reduzieren.
Folglich ist die Betriebstemperatur der Brennstoffzelle daran gehindert,
wesentlich abzunehmen. Die Brennstoffzelle kann rasch die geforderte
Leistung liefern. In diesem Fall kann auch die Erzeugung von Warmwasser
angehoben werden, da die Menge an Abgas zunimmt, und die Aufbewahrungsmenge
von Warmwasser kann vergrößert werden.
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Die
Steuerungseinheit steuert weiter so, dass das Brennstoffnutzungsverhältnis
der Festoxid-Brennstoffzelle während der Nacht abgesenkt
ist.
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Während
der Nacht erreicht die Last in einem üblichen Haushalt
ein Minimum im Hinblick auf einen Anteil an Warm Wasser, was eine
Abnahme der Betriebs tmperatur der Brennstoffzelle bewirkt. In diesem
Fall wird die Betriebstemperatur der Brennstoffzelle an einer Abnahme
gehindert durch eine Steuerung zur Verminderung des Brennstoffnutzungsverhältnisses
der Brennstoffzelle. Die geforderte Leistung kann rasch geliefert
werden zu der Last wie auch die Erzeugungsmenge an Warmwasser angehoben
werden kann.
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Das
Brennstoffzellensystem weist weiter einen Schalter auf, der es einem
Nutzer erlaubt, auszuwählen das Brennstoffnutzungsverhältnis
der Festoxid-Brennstoffzelle stark zu reduzieren. Gemäß dem Brennstoffzellensystem
wie vorbeschrieben, kann die Erzeugungsmenge von Warm Wasser weiter
gesteigert werden in Priorität zu der Leistungserzeugung,
wenn ein großer Anteil an Warmwasser erforderlich ist,
dadurch, dass der Nutzer der Brennstoffzelle den genannten Schalter
drückt.
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Das
Brennstoffzellensystem gemäß der Erfindung ist
als Brennstoffzelle für den Hausbedarf geeignet, bei Erzeugung
einer Leistung von 1 kW oder weniger oder insbesondere 750 W oder
weniger ist sie angemessen genutzt.
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Die
Erfindung ermöglicht es, ein Brennstoffzellensystem vorzusehen,
das in der Lage ist, das Brennstoffnutzungsverhältnis in Übereinstimmung mit
der Menge an Warmwasser, welche von dem Nutzer benutzt wird, das
Verhältnis oder die Temperatur des Warmwassers in dem Warmwasservorratstank und die
Temperatur der Abgaswärme, um Wärme mit dem Wasser
zu tauschen, zu steuern, wodurch Warmwasser in stabiler Weise zu
der Last geliefert wird.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
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1 zeigt
ein Brennstoffzellensystem gemäß der Erfindung;
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2 zeigt
ein Ablaufschema als Beispiel einer Abfolge um das Brennstoffnutzungsverhältnis
zu bestimmen;
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3 zeigt
ein herkömmliches Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzellensystem.
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BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG IM EINZELNEN
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Die
bestmögliche Weise, die Erfindung auszuführen,
wird mit nachstehend mit Bezug zu der Zeichnung beschrieben. Es
sollte beachtet sein, dass die Beschreibung nur dazu gedacht ist,
ein Beispiel der bestmöglichen Ausführung der
Erfindung zu geben. Es ist einfach für einen sogenannten
Fachmann auf dem gebiet, einen Teil der Erfindung abzuändern oder
zu modifizieren in eine andere Ausführungsform, innerhalb
der Lehre der Erfindung. Die nachstehende Beschreibung ist daher
nicht dazu gedacht, den Schutzumfang der Ansprüche der
Erfindung zu begrenzen.
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1 zeigt
ein Brennstoffzellensystem gemäß der Erfindung.
Wie in 1 dargestellt, weist ein Brennstoffzellensystem
der Festoxidart gemäß der Erfindung eine Festoxid-Brennstoffzelle 31 auf, eine
Brennstoffliefereinrichtung 32, die Stadtgas, Erdgas oder
dergleichen zu der Brennstoffzelle 31 liefert, eine Luftversorgungseinrichtung 33,
die Luft als Oxidierungsmittel zu der Brennstoffzelle 31 liefert, eine
Wasserversorgungseinrichtung 34, welche Wasser liefert
und eine Brennstoffbefeuchtungseinrichtung 35, die ein
Brennstoffgas, das zu der Brennstoffzelle 31 geliefert
wird, befeuchtet. Eine Steuereinheit 39 steuert die Durchflussrate
und den Betrieb der Brennstoffliefereinrichtung 32, die
Luftversorgungseinrichtung 33, die Wasserversorgungseinrichtung 34 und
die Brennstoffbefeuchtungseinrichtung 35.
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Die
Brennstoffzelle 31 ist mit einem Leistungswandler 36 verbunden,
der erzeugte Gleichstromleistung in Wechselstromleistung wandelt.
Der Leistungswandler 36 ist mit einem elektrischen Leitungssystem 37 und
einer elektrischen Last 38 verbunden. Die Brennstoffzelle 31 ist
auch mit einem Wärmetauscher 40 verbunden, der
Abgaswärme wiedergewinnt, die aufgrund der Leistungserzeugung erzeugt
wurde. Der Wärmetauscher 40 ist mit Umlaufrohren 43a und 43b zum
Wasserumlauf in einem Warmwasservorratstank 42 verbunden.
Der Wärmetauscher ist desgleichen mit einer Umlaufpumpe 41 verbunden,
welche das Wasser durch die Umlaufrohre 43a und 43b zu
dem Wärmetauscher 40 ver sorgt. Das Wasser in dem
Warmwasservorratstank 42 wird zu dem Wärmetauscher 40 durch
die Umlaufpumpe 41 von einem Boden des Tanks 42 durch
ein Umlaufrohr 43a gefördert. Das Wasser wird
durch den Wärmetauscher 40 erhitzt und zu dem
obersten bereich des Tanks 40 durch das Umlaufrohr 43b zurückgeleitet.
In dem Warmwasservorratstank 42 wird das Wasser in warmes
Wasser und kaltes Wasser gesondert, um eine Schichtung zu bilden.
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Wenn
keine Leistung zu dem elektrischen Leistungssystem 37 geliefert
wird, d. h. die elektrische Leistung, die durch die Brennstoffzelle 31 erzeugt
wird, wird nicht zu einem kommerziellen elektrischen Leistungssystem
geliefert, wird durch die Brennstoffzelle 31 Leistung erzeugt
abhängig von dem Leistungsverbrauch durch die elektrische
Last 38. Die Steuerung 39 zählt den Anteil
von Brennstoffgas geliefert zu der Brennstoffzelle 31 basierend
auf dem Ausgangsstrom und dem Brennstoffnutzungsverhältnis
der Brennstoffzelle 31, um die Brennstoffversorgung der
Vorrichtung 32 zu steuern. Das Abgas, das durch die Brennstoffzelle 31 aufgrund
der Leistungserzeugung erzeugt wird, heizt zirkulierendes Wasser
auf, das durch den Wärmetauscher 40 strömt
und das Warmwasser ist in dem Warmwasservorratstank für
eine zukünftige Nutzung gespeichert.
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Um
den Leistungserzeugungswirkungsgrad zu erhöhen, ist üblicherweise
das Berennstoffnutzungsverhältnis der Brennstoffzelle so
hoch wie möglich gesetzt.
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Das
heißt, um einen vorgegebenen Ausgangsstrom zu erreichen,
wird der Verbrauch an Brennstoffgas so weit wie möglich
reduziert, was das Brennstoffnutzungsverhältnis erhöht.
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Im
Unterschied zu der Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzelle 1 ist
die Festoxid-Brennstoffzelle 31 dadurch gekennzeichnet,
dass der Leistungserzeugungswirkungsgrad höher ist als
der Abgaswärmerückgewinnungswirkungsgrad. Wenn
daher die Festoxid-Brennstoffzelle 31 in gleicher Weise
betrieben wird wie die Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzelle, wird
ein geringerer Anteil an Warmwasser bevorratet. Wenn die Brennstoffzelle
daher vorrangig für eine Warmwassererzeugung genutzt ist,
kann dies ein Problem erbringen. Das Brennstoffzellensystem gemäß der
Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass ein geringeres Brennstoffnutzungsverhältnis
vorgegeben werden kann, wenn die Benutzung von Warmwasser in Form
einer Warmwasserbedarfslast größer wird, wenn
die Menge von Warmwasser in dem Warmwasservorratsbehältnis
kleiner wird oder wenn die Temperatur des Warmwassers in dem Warmwassertank
abnimmt. Die Begründung hierfür ist nachstehend
beschrieben. Wenn das Brennstoffnutzungsverhältnis reduziert
wird, obwohl der Leistungserzeugungswirkungsgrad abnimmt, nimmt
die Abgaswärmeenergie um den gleichen Anteil zu. Im Ergebnis
ist die Temperatur des Wassers, welches von dem Wärmetauscher 40 zurückgewonnen
wird, angehoben und der Anteil oder die Temperatur des gespeicherten
Warmwassers in dem Warmwasservorratstank ist erhöht.
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Wenn
beispielsweise ein großer Bedarf an Warmwasser angefordert
wird, wird das Brennstoffnutzungsverhältnis reduziert,
um dadurch den Energieanteil des Abgases, erzeugt durch die Brennstoffzelle,
anzuheben. Im Ergebnis wird der Anteil des Warmwassers, erzeugt
durch den Wärmetauscher, oder die Temperatur des Warmwasser
in dem Warmwasservorratstank angehoben. Dadurch kann der Anteil
an Warmwasser in dem Warmwasservorratstank und damit der Versorgungsanteil
an Warmwasser angehoben werden. Auch wenn der Leistungserzeugungswirkungsgrad
vermindert wird, kann die Abgaswärme genutzt werden für
einen ansteigenden Anteil an Warmwasser. So kann das Brennstoffzellensystem
wirksam betrieben werden.
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Im
Vergleich zu der Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzelle ist die Betriebstemperatur
der Festoxid-Brennstoffzelle 31 höher. Daher muss
die Betriebstemperatur der Brennstoffzelle selbst auf einer hohen
Temperatur beibehalten werden und eine Wärmeenergie dafür
ist erforderlich. Folglich ist durch eine Verminderung des Brennstoffnutzungsverhältnisses
ein solcher Effekt erreicht, dass die Betriebstemperatur der Brennstoffzelle
selbst auf einer hohen Temperatur beibehalten werden kann. Durch Verwendung
der Abgaswärmeenergie kann die Betriebstemperatur wirksam
auf einer hohen Temperatur beibehalten werden. Die Festoxid-Brennstoffzelle 31 antwortet
daher rasch, um eine große elektrische Leistung zu liefern,
die von der Last angefordert wird.
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Wenn
die Betriebstemperatur der Brennstoffzelle 31 abnimmt,
steuert die Steuereinheit 39 im Hinblick auf eine Zunahme
des Anteils an Brennstoffgas geliefert zu der Brennstoffzelle 31,
um dadurch das Brennstoffnutzungsverhältnis zu vermindern.
Die Betriebstemperatur der Brennstoffzelle 31 ist daran
gehindert, in großem Umfang zurückzugehen und
der Erzeugungsanteil an Warmwasser wird gesteigert und damit ist
der Speicheranteil an Warmwasser gesteigert. Wenn die Betriebstemperatur
der Brennstoffzelle 31 abnimmt, wird der Anteil an Brennstoffgas,
der zu der Brennstoffzelle 31 geliefert wird, angehoben,
um damit das Brennstoffnutzungsverhältnis zu vermindern.
Dadurch wird die Betriebstemperatur der Brennstoffzelle 31 daran
gehindert, in großem Umfang vermindert zu werden. Die Temperatur der
Brennstoffzelle 31 kann daher rasch gesteigert werden auf
eine Temperatur, bei welcher die maximale Leistung zu der elektrischen
Last geliefert wird. Entsprechend reagiert die Brennstoffzelle 31 rasch, um
eine große elektrische Leistung, angefordert durch die
Last, zu liefern. Zu diesem Zeitpunkt, verglichen mit dem Fall,
bei welchem das Brennstoffnutzungsverhältnis vermindert
wird, da der Anteil an Abgaswärme zunimmt, kann die Speichermenge
an Warmwasser gesteigert werden.
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Dies
beruht auf folgendem Prinzip. Wenn die Betriebstemperatur der Brennstoffzelle 31 abnimmt und
das Brennstoffnutzungsverhältnis auf ein konstantes Niveau
gesteuert wird, ist die Wärmeenergie grundsätzlich
zusammengesetzt aus nur der Wärmeenergie, die durch die
Brennstoffzelle 31 selbst erzeugt wird und der Verbrennungsenergie
des verbleibenden Brennstoffgases. Wenn daher die Betriebstemperatur
niedrig ist, steigt ein interner Widerstand an, was eine Verminderung
des maximalen Anteils an Energie bewirkt, von welchem die elektrische Leistung
abgezogen ist. Der Gesamtanteil an Energie steigt daher nicht und
es braucht eine beträchtlich lange Zeit, um eine vorgegebene
elektrische Leistung zu erreichen. Wenn die Betriebstemperatur abnimmt,
nimmt die Leistungserzeugungswirksamkeit der Brennstoffzelle 31 und
die Abgaswärmeenergie ab. In einem solchen Zustand wird
das zu der Brennstoffzelle 31 gelieferte Brennstoffgas
gesteigert, um dadurch das Brennstoffnutzungsverhältnis
zu vermindern. Die Verbrennungsenergie des verbleibenden Brennstoffes
wird gesteigert und dadurch erreicht die Brennstoffzelle 31 rasch
eine Temperatur, bei welcher die maximale elektrische Leistung zu
der elektrischen Last geliefert wird. Zu diesem Zeitpunkt nimmt
der Anteil an Abgaswärme zu, im Vergleich zu dem Fall,
bei welchem das Brennstoffnutzungsverhältnis nicht reduziert
ist, was sich in einem Ansteigen der Speichermenge des Warmwassers
auswirkt.
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Die
Betriebstemperatur der Brennstoffzelle 31 kann mittels
eines Temperatursensors ermittelt werden, der angrenzend an die
Brennstoffzelle 31 angeordnet ist. Die Brennstoffzelle
weist ein Festelektrolyt auf, das zwischengefasst ist zwischen eine Luftelektrode
und eine Brennstoffelektrode. Luft wird zu der Luftelektrode und
Brennstoffgas zu der Brennstoffelektrode geliefert und Überschussbrennstoffgas wird
verbrannt und Abgas erzeugt.
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Wenn
also die elektrische Leistung, die von der Brennstoffzelle 31 abgegeben
wird, abnimmt, steuert die Steuerungseinheit einen Anstieg des Anteils
an Brennstoffgas, der zu der Brennstoffzelle 31 geliefert
wird, um dadurch das Brennstoffnutzungsverhältnis zu vermindern.
Die Betriebstemperatur der Brennstoffzelle 31 ist dadurch
daran gehindert, in wesentlichem Umfang zurückzugehen,
was sich in einem Anstieg des Speicheranteils an Heißwasser auswirkt.
Die Begründung hierfür ist nachstehend gegeben.
Wenn die elektrische Leistung, die durch die Brennstoffzelle 31 erzeugt
wird, abnimmt, da die Brennstoffzelle 31 die elektrische
Leistung nicht zu dem elektrischen Leistungssystem liefert, wird
die Leistungserzeugung reduziert in Übereinstimmung mit
einer Reduktion der elektrischen Leistung. Wenn das Brennstoffnutzungsverhältnis
auf einem konstanten Niveau beibehalten wird, nimmt die Betriebstemperatur
der Brennstoffzelle 31 ab. Da die Leistungserzeugungswirksamkeit
der Brennstoffzelle 31 abnimmt, bis die Betriebstemperatur
wieder ansteigt, nimmt die abgebbare maximale elektrische Leistung ab,
was sich in einer Verminderung der Speichermenge an Warmwasser auswirkt.
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Die
Steuereinheit steuert weiter derart, dass das Brennstoffnutzungsverhältnis
der Brennstoffzelle während der Nacht vermindert ist. In
vielen Fällen wird der Verbrauch an elektrischer Leistung
bei einer Hauslast nachts ein minimales Niveau annehmen, was sich
in einer Verminderung der Betriebstemperatur der Brennstoffzelle
auswirkt. Durch eine Steuerung, welche das Brennstoffnutzungsverhältnis
der Brennstoffzelle zu einer solchen Zeit vermindert, kann die Betriebstemperatur
der Brennstoffzelle an einer Abnahme gehindert werden. Die geforderte elektrische
Leistung kann so rasch geliefert werden und der Erzeugungsmenge
an Warmwasser wird gesteigert.
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Weiter
ist ein Schalter vorgesehen, der es einem Nutzer ermöglicht,
auszuwählen, zwangsweise das Brennstoffnutzungsverhältnis
der Brennstoffzelle zu reduzieren. Wenn der Nutzer der Brennstoffzelle einen
großen Anteil an Warmwasser wünscht, kann er durch
Drücken des Schalters die Erzeugungsmenge an Warmwasser
steigern in Priorität zu der Leistungserzeugung.
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2 zeigt
ein Beispiel einer praktischen Abfolge, um das Brennstoffnutzungsverhältnis
zu bestimmen. In 2 ist beispielhaft das Brennstoffnutzungsverhältnis
eines gewöhnlichen Betriebes auf 75% gesetzt. Bei Bestimmung
des Verfahren des Brennstoffnutzungsverhältnisses wird
zunächst bestimmt, ob ein Abgaswärmemodus Priorität
haben soll, welcher bestimmt, dass eine Verminderung des Brennstoffnutzungsverhältnisses
zur Wirkung kommt.
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Dieser
Modus kann dadurch vorgesehen werden, beispielsweise, dass ein Abgaswärmeprioritätsmodusschalter
vorgesehen wird an dem Steuerungsgerät 39 der
Brennstoffzelle 31. Oder eine Fernsteuerung (nicht dargestellt)
kann vorge sehen werden, bezüglich der Steuereinheit 39 und
ein Abgaswärmeprioritätsmodusschalter kann an
der Fernsteuerung vorgesehen werden.
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Der
Abgaswärmeprioritätsmodus kann automatisch eingestellt
werden, um wirksam zu sein basierend auf der Nutzungsbedingung an
Heißwasser in einem Haushalt, der Menge oder der Temperatur von
Warmwasser in dem Warmwasservorratstank oder der Modultemperatur
(Betriebstemperatur) während einer Leistungserzeugung der
Brennstoffzelle 31. Die Bestimmung der automatischen Schaltung des
Abgasprioritätsmodus kann beispielsweise einmal pro Woche
vorgesehen werden basierend auf den nachstehenden Bedingungen. Dies
ist zunächst, dass die Gesamtmenge an benutztem Warmwasser einen
vorbestimmten Anteil übersteigt oder eine Gesamtzeit eines
Status oder dass die Modultemperatur unter eine spezifische Temperatur
abfällt, überschreitend einen bestimmten Wert.
Der Abgaswärmeprioritätsmodus kann abgeschaltet
werden bei kontinuierlichem Erfassen eines Bestimmungszustandes
und basierend auf den folgenden Bedingungen. Während des
Bestimmungszeitraumes, wenn die Gesamtverwendungsmenge an Warmwasser
unterhalb einer spezifischen Menge ist oder wenn die Gesamtzeit
eines Status, in dem die Modultemperatur unterhalb einer spezifischen
Temperatur ist, einen spezifischen Wert nicht erreicht hat.
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Wenn
der Abgaswärmeprioritätsmodus nicht wirksam ist,
wird der Leistungserzeugungsbetrieb bei 75% ausgeführt,
was dem Brennstoffnutzungsverhältnis während üblichem
Betrieb entspricht. Wenn der Abgaswärmeprioritätsmodus
wirksam ist, wird festgestellt, ob es sich um einen zwangsweisen
Wärmeabgasmodus handelt. Der zwangsweise Wärmeabgasmodus
ist ein Modus, bei welchem das Brennstoffzellensystem unter einer
Betriebsbedingung arbeitet, bei welcher das Brennstoffnutzungsverhältnis konstant
abgesenkt ist ungeachtet des Betriebszustandes. Dieser Modus ist
in einem Fall wirksam, dass bezogen auf den Verbrauchsanteil von
Heißwasser in einem Haushalt, das Heißwasser sehr
häufig ausgeht.
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Der
zwangweise Wärmeabgasmodus kann auch eingestellt werden
mit einem Schalter (Zwangswärmeabgasmodusschalter) vorgesehen
an der Steuereinheit 39 (und an der Fernsteuerung), was
es dem Benutzer ermöglicht, eine Verminderung des Brennstoffnutzungsverhältnisses
der Festoxid-Brennstoffzelle auszuwählen. Durch Durchführung
des Leistungserzeugungsbetriebes in dem Zwangswärmeabgasmodus
wird die Speichermenge von Warmwasser mehr angehoben als es der üblichen
Leistungserzeugung entspricht.
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Im
Weiteren wird die innere Temperatur (Betriebstemperatur) des Moduls
der Brennstoffzelle 31 bestimmt. Wenn die Modultemperatur
abnimmt, beispielsweise von 750C°, welches der gewöhnlichen Betriebstemperatur
entspricht, auf 650C° oder weniger, wird die Leistungserzeugung
mit einem auf 60% reduzierten Brennstoffnutzungsverhältnis
durchgeführt. Bei diesem Betriebsmodus wird der Speicheranteil
des Warmwassers angehoben und die Modultemperatur der Brennstoffzelle 31 ist
daran gehindert, stark zurückzugehen. Die Temperatur der
Brennstoffzelle kann so rasch auf eine Temperatur angehoben werden,
bei welcher maximale Leistung zu der elektrischen Last geliefert
werden kann. Da weiterhin die Last eines Temperaturzyklus an der
Brennstoffzelle 31 vermindert ist, kann eine solche Wirkung
erreicht werden, dass das Leben der Brennstoffzelle 31 verlängert
wird. Bei obigem Beispiel wird die Bestimmung basierend auf der
Modultemperatur in einem einzelnen Schritt gesteuert. Es können
jedoch auch Vielfach-Temperaturbestimmungsschritte vorgesehen sein,
um das Brennstoffnutzungsverhältnis in Vielfachschritten
zu steuern. Wenn die Modultemperatur von beispielsweise 750C°,
welches der üblichen Betriebstemperatur entspricht, auf
700C° und 650C° abnimmt, kann das Brennstoffnutzungsverhältnis
in den jeweiligen Temperaturschritten gesteuert werden. In diesem
Fall kann der Anteil an Brennstoffgas genauer gesteuert werden als
bei der Einzelschrittsteuerung in Übereinstimmung mit dem
Zustand der Brennstoffzelle. Das Brennstoffgas kann daher daran gehindert
werden, übermäßig verbraucht zu werden und
es ist daher eine wirkungsvollere Steuerung erzielt.
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Im
Weiteren wird die Speichermenge an Warmwasser in dem Warmwasservorratstank 42 bestimmt.
Wenn das Verhältnis (beispielsweise Warmwasser von 40C° oder
mehr) in dem Warm wasservorratstank beispielsweise 50% oder weniger
ist, wird der Leistungserzeugungsbetrieb mit einem Brennstoffnutzungsverhältnis
vermindert auf 60% oder weniger ausgeführt. Wenn der Leistungserzeugungsbetrieb
in dieser Betriebsweise ausgeführt wird, kann die Speichermenge
an Warmwasser mehr gesteigert werden als bei üblichem Leistungserzeugungsbetrieb.
In obigem Beispiel ist die Bestimmung der Speichermenge an Warmwasser
in einem Einzelschritt gesteuert. Das Brennstoffnutzungsverhältnis kann
aber auch in Vielfachschritten gesteuert werden, um die Speichermenge
an Warmwasser zu bestimmen. In diesem Fall kann der Anteil an Brennstoffgas
genauer gesteuert werden als bei einer Einzelschrittsteuerung in Übereinstimmung
mit dem Zustand der Brennstoffzelle. Das Brennstoffgas kann daher
daran gehindert werden, übermäßig verbraucht
zu werden. Und es ist eine wirkungsvollere Steuerung erzielt.
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Im
Weiteren wird die Betriebszeit bestimmt. Wenn die Betriebszeit Nacht
ist (beispielsweise von 24:00 Uhr bis 06:00 Uhr) wird der Leistungserzeugungsbetrieb
mit einem auf 60% verminderten Brennstoffnutzungsverhältnis
durchgeführt. In einem üblichen Haushalt wird
die Last kontinuierlich in einem Minimumzustand über Nacht
beibehalten. In diesem Zustand ist die Modultemperatur der Brennstoffzelle 31 abgesenkt.
Durch Verminderung des Brennstoffnutzungsverhältnisses
wird der Anteil an Brennstoffgas, das geliefert wird, angehoben,
um dadurch zu verhindern, dass die Modultemperatur stark ab nimmt.
Die Modultemperatur kann in kurzer Zeit angehoben werden auf eine
Temperatur, bei welcher die Brennstoffzelle maximale elektrische
Leistung zu der elektrischen Last liefern kann. Zu dieser Zeit,
da dann auch die Abgaswärmeenergie zunimmt, kann die Menge
an Warmwasser in dem Warmwasservorratstank 42 angehoben
werden.
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Bei
obiger Abfolge zur Bestimmung des Brennstoffnutzungsverhältnisses
kann das Brennstoffnutzungsverhältnis in einer Bandbreite
von 50 bis 70% eingestellt werden, obwohl das Brennstoffnutzungsverhältnis
gleichförmig gesteuert ist, um auf 60% vermindert z sein.
Das Brennstoffnutzungsverhältnis kann geändert
werden, basierend auf dem jeweiligen Bestimmungszustand, beispielsweise
basierend auf dem Zwangswärmeabgasmodus oder der Modultemperatur.
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Wie
zuvor beschrieben, kann das Brennstoffnutzungsverhältnis
während der Leistungserzeugung der Festoxid-Brennstoffzelle
variabel gesteuert werden. Die Produktionsmenge und die Speichermenge an
Warmwasser kann wirksam angehoben werden wie auch die Betriebstemperatur
der Brennstoffzelle angehoben werden kann.
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In
der vorbeschriebenen Abfolge, wie in 2 dargestellt,
kann die Bestimmung kontinuierlich durchgeführt werden.
Auch wenn der Betriebszustand sich ändert, kann daher der
betrieb durchgeführt werden, in Übereinstimmung
mit dem Betriebsstatus.
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Nachdem
die Erstschrittbestimmung durchgeführt ist, gemäß 2,
ob der Abgaswärmeprioritätsmodus in Wirkung ist,
kann die zweite Bestimmung des Zwangswärmeabgasmodus durchgeführt werden.
Im Fall jedoch, dass der Abgaswärmeprioritätsmodus
gegeben ist, kann das Warmwasser stabil zu der Warmwasserlast geliefert
werden, auch wenn das Berennstoffnutzungsverhältnis reduziert
ist, ohne dass der zweite Bestimmungsschritt des Zwangswärmeabgasmodus
durchgeführt wird.
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ZUSAMMENFASSUNG DER BESCHREIBUNG
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Ein
Brennstoffzellensystem, das geeignet ist, eine stabile Warmwasserversorgung,
bezogen auf eine Last, zu ergeben, ist vorgesehen. Das Brennstoffsystem
weist eine Festoxid-Brennstoffzelle 31, einen Wärmetauscher 40,
der Wärme zwischen Abgas von der Festoxid-Brennstoffzelle 31 und
Wasser tauscht, einen Warmwasservorratstank 42, der das Wasser
aufnimmt, Umlaufrohre 43a und 43b zum Umlauf des
Wasser zwischen dem Warmwasservorratstank 42 und dem Wärmetauscher 40 und
eine Umlaufpumpe 41 auf, die vorgesehen ist in Bezug auf die
Umlaufrohre 43a und 43b. Das Brennstoffzellensystem
ist mit einer Steuerungseinheit 39 versehen, welche das
Brennstoffnutzungsverhältnis während der Leistungserzeugung
durch die Festoxid-Brennstoffzelle 31 in Übereinstimmung
mit der verbrauchten Menge an gespeichertem Warmwasser steuert.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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