DE2756651A1

DE2756651A1 - Anlage zur erzeugung von elektrizitaet durch eine elektrochemische reaktion

Info

Publication number: DE2756651A1
Application number: DE19772756651
Authority: DE
Inventors: Richard Norman Gagnon
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: Raytheon Technologies Corp
Priority date: 1976-12-27
Filing date: 1977-12-19
Publication date: 1978-06-29
Also published as: JPS5923066B2; FR2375729B1; FR2375729A1; IL53513A0; DE2756651C2; GB1544312A; JPS5381923A; IL53513A; CA1076641A; US4098960A

Description

Anlage zur Erzeugung von Elektrizität durch eine elektrochemische Reaktion

Die Erfindung befaßt sich mit Brennstoffregelsystemen für Brennstoffzellen. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Brennstoffregelsystem, in welchem der Brennstoffprozessor von der Brennstoffzelle durch ein druckempfindliches Absperrorgan getrennt ist, welches den Durchfluß von den brennstoffbildenden Bestandteilen im Verhältnis zu dem durch die Belastung der Brennstoffzelle gegebenen Bedarf regelt. Das System arbeitet außerdem so, daß Brennstoff so, wie er zum Aufrechterhalten der gewünschten Temperatur des Brennstoffreaktors

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benötigt wird, zugeführt wird.

Eine Brennstoffzelle ist ein Bedarfssystetn, in welchem die Zelle entsprechend ihrer Belastung arbeitet. Im allgemeinen wird ein Brennstoff auf Wasserstoffbasis für die Brennstoffversorgung der Brennstoffzelle benutzt und der Brennstoff auf Wasserstoffbasis wird durch einen Brennstoffprozessor hindurchgeleitet,um den Brennstoff in reinen Wasserstoff umzuwandeln, der dann der Brennstoffzelle zugeführt wird. In typischen bekannten Systemen wird die Gleichstrombelastung der Brennstoffzelle abgefühlt und Wasserstoff und Sauerstoff werden der Brennstoffzelle entsprechend ihrem Bedarf zugeführt. Überschüssiger Wasserstoff wird von dem Brennstoffzellenauslaß zu dem Reformiererbrenner des Brennstoffprozessors gefördert und die Temperatur des Reformierers wird auf einem gewünschten Wert gehalten, indem die Menge an der Brennstoffzelle zugeführtem Wasserstoff verändert wird. Solche Systeme arbeiten nach der Voraussetzung, daß das Aufrechterhalten einer konstanten Temperatur in dem Reformierer die richtige Brennstoffzufuhr zu der Brennstoffzelle entsprechend dem Bedarf gewährleistet. Solche Systeme werden im allgemeinen als "der Belastung folgende Systeme" bezeichnet.

Das Problem bei diesen der Belastung folgenden Systemen liegt darin, daß die Brennstoffzelle auf Belastungsänderungen fast augenblicklich anspricht, während die Ansprechzeit des Prozessors und des Stroms von Materialien zu dem Prozessor und aus dem Prozessor zu der Brenn-

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stoffzelle nicht kurz genug ist, um den wechselnden Belastungserfordernissen der Brennstoffzelle nachzukommen. Während die Brennstoffzelle auf Belastungsänderungen beinahe augenblicklich anspricht, gibt es daher eine feste minimale Zeitverzögerung in dem Ansprechen des Prozessors und in der Zufuhr von Brennstoffen zu dem System. Es kommt daher in dem Ansprechen des Prozessors auf den Bedarf der Brennstoffzelle zu einer bekannten Zeitverzögerung, die ernste Betriebs-Probleme mit sich bringen kann.

Es sind bereits verschiedene Versuche gemacht worden, um die Leistungsfähigkeit von Brennstoffzellen zu verbessern. Die US-PS^fen 3 098 768, 3 159 506, 3 585 078 und 3 607 419 zeigen Beispiele von bekannten Versuchen zur Regelung der Brennstoffzufuhr in einer Brennstoffzellenanlage. Alle diese bekannten Anlagen sind jedoch hinsichtlich der Lösung des Problems aus verschiedenen Grtinden weniger als ausreichend.

Gemäß der Erfindung ist der Brennstoffprozessor von der Brennstoffzelle durch ein Bedarfsabsperrorgan getrennt (das manchmal auch als ein Trennabsperrorgan bezeichnet wird), welches auf Drücke an dem Absperrorgan anspricht und den Durchfluß verändert, um einen gewünschten Druck an der Brennstoffzelle aufrechtzuerhalten, der konstant oder programmiert sein kann. Die Trennung des Brennstoffprozessors von der Brennstoffzelle gestattet dem gesamten Brennstoffprozessor, bei einem erhöhten Druck zu arbeiten und als ein Reservoir für Wasserstoffbrennstoff benutzt

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zu werden, der dann für die sofortige Zufuhr zu der Brennstoffzelle bei Bedarf zur Verfügung steht, wenn die Belastung der Brennstoffzelle zunimmt. Die Verfügbarkeit eines Wasserstoffbrennstoffreservoirs garantiert ein ausgezeichnetes Übergangsverhalten der Anlage.

Der Wasserstoffbrennstoff wird bei Bedarf aus dem Prozessor zu der Brennstoffzelle geleitet, wenn sich die Belastung ändert. Eine Belastungszunähme verursacht einen Verbrauch von mehr Wasserstoff, wodurch der Wasserstoffdruck in der Zelle gesenkt wird. Dieser reduzierte Druck veranlaßt das Bedarfsabsperrorgan, den Brennstoffdurchfluß zu erhöhen, um den Solldruck an der Brennstoffzelle stromabwärts des Absperrorgans aufrechtzuerhalten. Umgekehrt führt eine Abnahme der Belastung zu einem geringeren Brennstoffdurchfluß, um den gewünschten Brennstoffzellendruck aufrechtzuerhalten.

Der Wasserstoffbrennstoff wird außerdem dem Reformiererbrenner zugeführt, um den Reformierer auf der richtigen Reaktionstemperatur zu halten. Der dem Reformiererbrenner zugeführte Wasserstoff wird zuerst der Brennstoffzelle zugeführt, um sicherzustellen, daß ausreichend Wasserstoff verfügbar ist, damit die Brennstoffzelle die der Belastung entsprechende Leistung abgibt. Es gibt daher einen Überschuß an Wasserstoffbrennstoffzufuhr zu dem Brennstoffzellenstapel, um eine gute Wasserstoffverteillung auf alle aktiven Zellen sicherzustellen. Dieser

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überschüssige Wasserstoff wird dann von der Brennstoffzelle zu dem Reformiererbrenner gefördert, um die gewünsch· te Temperatur in dem Reformiererbrenner aufrechtzuerhalten. Der Brennstoffstrom von der Brennstoffzelle zu dem Brenner des Reformierers wird durch ein temperaturempfindliches Absperrorgan geregelt. Wenn das temperatur empfind liehe Absperrorgan öffnet, um den Brennstoffzufluß zu dem Reformiererbrenner zu vergrößern, fühlt das Bedarfsabsperrorgan zwischen dem Prozessor und der Brennstoffzelle einen Druckabfall in der Brennstoffzelle ab und das Bedarfsabsperrorgan wird darauf ansprechen und mehr Wasserstoffbrennstoff zu der Brennstoffzelle liefern, um die Anlage wieder abzugleichen, und liefert somit den für den richtigen Betrieb sowohl der Brennstoffzelle als auch des Reformierers benötigten Brennstoff.

Das Regelsystem nach der Erfindung hat die Fähigkeit, die Menge an von dem Prozessor benötigtem Brennstoff zu regeln und das richtige Verhältnis von Rohbrennstoff, Wasserdampf und umgewälztem Wasserstoff zu bestimmten. Das System arbeitet mit Abfühlen des Druckes stromaufwärts des Bedarfsabsperrorgans und benutzt diesen Druck zum Positionieren von Bemessungsabsperrorganen, um die Zufuhr an Rohbrennstoff, Wasserdampf und umgewälztem Wasserstoff konstant zu regeln oder zu bemessen, damit bei Bedarf eine ausreichende Zufuhr an unter Druck stehendem Wasserstoff erfolgt. '

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Von der Anmelderin ist bereits vorgeschlagen worden (US SN 754 181) Wasserstoff und/oder ein Rohbrennstoff-Wasserdampf-Gemisch unter Druck in einem Sammler in der Anlage zu speichern, wobei der Druck ausreicht, um Brennstoff der Brennstoffzelle bei Bedarf zuzuführen. Wenn der Druck von gespeicherten Material unter einen vorbestimmten Wert abfällt, werden EIN/AUS-Absperrorgane betätigt, um mehr Rohbrennstoff und Wasserdampf zuzuführen, um die Brennstoffzufuhr zu ergänzen. Die Absperrorgane werden inaktiviert, wenn der gewünschte Druckwert wieder hergestellt ist.

Die Erfindung schafft demgemäß ein neues und verbessertes Brennstoffzellenbrennstoffregelsystem, das eine beträchtlich verbesserte Reaktionszeit bei dem Ansprechen auf Belastungsänderungen an der Brennstoffzelle aufweist.

In dem Brennstoffzellenbrennstoffregelsystem nach der Erfindung ist der Brennstoffprozessor von der Brennstoffzelle durch ein druckregelndes Bedarfsabsperrorgan getrennt, wodurch die Ansprechzeit für das Fördern von Brennstoff zu der Brennstoffzelle sowohl auf geänderte Belastungen an der Brennstoffzelle als auch auf Änderungen der Reformierertemperatur hin verbessert wird,

In dem Brennstoffzellenbrennstoffregelsystem nach der Erfindung ist das Bedarfsabsperrorgan, das den Prozessor von der Brennstoffzelle trennt, druckempfindlich und

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gestattet, Brennstoff stromaufwärts des Bedarfsabsperrorgans zu speichern, wodurch die Ansprechzeit des Systems auf sich ändernde Belastungen an der Brennstoffzelle verbessert wird.

In dem Brennstoffzellenbrennstoffregelsystem nach der Erfindung werden Brennstoffmaterialien in Abhängigkeit von dem Druck stromaufwärts des den Prozessor von der Brennstoffzelle trennenden Absperrorgans kontinuierlich gefördert.

Die Erfindung schafft also, kurz zusammengefaßt, ein Brennstoffzellenbrennstoffregelsystem, in welchem der Brennstoffprozessor von der Brennstoffzelle durch ein Bedarfsabsperrorgan getrennt ist. Der Brennstoffprozessor arbeitet bei einem erhöhten Druck, wobei die Zufuhr von brennstoffbildenden Bestandteilen im Verhältnis zu dem Bedarf auf der Basis des Druckes stromabwärts des Bedarfsabsperrorgans und der Temperatur in dem Wasserstoff reformierer ständig überwacht wird.

Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 ein Schema einer Brennstoffzellenanlage

nach der Erfindung,

Fig. 2 ein vereinfachtes Schema einer gekuppel-

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ten Anordnung von Brennstoffzellen-

moduln und Prozessormoduln,

Fig. 3a eine graphische Darstellung von Druckwerten in der Richtung des Brennstoffflusses bei Betrieb mit niedriger und hoher Leistung in bekannten Anlagen, und

Fig. 3b eine schetnatische Darstellung von Druckwerten in der Richtung des Brennstoffflusses bei einem Betrieb mit niedriger und hoher Leistung in einer Anlage nach der Erfindung.

Gemäß Fig. 1 wird Rohbrennstoff aus irgendeiner geeigneten Brennstoffquelle über eine Zufuhrleitung 10 über einen Brennstoffdruckregler 12 und anschließend über ein Brennstoffbemessungsventil 16, das durch einen Stellantrieb 18 gesteuert wird, einem Entschwefeler 20 zugeführt. Der Rohbrennstoff, bei welchem es sich vorzugsweise um irgendeinen bekannten Kohlenwasserstoffbrennstoff für die Verwendung in Brennstoffzellen handelt, wird in dem Entschwefeler 20 in bekannter Weise erhitzt, um Schwefel aus dem Brennstoff zu entfernen. Der entschwefelte Brennstoff wird dann über eine Leitung 22 zu einer Saugstrahlpumpe 24 gefördert, die ihn einsaugt und mit Wasserdampf aus einer weiter unten beschriebenen Quelle vermischt. Der Ejektor oder die Saugstrahlpumpe 24 hat einen veränderlichen Durchflußquerschnitt, der durch einen beweg-

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lichen Zapfen 26 bestimmt wird, wobei der Betrieb des Zapfens 26 durch einen Stellantrieb 28 bestimmt wird. Ein Gemisch aus entschwefeltem Brennstoff und Dampf wird aus der Saugstrahlpumpe 24 über eine Leitung 30 zu einem Wasserstoffreformierer 34 gefördert, welcher einen Brenner 36, einen Kohlenoxidkonverter 38 und einen überhitzer 40 enthält. Das Gemisch aus Rohbrennstoff und Wasserdampf, das dem Wasserstoffreformierer 34 zugeführt wird, wird in dem Reformierer nach bekannten Verfahren in einen wasserstoffreichen Strom umgewandelt. Der Rohbrennstoff wird in Gegenwart eines Katalysators typischerweise in die einzelnen Bestandteile des Brennstoffes dampfreformiert, bei welchen es sich typischerweise um Wasserstoff, Kohlendioxid, Kohlenmonoxid sowie einen gewissen Rest an Wasser und Methan handelt. Der dampfreformierte Brennstoff geht dann durch den Konverter 38 hindurch, in welchem Kohlenmonoxid mit Restwasser reagiert, um Kohlendioxid und zusätzlichen Wasserstoff zu erzeugen. Das sich ergebende wasserstoffreiche Ausgangsmaterial wird dann zu einem Wasserstoffkondensator 42 gefördert, in welchem Wasser abgeschieden wird, und relativ reiner Wasserstoff wird dann zu einer Brennstoffzellenversorgungsleitung 44 gefördert. Der Entschwefeler 20, der Reformierer 34 und der Kondensator 42 können gemeinsam als ein Prozessor 45 bezeichnet werden.

Der Wasserstoffbrennstoff strömt dann von dem Kondensator 42 aus durch ein Druckregelventil 46 und dann zu einem Brennstoffzellenstapel 48, wo er zum Betreiben der Brenn-

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stoffzelle benutzt wird. Das Druckregelventil 46 dient zum Trennen des Brennstoffzellenstapels von den Brennstoffprozessoreletnenten stromaufwärts des Druckregelventils. Das Druckregelventil 46 spricht auf den Belastungsbedarf an der Brennstoffzelle an und regelt die Brennstoffzufuhr entsprechend dem Bedarf, um einen gewünschten Gasdruck in der Brennstoffzelle stromabwärts des Ventils aufrechtzuerhalten. Das Ventil 46 spricht vorzugsweise auf den Druck in der Leitung 44 stromabwärts des Ventils an. Selbstverständlich kann das Ventil 46 auch auf irgendeinem anderen Parameter ansprechen, der sich entsprechend der Belastung der Brennstoffzelle ändert.

Wasser wird zu einem Wärmetauscher 50 in der Brennstoffzelle 48 gefördert, um die Brennstoffzelle zu kühlen. Das erhitzte Wasser (typischerweise Wasserdampf), das von dem Wärmetauscher 50 abgegeben wird, wird über eine Leitung 52 und ein Gegendruckregelventil 54 zu dem Konverter 38 geleitet. Außerdem wird der Dampf über eine Leitung 56 und ein Druckregelventil 58 zu dem Überhitzer 40 des Wasserstoffreformierers gefördert. Überhitzter Dampf, der von dem Überhitzer 40 abgegeben wird, dient zum Betreiben der Saugstrahlpumpe 24, der er über eine Leitung 64 zugeführt wird. Der Dampfdurchfluß durch die Leitung 64 wird durch die Position des Zapfens 26 der Saugstrahlpumpe 24 reguliert.

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Eine Rückleitung 68 fördert gereinigten Wasserstoff aus der Leitung 44 über ein Druckregelventil 70 zu einem Proportionalregelventil 73, das durch einen Stellantrieb 75 betätigt wird. Außerdem wird Wasserstoffbrennstoff aus der Brennstoffzelle 48 über eine Leitung 74 und ein temperaturgesteuertes Ventil 76 zu dem Brenner 36 des Reformierers geleitet. Das Ventil 76 wird in Abhängigkeit von der Temperatur in dem Reformierer 34 gesteuert, die durch einen Temperaturfühler 78 abgefühlt wird, dessen Ausgangssignal einem Meßwandler 80 zugeführt wird, der das Ventil 76 steuert.

Im Betrieb der Anlage nach der Erfindung werden die Druckregler 12, 70 und 58 und die Durchflußregelventile 16 und 73 sowie der Zapfen 26 so eingestellt und/oder bemessen, daß eine größere Durchflußmenge als an dem maximalen Betriebsleistungspunkt der Brennstoffzellenanlage erforderlich ist gefördert wird. Diese Ventile werden außerdem so eingestellt, daß sie das richtige Verhältnis von Rohbrennstoff, rückgeführtem Wasserstoff und Wasserdampf liefern, das für den richtigen Betrieb des Entschwefelers 20 und des Reformierers 34 erforderlich ist. Ein druckempfindliches Betätigungsglied 82 mit einer durch eine Feder 86 belasteten Membran 84 fühlt den Druck unmittelbar stromaufwärts des Trennventils 46 ab. Änderungen des Druckes stromaufwärts des Ventils 46 verursachen einen Hub des Betätigungsgliedes 82, so daß Bemessungssignale den Stellantrieben 18 und 75 zugeführt werden, damit diese ihre zugeordneten Bemessungsventile betätigen. Der Hub des

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Betätigungsgliedes 82 betätigt außerdem den Stellantrieb 28, der den Zapfen 26 der Saugstrahlpumpe 24 verstellt.

Wenn die Anlage zum ersten Mal angefahren wird, ist der Druck stromaufwärts des Ventils 46 niedrig, so daß Signale von dem druckempfindlichen Betätigungsglied 82 an die Stellantriebe 18, 75 und 28 abgegeben werden, um die Ventile 16 bzw. 73 bzw. die Saugstrahlpumpe 24 für einen vollen Durchfluß zu öffnen. Rohbrennstoff und Wasserdampf werden dann zu dem Entschwefeler 20 gefördert und der entschwefelte Brennstoff und der Wasserdampf werden in einem Gemisch aus der Saugstrahlpumpe 24 dem Reformierer 34 in der richtigen Mischung zugeführt, so daß Wasserstoff erzeugt wird. Der Wasserstoff wird dann zu dem Kondensator 42 gefördert, wobei ein Teil von dessen Auströragas zu dem Einlaß des Entschwefelers 20 zur Vermischung mit dem Rohbrennstoff und zur Unterstützung der Entschwefelung zurückgeleitet wird. Der den Wasserstoffkondensator 42 verlassende Wasserstoff wird über das Druckregelventil 46 zu der Brennstoffzelle gefördert, wobei das Druckregelventil 46 einen gewünschten Druck an der Brennstoffzelle stromabwärts des Ventils ausrechterhält. Die Förderung von entschwefeltem Brennstoff und Wasserdampf geht weiter, bis der durch das Betätigungsglied 82 abgefühlte Druck hoch genug wird, um die Stellantriebeis, 75 und 28 zu veranlassen, den Druckstrom in den Ventilen 16 und 73 sowie den Durchfluß durch die Saugstrahlpumpe 24 zu verringern. Wenn sich die Wasserstoffverbrauchsrate in dem System ändert, entweder durch

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Änderung des Verbrauchs in der Brennstoffzelle selbst (aufgrund von Belastungsänderungen) oder durch Fördern von Wasserstoff aus der Brennstoffzelle über die Leitung 74 zu dem Brenner 36, ändert sich der Wasserstoffdruck stromabwärts des Ventils 46, was zu Änderungen des Druckes stromaufwärts des Ventils 46 führt. Ein erhöhter Wasserstoff verbrauch reduziert den Druck stromaufwärts des Ventils 46, während ein reduzierter Wasserstoffverbrauch den Druck stromaufwärts des Ventils 46 erhöht. Diese Änderungen des Druckes stromaufwärts des Trennventils 46 bewirken, daß das druckempfindliche Betätigungsglied 82 wieder betätigt wird, um die Ventile 16 und 73 und die Saugstrahlpumpe 24 so einzustellen, daß der Durchifuß an entschwegeltem Brennstoff und Wasserdampf korrekt bemessen und der geeignete Druck in der Anlage aufgebaut wiru.

Der Druckregler 46 ermöglicht der gesamten Anlage stromaufwärts des Druckreglers, bei einem erhöhten Druck zu arbeiten, der oberhalb desjenigen Druckes liegt, welcher zum Speisen der Brennstoffzelle erforderlich ist, so daß die Anlagenteile ein Reservoir für Wasserstoff oder für wasserstoffbildende Bestandteile bilden können, das ein extrem schnelles Übergangsverhalten der Kraftanlage garantiert. Die Zeitverzögerung, die Belastungsänderungen an der Brennstoffzelle im Stand der Technik zugeordnet ist, wird beträchtlich reduziert oder eliminiert. Wenn sich die Belastung der Brennstoffzelle ändert, wird Wasserstoff nach Bedarf der Brennstoffzelle aus dem Prozessor 45 zugeführt. Wasserstoff wird außerdem aus der Brennstoffzelle über die

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Leitung 74 zu dem Brenner 36 gefördert, um den Reformierer auf der richtigen Reaktionstemperatur zu halten. Die Tatsache, daß der Wasserstoff, der zu dem Reformiererbrenner 36 gefördert wird, zuerst zu der Brennstoffzelle gefördert wird, stellt sicher, daß immer ausreichend Wasserstoff in der Brennstoffzelle verfügbar ist, um die Strombelastung der Zelle aufzunehmen. Jeder Abfall der Temperatur des Reformierers 34 zeigt an, daß ein unzureichender Wasserstoffluß zu dem Brenner 36 vorhanden ist. In diesem Fall wird das Temperaturregelventil 76 öffnen, um den Brennstoffzufluß zu dem Brenner 36 zu erhöhen. Der erhöhte Zufluß von Wasserstoff aus der Brennstoffzelle zu dem Brenner 36 führt zu einem Druckabfall in der Brennstoffzelle. Dieser geringere Druck in der Brennstoffzelle wird durch das Druckregelventil 46 abgefühlt, welches dann öffnet und den Wasserstoffzufluß zu der Brennstoffzelle erhöht, um den gewünschten Druck an der Brennstoffzelle stromabwärts des Ventils wieder herzustellen. Diese Erhöhung des Durchflusses durch das Ventil 46 senkt den Druck stromaufwärts des Ventils 46 und stellt die Proportionaleinstellung der Ventile 16 und 73 und der Saugstrahlpumpe 24 über die Reaktion des Betätigungsgliedes 82 ein. Daher werden sowohl die Brennstoffzellenzuf lußerfordemisse als auch die Reformierererfordernisse erfüllt und durch das Druckregelventil 46 kontrolliert.

Es ist zu erkennen, daß die Anlage entweder auf einen Abfall oder einen Anstieg der Belastung der Brennstoffzelle

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oder auf einen Abfall oder einen Anstieg der Reformierertemperatur anspricht. In jedem dieser Fälle erfolgt eine Änderung des Druckes in der Brennstoffzelle und es ergibt sich ein Hub des Betätigungsgliedes 82, durch den die Proportionaleinstellung der Ventile 16 und 73 und des Zapfens 26 der Saugstrahlpumpe 24 geändert wird.

Die Trennung des Brennstoffprozessors von der Brennstoffzelle gestattet allen Prozessorelementen, bei einem höheren Druck zu arbeiten, was einen erhöhten Wirkungsgrad und/oder eine geringere Größe der Brennstoffprozessorelemente ergibt. Der Brennstoffprozessor kann bei Druckwerten arbeiten, die für eine Spitzenleistung optimal sind, wobei eine Zufuhr sowohl von Wasserstoff als auch von einem Gemisch aus Rohbrennstoff und Wasserdampf für ein augenblickliches Ansprechen auf transiente Belastungszustände an der Brennstoffzelle aufrechterhalten wird.

Fig. 3a zeigt in einem Diagramm die Erfordernisse niedriger und hoher Leistung für eine typische bekannte Brennstoffzelle. Die Linie für niedrige Leistung zeigt die Druckerfordernisse in verschiedenen Stufen in der Anlage, wobei die Brennstofflußrichtung von links nach rechts geht. Das heißt, der am weitesten links gelegene Punkt auf der Linie würde dem Druckwert an einer stromaufwärts gelegenen Stelle in der Anlage entsprechen, beispielsweise an dem Entschwefeler, und die Bewegung auf der Linie nach rechts würde dem Stromabwärtsgehen in der Anlage zu der Brennstoffzelle entsprechen. Wie die Linie niedriger Leistung zeigt,

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tritt nur ein relativ kleiner Druckabfall in der Anlage auf, wenn die Brennstoffzelle mit niedriger Leistung arbeitet. Wenn jedoch die Brennstoffzelle eine hohe Leistung zu erbringen hat, ist der Druck, der an stromaufwärts gelegenen Stellen erforderlich ist, um den notwendigen Brennstoffluß zu der Brennstoffzelle zu schaffen, beträchtlich höher, wie durch den am weitesten links gelegenen Punkt auf der Linie hoher Leistung angegeben. Der vertikale Zwischenraum zwischen der Linie niedriger Leistung und der Linie hoher Leistung entspricht einer Zeitverzögerung in der Anlage, die benötigt wird, um die notwendigen Druckwerte zu erzeugen, damit die Brennstoffzelle die einer hohen Belastung entsprechende hohe Leistung liefert.

Fig. 3b zeigt ein ähnliches Diagramm wie Fig. 3a, jedoch für die Anlage nach der Erfindung. Wie bereits erwähnt, wird die Anlage stromaufwärts des Druckreglers 46 bei Drük· ken betrieben, die ausreichen, um eine größere Menge an Brennstoff zu der Brennstoffzelle zu fördern als bei maximaler Leistung der Brennstoffzellenanlage erforderlich ist. Diese Tatsache ist durch die erhöhte Druckposition des am weitesten links gelegenen Punktes der Linie niedriger Leistung in Fig. 3b im Vergleich zu Fig. 3a angegeben. Die Steigung der Linie niedriger Leistung in Fig. 3b ist die gleichewie bei der Linie niedriger Leistung in Fig. 3a bis zu dem Punkt X, der die Position des Druckregelventils 46 in der Anlage angibt. An dem Druckregelventil 46 fällt der Betriebsdruck auf der Linie niedriger Leistung ab, wie

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In Flg. 3b gezeigt, so daß der Druck des Brennstoffes, der der Brennstoffzelle zugeführt wird, für den Betrieb der Brennstoffzelle geeignet ist, d.h. bei demselben Förderdruck wie in der Anlage von Fig. 3a. Für die Erfordernisse hoher Leistung sind jedoch gemäß der Erfindung die Druckwerte, die in der Anlage stromaufwärts des Ventils 46 immer vorhanden sind, immer ausreichend, um den notwendigen Brennstoffluß zu der Brennstoffzelle aufrechtzuerhalten. Daher hat für Erfordernisse hoher Leistung die Linie hoher Leistung in der Anlage nach der Erfindung den in Fig. 3b dargestellten Verlauf, in welcher sie an einem stromaufwärts gelegenen Punkt bei demselben Druckwert wie bei dem Betrieb mit niedriger Leistung beginnt und dann abfällt, wenn der Brennstoff stromabwärts zu dem Ventil 46 strömt, um schließlich auf einen Wert reduziert zu werden, der für die Zufuhr zu der Brennstoffzelle geeignet ist. Der vertikale Zwischenraum an jedem Punkt zwischen der Linie niedriger Leistung und der Linie hoher Leistung in Fig. 3b entspricht der angesammelten Reserve in dem System.

Aus den Fig. 3a und 3b und aus der vorstehenden Beschreibung ist daher zu erkennen, daß die Erfindung die Ubergangsansprechzeit einer Brennstoffzellenanlage, die wechselnden Belastungen ausgesetzt ist, beträchtlich verbessert.

Fig. 2 zeigt eine Anlage, in welcher eine Anzahl von Brenn-

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Stoffzellenmoduln mit mehreren Prozessormoduln verbunden ist. Die Anlage in Fig. 2 ist zu Erläuterungszwecken etwas vereinfacht worden und Teile, die mit den Teilen von Fig. 1 vergleichbar sind, tragen die gleichen Bezugszeichen, aber mit einem zusätzlichen Buchstaben a, b, c usw. Mehrere Brennstoffzellen sind zwischen einem Einlaßverteiler 102 und einem Auslaßverteiler 104 parallel geschaltet. Brennstoffzellen 48a bis 48d sind zwischen die Einlaß- und Auslaßverteiler geschaltet, wobei zwei oder· mehr derartige Brennstoffzellen in dieser Weise angeschlossen sein können. Mehrere Brennstoffprozessoren sind mit dem Einlaßverteiler 102 über ein gemeinsames Trenndruckregelventil 46 verbunden. Zwei derartige Brennstoffprozessorsysteme sind zwischen eine gemeinsame Brennstoffzufuhr und das gemeinsame Trennventil 46 geschaltet dargestellt, wobei die Anzahl dieser Prozessoreinheiten nach Bedarf gewählt werden kann. Die Verwendung eines einzigen gemeinsamen Druckregeltrennventils 46 beseitigt das Problem des Erfordernisses von genau angepaßten Druckregeltrennventilen an jedem Brennstoffzellenmodul zum Aufrechterhalten einer gleichmäßigen Speisung jeder Einheit. Außerdem verringert die Verwendung von gemeinsamen Einlaß- und Auslaßverteilern das Problem der Zuflußverteilung auf die einzelnen Brennstoffzellenmoduln. Ein Wasserstoffumwälzer 105 kann benutzt werden, um die Brennstoffverteilung in großen Anlagen zu verbessern. Der Umwälzer ist aber kein wesentlicher Bestandteil der Anlage. Ventile 106 und 108 sind stromaufwärts und stromabwärts jedes Brennstoffzellenmoduls angeordnet, so daß das einzel-

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ne Brennstoffzellenmodul bei Bedarf von der Anlage abgeschaltet werden kann, indem der Brennstoffdurchfluß durch die Brennstoffzelle beendet wird. Darüberhinaus sind Ventile 110a und 110b jeweils in den Leitungen 74a und 74b und Ventile 112a und 112b sowie 114a und 114b jeweils in den Leitungen 44a und 44b vorgesehen, so daß jedes Prozessortnodul bei Bedarf von der Anlage getrennt werden kann.

Der Reformierer jedes Prozessormoduls entnimmt bei Bedarf für seinen Brenner Brennstoff aus dem Brennstoffauslaßverteiler 104 mittels des Brennertemperaturregelventils 76 jedes Reformierers.

Aufgrund der obigen Beschreibung des einzelnen Prozessors und der Brennstoffzelleneinheit von Fig. 1 ist zu erkennen, daß jede Änderung der Belastung der gekuppelten Anordnung von Brennstoffzellen in der Anlage von Fig. 2 zu einer Betätigung des druckempfindlichen Betätigungsgliedes 82 führt, damit die Zufuhr von Rohbrennstoff, Dampf und zu den gekuppelten Prozessoreinheiten zurückgeleitetem Wasserstoff kontinuierlich gemessen wird.

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Leerse ite

Claims

U 578 19.12.1977

United Technologies Corporation
Hartford, Connecticut 06101, V.St.A.

Patentansprüche;

j/ Anlage zur Erzeugung von Elektrizität durch eine elektrochemische Reaktion, mit einer Brennstoffzellenanordnung, mit BrennstoffkondltIonlereinrichtungen, die einen gasförmigen Brennstoffzellenbrennstoff aus einem Gemisch von Brennstoffbestandteilen erzeugen, mit Einrichtungen zum Fördern eines Ausgangsbrennstoffes zu den Brennstoffkonditioniereinrichtungen, mit Einrichtungen zum Fördern wenigstens eines Mischungsbestandteils zum Vermischen mit dem Ausgangsbrennstoff zu den Brennstoffkonditioniereinrichtungen, und mit Zufuhreinrichtungen, die den in den Brennstoffzellenkonditioniereinrichtungen erzeugten gasförmigen Brennstoffzellenbrennstoff der Brennstoffzellenanordnung zuführen, dadurch gekennzeichnet, a) daß die Ausgangsbrennstoffördereinrichtungen ein erstes regelbares Absperrorgan enthalten, das einen

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größeren Strom an Ausgangsbrennstoff liefert als für den Betrieb der Brennstoffzellenanordnung bei voller Leistung benötigt wird;

b) daß die Mischungsbestandteilfördereinrichtungen ein zweites regelbares Absperrorgan enthalten, das einen größeren Strom liefert als für den Betrieb der Brennstoffzellenanordnung bei voller Leistung benötigt wird;

c) daß die Brennstoffzufuhreinrichtungen ein regelbares Trennabsperrorgan enthalten; und

d) Einrichtungen zum Abfühlen der Belastung der Brennstoffzellenanordnung und zum Erzeugen eines entsprechenden Regelsignals;

e) Einrichtungen, die auf das der Belastung der Brennstoffzellenanordnung entsprechende Regelsignal ansprechen, um das Trennabsperrorgan so zu regeln, daß der Brennstoffdurchfluß durch das Trennabsperrorgan zu der Brennstoffzellenanordnung entsprechend der Belastung der Brennstoffzellenanordnung verändert wird;

f) Einrichtungen zum Abfühlen des Brennstoffauslaßdruckes der Brennstoffkonditioniereinrichtungen und zum Erzeugen eines entsprechenden Signals; und

g) Einrichtungen, die auf das dem Auslaßdruck der Brennstoffzellenkonditioniereinrichtungen entsprechende Signal ansprechen und das erste und das zweite Absperrorgan der Fördereinrichtungen steuern, um den Strom von Brennstoffmaterial und Mischungsbestandteil zu den Brennstoffkonditioniereinrichtungen zu regeln.

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2. Anlage nach Anspruch 1, in welcher die Brennstoffkonditioniereinrichtungen eine Reaktoranordnung mit einem zugeordneten Brenner sowie Einrichtungen zum Fördern von Brennstoff aus der Brennstoffzellenanordnung zu dem Brenner der Reaktoranordnung enthalten, gekennzeichnet durch Einrichtungen zum Abfühlen der Temperatur in der Reaktoranordnung und zum Erzeugen eines entsprechenden Signals, durch Durchflußregeleinrichtungen in den Einrichtungen zum Fördern von Brennstoff aus der Brennstoffzellenanordnung zu dem Brenner, um den Brennstoffstrom zu dem Brenner zu regeln, und durch Einrichtungen, die auf das der Temperatur der Reaktoranordnung entsprechende Signal ansprechen und die Menge an zu dem Brenner gefördertem Brennstoff einstellen, um eine konstante Temperatur der Reaktoranordnung aufrechtzuerhalten, wobei die Einstelleinrichtungen den Betrieb der Durchflußregeleinrichtungen steuern.
3. Anlage nach Anspruch 1 oder 2, in welcher die Brennstoffkonditioniereinrichtungen Einrichtungen zum Vermischen des Ausgangsbrennstoffs und des Mischungsbestandteils enthalten, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen zum Regeln der Mischungsbestandteilförderung Einrichtungen zum Verändern des Durchflusses durch die Mischungseinrichtungen enthalten.
4. Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeich-

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net durch Einrichtungen zum kontrollierbaren Abziehen von Brennstoff aus den Brennstoffkonditioniereinrichtungen zum Vermischen mit dem Ausgangsbrennstoff stromaufwärts der Brennstoffkonditioniereinrichtungen, und durch Einrichtungen, die auf das dem Auslaßdruck der Brennstoffkonditioniereinrlchtungen entsprechende Signal ansprechen und die Menge an aus den Brennstoffkonditioniereinrichtungen abgezogenem Brennstoff zur Vermischung mit dem Ausgangsbrennstoff verändern.
5. Anlage nach Anspruch 4 mit Entschwefelungseinrichtungen, dadurch gekennzeichnet, daß die Entschwefelungseinrichtungen stromabwärts der Stelle, an der der Ausgangsbrennstoff und der aus den Brennstoffkonditioniereinrichtungen abgezogene Brennstoff vermischt werden, angeschlossen sind und daß die Einrichtungen zur Veränderung der Menge an abgezogenem Brennstoff stromaufwärts der Entschwefelungseinrichtungen angeordnet sind.

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