DE1949184B2 - Verfahren zum Regein des Zuflusses der Reaktionspartner eines Umformers, in welchem Brennstoff zum Betrieb eines Brennstoffelementes erzeugt wird - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Regeln des Zuflusses der Reaktionspartner eines Umformers, in welchem Brennstoff zum Betrieb eines Brennstoffelements erzeugt wird, wobei der Umformer und das Brennstoffelement in funktionellem Zusammenhang stehen.

Ein Brennstoffelement ist eine Vorrichtung, die chemische Energie in elektrische Energie umwandelt. In einem Brennstoffelement weiden Brennstoff und Luft einander gegenüberliegenden Elektroden zugeführt. An diesen findet die Abgabe und Annahme von Elektronen statt. Ein Elektrolyt befindet sich zwischen den Elektroden. Zur Seite des Brennstoffes diffundiert Wasserstoff durch die Elektrode und an deren Oberfläche werden Wasserstoffatome adsorbiert. Diese Atome reagieren mit dem Elektrolyten, bilden Wasser und geben Elektronen an die Elektrode ab. Die Elektronen fließen durch einen äußeren Kreislauf zur positiven Elektrode. Der Elektronenfluß unterhält den oxidierenden Teil der Reaktion. Zur Seite der Luft diffundiert Sauerstoff durch die Elektrode und wird an deren Oberfläche adsorbiert. Der adsorbierte Sauerstoff und die von der Brennstoffelektrode kommenden Elektronen verbinden sich mit dem Wasser in dem Elektrolyten. Dabei bilden sich Ionen, die den Kreislauf schließen, indem sie durch den Elektrolyten zur Brennstoffelektrode wandern.

Ist der äußere Kreislauf offen, bildet sich an der Oberfläche der Brennstoffelektrode eine Schicht von negativen Ladungen, und an der positiven Elektrode bildet sich eine Schicht von positiven Ladungen. Diese elektrischen Ladungen bilden das Potential, das die Elektronen durch den äußeren Kreislauf zwingt, wenn er geschlossen ist. Dann ist das Brennstoffelement eine lastabhängige Einrichtung, und die Reaktion verläuft mit mäßiger Geschwindigkeit, und die gebildeten Ladungen werden mit mäßiger Geschwindigkeit verbraucht. Brennstoff und Luft müssen den Elektroden zugeführt werden, so daß der Strom kontinuierlich einer Last im äußeren Kreis zugeführt werden kann. Um wirtschaftlichen Strom im großen Maßstab herzustellen, müssen die Brennstoffelemente billige Brennstoffe benutzen. Oft ist der Brennstoff Kohlenwasserstoffdampf, der umgeformt wird, um Wasserstoff zu bilden. Dies geschieht im Umformer, der nicht in dem Brennstoffelement liegt

Die gewünschte Leistung wird aufrechterhalten durch Aufrechterhaltung der Temperatur des Brennstoffelements, da die Elementleistung eine Funktion der Temperatur ist. Es ist auch bekannt, daß die Reaktionsdrücke, die Feuchtigkeit, die Elektrolytenkonzentration, die Fließgeschwindigkeiten und eine Anzahl anderer Parameter geregelt werden müssen.

Eine Einrichtung zum Regeln des Betriebes einer Brennstoffzelle ist bekannt. In dieser Einrichtung wird bei Absinken der Stromstärke unter einen Mindestwert ein Ventil geöffnet, und die noch Wasserstoff enthaltenden Abgase der Brennstoffzelle werden dem Umformer zugeführt. Mit anderen Worten heißt dies, daß die Rückführung der Abgase zum Umformer bzw. das

ao Beheizen des Umformers in Abhängigkeit von der Belastung geregelt wird. Diese Regelung wird nur bei Absinken der Stromstärke unter einen vorgegebenen Mindestwert wirksam. Eine Regelung zum Beispiel in Abhängigkeit von der Temperatur des Umformers ist

»5 nicht vorgesehen, so daß eine Überhitzung des Umformers möglich ist (FR-PS 1 512 172).

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen, mit dem der Betrieb einer Brennstoffzelle nicht nur nach Maßgabe der Belastung, sondern auch in Abhängigkeit von der Temperatur des Umformers geregelt wird. Die Regelung soll dabei in einem weiten Bereich möglich sein und sich nicht auf die Regelung oberhalb eines Mindestwertes beschränken. Zur Lösung dieser Aufgabe ist gemäß der Erfindung bei einem Verfahren der eingangs genannten Gattung vorgesehen, daß der Strom des Brennstoffelements und die Temperatur des Umformers gemessen werden, der Wasserdampfzufluß des Umformers als Funktion des Stromes des Brennstoffelements und der Temperatur des Umformers geregelt wird und der Wasserdampf mit einer gewünschten Menge Rohbrennstoff dadurch gemischt wird, daß der Wasserdampf dem primären Zufluß und der Rohbrennstoff dem sekundären Zufluß einer Saugstrahlpumpe zugeführt werden.

Die Regelung erfolgt damit nach Maßgabe der Belastung und der Temperatur im Umformer. Damit wird einmal eine konstante Stromzufuhr zur Belastung gewährleistet und andererseits eine Überhitzung des Umso formers vermieden. Der Vorteil liegt somit darin, daß sowohl die Last gleichen Strom bei gleicher Spannung erhält und auch ein Ausfall der Stromzufuhr durch Schutz des Umformers vermieden wird.

In einer zweckmäßigen Weiterbildung ist vorgesehen, daß eine Ansprechgeschwindigkeit der Regelung in Funktion des Stromes bis zu einer Sekunde und eine Ansprechgeschwindigkeit der Regelung in Funktion der Temperatur des Umformers bis zu sieben Sekunden erreicht werden.

Am Beispiel der in der Zeichnung gezeigten Ausführungsformen und Schaubilder wird die Erfindung nun weiter beschrieben. In der Zeichnung ist

F i g. 1 eine schematische Darstellung der zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens angewendeten Bauteile,

F i g. 2 ein Schaubild mit der Darstellung des Einflusses des Stromes und der Temperatur im Umformer auf den Zufluß zum Umformer,

F i g. 3 eine mehr in konstruktive Einzelheiten gehende Darstellung einer Ausführungsform zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens.

F i g. 4 ein Schaubild mit der Darstellung der Abhängigkeit des Wasserdampfzuflusses zum Umformer von der Einstellung der Saugstrahlpumpe und

F i g. 5 ein Schaubild mit der Darstellung des Einflusses des Stromes und der Temperatur auf den Druck in der Saugstrahlpumpe.

In F i g. 1 wird eine ein Brennstoffelement enthaltende Anordung gezeigt. Das Brennstoffelement 10 wird mit Erdgas betrieben. Zur Stromableitung dienen Leitungen 12. Im Erhitzer 16 wird Wasser in Dampf umgewandelt und über einen Regler 18 einer Saugstrahlpumpe 20 zugeführt. In dieser bildet der Wasserdampf den primären Zufluß. Das Erdgas wird durch die Leiiung 22 herangeführt und in der Saugstrahlpumpe 20 mit dem Wasserdampf vermischt. Da., Gemisch wird dem Umformer 24 zugeführt, in welchem das Erdgas durch Dampfumformung in Wasserstoff, Kohlendioxid, Kohlenmonoxid und etwas Wasser und Methan zerlegt wird. Diese Bestandteile werden der Brennstoffkammer im Brennstoffelement zugeführt. Zur Reinigung des Brennstoffes kann ein Scheider vorgesehen oder eine chemische Reaktion zwischengeschaltet werden. as

Normalerweise wird mehr Brennstoff durch das Brennstoffelement 10 geleitet als in diesem verarbeitet wird. Der Überschuß wird einem Brenner 26 zugeführt, der den Umformer 24 beheizt. In diesem wird der Brennstoff mit durch die Leitung 28 zugeführter Luft vermischt. Dieses Gemisch wird in dem Brenner 26 verbrannt. Damit wird die zur Umformung erforderliche Hitze gewonnen. Die Abgase des Brenners werden durch den Wärmeaustauscher 30 nahe dem Erhitzer 16 geleitet, um den Wärmeüberschuß zum Kochen des Wassers zu benutzen.

Die Leistung des Elements 10 ist eigentlich sehr beschränkt. Im Betrieb hat das Element einen bestimmten Bedarf, und der Umformer 24 muß der Brennstoffelektrode den nötigen Brennstoff zuführen. Dies geschieht, und ein Überschuß wird in den Brenner 26 geleitet. Ist die Brennstoffzufuhr kleiner als der Bedarf des Elements 10 und des Umformers 24, wird nicht genügend Brennstoff abgezweigt und im Brenner 26 verbrannt. Dies bewirkt ein Sinken der Temperatur des Umformers 24. Ist der Überschuß an Brennstoff zu groß, steigt die Temperatur des Brenners 26. Die Anordnung enthält eine Zuflußsteuerung 32, die auf ein Signal vom Meßapparat 34 reagiert. Die Steuerung 32 spricht auch auf die Temperatur des Umformers 24 an, die ihr durch einen Fühler 36 mitgeteilt wird. Die Steuerung 32 speichert die Signale der Strom- und Temperaturmessung und gibt ein Signal an den Regler 18. Dieser regelt den Dampfzufluß, der der primäre Zufluß durch die Saugstrahlpumpe 20 ist. Mit großer werdendem Dampfzufluß steigt auch die Speisung mit Erdgas. Die Steuerung 32 regelt den Zufluß zum Umformer 24 in Funktion von dessen Temperatur. Der Zufluß, eine Mischung aus Dampf und Erdgas, muß größer werden, wenn der Strom größer wird, wie in F i g. 2 gezeigt wird. Diese Figur zeigt die Regelung des Stromes und der Umformertemperatur. Die Linien Ti, Ti, Tz, Tt und Γ5 sind die Strom- und Umformerspeiseregelkennlinien. ]ede Linie entspricht einer anderen Umformertemperatur. Bei gegebenem Brennstoffzufluß wird die Zuströmung zum Umformer größer, wenn die Temperatur des Umformers abnimmt. Zum Beispiel bedeutet 71 816°C. Ts bedeutet 760⁰C. Der Umformer arbeitet im gesamten Temperaturbereich.

Die Linie A-C'ist eine typische Arbeitskurve des Umformers 24. Ein bestimmter Strom zieht einen bestimmten Brennstoffzufluß nach sich. Der Strom ist direkt abhängig vom Verbrauch an Wasserstoff, da die Reaktion jedes Wasserstoffmoleküls eine bestimmte Anzahl von Elektronen freisetzt Daher ist die Linie .Ä-Ceine Darstellung des Wasserstoffverbrauchs des Brennstoffelements in Funktion des Zuflusses zum Umformer 24.

Ein Betrieb rechts der Linie A-C bedeutet einen Überschuß an Zufluß zum Umformer 24. Ein solcher Betrieb führt zu einem Steigen der Temperatur. Beim Betrieb links der Linie /4-Cliegt ein ungenügender Zufluß vor und die Temperatur des Umformers 24 sinkt. Ein Steigen der Temperatur bewirkt ein Absinken des Zuflusses. Ein Absinken der Temperatur bewirkt einen Anstieg. Das Ganze ist im Gleichgewicht, wenn der Zufluß zum Umformer 24 dessen Arbeitskurve schneidet. An diesem Punkt ist die Temperatur konstant.

Die Linie C-D stellt einen Leistungswechsel im Strom des Brennstoffelements dar. Der Umformer arbeitet am Anfang bei C. Ein plötzlicher Stromwechsel bringt den Zufluß zum Punkt D. Die Linie D-A zeigt die Umformerregelung als Funktion der Überversorgung und der steigenden Temperatur von D. Bei steigender Temperatur wird der Zufluß in Folge der Regelung herabgesetzt. Dadurch wird die Geschwindigkeit der Temperaturerhöhung niedriger, bis sich der Speisefluß am Punkt A stabilisiert. Dieser Punkt ist der Gleichgewichtspunkt auf der Arbeitskurve des Umformers 24. Die Linie A-B stellt den abgegebenen Strom bei einem Leistungswechsel dar. Der Punkt ßist ein Zufluß unterhalb des bei Punkt C gewünschten Wertes, welcher zu einem Absinken der Umformertemperatur führt. Die Regelung läßt den Zufluß größer werden, bis sich die Temperatur stabilisiert, welche dem Gleichgewichtspunkt C auf der Arbeitskurve des Umformers 24 entspricht. Bei vorgegebenem Strom nimmt demnach die Temperatur des Umformers 24 bei größerem Zufluß ab. Damit wird Brennstoff, der nicht im Brennstoffelement 10 gebraucht wird, abgeleitet und im Brenner 26 verbrannt, um den Umformer 24 zur gewünschten Temperatur zurückzubringen.

Die F i g. 2 zeigt auch, daß der Zufluß durch eine Stromregelung annähernd geregelt werden kann. Große Stromwechsel ziehen große Zuflußwechsel nach sich. Die Größe der Einstellung, gegeben durch die Temperaturabweichung, ist eine Funktion der Form der Arbeitskurve des Umformers 24 und der Genauigkeit der Stromregelung. Über dem ganzen Arbeitsbereich kann der Zufluß des Umformers 24 allein über die Temperatur geregelt werden.

Eine konstruktive Ausführung wird in F i g. 3 gezeigt. Gezeigt werden das Brennstoffelement 10, der Umformer 24, der Regler 18 und die Saugstrahlpumpe 20. Der Fühler 36 für die Temperatur des Umformers enthält eine Nadel 38, die mit dem heißen Ende des Temperaturfühlers verbunden ist. Wenn die Temperatur zunimmt, bewegt der Temperaturfühler die Nadel 38 tiefer in den Umformer 24 hinein. Dies führt zu einer Drehung im Uhrzeigersinn eines Hebels 40. Diese Drehung im Uhrzeigersinn übt eine Kraft auf den Ventilschaft 42 eines Temperaturregelventils 44 aus. Der Ventilschaft 42 ist mit dem oberen Ende 46 und dem unteren Ende 48 durch eine Feder 50 verbunden. Eine Platte 48 ist mit einer Klemme 52, die eine Membrane 54 und eine Spitze 56 umfaßt, verbunden. Die Feder 58 bewirkt eine Vorspannung der Feder 50, um so einen starken Druck

am Ventilausgang zu gewährleisten. Der Speisedruck wird am Tauchkolben 64 vorbei durch die Leitung 60 zur Ventildruckkammer 62 geführt. Der Tauchkolben 64 liegt normalerweise am Sitz 66 an. Wird der Tauchkolben 64 durch die Rotation des Drehkolbens 68 gegen die Feder 67 gedruckt, tritt Speisedruck in die Kammer 62 und wird von dort durch die Leitung 70 geleitet. Aber wenn der Druck in der Kammer zunimmt, arbeitet er gegen die Membrane 54, wodurch der Drehkolben 68 im Uhrzeigersinn wieder an seinen Platz zurückbewegt wird und den Tauchkolben 64 wieder schließt. Die Rotation des Drehkolbens 68 im Gegenuhrzeigersinn entlang der Nullage bewirkt, daß der Tauchkolben 72 gegen die Feder 74 vom Sitz 76 abgedrückt und so Dru:k aus der Kammer 62 abgelassen wird.

Im Betrieb bewegt sich der Hebel 40 mit zunehmender Temperatur des Umformers 24 im Uhrzeigersinn. Dadurch wird das Kräftegleichgewicht im Ventil 44 geregelt. Der Drehkolben 68 wird durch die Feder 78 gedreht und der Tauchkolben 72 wird gelöst. Der Druck in der Kammer 62 wird kleiner. Mit kleiner werdendem Druck wird die Belastung der Membrane 54 kleiner und der Drehschaft 68 kehrt in seine Nullage zurück. So wird der Druck in der Kammer 62 kleiner, wenn die Temperatur des Umformers 24 abnimmt. Der Druck, der der Kammer 80 eines stromgesteuerten Ventils 82 durch die Leitung 70 zugeführt wird, wird mit abgezweigter Druck bezeichnet. Der Druck in der Kammer 80 steigt ähnlich wie der in der Kammer 62 mit abnehmender Temperatur des Umformers 24.

Ein Magnet 84 bewirkt einen dem Strom proportionalen Hub und ersetzt den Meßapparai 34. Der Hub wird dem Ventil 82 durch Einwirkung des Magnetstößels 86 auf den Ventilstößel 88 übertragen. Zwischen diesem und dem Gehäuse liegt ein Dichtring 90, so daß der abgezweigte Druck in der Kammer 80 bleibt. Dieses Ventil ist ähnlich dem temperaturgesteuerten Ventil 44. mit Ausnahme des Dichtringes 90 auf dem Ventilstößel, und unterscheidet sich auch dadurch, daß die Vorspannfeder am oberen Ende 92 fehlt. Bewegt sich der Stößel 88 in Funktion einer Stromänderung, wird eine Kraft vom oberen Federsitz 92 durch die Feder 94 zum unteren Federsitz 96 übertragen. Danach wird diese Kraft durch die Verbindung mit der Membranspitze 100, der Membrane 102, der Klemme 104 und dem unteren Federsitz % auf den Drehstößel 98 übertragen. Der durch den Strom gesteuerte Ventildruck kann aus derselben Quelle bezogen werden wie der Druck für das Ventil 44. Er wird durch die Leitung 106 der Kammer 108 am Tauchkolben 110 entlang zugeführt. Die Arbeitsweise des Tauchkolbens 110 bzw. 112, abhängig von der Rotation des Drehstößels 98, ist identisch mit jener, die für das temperaturgesteuerte Ventil 44 beschrieben wurde. Eine Stützfeder 114 arbeitet gegen die Kräfte, die an dem Drehstößel 98 angreifen.

Wird der Strom größer, so bewegt das größere Signal des Magneten 84 den Ventilstößel 86 nach links. Dadurch wird das Kräftegleichgewicht im Ventil geregelt und der Drehstößel 98 rotiert im Uhrzeigersinn. Der Tauchkolben 110 wird gelöst und der Druck tritt in die Kammer 108 ein. Wird der Druck in der Kammer 108 größer, wird auch der Druck auf die Membrane 102 größer, so daß die durch größeren Strom bewirkte Kraft ausgeglichen wird. Der Drehstößel 98 kehrt in seine Nullage zurück. Der Druck in der Kammer 108 wird proportional zum Strom größer. Er wird durch die Leitung 116 zugeführt und ist definiert als der Einstelldruck der Saugstrahlpumpe 20. Der Abzweigdruck wirkt in der Kammer 80 des stromgesteuerten Ventils. Er wirkt auf die Membrane 102 ein und wird durch den Drehstößel 98 weitergegeben. Um diese Kraft auszugleichen, rotiert der Drehstößel. Dadurch wird entweder die Druckkammer gelüftet oder aber die Leitung geöffnet. Damit wird der Druck in der Kammer erhöht, um somit die Kräftewechsel im abgezweigten Druck durch Regeln der auf die Membrane 102 einwirkenden Druckkräfte auszugleichen.

Die gegenseitige Abhängigkeit des temperaturgesteuerten Ventils 44 und des stromgesteuerten Ventils 82 ist in F i g. 5 gezeigt. Der Einstelldruck, der durch die Leitung 116 herbeigeführt wird, ist als Abszisse dargestellt. Bei einem gegebenen Strom des Brennstoffelementes hat ein Ansteigen der Umformertemperatur ein kleineres Drucksignal zur Folge.

Der Einstelldruck wird durch die Leitung 116 der Kammer 118 in dem Regler 18 zugeführt. Zur Erleichterung wurde der Regler 18 durch einen Servo-Einsteller mit Einstelldrückwirkung ersetzt. Bei ansteigendem Druck bewegt sich der Kolben 120 gegen eine Feder 122 von einem Anschlag 121 weg nach links Die Lage des Kolbenendes 124 hängt vom Einstelldruck ab. Bei steigendem Druck, der als Dampf aus dem Erhitzer 16 durch die Leitung 126 in die Kammer 128 einströmt, entfernt sich das Kolbenende 124 von seinem Sitz 130. Der Dampf bildet den primären Zufluß der Saugstrahlpumpe 20. Brennstoff wird durch den Anschluß 132 gepumpt und stellt den sekundären Zufluß dar. Die beiden Zuflüsse werden in der Kammer 134 vermischt und zum Umformer 24 geleitet. In Gegenwart eines Katalysators wird der Dampf dort in seine Bestandteile zerlegt. F i g. 4 zeigt eir.e graphische Darstellung des Dampfzuflusses durch die Strahlsaugpumpe als Funktion des Einstelldruckes. Der Dampfzufluß und der Brennstoffzufluß sind mit dem Speisefluß in F i g. 2 gleich.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

i 949 184 Patentansprüche:

1. Verfahren zum Regeln des Zuflusses der Reaktionspartner eines Umformers, in welchem Brennstoff zum Betrieb eines Brennstoffelements erzeugt wird, wobei der Umformer und das Brennstoffelement in funktionellem Zusammenhang stehen, dadurch gekennzeichnet, daß der Strom des Brennstoffelements und die Temperatur des Umformers gemessen werden, der Wasserdampfzufluß des Umformers als Punktion des Stromes des Brennstoffelements und der Temperatur des Umformers geregelt wird und der Wasserdampf mit einer gewünschten Menge Rohbrennstoff dadurch gemischt wird, daß der Wasserdampf dem primären Zufluß und der Rohbrennstoff dem sekundären Zufluß einer Saugstrahlpumpe zugeführt werden.

2. Verfahren nach Anspruch J, dadurch gekennzeichnet, daß eine Ansprechgeschwindigkeit der Regelung in Funktion des Stromes bis zu einer Sekunde und eine Ansprechgeschwindigkeit der Regelung in Funktion der Temperatur des Umformers bis zu sieben Sekunden erreicht werden.