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Verfahren zur Konstanthaltung der Reaktionstemperatur eines Brennstoffzellenstapels Download PDF

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Abstract

Verfahren zur Konstanthaltung der Reaktionstemperatur eines Brennstoffzellenstapels (1) einer Brennstoffzellenanordnung mit einer Regelung (2), einer elektrischen Ausleitung (11), in der ein Leistungsmesser (8) angeordnet ist, einer Abgasleitung (10), in der ein Temperatursensor (7) angeordnet ist, einer Luftleitung (5) zur Brennstoffzellenanordnung, einem in der Luftleitung (5) angeordneten regelbaren Gebläse (3), einer Gasleitung (6) zur Brennstoffzellenanordnung, einem in der Gasleitung (6) angeordneten Gasventil (4), einem in der Gasleitung (6) angeordneten Volumenstrommesser (9), sowie zugehörigen Hilfsaggregaten, wie einem Reformer, wobei der Temperatursensor (7), der Leistungsmesser (8) und der Volumenstrommesser (9) über Signalleitungen (12, 13, 14) mit der Regelung (2) verbunden sind und das Gebläse (3) über eine Steuerleitungen (15) mit der Regelung (2) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelung (2) das Gebläse (3) in Abhängigkeit der Messwerte des Temperatursensors (7), des Leistungsmessers (8) und des Volumenstrommessers (9) mittels eines Algorithmuses oder mittels eines mit der Regelung in Verbindung stehenden Kennlinienfeldspeichers (19) so...

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Konstanthaltung der Reaktionstemperatur eines Brennstoffzellenstapels einer Brennstoffzellenanordnung.
  • Bei einem reinen Verbrennungsprozeß wird die adiabate Verbrennungstemperatur ideal nur vom Brenngas und dem Luftüberschuss bestimmt. Real stellt sich eine Verbrennungstemperatur ein, die auch von der Wärmeabstrahlung aus der Verbrennungszone und den Wärmeverlusten, die beide belastungsabhängig sind, bestimmt wird. Die Verbrennungstemperatur eines Verbrennungssystems ist somit eine Funktion des Brenngases, des Luftüberschusses und der Belastung.
  • Bei Brennstoffzellenanordnungen der eingangs erwähnten Art geht die im Brennstoff gebundene chemische Energie in elektrische Energie und thermische Energie über. Neben den bei einem Verbrennungssystem auftretenden oben erwähnten Parametern Brenngas, Luftüberschuss und Belastung wird die Reaktionstemperatur auch vom Anteil der elektrischen Energie an der Energiefreisetzung nach folgender Beziehung bestimmt. T = f(B, Hu, I, λ)
  • Dabei bedeuten T die Reaktions-Temperatur, B die Belastung, Hu den Heizwert des Brenngases, I den Strom und λ den Luftüberschuss.
  • Diese Beziehung stellt keine exakte Formel dar, sondern zeigt lediglich, dass die Temperatur eine Funktion der angegebenen Parameter ist.
  • Aus der DE 693 02 902 T2 ist eine Mess- und Regeltechnik zum Betrieben einer Brennstoffzelle bekannt, bei dem eine konstante Ausgangsspannung durch eine Steuerung und Regelung des Drucks und des Volumenstroms der Reaktantengase erreicht wird. Auch die DE 43 22 765 C1 befasst sich mit der Regelung einer Brennstoffzelle, wobei eine Vielzahl von Betriebsparameter erfasst und unter Zuhilfenahme von Kennfeldern geregelt werden. Die JP 63314769 A lehrt, dass die elektrische Leistung einer Brennstoffzelle unter anderem von der Temperatur der Brennstoffzelle abhängig ist.
  • Bei vielen Brennstoffzellen, insbesondere SOFC-Zellen, soll die Reaktionstemperatur konstant gehalten werden, um thermische Spannungen im Brennstoffzellenstapel zu vermeiden. Dies hat gemäß der oben genannten Zusammenhänge zur Folge, dass mit Hilfe des Luftüberschusses die Reaktionstemperatur konstant gehalten wird. Wird beispielsweise die Stromerzeugung erhöht, so würde normalerweise die Reaktionstemperatur sinken. Daher wird der Luftüberschuss vermindert, wodurch die Temperatur wieder steigt. Wird andererseits die Stromerzeugung vermindert und bzw. oder die Belastung erhöht, so würde ohne Ausgleichsmaßnahmen die Reaktionstemperatur ansteigen. Daher wird in einem solchen Fall der Luftüberschuss erhöht, wodurch die Reaktions-Temperatur konstant gehalten werden kann.
  • Dies zeigt deutlich, dass bei einer Brennstoffzellenanordnung eine Gas-Luft-Verbund-Steuerung, wie sie bei konventionellen Heizungsanlagen üblich ist, nicht angewandt werden kann. Brennstoffzellen benötigen daher meist sehr zahlreiche Sensoren und Regler, welche die Verbrennungsparameter überwachen und entsprechend steuern. Dies erfordert jedoch einen sehr erheblichen konstruktiven Aufwand.
  • Ziel der Erfindung ist es, diese Nachteile zu vermeiden und ein Verfahren zur Konstanthaltung der Reaktionstemperatur eines Brennstoffzellenstapels einer Brennstoffzellenanordnung der eingangs erwähnten Art vorzuschlagen, das sich auf einfache Weise steuern lässt und nur einen geringen konstruktiven Aufwand erfordert.
  • Erfindungsgemäß wird dies bei einem Verfahren zur Konstanthaltung der Reaktionstemperatur eines Brennstoffzellenstapels einer Brennstoffzellenanordnung der eingangs erwähnten Art durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 erreicht.
  • Durch die vorgeschlagenen Maßnahmen ist sichergestellt, dass die Regelung mittels des Volumenstromsensors zur Erfassung des Gasstromes, des elektrischen Leistungsmessers und des Abgas-Temperatursensors den momentanen Betriebszustand der Brennstoffzellenanordnung erfasst und aufgrund der abgelegten Kennlinienfelder das regelbare Gebläse steuert und so den Luftüberschuss im Sinne einer Konstanthaltung der Reaktionstemperatur steuert.
  • Durch die Merkmale des Anspruches 2 ergibt sich der Vorteil einer sehr einfachen konstruktiven Lösung. Der vom Strommesser gemessene Strom ist – wie auch die Spannung – eine stetige monotone Funktion der in der Brennstoffzelle produzierten elektrischen Leistung. Bei konstantem Druck in der Brennstoffzelle, der vorausgesetzt werden kann, ist jedem Stromwert ein bestimmter Spannungswert zugeordnet, wodurch allein aus dem Stromwert die elektrische Leistung ermittelt werden kann.
  • Durch die Merkmale des Anspruches 3 kann auf einfache Weise der Regelung der Heizwert des verwendeten Brenngases eingegeben werden.
  • Durch die Merkmale des Anspruches 4 wird es ermöglicht, mit geringem konstruktiven Aufwand den Heizwert des verwendeten Brenngases mittels der Kennlinienfelder einfach zu ermitteln.
  • Durch die Merkmale des Anspruches 5 kann der Heizwert des Brenngases sehr einfach ermittelt und der Regelung übermittelt werden.
  • Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:
  • 1 bis 3 drei verschiedene Ausführungsformen einer Brennstoffzellenanordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens und
  • 4 eine Kennlinie, die den Zusammenhang zwischen Strom und Spannung einer Brennstoffzelle zeigt.
  • Gleiche Bezugszeichen bedeuten in allen Figuren gleiche Einzelteile.
  • Bei der Ausführungsform nach der 1 ist ein Brennstoffzellenstapel 1 vorgesehen, der über eine Luftleitung 5, in der ein regelbares Gebläse 3 angeordnet ist und über eine Gasleitung 6, in der ein Gasventil 4 angeordnet ist, mit Luft und Gas versorgbar ist. Dabei ist in der Gasleitung 6 ein Volumenstrommesser 9 angeordnet, der über eine Signalleitung 12 mit einer Regelung 2 verbunden ist.
  • Aus dem Brennstoffzellenstapel 1 führt eine Abgasleitung 10 weg, in der ein Temperatursensor 7 angeordnet ist, der über eine Signalleitung 14 mit der Regelung 2 verbunden ist.
  • Weiter führt aus dem Brennstoffzellenstapel 1 eine elektrische Ausleitung 11 weg, in der ein Strommesser 8 zur Erfassung der elektrischen Leistung angeordnet ist und der über eine Signalleitung 13 mit der Regelung 2 verbunden ist.
  • Die Regelung 2 weist Einstellschalter 16 auf, die zur groben Einstellung des Heizwertes des Gases dienen.
  • Die Regelung 2 ist weiter über eine Steuerleitung 15 mit einem Motor des Gebläses 3 verbunden und steuert dieses in seiner Drehzahl. Weiter ist die Regelung über eine Verbindungsleitung 20 mit einem Kennlinienfeldspeicher 19 verbunden, in dem experimentell ermittelte Kennlinienfelder für alle möglichen Betriebszustände und zur Konstanthaltung der Reaktionstemperatur erforderlichen Luftdurchsatzes abgelegt sind.
  • Die Ausführungsform nach der 2 unterscheidet sich von jener nach der 1 dadurch, dass die Regelung 2 mit einem weiteren Kennlinienfeldspeicher 17 über eine Verbindungsleitung 21 verbunden ist. In diesem Kennlinienfeldspeicher 17 sind Kennlinien abgelegt, die experimentell den Zusammenhang zwischen der Abgastemperatur beim Start des Brennstoffzellenstapels 1 vor Beginn der Stromerzeugung und dem Heizwert des verwendeten Brenngases zeigen.
  • Die Ausführungsform nach der 3 unterscheidet sich von jener nach der 1 dadurch, dass in der Gasleitung 6 weiter ein Gassensor 18 zur Erfassung des Heizwertes des verwendeten Brenngases angeordnet ist, der über eine Signalleitung 22 mit der Regelung 2 verbunden ist.
  • Beim Betrieb des Brennstoffzellenstapels wird durch den Volumenstrommesser 9, den Strommesser 8, der aufgrund des konstant gehaltenen Druckes in dem Brennstoffzellenstapel 1 und dem bekannten Zusammenhang zwischen Strom und Spannung des Brennstoffzellenstapels 1 ein eindeutiges Maß für die momentane elektrische Leistung liefert, und den Temperatursensor 7, der die Abgastemperatur erfasst, ein eindeutiges Bild für den Betriebszustand des Bennstoffzellenstapels erhalten. Dadurch kann die Regelung 2 den für eine bestimmte Reaktionstemperatur notwendigen Luftüberschuss mittels eines Algorithmus errechnen.
  • Dieser Algorithmus berücksichtigt dabei die Brennstoffzellenbelastung, die aus dem Brenngasvolumenstrom, der mit dem Volumenstrommesser 9 ermittelt wird, und dem Heizwert und dem erzeugten elektrischen Strom ermittelt wird.
  • Dies erfolgt nach dem Algorithmus
  • λ = f(Belastung, Strom) z.B. λ = Ba × (b × Imax – I)c Dabei werden die Koeffizienten a, b und c experimentell im Labor ermittelt, wobei b < 1 sein muss, und B die Belastung, I den Strom und den Luftüberschuss bedeuten.

Claims (6)

  1. Verfahren zur Konstanthaltung der Reaktionstemperatur eines Brennstoffzellenstapels (1) einer Brennstoffzellenanordnung mit einer Regelung (2), einer elektrischen Ausleitung (11), in der ein Leistungsmesser (8) angeordnet ist, einer Abgasleitung (10), in der ein Temperatursensor (7) angeordnet ist, einer Luftleitung (5) zur Brennstoffzellenanordnung, einem in der Luftleitung (5) angeordneten regelbaren Gebläse (3), einer Gasleitung (6) zur Brennstoffzellenanordnung, einem in der Gasleitung (6) angeordneten Gasventil (4), einem in der Gasleitung (6) angeordneten Volumenstrommesser (9), sowie zugehörigen Hilfsaggregaten, wie einem Reformer, wobei der Temperatursensor (7), der Leistungsmesser (8) und der Volumenstrommesser (9) über Signalleitungen (12, 13, 14) mit der Regelung (2) verbunden sind und das Gebläse (3) über eine Steuerleitungen (15) mit der Regelung (2) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelung (2) das Gebläse (3) in Abhängigkeit der Messwerte des Temperatursensors (7), des Leistungsmessers (8) und des Volumenstrommessers (9) mittels eines Algorithmuses oder mittels eines mit der Regelung in Verbindung stehenden Kennlinienfeldspeichers (19) so steuert, dass die Reaktionstemperatur des Brennstoffzellenstapels (1) konstant gehalten wird.
  2. Verfahren zur Konstanthaltung der Reaktionstemperatur eines Brennstoffzellenstapels (1) einer Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Leistungsmesser ein Strommesser (8) verwendet wird, wobei der Druck in der Brennstoffzelle (1) konstant gehalten wird.
  3. Verfahren zur Konstanthaltung der Reaktionstemperatur eines Brennstoffzellenstapels (1) einer Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Grobeinstellung des Heizwertes des Brenngases Einstellschalter (16) an der Regelung (2) verwendet werden.
  4. Verfahren zur Konstanthaltung der Reaktionstemperatur eines Brennstoffzellenstapels (1) einer Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelung (2) zusätzlich zum Kennlinien feldsprüchs (19) mit einem weiteren Kennlinienfeldspeicher (17) verbunden wird, in dem experimentell bestimmte, den Heizwert des Brenngases in Abhängigkeit von der Abgastemperatur beim Start der Brennstoffzelle (1) vor dem Beginn der Stromerzeugung darstellende Kennlinien abgelegt sind.
  5. Verfahren zur Konstanthaltung der Reaktionstemperatur eines Brennstoffzellenstapels (1) einer Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelung (2) über eine Signalleitung (12) mit einem in der Gasleitung (6) angeordneten Gassensor (9) verbunden wird.
  6. Verfahren zur Konstanthaltung der Reaktionstemperatur eines Brennstoffzellenstapels (1) einer Brennstoffzellenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Brennstoffzellenstapel SOFC-Zellen verwendet werden.
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