DE19947880B4 - Method for controlling the reaction temperature of fuel cells with upstream reformer - Google Patents
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Abstract
Verfahren zur Regelung der Reaktionstemperatur einer Brennstoffzelle (1) mit einem vorgeschalteten Reformer (16), in dem Wasser und ein Brenngas zur Erzeugung von Wasserstoff eingeleitet werden, der in der Brennstoffzelle (1) mit Luft zur Reaktion gebracht wird, dadurch gekennzeichnet, dass zur Regelung der Temperatur der Brennstoffzelle (1) die Zufuhr von inertem Wasser in den Reformer (16) variiert wird.method for controlling the reaction temperature of a fuel cell (1) an upstream reformer (16), in the water and a fuel gas to Generation of hydrogen can be initiated in the fuel cell (1) is reacted with air, characterized that for controlling the temperature of the fuel cell (1) the supply of inert water in the reformer (16) is varied.
Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Regelung der Reaktionstemperatur einer Brennstoffzelle gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.The The invention relates to a method for controlling the reaction temperature a fuel cell according to the preamble of claim 1.
Aus
der
Bei vielen Brennstoffzellen muss die Reaktionstemperatur konstant gehalten werden, um thermische Spannungen in einem Brennstoffzellenstapel zu vermeiden. Normalerweise wird dies über die Variation des Luftüberschusses erreicht. Wird beispielsweise die Stromerzeugung erhöht, so würde normalerweise die Reaktionstemperatur sinken, bzw. es steigt diese, wenn der Luftüberschuss vermindert wird. Wird andererseits die Stromerzeugung vermindert und bzw. oder die Belastung erhöht, so würde ohne Ausgleichsmaßnahmen die Reaktionstemperatur ansteigen. Es wird in einem solchen Fall daher der Luftüberschuss erhöht, wodurch die Reaktionstemperatur konstant gehalten werden kann.at many fuel cells, the reaction temperature must be kept constant be to thermal stresses in a fuel cell stack to avoid. Usually, this is done by varying the excess air reached. For example, if power generation is increased, it would normally the reaction temperature drops, or it rises, if the excess air is reduced. On the other hand, the power generation is reduced and or the load increases, so would without compensatory measures increase the reaction temperature. It will be in such a case hence the excess of air elevated, whereby the reaction temperature can be kept constant.
Je nach der Art der Brennstoffzellen ist die Abgastemperatur nach Verlassen des Systems so hoch, dass die im Abgas gebundene thermische Energie noch genutzt werden kann. Der gegebenenfalls hohe Luftüberschuss bedingt jedoch, dass Kondensationswärme nur in relativ geringem Maße genutzt werden kann. Allgemein gilt, dass mit dem Luftüberschuss der Wirkungsgrad der Wärmenutzung des Abgases einer Brennstoffzelle abnimmt.ever according to the type of fuel cell is the exhaust gas temperature after leaving of the system so high that the bound in the exhaust thermal energy can still be used. The possibly high excess air conditioned, however, that condensation heat only in relatively small Dimensions are used can. Generally, with the excess air, the efficiency the use of heat of the exhaust gas of a fuel cell decreases.
Ziel der Erfindung ist es, diese Nachteile des bisherigen Verfahrens zur Regelung der Reaktionstemperatur der Brennstoffzelle mittels Variation des Luftüberschusses zu vermeiden und ein Verfahren der eingangs erwähnten Art anzugeben, das auch die Ausnutzung der Abgaswärme der Brennstoffzellen in einem sehr hohen Ausmaß ermöglicht.aim The invention is these disadvantages of the previous method for controlling the reaction temperature of the fuel cell by means Variation of excess air to avoid and to provide a method of the type mentioned, also the utilization of the exhaust heat allows the fuel cells to a very high degree.
Erfindungsgemäß wird dies bei einem Verfahren der eingangs erwähnten Art durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 erreicht.According to the invention this is in a method of the type mentioned by the characterizing Features of claim 1 achieved.
Durch die vorgeschlagenen Maßnahmen ist es ebenfalls möglich, die Reaktionstemperatur der Brennstoffzellen zu steuern, bzw. konstant zu halten. Da dabei der Luftüberschuss entsprechend den Erfordernissen eingestellt werden kann und insbesondere bei verstärkter Zufuhr von Wasser zum Reformer der Brennstoffzelle das Abgas einen entsprechend hohen Feuchteanteil aufweist, setzt die Kondensation des Abgases sehr früh ein, wodurch der Wärmeübergang zwischen dem Abgas und einem Kondensations-Wärmetauscher begünstigt wird. Dadurch kann die Wärmetauscherfläche entsprechend klein gehalten werden, und es ergibt sich ein hoher Wirkungsgrad der Nutzung der Wärme des Abgases. Im idealen Fall kann die gesamte Energie, die zum zusätzlichen Verdunsten des Wasserdampfes benötigt wurde, im Kondensations-Wärmetauscher wieder zurückgewonnen werden, was bei einer Erhöhung der Luftzahl nicht möglich wäre und einen Teil der Energie nicht wiedergewinnbar entweichen ließe. Bei dem vorgeschlagenen Verfahren lässt sich die Reaktionstemperatur energetisch sinnvoller konstant halten als bei den bekannten Verfahren.By the proposed measures it is also possible to control the reaction temperature of the fuel cell, or constant to keep. As the air surplus can be adjusted according to the requirements and in particular at reinforced Supply of water to the reformer of the fuel cell, the exhaust a has correspondingly high moisture content, continues the condensation the exhaust gas very early a, whereby the heat transfer between the exhaust gas and a condensation heat exchanger is favored. As a result, the heat exchanger surface can be correspondingly small be kept, and it results in a high efficiency of use the heat the exhaust gas. In the ideal case, all the energy that is needed to supplement Evaporation of water vapor needed was in the condensation heat exchanger recovered again be, what if the increase Air ratio not possible would be and a part of the energy could not escape recoverable. In which proposed method the reaction temperature keep energetically meaningful constant as in the known methods.
Durch die Merkmale des Anspruches 2 ist es auf einfache Weise möglich, eine bestimmte Reaktionstemperatur vorzusehen und in Abhängigkeit von dieser die Zufuhr von Wasser zum Reformer der Brennstoffzelle zu steuern.By the features of claim 2, it is possible in a simple manner, a to provide certain reaction temperature and in dependence from this the supply of water to the reformer of the fuel cell to control.
Die Merkmale des Anspruches 3 ermöglichen einen sehr variablen Einsatz der Brennstoffzelle, wobei die Regelung der Zufuhr von Wasserdampf zweckmäßigerweise in Abhängigkeit von einem Kennlinienfeld erfolgt, in dem verschiedene Brennstoffzellenbelastungen in Abhängigkeit von der elektrischen Leistung abgelegt sind. Dabei ist es möglich, die Reaktionstemperatur auch dann zu steuern bzw. konstant zu halten, wenn die Belastung der Brennstoffzellen und deren elektrische Leistung variiert werden.The Features of claim 3 allow a very variable use of the fuel cell, the scheme the supply of water vapor expediently in dependence from a characteristic field, in which various fuel cell loads dependent on are stored by the electrical power. It is possible, the Also to control or keep the reaction temperature constant, when the load on the fuel cells and their electrical power be varied.
Durch die Merkmale des Anspruches 4 ist es auf einfache Weise möglich, allfällige Änderungen der Brenngasqualität zu berücksichtigen.By the features of claim 4, it is possible in a simple manner, any changes in the Fuel gas quality to take into account.
Die
Erfindung wird nun anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen
Bei
der Ausführungsform
nach der
Dieser
Reformer
Die
in der Brennstoffzelle erzeugte elektrische Energie wird über die
elektrische Leitung
Dabei
wird je nach dem Betriebszustand der Brennstoffzelle
Die
Damit
ist es auf sehr einfache Weise möglich,
die Temperatur der Brennstoffzelle
Die
Einrichtung nach der
Weiters
ist ein Strommesser
Außerdem ist
ein Temperatursensor
Mit
der Einrichtung nach der
Der
aus der Brennstoffzelle
Der
Regler
Bei
jeweils konstantem Brenngasvolumen und erzeugtem elektrischen Strom
verändert
sich bei einer Änderung
der Zusammensetzung des Brenngases die Abgastemperatur der Brennstoffzelle
Inertes Wasser bedeutet, dass es an chemischen Reaktionen nicht teilnimmt, allenfalls den Aggregatszustand ändert.Inert water means that it is chemi does not participate in reactions, at best changes the state of aggregation.
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