[0001] Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenanlage mit einer von einem Betriebsstoffstrom durchströmten Kathode, wobei der Betriebsstoff wenigstens ein Oxidationsmittel, insbesondere Luftsauerstoff, aufweist, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Stand der Technik:
[0002] In der Anwendung von Brennstoffzellen sind neben Fahrzeugen mit Brennstoffzellenantrieb oder Auxiliary Power Unit (APU) auf der Basis von Brennstoffzellen auch stationäre Brennstoffzellenanlagen in einer Vorstufe zum serienreifen Zustand.
[0003] Heutige Brennstoffzellensysteme auf der Basis protonenleitfähiger Membranen oder sauerstoffleitender Membranen, insbesondere SOFC, verwenden im Kathodenpfad z.B. Gebläse bzw.
Kompressoren, Massenstromsensoren, Drucksensoren und/oder Druckregelventile, um die Betriebsbedingungen für die Brennstoffzelle, insbesondere den Massenstrom sowie den Betriebsdruck, zu steuern bzw. zu regeln. Bei Niederdrucksystemen, d.h. bei einem Druck bis ca. 1,5 bar, kann eventuell auf eine Drucksensierung bzw. Druckregelung verzichtet werden.
[0004] Damit der Brennstoffzelle in jedem Betriebspunkt ausreichend Sauerstoff zur Verfügung steht, muss der Luftmassenstrom mit den oben genannten Komponenten gemessen und geregelt oder gesteuert werden. Alternativ hierzu kann z.B. das Gebläse mit ausreichend grossem Überschuss an Luftförderung betrieben werden, um eine Unterversorgung der Brennstoffzelleneinheit mit Sauerstoff sicher zu vermeiden.
Hierbei sinkt jedoch der Gesamt-Wirkungsgrad der Brennstoffzelleneinheit.
[0005] Die in einem gängigen, sogenannten Brennstoffzellenstack hintereinander angeordneten Einzelzellen liefern durch die zunehmende Abreicherung an Sauerstoff je Zelle immer weniger Spannung. Aus diesem Grund wird das System immer überstöchiometrisch betrieben, um auch die hintersten Einzelzellen des Brennstoffzellenstacks ausreichend mit Sauerstoff zu versorgen. Im Allgemeinen werden heutige Brennstoffzellensysteme dementsprechend mit einem Überschuss an Sauerstoff auf der Kathodenseite betrieben.
Dies erfolgt insbesondere mittels der Erfassung der erzeugten Spannung und/oder des erzeugten elektrischen Stroms, mit Hilfe von Massenstromsensoren, Drucksensoren sowie in manchen Ausführungen in einer elektrischen Kontrolleinheit hinterlegten Strom/Spannungskennlinien, mathematischen Modellen des System etc.
[0006] Der Betrieb des Brennstoffzellensystems mit einem Überschuss an Sauerstoff auf der Kathodenseite ist vergleichsweise aufwändig und ungenau oder im Wirkungsgrad nicht optimal.
Aufgabe und Vorteile der Erfindung:
[0007] Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, eine weniger aufwändige Brennstoffzellenanlage mit einer von einem Betriebsstoffstrom durchströmten Kathode vorzuschlagen, wobei der Betriebsstoff wenigstens ein Oxidationsmittel, insbesondere Luftsauerstoff, aufweist und wobei eine Kathodenkontrolleinheit zur Kontrolle der Kathodengasversorgung mit dem Oxidationsmittel vorgesehen ist.
[0008] Diese Aufgabe wird, ausgehend von einer Brennstoffzellenanlage der einleitend genannten Art, durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
[0009] Durch die in den abhängigen Ansprüchen genannten Massnahmen sind vorteilhafte Ausführungen und Weiterbildungen der Erfindung möglich.
[0010] Dementsprechend zeichnet sich eine erfindungsgemässe Brennstoffzellenanlage dadurch aus,
dass die Kathodenkontrolleinheit wenigstens einen Sauerstoffsensor zur Ermittlung eines absoluten oder relativen Sauerstoffgehalts im Betriebsstoffstrom umfasst. Mit Hilfe eines erfindungsgemässen Sauerstoffsensors kann der Sauerstoffgehalt direkt im Betriebsstoffstrom ermittelt und zur Steuerung/Regelung der Brennstoffzellenanlage vorzugsweise mit Hilfe der Kontrolleinheit verwendet werden.
Hierdurch kann eine deutliche Vereinfachung der Systemkomplexität der Brennstoffzellenanlage gemäss der Erfindung erreicht werden.
[0011] Darüber hinaus kann durch den vollständigen oder teilweisen Wegfall der bisherigen Sensorik, wie Massenstromsensor, Drucksensor, Strom/Spannungssensorik, neben der Reduzierung des konstruktiven Aufwands auch eine deutliche Kostenreduktion erreicht werden.
[0012] Auch durch die in manchen Ausführungen verwendete indirekte Bestimmung der Kathodenversorgung gemäss dem Stand der Technik mit Hilfe von modellhaften Beschreibungen bzw. entsprechend hinterlegten Zusammenhängen werden die hiermit verbundenen Fehler, d.h. die Differenzen zwischen den Modellen und der Realität, gemäss der Erfindung in besonders eleganter Weise beseitigt.
Hierdurch kann gemäss der Erfindung eine im Vergleich zum Stand der Technik deutlich genauere Einstellung der Kathodengasversorgung erreicht und der Gesamtwirkungsgrad verbessert werden.
[0013] In alternativen Ausführungsformen oder auch vorteilhaft kombiniert kann der Sauerstoffsensor in Strömungsrichtung des Betriebstoffstroms vor und/oder hinter der Kathode angeordnet werden oder im Stack integriert werden. Gegebenenfalls kann der konkrete Einbauort von den vorhandenen Platzverhältnissen abhängig gemacht bzw. an diese angepasst werden.
[0014] Bei einer Anordnung des erfindungsgemässen Sauerstoffsensors vor der Brennstoffzelleneinheit kann bei bekanntem Verbrauch an Oxidationsmittel der Kathode die Sauerstoffversorgung der Kathode sicher gewährleistet werden. Vorzugsweise ist der Sauerstoffsensor hinter der Kathode angeordnet, so dass sich die Kontrolle bzw.
Regelung der Brennstoffzellenanlage besonders stark vereinfacht, da hierbei in vorteilhafter Weise der Restsauerstoffgehalt der Kathode direkt ermittelbar ist und hieraus eine Unter- oder Überversorgung besonders einfach feststellbar ist. Auf Abschätzungen bzw. Modelle des aktuellen und/oder des benötigten Sauerstoffbedarfs der Kathode kann hierbei gegebenenfalls vollständig verzichtet werden. Bei dieser Variante der Erfindung können z.B. eine Erhöhung oder eine Verringerung der Sauerstoffzufuhr zur Kathode, abhängig vom ermittelten Restsauerstoffgehalt besonders einfach veranlasst werden.
[0015] In einer besonderen Weiterbildung der Erfindung ist der Sauerstoffsensor als Lambdasonde ausgebildet. Entsprechende Lambdasonden sind bereits handelsüblich, so dass eine besonders wirtschaftlich günstige Umsetzung der Erfindung erreichbar ist.
Beispielsweise können sogenannte Breitbandlambdasonden zur Ermittlung des Restsauerstoffgehaltes der Kathodenabluft eingesetzt werden.
[0016] Vorzugsweise ist der Sauerstoffgehalt als Führungsgrösse für die Kontrolleinheit vorgesehen. Zum Beispiel wird ein vorgegebener Wert als Sollgrösse des Sauerstoffgehaltes in der Kontrolleinheit z.B. als Funktion der Last hinterlegt und mit dem vom Sauerstoffsensor erfassten Ist-Wert verglichen.
Besteht zwischen diesen beiden Grössen eine Differenz, so wird abhängig von der gemessenen Differenz ein Vorgang bzw. eine Änderung von Systemparametern eingeleitet, die die beiden Grössen im Wesentlichen wieder in Übereinstimmung bringen sollen.
[0017] Neben dem absoluten oder relativen Sauerstoffgehalt kann als Führungsgrösse ein weiterer Stackparameter wie z.B. der Betriebsdruck zur Kontrolle der Brennstoffzellenanlage gemäss der Erfindung vorgesehen werden. Hierdurch kann für besondere Anwendungsfälle eine weitere Optimierung der Betriebsweise der Brennstoffzellenanlage gemäss der Erfindung erreicht werden.
[0018] Vorteilhafterweise ist eine Einstellung der Fördermenge einer Betriebsstofffördervorrichtung abhängig vom Sauerstoffgehalt des Betriebsstoffs vorgesehen.
Durch diese vorteilhafte Abhängigkeit zwischen dem Sauerstoffgehalt und der Fördermenge des Betriebsstoffs ist mit Hilfe der Betriebsstofffördervorrichtung eine besonders einfache Betriebsweise der Brennstoffzellenanlage gemäss der Erfindung für unterschiedlichste bzw. sich verändernde Betriebszustände realisierbar.
[0019] Darüber hinaus sind zum Teil Betriebsstofffördervorrichtungen bereits in unterschiedlichsten Varianten handelsüblich, so dass auf bereits vorhandene Komponenten für die Brennstoffzellenanlage gemäss der Erfindung zurückgegriffen werden kann. Dies führt zu einer wirtschaftlich günstigen Umsetzung der Erfindung.
[0020] Vorzugsweise ist wenigstens ein Verdichter, insbesondere ein Gebläse und/oder ein Kompressor, zur Förderung des Betriebsstoffs vorgesehen.
Entsprechende Verdichter können relativ einfach mit bereits bewährten Methoden ihre zu fördernde Menge ändern und sind in unterschiedlichsten Varianten erhältlich.
[0021] In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist eine Einstellung der Drehzahl des Verdichters abhängig vom Sauerstoffgehalt des Betriebsstoffs vorgesehen. Die Einstellung der Drehzahl zur Veränderung der Fördermenge bei einem Verdichter wie einem Gebläse und/oder einem Kompressor führt zu einer besonders einfachen und genauen Einstellung der Sauerstoffversorgung der Kathode.
Hierdurch kann eine vorteilhafte Betriebsweise der Brennstoffzelleneinheit realisiert und zugleich insbesondere der Wirkungsgrad des Systems optimiert werden.
[0022] Grundsätzlich kann gemäss der Erfindung aufgrund der Ermittlung des Sauerstoffgehalts mit Hilfe des vorteilhaften Sauerstoffsensors eine Optimierung des Gesamtwirkungsgrades des Systems erreicht werden. Beispielsweise kann durch die verbesserte Einstellung der Kathodengasversorgung der Betrieb von entsprechenden Verdichterkomponenten optimiert und eine Verringerung sogenannter parasitärer Verluste im System erreicht werden.
Beispielsweise kann die Gebläseleistung auf ein tatsächlich erforderliches Mindestmass in besonders einfacher Weise abgesenkt werden.
[0023] Die Absenkung der Kathodengasmenge auf das erforderliche Mindestmass kann in vorteilhafter Weise auch dazu führen, dass die Menge an zu befeuchtendem Kathodengas verringert und somit weniger Energie und/oder Wasser zur Befeuchtung der Kathode notwendig ist. Dementsprechend wird sich der Eigenbedarf des Systems an Energie und/oder Wasser zusätzlich senken, was sich wiederum in einer Erhöhung des Gesamtwirkungsgrads des Systems äussert.
[0024] Weiterhin kann durch die Reduktion der Leistung des Verdichters bzw. des Gebläses und/oder des Kompressors eine Absenkung des Geräuschpegels entsprechender Komponenten bzw. des Systems erreicht werden.
Dies verbessert die Akzeptanz bei Anwendern für eine Brennstoffzellenanlage gemäss der Erfindung.
[0025] Generell kann durch die verbesserte, insbesondere exaktere Einstellung der Kathodengasversorgung die ausreichende Sauerstoffzufuhr selbst bei dynamischen Änderungen des Betriebsdruckes, speziell bei Druckaufbauphasen bzw. bei Laständerungen sichergestellt werden. Dies verbessert die Betriebssicherheit des Systems.
Ausführungsbeispiel:
[0026] Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird anhand der einzigen Figur nachfolgend näher erläutert.
<tb>In Fig. 1<sep> ist schematisch eine Brennstoffzellenanlage gemäss der Erfindung dargestellt.
Die Brennstoffzellenanlage umfasst einen Brennstoffzellenstack 1, der aus einer nicht näher dargestellten Vielzahl an einzelnen Brennstoffzellen besteht.
[0027] Der Brennstoffzellenstack 1 weist eine sehr schematisch dargestellte Anode 2, Kathode 3 und Membran 4 auf. An Endplatten 5 dieses so aufgebauten Brennstoffzellenstacks 1 wird die Spannung, die zum Betrieb eines elektrischen Verbrauchs, z.B. Motors, benötigt wird, abgegriffen.
[0028] Zur Versorgung des Brennstoffzellenstacks 1 weist die Brennstoffzellenanlage eine Anoden- bzw. Brennstoffversorgung 6 und eine Kathoden- bzw. Sauerstoffversorgung 7 auf. Die Brennstoffversorgung 6 wird mit einem ersten Betriebsstoff 8, insbesondere Wasserstoff oder einem anderen, vorteilhaften Betriebsstoff 8 versorgt. Mit Hilfe des vorteilhaften Betriebsstoffs 8 kann z.B.
Wasserstoff "On-Board" erzeugt werden, insbesondere mittels Reformierung von Kohlenwasserstoffen, wie Benzin, Diesel oder dergleichen. Bei der Wasserstofferzeugung on-board wird der Wasserstoff 8 optional in einem Speicher 9 zwischengespeichert, insbesondere unter einem Überdruck, und dem Brennstoffzellenstack 1 unter Verwendung eines Druckregelventils 10 und/oder eines Drucksensors 11 anodenseitig zugeführt. Für den direkten Betrieb des Brennstoffzellensystems mit Wasserstoff stellt der Speicher 9 den Hauptspeicher (Tank) für Wasserstoff dar. In Strömungsrichtung des Wasserstoffs 8 hinter der Anode ist ein Spülventil 12 angeordnet.
Ohne nähere Darstellung sind bereits Systeme bekannt, die eine Kreislaufführung des Anodenrestgases aufweisen.
[0029] Die Sauerstoffversorgung 7 wird mit einem zweiten Betriebsstoff 13, insbesondere Luftsauerstoff 13, unter Verwendung eines Verdichters 14 versorgt. Der Verdichter 14 kann beispielsweise als Gebläse, insbesondere für Niederdrucksysteme, und/oder als Kompressor, insbesondere für Systeme mit erhöhtem Betriebsdruck, ausgebildet werden.
Weiterhin umfasst die Sauerstoffversorgung 7 optional einen Drucksensor 15, insbesondere bei Systemen mit erhöhtem Betriebsdruck.
[0030] In Strömungsrichtung der Luft 13 hinter der Kathode 3 ist am Kathodenauslass ein Sauerstoffsensor 16 bzw. eine Lambdasonde 16 und optional ein Druckregelventil 17 angeordnet.
[0031] Aus Gründen der Übersichtlichkeit wurde auf einzelne Komponenten, wie die Befeuchtung der Betriebsstoffströme 8, 13 oder die optional vorzusehende Reformierung, einschliesslich entsprechender Reinigungsstufen, verzichtet. Diese Komponenten einer Brennstoffzellenanlage sind bereits in vielfältigsten Varianten als Stand der Technik bekannt.
[0032] Für eine Brennstoffzellenleistung P_el wird eine entsprechende Menge Sauerstoff M_O2 als Kathodengas 13 benötigt.
In dem Fall, bei dem genau diese Menge an Sauerstoff der Kathode 3 zugeführt wird, wird dieser vollständig zu Wasser H2O umgesetzt. Da die Strom/Spannungskennlinie der Brennstoffzelle vom Partialdruck des Sauerstoffs abhängt, würden die im Brennstoffzellenstack 1 hintereinander angeordneten einzelnen Brennstoffzellen durch die zunehmende Abreicherung an Sauerstoff O2 immer weniger Spannung liefern.
Aus diesem Grund werden entsprechende Systeme im Allgemeinen immer überstöchiometrisch betrieben, d.h. man bietet Luftmengen mit beispielsweise dem 1,5fachen der eigentlich benötigten Sauerstoffmenge M_O2 an, um auch die hintersten bzw. die in Strömungsrichtung letzten Brennstoffzellen ausreichend mit Sauerstoff O2 zu versorgen.
[0033] Bringt man nun am Kathodengasauslass einen Sauerstoffsensor 16 gemäss der Erfindung an, der den absoluten oder relativen prozentualen Anteil von Sauerstoff in der Abluft bzw. dem Restgas misst, so ist der genaue Restsauerstoffanteil bekannt. Dieser Restsauerstoffanteil lässt sich als lambda ausdrücken (lambda = 2 beispielsweise 10% Sauerstoffgehalt des Kathodenabgases, bei lambda = 1,5 ca. 7% und bei lambda = 1,25 ca. 4%).
Hierbei gibt lambda bei Oxidationsvorgängen das Verhältnis der tatsächlich für die Oxidation vorhandenen Luftmenge zur Mindestluftmenge an. Die Mindestluftmenge hängt dabei in direkter Form vom Strom ab, den die Brennstoffzelle liefert.
[0034] Zahlenwerte kleiner 1 zeigen Luftmangel und Zahlenwerte grösser 1 Luftüberschuss an. Ist ein bestimmter, definierter Luftüberschuss hinter der Kathode 3 vorhanden, so ist in eleganter Weise für alle denkbaren Betriebssituationen sichergestellt, dass die Kathode ausreichend mit Sauerstoff versorgt ist.
[0035] Der Sauerstoffgehalt der Kathodenabluft kann z.B. mit einer sogenannten Breitbandlambdasonde gemessen werden. Dieser Sauerstoffgehalt wird in vorteilhafter Weise in der Regelung des Brennstoffzellensystems verwendet. Falls der Sauerstoffanteil zu gross ist, wird beispielsweise die Drehzahl des Verdichters 14 abgesenkt.
Falls er zu klein ist, wird die Drehzahl angehoben, z.B. durch Veränderung der mittleren Spannung über geänderte Taktungen. Die Veränderung der Drehzahl muss hierbei nicht über einen Verdichterdrehzahlsensor gemessen werden, sondern kann beispielsweise in vorteilhafter Weise so lange verändert werden, bis das gewünschte Sauerstoffverhältnis hinter der Kathode 3 vorhanden ist bzw. mit dem Sensor 16 gemessen wird.
Hiermit kann auch bei dynamischen Änderungen, wie einem Lastwechsel der Brennstoffzelle 1 von z.B. 10% auf 90% der Maximalleistung, die Verdichterdrehzahl anhand des Restsauerstoffanteils vorteilhaft eingeregelt werden.
[0036] Falls für bestimmte Anwendungsfälle im Wesentlichen gleichzeitig zur Lasterhöhung aus Gründen des Wirkungsgrades der Betriebsdruck der Brennstoffzelle 1 angehoben wird, insbesondere über die Druckregelventile 11, 15, besteht beim Stand der Technik häufig die Gefahr einer Abreicherungsphase. Hier kann gemäss der Erfindung sehr einfach, neben der Grösse Druck, die Grösse Restsauerstoffanteil als Führungsgrösse für das Brennstoffzellensystem verwendet werden. Der Restsauerstoffanteil muss dann in der Regelung nicht mehr über Modelle, wie dies beim Stand der Technik der Fall ist, abgeschätzt werden.
Hierbei sollten beispielsweise die Degradation oder sonstige Störungen des Brennstoffzellenstacks 1 modellhaft abgeschätzt werden. Dies führt beim Stand der Technik häufig zu fehlerhaften Modellaussagen und entsprechend ungenauen bzw. fehlerbehafteten Regelungen.
[0037] Bei Kenntnis des genauen Restsauerstoffanteils gemäss der Erfindung kann auch der Sauerstoffüberschuss so weit abgesenkt werden, bis eine Leistungsverringerung des Brennstoffzellenstacks 1 erkennbar wird, z.B. aus Unterschreitung von Schwellenwerten der Brennstoffzellenspannung. Dies kann in besonderen Anwendungen von vorteilhaften Bordnetzkomponenten erkannt werden. Hiermit wird eine Geräuschabsenkung und eine Absenkung des Leistungsbedarfs des Gebläses bzw.
Verdichter 14 erreicht, was zudem den Gesamt-Systemwirkungsgrad erhöht.
[0038] In Fig. 1 ist ein Niederdrucksystem, Systemdruck der Anode und Kathode ca. 1 bis 1,3 bar dargestellt. Gestrichelt sind auf der Kathodenseite Drucksensor 15 und Druckregelventil 17 eingezeichnet, die insbesondere für Systeme mit erhöhtem Betriebsdruck vorzusehen sind.
[0039] Die Genauigkeit der Restsauerstoffanteilsensierung ist entscheidend für die Regelgenauigkeit. Auflösungen von 1 bis 2% Sauerstoffgehalt, wie sie z.B. von einer Lambdasonde 16 erbracht werden, sind völlig ausreichend. Die Lambdasonde 16 besteht im Allgemeinen aus einem gasundurchlässigen becherförmigen Keramikkörper aus Zirkoniumdioxid, der innen und aussen mit einer dünnen Schicht von Platin versehen ist. Ein Teil der Lambdasonde 16 steht mit der Aussenluft in Verbindung, der andere wird vom Kathodengas 13 umfüllt.
Das Keramikmaterial wird bei etwa 300 deg. C für Sauerstoffionen leitend. Ist der Sauerstoffanteil auf beiden Seiten der Lambdasonde verschieden gross, so entsteht zwischen den beiden Grenzflächen der Lambdasonde 16 eine elektrische Spannung, die ein Mass für den Restsauerstoffgehalt ist. Die elektrische Spannung wird in einem elektronischen Steuergerät bzw. der Kontrolleinheit verarbeitet und zur Einregelung des Systems auf das gewünschte Luftverhältnis genutzt. Um die Mindestbetriebstemperatur, ca. 300 deg. C, nach dem Kaltstart und bei niedrigen Gastemperaturen schnell zu erreichen, werden Lambdasonden 16 im Allgemeinen elektrisch beheizt. Die optimale Betriebstemperatur der Lambdasonde 16 beträgt etwa 600 deg. C.
[0040] Die relativ niedrigen Abgastemperaturen in PEM-Brennstoffzellen von ca. 100 deg.
C erfordern daher vorzugsweise eine kontinuierliche, insbesondere elektrische Beheizung der Lambda-Sonde, während die Abgastemperaturen in Hochtemperatur-Brennstoffzellen (z.B. SOFC) unter Umständen keine Heizung erfordern.
The invention relates to a fuel cell system with a cathode flowed through by a flow of fuel, wherein the fuel at least one oxidizing agent, in particular atmospheric oxygen, according to the preamble of claim 1.
State of the art:
In the application of fuel cells in addition to vehicles with fuel cell drive or auxiliary power unit (APU) based on fuel cells and stationary fuel cell systems in a preliminary stage to the ready state.
Today's fuel cell systems based on proton-conductive membranes or oxygen-conducting membranes, in particular SOFCs, use in the cathode path e.g. Blower or
Compressors, mass flow sensors, pressure sensors and / or pressure control valves in order to control the operating conditions for the fuel cell, in particular the mass flow and the operating pressure. In low pressure systems, i. At a pressure of up to approx. 1.5 bar, it may be possible to dispense with pressure sensing or pressure regulation.
Thus, the fuel cell is available at any operating point sufficient oxygen, the air mass flow must be measured and controlled or controlled with the above components. Alternatively, e.g. the fan can be operated with a sufficiently large excess of air delivery to safely avoid a shortage of fuel cell unit with oxygen.
However, this reduces the overall efficiency of the fuel cell unit.
In a common, so-called fuel cell stack successively arranged single cells deliver by the increasing depletion of oxygen per cell less and less voltage. For this reason, the system is always operated more than stoichiometrically, in order to supply even the farthest individual cells of the fuel cell stack sufficient oxygen. In general, today's fuel cell systems are accordingly operated with an excess of oxygen on the cathode side.
This is done in particular by means of the detection of the generated voltage and / or the generated electrical current, with the aid of mass flow sensors, pressure sensors and in some embodiments stored in an electrical control unit current / voltage characteristics, mathematical models of the system, etc.
The operation of the fuel cell system with an excess of oxygen on the cathode side is relatively complex and inaccurate or not optimal in terms of efficiency.
Object and advantages of the invention:
The object of the invention is in contrast to propose a less expensive fuel cell system with a cathode flowed through by a flow of active material, wherein the fuel at least one oxidizing agent, in particular atmospheric oxygen, and wherein a cathode control unit is provided for controlling the cathode gas supply with the oxidizing agent.
This object is achieved on the basis of a fuel cell system of the aforementioned type, by the characterizing features of claim 1.
The measures mentioned in the dependent claims advantageous embodiments and refinements of the invention are possible.
Accordingly, a fuel cell system according to the invention is characterized by
in that the cathode control unit comprises at least one oxygen sensor for determining an absolute or relative oxygen content in the fuel flow. With the aid of an oxygen sensor according to the invention, the oxygen content can be determined directly in the fuel flow and used to control / regulate the fuel cell system, preferably with the aid of the control unit.
As a result, a significant simplification of the system complexity of the fuel cell system according to the invention can be achieved.
In addition, by the complete or partial omission of the previous sensor technology, such as mass flow sensor, pressure sensor, current / voltage sensor, in addition to the reduction of the design effort and a significant cost reduction can be achieved.
Also by the indirect determination of the cathode supply according to the prior art used in some embodiments with the aid of model descriptions or correspondingly deposited relationships, the errors associated therewith, i. E. eliminates the differences between the models and reality, according to the invention in a particularly elegant manner.
As a result, according to the invention, a significantly more accurate adjustment of the cathode gas supply can be achieved compared with the prior art, and the overall efficiency can be improved.
In alternative embodiments, or combined in an advantageous manner, the oxygen sensor can be arranged upstream of and / or behind the cathode in the flow direction of the fuel stream or integrated in the stack. If necessary, the concrete installation site can be made dependent on the available space or adapted to it.
In an arrangement of the inventive oxygen sensor in front of the fuel cell unit, the oxygen supply to the cathode can be safely ensured with known consumption of oxidizing agent of the cathode. Preferably, the oxygen sensor is arranged behind the cathode, so that the control or
Control of the fuel cell system particularly greatly simplified, since in this case the residual oxygen content of the cathode can be determined directly in an advantageous manner and from this a low or high supply is particularly easy to detect. Estimates or models of the current and / or the required oxygen demand of the cathode can optionally be completely dispensed with here. In this variant of the invention, e.g. an increase or a decrease in the oxygen supply to the cathode, depending on the determined residual oxygen content are made particularly easy.
In a particular embodiment of the invention, the oxygen sensor is designed as a lambda probe. Corresponding lambda probes are already commercially available, so that a particularly economically favorable implementation of the invention can be achieved.
For example, so-called broadband lambda probes can be used to determine the residual oxygen content of the cathode exhaust air.
Preferably, the oxygen content is provided as a reference variable for the control unit. For example, a predetermined value is given as the target oxygen content in the control unit, e.g. stored as a function of the load and compared with the actual value detected by the oxygen sensor.
If there is a difference between these two variables, an operation or a change of system parameters is initiated, depending on the measured difference, which essentially should bring the two variables into agreement again.
In addition to the absolute or relative oxygen content, a further stack parameter, such as e.g. the operating pressure to control the fuel cell system are provided according to the invention. This can be achieved for special applications, a further optimization of the operation of the fuel cell system according to the invention.
Advantageously, an adjustment of the delivery rate of a fuel delivery device is provided depending on the oxygen content of the fuel.
By means of this advantageous dependency between the oxygen content and the delivery rate of the fuel, a particularly simple mode of operation of the fuel cell system according to the invention can be realized for the most varied or changing operating states with the aid of the fuel delivery device.
In addition, some fuel delivery devices are already commercially available in many different variants, so that can be used on existing components for the fuel cell system according to the invention. This leads to an economically favorable implementation of the invention.
Preferably, at least one compressor, in particular a fan and / or a compressor, is provided for conveying the operating material.
Corresponding compressors can change their quantity to be conveyed relatively easily with already proven methods and are available in a wide variety of variants.
In an advantageous embodiment of the invention, an adjustment of the speed of the compressor is provided depending on the oxygen content of the operating material. The adjustment of the speed for changing the flow rate in a compressor such as a blower and / or a compressor leads to a particularly simple and accurate adjustment of the oxygen supply to the cathode.
As a result, an advantageous mode of operation of the fuel cell unit can be realized, and at the same time, in particular, the efficiency of the system can be optimized.
In principle, according to the invention, on the basis of the determination of the oxygen content with the aid of the advantageous oxygen sensor, an optimization of the overall efficiency of the system can be achieved. For example, by the improved adjustment of the cathode gas supply, the operation of corresponding compressor components can be optimized and a reduction of so-called parasitic losses in the system can be achieved.
For example, the blower power can be lowered to an actual minimum required in a particularly simple manner.
The reduction of the amount of cathode gas to the required minimum amount can advantageously also cause the amount of humidified cathode gas is reduced and thus less energy and / or water to moisten the cathode is necessary. Accordingly, the system's own energy and / or water consumption will be further reduced, which in turn will increase the overall efficiency of the system.
Furthermore, by reducing the power of the compressor or the blower and / or the compressor, a reduction of the noise level of corresponding components or the system can be achieved.
This improves the acceptance among users of a fuel cell system according to the invention.
In general, the sufficient oxygen supply can be ensured even with dynamic changes in operating pressure, especially during pressure build-up phases or load changes by the improved, in particular more accurate adjustment of the cathode gas supply. This improves the reliability of the system.
Embodiment:
An embodiment of the invention is illustrated in the drawing and will be explained in more detail below with reference to the single figure.
In Fig. 1 <sep> schematically a fuel cell system according to the invention is shown.
The fuel cell system comprises a fuel cell stack 1, which consists of a not shown plurality of individual fuel cells.
The fuel cell stack 1 has a very schematically illustrated anode 2, cathode 3 and 4 membrane. At end plates 5 of this fuel cell stack 1 thus constructed, the voltage required to operate an electrical load, e.g. Motors, needed, tapped.
To supply the fuel cell stack 1, the fuel cell system has an anode or fuel supply 6 and a cathode or oxygen supply 7. The fuel supply 6 is supplied with a first fuel 8, in particular hydrogen or another advantageous fuel 8. With the aid of the advantageous fuel 8, e.g.
Hydrogen can be generated "on-board", in particular by means of reforming of hydrocarbons, such as gasoline, diesel or the like. In hydrogen production on-board, the hydrogen 8 is optionally temporarily stored in a memory 9, in particular under an overpressure, and supplied to the fuel cell stack 1 on the anode side using a pressure regulating valve 10 and / or a pressure sensor 11. For the direct operation of the fuel cell system with hydrogen, the memory 9 is the main storage (tank) for hydrogen. In the flow direction of the hydrogen 8 behind the anode, a purge valve 12 is arranged.
Without further illustration systems are already known which have a circulation of the anode residual gas.
The oxygen supply 7 is supplied with a second fuel 13, in particular atmospheric oxygen 13, using a compressor 14. The compressor 14 may be formed, for example, as a fan, in particular for low-pressure systems, and / or as a compressor, in particular for systems with increased operating pressure.
Furthermore, the oxygen supply 7 optionally includes a pressure sensor 15, in particular in systems with increased operating pressure.
In the flow direction of the air 13 behind the cathode 3, an oxygen sensor 16 and a lambda probe 16 and optionally a pressure control valve 17 is arranged at the cathode outlet.
For reasons of clarity, it has been dispensed with individual components, such as the humidification of the fuel streams 8, 13 or optionally to be reformed, including appropriate purification stages. These components of a fuel cell system are already known in many variants as prior art.
For a fuel cell power P_el a corresponding amount of oxygen M_O2 is required as the cathode gas 13.
In the case where exactly this amount of oxygen is supplied to the cathode 3, this is completely converted to water H2O. Since the current / voltage characteristic of the fuel cell depends on the partial pressure of the oxygen, the individual fuel cells arranged one behind the other in the fuel cell stack 1 would deliver less and less voltage as a result of the increasing depletion of oxygen O 2.
For this reason, such systems are generally always operated superstoichiometrically, i. It provides air quantities with, for example, 1.5 times the actually required amount of oxygen M_O2, in order to supply the last or the last in the flow direction fuel cells sufficient oxygen O2.
If an oxygen sensor 16 according to the invention, which measures the absolute or relative percentage of oxygen in the exhaust air or the residual gas, is now attached to the cathode gas outlet, the exact residual oxygen content is known. This residual oxygen content can be expressed as lambda (lambda = 2, for example, 10% oxygen content of the cathode exhaust gas, lambda = 1.5 about 7% and lambda = 1.25 about 4%).
In the case of oxidation processes, lambda indicates the ratio of the amount of air actually present for the oxidation to the minimum amount of air. The minimum amount of air depends directly on the current supplied by the fuel cell.
Numerical values less than 1 indicate a lack of air and numerical values greater than 1 excess air. If a certain, defined excess of air is present behind the cathode 3, it is ensured in an elegant manner for all conceivable operating situations that the cathode is sufficiently supplied with oxygen.
The oxygen content of the cathode exhaust air can e.g. be measured with a so-called broadband lambda probe. This oxygen content is used advantageously in the regulation of the fuel cell system. If the oxygen content is too high, for example, the speed of the compressor 14 is lowered.
If it is too small, the speed is raised, e.g. by changing the mean voltage over changed timings. In this case, the change in the rotational speed does not have to be measured by way of a compressor rotational speed sensor but, for example, can advantageously be changed until the desired oxygen ratio is present behind the cathode 3 or is measured with the sensor 16.
Hereby, even with dynamic changes, such as a load change of the fuel cell 1 of e.g. 10% to 90% of the maximum power, the compressor speed is advantageously adjusted based on the residual oxygen content.
If, for certain applications substantially simultaneously increases the load for reasons of efficiency of the operating pressure of the fuel cell 1 is raised, in particular via the pressure control valves 11, 15, there is often the danger of depletion phase in the prior art. Here, according to the invention, it is very simple to use, in addition to the size pressure, the quantity of residual oxygen content as a reference variable for the fuel cell system. The residual oxygen content then no longer has to be estimated in the regulation via models, as is the case in the prior art.
In this case, for example, the degradation or other disturbances of the fuel cell stack 1 should be estimated as a model. In the prior art, this frequently leads to erroneous model statements and correspondingly inaccurate or error-prone regulations.
With knowledge of the exact residual oxygen content according to the invention, the oxygen excess can be lowered so far until a power reduction of the fuel cell stack 1 can be seen, e.g. from falling below threshold values of the fuel cell voltage. This can be detected in special applications of advantageous on-board network components. This is a noise reduction and a reduction in the power requirement of the fan or
Compressor 14 achieved, which also increases the overall system efficiency.
In Fig. 1, a low pressure system, system pressure of the anode and cathode is shown approximately 1 to 1.3 bar. Dashed lines on the cathode side pressure sensor 15 and pressure control valve 17 are shown, which are to be provided in particular for systems with increased operating pressure.
The accuracy of the residual oxygen content is crucial for the control accuracy. Resolutions of 1 to 2% oxygen content, e.g. are provided by a lambda probe 16, are quite sufficient. The lambda probe 16 generally consists of a gas-impermeable cup-shaped ceramic body made of zirconium dioxide, which is provided inside and outside with a thin layer of platinum. A portion of the lambda probe 16 is in communication with the outside air, the other is transferred from the cathode gas 13.
The ceramic material is at about 300 deg. C for oxygen ions conductive. If the oxygen content on both sides of the lambda probe has a different magnitude, an electrical voltage arises between the two boundary surfaces of the lambda probe 16, which is a measure of the residual oxygen content. The electrical voltage is processed in an electronic control unit or the control unit and used to adjust the system to the desired air ratio. To the minimum operating temperature, about 300 deg. C, after the cold start and to achieve low gas temperatures quickly, lambda probes 16 are generally electrically heated. The optimum operating temperature of the lambda probe 16 is about 600 deg. C.
The relatively low exhaust gas temperatures in PEM fuel cells of about 100 deg.
C therefore preferably require continuous, in particular electrical heating of the lambda probe, while exhaust gas temperatures in high temperature fuel cells (e.g., SOFC) may not require heating.