DE2157722A1 - Elektronischer Proportionalregler zur Regelung der Brennstoffzufuhr bei Brennstoffzellen - Google Patents

Elektronischer Proportionalregler zur Regelung der Brennstoffzufuhr bei Brennstoffzellen

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Description

United Aircraft Corporation
400 Main Street
East Hartfort, Conn.o61o8
ELKKTRONISCHER PROPORTIONALREGLER ZUR REGELUNG DER BRENNSTOFFZUFUHR BEI BRENNSTOFFZELLEN
Priorität: USA No. 103.246
Patentanmeldung vom 31. Dezember 1970
Die Erfindung betrifft ein elektronisches Regelsystem für Brennstoffzellen und im besonderen einen elektronischen Proportionalregler zur Regelung der Brennstoffzufuhr bei Brennstoffzellen, und dadurch zur Regelung der Temperatur des Brennstoffreformierreaktors, in Abhängigkeit des Gesamtausgangsstromes der Brennstoffzelle.
Eine Brennstoffzelle ist eine Vorrichtung, welche chemische Energie direkt in elektrische Energie umwandelt. In einer Brennstoffzelle wird normalerweise Brennstoff und Luft oder Sauerstoff getrennt voneinander angeordneten die Elektroden der Zelle bildende Elektronenleitern zugeführt, an denen die Abgabe und Aufnahme von Elektronen stattfindet. Ein lonenleitmedium, welches elektrische La« düngen leiten kann, trennt die Elektroden. Auf der Brennstoffsaite der Zelle, diffundiert der Brennstoff, normalerweise Wasserstoff, durch die dortige Elektrode und Wasserstoffatome werden von der Oberfläche der Brennstoff elektrode in poicm von Atomen absorbiert. Diese Atome reagieren mit dem lonenleitmedium um Wasser zu bilden und geben bei der Reaktion Elektronen an die Brennstoff»Elektrode ab. Die Elektronen fliessen durch einen ä'usseren Stromkreis zur Oxydations- Elektrode/ dieser Elektronenstrom stellt die Ausgangsleistung der Brennstoffzelle dar« Der Elektronenfluss unterstützt
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die oxydierende Hälfte der Reaktion. Im Sauerstoffteil der Zelle diffundiert Sauerstoff durch die Sauerstoff-Elektrode und wird von .der Oberfläche derselben absorbiert. Der absorbierte Sauerstoff und die einfliessenden Elektronen kombinieren sich mit dem Wasser im Ionenleitmedium um Ionen zu bilden, welche den Stromkreis schliessen, in dem sie durch das Ionenleitmedium zur Brennstoff-Elektrode wandern..
Wenn der äussere Stromkreis offen ist, sammelt die Brennstoff-Elektrode eine Oberflächenschicht von negativen Ladungei, und die oxydierende Elektrode sammelt in ähnlicher Weise eine Schicht positiver Ladungen. Das Vorhandensein dieser angesammelten elektrischen Ladungen liefert die elektrische Spannung, welche die Elektronen durch den äusseren Stromkreis treibt, wenn derselbe geschlossen ist. Eine Brennstoffzelle ist ein System, welches bei Bedarf Energie abgibt, d.h. wenn der Stromkreis geschlossen ist, setzt sich die Reaktion bei gemässigter Geschwindigkeit fort und die angesammelten Ladungen werden mit dieser Geschwindigkeit verbraucht. Es ist selbstverständlich, dass sowohl Brennstoff als Sauerstoff oder Luft dan entsprechenden Elektroden zugeführt werden müssen, um kontinuierlich Strom an die Last des äusseren Stromkreises abgeben zu können. Die genauen Einzelheiten des Betriebes einer Brennstoffzelle sind dem Fachmann bekannt und werden deshalb hier nicht mehr im einzelnen beschrieben.
Es ist bekannt, dass die Brennstoffzellen, zur wirtschaftlichen Leistungserzeugung im grossen Masstabe billigen Brennstoff, wie etwa Naturgas, verarbeiten müssen. Oft wird der Brennstoff mit Hilfe von Dampf reformiert um Wasserstoff in einer Gerätschaft aussehalb der Brennstoffzelle zu erzeugen, die Dampfreformierreaktor genannt wird.
Brennstoffzellensystem halten die gewünschte elektrische Leistung der Zelle dadurch aufrecht, dass sie dieBetriebstemperatur der Zelle auf dem gewünschten Niveau halten, weil die Zellenleistung eine Funktion der Temperatur ist. In typischen Brennstoffzellen werden die Drucke der zugeführten Reaktionsstoffe, die Feuchtigkeitsgehalte, die Elektrolytkonzentration, die Durchflüsse und andere
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Parameter überwacht um das System bei optimalen Bedingungen zu betreiben. Regelsysteme für Brennstoffzellen sind bekannt, in welchen der Gesamtausgangsstrom der Brennstoffzelle und"die Betriebstemperatur des Dampfreformierreaktors überwacht werden, um den Zufluss der Reaktionsstoffe zum Reformierreaktor zu regeln.
Die Aufgabe der Erfindung ist eine Verbesserung der Brennstoffzellenregelsysteme für die Betriebsparameter der Zelle, sodass die Temperatur, die Wasserstofferzeugung und der Brennstoffverbrauch wirksamer als in bekannten System gesteuert werden.
Im Einklang mit einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird ein elektronischer Brennstoff-Proportionalregler für den Brennstoff bereitgestellt, welcher die Temperatur des Reformierreaktors des Brennstoffzellensystems in Abhängigkeit vom Gesamtausgangsstrom der Brennstoffzelle regelt. Ein Hauptvorteil des elektronischen Regelsystems besteht darin, dass es ein proportionales Brennstoffmessprogramm durchführt mit Hilfe billiger Digital Ein- und Ausgangstechniken.
In der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, erhält der elektronische Brennstoffregler als Eingangssignale ein Signal entsprechend dem Gesamtausgangsstrom der Brennstoffzelle, ein Signal entsprechend der Temperatur des Reformierreaktors und ein Signal entsprechend der Stellung des Brennstoffregelventils und erzeugt ein Steuersignal für das Regelventil in einer bestimmten Weise in Abhängigkeit von den Eingangssignalen. Die Stellung der Regelventile wird verändert um den Brennstofffluss zum Reformierreaktor zu verändern. Der Ausgang des elektronischen Brennstoffreglers betätigt ein Paar Spulen im Ein-Aus-Verfahren um die Stellung des Regelventils zu verändern. Ein Totband ist vorgesehen, sodass das Steuersignal, welches vom elektronischen Brennstoffregler erzeugt wird, die Stellung des Regelventils nur verändert, wenn die Abweichung vom vorgegebenen Programm einen bestimmten Bereich verlässt.
Die Anwendung eines elektronischen Brennstoffreglers in einem Brennstoffzellensystem bringt den Vorteil die Verstärkungen der Rückkopplungskreise für Strom, Temperatur und Ventilstellung leicht
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einstellbar sind, d.h. er ermöglicht das Regelsystem leicht an eine grosse Zahl verschiedener System anzupassen.
Elektronische Schaltkreise eignen sich gut zur Miniaturisierung, so etwa zur Produktion der Schaltkreise in hybrid integrierten Schaltkreisen. Das Regelsystem kann also von der Brennstoffzelle getrennt angeordnet werden.
Bei der vorliegenden Erfindung wird ein Brennstoff, wie etwa Naturgas, einer Saugstrahlpumpe mit veränderlichem Querschnitt zugeführt, bei welcher der Brennstoffzufluss zum Reformierreaktor in Abhängigkeit vom elektronischen Brennstoffregler geregelt wird. Wasserdampf und Brennstoff werden einem katalytischen leformierreaktor zugeführt in welchem Naturgas mit Wasserdampf reagiert um Wasserstoff zu bilden. Der Wasserstoff wird in die Brennstoffzelle geleitet, in welcher elektrische Energie erzeugt wird, welche in einer Last verbraucht wird. Der elektronische Brennstoffregler der Erfindung misst den Gesamtausgangsstrom der Brennstoffzelle, die Temperatur des Reformierreaktors und die Stellung des Ventils der Saugstrahlpumpe und erzeugt ein Steuersignal, welches dazu benutzt werden kann, die Stellung des Ventils der Saugstrahlpumpe zu verändern, wenn sich der Brennstoffzufluss zum Reformierreaktor gegenüber dem erforderlichen Brennstoffzufluss verändert hat. Um die Stellung des Ventils der Saugstrahlpumpe zu steuern, erzeugt der elektronische Brennstoffregler digitale Ausgangssignale, welche den Druck in einer Betätigungsvorrichtung für das Ventil regeln. Ein Totband im elektronischenBrennstoffregler legt einen Bereich fest, von dem der Betrieb des Systems abweichen muss, bevor die Stellung des Ventils verändert wird.
Die Erfindung wird jetzt an Hand einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, welche in den beiliegenden Zeichnungen dargestellt ist, beschrieben. In den Zeichnungen sind:
Figur 1 ein' schemcfcLsches Diagramm eines Brennstoffzellensystems mit dem elektronischen Brennstoffregler der Erfindung;
Figur 2 eine Darstellung der Betriebsweise des Fehlerdetektors der Figtur 1; und
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Figur 3 eine graphische Darstellung der Wirkung des Zellenausgangsstromes und der Reformierreaktortemperatur auf den Brennstoffzufluss. ' - -
In der Figur 1 ist ein mit Naturgas' arbeitendes Brennstöf fzellensysten dargestellt, in dem die vorliegende Erfindung eingebaut ist. Die Brennstoffzelle 10 ist an eine äussere Last angeschlossen,velche schematisch als Widerstand 14 dargestellt ist, durch den die in der Brennstoffzelle erzeugten Elektronen fliessen. Obschon nicht dargestellt, enthält ein Brennstoffzellensystem eine Zuführvorrichtung _lfiSr Wasser, welches in einem Kessel in Dampf umgeformt und einer Wasserstrahlpumpe 12 über eine Leitung 16 zugeführt wird. Der Dampf ist der primäre Zufluss zur Wasserstrahlpumpe 12. Brennstoff, etwa Naturgas, wird über eine Leitung 18 zugeführt und mit dem zugeführten Dampf in der Wasserstrahlpumpe vermischt. Die Wasserstrahlpumpe ist eine Vorrichtung mit veränderlichem Durchlassquerschnitt in welcher der Dampfdurchfluss und folglich der Brennstoffdurchfluss, durch den Öffnungsquerschnitt der Düse 20, durch welche der Dampf strömt, bestimmt wird. Ein Kolben 22, der an einer Stange 24 festgemacht ist, wird von einer Betätigungsvorrichtung 26 bewegt, was weiter unten beschrieben werden wird, um den Öffnungsquerschnitt der Düse 20 zu verändern und dadurch den Fluss von Dampf und auch Brennstoff durch die Düse 20 zu regeln.
Die Mischung \on Dampf und Brennstoff wird durch eine Leitung 28 dem Reformierreaktor 30 zugeführt, in welchem das Naturgas zu Wasserstoff, Kohlenstoffdioxyd, Kohlenstoffmonoxyd, und andere Restprodukte, wie Wasser und Metangas, umgeformt wird. Der reformierte Brennstoff wird dann durch eine Leitung 32 der Brennstoffelektrodenkammer der Brennstoffzelle 10 zugeführt. Ein Ausscheider oder eine chemische Zwischenreaktion können eingefügt werden, um den zugeführten Brennstoff zu reinigen.
Im allgemeinen wird mehr Brennstoff durch die Brennstoffzelle 10 geführt,-als in derselben benutzt werden kann und der übej£Lüssige Brennstoff verlässt die Brennstoffzelle und fliesst durch eine Leitung 34 zu einem Brenner 36, welcher an den Reformierreaktor 38 angebaut ist, und den überflüssigen Brennstoff mit Luft ver-
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mischt und verbrennt, um Wärme für den Re formier vor gang zu erzeugen. Die Auslassgase des Brenners werden einem Wärmeaustauscher 33 im Reformierreaktor 30 zugeführt um so die Verlustwä'rme zu erhalten.
Die Brennstoffzelle ist ein System, das bei Bedarf Energie abgibt und der Re formier reaktor 30 muss die Brennstoffzuführung an der Brennstoffelektrode immer wieder auffüllen. Eine ausgewählte Menge Brennstoff wird der Brennstoffzelle zugeführt und der Überschuss an Brennstoff wird dem Brenner im Reformierreaktor zugeleitet. Wenn die Zufuhr unterhalb der von der Brennstoffzelle und dem Reformierreaktor geforderten Menge liegt, wird eine ungenügende Menge überschüssiger Brennstoffe von der Brennstoffzelle zum Re-• formierreaktor 30 geleitet, wo-durch dessen Temperatur absinkt. Andererseits, wenn der überschüssige Brennstoff der Brennstoffzelle zu gross ist, nimmt die Brennertemperatur zu.
Die vorliegende Erfindung steuert den Brennstofflus zum Reformierreaktor 30 und somit die Zuführung von Wasserstoff zur Brennstoffzelle 10 durch Anwendung elektronischer Schaltkreise, die auf drei verschiedene Betriebsparameter des Brennstoffzellensystems ansprechen, und ein Steuersignal erzeugen, das eventuel der Betätigungsvorrichtung 26 zugeführt wird, um den Öffnungsquerschnitt der Düse 20 zu regeln um die Zufuhr von Dampf und Brennstoff durch die Saug-Strahlpumpe auf dem richtigen Wert zu halten. Die drei Parameter welche gemessen werden, sind der Gesamtausgangsstrom der Brennstoffzelle, die Temperatur des Reformierreaktors und die Stellung des Ventils der Saugstrahlpumpe.
Die Signale, welche eine Funktion dieser drei Parameter sind,verden nach geeigneter Verstärkung einem Summiernetzwerk 30 zugeführt, in welchem die Parameter in Abhängigkeit von Gleichungen verknüpft werden, um ein Steuersignal zu erhalten welches der Betätigungsvorrichtung 26 zugeführt wird.
Die deichung 1 beschreibt die Gesamtsteuerfunktion des elektronischen Brennstoffreglers und die Berechnung erfolgt im Summiernetzwerk 38.
K1I-K2T-K3P = K0 (D
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Darin sind:
I = Gesamtausgangsstrom der Brennstoffzelle T = Temperatur des Reformierreaktors
P = Stellung des Steuerventils
K. = Konstante zum Anpassen des Brennstoffzellenausgangsstromsignals
K2 = Konstante zum Anpassen des.Temperatursignals des Reformierreaktors
K3 = Konstaitezur Anpassung des Signals der Ventilstellung, und
K = eine willkürliche Konstante, d.h. ein Einstellwert, um den Betriebspunkt des Steuersystems festzulegen.
Eine Leitung 40 ist an die Last 14 angeschlossen um den durch die Last 14 fliessenden Ausgangsstrom der Brennstoffzelle aufzunehmen. Das Signal, welches dem Ausgangsstrom der Brennstoffzelle entspricht, wird über eine Leitung 40 und durch eine Verstä'rkungsvorrichtung K, im Block 42 dem Summiernetzwerk 38 zugeführt.
Die Temperatur des Reformierreaktors wird mit Hilfe eines Messfühlers 34, wie etwa ein Thermoelement, im Brenner 36 des Reformierreaktors gemessen und ein der Temperatur proportionales elektrisches Signal wird über die Versta'rkungsvorrichtung K2 im Block 46 dem Summiernetzwerk 38 zugeführt.
Die Stellung des Regelventils in der Saugstrahlpumpe 12 wird z.B. durch einen an der Stange 24 festgemachten Schleiferarm 48 festgestellt, welcher mit der Vasteilung des Regelventils der Saugstrahlpumpe durch die Betätigungsvorrichtung 26 entlang eines Potentiometers 50 verstellt wird, um ein elektrisches Signal entsprechend der Stellung des Regelventils zu erzeugen. Dieses Stellungssignal wird über eine Verstärkungsvorrichtung K3 im Block 52 dem Summiernetzwerk 38 zugeführt. Es können auch andere Stellungsanzeigevorrichtungen, welche ein elektrisches Signal erzeugen, benutzt werden .
Das. Summiernetzwerk 38 summiert das korrigierte Ausgangsstromsignal, das korrigierte Reformierreaktortemperatursignal und das korrigierte Stellungssignal des Regelventils und erzeugt ein Steuersignal im Einklang mit der Gleichung 1. Das Steuersignal wird
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über eine Leitung 44 an einen Fehlerdetektor 56 geführt, welcher gestrichelt dargestellt ist, der eine Totbandvorrichtung enthält. Die Figur 2 stellt in graphischer F°*"ni den Betrieb des Fehlerdetektors dar. Wenn das Steuersignal auf der Leitung 54 innerhalb des Totbandes, d.h. weder über einen vorgegebenen höchsten oder einen vorgegebenen tiefsten Wert fällt, tritt keine Korrektur durch die Brennstoffregelung ein. Wenn das Steuersignal über den hohen bzw. unter den tiefen Wert des Totbandes im Fehlerdetektor 56 steigt bzw. fa'llt, wird ein Fehlersignal erzeugt, wie es weiter unten beschrieben ist, und dieses Fehlersignal wird über Leitungen 58 und 59 an einen der Blöcke 60, 61, welche elektronische Tieibeiverstä'rker enthalten, geführt. Das Fehlersignal, wird auf der Leitung 58 erscheinen, wenn das Steuersignal über dem Totband liegt und ist ein Schliessignal für das Regelventil der SaügsträaL-pumpe. Wenn das Steuersignal zu niedrig ist, wird ein Fehlersignal auf der Leitung 59 erzeugt, dasein Öffnungssignal für das Regelventil der Saugstrahlpumpe ist. Die Verstärker 60 und 61 sprechen auf das Vorhandensein eines Fehlersignals an und sind jeweils mit einer Spule 62, 64 verbunden, um die Betätigungsvorrichtung 26 in der richtigen Richtung zu bewegen, um den Brennstoff fluss durch die Saugstrahlpumpe zu vergrössern, bzw. zu verringern durch Verändern des Durchlassquerschnittes der Düse 20 durch Verstellen des Stempels 22. . .
Im Fehlerdetektor 56 sind ein Paar Vergleicherschaltkreise 63 und 65 dargestellt, wovon jeder das Steuersignal des Summiernretzwerkes 38 erhält und dieses mit einer über die Klemmen 67 und 69 zugeführten Bezugsspannung vergleicht. An die Klemme 67 ist eine höhere Spannung angelegt, als an die Klemme 69, die Differenz zwischen den beiden Spannungen bestimmt die Breite des Totbandes. Die Bezugsspannungen können einstellbar sein. Ein Steuersignal, welches die Spannung an der Klemme 67 überschreitet, oder die niedriger als die Spannung an der Klemme 69 ist, wird den entsprechenden Vergleicherschaltkreis aktivieren, um ein Ausgangssignal zu erzeugen, das einem der Verstärker zugeführt wird. Wenn ein Signal auftritt, welches ausserhalb des Totbandes liegt, wird der entsprechende Leistungsverstärker arbeiten, um eine der Spulen
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62 oder 64 zu erregen. Andere Arten von Fehlerdetektorschaltkreisen können benutzt werden, was für den Fachmann selbstverständlich ist.
Das Summiernetzwerk ist als ein Block dargestellt, aber es kann mehrere elektronische Schaltkreise enthalten. Z.B., um die durch die Gleichung 1 definierte Funktion durchzuführen, kann das Brennstoff zellens tr omsignal mit dem Signal der Brennertemperatur verglichen werden, und die Differenz dazwischen kann in einem getrennten Stromkreis mit dem Rückkopplungssignal der Ventilstellung verglichen werden, um das Steuersignal auf der Leitung 54 zu erzeugen. Es wird allerdings vorweggenommen, dass die Funktionen des Summiernetzwerkes auf einem einzigen Stromkreischip kombiniert werden können.
Die Betätigungsvorrichtung 26 ist als druckgesteuerte Vorrichtung dargestellt, aber elektrischer Betrieb der Betätigungssvorrichtung mit geeigneten Integrationsmotoren kann auch angewandt werden. Wie in den Zeichnungen dargestellt ist, betätigen die Spulen 62 und 64, wenn sie von den Verstärkern 60 oder 61 erregt werden, die Ventile 66 und 68 in einer solchen Weise, dass die Betätigungsvorrichtung 26 ein Drucksignal von einer nicht dargestellten Druckquelle erha'lt, derart, dass die Stange 24 bewegt und der Durchlassquerschnitt der Döse in der Saugstrahlpumpe 12 um den richtigen Wert verändert wird. Die Druckquelle ist an eine Leitung 70 angeschlossen, und über das Ventil 66 mit der Betätigungsvorrichtung 26 verbunden. Ein Signal vom Verstärker 60 wir d die Spule 62 erregen, um das Ventil 66 zu öffnen, und dadurch den Druck in der Betätigungsvorrichtung 26 zu erhöhen, wenn der Durchlassquerschnitt der Düse der Saugstrahlpumpe 12 in einer Richtung verändert werden soll. Die Veränderung des Durchlassquerschnittes der Düse der Saugstrahlpumpe 12 in der anderen Richtung wird dadurch erreicht, dass die Spule 64 das Ventil 68 öffnet und den Druck in der Betätigungsvorrichtung 26 über die Leitung 72 ablässt. Die Ventile 66 und 68 sind nie glej.chzt.itig geöffnet. Ein Drosselventil kann in der Druckleitung der Betätigungsvorrichtung angeordnet sein, um die Gen ■I.v/Lndigktjit zu steuern mit welcher die Betätigungsvorrichtung ·: spricht; und dadurch die luüsgratLonarate de;* Systems zu
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verändern. Der Eibau des Ventils 71 erlaubt auch die Anwendung eines schmaleren Totbandes für eine genauere Regelung.
Die Betä'tigungsvorrichtung 26 integriert die Drucksignale, welche ihr durch die Betätigung der Spulen 62 und 64 durch den elektronischen Brennstoffregler zugeführt werden, und eine Änderung des Druckes in der Betätigungsvorrichtung 26 verändert die Ventilstellung in der Saugstrahlpumpe 12 um den Einstellpunkt derselben zu korrigieren. Dies verändert die in den Re formier reaktor 30 fliessende Menge von Brennstoff und Dampf und bewirkt Veränderungen in den Signalen vom Rückkopplungspotentiometer 50 und dem Thermoelement 44, welche dem Summier netzwerk 38 zugeführt werden. Dies wieder bewirkt eine Veränderung des Steuersignals auf der Leitung 54. Wenn das Steuersignal innerhalb des Totbandes des Fehlerdetektors 56 liegt, werden keine weiteren Änderungen im System vorgenommen. Wenn jedoch das Steuersignal noch ausserhalb des Nullpunktes des Fehlerdetektors liegt-, werden weitere Veränderungen der Stellung des Ventils der Saugstrahlpumpe vorgenommen. Dies eventuel bis Null erreicht ist.
Dem Re formier reaktor 30 und der Brennstoffzelle 10 muss Luft zugeführt werden, wie das dem Fachmann bekannt ist, und im allgemeinen werden getrennte Regelkreise vorgesehen um den Luftdurchfluss zu regeln. Eine Neuerung des vorliegenden System besteht in einem Ventil 76 veränderlichen Durchlasses, welches über ein Gestänge 76 an die Stange 24 angeschlossen ist. Luft, welche von einer nicht dargestellten Luftquelle dem Ventil 75 zugeführt wird, wird durch dieses zu dem Reformierreaktor 3O der Brennstoffzelle 10 wie erforderlich zugeführt. Die Stellung des Ventils wird in Abhängigkeit von der Stellung der Stange 24 moduliert, wobei die Stellung der Stange 24 eine Funktion des dem Reformierreaktor über die Saugstrahlpumpe 12 zugeführten Brennstoffes ist, um so das durch das Ventil 75 strömende Luftvolumen zu verändern. Obschon es nicht dargestellt ist, kann die Luftzufuhr zum Reformierreaktor weiter geregelt werden, um der dem Brenner 36 über einen Wechselkonverter umgeh ungs leiter zugeführten Luft proportional sein. Luft vird für Kühl ungs zwecke durch den Viechseikonverter geführt,· und wird auch benutzt, um die Verbrennung im Brenner zu stützen. Eine
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typische Luftquelle besteht aus einem von einem elektrischen Motor angetriebenen Geblä'se. Typisch sind die Saugstrahlpumpe 12, die Be-. tä*tigungsvorrichtung 26 und das Luftsteuerventil 35 in einem Paket zusammengefasst, wobei das Rückkopplungspotentiometer 50 auch einen Teil dieses Paketes bildet.
Der Brennstoffregler verändert die Temperatur des Refomierreaktors gemäss einem Diagramm, welches proportional dem Brennstoffzellenstrom ist. Das Diagramm kann linear oder nichtlinear sein. Der . Brennstoffregler spricht derart auf das Steuersignal auf der Leitung 54 an, dass die Saugstrahlpumpe entsprechend der Differenz zwischen dem Brennstoffzellenstrom und der Temperatur des Reformierreaktors und dem Totband im Fehlerdetektor 56 proportional verstellt wird. Der Proportionalbetrieb des Brennstoffreglers wird durch die Rückkopplung der Ventilstellung mit Hilfe des Potentiometers 50 erreicht. Dieses RCtckkopplungssignal begrenzt die Verstellung des Ventils in der Saugstrahlpumpe 12 auf eine Strecke proportional der Differenz zwischen Brennstoffzellenstrom und Temperatur des Reformierreaktors und dem Totband im Fehlerdetektor 56. Der Verstärkungsfaktor K3 in Block 52 korrigiert das Ventilstellungssignal und bestimmt das Ansprechen der Beta'tigungsvorrichtung 26 auf ein hohes oder ein niedriges Steuersignal. Im normalen Betrieb bewirkt eine Änderung des Brennstoffzellenstromsignals entweder ein grosses oder ein kleines Steuersignal auf der Leitung 54 auf welches das Steuerventil in der Saugstrahlpumpe 12 anspricht, bis die Nullbedingung erfüllt ist. In diesem Augenblick kann das Steuerventil der Saugstrahlpumpe 12 in eine Stellung gebracht worden sein, in welcher eine überkorrektur für das grosse oder Heine Fehlersignal vorliegt. Wenn man der Temperatur des Reformierreaktors 30 erlaubte sich bei dieser Stellung des Regelventils der Saugstrahlpumpe zu stabilisieren so würde der Soll-Betriebspunkt des Systems überschritten werden. Bei den tatsächlichen Betriebsbedingungen spricht die Temperatur des Reformierreaktors 30 langsam auf die Stellung des Regelventils an, wodurch die zeitliche Nullbedingung des Steuersignals auf der Leitung 54 gestört wird, und in dem die Masse wie die Temperatur auf das Steuersignal anspricht, konvergiert die Stellung des Regelventils der
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Saugstrahlpumpe zur richtigen Stellung hin, um den Reformierreaktor 30 bei einer Temperatur entsprechend dem Diagramm des Brennstoffzellenstromes zu betreiben.
Der Brennstoff lus in dem Re formier reaktor 30, welcher eine Mischung von Dampf- und Naturgas ist, wird am Brennstoffregelsystem programmiert, um mit dem Brennstoffzellenstrom zuzunehmen, wie es in der Figur 3 dargestellt ist. In dieser Figur ist der Brennstoffzufluss zum Reformierreaktor, welcher direkt proportional zur Stellung des Regelventils in der Saugstrahlpumpe ist, als eine Funktion des Brennstoffzellenstromes dargestellt. Die Linien T1, T2, T_, T- und T5 stellen Regelkennlinien vom Brennstoffzellenausgangsstrom und Brennstoffzuführung zum Reaktor dar, wobei jede Linie einer verschiedenen Betriebstemperatur des Reformierreaktors entspricht. Für einen gegebenen Brennstoffzellenstrom wird die Brennstoffzufuhr zum Reformierreaktor bei abnehmender Temperatur desselben erhöht. Der Temperaturbereich T. -T5 ist geeignet für den Betrieb des Reformierreaktors. Z.B. kann T1 gleich 816 C sein, während T5 gleich 760 C sein kann. Der Reformierreaktor kann bei irgendeiner in diesem Bereich liegenden Temperatur arbeiten, muss aber auf der Linie A-C betrieben werden, um mit maximalem Wirkungsgrad zu arbeiten.
Die Linie A-C der Figur 3 stellt eine typische Betriebscharakteristik eines Reformierreaktors dar. Eine gegebene Brennstoffzufuhr wird einen gegebenen Brennstoffzellenstrom erzeugen. Der Strom ist direkt abhängig vom Wasserstoff verbrauch, weil die Reaktion jedes Wasserstoffmoleküls eine feste Zahl Elektronen freigibt. Deshalb stellt die Linie A-C den Wasserstoffverbrauch der Brennstoffzelle gegenüber der Brennstoffzufuhr zum Reformierreaktor dar, was eine Betriebscharakteristik der jeweiligen Reformiereinheit ist.
Betrieb rechts von der Linie A-C stellt ein Überschuss von dem Reformierreaktor zugeführten Brennstoff dar, welcher zu einer Erhöhung der Temperatur des Reaktors führt. Umgekehrt, stellt der Betrieb links von der Linie A-C eine ungenügende Brennstoffzufuhr zum Reaktor dar, wodurch die Temperatur desselben fällt.
Eine Erhöhung der Temperatur des Reaktors bewirkt über den elek-
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tronischen Brennstoffregler eine Abnahme der Brennstoffzufuhr. Eine Abnahme der Reaktortemperatur bewirkt über den elektronischen Brennstoffregler eine Zunahme der Brennstoffzufuhr, Gleichgewicht, wird erreicht, wenn die Brennstoffzufuhr zum Reformierreaktor die Reformierreaktorbetriebskennlinie schneidet.
Spezifische Einzelheiten der Kurven der Brennstoffzufuhr zum Reformierreaktor und eine ausführliche Beschreibung der Entwurfskenngrössen sind der US-Anmeldung 776.959 mit dem Titel "Reformer Fuel Flow Control" vom 19. November 1968 zu entnehmen. Zusammenfassend kann gesagt werden,bei einem gegebenen Brennstoffzellenstrom ist das System so entworfen, dass, wenn die Temperatur des Reformierreaktors abnimmt die Brennstoffzufuhr zunehmen wird, um einen grösseren Überschuss an nicht in der Brennstoffzelle verbrauchtem Brennstoff zu liefern, welcher aus der Zelle abgeführt und im Brenner verbrannt wird, um den Reformierreaktor auf Soll-Temperatur zu bringen.
Die Figur 3 zeigt auch, dass die Einteilung der Brennstoffzufuhr durch die Überwachung des Brennstoffzellenstromes erreicht wird. Für grosse A'nderungen des Brennstoffzellenstromes treten grosse Änderungen der Brennstoffzufuhr zum Reformierreaktor auf. Der Betrag der im System geforderten Korrektur ist eine Funktion des Verlaufes der Betriebscharakteristik des Reformierreaktors und der Genauigkeit der Messung des Brennstoffzellenstromes. Die Brennstoffzufuhr zum Reformierreaktor kann auch über den ganzen Betriebsbereich durch die Temperatur alleine geregelt werden, aber nur mit verminderter Ansprechgenauigkeit, wie es mit zusätzlicher Brennstoffzellenstromabha'ngigkeit möglich ist, und mit weit verminderter Ansprechgenauigkeit, wie es mit der proportionalen, rückgekoppelten Regelung der vorliegenden Anmeldung möglich ist. Die Kombination des Brennstoffzelleniromes, der Temperatur und der Ventilstellungsrückmeldung liefert eine Ansprech- und Einstellgenauigkeit, welche mit der Temperatur allein oder mit der Temperatur und dem Brennstoffzellenstrom zusammen nicht erreicht werden kann.
Die neuen Merkmale der vorliegenden Erfindung sind die Anwendung
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elektrischer Schaltkreise um eine proportionale Regelung zu erreichen, und ein proportionales Brennstoffzufuhrdiagrainm zu liefern, bei Anwendung digitaler Ein-Austechnik. Die Rückkopplungsverstärkungen in dem elektronischen Teil des Brennstoffreglers sind leicht einstellbar, wodurch das Regelsystem an viele Anwendungen anpassbar ist. Die Elektronik eignet sich selbst zur Minaturisierung, weil die Stromkreise auf einem hybriden integrierten Schaltkreischip erzeugt werden können. Der elektronische Teil der Schaltkreise kann entfernt von der Brennstoffzelle angeordnet sein. Spezifische Stromkreiskomponenten sind nicht beschrieben worden, weil der Entwurf individueller Stromkreise von der spezifischen Grosse und Leistung der Brennstoffzelle und der vorliegenden Temperaturen abhSngig ist, sowie von der gewünschten Ansprechgeschwindigkeit des Systems und anderen spezifischen Eigenschaften desselben·
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Claims (9)

  1. PATENTANS PRÜCHE
    /l.j Regelsystem für eine Brennstoffzelle mit einer
    Brennstoffquelle, einem Ventil mit veränderlichem Durchlassquerschnitt zum Zumessen des Brennstoffdurchlasses, einem Reformierreaktor zum Umformen des Brennstoffes in Wasserstoff und zum Zuführen desselben in die Brennstoffzelle, und eine an die Brennstoffzelle angeschlossene Last, gekennzeichnet durch Mittel (40,42) zum Erzeugen eines dem Ausgangsstrom der Brennstoffzelle (10) proportionalen Stromsignals, Mittel (44, 46) zum Zeugen eines der Temperatur des Reformierreaktors (30) proportionalenTemperatursignals. Mittel (50, 52) zum Erzeugen eines der Stellung des Zumessventils (12, 2O) proportionalen Stellungssignals, eine Summiervorrichtung (38), welche auf das Stromsignal, das Temperatureignal und das Stellungssignal anspricht um ein Steuersignal zu erzeugen, und Mittel (26, 24, 22) zum Verändern des Durchflussquerschnittes des Ventils (12, 20) um den Brennstoffdurchfluss in Abhängigkeit vom Steuersignal zu verändern.
  2. 2. Regelsystem nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Fehlerdetektor (56), welcher auf das Steuersignal anspricht, und hohe und niedrige Begrenzungen für das Signal liefert, welche durch ein Totband getrennt sind, und dass die Mittel (26, 24, 22) zum Einstellen des Durchlassquerschnittes des Ventils (12, 20) mit dem Ausgang des Fehler detektor s (56) verbunden sind.
  3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Fehlerdetektor (56) einen ersten (63) und einen zweiten (65) Vergleichsschaltkreis erhält, die an das Summiernetzwerk (38)angeschlossen sind, und durch eine Bezugsspannungsquelle (67, 69) für jeden Vergleichsstromkreis (63, 65), wobei eine Bezugsspannung grosser als die andere Bezugsspannung ist, und die Spannungsdifferenz zwischen den Bezugsspannungen die Grenzen des Totbandes angibt.
  4. 4. Regelsystem nach Anspruch 2 oder 3, gekennzeichnet durch eine Betätigungsvorrichtung (26) in den Mitteln (26, 22, 24) zum Verändern des Durchlassquerschnittes des Ventils (12, 20).
  5. 5. Vorrichtung nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch
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    - 16 Spulen (62, 64), welche auf die ausserhalb des Totbandes liegenden Steuersignale zur Betätigung der Betätigungsvorrichtung (26) ansprechen.
  6. 6. Vorrichtung nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch Verstärker (60, 61), welche auf das Steuersignal ausserhalb des Totbandes ansprechen, um ein Ain-Aus-Steuersignal für die Spulen (62, 64) zu erzeugen.
  7. 7. Regelsystem nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch eine erste (62) und eine zweite (64) Spule, welche mit der Betätigungsvorrichtung (26) verbunden sind, wobei die Betätigung der einen Spule über die Betätigungsvorrichtung das Ventil zur Zunahme des Brennstoffdurchflusses und die Betätigung der anderen Spule das Ventil über die Betätigungsvorrichtung zur Abnahme des Brennstoffdurchsatzes verstellt, und je einen Verstärker (60, 61) für jede Spule, welcher auf das Fehlersignal anspricht, um die erste oder zweite Spule zu erregen.
  8. 8. Regelsystem nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch eine Druckquelle zur Betätigung der Betätigungsvorrichtung (26) und Ventile (66, 68), welche durch das Ansprechen der Spulen (62, 64) betätigt werden, um den der Betätigungsvorrichtung (26) zugeführten Druck zu verändern.
  9. 9. Regelsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch eine Druckquelle für den Reformierreaktor (30) und die Brennstoffzelle (10) und Mittel (75), welche auf die Stellung des Ventils (12, 20) veränderlichen Durchlassquerschnittes ansprechen um den Luftzufluss zum Reformierreaktor (30) und der Brennstoffzelle (10) zu verändern.
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