DE19947880B4 - Method for controlling the reaction temperature of fuel cells with upstream reformer - Google Patents

Method for controlling the reaction temperature of fuel cells with upstream reformer Download PDF

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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.

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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 DE 196 05 404 C1 ist bekannt, dass Brennstoffzellen mit einem Überschuss an Reaktionskomponenten betrieben werden, um bei Lastwechseln genügend Wasserstoff zur Verfügung zu haben. Kraftstoffmenge und Wassermenge werden vor dem Eintritt in einen Reformer exakt dahingehend eingestellt, dass gemäß der Reaktionsgleichungen einer Dampfreformierung eine definierte Wasserstoffmenge zur Verfügung steht. Auch aus der DE 197 37 406 A1 ist bekannt, aus Methanol und Wasserdampf Wasserstoff für den Betrieb einer Brennstoffzelle bedarfsgerecht zu reformieren. Die Wasserdampfreformierung von Methanol ist detailliert in EP 813 262 B1 beschrieben. Die US 4 904 548 A lehrt, dass die Strom-Spannungs-Kennlinie einer Brennstoffzelle sowohl von der zugeführten Menge an Brenngas, als auch deren Temperatur abhängig ist. Aus der DE 691 23 042 T2 ist bekannt, dass die im Abgas einer Brennstoffzelle enthaltene brennstoffgebundene und thermische Energie nur Beheizung des Systems genutzt werden kann. Aus dem Stand der Technik ist nicht bekannt, dass gezielt inertes Wasser in den Brenngasstrom eingeleitet wird.From the DE 196 05 404 C1 It is known that fuel cells are operated with an excess of reaction components in order to have enough hydrogen available during load changes. Fuel quantity and amount of water are set exactly before entering a reformer that according to the reaction equations of steam reforming a defined amount of hydrogen is available. Also from the DE 197 37 406 A1 It is known to reform hydrogen from methanol and steam as needed for the operation of a fuel cell. The steam reforming of methanol is detailed in EP 813 262 B1 described. The US 4,904,548 A teaches that the current-voltage characteristic of a fuel cell is dependent both on the amount of fuel gas supplied and its temperature. From the DE 691 23 042 T2 It is known that the fuel-bonded and thermal energy contained in the exhaust gas of a fuel cell can only be used to heat the system. It is not known from the prior art that specifically inert water is introduced into the fuel gas stream.

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 1 und 2 zwei verschiedene Ausführungsformen von Einrichtungen zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.The invention will now be described with reference to the drawing explained in more detail. Show 1 and 2 two different embodiments of devices for carrying out the method according to the invention.

Bei der Ausführungsform nach der 1 ist zur Versorgung einer Brennstoffzelle 1 mit Luft ein Ansaugrohr 5 vorgesehen, in dem ein Gebläse 3 angeordnet ist. Weiters sind ein Wasserrohr 18, in dem ein regelbares Wasserventil 17 angeordnet ist, und eine Brenngasleitung 6, in der ein regelbares Gasventil 4 angeordnet ist, vorgesehen. Dabei münden das Wasserrohr 18 und die Brenngasleitung 6 in einen Reformer 16, in dem Wasserstoffgas erzeugt wird.In the embodiment of the 1 is to supply a fuel cell 1 with air an intake pipe 5 provided in which a blower 3 is arranged. Furthermore, there is a water pipe 18 in which a controllable water valve 17 is arranged, and a fuel gas line 6 in which a controllable gas valve 4 is arranged provided. At the same time the water pipe opens 18 and the fuel gas line 6 into a reformer 16 in which hydrogen gas is generated.

Dieser Reformer 16 ist über eine Verbindungsleitung 22 mit der Brennstoffzelle 1 verbunden. Diese ist mit einer Abgasleitung 10 versehen, über die heißes Abgas aus der Brennstoffzelle 1 abströmen kann. Dabei kann die Wärme des Abgases in einem nachgeschalteten Wärmetauscher, vorzugsweise einen Kondensations-Wärmetauscher, gewonnen werden.This reformer 16 is via a connection line 22 with the fuel cell 1 connected. This is with an exhaust pipe 10 provided, via the hot exhaust gas from the fuel cell 1 can flow out. In this case, the heat of the exhaust gas in a downstream heat exchanger, preferably a condensation heat exchanger, can be obtained.

Die in der Brennstoffzelle erzeugte elektrische Energie wird über die elektrische Leitung 11 abgeleitet.The electrical energy generated in the fuel cell is via the electrical line 11 derived.

Dabei wird je nach dem Betriebszustand der Brennstoffzelle 1 mehr oder weniger Wasser dem Reformer 16 zugeführt, mindestens jedoch so viel, dass der Reformierungsprozess im Reformer 16 stattfinden kann, so dass die Reaktionstemperatur in der Brennstoffzelle 1 auf einem bestimmten Wert gehalten werden kann. In den meisten Fällen wird dabei die Reaktionstemperatur konstant gehalten, doch kann in verschiedenen Fällen auch eine Änderung der Reaktionstemperatur um einen bestimmten Betrag angestrebt und durch entsprechende Regelung der Wasserzufuhr mittels des Wasserventils 17 erreicht werden, ohne dass deshalb die Luftzufuhr zur Brennstoffzelle 1 geändert werden müsste.Depending on the operating condition of the fuel cell 1 more or less water to the reformer 16 supplied, but at least so much that the reforming process in the reformer 16 can take place, so that the reaction temperature in the fuel cell 1 can be kept at a certain value. In most cases, while the reaction temperature is kept constant, but may be sought in various cases, a change in the reaction temperature by a certain amount and by appropriate control of the water supply by means of the water valve 17 be achieved without, therefore, the air supply to the fuel cell 1 would have to be changed.

Die 2 zeigt eine Einrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, die im Wesentlichen jener nach der 1 entspricht, die jedoch mit einer automatischen Steuerung versehen ist. Dabei kann einerseits die Temperatur der Brennstoffzelle 1 oder eines Stapels von Brennstoffzellen mittels einer Temperaturmesseinrichtung 19 gemessen werden und diese Information mittels einer Eingangsleitung 20 einem Regler 2 zugeführt werden, die über eine Stellleitung 21 das Wasserventil 17 steuert.The 2 shows a device for carrying out the method according to the invention, which is essentially that of the 1 corresponds, but which is provided with an automatic control. On the one hand, the temperature of the fuel cell 1 or a stack of fuel cells by means of a temperature measuring device 19 be measured and this information by means of an input line 20 a controller 2 to be supplied via a control line 21 the water valve 17 controls.

Damit ist es auf sehr einfache Weise möglich, die Temperatur der Brennstoffzelle 1 durch entsprechende Verstellung des Wasserventils 17 konstant zu halten.This makes it possible in a very simple way, the temperature of the fuel cell 1 by appropriate adjustment of the water valve 17 to keep constant.

Die Einrichtung nach der 2 ist weiters mit einem Volumenstrommessgerät 9 versehen, das den Volumenstrom des in den Reformer 16 einströmenden Brenngases erfasst und über eine Eingangsleitung 12 mit einem Eingang des Reglers 2 verbunden ist.The device after the 2 is further with a volumetric flow meter 9 provided that the volume flow of the in the reformer 16 incoming fuel gas detected and via an input line 12 with an input of the regulator 2 connected is.

Weiters ist ein Strommesser 8 vorgesehen, der in der elektrischen Leitung 11 angeordnet ist und den von der Brennstoffzelle 1 erzeugten elektrischen Strom misst. Dieser Strommesser 8 ist über eine Eingangsleitung 13 mit einem weiteren Eingang des Reglers 2 verbunden.There is also an electricity meter 8th provided in the electrical line 11 is arranged and that of the fuel cell 1 generated electric current. This electricity meter 8th is via an input line 13 with another input of the regulator 2 connected.

Außerdem ist ein Temperatursensor 7 vorgesehen, der die Temperatur des aus der Brennstoffzelle 1 abströmenden Abgases erfasst und über eine Eingangsleitung 14 mit einem weiteren Eingang des Reglers 2 verbunden ist.There is also a temperature sensor 7 provided that the temperature of the fuel cell 1 detected exhaust gas and via an input line 14 with another input of the regulator 2 connected is.

Mit der Einrichtung nach der 2 ist es auch möglich, das Wasserventil 4 in Abhängigkeit vom Volumenstrom des in den Reformer 16 strömenden Brenngases zu regeln. So ist bei bekanntem Heizwert des Brenngases durch den in den Reformer 16 strömenden Volumenstrom auch die Belastung der Brennstoffzelle 1 bekannt.With the device after the 2 it is also possible to use the water valve 4 depending on the volume flow of the in the reformer 16 to regulate flowing fuel gas. So is at a known calorific value of the fuel gas through the in the reformer 16 flowing volume flow and the load on the fuel cell 1 known.

Der aus der Brennstoffzelle 1 abgeleitete elektrische Strom, der durch den Strommesser 8 erfasst wird, entspricht, wie auch die elektrische Spannung, einer stetig monotonen Funktion der in der Brennstoffzelle 1 erzeugten elektrischen Leistung.The one from the fuel cell 1 derived electric current passing through the ammeter 8th is detected, as well as the electrical voltage, a continuous monotonous function of the fuel cell in the 1 generated electrical power.

Der Regler 2 kennt die produzierte elektrische Leistung indirekt über die Kenntnis des elektrischen Stromes, der über den Strommesser 8 erfasst und über die Eingangsleitung 13 dem Regler 2 mitgeteilt wird. Der Regler 2 kann daher den für eine bestimmte Reaktionstemperatur der Brennstoffzelle 1 notwendigen Wassermassenstrom errechnen oder einem Kennlinienfeld entnehmen und über die Stellleitung 21 das Wasserventil 17 entsprechend steuern und so den inerten Wasserstrom festlegen. In dem Kennlinienfeld sind alle möglichen Betriebszustände mit den entsprechenden Wasserdurchsätzen hinterlegt.The regulator 2 knows the produced electric power indirectly via the knowledge of the electric current, that over the ammeter 8th detected and via the input line 13 the controller 2 is communicated. The regulator 2 can therefore the for a certain reaction temperature of the fuel cell 1 calculate the required water mass flow or take it from a characteristic field and via the control line 21 the water valve 17 control accordingly and so set the inert water flow. In the characteristic field, all possible operating states are stored with the corresponding water flow rates.

Bei jeweils konstantem Brenngasvolumen und erzeugtem elektrischen Strom verändert sich bei einer Änderung der Zusammensetzung des Brenngases die Abgastemperatur der Brennstoffzelle 1, welche von dem Temperatursensor 7 erfasst und über die Eingangsleitung 14 dem Regler 2 mitgeteilt wird. So kann der Regler 2 über in einem Kennlinienfeld abgelegte Informationen über die Steuerleitung 21 das Wasserventil 17 ansteuern und die Reaktionstemperatur der Brennstoffzelle 1 konstant halten.In each case constant fuel gas volume and generated electric current changes in a change in the composition of the fuel gas, the exhaust gas temperature of the fuel cell 1 that of the temperature sensor 7 detected and via the input line 14 the controller 2 is communicated. So can the controller 2 via information stored in a characteristic field via the control line 21 the water valve 17 control and the reaction temperature of the fuel cell 1 keep constant.

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.

Claims (4)

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 ) with an upstream reformer ( 16 ), in which water and a fuel gas for generating hydrogen are introduced, which in the fuel cell ( 1 ) is reacted with air, characterized in that for controlling the temperature of the fuel cell ( 1 ) the supply of inert water into the reformer ( 16 ) is varied. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zufuhr von Wasser in Abhängigkeit von der Reaktionstemperatur der Brennstoffzelle (1) geregelt oder gesteuert wird.A method according to claim 1, characterized in that the supply of water in dependence on the reaction temperature of the fuel cell ( 1 ) is regulated or controlled. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zufuhr von Wasser in Abhängigkeit von der bei jeder Brennstoffzellenbelastung erzeugten elektrischen Leistung geregelt wird, wobei ein bestimmter Luftüberschuss festgelegt ist.Method according to claim 1, characterized in that that the supply of water depending on the at each Fuel cell load regulated electrical power regulated being, with a certain excess of air is fixed. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgastemperatur der Brennstoffzelle (1) zur Erfassung einer Veränderung der Brenngasqualität oder Brenngaszusammensetzung gemessen und bei der Regelung der Wasserzufuhr berücksichtigt wird.A method according to claim 3, characterized in that the exhaust gas temperature of the fuel cell ( 1 ) is measured to detect a change in the fuel gas quality or fuel gas composition and taken into account in the control of the water supply.
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