EP2059968A1 - Brennstoffzellensystem und verfahren zum beeinflussen des wärme- und temperaturhaushaltes eines brennstoffzellenstapels - Google Patents

Brennstoffzellensystem und verfahren zum beeinflussen des wärme- und temperaturhaushaltes eines brennstoffzellenstapels

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Publication number
EP2059968A1
EP2059968A1 EP07785593A EP07785593A EP2059968A1 EP 2059968 A1 EP2059968 A1 EP 2059968A1 EP 07785593 A EP07785593 A EP 07785593A EP 07785593 A EP07785593 A EP 07785593A EP 2059968 A1 EP2059968 A1 EP 2059968A1
Authority
EP
European Patent Office
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fuel cell
cathode
cell stack
temperature
supplied
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP07785593A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Stefan Käding
Norbert GÜNTHER
Su Zhou
Jeremy Lawrence
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Enerday GmbH
Original Assignee
Enerday GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Enerday GmbH filed Critical Enerday GmbH
Publication of EP2059968A1 publication Critical patent/EP2059968A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04007—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
    • H01M8/04014—Heat exchange using gaseous fluids; Heat exchange by combustion of reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/12—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte
    • H01M2008/1293—Fuel cells with solid oxide electrolytes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/06—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
    • H01M8/0606—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants
    • H01M8/0612—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants from carbon-containing material
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the invention relates to a fuel cell system having a fuel cell stack, an afterburner for burning exhaust gas emerging from the fuel cell stack and a heat exchanger arranged in an exhaust duct of the afterburner, in which cathode feed to be supplied to the fuel cell stack can be heated.
  • the invention furthermore relates to a method for influencing the heat and temperature balance of a fuel cell stack disposed in a fuel cell system, wherein the fuel cell system further comprises a fuel cell stack
  • An afterburner for burning exhaust gas emerging from the fuel cell stack and has a arranged in an exhaust passage of the afterburner heat exchanger, in which the cathode fuel to be supplied to the fuel cell stack can be heated.
  • a fuel cell system contains a fuel cell stack in which a hydrogen-rich reformate supplied to the anode side of the fuel cell stack is reacted with the cathode feed to the cathode side.
  • This creates electrical energy and heat.
  • SOFC fuel cell systems solid oxide fuel cell
  • the heat balance plays an important role due to the high temperatures occurring.
  • the heat and temperature balance of the fuel cell stack is influenced by the regulated supply of tempered cathode feed.
  • the cathode feed air is introduced via a heat exchanger before it enters the fuel cell stack. 2007/001187
  • the heat required for this purpose preferably originates from an afterburner which exothermically oxidizes the spent reformate taken from the fuel cell by using air.
  • the size on which the regulation is based is the temperature measured in the cathode exhaust leaving the fuel cell stack. Influence on the control loop is made by varying the delivered amount of cathode air, namely by setting a suitable speed of a cathode air blower.
  • the regulation based on the cathode exhaust air temperature is sometimes insufficient because the temperature distribution in the fuel cell stack does not necessarily have the desired uniform course. This can lead to undesirable cooling or heating of the fuel cell stack, resulting in thermomechanical loads on the fuel cell stack and power drops.
  • the invention has for its object to provide a fuel cell system and a method for influencing the heat and temperature balance of the fuel cell system available on the basis of a homogeneous temperature distribution in the fuel cell stack can be achieved.
  • the invention builds on the generic fuel cell system in that the fuel cell stack kordodenzu slaughter without prior heating in the heat exchanger 0H87
  • the heat and temperature balance of the fuel cell stack can be influenced by the total amount of supplied cathode feed and the ratio of heated in the heat exchanger and not heated in the heat exchanger Kathodenzu Kunststoffanteils.
  • the heat and temperature balance of the fuel cell stack can be influenced with increased variability.
  • lowering of the cathode exhaust temperature quite a temperature increase can be achieved at the entrance of the fuel cell stack. There may be a temperature increase despite the reduced heat input.
  • the temperature may be kept low when needed at the entrance of the fuel cell stack, although overall more heat is introduced due to the higher cathode feed rate.
  • a first temperature sensor is provided for measuring the cathode inlet temperature before it enters the fuel cell stack
  • a second temperature sensor is provided for measuring the cathode exhaust temperature after leaving the fuel cell stack
  • the invention is developed in a particularly advantageous manner in that a controllable by the control unit cathode air blower is provided, that the Kathodenluft- blower is controlled by the control unit volumetric flow divider and that a first output stream of the volume flow divider forms the Kathodenzu povertyanteil, the fuel cell stack via the heat exchanger can be fed, and a second output stream of the volume flow divider forms the Kathodenzuluftanteil which is fed to the fuel cell stack, bypassing the heat exchanger.
  • On the speed of the cathode air blower can thus be determined directly the total supplied amount of cathode feed. Regardless of this, the temperature at the input of the fuel cell stack can be adjusted by adjusting the volume flow divider.
  • the cathode charge air fractions are mixed in a mixing zone before they enter the fuel cell stack, and that the first temperature sensor is arranged in the mixing zone or arranged downstream of it.
  • the fuel cell stack can be designed in a conventional manner, that is to say with a single feed for the cathode.
  • the arrangement of the temperature sensor of the mixing zone or behind it ensures that a dependent on the setting of the volume flow divider temperature signal is provided. 7 001187
  • the temperature of the cathode feed entering the fuel cell stack can be regulated on the basis of the signals supplied by the first temperature sensor by controlling the volume flow divider and / or the cathode air blower.
  • a control loop can thus be realized.
  • this control loop can be closed solely on the basis of the setting of the volume flow divider.
  • the temperature at the entrance of the fuel cell stack can be brought to the desired level by adjusting the volume flow divider.
  • the temperature of the fuel cell stack can be regulated on the basis of the signals supplied by the second temperature sensor by controlling the volumetric flow divider and / or the cathode air blower.
  • the difference between the cathode Zu Kunststofftemperatur and the cathode exhaust air temperature is a measure of the temperature of the fuel cell stack. In knowledge of the two temperatures can thus by influencing the 2007/001187
  • volumetric flow divider is integrated into a control circuit operating on the basis of the cathode supply air temperature, which adjusts the cathode supply air temperature to a desired value, a setpoint temperature of the cathode exhaust air can be adjusted solely on the basis of the cathode exhaust air temperature by influencing the cathode air blower, thereby ultimately setting the temperature - Takes place the fuel cell stack.
  • the invention is based on the generic method in that the BrennstoffZellenstapel a Kathodenzu- air with and a cathode feed are supplied without prior heating in the heat exchanger and that the heat and temperature balance of the fuel cell stack by the total amount of supplied cathode feed and the ratio of Kathodenzuluftanteile influences becomes.
  • the advantages and special features of the fuel cell system according to the invention are also realized in the context of a method. This also applies to the following particularly preferred embodiments of the method according to the invention.
  • a cathode air blower is controlled by the control unit, that a volumetric flow divider downstream of the cathode air blower is actuated by the control unit and that a first output flow of the volumetric flow divider forms the cathode feed air fraction which is supplied to the fuel cell stack via the heat exchanger, and a second output stream of the volume flow divider forms the cathode feed air fraction, which is supplied to the fuel cell stack, bypassing the heat exchanger.
  • the cathode feed air fractions are mixed prior to their entry into the fuel cell stack and that the first temperature sensor measures the temperature of the mixture thus produced.
  • the invention is developed in a particularly useful way in that the temperature of the cathode feed entering the fuel cell stack is regulated on the basis of the signals supplied by the first temperature sensor by controlling the volume flow divider and / or the cathode air blower.
  • Fuel cell stack is controlled on the basis of the signals supplied by the second temperature sensor by controlling the volume flow divider and / or the cathode air blower.
  • the invention is based on the finding that, due to the independent adjustment of the total amount of cathode feed and the temperature of this cathode feed, an increased variability with regard to the heat and temperature budget of the fuel cell stack is available stands. In particular, it may be useful to realize the adjustment of the total amount of cathode feed and cathode air fractions in the context of control loops that operate on the basis of cathode feed temperature and cathode bleed temperature, respectively.
  • Figure 1 is a schematic representation of a fuel cell system according to the invention.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a fuel cell system according to the invention.
  • the fuel cell system comprises a reformer 44 to which fuel or air is supplied via a fuel feed 32 and a blower 34.
  • a reformer 44 to which fuel or air is supplied via a fuel feed 32 and a blower 34.
  • further fuel feeds and blowers can be provided, which allow a variable design of the reforming process.
  • reformer 30 performs catalytic reforming which operates solely on the basis of air as the oxidant.
  • the present invention is not limited thereto.
  • other oxidizing agents can be used, for example water.
  • a hydrogen-rich reformate 36 is generated, which is the
  • Anode side of a fuel cell stack 10 is supplied.
  • the cathode side of the fuel cell stack 10 is supplied via a cathode air blower 28 cathode feed.
  • On the output side leave the cathode exhaust air 38 and anode exhaust gas 40, the fuel cell stack 10.
  • the afterburner 12 in which air is further introduced as oxidizing agent by means of an afterburner air blower 42.
  • the afterburner 12 may also be assigned a fuel feed.
  • the exhaust gas 14 passes through a heat exchanger 16.
  • the heat exchanger 16 is preceded by a volume flow divider 30 in the flow direction of the Kathodenzuluft required by the cathode air blower 28. This volumetric flow divider generates a first cathode air portion 18 which passes through the heat exchanger 16 and a second cathode air portion 20 which bypasses the heat exchanger 16.
  • the cathode air components 18, 20 are mixed.
  • Two temperature sensors 22, 24 are provided, wherein a first temperature sensor 22 measures the temperature of the cathode feed air, that is to say the temperature of the mixed together cathode air portions 18, 20.
  • Another temperature sensor 24 measures the temperature of the cathode exhaust air 38th
  • the temperature sensors 22nd , 24 supplied signals are supplied to a control unit 26, which influences the speed of the cathode air blower 28 and the setting of the volume flow divider 30.
  • the controller may perform other tasks, such as complete control of the fuel cell system.
  • control loops By means of the present arrangement, two control loops can be realized.
  • the one control circuit is based on the cathode inlet temperature measured by the temperature sensor 22, wherein the control variable used is the setting of the volume flow divider.
  • Another control loop can operate on the basis of the cathode exhaust air temperature measured by the temperature sensor 24, in which case the speed as the control variable 7 001187

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem mit einem Brennstoffzellenstapel (10), einem Nachbrenner (12) zum Verbrennen von aus dem Brennstoffzellenstapel austretendem Abgas und einem in einer Abgasführung (14) des Nachbrenners angeordneten Wärmetauscher (16), in dem dem Brennstoffzellenstapel zuzuführende Kathodenzuluft (18) erwärmbar ist. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass dem Brennstoffzellenstapel (10) Kathodenzuluft (20) ohne vorherige Erwärmung in dem Wärmetauscher (16) zuführbar ist und dass der Wärme- und Temperaturhaushalt des Brennstoffzellenstapels (10) durch die Gesamtmenge der zugeführten Kathodenzuluft sowie das Verhältnis des im Wärmetauscher erwärmten und des nicht im Wärmetauscher erwärmten Kathodenzuluftanteils (18, 20) beeinflussbar ist. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Beeinflussen des Wärme- und Temperaturhaushaltes eines Brennstoffzellenstapels.

Description

Brennstoffzellensystem und Verfahren zum Beeinflussen des Wärme- und Temperaturhaushaltes eines Brennstoffzellensta- pels
Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem mit einem Brennstoffzellenstapel, einem Nachbrenner zum Verbrennen von aus dem Brennstoffzellenstapel austretendem Abgas und einem in einer Abgasführung des Nachbrenners angeordneten Wärmetauscher, in dem dem Brennstoffzellenstapel zuzufüh- rende Kathodenzuluft erwärmbar ist.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Beeinflussen des Wärme- und Temperaturhaushalts eines in einem Brennstoffzellensystem angeordneten Brennstoffzellensta- pels, wobei das Brennstoffzellensystem weiterhin einen
Nachbrenner zum Verbrennen von aus dem Brennstoffzellenstapel austretendem Abgas und einen in einer Abgasführung des Nachbrenners angeordneten Wärmetauscher aufweist, in dem dem Brennstoffzellenstapel zuzuführende Kathodenzuluft er- wärmbar ist.
Ein Brennstoffzellensystem enthält als zentrale Einheit einen Brennstoffzellenstapel, in dem ein der Anodenseite des Brennstoffzellenstapels zugeführtes wasserstoffreiches Re- format mit der Kathodenseite zugeführter Kathodenzuluft umgesetzt wird. Dabei entstehen elektrische Energie und Wärme. Insbesondere bei SOFC-BrennstoffZeilensystemen ("solid oxide fuel cell") spielt der Wärmehaushalt aufgrund der hohen auftretenden Temperaturen eine wichtige Rolle. Der Wär- me- und Temperaturhaushalt des Brennstoffzellenstapels wird durch die geregelte Zufuhr temperierter Kathodenzuluft be- einflusst. Zu diesem Zweck wird die Kathodenzuluft vor dem Eintritt in den Brennstoffzellenstapel über einen Wärmetau- 2007/001187
2 scher geführt und dabei erwärmt. Die hierfür erforderliche Wärme stammt vorzugsweise aus einem Nachbrenner, der unter Einsatz von Luft das der Brennstoffzelle entnommene abge- reicherte Reformat exotherm oxidiert . Die der Regelung zugrunde liegende Größe ist dabei die in der den BrennstoffZellenstapel verlassenden Kathodenabluft gemessene Temperatur. Einfluss auf den Regelkreis wird dadurch genommen, dass die geförderte Kathodenluftmenge variiert wird, nämlich durch die Einstellung einer geeigneten Drehzahl ei- nes Kathodenluftgebläses .
Die auf der Kathodenablufttemperatur beruhende Regelung ist mitunter unzureichend, da die Temperaturverteilung im Brennstoffzellenstapel nicht unbedingt den erwünschten gleichförmigen Verlauf hat. Dies kann zu unerwünschten Abkühlungen oder Aufheizungen des Brennstoffzellenstapels führen, was thermomechanische Belastungen des Brennstoffzellenstapels und Leistungseinbrüche zur Folge hat .
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Brennstoff- zellensystem und ein Verfahren zum Beeinflussen des Wärme- und Temperaturhaushaltes des Brennstoffzellensystems zur Verfügung zu stellen, auf deren Grundlage eine homogene Temperaturverteilung im Brennstoffzellenstapel erzielbar ist.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst .
Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Die Erfindung baut auf dem gattungsgemäßen Brennstoffzellensystem dadurch auf, dass dem Brennstoffzellenstapel Ka- thodenzuluft ohne vorherige Erwärmung in dem Wärmetauscher 0H87
3 zuführbar ist und dass der Wärme- und Temperaturhaushalt des Brennstoffzellenstapels durch die Gesamtmenge der zugeführten Kathodenzuluft sowie das Verhältnis des im Wärmetauscher erwärmten und des nicht im Wärmetauscher erwärmten Kathodenzuluftanteils beeinflussbar ist. Auf diese Weise lässt sich der Wärme- und Temperaturhaushalt des Brennstoffzellenstapels mit erhöhter Variabilität beeinflussen. Als Parameter für diese Beeinflussung hat man die Gesamtmenge der zugeführten Kathodenzuluft sowie das Verhältnis der einzelnen Kathodenluftanteile zur Verfügung. Es ist somit beispielsweise möglich, durch relative Erhöhung des den Wärmetauscher durchlaufenden Kathodenluftanteils gegenüber dem nicht erwärmten Kathodenluftanteils zwar die Temperatur der dem Brennstoffzellenstapel zugeführten Luft zu erhöhen, und unabhängig davon zu entscheiden, wie groß die Gesamtmenge der zugeführten Kathodenluft sein soll. Somit kann bei durchaus erwünschter Absenkung der Kathodenablufttemperatur durchaus eine Temperaturerhöhung am Eingang des Brennstoffzellenstapels erreicht werden. Es kann eine Tem- peraturerhöhung trotz abgesenkten Wärmeeintrags erfolgen.
Umgekehrt kann die Temperatur bei Bedarf am Eingang des Brennstoffzellenstapels niedrig gehalten werden, obwohl insgesamt aufgrund des höheren Kathodenzuluftdurchsatzes mehr Wärme eingetragen wird.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass ein erster Temperatursensor zum Messen der Kathodenzulufttemperatur vor deren Eintritt in den Brennstoffzellenstapel vorgesehen ist, dass ein zweiter Temperatursensor zum Messen der Kathodenablufttemperatur nach deren Austritt aus dem Brennstoffzellenstapel vorgesehen ist, dass ein Steuergerät zum Erfassen und zum Verarbeiten der von den Temperatursensoren gelieferten Signale vorgesehen ist und dass die Gesamtmenge der zugeführ- ten Kathodenzuluft sowie das Verhältnis des im Wärmetau- 87
4 scher erwärmten und des nicht im Wärmetauscher erwärmten Kathodenzuluftanteils in Abhängigkeit der von dem Steuergerät verarbeiteten Signale beeinflussbar ist. Die Beeinflussung des Wärme- und Temperaturhaushaltes des Brennstoffzel- lenstapels kann somit konkret auf der Grundlage von Temperaturen erfolgen, die am Eingang und am Ausgang des BrennstoffZellenstapels ermittelt werden.
Die Erfindung ist in besonders vorteilhafter Weise dadurch weitergebildet, dass ein von dem Steuergerät ansteuerbares Kathodenluftgebläse vorgesehen ist, dass dem Kathodenluft- gebläse ein von dem Steuergerät ansteuerbarer Volumenstromteiler nachgeordnet ist und dass ein erster Ausgangsstrom des Volumenstromteilers den Kathodenzuluftanteil bildet, der dem Brennstoffzellenstapel über den Wärmetauscher zuführbar ist, und ein zweiter Ausgangsstrom des Volumenstromteilers den Kathodenzuluftanteil bildet, der dem Brennstoffzellenstapel unter Umgehung des Wärmetauschers zuführbar ist . Über die Drehzahl des Kathodenluftgebläses kann somit direkt die insgesamt zugeführte Menge an Kathodenzuluft bestimmt werden. Unabhängig davon kann durch die Einstellung des Volumenstromteilers die Temperatur am Eingang des Brennstoffzellenstapels eingestellt werden.
Nützlicherweise ist vorgesehen, dass die Kathodenzuluftan- teile vor deren Eintritt in den Brennstoffzellenstapel in einer Mischzone gemischt werden und dass der erste Temperatursensor in der Mischzone angeordnet oder dieser nachgeordnet ist. Der Brennstoffzellenstapel kann insofern in herkömmlicher Weise ausgelegt sein, das heißt mit einer einzigen Zuführung für die Kathodenzuluft. Durch die Anordnung des Temperatursensors der Mischzone oder hinter dieser wird sichergestellt, dass ein von der Einstellung des Volumenstromteilers abhängiges Temperatursignal zur Verfügung gestellt wird. 7 001187
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist besonders vorteilhaft, dass die Temperatur der in den Brennstoffzellenstapel eintretenden Kathodenzuluft auf der Grundlage der von dem ersten Temperatursensor gelieferten Signale durch Ansteuerung des Volumenstromteilers und/oder des Kathodenluftge- bläses regelbar ist . Auf der Grundlage der von dem ersten Temperatursensor am Eingang des Brennstoffzellenstapels gemessene Temperatur lässt sich somit ein Regelkreis reali- sieren. Bei konstanter Drehzahl des Kathodenluftgebläses kann dieser Regelkreis allein auf der Grundlage der Einstellung des Volumenstromteilers geschlossen werden. Selbst wenn die Drehzahl des Kathodenluftgebläses variiert wird, lässt sich die Temperatur am Eingang des Brennstoffzellen- stapeis durch Einstellen des Volumenstromteilers auf das gewünschte Niveau bringen. Im Falle einer gewünschten Temperaturänderung am Eingang des Brennstoffzellenstapels ist es aber auch denkbar, die Einstellung des Volumenstromsteiles konstant zu belassen und die Drehzahl des Kathodenluft- gebläses zu verändern. Auch wenn sich das Verhältnis der
Kathodenluftanteile dann nicht ändert, wird es in der Regel dennoch zu einer Änderung der Temperatur am Eingang des Brennstoffzellenstapels kommen, da die im Wärmetauscher ü- bertretende Wärmemenge keine lineare Proportionalität zu der den Wärmetauscher durchströmenden Luft aufweisen wird.
Weiterhin kann vorgesehen sein, die Temperatur des Brennstoffzellenstapels auf der Grundlage der von dem zweiten Temperatursensor gelieferten Signale durch Ansteuerung des Volumenstromteilers und/oder des Kathodenluftgebläses regelbar ist. Bei bekanntem Luftdurchsatz durch den Brennstoffzellenstapel ist die Differenz zwischen der Kathoden- zulufttemperatur und der Kathodenablufttemperatur ein Maß für die Temperatur des Brennstoffzellenstapels . In Kenntnis der beiden Temperaturen kann somit durch Beeinflussung der 2007/001187
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Kathodenluftgebläsedrehzahl und/oder des Volumenstromteilers eine Veränderung der Brennstoffzellenstapeltemperatur erreicht werden. Ist der Volumenstromteiler in einen auf der Grundlage der Kathodenzulufttemperatur arbeitenden Re- gelkreis eingebunden, der die Kathodenzulufttemperatur auf einen Sollwert einregelt, kann allein auf der Grundlage der Kathodenablufttemperatur durch Beeinflussung des Kathoden- luftgebläses eine Solltemperatur der Kathodenabluft eingeregelt werden, wodurch letztlich eine Einstellung der Tem- peratur des Brennstoffzellenstapels erfolgt.
Die Erfindung baut auf dem gattungsgemäßen Verfahren dadurch auf, dass dem BrennstoffZellenstapel ein Kathodenzu- luftanteil mit und ein Kathodenzuluftanteil ohne vorherige Erwärmung in dem Wärmetauscher zugeführt werden und dass der Wärme- und Temperaturhaushalt des Brennstoffzellenstapels durch die Gesamtmenge der zugeführten Kathodenzuluft sowie das Verhältnis der Kathodenzuluftanteile beeinflusst wird. Auf diese Weise werden die Vorteile und Besonderhei- ten des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems auch im Rahmen eines Verfahrens verwirklicht. Dies gilt auch für die nachfolgend angegebenen besonders bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Dieses ist in nützlicher Weise dadurch weitergebildet, dass durch einen ersten Temperatursensor die Kathodenzulufttemperatur vor deren Eintritt in den Brennstoffzellenstapel gemessen wird, dass durch einen zweiten Temperatursensor die Kathodenablufttemperatur nach deren Austritt aus dem Brennstoffzellenstapel gemessen wird, dass durch ein Steuergerät von den Temperatursensoren gelieferte Signale er- fasst und verarbeitet werden und dass die Gesamtmenge der zugeführten Kathodenzuluft sowie das Verhältnis der Kathodenzuluftanteile in Abhängigkeit der von dem Steuergerät verarbeiteten Signale beeinflusst werden. T/DE2007/001187
Weiterhin kann vorgesehen sein, dass von dem Steuergerät ein Kathodenluftgebläse angesteuert wird, dass von dem Steuergerät ein dem Kathodenluftgebläse nachgeordneter Vo- lumenstromteiler angesteuert wird und dass ein erster Aus- gangsstrom des Volumenstromteilers den Kathodenzuluftanteil bildet, der dem Brennstoffzellenstapel über den Wärmetauscher zugeführt wird, und ein zweiter Ausgangsstrom des Volumenstromteilers den Kathodenzuluftanteil bildet, der dem Brennstoffzellenstapel unter Umgehung des Wärmetauschers zugeführt wird.
Es ist ebenfalls vorteilhafterweise vorgesehen, dass die Kathodenzuluftanteile vor deren Eintritt in den Brennstoff- zellenstapel gemischt werden und dass der erste Temperatursensor die Temperatur des so erzeugten Gemisches misst.
Die Erfindung ist in besonders nützlicher Weise dadurch weitergebildet, dass die Temperatur der in den Brennstoff- zellenstapel eintretenden Kathodenzuluft auf der Grundlage der von dem ersten Temperatursensor gelieferten Signale durch Ansteuerung des Volumenstromteilers und/oder des Kathodenluftgebläses geregelt wird.
Weiterhin kann vorgesehen sein, dass die Temperatur des
Brennstoffzellenstapels auf der Grundlage der von dem zweiten Temperatursensor gelieferten Signale durch Ansteuerung des Volumenstromteilers und/oder des Kathodenluftgebläses geregelt wird.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass durch die von einander unabhängigen Einstellungen der Gesamtmenge an Kathodenzuluft und der Temperatur dieser Kathodenzuluft eine erhöhte Variabilität im Hinblick auf den Wärme- und Tem- peraturhaushalt des Brennstoffzellenstapels zur Verfügung steht. Insbesondere kann nützlich sein, die Einstellung der Gesamtmenge der Kathodenzuluft und der Kathodenluftanteile im Rahmen von Regelkreisen zu realisieren, die auf der Grundlage der Kathodenzulufttemperatur beziehungsweise der Kathodenablufttemperatur arbeiten.
Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die begleitende Zeichnung anhand einer besonders bevorzugten Ausführungsform beispielhaft erläutert.
Es zeigt:
Figur 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems.
Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems . Das Brennstoffzellen- system umfasst einen Reformer 44, dem über eine Brennstoff- Zuführung 32 und ein Gebläse 34 Brennstoff beziehungsweise Luft zugeführt werden. Neben der dargestellten Brennstoff- Zuführung beziehungsweise dem dargestellten Gebläse 34 können weitere BrennstoffZuführungen und Gebläse vorgesehen sein, die eine variable Gestaltung des Reformierungsprozes- ses erlauben. Im vorliegenden Beispiel wird durch den Re- former 30 eine katalytische Reformierung durchgeführt, die allein auf der Grundlage von Luft als Oxidationsmittel arbeitet. Die vorliegende Erfindung ist hierauf jedoch nicht beschränkt. Ebenfalls können andere Oxidationsmittel zum Einsatz kommen, beispielsweise Wasser. In dem Reformer 44 wird ein Wasserstoffreiches Reformat 36 erzeugt, das der
Anodenseite eines Brennstoffzellenstapels 10 zugeführt wird. Der Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels 10 wird über ein Kathodenluftgebläse 28 Kathodenzuluft zugeführt. Ausgangsseitig verlassen Kathodenabluft 38 und Anodenabgas 40 den BrennstoffZellenstapel 10. Das als Anodenabgas 40 7 001187
9 den Brennstoffzellenstapel verlassenden abgereicherte Re- format wird einem Nachbrenner 12 zugeführt, in den durch ein Nachbrennerluftgebläse 42 weiterhin Luft als Oxidati- onsmittel eingebracht wird. Dem Nachbrenner 12 kann eben- falls noch eine BrennstoffZuführung zugeordnet sein. In dem Nachbrenner 12 findet eine Oxidationsreaktion statt, so dass letztlich vorzugsweise vollständig oxidiertes Abgas den Nachbrenner 12 verlässt. Das Abgas 14 tritt durch einen Wärmetauscher 16 hindurch. Dem Wärmetauscher 16 ist in Strömungsrichtung der von dem Kathodenluftgebläse 28 erforderten Kathodenzuluft ein Volumenstromteiler 30 vorgelagert. Dieser Volumenstromteiler erzeugt einen ersten Katho- denzuluftanteil 18, der durch den Wärmetauscher 16 hindurch tritt und einen zweiten Kathodenluftanteil 20, der den Wär- metauscher 16 umgeht. Vor dem Eintritt der Kathodenzuluft in den Brennstoffzellenstapel 10 werden die Kathodenluftan- teile 18, 20 gemischt. Es sind zwei Temperatursensoren 22, 24 vorgesehen, wobei ein erster Temperatursensor 22 die Temperatur der Kathodenzuluft misst, das heißt die Tempera- tur der miteinander vermischten Kathodenluftanteile 18, 20. Ein weiterer Temperatursensor 24 misst die Temperatur der Kathodenabluft 38. Die von den Temperatursensoren 22, 24 gelieferten Signale werden einem Steuergerät 26 zugeführt, das die Drehzahl des Kathodenluftgebläses 28 und die Ein- Stellung des Volumenstromteilers 30 beeinflusst. Das Steuergerät kann andere Aufgaben übernehmen, beispielsweise die vollständige Steuerung des Brennstoffzellensystems .
Durch die so vorliegende Anordnung können zwei Regelkreise realisiert werden. Der eine Regelkreis beruht auf der von der Temperatursensor 22 gemessene Kathodenzulufttemperatur, wobei als Stellgröße die Einstellung des Volumenstromteilers dient. Ein weiterer Regelkreis kann auf der Grundlage der von der Temperatursensor 24 gemessene Kathodenabluft- temperatur arbeiten, wobei hier als Stellgröße die Drehzahl 7 001187
10 des Kathodenluftgebläses 28 verwendet wird. Ebenfalls ist möglich, den die Drehzahl des Kathodenluftgebläses 28 verwendenden Regelkreis auf der Grundlage der Temperaturdifferenz zwischen den Temperatursensoren 22, 24 für die Katho- denzuluft und die Kathodenabluft zu betreiben. In jedem Fall stehen im Vergleich zu herkömmlichen Systemen des Standes der Technik, bei denen gewöhnlich eine Regelung der Kathodenluftmenge auf der Grundlage der Kathodenablufttemperatur erfolgt, zusätzliche Möglichkeiten zur Verfügung, um den Betrieb des Brennstoffzellensystems zu beeinflussen, insbesondere im Hinblick auf den Wärme- und Temperaturhaushalt des Brennstoffzellenstapels 10.
Die in der vorstehenden Beschreibung, in den Zeichnungen sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung wesentlich sein.
Bezugszeichenliste:
10 Brennstoffzellenstapel
12 Nachbrenner 14 Abgasführung/Abgas
16 Wärmetauscher
18 Kathodenzuluftanteil
20 zweiter Kathodenluftanteil
22 Temperatursensor 24 Temperatursensor
26 Steuergerät
28 Kathodenluftgebläse
30 Volumenstromteiler
32 BrennstoffZuführung 34 Gebläse
36 Reformat
38 Kathodenabluft
40 Anodenabgas
42 Nachbrennerluftgebläse 44 Reformer

Claims

0H8712ANSPRÜCHE
1. Brennstoffzellensystem mit einem Brennstoffzellensta- pel (10) , einem Nachbrenner (12) zum Verbrennen von aus dem Brennstoffzellenstapel austretendem Abgas und einem in einer Abgasführung (14) des Nachbrenners angeordneten Wärme- tauscher (16) , in dem dem Brennstoffzellenstapel zuzuführende Kathodenzuluft (18) erwärmbar ist, dadurch gekennzeichnet,
dass dem Brennstoffzellenstapel (10) Kathodenzuluft (20) ohne vorherige Erwärmung in dem Wärmetauscher (16) zuführbar ist und
dass der Wärme- und Temperaturhaushalt des Brennstoff- zellenstapels (10) durch die Gesamtmenge der zugeführ- ten Kathodenzuluft sowie das Verhältnis des im Wärmetauscher erwärmten und des nicht im Wärmetauscher erwärmten Kathodenzuluftanteils (18, 20) beeinflussbar ist .
2. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
dass ein erster Temperatursensor (22) zum Messen der Kathodenzulufttemperatur vor deren Eintritt in den Brennstoffzellenstapel (10) vorgesehen ist,
dass ein zweiter Temperatursensor (24) zum Messen der Kathodenablufttemperatur nach deren Austritt aus dem Brennstoffzellenstapel (10) vorgesehen ist, E2007/001187
13 dass ein Steuergerät (26) zum Erfassen und zum Verarbeiten der von den Temperatursensoren (22, 24) gelieferten Signale vorgesehen ist und
- dass die Gesamtmenge der zugeführten Kathodenzuluft sowie das Verhältnis des im Wärmetauscher erwärmten und des nicht im Wärmetauscher erwärmten Kathodenzu- luftanteils (18, 20) in Abhängigkeit der von dem Steuergerät (26) verarbeiteten Signale beeinflussbar ist.
3. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
dass ein von dem Steuergerät (26) ansteuerbares Katho- denluftgebläse (28) vorgesehen ist,
dass dem Kathodenluftgebläse (28) ein von dem Steuergerät (26) ansteuerbarer Volumenstromteiler (30) nachgeordnet ist und
dass ein erster Ausgangsstrom des Volumenstromteilers den Kathodenzuluftanteil (18) bildet, der dem Brennstoffzellenstapel (10) über den Wärmetauscher (16) zuführbar ist, und ein zweiter Ausgangsstrom des VoIu- menstromteilers den Kathodenzuluftanteil (20) bildet, der dem Brennstoffzellenstapel unter Umgehung des Wärmetauschers zuführbar ist.
4. Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass die Kathodenzuluftanteile (18, 20) vor deren Eintritt in den Brennstoffzellenstapel in einer Mischzone gemischt werden und 87
14 dass der erste Temperatursensor in der Mischzone angeordnet oder dieser nachgeordnet ist.
5. BrennstoffZellensystem nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur der in den Brennstoffzellenstapel (10) eintretenden Kathodenzuluft auf der Grundlage der von dem ersten Temperatursensor (22) gelieferten Signale durch Ansteuerung des Volumenstromteilers (30) und/oder des Kathodenluftgebläses (28) regelbar ist.
6. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, die Temperatur des Brennstoffzellenstapels (10) auf der Grundlage der von dem zweiten Temperatursensor (24) gelieferten Signale durch Ansteuerung des Volumen- stromteilers (30) und/oder des Kathodenluftgebläses (28) regelbar ist .
7. Verfahren zum Beeinflussen des Wärme- und Temperaturhaushalt eines in einem Brennstoffzellensystem angeordneten Brennstoffzellenstapels (10) , wobei das Brennstoffzellensystem weiterhin einen Nachbrenner (12) zum Verbrennen von aus dem Brennstoffzellenstapel (10) austretendem Abgas und einen in einer Abgasführung (14) des Nachbrenners angeordneten Wärmetauscher (16) aufweist, in dem dem Brennstoff- zellenstapel zuzuführende Kathodenzuluft (18) erwärmbar ist, dadurch gekennzeichnet,
dass dem Brennstoffzellenstapel ein Kathodenzuluftan- teil (18) mit und ein Kathodenzuluftanteil (20) ohne vorherige Erwärmung in dem Wärmetauscher (16) zugeführt werden und
dass der Wärme- und Temperaturhaushalt des Brennstoffzellenstapels (10) durch die Gesamtmenge der zugeführ- ten Kathodenzuluft sowie das Verhältnis der Kathoden- zuluftanteile (18, 20) beeinflusst wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,
dass durch einen ersten Temperatursensor (22) die Ka- thodenzulufttemperatur vor deren Eintritt in den BrennstoffZellenstapel (10) gemessen wird,
- dass durch einen zweiten Temperatursensor (24) die Ka- thodenablufttemperatur nach deren Austritt aus dem Brennstoffzellenstapel (10) gemessen wird,
dass durch ein Steuergerät (26) von den Temperatursen- soren (22, 24) gelieferte Signale erfasst und verarbeitet werden und
dass die Gesamtmenge der zugeführten Kathodenzuluft sowie das Verhältnis der Kathodenzuluftanteile (18, 20) in Abhängigkeit der von dem Steuergerät (26) verarbeiteten Signale beeinflusst werden.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,
- dass von dem Steuergerät (26) ein Kathodenluftgebläse (28) angesteuert wird,
dass von dem Steuergerät (26) ein dem Kathodenluftgebläse (28) nachgeordneter Volumenstromteiler (30) an- gesteuert wird und
dass ein erster Ausgangsstrom des Volumenstromteilers den Kathodenzuluftanteil (18) bildet, der dem Brennstoffzellenstapel (10) über den Wärmetauscher (16) zu- geführt wird, und ein zweiter Ausgangsstrom des VoIu- menstromteilers den Kathodenzuluftanteil (20) bildet, der dem Brennstoffzellenstapel unter Umgehung des Wärmetauschers zugeführt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet,
dass die Kathodenzuluftanteile (18, 20) vor deren Eintritt in den Brennstoffzellenstapel (10) gemischt werden und
dass der erste Temperatursensor (22) die Temperatur des so erzeugten Gemisches misst.
11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekenn- zeichnet, dass die Temperatur der in den Brennstoffzellenstapel (10) eintretenden Kathodenzuluft auf der Grundlage der von dem ersten Temperatursensor (22) gelieferten Signale durch Ansteuerung des Volumenstromteilers (30) und/oder des Kathodenluftgebläses (28) geregelt wird.
12. Verfahren nach Anspruch9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, die Temperatur des Brennstoffzellenstapels auf der Grundlage der von dem zweiten Temperatursensor (24) gelieferten Signale durch Ansteuerung des Volumenstromteilers (30) und/oder des Kathodenluftgebläses (28) geregelt wird.
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