DE2756651C2 - Anlage zur Erzeugung von Elektrizität durch eine elektrochemische Reaktion - Google Patents
Anlage zur Erzeugung von Elektrizität durch eine elektrochemische ReaktionInfo
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Description
a) daß die Ausgangsbrennstoffördereinrichtungen (10) ein ewstes regelbares Absperrorgan (16)
enthalten, das einen größeren Strom sn Ausgangsbrennstoff
liefert als für den Betrieb der Brennstoffzellenanordnung (48) bei voller Leistung
benötigt wird;
b) daß die Mischungsbestandteilfördereinrichtungen (68) ein zweites regelbares Absperrorgan
(73) enthalten, das einen größeren Strom liefert als für den Betrieb der Brennstoffzellenanordnung
(48) bei voller Leistung benötigt wird;
c) daß die Brennstoffzufuhreinrichtungen (44) ein regelbares Trennabsperrorgan (46) enthalten;
und
d) Einrichtungen zum Abfühlen der Belastung der Brennstoffzellenanordnuiig (4S) und zum Erzeugen
eines entsprechenden Kegelsignals;
e) Einrichtungen, die auf das der Belastung der Brennstoffzellenanordnung (48) entsprechende
Regelsignal ansprechen, um das Trennabsperrorgan (46) so zu regeln, daß der Brennstoffdurchfluß
durch das Trennabsperrorgan (46) zu der Brennstoffzellenanordnung (48) entsprechend
der Belastung der Brennstoffzellenanordnung verändert wird;
f) Einrichtungen (82) zum Abfühlen des Brenn-Stoffauslaßdruckes der Brennstoffumformereinrichtung
(45) und zum Erzeugen eines entsprechenden Signals; und
g) Einrichtungen (18), die auf das dem Auslaßdruck der Brennstoffzellenumformereinrichtung
(45) entsprechende Signal ansprechen und das erste und das zweite Absperrorgan (16, 73)
der Fördereinrichtungen (10, 68) steuern, um den Strom von Brennstoffmaterial und Mischungsbestandteil
zu der Brennstoffumformereinrichtung (45) zu regeln.
2. Anlage nach Anspruch 1, in welcher die Brennstoffumformereinrichtung
eine Reaktoranordnung mit einem zugeordneten Brenner sowie Einrichtungen zum Fördern von Brennstoff aus der Brennstoffzellenanordnung
zu dem Brenner der Reaktoranordnung enthält, gekennzeichnet durch Einrichtungen (78) zum Abfühlen der Temperatur in der Reaktoranordnung
(34, 38, 40) und zum Erzeugen eines entsprechenden Signals, durch Durchflußregeleinrichtungen
(76) in den Einrichtungen (74) zum Fördern von Brennstoff aus der Brennstoffzellenanordnung
(48) zu dem Brenner (36) zu regeln, und durch Einichtungen (80), die auf das der Temperatur der
Reaktoranordnung (34,38,40) entsprechende Signal ansprechen und die Menge an zu dem Brenner (36)
geförderten Brennstoff einstellen, um eine konstante Temperatur der Reaktoranordnung (34,38,40) aufrechtzuerhalten,
wobei die Einsielleinrichtungen (80) den Betrieb der Durchflußregeleinrichtungen
(76) steueiTj.
3. Anlage nach Anspruch 1 oder 2, in welcher die Brennstoffumformereinrichtung Einrichtungen zum
Vermischen des Ausgangsbrennstoffs und des Mischungsbestandteils enthält, dadurch gekennzeichnet,
daß die Einrichtungen (73) zum Regeln der Mischungsbestandteilförderung Einrichtungen (75)
zum Verändern des Durchflusses durch die Mischungseinrichtungen enthalten.
4. Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch Einrichtungen (70) zum kontrollierbaren
Abziehen von Brennstoff aus der Brennstoffumformereinrichtung (45) zum Vermischen mit
dem Ausgangsbrennstcff stromaufwärts der Brennstoffumformereinrichtung
(45) und durch Einrichtungen (75), die auf das dem Auslaßdruck der Brennstoffumformereinrichtung
(45) entsprechende Signal ansprechen und die Menge an aus der Brennstoffumformereinrichtung
(45) abgezogenem Brennstoff zur Vermischung mit &m Ausgangsbrennstoff verändern.
5. Anlage nach Anspruch 4 mit Entschwefelungseinrichtungen, dadurch gekennzeichnet, daß die Entschwefelungseinrichtungen
(20) stromabwärts der Stelle, an der der Ausgangsbrennstoff und der aus der Brennstoffumformereinrichtung (45) abgezogene
Brennstoff vermischt werden, angeschlossen sind und daß die Einrichtungen (75) zur Veränderung der
Menge an abgezogenem Brennstoff stromaufwärts der Entschwefelungseinrichtungen (20) angeordnet
sind.
Die Erfindung betrifft eine Anlage der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art.
Solche Anlagen sind in vielen Ausführungsformen bekannt, vgl. zum Beispiel
DE-AS | 19 49 184. |
DE-OS | 21 57 722, |
FR | 13 47 306, |
US | 36 68 013, |
US | 36 07 419, |
US | 31 59 506, |
US | 30 98 768. |
Auch in den bekannten Anlagen sind regelbare Absperrorgane enthalten, die auf verschiedene Größen ansprechen,
z. B. auf Stärke des elektrischen Stromes der Brennstoffzellen oder auf Höhe des Brennstoffdruckes
in der Zelle.
Eine Brennstoffzelle ist ein Bedarfssystem, 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 eine Brennstoffumformereinrichtung hindurchgeleitet,
um den Brennstoff in reinen Wasserstoff umzu-
wandeln, 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 der Brennstoffumformereinrichtung
gefördert, und die Temperatur des Reformierers wird auf einem gewünschten Wert gehalten, indem
die Menge ert 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 gewährleisteL 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 der Umformereinrichtung und des Stroms von materialien zu der Umionnereinrichtung
und aus dieser zu der Brennstoffzelle nicht kurz genug ist, um den wechselnden Belastungssrfordernissen
der Brennstoffzelle nachzukommen. Während die Brennstoffzelle auf Belastungsänderungen beinahe augenblicklich
anspricht, gibt es daher eine feste minimale Zeitverzögerung in dem Ansprechen der Umformereinrichtung
und in der Zufuhr von Brennstoffen zu der Anlage. Es kommt daher in dem Ansprechen der Umformereinrichtung
auf den Bedarf der Brennstoffzelle zu einer bekannten Zeitverzögerung, die ernste Betriebsprobleme
mit sich bringen kann.
Es sind bereits verschiedene Versuche gemacht worden, um die Leistungsfähigkeit von Brennstoffzellen zu
verbessern. Die US 30 98 768, 31 59 506, 45 85 078 und 46 07 419 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 Gründen weniger als ausreichend.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Anlage der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art so
auszubilden, daß diese eine beträchtlich verbesserte Reaktionszeit bei dem Ansprechen auf Belastungsänderungen
an der Brennstoffzelle aufweist
Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 angegebenen
Merkmale gelöst.
Gemäß der Erfindung ist die Brennstoffumformereinrichtung
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 der Brennstoffumformereinrichtung von der Brennstoffzelle gestattet der
gesamten Brennstoffumformereinrichtung, bei einem erhöhten Druck zu arbeiten und als ein Reservoir für
Wasserstoffbrennstoff benutzt zu werden, der dann für die sofortige Zufuhr zu der Brennstoffzelle bei Bedarf
zur Verfugung steht, wenn die Belastung der Brennstoffzelle
zunimmt. Die Verfügbarkeit eines Wasserstoffbrennstoffreservoirs garantiert ein ausgezeichnetes
Übergangsvei ha'ten der Anlage.
Der Wasserstoffbrennstoff wird bei Bedarf aus der Umformereinrichtung zu der Brennstoffzelle geleitet,
wenn sich die Belastung ändert Eine Beiastungszunahme
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 Refonniererbrenner zugeführt, um den Reformierer auf
der richtigen Reaktionstemperatur zu halten. Der dem Refonniererbrenner 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 Oberschuß an Wasserstoffbrennstoffzufuhr
zu dem Brennstoffzellenstapel, um eine gute Wasserstoffverteilung auf alle aktiven Zellen
sicherzustellen. Dieser überr-chüssige Wasserstoff
wird dann von der Brennstoffzelle 2U dem Reformiererbrenner
gefördert, um die gewünschte Temperatur in dem Refonniererbrenner aufrechtzuerhalten. Der
Brennstoffstrom von der Brennstoffzelle zu dem Brenner des Reformierers wird durch ein temperaturempfindliches
Absperrorgan geregelt Wenn das temperaturempfindliche Absperrorgan öffnet um den Brennstoffzufluß
zu dem Reformiererbrenner zu vergrößern, fühlt das Bedarfsabsperrorgan zwischen der Umformereinrichtung
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.
Die Anlage nach der Erfindung hat die Fähigkeit die Menge an von der Umformereinrichtung benötigtem
Brennstoff zu regeln und das richtige Verhältnis von Rohbrennstoff, Wasserdampf und umgewälztem Wasserstoff
zu bestimmen. Die Anlage 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
so Von der Anmelderin ist bereits vorgeschlagen worden (US 40 98 959), Wasserstoff und/oder ein Rohbrennstoff-Wasserdampf-Gemisch
unter Druck in einem Sammler in der Anlage zu speichern, wobei der D"uck ausreicht, um Brennstoff der Brennstoffzelle bei
Bedarf zuzuführen. Wenn der Druck von gespeichertem Material unter tinen vorbestimmten Wert abfällt, werden
EIN/AUS-Absperrogane betätigt, um mehr Rohrbrennstoff und Wasserdampf zuzuführen, um die Brennstoffzufuhr
zu ergänzen. Die Absperrorgane werden inaktiviert, wenn der gewünschte Druckwert wieder hergestellt
ist
In der Anlage nach der Erfindung ist die Brennstoffumformereinrichtung
von der Brennstoffzelle durch ein druckregelndes Bedarfsabsperrorgan getrennt, woes
durch 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 der Anlage nach der Erfindung ist das Bedarfsabsperrorgan, das die Umformereinrichtung von der
Brennstoffzelle trennt, druckempfindlich und gestattet, Brennstoff stromaufwärts des Bedarfsabsperrorgans zu
speichern, wodurch die Ansprechzeit der Anlage auf sich ändernde Belastungen an der Brennstoffzelle verbessert wird.
In der Anlage nach der Erfindung werden Brennstoffmaterialien in Abhängigkeit von dem Druck stromaufwärts des die Umformereinrichtung von der Brennstoffzelle trennenden Absperrorgans kontinuierlich gefördert.
Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen
näher beschrieben. Es zeigt
F i g. 1 ein Schema einer Brennstoffzeüenanlage nach
der Erfindung,
Fig.2 ein vereinfachtes Schema einer gekuppelten
Anordnung von Brennstoffzellenmoduln und Prozessormoduln,
F i g. 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 schematische Darstellung von Druckwerten in der Richtung des Brennstoffflusses bei einem
Betrieb mit niedriger und hoher Leistung in einer Anlage nach der Erfindung.
Gemäß F i g. 1 wird Rohbrennstoff aus einer 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 Die Saugstrahlpumpe
24 hat einen veränderlichen Durchflußquerschnitt, der
durch einen beweglichen 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 Oberhitzer 40 enthält
Das Gemisch aus Rehbrennstoff 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 typisch in die einzelnen Bestandteile des Brennstoffes
dampfreformiert, bei weichen es sich tpyisch 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 Umformereinrichtung
oder 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 Brennstoffzelle benutzt wird. Das Druckregelventil 46 dient zum Trennen des Brennstoffzellenstapels von den Brennstoffprozessorelementen stromaufwärts des Druckregelventils. Das Druckregelventil
ίο 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 irgendeinen 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 erhitze Wasser (typisch 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.
Eine Rückleitung 68 fördert gereinigten Wasserstoff aus der Leitung 44 über ein Druckregelventil 70 zu ei
nem Proportionalregelventil 73, das durch einen Stellan
trieb 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 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 au-
ßerdem so eingestellt, daß sie das richtige Verhältnis
von Rohbrennstoff, rückgeführtem Wasserstoff .nd Wasserdampf liefern, das für den richtigen Betrieb des
Entschwefelers 20 und des Reformierers 34 erforderlich
ist Ein druckempfindliches Betätigungsglied 82 mit ei
ner 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 Betätigungsgliedes 82 betätigt außerdem den Stellantrieb 28. der
den Zapfen 26 der Saugstrahlpumpe 24 versteilt
Wenn die Anlage zum ersten Mal angefahren wird, ist
der Druck stromaufwärts des Ventils 46 niedrig, so daß
Signale von dem druckempfindlichen Betätigungsgiied 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 gefordert, wobei ein Teil von dessen Ausströmgas zu dem
Einbß 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 aufrechterhält. Die Förderung von entschwefeltem Brennstoff
und Wasserdampf geht weiter, bis der durch das Betätigungsglied 82 abgefühlte Druck hoch genug wird, um
die Stellantriebe 18. 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 der Anlage ändert, entweder durch 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 Wasserstoffverbrauch reduziert den Druck stromaufwärts des Ventils
^, 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 Durchfluß an entschwefeltem Brennstoff und Wasserdampf korrekt bemessen und der geeignete Druck in
der Anlage aufgebaut wird
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 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 Wasserstofffluß zu dem
Brenner 36 vorhanden ist In diesem Fall wird das temperaturgesteuerte Ventil 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 herzu
stellen. 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
Brennstoffzellenzuflußerfordernisse als auch die Reformiererfordernisse erfüllt und durch das Druckregelventil 46 kontrolliert.
Es ist zu erkennen, daß die Anlage entweder auf einen Abfall oder einen Anstieg der Belastung der Brennstoff
zelle oder auf einen Abfall oder einen Anstieg der Re
formierertemperatur 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 Proportionalcir.stellung der Ventile 16
und 73 und des Zapfens 26 der Saugstrahlpumpe 24 geändert wird.
Die Trennung des Brennstoffprozessors 45 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 45 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 Erfodernisse
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 Brennstoffflußrichtung von links nach
rechts geht Das heißt der am weitesten iinks gelegene Punkt auf der Linie würde dem Druckwert an einer
stromaufwärts gelegenen Stelle in der Anlage entsprechen, beispielsweise an dem Entschwefler 20, und die
Bewegung auf der linie nach rechts würde dem Stromabwärtsgehen in der Anlage zu der Brennstoffzelle entsprechen. Wie die Linie niedriger Leistung zeigt, tritt
nur ein relativ kleiner Druckabfall in der Anlage auf, wenn die Brennstoffzelle mit niedriger Leistung arbeiten. Wenn jedoch die Brennstoffzelle eine hohe Leistung zu erbringen hat ist der Druck, der an stromaufwärts gelegenen Stellen erforderlich ist um den not-
wendigen Brennstofffluß 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
F i g. 3b zeigt ein ähnliches Diagramm wie F i g. 3a,
jedoch für die Anlage nach der Erfindung. Wie bereits
erwähnt wird die Anlage stromaufwärts des Druckreglers 46 bei Drücken betrieben, die ausreichen, um eine
größere Menge an Brennstoff zu der Brennstoffzelle zu fördern, als bei maximaler Leistung der Brennstoffzel
lenanlage erforderlich ist Diese Tatsache ist durch die
erhöhte Druckposition des am weitesten iinks gelegenen Punktes der Linie niedriger Leistung in F i g. 3b im
Vergleich zu F i g. 3a angegeben. Die Steigung der linie
£.1
\JO\.
niedriger Leistung in F i g. 3b ist die gleiche wie bei der Linie niedriger Leistung in F i g. 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 in F i g. 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 F i g. 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 Brennstofffluß zu der Brennstoffzelle
aufrechtzuerhalten. Daher hat für Erfordernisse hoher Leistung die Linie hoher Leistung in der Anlage
nach der Erfindung den in F i g. 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 Strüm&bwäriS ZU ucin Ventil 46 strömt, üiii 2ö
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
F i g. 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 Übergangsansprechzeit einer Brennstoffzellenanlage,
die wechselnden Belastungen ausgesetzt ist, beträchtlich verbessert.
F i g. 2 zeigt eine Anlage, in welcher eine Anzahl von Brennstoffzellenmoduln mit mehreren Umformereinrichtungs-
oder Prozessormoduln verbunden ist. Die Anlage in F i g. 2 ist zu Erläuterungszwecken etwas vereinfacht
worden und Teile, die mit den Teilen von F i g. 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 48c/ 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 so
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 EinheiL 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 einzelne Brennstoffzellenmodul
bei Bedarf von der Anlage abgeschaltet werden kann, indem der Brennstoffdurchfluß durch die Brennstoffzelle
beendet wird. Darüber hinaus sind "Ventile
HOa und 11 Oft jeweils in den Leitungen 74a und 74b und Ventile 112a und 112Zj sowie 114a und 114b jeweils in
den Leitungen 44? und 44i> vorgesehen, so daß jedes
Prozessormodul bei Bedarf von der Anlage getrennt werden kann.
Der Reformierer jedes Prozessormoduls entnimmt bei Bedarf für seinen Brenner Brennstoff aus dem
Brennstoffauslaßverteilcr 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 F i g. 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.
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 F i g. 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.
Hierzu 3 Blatt Zeichnungen
Claims (1)
1. Anlage zur Erzeugung von Elektrizität durch eine elektrochemische Reaktion, mit einer Brenn-Stoffzellenanordnung,
mit einer Brennstoffumformereinrichtung,
die einen gasförmigen Brennstoffzellenbrennstoff aus einem Gemisch von Brennstoffbestandteilen
erzeugt, mit Einrichtungen zum Fördern eines Ausgangsbrennstoffes zu der Brennstoff-Umformereinrichtung,
mit Einrichtungen zum Fördern wenigstens eines Mischungsbestandteils zum Vermischen mit dem Ausgangsbrennstoff zu der
Brennstoffumformereinrichtung, und mit Zufuhreinrichtungen, die den in der Brennstoffumformereinrichtungen
erzeugten gasförmigen Brennstoffzellenbrennstoff der Brennstoffzellenordnung zuführen,
dadurch gekennzeichnet,
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