AT528596B1 - Verfahren zur Regelung einer Leistung und einer Reaktantenversorgung in einem Festoxidzellensystem - Google Patents

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Regelung einer Leistung und einer Reaktantenversorgung in einem Festoxidzellensystem vorgeschlagen, bei dem - ein Soll-Strom (Isoll), auf den ein Festoxidzellenstapel (10) geregelt werden soll, entweder direkt vorgegeben wird oder aus einer Soll-Leistung (Psoll) und einer gemessenen Ist-Spannung (Uist) an einem mit dem Festoxidzellenstapel (10) verbundenen DC/DC-Wandler (42) berechnet wird, - aus dem Soll-Strom (Isoll) ein Soll-Referenzstrom (Iref,soll) bestimmt wird, der den Soll-Strom (Isoll) auf eine maximal zulässige zeitliche Änderung des Soll-Stroms (Isoll) in Abhängigkeit eines am DC/DC-Wandler (42) gemessenen Ist-Stroms (Iist) begrenzt, - aus dem Soll-Referenzstrom (Iref,soll) eine Soll-Umsatzrate (RUsoll) eines Reaktanten im Festoxidzellenstapel (10) über ein hinterlegtes Kennfeld bestimmt wird, - mittels des Faraday-Gesetzes aus dem Soll-Referenzstrom (Iref,soll) und der Soll-Umsatzrate (RUsoll) ein Soll-Reaktantendurchfluss ( ̇ , ) berechnet wird, - in Abhängigkeit des Soll-Reaktantendurchflusses ( ̇ , ) ein Durchflussregler (31) angesteuert wird, - ein Soll-Strom (IDCDC,soll) für den DC/DC-Wandler (42) aus einem über einen Durchflussmesser (32) in einer Reaktanteneinlassleitung (28) gemessenen Reaktantendurchfluss ( ̇ , ) durch Nutzung des Faraday-Gesetzes berechnet und über die Soll-Umsatzrate (RUsoll) reduziert wird.

Description

Beschreibung

VERFAHREN ZUR REGELUNG EINER LEISTUNG UND EINER REAKTANTENVERSORGUNG IN EINEM FESTOXIDZELLENSYSTEM

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung einer Leistung und einer Reaktantenversorgung in einem Festoxidzellensystem.

[0002] Festoxidzellensysteme können sowohl als Elektrolysesysteme zur Herstellung von Wasserstoff als auch als Brennstoffzellensysteme zur Stromerzeugung ausgeführt sein. Diese Systeme werden für ein oder mehrere Betriebspunkte ausgelegt, die üblicherweise vom Anlagenbetreiber vorgegeben werden, der entweder bei Brennstoffzellen eine spezifische elektrische Leistung oder bei Elektrolyseuren ebenfalls eine Leistung oder einen bestimmten Produktgasoutput erreichen will. Festoxidzellen unterliegen, wie auch andere Brennstoffzellensysteme, einer Alterung, die dazu führt, dass sich der Innenwiderstand in der Zelle beziehungsweise im Brennstoffzellenstapel erhöht, so dass bei gleichbleibendem Strom die Spannung an den Polen der Zelle sinkt. Um diesen Effekt auszugleichen und dennoch die Festoxidzelle möglichst am optimalen Betriebspunkt zu fahren, ist es daher empfehlenswert, den Strom entsprechend zu regeln, um eine vorgegebene Leistung bei sich ändernder Spannung erreichen zu können. Da der elektrische Strom über das Faraday-Gesetz direkt mit der Reaktionsrate verknüpft ist, ermöglicht eine Stromregelung eine genaue Steuerung der chemischen Reaktion und eine hohe Stabilität der chemischen Prozesse.

[0003] Um einen gewünschten Betriebspunkt anzufahren, muss der Strom beim Start entsprechend erhöht werden. Diese Erhöhung wird jedoch üblicherweise durch den Hersteller des Festoxidzellenstapels begrenzt, um zu vermeiden, dass erhöhte Ohm’sche Verluste oder Aktivierungsverluste auftreten. Auch werden lokale Überhitzungen und eine erhöhte Degradation der Zellen auf diese Weise vermieden. Da durch die Stromregelung sichergestellt werden kann, dass die Stromdichte im optimalen Bereich, also im gewünschten Betriebspunkt liegt, bleibt der Wirkungsgrad beziehungsweise die Effizienz des Festoxidzellensystems hoch.

[0004] Des Weiteren muss die Reaktantenmenge in Abhängigkeit des Soll-Stroms geregelt werden, wobei unter der Reaktantenmenge sowohl eine Brennstoffmenge, im Brennstoffzellenbetrieb verstanden wird, wobei üblicherweise als Brennstoff Erdgas oder andere methanhaltige Gase oder Wasserstoff verwendet werden als auch eine Wassermenge im Elektrolysebetrieb verstanden wird. Diese Reaktantenmenge kann direkt über das Faraday Gesetz aus dem Strom berechnet werden.

[0005] Es ist jedoch problematisch, dass bei einer reinen Stromregelung über den Soll-Strom ein Reaktantenumsatz von 100% entstünde, was mit einer großen Wahrscheinlichkeit zu einer Schädigung des Zellenstapels führen würde. Daher wird vom Hersteller des Zellenstapels zumeist ein maximaler Umsatz vorgegeben, durch den die Regelung beeinflusst wird. Des Weiteren entstehen Verschiebungen aufgrund der Laufzeit des verwendeten Reaktanten in der Zuführleitung, welche insbesondere bei der Verwendung flüssiger Ausgangsmedien oder in hochdynamischen Systemen entstehen und die dazu führen, dass nicht immer der optimale Betriebspunkt angefahren wird. Zusätzlich werden üblicherweise unterschiedliche Regelstrategien für den Elektrolyseund den Brennstoffzellenbetrieb verwendet.

[0006] Es stellt sich daher die Aufgabe, ein Verfahren zur Regelung einer Leistung und einer Reaktantenversorgung in einem Festoxidzellensystem zur Verfügung zu stellen, mit dem zuverlässig eine Soll-Leistung eingeregelt werden kann, welche unabhängig von der Alterung, der Betriebsweise des Festoxidzellenstapels und den verwendeten Reaktanten ist und mit dem eine Unterversorgung des Zellenstapels vermieden werden kann. Des Weiteren soll sich das Verfahren zur Regelung von Brennstoffzellen und Elektrolyseuren eignen.

[0007] Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Regelung einer Leistung und einer Reaktantenversorgung in einem Festoxidzellensystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

[0008] Beim erfindungsgemäßen Verfahren zur Regelung einer Leistung und einer Reaktantenversorgung in einem Festoxidzellensystem wird zunächst ein Soll-Strom, auf den ein Festoxidzellenstapel geregelt werden soll, entweder direkt vorgegeben oder aus einer Soll-Leistung und einer gemessenen Ist-Spannung an einem Festoxidzellenstapel berechnet. Die Spannung wird dabei am Eingang des DC/DC- Wandlers beispielsweise über ein Voltmeter gemessen und dann über I=P/U der Soll-Strom bestimmt. Aus diesem Soll-Strom wird im Folgenden ein Soll-Referenzstrom bestimmt. Dieser begrenzt den Soll-Strom auf eine maximal zulässige zeitliche Änderung des Soll-Stroms in Abhängigkeit eines am DC/DC-Wandler gemessenen Ist-Stroms. Durch die Verwendung dieses Soll-Referenzstroms werden somit zu große Sprünge des am Zellenstapels anliegenden Stroms verhindert. Diese Begrenzung der Stromanstiegsrate verhindert, dass die Effizienz und Lebensdauer der Systeme beeinträchtigt werden, da andernfalls eine plötzliche Erhöhung der Reaktionsrate notwendig wäre, welche praktisch nicht durchführbar ist. Dies würde bei Elektrolyseuren zu einer Blasenbildung an den Elektroden führen, durch welche der Kontakt zwischen Elektroden und Elektrolyt behindert würde und so die Effizienz verringert. Zusätzlich kann ein solcher plötzlicher Anstieg zu einer ungleichmäßigen Belastung der Elektroden führen, so dass die Reaktionen nicht mehr effizient ablaufen, was mechanischen Stress und Degradation der Materialien verursacht. Bei Brennstoffzellen führt ein kurzfristig erhöhter Strombedarf zu einer unzureichenden Gasversorgung, und somit zu einem lokalen Brennstoffmangel und erhöhtem Zellwiderstand. Des Weiteren wird das thermische Gleichgewicht durch den folgenden Temperaturanstieg gestört. Der Soll-Referenzstrom wird entsprechend im Festoxidzellensystem auch zur Regelung der Temperatur oder einer vorliegenden Kühlung oder Erwärmung des Systems sowie zur Regelung eines bei Brennstoffzellen vorhandenen Luftstroms beispielsweise über Kennfelder dienen. Aus dem Soll-Referenzstrom wird dann eine Soll-Umsatzrate eines Reaktanten im Festoxidzellenstapel über ein hinterlegtes Kennfeld bestimmt, welches von verschiedenen weiteren Parametern des Systems, wie der Temperatur abhängig sein kann. Diese Soll-Umsatzrate ist die Systemreaktantenauslastung, die angibt, wie viel Wasser oder Brennstoff am Stack umgesetzt werden soll und ist üblicherweise auf unter 100% beschränkt. Aus dem so bestimmten Soll-Referenzstrom und der Soll-Umsatzrate wird im Folgenden mittels des Faraday-Gesetzes ein SollReaktantendurchfluss berechnet, also bei einem Brennstoffzellensystem die Menge des an der Anode zugeführten Brennstoffs und bei einem Elektrolyseur die Menge des an der Kathode zugeführten Wassers. In Abhängigkeit dieses Soll-Reaktantendurchflusses wird ein Durchflussregler angesteuert, der in der Reaktanteneinlassleitung angeordnet ist und dazu dient den Reaktantendurchfluss zu steuern. Zuletzt wird im Regelkreis ein Soll-Strom für den DC/DC-Wandler aus einem über einen Durchflussmesser in der Reaktanteneinlassleitung gemessenen Reaktantendurchfluss durch Nutzung des Faraday-Gesetzes berechnet und über die Soll-Umsatzrate reduziert. Da bei der rein mathematischen Berechnung des Stroms am DC/DC-Wandler eine 100%ige Umsatzrate die Folge wäre, wird diese entsprechend über die Soll-Umsatzrate reduziert. Bei dieser Reduktion kann sowohl ein zusätzlicher Wärmebedarf des Zellenstapels berücksichtigt werden als auch eine zu erwartende Laufzeitverschiebung des zugeführten Reaktanten. Dabei ist zu berücksichtigen, dass die Soll-Umsatzrate immer einem aktuell gewünschten Wert entspricht, während die Messung des Reaktantendurchflusses eine zeitliche Verzögerung aufweist, bis die gemessene Reaktantenmenge tatsächlich den Zellenstapel erreicht. Diese Verzögerung ist insbesondere dann zu beachten, wenn es sich um hochdynamische Systeme handelt oder ein zugeführter Reaktant auch noch in einen anderen Aggregatzustand überführt werden muss, wie dies bei der Verwendung von Wasser, welches in Wasserdampf umgewandelt werden muss, oder einem flüssigen Brennstoff der Fall ist. Durch dieses Verfahren kann sowohl im Brennstoffzellenbetrieb als auch im Elektrolysebetrieb zuverlässig eine Soll-Leistung eingeregelt werden, da sie unabhängig von der Alterung oder der Betriebsweise des Festoxidzellenstapels immer einen Strom passend zur Reaktantenmenge regelt. Dieses Verfahren kann auch unabhängig von den verwendeten Reaktanten genutzt werden, also unabhängig davon, ob beispielsweise Erdgas oder Wasserstoff als Brennstoff im Brennstoffzellenbetrieb genutzt werden oder Wasser oder Wasserdampf im Elektrolysebetrieb genutzt wird. Eine Unterversorgung und daraus folgende Schädigung des Zellenstapels wird für alle Anwendungsfälle zuverlässig ausgeschlossen und der Zellenstapel immer im vorgegebenen Betriebsbereich gefahren, wodurch die Lebensdauer des Zellenstapels erhöht wird.

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[0009] Vorzugsweise wird der Soll-Strom oder die Soll-Leistung über einen Betreiber oder eine übergeordnete Steuereinheit vorgegeben. Dies bedeutet, dass das Festoxidzellensystem sowohl vollautomatisch gesteuert werden kann, indem eine übergeordnete Steuereinheit zur Vorgabe der Soll-Leistung dient, wobei in dieser Steuereinheit auch alle Regelungsaufgaben durchgeführt werden können oder das System halbautomatisch betrieben wird und eine Vorgabe der SollLeistung von außen eingebracht wird.

[0010] Des Weiteren ist es vorteilhaft, wenn die Soll-Leistung oder der Soll-Strom vorgegeben werden, sobald das Festoxidzellensystem für den Leistungsbetrieb bereit ist. Dies ist insbesondere erfüllt, wenn einerseits die Betriebstemperatur des Zellenstapels von etwa 600-1000°C erreicht ist und eine homogene Temperaturverteilung vorliegt und andererseits auch die Reaktantenversorgung stabil ist. Entsprechend wird eine vorgegebene Anfahrprozedur genutzt, um Schäden der Zelle beim Anfahren zu vermeiden.

[0011] In einer weiteren vorteilhaften Ausbildung der Erfindung wird der Soll-Strom über ein Kennfeld auf einen maximal zulässigen Strom und einen in Abhängigkeit der Ist- Spannung am DC/DC-Wandler maximal zulässigen Strom begrenzt. Auf diese Weise wird ein Überstrom vermieden, durch welchen die Zellspannung sinken würde, was wiederum zu Kathodendegradation und Elektrodenablagerungen führen kann. Stattdessen wird auf diese Weise der Wirkungsgrad optimiert, also der Festoxidzellenstapel in einem optimierten Bereich betrieben, in dem ein guter Wirkungsgrad erreicht wird. Zusätzlich werden auch Schäden am DC/DC-Wandler vermieden und dieser arbeitet in einem stabilen Bereich.

[0012] In einer hierzu weiterführenden Ausführung ist das Kennfeld zur Bestimmung des maximal zulässigen Stroms von der Temperatur des Festoxidzellenstapels abhängig. Auf diese Weise wird verhindert, dass der Festoxidzellenstapel nicht im optimalen Temperaturbereich betrieben wird, was zu einer Effizienzminderung und gegebenenfalls einer Schädigung der Zellen führen würde.

[0013] In einer bevorzugten Ausführungsform wird die maximal zulässige zeitliche Änderung bei der Bestimmung des Soll-Referenzstroms aus dem Soll-Strom über ein Kennfeld bestimmt. Entsprechend können beispielsweise bei einem Erreichen von Grenzen der optimalen Betriebsbedingungen die zeitlich erlaubten Änderungen minimiert werden oder bei optimalen Betriebsbedingungen größere zeitliche Änderungen zugelassen werden.

[0014] In einer hierzu weiterführenden Ausführung weist das Kennfeld zur Bestimmung des SollReferenzstroms eine Abhängigkeit von der Temperatur des Festoxidzellenstapels auf. Auch hierdurch werden Schäden am Zellenstapel vermieden und eine Temperaturregelung indirekt eingebracht. Es kann jedoch auch eine schnellere Aufheizung durchgeführt werden, falls dies aufgrund der Randbedingungen sinnvoll ist. So kann die zulässige Stromanstiegsrate als Funktion der Temperatur hinterlegt werden.

[0015] Des Weiteren ist es vorteilhaft, wenn das Kennfeld zur Bestimmung der Soll-Umsatzrate eine Abhängigkeit von der Temperatur des Festoxidzellenstapels aufweist. Entsprechend kann bei der Bestimmung der Soll-Umsatzrate die Abhängigkeit der Reaktionskinetik von der Temperatur berücksichtigt werden und so optimale Betriebspunkte erreicht werden. Des Weiteren werden thermodynamische Verluste und temperaturabhängige Degradationsprozelle am Zellenstapel vermieden.

[0016] Die Soll-Umsatzrate ist vorzugsweise kleiner als 100% und beinhaltet einen gegebenenfalls notwendigen Reaktantenüberschuss zur Wärmeerzeugung in weiteren Aggregaten. So wird ein Aushungern des Stapels zuverlässig verhindert und im Brennstoffzellenbetrieb gegebenenfalls zusätzlicher Brennstoff zur Verfügung gestellt, der beispielsweise zur thermischen Erwärmung eines der Brennstoffzelle zugeführten Gases oder des in den Elektrolyseur zugeführten Wassers oder Wasserdampfes genutzt werden kann.

[0017] Vorteilhafterweise wird der Soll-Strom am DC/DC-Wandler auf einen maximal zulässigen Strom und durch eine maximal zulässige Soll-Umsatzrate begrenzt. Auf diese Weise werden Schäden am DC/DC-Wandler durch Überstrom vermieden. Auch wird eine Brennstoffunterversorgung verhindert, die zu Schäden an dem Zellenstapel führen würde und den Wirkungsgrad

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des Stapels verringern würde.

[0018] Besonders vorteilhaft ist, es wenn bei der Bestimmung des Soll-Stroms am DC/DC- Wandler eine Laufzeit des Reaktanten zur Korrektur des gemessenen Reaktantendurchflusses berücksichtigt wird. Dies bedeutet, dass Verzögerungen durch die Strömung des Reaktanten vom Durchflussmesser bis zum Zellenstapel sowie in der Einlassleitung eventuell vorhandene Änderungen des Aggregatzustandes und daraus folgender geänderter Volumenströme berücksichtigt werden. Entsprechend kann bei der Berechnung des Sollstroms beispielsweise jeweils ein in der Vergangenheit liegender Messwert des Durchflussmessers berücksichtigt werden, um den SollStrom zu bestimmen. Auf diese Weise kann der Zellenstapel im optimalen Betriebsbereich gehalten werden.

[0019] Besonders bevorzugt ist es jedoch, wenn bei der Bestimmung des Soll-Stroms am DC/DC-Wandler bei Änderung des Aggregatzustandes des Reaktanten ein Modell zur Berichtigung des Reaktantendurchflusses verwendet wird. Über dieses Modell wird die Änderung der Dichte und des Volumenstroms und die daraus folgende Strömung in der Einlassleitung simuliert. Auf diese Weise kann der Soll-Strom am DC/DC-Wandler deutlich genauer auf die tatsächlich im Zellenstapel vorhandenen Gasströme eingestellt werden. Fehler durch zeitliche Verzögerungen und sich ändernde Volumenströme werden vermieden.

[0020] Des Weiteren erfolgt die Regelung des Reaktantendurchflusses über einen geschlossenen Regelkreis zwischen dem Durchflussmesser und dem Durchflussregler, welche auch in einem Bauteil integriert sein können. So kann der angeforderte Reaktantendurchfluss exakt gesteuert werden.

[0021] Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht entsprechend eine sehr exakte Leistungsregelung sowohl von Brennstoffzellensystemen als auch von Elektrolysesystemen. Nach Erreichen des Leistungsbetriebs können so gewünschte Betriebspunkte unabhängig von einer Alterung der Zellen und Elektroden zuverlässig angefahren werden, wodurch die Effizienz des Zellenstapels erhalten und die Lebensdauer verlängert wird.

[0022] Ein nicht einschränkendes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Regelung einer Leistung und einer Reaktantenversorgung in einem Festoxidzellensystem wird anhand der Figuren nachfolgend beispielhaft beschrieben.

[0023] Die Figur 1 zeigt ein Regelschema eines als Brennstoffzellensystem ausgeführten Festoxidzellensystems.

[0024] Die Figur 2 zeigt ein Regelschema eines als Elektrolysesystem ausgeführten Festoxidzellensystems.

[0025] In der Figur 1 ist vereinfacht ein Brennstoffzellensystem dargestellt. Dieses besteht aus einem Festoxidzellenstapel 10, der als Hochtemperatur-Brennstoffzellenstapel dient. Das Brennstoffzellensystemweist eine Kathodengasquelle 12 auf, welche üblicherweise durch die Umgebungsluft gegeben ist. Von dieser Kathodengasquelle 12 führt eine Kathodengaseinlassleitung 14 über ein Gebläse 16 zur Förderung des Luftstroms sowie einen Wärmetauscher 18 zu einem Kathodengaseinlass 20 des Festoxidzellenstapels 10. Über einen Kathodengasauslass 22 verlässt das Kathodengas über eine Kathodengasauslassleitung 24 den Festoxidzellenstapel 10. Es wird darauf hingewiesen, dass diese Kathodengasauslassleitung 24 auch mit anderen Leitungen des Systems verbunden werden kann und in der Kathodengasauslassleitung 24 weitere Aggregate, wie Wasserabscheider angeordnet sein können.

[0026] Des Weiteren weist das Brennstoffzellensystem eine Reaktantenquelle 26, beispielsweise in Form eines Wasserstoff- oder Erdgastanks, auf. Die Reaktantenquelle 26 ist mit einer Reaktanteneinlassleitung 28 verbunden, die zu einem Reaktanteneinlass 30 des Festoxidzellenstapels 10 führt. In der Reaktanteneinlassleitung 28 ist ein Durchflussregler 31, über den die zugeführte Reaktantenmenge geregelt wird, sowie Durchflussmesser 32 angeordnet, über den der dem Festoxidzellenstapel 10 zugeführte Reaktantenstrom gemessen werden kann. Der Durchflussmesser 32 ist üblicherweise als Massenstrommesser ausgebildet, kann jedoch auch als Volumenstromsensor ausgebildet sein, wobei dann entsprechende Umrechnungen unter Berücksich-

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tigung der Dichte notwendig sind.

[0027] Ein Anodengasauslass 34 ist mit einer Anodengasauslassleitung 36 verbunden, über die das Anodengas abgeführt wird.

[0028] Endplatten 38, 40 des Festoxidzellenstapels 10 sind mit einem DC/DC-Wandler 42 verbunden, wobei in einer der Verbindungsleitungen ein Trennrelais 43 angeordnet ist. Der DC/DCWandler 42 ist mit einem Spannungsmessgerät 44 und einem Strommessgerät 46 verbunden, über die die Ist-Spannung und der Ist-Strom am DC/DC- Wandler 42 gemessen werden können.

[0029] In der Figur 2 ist vereinfacht ein Elektrolysesystem dargestellt. Dieses weist im Vergleich zum in der Figur 1 dargestellten Brennstoffzellensystem lediglich eine Reaktanteneinlassleitung 28 auf, in der der Durchflussregler 31 und der Durchflussmesser 32 angeordnet sind, und über die Wasserdampf über den Reaktanteneinlass 30 geregelt in den Festoxidzellenstapel 10 gelangt, wo der Wasserdampf in Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt wird, wobei am Kathodengasauslass 22 Wasserstoff und am Anodengasauslass 34 Sauerstoff austritt.

[0030] Die Regelung erfolgt für das in der Figur 2 dargestellte Elektrolysesystem in gleicher Weise wie für das in der Figur 1 dargestellte Brennstoffzellensystem, indem zunächst von einem Betreiber oder einer übergeordneten Steuereinheit 48 eine Soll-Leistung Psou des Festoxidzellenstapels 10 oder im Fall des Elektrolysesystems eine zu erzeugende Produktgasmenge, die über das Faraday-Gesetz in eine Leistung umgerechnet werden kann, vorgegeben wird. Diese wird auf eine maximal zulässige Leistung begrenzt und in Watt oder einem Prozentsatz einer Volllastleistung vorgegeben. Aus dieser wird mittels der Messwerte des Spannungsmessgerätes 44 ein Sollstrom Iso über Ison=Psou/Uist berechnet. Alternativ ist es auch möglich, unmittelbar einen Sollstrom Iso vorzugeben, auf den der Festoxidzellenstapel geregelt werden soll. Dieser Sollstrom Iso Wird über ein Kennfeld auf einen maximal zulässigen Strom Isonmax UuNd einen von der über das Spannungsmessgerät 44 gemessenen Spannung Ui: abhängigen maximal zulässigen Strom Isolt,max=f(Uist) begrenzt.

[0031] Aus dem Soll-Strom Iso wird ein Soll-Referenzstrom l;ef,so bestimmt, der den tatsächlichen Soll-Strom des Festoxidzellensystems darstellt und auch für weitere Regelungen, auf die hier nicht eingegangen wird, verwendet werden kann. Dieser Soll-Referenzstrom |,er,so Wird durch eine Ratenbegrenzung des Sollstroms Isa gewonnen. Hier werden lediglich geringe Abweichungen von beispielswiese 0,5A im Vergleich zum am Strommessgerät 46 gemessenen Strom lis erlaubt. Diese erlaubten Abweichungen können zusätzlich in Abhängigkeit der Temperatur am Festoxidzellenstapel 10 über ein Kennfeld bestimmt werden, wodurch der Soll-Referenzstrom lref,sol eine Temperaturabhängigkeit aufweist.

[0032] Im Folgenden wird aus dem Soll-Referenzstrom |;ef,so &iNne zu diesem passende Soll-Umsatzrate (RUsox) des Reaktanten bestimmt, welche angibt, welche Reaktantenmenge am Festoxidzellenstapel 10 umgesetzt werden soll. Dies erfolgt über ein hinterlegtes Kennfeld, welches auch von der Temperatur des Festoxidzellenstapels 10 abhängig ist. Dieses Kennfeld ist somit einerseits abhängig von den optimalen Betriebspunkten des Festoxidzellenstapels 10, in welchem die Soll-Umsatzrate RUsou zur Verhinderung eines Aushungerns des Stapels immer unter 100% beträgt und von der Temperatur, wenn im Falle eines Brennstoffzellensystems zusätzlicher Brennstoff zur Aufheizung der Gasströme verwendet werden soll, wodurch die Soll-Umsatzrate RUsoul entsprechend weiter sinken würde.

[0033] Aus dem Soll-Referenzstrom l;ef,soı kann nun über das Faraday-Gesetz, welches besagt, dass die Stoffmenge der Reaktanten oder Produkte direkt proportional zur durch den Festoxidzellenstapel 10 fließenden elektrischen Ladung ist, ein Soll-Reaktantendurchfluss (Mp,[0034] Dies bedeutet für die Elektrolyse, bei der Wasser zu Wasserstoff und Sauerstoff gespalten wird, dass die Stoffmenge Wasserstoff, die produziert wird, über die Formel „> = Tedsol berech-

net werden kann, wobei n;, die umzusetzende Produktmenge, z die Anzahl der Elektronen pro Molekül des Reaktanten, im vorliegenden Fall also 2 und F die Faraday-Konstante ist. Da zur

Erzeugung eines Mols Wasserstoff ein Mol Wasser notwendig ist, ergibt sich, dass my29 = Aıy2 X My20 ist, womit der gewünschte Reaktantenstrom hr zum Sollreferenzstrom /-ef,sou bestimmt ist.

[0035] Die entsprechende Rechnung zur Bestimmung des notwendigen Reaktantenstroms im

red,soll

Brennstoffzellenbetrieb ergibt sich in gleicher Weise über die Formel Aıy> = edson wobei erneut

pro Mol Wasserstoff 2 Elektronen benötigt werden, so dass z=2 ist. Des Weiteren ist my, = Yıy2 X My, , SO dass auch hier über die Faraday-Formel der benötigte Reaktantendurchfluss mR berechnet werden kann.

[0036] Der auf diese Weise für die Brennstoffzelle und die Elektrolyse berechnete Reaktantendurchfluss entspricht jedoch jeweils einer 100%-igen Umsatzrate des Reaktanten, so dass im Folgenden zur Berechnung des Soll-Reaktantendurchflusses mh, .„,, Noch das Ergebnis durch die Soll-Umsatzrate RUso dividiert werden muss, da, wie vorbeschrieben wurde, eine 100%-ige Umsatzrate, wie sie durch den berechneten Reaktantendurchfluss bestimmt wurde, nicht gewünscht ist, um ein Aushungern der Festoxidzellenstapels 10 zuverlässig zu verhindern und gegebenenfalls zusätzliche Energie bereitstellen zu können.

[0037] Dieser berechnete Soll-Reaktantenstrom m, 1 wird zur Regelung des Durchflussreglers 31 verwendet, der beispielsweise als Ventil ausgeführt ist, welches mit dem Durchflussmesser 32 über einen geschlossenen Regelkreis verbunden ist, so dass die Öffnung des Durchflussreglers 31 derart angepasst wird, dass die Messwerte des Durchflussmessers 32 dem Soll-Reaktantendurchfluss mh, „1 entsprechen.

[0038] Die Messwerte des Durchflussmessers 32 sowie die Soll-Umsatzrate RUsou werden abschließend in einen Soll-Strom Ipcpoc,soa am DC/DC-Wandler 42 umgerechnet, indem zunächst die aktuellen Messwerte mh, ;,, des Durchflussmessers 32, wie oben beschrieben wurde, über das Faraday-Gesetz in einen Strom umgerechnet werden und anschließend dieser entsprechend über die Soll-Umsatzrate RUsou korrigiert wird. Der hierbei berechnete Wert wird immer auf eine maximal zulässige Soll-Umsatzrate RUsou sowie einen maximalen Strom begrenzt.

[0039] Des Weiteren kann hier zur Verbesserung der Regelung auch die Laufzeit des Reaktanten durch die Reaktanteneinlassleitung 28 berücksichtigt werden. Je nach Anordnung des Durchflussmessers 32 in der Reaktanteneinlassleitung 28 kann über den Querschnitt der Reaktanteneinlassleitung 28 und den Massenstrom die Zeit bestimmt werden, die der Reaktant benötigt, um vom Durchflussmesser 32 zum Festoxidzellenstapel 10 zu gelangen. Diese Zeitverzögerung kann entsprechend bei der Bestimmung des einen Soll-Stroms Ipeoc,son am DC/DC-Wandler 42 berücksichtig werden, indem immer die entsprechend zeitlich zurückliegenden Werte für die Berechnung verwendet werden.

[0040] Zusätzlich kann es notwendig sein, ein Modell zu verwenden, welches neben der reinen Laufzeitverzögerung auch berücksichtigt, dass beispielsweise Reaktanten in der Reaktanteneinlassleitung 28 zunächst verdampft werden müssen, da diese zunächst in flüssiger Form vorliegen, was insbesondere bei der Elektrolyse von Wasser oder in Brennstoffzellen vorkommt, wenn verflüssigter Wasserstoff als Reaktant verwendet wird. Ein solches Modell muss je nach Anordnung des Durchflussmessers sowie im Festoxidzellensystem herrschender Temperatur, die durch den Phasenwechsel entstehende Verzögerung berücksichtigen. Ein solches Modell muss an die genaue Ausführung des Festoxidzellensystems entsprechend angepasst werden.

[0041] Das beschriebene Verfahren zur Regelung einer Leistung und einer Reaktantenversorgung in einem Festoxidzellensystem eignet sich entsprechend sowohl für Elektrolyseure als auch für Brennstoffzellen. Fehler in der Regelung, die zu einer erhöhten Degradation führen, werden weitestgehend ausgeschlossen. Mit dieser Regelung kann ein solches Festoxidzellensystem automatisiert auf gewünschte Betriebspunkte eingeregelt werden. Die Regelung ermöglicht, sobald es der Systemzustand erlaubt, automatisiert das Anfahren, den stationären Betrieb sowie das Herunterfahren des Betriebspunktes und hält das System dabei in einem sicheren Zustand und ist somit für alle Betriebszustände, in denen ein Strombetrieb zulässig ist, verwendbar. Durch die

Regelung der erforderlichen Gasmengen über den Referenzstrom wird einerseits eine Degradation vermieden und andererseits die Temperatur sowie weitere Teilprozesse geregelt. Dieses Verfahren benötigt keinen geschlossenen Regelkreis oder PID Regler und kann trotzdem die gewünschte Leistung unabhängig von der Lebenszeit des Systems einregeln. Eine Alterung der Zellen wird automatisch durch die Verwendung der tatsächlich anliegenden Spannung berücksichtigt. Ein weiterer großer Vorteil ist, dass diese Methode auch für unterschiedliche Reaktanten einsetzbar ist. Des Weiteren wird das Risiko einer Unterversorgung des Festoxidzellenstapels reduziert.

[0042] Es sollte deutlich sein, dass das beschriebene Verfahren zur Regelung von Festoxidzellen weitere Sensoren, insbesondere Temperatursensoren aufweisen kann, die hier nicht beschrieben sind. Die verwendeten Kennfelder müssen mit einem entsprechend aufgebauten Festoxidzellensystem zuvor durch Versuche oder genaue Modellierungen zunächst erstellt werden. Die beschrieben Festoxidzellensysteme weisen selbstverständlich auch zusätzliche Aggregate auf, welche jedoch für die beschriebene Erfindung nicht wesentlich sind.

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Claims (13)

Patentansprüche

1. Verfahren zur Regelung einer Leistung und einer Reaktantenversorgung in einem Festoxidzellensystem, bei dem

- ein Soll-Strom (Iso), auf den ein Festoxidzellenstapel (10) geregelt werden soll, entweder direkt vorgegeben wird oder aus einer Soll-Leistung (Psou) und einer gemessenen IstSpannung (Uist) an einem mit dem Festoxidzellenstapel (10) verbundenen DC/DC-Wandler (42) berechnet wird,

- aus dem Soll-Strom (Iso) ein Soll-Referenzstrom (l;ersol) bestimmt wird, der den SollStrom (Iso) auf eine maximal zulässige zeitliche Änderung des Soll-Stroms (Isoı) in Abhängigkeit eines am DC/DC-Wandler (42) gemessenen Ist-Stroms (list) begrenzt,

- aus dem Soll-Referenzstrom (Iref,soll) eine Soll-Umsatzrate (RUson) eines Reaktanten im Festoxidzellenstapel (10) über ein hinterlegtes Kennfeld bestimmt wird,

- mittels des Faraday-Gesetzes aus dem Soll-Referenzstrom (lrer,son) UNd der Soll-Umsatzrate (RUson) ein Soll-Reaktantendurchfluss (m, .„,) berechnet wird,

- In Abhängigkeit des Soll-Reaktantendurchflusses (mp...) ein Durchflussregler (31) angesteuert wird,

- ein Soll-Strom (Ipeoe,son) für den DC/DC-Wandler (42) aus einem über einen Durchflussmesser (32) in einer Reaktanteneinlassleitung (28) gemessenen Reaktantendurchfluss (Mp,ist) durch Nutzung des Faraday-Gesetzes berechnet und über die Soll-Umsatzrate (RUso) reduziert wird.

2. Verfahren zur Regelung einer Leistung und einer Reaktantenversorgung in einem Festoxidzellensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Soll-Strom (Iso) oder die Soll-Leistung (Pso) über einen Betreiber oder eine übergeordnete Steuereinheit (48) vorgegeben wird.

3. Verfahren zur Regelung einer Leistung und einer Reaktantenversorgung in einem Festoxidzellensystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Soll-Leistung (Psou) oder der Soll-Strom (Iso) vorgegeben werden, sobald das Festoxidzellensystem für den Leistungsbetrieb bereit ist.

4. Verfahren zur Regelung einer Leistung und einer Reaktantenversorgung in einem Festoxidzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Soll-Strom (Iso) über ein Kennfeld auf einen maximal zulässigen Strom (Imax) und einen in Abhängigkeit der Ist-Spannung (Uistı) am DC/DC-Wandler (42) maximal zulässigen Strom (Iococ,max) begrenzt wird.

5. Verfahren zur Regelung einer Leistung und einer Reaktantenversorgung in einem Festoxidzellensystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Kennfeld zur Bestimmung des maximal zulässigen Stroms (Imax) von der Temperatur des Festoxidzellenstapels (10) abhängig ist.

6. Verfahren zur Regelung einer Leistung und einer Reaktantenversorgung in einem Festoxidzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die maximal zulässige zeitliche Änderung des Soll-Stroms (Iso) bei der Bestimmung des SollReferenzstroms (lref,sol) über ein Kennfeld bestimmt wird.

7. Verfahren zur Regelung einer Leistung und einer Reaktantenversorgung in einem Festoxidzellensystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Kennfeld zur Bestimmung des Soll-Referenzstroms (lref,sol) eine Abhängigkeit von der Temperatur des Festoxidzellenstapels (10) aufweist.

8. Verfahren zur Regelung einer Leistung und einer Reaktantenversorgung in einem Festoxidzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kennfeld zur Bestimmung der Soll-Umsatzrate (RUsoi) eine Abhängigkeit von der Temperatur des Festoxidzellenstapels (10) aufweist.

9. Verfahren zur Regelung einer Leistung und einer Reaktantenversorgung in einem Festoxidzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Soll-Umsatzrate (RUsoi) kleiner als 100% ist und einen gegebenenfalls notwendigen Reaktantenüberschuss zur Wärmeerzeugung in weiteren Aggregaten beinhaltet.

10. Verfahren zur Regelung einer Leistung und einer Reaktantenversorgung in einem Festoxidzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Soll-Strom (Ipeoc,so) am DC/DC-Wandler (42) auf einen maximal zulässigen Strom(Ipcoc,max) und durch eine maximal zulässige Soll-Umsatzrate (RUsonmax) begrenzt wird.

11. Verfahren zur Regelung einer Leistung und einer Reaktantenversorgung in einem Festoxidzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Bestimmung des Soll-Stroms (Ipeoc,so) am DC/DC-Wandler (42) eine Laufzeit des Reaktanten zur Korrektur des gemessenen Reaktantendurchflusses (m, ,;;,) berücksichtigt wird.

12. Verfahren zur Regelung einer Leistung und einer Reaktantenversorgung in einem Festoxidzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Bestimmung des Soll-Stroms (Ipepc,soı) am DC/DC-Wandler (42) bei Änderung des Aggregatzustandes des Reaktanten ein Modell zur Berichtigung des Reaktantendurchflusses (Mp,iser) verwendet wird.

13. Verfahren zur Regelung einer Leistung und einer Reaktantenversorgung in einem Festoxidzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelung des Reaktantendurchflusses (mp,Hierzu 2 Blatt Zeichnungen