DE10056843B4 - Verfahren zum Regeln eines Brennstoffzellensystems und ein zugehöriges Brennstoffzellensystem - Google Patents

Verfahren zum Regeln eines Brennstoffzellensystems und ein zugehöriges Brennstoffzellensystem Download PDF

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Abstract

Verfahren zum Regeln eines Brennstoffzellensystems (30), um eine vorgegebene Wärmemenge zu erzeugen, wobei das Brennstoffzellensystem (3) elektrische Energie erzeugt,
dadurch gekennzeichnet,
daß Zellenspannungen des Brennstoffzellensystems (30) abgetastet werden, um die minimale Zellenspannung zu bestimmen,
daß die elektrische Energie aus dem Brennstoffzellensystem (30) an ein Energieversorgungsnetz (35) übertragen wird, und
daß eine Übertragungsrate der elektrischen Energie von dem Brennstoffzellensystem (30) an das Energieversorgungsnetz (35) auf der Grundlage der minimalen Zellenspannung eingestellt wird.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Regeln eines Brennstoffzellensystems, um eine vorgegebene Wärmemenge zu erzeugen, wobei das Brennstoffzellensystem elektrische Energie erzeugt, auf ein Brennstoffzellensystem mit einem Brennstoffzellenstapel, der in Abhängigkeit von einem Brennstoffzufluß Wärme erzeugen kann, sowie auf ein Brennstoffzellensystem mit einem Brennstoffzellenstapel, der in Abhängigkeit von einem Brennstoffzufluß Energie und Wärme erzeugen kann.
  • Eine Brennstoffzelle ist ein elektrochemisches Bauelement, das durch eine Reaktion erzeugte chemische Energie direkt in Wärmeenergie und elektrische Energie umwandelt. Beispielsweise umfaßt eine Art einer Brennstoffzelle eine Protonenaustauschmembran (PEM; Proton Exchange Membrane), eine Membran, die nur Protonen den Durchtritt zwischen einer Anode und einer Kathode der Brennstoffzelle gestattet. An der Anode wird Wasserstoff (ein Brennstoff) oxidiert, um Wasserstoffprotonen zu erzeugen, die durch die PEM hindurchtreten. Die durch diese Oxidation erzeugten Elektronen fließen durch eine Schaltung, die sich außerhalb der Brennstoffzelle befindet, wobei sie einen elektrischen Strom bilden. An der Kathode wird Sauerstoff reduziert und reagiert mit den Wasserstoffprotonen, wobei Wasser gebildet wird. Die anodischen und kathodischen Reaktionen werden durch die folgenden Gleichungen beschrieben:
    H2 → 2H+ + 2e– an der Anode der Zelle, und
    O2 + 4H+ + 4e– → 2H2O an der Kathode der Zelle.
  • Neben Elektrizität erzeugt die Brennstoffzelle auch Wärme. Daher kann die Brennstoffzelle dazu verwendet werden, Wärme zu liefern, um die Temperatur eines Fluids, wie beispielsweise Luft oder Wasser, zu regeln. An sich liefert eine Brennstoffzelle relativ wenig Wärme. Um mehr Wärme zu erzeugen, können daher mehrere Brennstoffzellen die Form einer Brennstoffzellenstapel genannten Anordnung annehmen, einer Anordnung, bei der die Brennstoffzellen elektrisch in Reihe geschaltet sind. Aufgrund dieser elektrischen Konfiguration wird auch die Fähigkeit des Brennstoffzellenstapels zur Energieerzeugung erhöht.
  • Der Brennstoffzellenstapel kann Platten (beispielsweise Graphitverbundwerkstoff- oder Metallplatten) enthalten, die aufeinandergestapelt sind, und jede Platte kann mehr als einer Brennstoffzelle des Stapels zugeordnet sein. Die Platten können aus einem Graphitverbundwerkstoff hergestellt sein und verschiedene Kanäle und Bohrungen enthalten, um beispielsweise die Reaktionspartner und Produkte durch den Brennstoffzellenstapel zu leiten. Mehrere PEM's (jede ist einer bestimmten Brennstoffzelle zugeordnet) können im Stapel zwischen den Anoden und Kathoden der verschiedenen Brennstoffzellen verteilt sein.
  • Wenn er zur Wärmeerzeugung verwendet wird, ist der Brennstoffzellenstapel in der Lage, eine große Energiemenge zu erzeugen, die beispielsweise an ein elektrisches Energieversorgungsnetz übertragen werden kann. Die Übertragung der Energie an das Energieversorgungsnetz kann jedoch, wenn sie nicht richtig geregelt wird, die Effizienz und Unversehrtheit des Brennstoffzellenstapels nachteilig beeinflussen.
  • Aus der DE 195 17 813 C2 ist ein Verfahren zur Regelung des wärmegeführten Betriebes von Brennstoffzellenanlagen mittels Auswertung der Vor- und Rücklauftemperatur des Wärmekreislaufs bekannt.
    •
  • Aufgabe der Erfindung ist es, die o. g. Nachteile zu vermeiden.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Anspruchs 7 gelöst.
  • Bei einer Ausführungsform der Erfindung umfaßt ein Verfahren das Regeln eines Brennstoffzellensystems derart, daß eine vorgegebene Wärmemenge erzeugt wird. Das Brennstoffzellensystem erzeugt außerdem elektrische Energie, die vom Brennstoffzellensystem an ein Energieversorgungsnetz übertragen wird. Die minimale Zellenspannung des Brennstoffzellensystems wird ausgewählt, und die Rate, mit der die elektrische Energie in das Energieversorgungsnetz übertragen wird, wird auf der Grundlage der minimalen Zellenspannung geregelt. Bei einigen Ausführungsformen werden die Zellenspannungen während des Regelns kontinuierlich überwacht, um die minimale Zellenspannung dynamisch zu bestimmen.
  • Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
    •
  • Im folgenden wird die Erfindung anhand von in den Zeichnungen dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispielen beschrieben. In den Zeichnungen zeigen:
  • 1 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
  • 2 ein Ablaufdiagramm, das eine Technik zum Regeln der Energieübertragung zwischen dem Brennstoffzellensystem gemäß 1 und einem Energieversorgungsnetz gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung veranschaulicht.
  • 3 Polarisationskurven der Brennstoffzellen des Brennstoffzellensystems nach 1 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
  • Gemäß 1 umfaßt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems 30 einen Brennstoffzellenstapel (Stapel) 32, der Ausgangsstoffe (beispielsweise Wasserstoff und Luft) in chemischen Reaktionen die Wärme erzeugen, verbraucht. Zum Beispiel kann diese Wärme in ein Fluid (beispielsweise Luft oder Wasser) eingespeist werden, um die Temperatur des Fluids innerhalb eines spezifizierten Bereichs zu halten. Ein Nebenprodukt der chemischen Reaktionen ist elektrische Energie, eine Energie, die beispielsweise an ein elektrisches Energieversorgungsnetz 35 übertragen werden kann. Um diese Übertragung zu regeln, steuert eine Steuereinrichtung 40 (des Brennstoffzellensystems 30) auf der Grundlage der Zellenspannungen der Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels 32 die Rate, mit der die elektrische Energie an das Energieversorgungsnetz 35 (auch Ausgangsleistung des Brennstoffzellensystems 30 genannt) geliefert wird.
  • Die Steuereinrichtung 40 regelt die Ausgangsleistung des Brennstoffzellenstapels 32 in einer Weise, die die minimale Zellenspannung des Brennstoffzellenstapels 32 innerhalb eines spezifizierten Spannungsbereiches hält. Aufgrund dieser Regelung können die Ausgangsleistung und die thermische Effizienz des Brennstoffzellenstapels 32 optimiert werden, wie im folgenden beschrieben wird.
  • Insbesondere verringern sich die Zellenspannungen bei einer Erhöhung der Ausgangsleistung und erhöhen sie sich bei einer Verringerung der Ausgangsleistung. Jedoch können die Effizienz und die allgemeine Sicherheit des Brennstoffzellenstapels 32 beeinträchtigt werden, falls eine der Zellenspannungen zu stark absinkt. Insgesamt wird somit die Ausgangsleistung und die thermische Effizienz des Brennstoffzellenstapels 32 bei niedrigen Zellenspannungen optimiert. Die Steuereinrichtung 40 versucht daher, die Zellenspannungen zu minimieren, während sie sicherstellt, daß keine der Zellenspannungen unter einen Minimalzellenspannungsschwellwert fällt. Um dies zu erreichen, regelt die Steuereinrichtung 40 die Ausgangsleistung auf der Grundlage der minimalen Zellenspannung, einer Spannung, die von einer Spannungsüberwachungsschaltung 36 des Brennstoffsystems 30 gewonnen werden kann.
  • Die Spannungsüberwachungsschaltung 36 ist mit dem Brennstoffzellenstapel 32 gekoppelt, um die Zellenspannungen kontinuierlich zu messen, und ferner, um Angaben über die ge messenen Zellenspannungen für die Steuereinrichtung 40 bereitzustellen. Entweder die Spannungsüberwachungsschaltung 36 oder die Steuereinrichtung 40 (was von dem speziellen Ausführungsbeispiel abhängt) kann die niedrigste Zellenspannung bestimmen, eine Spannung, die die Steuereinrichtung 40 verwendet, um die Ausgangsleistung des Brennstoffzellensystems 30 zu regeln. Gemäß 2, verwendet die Steuereinrichtung 40 auf diese Weise die Spannungsüberwachungsschaltung 36 (siehe 1), um sämtliche Zellenspannungen des Brennstoffzellenstapels 32 zu messen (Block 12 in 2). Aus diesen Informationen wählt die Steuereinrichtung 40 (Block 14) die Zelle aus, die die niedrigste Spannung hat, und regelt (Block 16) die Ausgangsleistung des Brennstoffzellensystems 30, um die niedrigste Zellenspannung nahe dem minimalen Spannungsschwellwert zu halten. Bei einigen Ausführungsformen kann die Steuereinrichtung 40 periodisch Anzeigen der gemessenen Spannungen und/oder eine Anzeige der niedrigsten Zellenspannung aus der Spannungsüberwachungsschaltung 36 gewinnen.
  • Bei einigen Ausführungsformen regelt die Steuereinrichtung 40 die niedrigste Zellenspannung, um diese Spannung innerhalb eines Spannungsregelabweichungsbereichs um eine Sollspannung, eine Spannung nahe der minimalen Schwellwertspannung, zu halten. Bei dieser Regelung erhöht die Steuereinrichtung 40 die Ausgangsleistung, um die niedrigste Zellenspannung abzusenken, wenn die niedrigste Zellenspannung groß genug wird, so daß sie über den Bereich der Regelabweichung ansteigt. Umgekehrt verringert die Steuereinrichtung 40 die Ausgangsleistung, um die niedrigste Zellenspannung zu erhöhen, wenn die niedrigste Zellenspannung weit genug abfällt, so daß sie unter den Regelabweichungsbereich fällt. Bei einigen Ausführungsbeispielen kann die Steuereinrichtung ein proportional-integral-differentiales Steuerschema (PID) zur Einstellung der Leistungsabgabe verwenden, um die minimale Zellenspannung innerhalb eines Regelabweichungsbereichs um eine Sollspannung zu regeln.
  • Die Zellenspannungen können über die Lebensdauer und/oder Betriebsbedingungen des Brennstoffzellenstapels 32 variieren. Daher können im Verlauf verschiedene Zellen die minimale Zellenspannung liefern. Da jedoch die Steuereinrichtung 40 ihre Steuereinrichtung auf die zu allerletzt bestimmte minimale Zellenspannung stützt, berücksichtigt die Regelung durch die Steuereinrichtung 40 diesen Fall. So bestimmt die Steuereinrichtung 40 bei einigen Ausführungsbeispielen die minimale Zellenspannung dynamisch während der Regelung.
  • Wiederum gemäß 1, regelt die Steuereinrichtung 40 die Wärme, die von dem Brennstoffzellenstapel 32 erzeugt wird, in Abhängigkeit von einem Wärmeanforderungssignal, einem Signal, das entweder ein analoges oder ein digitales Signal sein kann und auf einer oder mehreren Eingangsleitungen 45 der Steuereinrichtung 40 empfangen wird. Bei einigen Ausführungsbeispielen zeigt das Wärmeanforderungssignal an, ob die momentane Wärmeabgabe des Brennstoffzellensystems 30 erhöht oder verringert werden muß. Das Wärmeanforderungssignal kann beispielsweise durch eine Schaltung erzeugt werden, die eine Anzeige der Temperatur des geregelten Fluids (beispielsweise Luft oder Wasser) empfängt, und die diese Temperatur mit einem Bereich gewünschter Temperaturen für dieses Fluid vergleicht. Auf der Grundlage dieses Vergleichs erzeugt die Schaltung das Wärmeanforderungssignal.
  • Wenn die Wärme, die von dem Brennstoffzellenstapel 32 erzeugt wird, erhöht werden muß (wie vom Wärmeanforderungssignal angezeigt), erhöht die Steuereinrichtung 40 den Zufluß von Wasserstoff zu dem Brennstoffzellenstapel 32. Um dies zu erreichen, signalisiert die Steuereinrichtung 40 einem Reformer 44, einer Vorrichtung, die Erdgas in Wasserstoff konvertiert, den Wasserstoffzufluß zu dem Brennstoffzellenstapel 32 zu erhöhen. Diese Erhöhung des Wasserstoffzuflusses vergrößert wiederum die Wärmeabgabe des Brennstoffzellensystems 30. Wenn das Wärmeanforderungssignal eine Verringerung der Wärmeabgabe anzeigt, signalisiert die Steu ereinrichtung 40 dem Reformer 44 in entsprechender Weise, den Wasserstoffzufluß zu dem Brennstoffzellenstapel 32 zu verringern, einem Vorgang, der die Wärmeabgabe aus dem Brennstoffzellensystem 30 verringert.
  • Eine Veränderung des Wasserstoffzuflusses zu dem Brennstoffzellenstapel 32 kann die Zellenspannungen des Brennstoffzellenstapels 32 verändern. Beispielsweise stellt 3 die Zellenpolarisationskurven 100 (beispielsweise Polarisationskurven 100a, 100b, 100c, 100d und 100e) für unterschiedliche Wasserstoffzuflußmengen dar. Jede Polarisationskurve 100 zeigt eine Zellenspannung über ihrem Strom. Wie gezeigt ist, besitzt jede Polarisationskurve 100 im allgemeinen drei Bereiche. Im untersten Strombereich weist die Zellenspannung einen starken negativen Anstieg über dem Zellenstrom auf. Wenn der Strom größer wird, tritt die Polarisationskurve 100 in den zweiten Bereich ein, in dem die Zellenspannung weniger vom Zellenstrom abhängt. Schließlich tritt die Polarisationskurve 100 jedoch in den dritten Bereich ein, in dem die Zellenspannung einen starken negativen Anstieg in Abhängigkeit von dem Zellenstrom aufweist. Die Spannung der Minimalspannungszelle kann innerhalb dieses dritten Bereichs liegen, und im Ergebnis kann die Spannung aufgrund einer Erhöhung oder Verringerung des Wasserstoffzuflusses beträchtlich variieren.
  • Wie durch die Polarisationskurven 100 dargestellt, kann der Bereich des Stroms (und damit der Bereich der Ausgangsleistung der Zelle), in dem eine bestimmte Zelle arbeitet, durch Erhöhung des Wasserstoffzuflusses erweitert werden. Beispielsweise kann ein bestimmter Wasserstoffzufluß bewirken, daß eine bestimmte Zelle die Polarisationskurve 100a hat, und der Schwellwert der minimalen Zellenspannung (in 3 VTH genannt) erlaubt es der Zelle, einen Maximalstrom I1 zu erzeugen. Der Wasserstoffzufluß kann jedoch erhöht werden, um zu bewirken, daß die Zelle eine Polarisationskurve 100e aufweist, eine Kurve, die es der Zelle erlaubt, einen größeren Strom (I2) bei der Spannung VTH zu liefern. Folglich kann für eine bestimmte Zelle der Wasserstoffzufluß erhöht werden, um die Ausgangsleistung (und den Strom) der Zelle zu erhöhen, und verringert werden, um die Ausgangsleistung (und den Strom) der Zelle zu verringern.
  • Es wird wieder auf 1 Bezug genommen. Neben anderen Merkmalen des Brennstoffzellensystems 30 ist ein Wechselrichter 34 an die Brennstoffzellenausgangsanschlüsse des Brennstoffzellenstapels 32 angeschlossen. Der Wechselrichter 34 wandelt den Gleichstrom, der vom Brennstoffzellenstapel 32 geliefert wird, in Wechselstrom, der an das Energieversorgungsnetz 35 geliefert wird. Die Steuereinrichtung 40 kann mit dem Wechselrichter 34 über eine oder mehrere Steuerleitungen 54 zusammenwirken, um die Energiemenge zu regeln, die der Wechselrichter 34 an das Energieversorgungsnetz 35 liefert. Beispielsweise kann die Steuereinrichtung 40 eine Ausgangsspannung (des Wechselrichters 34) regeln, die an das Versorgungsnetz 35 geliefert wird. Die Steuereinrichtung 40 kann einen Stromsensor 31 verwenden, um einen Ausgangsstrom des Brennstoffzellenstapels 32 zu überwachen. Ein Oxidierer 38 des Brennstoffzellensystems 30 kann unverbrauchten Wasserstoff aus dem Brennstoffzellenstapel 32 aufnehmen und den unverbrauchten Wasserstoff oxidieren, um zusätzliche Wärme zu erzeugen.
  • Das Brennstoffzellensystem 30 kann auch Steuerventile 42 umfassen, die eine Eingangsleitung 48 zur Aufnahme eines Luftstroms für die Sauerstoffversorgung des Brennstoffzellenstapels 32 und eine Eingangsleitung 50 zur Aufnahme eines Wasserstoffstroms aus dem Reformer 44 aufweisen. Die Steuerventile 42 leiten den Wasserstoff- und den Sauerstoffstrom zu den Auslaßleitungen 47 und 49, die die Reaktanden an die jeweiligen Ansaugdurchlässe des Brennstoffzellenstapels 32 für Reaktanden fördern.
  • Während die Erfindung im Hinblick auf eine begrenzte Anzahl von Ausführungsbeispielen offenbart worden ist, werden Fachleute, denen diese Erfindung zugute kommt, zahlreiche Modifikationen und Variationen davon erkennen. Es ist beab sichtigt, daß die angefügten Ansprüche alle diese Modifikationen und Variationen einschließen, soweit sie unter den Erfindungsgedanken und den Schutzumfang der Erfindung fallen.

Claims (10)

  1. Verfahren zum Regeln eines Brennstoffzellensystems (30), um eine vorgegebene Wärmemenge zu erzeugen, wobei das Brennstoffzellensystem (3) elektrische Energie erzeugt, dadurch gekennzeichnet, daß Zellenspannungen des Brennstoffzellensystems (30) abgetastet werden, um die minimale Zellenspannung zu bestimmen, daß die elektrische Energie aus dem Brennstoffzellensystem (30) an ein Energieversorgungsnetz (35) übertragen wird, und daß eine Übertragungsrate der elektrischen Energie von dem Brennstoffzellensystem (30) an das Energieversorgungsnetz (35) auf der Grundlage der minimalen Zellenspannung eingestellt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abtastprozeß das kontinuierliche Überwachen der Zellenspannungen während des Regelns umfaßt, um die minimale Zellenspannung dynamisch zu bestimmen.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die minimale Zellenspannung während des Regelns unterschiedlichen Brennstoffzellen des Brennstoffsystems (30) zuordenbar ist.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Regeln das Steuern einer Ausgangsspannung auf der Grundlage der minimalen Zellenspannung umfaßt.
  5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Regeln die Vermeidung des Abfallens der Zellenspannungen unter einen minimalen Spannungsschwellwert umfaßt.
  6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Regeln das Verhindern eines Absinkens der minimalen Zellenspannung unter einen minimalen Spannungsschwellwert umfaßt.
  7. Brennstoffzellensystem (30) mit einem Brennstoffzellenstapel (32), von dem in Abhängigkeit von einem Brennstoffzufluß Energie und Wärme erzeugbar ist, gekennzeichnet durch: eine mit dem Brennstoffzellenstapel gekoppelte Steuervorrichtung zum Überwachen von Zellenspannungen des Brennstoffzellenstapels und zum Regeln des Brennstoffzuflusses, die so ausgebildet ist, daß sie den Brennstoffzufluß regelt, um die vom Brennstoffzellenstapel (32) erzeugte Wärmemenge auf der Grundlage einer minimalen Zellenspannung des Brennstoffzellenstapels (32) zu steuern.
  8. Brennstoffzellensystem (30) nach Anspruch 7, mit einem verbundenen Wechselrichter (34), mit dem vom Brennstoffzellenstapel (32) erzeugte elektrische Energie an ein Energieversorgungsnetz (35) bereitstellbar ist; mit einem Reformer (44), vom dem ein Brennstoffzufluß (50) erzeugbar ist; wobei die Steuervorrichtung als mit dem Reformer (44) zusammenwirkende Schaltung (40, 36) ausgebildet ist, durch die der Reformer (44) ansteuerbar ist, die eine minimale Zellenspannung aus den Zellenspannungen des Brennstoffzellenstapels (32) bestimmt, und durch die der Wechselrichter (34) zur Abgabe einer Menge elektrischer Energie in Abhängigkeit von der minimalen Zellenspannung ansteuerbar ist.
  9. Brennstoffzellensystem (30) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltung (40, 36) eine Spannungsüberwachungsschaltung (36) umfaßt, um die Zellenspannungen abzutasten.
  10. Brennstoffzellensystem (30) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltung (40, 36) eine Steuereinrichtung (40) umfaßt, mit der ein die vorgegebene Wärme anzeigendes Signal (45) empfangbar ist.
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