DE19629265A1 - Verfahren und Anlage zur Leistungsanpassung einer Brennstoffzelle - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf

• - ein Verfahren zur kontinuierlichen Leistungsanpassung einer Brennstoffzelle oder einer Brennstoffzellenanlage sowie auf
• - eine Brennstoffzellenanlage, die ein kombiniertes System aus einem Sauerstoffanreicherer, einem Verdichtungssystem und einer Steuerung in der Zuleitung des Oxidans umfaßt.

Aus der DE-PS 42 01 795 ist ein Verfahren zur Leistungsstei­ gerung einer Brennstoffzelle und eine Anlage zur Durchführung des Verfahrens bekannte bei der zur Leistungssteigerung der Sauerstoffpartialdruck einer mit Luft als Oxidans betriebenen Brennstoffzelle erhöht werden kann. Dieses Verfahren und die Anlage dazu lösen die Probleme, die auftreten, wenn von einer Brennstoffzellenanlage eine erhöhte Leistung kurzfristig abgerufen werden soll. Bislang ungelöst ist jedoch das Pro­ blem, daß eine Brennstoffzellenanlage einem variablen elek­ trischen und thermischen Leistungsbedarf kontinuierlich ange­ paßt wird, und damit der jeweils optimale Wirkungsgrad er­ reicht wird oder daß die thermische zu Ungunsten der elektri­ schen Leistung oder umgekehrt gesteigert werden soll.

Der variable elektrische und thermische Leistungsbedarf kann bislang bei Brennstoffzellen mit konstantem Druck nur in ein­ geschränkter Weise abgedeckt werden, weil die spezifische Strom-Spannungscharakteristik ein bestimmtes Verhältnis der Strom- und Wärmeerzeugung festlegt. Es besteht daher ein Be­ darf, daß Systeme gefunden werden, bei denen ein variabler thermischer und elektrischer Leistungsbedarf über einen wei­ teren Bereich abgedeckt werden kann als es bislang (durch die bekannte Variation von Druck oder Sauerstoffgehalt) möglich war.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfah­ ren und eine Brennstoffzellenanlage zur Verfügung zu stellen mit einem Systemwirkungsgrad, der bei variablem thermischen und elektrischen Leistungsbedarf für jeden Anwendungs- und Betriebsfall optimiert ist. Außerdem ist es Aufgabe der vor­ liegenden Erfindung, ein System mit einer höheren Flexibili­ tät zu schaffen, das bei Bedarf die elektrische zugunsten der thermischen Leistung oder umgekehrt verringern kann.

Allgemeine Erkenntnis der Erfindung ist, daß bei einer Kombi­ nation aus Sauerstoffanreicherung und Druckerhöhung in der Zuleitung des Oxidans ein Leistungshub erreicht werden kann, der deutlich größer ist als der, den man durch alleinige Sau­ erstoffanreicherung oder durch alleinige Druckerhöhung er­ reicht. Außerdem ist Erkenntnis der Erfindung, daß durch eine Kombination wie oben beschrieben, eine Anpassung von Druck und Sauerstoffgehalt des Oxidans erreicht werden kann wodurch der thermische und elektrische Leistungsbedarf über einen weiteren Bereich abgedeckt wird als bei einer Variation von Druck oder Sauerstoffgehalt alleine.

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Anpassung der thermischen und elektrischen Leistung einer Brennstoffzellen­ anlage, wobei der Sauerstoffpartialdruck des der Brennstoff­ zellenanlage zuströmenden Oxidans einem variablen elektri­ schen und thermischen Leistungsbedarf kontinuierlich angepaßt wird. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung er­ geben sich aus den Unteransprüchen und aus der Beschreibung.

Bevorzugt wird das Verfahren durch eine Brennstoffzelle oder einen Brennstoffzellenstapel ausgeführt, der eine Kombination aus einem Sauerstoffanreicherungssystem und einem Verdich­ tungssystem mit einer Steuerungsanlage enthält.

Das Verfahren kann auch so durchgeführt werden, daß haupt­ sächlich der thermische Wirkungsgrad oder die thermische Lei­ stung der Brennstoffzelle kurz oder langfristig erhöht wer­ den. Ebenso kann das Verfahren so durchgeführt werden, daß hauptsächlich der elektrische Wirkungsgrad oder die elektri­ sche Leistung der Brennstoffzelle kurzfristig oder längerfri­ stig variabel an den Bedarf angepaßt werden.

Die Erfindung offenbart auch eine Brennstoffzellenanlage, die ein kombiniertes System aus einem Sauerstoffanreicherer und einem Verdichtungssystem für das Oxidans mit einer Steuerung zur kontinuierlichen Leistungsanpassung umfaßt, wobei über die Steuerung der Druck des Oxidans und der Anteil des Sauer­ stoffs im Oxidans derart regelbar sind, daß ein variabler thermischer und elektrischer Leistungsbedarf durch die Anlage im Rahmen der Regelbarkeit des Gesamtsystems optimal abge­ deckt werden kann. Sauerstoffanreicherer und Verdichter sind bevorzugt in die Zuleitung des Oxidans zur Brennstoffzelle/ zum Brennstoffzellenstapel (= stack) eingebaut.

Die Erfindung kann, wie die bereits bekannten Systeme, zur mobilen Energieversorgung und zur einseitigen kurzfristigen Leistungssteigerung eingesetzt werden. Weil die thermische Leistungsabgabe zu Ungunsten der elektrischen und umgekehrt verändert werden kann, kann sie auch bei stationären Anwen­ dungen zum Einsatz kommen. Dabei ist die Brennstoffzellenan­ lage zumindest ein Teil eines Energieversorgungssystems für Wohn- oder Nutzgebäude. Die dabei benutzten Brennstoffzellen­ anlagen bestehen bevorzugt aus einzelnen Brennstoffzellensta­ pel oder "stacks", wobei ein Brennstoffzellenstapel wiederum viele einzelne Brennstoffzellen umfaßt.

Geeignete Brennstoffzellen sind alle bekannten Brennstoffzel­ len insbesondere solche mit Polymerelektrolytmembranen (PEMFC = Macromolecular Fuel Cell, DMFC = Liquid Fuel Cell).

Das erfindungsgemäß einsetzbare Sauerstoffanreicherungssystem kann aus einer Luftzerlegungsanlage mit oder ohne eigenem Verdichtungssystem bestehen. Dabei kann der Sauerstoffanrei­ cherer durch eine Membrantrenneinheit, eine Druckwechsel- Adsorptions- oder -Absorptionseinheit, eine Gaszentrifugenein­ heit oder eine Kryoanlage, jeweils mit oder ohne integriertem Verdichter, realisiert werden.

Bei geringem Energieverbrauch wird die Brennstoffzellenanlage mit geringer Last betrieben, das heißt, die Brennstoffzellen werden mit Reaktanden (also Oxidans und Brennstoff) unter ge­ ringem Druck versorgt. Die Höhe des Drucks wird durch das Verdichtungssystem geregelt. Bei der Versorgung mit Reaktan­ den unter geringem Druck kann das Verdichtungssystem ein Lüf­ ter oder ein Gebläse sein. Bei dieser Ausgestaltung ist der Eigenverbrauch des Verdichtungssystems oder der Versorgungs­ einrichtung für die Reaktanden am geringsten. Wenn das Ver­ fahren hingegen bei hohem Druck betrieben wird ist zum Bei­ spiel ein Turbokompressor-Expander-System zur Versorgung der Brennstoffzellen mit Reaktanden einsetzbar.

Es ist vorgesehen, daß bei einer erfindungsgemäßen Anlage oder bei der Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens die Abwärme der Brennstoffzelle und auch die Abwärme der Luftzerlegungsanlage und des Verdichtungssystems sowie der Regelelektronik genutzt werden kann. Zusätzlich kann auch die Abwärme aus dem Wärmetauscher (Intercooler) zwischen dem Kom­ pressor und der Brennstoffzelle über die Brennstoffzellen ge­ nutzt werden. Neben den bekannten Arten die Abwärme eines Sy­ stems zu nutzen, kann die Abwärme auch zur Hebung des Tempe­ raturniveaus der Anlage genutzt werden oder zum Verdampfen von Methanol oder Wasser im System selbst. Bei der Verwendung in einem stationären Energieversorgungssystem kann die Abwär­ me zur Haus- oder Fernwärmeversorgung genutzt werden sowie mittels einer Absorptionswärmepumpe zur Kälteerzeugung.

Erfindungsgemäß ist das Problem der Austrocknung oder erhöh­ ten Befeuchtung bei luftbetriebenen Brennstoffzellen durch die Sauerstoffanreicherung, die dadurch reduzierte Menge an durchgeführtem Gas und den dadurch reduzierten Abtransport von Wasser verkleinert.

Ebenso wird das Problem des Regelaufwandes bei der Luftbeimi­ schung zum Brennstoff durch die Beimischung einer mit Sauer­ stoff angereicherten Luft deutlich reduziert, da der beige­ mischte Volumenstrom stark erhöht wird (zum Beispiel 500 ppm statt 100 ppm "Luft-Beigabe").

Mit dem erfindungsgemäß offenbarten System kann ein vorgege­ bener eben auch variabler Bedarf an elektrischer und thermi­ scher Energie durch eine Brennstoffzellenanlage gedeckt wer­ den. Bei der vorliegenden Erfindung legt die spezifische Strom-Spannungscharakteristik kein enges Verhältnis der Strom- und Wärmeerzeugung mehr fest und es kann der elektri­ sche und thermische Leistungsbedarf durch eine Anlage in ei­ nem weitaus weiteren Bereich abgedeckt werden als zuvor. Ins besondere ist der Bereich weitaus größer als bei einer Anlage nach dem genannten Stand der Technik, wo nur jeweils entweder der Druck oder der Sauerstoffanteil im Oxidans variiert wer­ den konnte.

Die Variation, die bei der Kombination von Sauerstoffanrei­ cherer und Verdichtungssystem möglich ist, erlaubt auch eine kontinuierliche Regelung des Systems. Es sind somit höhere Systemwirkungsgrade somit erreichbar als bei Systemen, die alleine mit Anreicherung oder alleine mit Druckerhöhung ar­ beiten.

Schließlich ist die Erfindung auch einsetzbar zur Kostenre­ duktion und Größenminimierung (letzteres nur dann, wenn sehr starke Lastwechsel auftreten), wo eine höhere elektrische Nettoleistungsdichte angestrebt wird. Bei stromgeführter Be­ triebsweise der Brennstoffzelle wird ein hoher elektrischer Nettowirkungsgrad der Stromquelle angestrebt, der ebenfalls verbessert wird. Die Erfindung ermöglicht also bei dem Be­ trieb von Brennstoffzellen erheblich höhere Flexibilität und bessere Wirkungsgrade als sie bisher möglich waren.

Claims (8)

1. Verfahren zur Leistungsanpassung einer Brennstoffzellenan­ lage, wobei der Sauerstoffpartialdruck des der Brennstoffzel­ lenanlage zuströmenden Oxidans einem variablen elektrischen und thermischen Leistungsbedarf kontinuierlich angepaßt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Sauerstoffpar­ tialdruck durch eine Kombination aus einem Sauerstoffanrei­ cherungssystem und einem Verdichtungssystem für das Oxidans kontinuierlich angepaßt wird.

3. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüchen bei dem hauptsächlich der thermische Wirkungsgrad oder die thermische Leistung der Brennstoffzellenanlage variabel an den Lei­ stungsbedarf angepaßt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei dem hauptsächlich der elektrische Wirkungsgrad oder die elektri­ sche Leistung der Brennstoffzellenanlage variabel an den Lei­ stungsbedarf angepaßt wird.

5. Brennstoffzellenanlage, die ein kombiniertes System aus einem Sauerstoffanreicherer und einem Verdichtungssystem für das Oxidans mit einer Steuerung zur kontinuierlichen Lei­ stungsanpassung umfaßt, wobei über die Steuerung der Druck des Oxidans und der Anteil des Sauerstoffs im Oxidans derart regelbar sind, daß eine variabler thermischer und/oder elek­ trischer Leistungsbedarf durch die Anlage optimal abgedeckt werden kann.

6. Brennstoffzellenanlage nach Anspruch 5, bei der die Steue­ rung in der Zuleitung des Oxidans zum Brennstoffzellenstapel integriert ist.

7. Verwendung einer Brennstoffzellenanlage nach Anspruch 5 oder 6 zur stationären Energieversorgung.

8. Verwendung einer Brennstoffzellenanlage nach Anspruch 5 oder 6 zur mobilen Energieversorgung.