DE10018081A1 - Verfahren zur geregelten Luftversorgung einer Brennstoffzelle - Google Patents

Verfahren zur geregelten Luftversorgung einer Brennstoffzelle

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Abstract

Das Verfahren dient zur geregelten Luftversorgung einer Brennstoffzelle (10). Hierbei ist vorgesehen, dass die Luftversorgung unter Berücksichtigung der Betriebsleistung der Brennstoffzelle (10) luftüberschussabhängig geregelt wird. Zusätzlich zur luftüberschussabhängigen Regelung kann eine druckabhängige Regelung zur Einstellung der Luftversorgung der Brennstoffzelle (10) vorgesehen sein. Die luftüberschussabhängige Regelung erfolgt insbesondere in einem Teillastbereich der Brennstoffzelle (10).

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur geregelten Luftversorgung einer Brennstoffzelle, gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.
Es ist bereits bekannt, die Luftversorgung von Brennstoffzellen druckabhängig zu regeln, das heißt, dass beispielsweise bei einer geringeren Betriebsleistung der Brennstoffzelle ein entsprechend geringerer Betriebsdruck der in die Brennstoffzelle zuzuführenden Luft eingestellt wird. Dabei hängt die Betriebsleistung der Brennstoffzelle auch vom Luftüberschuss in einer Kathodeneinheit der Brennstoffzelle ab. Beispielsweise beträgt bei einer verhältnismäßig großen Betriebsleistung der Brennstoffzelle (< 1 A/cm2) der einzustellende Luftüberschuss (Lambda (λ)) gleich 2,0. Bei diesen Betriebsparametern handelt es sich um einen Volllastbetrieb der Brennstoffzelle. Bei Unterschreiten dieses Luftüberschusses von 2,0 im Volllastbetrieb wird nachteilhafterweise eine Betriebsleistungsminderung der Brennstoffzelle erhalten. Bei einem Übergang vom Volllastbetrieb auf einen Teillastbetrieb der Brennstoffzelle, wobei der Teillastbetrieb beispielsweise 10% des Volllastbetriebs tragen kann, erfolgt eine Reduzierung des Betriebsdrucks der in die Kathodeneinheit der Brennstoffzelle zuzuführenden Luft von 3,0 bar abs. (Volllastbetrieb) auf 1,5 bar abs. (Teillastbetrieb). Nachteilhafterweise ergibt sich insbesondere im Teillastbetrieb der Brennstoffzelle ein verhältnismäßig ungünstiger Gesamtwirkungsgrad einer Brennstoffzellenvorrichtung, welcher außer der Brennstoffzelle weitere Aggregate, wie zum Beispiel eine Kompressoreinheit, eine Antriebseinheit, eine Expansionseinheit und einen Reformer aufweist.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, mittels welchem eine Wirkungsgradverbesserung beim Betreiben einer Brennstoffzellenvorrichtung möglich ist.
Zur Lösung der Aufgabe wird ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen, das sich dadurch auszeichnet, dass die Luftversorgung unter Berücksichtigung der Betriebsleistung der Brennstoffzelle luftüberschussabhängig geregelt wird. Mittels einer derartigen Regelung der Luftversorgung ist es möglich, in Abhängigkeit der Betriebsleistung der Brennstoffzelle den in selbige zuzuführenden Massenstrom an Luft zu verringern, welcher mittels einer Kompressoreinheit der Brennstoffzellenvorrichtung geliefert wird. Bei einer Reduzierung des Massenstroms an Luft wird vorteilhafterweise eine entsprechende Reduzierung der Antriebsleistung der Kompressoreinheit ermöglicht. Dies führt zu einer erwünschten Wirkungsgradverbesserung des gesamten Systems der Brennstoffzellenvorrichtung.
Mit Vorteil wird die Luftversorgung mittels der luftüberschussabhängigen Regelung und mittels einer druckabhängigen Regelung eingestellt. Mittels der zusätzlichen, druckabhängigen Regelung ist es in besonders betriebsgünstiger Weise möglich, unter Berücksichtigung der jeweils vorliegenden Betriebsleistung der Brennstoffzelle eine wirkungsgradgünstige Verringerung des in die Brennstoffzelle zuzuführenden Massenstroms an Luft einzustellen. Es ist somit eine besonders flexible Regelung der Luftversorgung einer Brennstoffzelle unter Berücksichtigung der Betriebsleistung derselben möglich.
Vorzugsweise erfolgt die luftüberschussabhängige und gegebenenfalls die druckabhängige Regelung der Luftversorgung in einem Teillastbereich der Brennstoffzelle. Da in einem Teillastbereich der Brennstoffzelle eine geeignete Verringerung des Luftüberschusses in der Kathodeneinheit keinen leistungsmindernden Einfluss auf die Brennstoffzelle ausübt, kann eine Wirkungsgradverbesserung beim Betreiben einer Brennstoffzellenvorrichtung, insbesondere mittels der luftüberschussabhängigen Regelung der Luftversorgung, im Teillastbetrieb der Brennstoffzelle erhalten werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsvariante erfolgt die luftüberschussabhängige und gegebenenfalls die druckabhängige Regelung der Luftversorgung mittels einer Steuereinheit, welche Daten in Bezug auf die jeweils von der Brennstoffzelle aufgebrachte Betriebsleistung beziehungsweise Betriebslast erhält. Eine Steuereinheit ist besonders geeignet, in zuverlässiger und schneller Weise eine luftüberschussabhängige und gegebenenfalls druckabhängige Regelung der Luftversorgung der Brennstoffzelle einzuleiten, wobei in verhältnismäßig einfacher Weise Betriebsdaten in Bezug auf die aufgebrachte Leistung beziehungsweise Betriebslast der Brennstoffzelle an die Steuereinheit übermittelt und von selbiger schnell verarbeitet werden können.
Mit Vorteil erfolgt die luftüberschussabhängige und gegebenenfalls die druckabhängige Regelung der Luftversorgung durch Steuerung einer Kompressoreinheit mittels der Steuereinheit. Da die Luftbeaufschlagung der Brennstoffzelle mittels einer angetriebenen Kompressoreinheit erfolgt, kann mittels einer geeigneten Steuerung der Kompressoreinheit zur luftüberschussabhängigen Regelung der Luftversorgung der Brennstoffzelle die zum Betreiben der Kompressoreinheit notwendige Antriebsleistung (zum Beispiel elektrische Leistung) vorteilhafterweise reduziert werden.
Vorteilhafterweise wird in einem Teillastbereich der Brennstoffzelle ein in Bezug auf einen Volllastbereich der Brennstoffzelle reduzierter Luftüberschuss eingestellt. Mittels Einstellung eines reduzierten Luftüberschusses in einem Teillastbereich der Brennstoffzelle wird ein besonders wirkungsgradgünstiges Betreiben der Brennstoffzellenvorrichtung auch in diesem Betriebszustand der Brennstoffzelle ermöglicht. Insbesondere werden Wirkungsgradverbesserungen der Brennstoffzellenvorrichtung beim Betreiben der Moduleinheiten Kompressoreinheit/Verdichter beziehungsweise Kompressoreinheit/Expansionseinheit realisierbar.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung.
Die Erfindung wird nachfolgend in einem Ausführungsbeispiel anhand einer zugehörigen Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine anhand eines Blockschaltbildes teilweise dargestellte Brennstoff­ zellenvorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
Fig. 2 ein eine luftüberschussabhängige Regelung darstellendes Diagramm.
Fig. 1 zeigt in schematischer Darstellung eine Brennstoffzelle 10 einer teilweise gezeigten und allgemein mit 11 bezeichneten Brennstoffzellenvorrichtung, beispielsweise eines Fahrzeugs (nicht dargestellt). Die Brennstoffzelle 10 enthält eine Kathodeneinheit 12 und eine Anodeneinheit 13. Die Kathodeneinheit ist eingangsseitig mittels einer als Pfeil 14 dargestellten Betriebsstoffzuführleitung mit einer Kompressoreinheit 15 wirkverbunden. Die Kompressoreinheit 15 weist eingangsseitig eine als Pfeil 26 dargestellte Betriebsstoffzuführleitung auf. Die Anodeneinheit 13 ist eingangsseitig mit einer als Pfeil 16 dargestellten Betriebsstoffzuführleitung wirkverbunden. Ausgangsseitig der Brennstoffzelle 10 führen als Pfeile 17, 18 dargestellte Abgasleitungen von der Anodeneinheit 13 und der Kathodeneinheit 12 zu weiteren, nicht dargestellten Aggregaten der Brennstoffzellenvorrichtung 11 beziehungsweise des Fahrzeugs (nicht dargestellt). Die als Pfeile 26, 14 dargestellten Betriebsstoffzuführleitungen sind als Luftzuführleitungen ausgebildet. Die Kompressoreinheit 15 ist mit einer allgemein mit 21 bezeichneten Antriebseinheit wirkverbunden. Die Antriebseinheit 21 besteht aus einem Elektromotor 19, der mittels einer Welleneinheit 20 operativ mit der Kompressoreinheit 15 verbunden ist. Die Kompressoreinheit 15 kann zusätzlich beziehungsweise alternativ mittels einer nicht dargestellten Expansionseinheit (Expander) der Brennstoffzellenvorrichtung 11 angetrieben werden. Eine Steuereinheit 22 ist mittels als Doppelpfeile 23, 24 dargestellter Steuerleitungen beziehungsweise Datenübertragungsleitungen mit der wirkverbunden. Ferner weist die Steuereinheit 20 eine oder mehrere, als Doppelpfeil 25 dargestellte Steuerleitungen beziehungsweise Datenübertragungsleitungen auf, welche zu weiteren Aggregaten (nicht dargestellt) der Brennstoffzellenvorrichtung 11 beziehungsweise des Fahrzeugs führen. Diese Steuerleitungen beziehungsweise Datenübertragungsleitungen (Doppelpfeil 25) dienen insbesondere zur Bestimmung der momentanen Betriebsleistung beziehungsweise des jeweils vorliegenden Lastbereichs (Volllastbetrieb, Teillastbetrieb) der Brennstoffzelle 10.
Die Steuereinheit 22 ist geeignet, die Luftversorgung der Brennstoffzelle 10 mittels der Kompressoreinheit 15 unter Berücksichtigung der jeweils vorliegenden Betriebsleistung beziehungsweise des Lastbereichs (Volllastbereich, Teillastbereich) der Brennstoffzelle 10 luftüberschussabhängig und/oder druckabhängig zu regeln. Eine derartige flexible Regelung der Luftversorgung der Brennstoffzelle 10 erfolgt durch Steuerung der Kompressoreinheit 15 mittels der mit dieser wirkverbundenen Steuereinheit 22, wobei die Steuereinheit 22 Betriebsdaten in Bezug auf die jeweils von der Brennstoffzelle 10 aufgebrachte Betriebsleistung beziehungsweise Betriebslast erhält und entsprechend verarbeitet. Durch eine Massenstromverringerung der in die Brennstoffzelle 10 zuzuführenden Luft, insbesondere in einem Teillastbereich der Brennstoffzelle 10, ist es möglich, die zum Betreiben der Kompressoreinheit 15 (Förderaggregat) erforderliche elektrische Leistung zu reduzieren, was vorteilhafterweise zu einer Wirkungsgradverbesserung beim Betreiben der Brennstoffzellenvorrichtung 11 führt. Dabei erfolgt die Massenstromverringerung der mittels der Kompressoreinheit 15 in die Brennstoffzelle 10 einzuführenden Luft mittels der luftüberschussabhängigen Regelung insbesondere in einem Teillastbereich der Brennstoffzelle 10.
Als Beispiel werden mittels einer obengenannten Regelung der Luftversorgung der Brennstoffzelle 10 folgende Betriebsparameter genannt:
Volllastbetrieb der Brennstoffzelle 10:
3,0 bar abs. Stöchiometrie (Luftüberschuss) 2
Teillastbetrieb (10% des Volllastbetriebs) der Brennstoffzelle 10:
1,5 bar abs. Stöchiometrie (Luftüberschuss) 1,2.
Fig. 2 zeigt ein Diagramm entsprechend einer luftüberschussabhängigen Regelung. Dabei ist der in die Brennstoffzelle 10 zuzuführende Luftmassenstrom L auf der Ordinatenachse und die Betriebsleistung P der Brennstoffzelle 10 auf der Abszissenachse des senkrechten Koordinatensystems des Diagramms aufgetragen. In dem Diagramm sind Geraden mit konstantem Lambda (λ) (Luftüberschuss) dargestellt, wobei der jeweilige Lambda-Wert in Pfeilrichtung 29 steigt. Die Betriebswerte, welche mittels der luftüberschussabhängigen Regelung erhalten werden, sind in Form einer Betriebslinie 27 dargestellt. Fig. 2 zeigt somit die Abhängigkeit des Luftmassenstroms L über die Betriebsleistung P der Brennstoffzelle 10 bei variabler Stöchiometrie (Lambda (λ)).
Das oben beschriebene Verfahren zur geregelten Luftversorgung einer Brennstoffzelle ist in verschiedenen Brennstoffzellensystemen, wie zum Beispiel in einem Reformer- Brennstoffzellensystem, zur Erzielung einer Verbesserung des Gesamtwirkungsgrads anwendbar.

Claims (6)

1. Verfahren zur geregelten Luftversorgung einer Brennstoffzelle, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftversorgung unter Berücksichtigung der Betriebsleistung der Brennstoffzelle (10) luftüberschussabhängig geregelt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftversorgung mittels der luftüberschussabhängigen Regelung und mittels einer druckabhängigen Regelung eingestellt wird.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die luftüberschussabhängige und gegebenenfalls die druckabhängige Regelung der Luftversorgung in einem Teillastbereich der Brennstoffzelle (10) erfolgt.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die luftüberschussabhängige und gegebenenfalls die druckabhängige Regelung der Luftversorgung mittels einer Steuereinheit (22) erfolgt, welche Daten in Bezug auf die jeweils von der Brennstoffzelle (10) aufgebrachte Betriebsleistung beziehungsweise Betriebslast erhält.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die luftüberschussabhängige und gegebenenfalls die druckabhängige Regelung der Luftversorgung durch Steuerung einer Kompressoreinheit (15) mittels der Steuereinheit (22) erfolgt.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Teillastbereich der Brennstoffzelle (10) ein in Bezug auf einen Volllastbereich der Brennstoffzelle (10) reduzierter Luftüberschuss eingestellt wird.
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