DE10140603A1 - Verfahren zur elektrischen Leistungsregelung eines Brennstoffzellensystems - Google Patents

Verfahren zur elektrischen Leistungsregelung eines Brennstoffzellensystems

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur elektrischen Leistungsregelung eines Brennstoffzellensystems mit einem Gaserzeugungssystem, einem Versorgungssystem für ein sauerstoffreiches Gas und einer Brennstoffzelleneinheit zur Versorgung elektrischer Verbraucher, wobei zur Versorgung der Brennstoffzelleneinheit mit einem Brennmittel in einer Reformierungseinheit des Gaserzeugungssystems ein wasserstoffreiches Gas aus einem Brennstoff gewonnen wird, und wobei das Brennstoffzellensystem eine Regelungseinheit zur Einstellung eines Massenstroms der Brennstoffmenge für das Gaserzeugungssystem und eines Massenstroms des sauerstoffreichen Gases für die Brennstoffzelleneinheit aufweist und wobei der Massenstrom des sauerstoffreichen Gases in Abhängigkeit von der Dynamik des Gaserzeugungssystems einstellbar ist und/oder der Massenstrom des wasserstoffreichen Gases in Abhängigkeit von der Dynamik des Versorgungssystems für sauerstoffreiches Gas einstellbar ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur elektrischen Leistungsregelung eines Brennstoffzellensystems gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
  • Aus der US 5,432,710 A ist ein Energieversorgungssystem mit einer Brennstoffzelleneinheit bekannt, welches eine Regelungseinheit aufweist. Die Regelungseinheit regelt die Systeme bzw. Untersysteme des Energieerzeugungssystems derart, daß eine Kostenfunktion in Form einer algebraischen Gleichung minimiert wird. Diese Kostenfunktion berücksichtigt den Energiebedarf des Verbrauchers, den Eigenenergiebedarf des Systems und die Abgase. Unter anderem stellt die Regelungseinheit den Massenstrom eines sauerstoffreichen Gases und den Massenstrom eines wasserstoffreichen Gases für die Brennstoffzelleneinheit und den Massenstrom eines Brennstoffes für eine Reformierungseinheit in Abhängigkeit von der Kostenfunktion ein.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Leistungsversorgung von Verbrauchern mit einem Brennstoffzellensystem zu verbessern.
  • Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
  • Einer Brennstoffzelleneinheit werden zur Erzeugung von elektrischem Strom wasserstoffreiches und sauerstoffreiches Gas über unterschiedliche Vorsorgungspfade zugeführt. Bei einem Brennstoffzellensystem mit Reformatbetrieb enthält der Versorgungspfad zur Zufuhr von wasserstoffreichem Gas typischerweise ein Gaserzeugungssystem mit einer Reformierungseinheit, in der wasserstoffreiches Reformat bzw. Gas gewonnen wird, während der Versorgungspfad zur Zufuhr von sauerstoffreichem Gas ein eigenes Versorgungssystem enthält. Dieses Versorgungssystem für sauerstoffreiches Gas enthält üblicherweise einen Kompressor zur Einstellung des Massenstroms des sauerstoffreichen Gases. Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, daß die beiden Versorgungspfade abhängig voneinander betrieben werden können. Bei der Zufuhr des sauerstoffreichen Gases können also das dynamische Verhalten bzw. eventuelle Verzögerungen des Gaserzeugungssystems berücksichtigt werden, und die Zufuhr des wasserstoffreichen Gases kann in Abhängigkeit von dem dynamischen Verhalten des Versorgungssystems für sauerstoffreiches Gas geschehen. Diese Möglichkeit der gegenseitigen Beeinflussbarkeit der Versorgungspfade führt vorteilhafterweise zu einer verbesserten Leistungsregelung und somit zu einer verbesserten Bereitstellung der gewünschten Leistung durch das gesamte Brennstoffzellensystem.
  • Das wasserstoffreiche Gas wird im Gaserzeugungssystem aus einem Brennstoff gewonnen, der üblicherweise ein kohlen- und wasserstoffhaltiges Medium wie z. B. Methanol enthält. In Ausgestaltung der Erfindung wird bei der Bestimmung der benötigten Brennstoffmenge der Eigenverbrauch bzw. Verlust an wasserstoffreichem Gas im Gaserzeugungssystem und der Wirkungsgrad des Gaserzeugungssystems berücksichtigt. Dies führt zu einer genauen Bestimmung der benötigten Berennstoffmenge und somit zu einer genaueren Leistungsregelung.
  • Es versteht sich, daß die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
  • Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus den weiteren Ansprüchen und der Beschreibung hervor.
  • Die Erfindung ist nachstehend anhand von Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:
  • Fig. 1 ein Blockschaltbild zur Darstellung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Leistungsregelung eines Brennstoffzellensystems,
  • Fig. 2 Diagramme a, b, c, d, e und f mit Kurvenverläufen eines Massenstroms eines wasserstoffreichen Gases, eines Massenstroms eines sauerstoffreichen Gases und einem Ausgangsstrom der Brennstoffzelleneinheit über der Zeit in einem Brennstoffzellensystem, das mit einem erfindungsgemäßen Verfahren betrieben wird.
  • Fig. 3 Diagramme a, b und c mit Kurvenläufen einer Stromanforderung, eines Massenstroms eines Brennstoffs und eines Massenstroms eines wasserstoffreichen Gases über der Zeit in einem Brennstoffzellensystem mit einem Proportionalglied mit Vorhalt im Versorgungszweig für das wasserstoffreiche Gas.
  • Nachfolgend ist anhand der Fig. 1 ein erfindungsgemäßes Verfahren zur elektrischen Leistungsregelung eines Brennstoffzellensystems beschrieben. Das Brennstoffzellensystem umfasst ein Gaserzeugungssystem 1 zur Bereitstellung eines wasserstoffreichen Mediums bzw. Gases, ein Versorgungssystem 2 für ein sauerstoffreiches Gas und eine Brennstoffzelleneinheit 3 zur Versorgung von elektrischen Verbrauchern. Die Brennstoffzelleneinheit 3 wird mit einem Brennmittel und einem Oxidationsmittel versorgt. Das Brennmittel ist ein wasserstoffreiches Gas, beispielsweise reiner Wasserstoff, und das Oxidationsmittel ist ein sauerstoffreiches Gas, beispielsweise Luft. Wasserstoffreiches Gas wird typischerweise in einer nicht dargestellten Reformierungseinheit des Gaserzeugungssystems 1 aus einem Brennstoff gewonnen. Der Brennstoff kann Alkohol, Ether, Ester, Kohlenwasserstoff, wie z. B. Erdgas oder Benzin, und/oder ein sonstiges Medium enthalten, aus dem Wasserstoff zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems gewonnen werden kann, und ist vorzugsweise Methanol. Das Versorgungssystem 2 für das sauerstoffreiche Gas umfasst einen nicht dargestellten Kompressor zur Einstellung des Massenstroms des sauerstoffreichen Gases ≙Luft. Der nicht dargestellte Kompressor ist ein elektrischer Verbraucher, der von der Brennstoffzelleneinheit 3 mit Strom ISys versorgt wird. Das Brennstoffzellensystem weist eine Regelungseinheit 4 zur Einstellung eines Massenstroms des Brennstoffs ≙BS für das Gaserzeugungssystem 1 und zur Einstellung eines Massenstroms des sauerstoffreichen Gases ≙Luft für die Brennstoffzelleneinheit 3 auf. Die Regelungseinheit 4 ist in Signalflusspfaden 11, 12, welche dem wasserstoffreichen und dem sauerstoffreichen Gas zugeordnet sind, vor dem Gaserzeugungssystem 1 und vor dem Versorgungssystem 2 für sauerstoffreiches Gas angeordnet. Vorteilhafterweise ist im Signalflusspfad 11 eine Recheneinheit 8 vor der Regelungseinheit 4 angeordnet, die aus einer Strom- bzw. Leistungsanforderung ISoll einen Sollwert für die Dosierung der Brennstoffmenge bzw. für den Brennstoffmassenstrom ≙BS generiert. Analog ist dem Signalflusspfad 12 eine Recheneinheit 9 vor der Regelungseinheit 4 zugeordnet, die aus der Strom- bzw. Leistungsanforderung ISoll einen Sollwert für die Drehzahl des nicht dargestellten Kompressors bzw. für den Massenstrom des sauerstoffreichen Gases ≙Luft erzeugt. Die Regelungseinheit 4 kann beispielsweise in einem Steuergerät integriert sein. Alternativ können die Bereiche der Regelungseinheit 4, die jeweils nur einem Signalflusspfad 11, 12 zugeordnet sind, in einem eigenen, nur diesem Signalflusspfad 11, 12 zugeordneten Steuergerät integriert sein.
  • Gemäß der Erfindung ist der Massenstrom des sauerstoffreichen Gases ≙Luft in Abhängigkeit von der Dynamik des Gaserzeugungssystems 1 einstellbar. Unter der Dynamik eines Systems wird die dem System zugrundeliegende Eigenschaft verstanden, daß dessen Übertragungsverhalten zeitabhängig ist. Kann das System z. B. durch eine Differentialgleichung bzw. Differenzengleichung dargestellt werden, so ist das dynamische Verhalten durch eben diese Gleichung beschrieben. Beispielsweise bei einer linearen Differentialgleichung bestimmen die Eigenwerte und die Eigenvektoren das Einschwingverhalten des Systems. Das Einschwingverhalten ist gekennzeichnet durch eventuelle Verzögerungszeiten, eine bestimmte Dämpfung, eventuelle Überschwinger usw. Totzeiten gehören ebenfalls zur Dynamik eines Systems.
  • Die Regelungseinheit 4 enthält eine erste Filtereinheit 5, die im Signalflusspfad 12 angeordnet ist. Die Parameter der Filtereinheit 5 sind abhängig von dem dynamischen Verhalten des Gaserzeugungssystems 1 einstellbar (strich-punktierter Pfeil). Die Einstellung der Parameter kann günstigerweise über ein Simulationsmodell des Gaserzeugungssystems 1 und/oder über Messwerte und/oder berechnete Werte des Massenstrom des wasserstoffreichen Gases ≙H2 erfolgen, da diese Werte ebenfalls von der Dynamik des Gaserzeugungssystems 1 abhängen. Unter einem Simulationsmodell versteht man ein mathematisches und/oder ein physikalisches Modell eines Systems. Ein physikalische Modell erhält man, wenn man das System anhand entsprechender physikalischer Gesetze beschreibt. Ein mathematisches Modell erhält man bevorzugt, indem man Eingangsgrößen und Ausgangsgrößen des Systems misst und anhand dieser gemessenen Größen das Übertragungsverhalten des Systems approximiert, z. B. mit Hilfe der in der Fachliteratur bekannten Methode der kleinsten Fehlerquadrate. Geeignete mathematische Modelle sind z. B. lineare und/oder nichtlineare Differentialgleichungen bzw. Differenzengleichungen, Kennfelder, Neuronale Netze, das in der englischen Fachliteratur bekannte ARX-Modell (autoregressives Modell mit exogener Eingangsgröße) usw. Das Simulationsmodell bzw. die Parameter des Simulationsmodells können vor Anwendung des Systems erzeugt werden oder während des Betriebs erzeugt und vorteilhafterweise in gewissen zeitlichen Abständen an das aktuelle Systemverhalten angepasst werden (adaptives Modellierung bzw. Identifikation). Bei der adaptiven Modellierung lassen sich Effekte wie Alterung oder veränderte Betriebspunkte in das Simulationsmodell integrieren.
  • Üblicherweise weist das Gaserzeugungssystem 1 ein langsameres dynamisches Verhalten als das Versorgungssystem 2 für das sauerstoffreiche Gas auf, da dessen Dynamik hauptsächlich durch die Dynamik des nicht dargestellten Kompressors für die Luftversorgung gegeben ist und dieser gewöhnlich eine vergleichsweise schnelle Dynamik aufweist. Um nun, beispielsweise bei einer Laständerung, die notwendige Menge des sauerstoffreichen Gases synchron und nicht vor der entsprechenden Menge des wasserstoffreichen Gases der Brennstoffeinheit 3 zuzuführen, kann die Filtereinheit 5 bevorzugt ein Proportionalglied mit Verzögerung wählbarer Ordnung bzw. ein Verzögerungsglied wählbarer Ordnung (ein sogenanntes PTx-Glied) enthalten. Die Parameter des Verzögerungsgliedes, wie z. B. die Zeitkonstanten und die Verstärkungen, und die Ordnungszahl können dann in Abhängigkeit von dem dynamischen bzw. zeitlichen Verhalten des Gaserzeugungssystems 1 gewählt werden. Bevorzugt wird ein PT2- Glied verwendet.
  • Zusätzlich kann der Massenstrom des Brennstoffs ≙BS in Abhängigkeit von der Dynamik des Versorgungssystems 2 für sauerstoffreiches Gas eingestellt werden. Die Regelungseinheit 4 weist eine zweite Filtereinheit 6 auf, die im Signalflusspfad 11 angeordnet ist. Die Parameter der zweiten Filtereinheit 6 sind abhängig von dem dynamischen Verhalten des Versorgungssystems 2 für sauerstoffreiches Gas einstellbar (gestrichelter Pfeil). Die Einstellung der Parameter kann über ein Simulationsmodell des Versorgungssystems 2 für sauerstoffreiches Gas und/oder über Messwerte und/oder berechnete Werte des Massenstrom des sauerstoffreichen Gases ≙Luft erfolgen, da diese Werte ebenfalls von der Dynamik des Versorgungssystems 2 abhängen. Falls das Gaserzeugungssystem 1 ein schnelleres dynamisches Verhalten als das Versorgungssystem 2 des sauerstoffreichen Gases bzw. als der nicht dargestellte Kompressor aufweist, dann kann die zweite Filtereinheit 6 bevorzugt ein Proportionalglied mit Verzögerung beliebiger Ordnung bzw. ein Verzögerungsglied beliebiger Ordnung (als sogenanntes PTx-Glied) enthalten. Die Parameter des Verzögerungsgliedes, wie z. B. die Zeitkonstanten und die Verstärkungen, und die Ordnungszahl können dann in Abhängigkeit von dem dynamischen bzw. zeitlichen Verhalten des Versorgungssystems 2 für das sauerstoffreiche Gas bzw. des nicht dargestellten Kompressors gewählt werden.
  • In Fig. 2 sind zwei Fälle dargestellt, bei denen Luftmassenstrom und Wasserstoffmassenstrom nicht gemäß der Erfindung aufeinander abgestimmt sind. Auf der linken Seite beispielhaft die zeitlichen Verläufe der Sprungantworten eines Wasserstoffmassenstroms (Diagramm a), eines Luftmassenstroms (Diagramm b) und eines Stroms Ifrei (Diagramm c) dargestellt, die sich bei einer sprungförmigen Stromanforderung ISoll zum Zeitpunkt Null einstellen, wenn der Luftmassenstrom der Brennstoffeinheit 3 früher als der Wasserstoffmassenstrom zugeführt wird. Der Strom Ifrei ergibt sich aus einem von der Brennstoffzelleneinheit 3 generierten Strom Iist abzüglich eines Stroms ISys, der von Hilfsaggregaten wie z. B. dem Kompressor, einem Hochdruckverdichter des Gaserzeugungssystems, einer Klimatisierung verbraucht wird. Ifrei stellt also den Strom dar, der beispielsweise in einem Fahrzeug für den Antrieb zur Verfügung steht bzw. vom Antrieb verbraucht wird. Die Sprungantworten des Wasserstoffmassenstroms und des Luftmassenstroms sind repräsentativ für die Sprungantworten der Massenströme eines wasserstoffreichen und eines sauerstoffreichen Gases ≙H2, ≙Luft. Bei einer sprunghaften Leistungsanforderung an das Brennstoffzellensystem steigt die Sprungantwort des Wasserstoffmassenstroms langsam an, bis der stationäre Endwert erreicht ist (Diagramm a). Die Sprungantwort des Luftmassenstroms erreicht ihren stationären Grenzwert wesentlich früher, das heißt, sie steigt steiler an (Diagramm b). Im Anstiegsbereich des Wasserstoffmassenstroms fällt daher der Strom Ifrei anfangs deutlich ab und steigt dann an, bis der stationäre Grenzwert erreicht ist (Diagramm c). Aus dem Vergleich der Diagramme a, b und c wird ersichtlich, daß ein unerwünschter Stromeinbruch aufgrund des zu schnell anfallenden Eigenbedarfs des Kompressors, der sich in dem Strom ISys wiederspiegelt, in dem zeitlichen Intervall auftreten kann, in welchem mehr Luft als Wasserstoff der Brennstoffzelleneinheit zugeführt wird. Dieser Zustand kann sich bei verfrühter Ansteuerung des Kompressors bzw. zu hoher Kompressordrehzahl einstellen.
  • Auf der rechten Seite von Fig. 2 sind beispielhaft die zeitlichen Verläufe der Sprungantworten eines Wasserstoffmassenstroms (Diagramm d), eines Luftmassenstroms (Diagramm e) und eines von der Brennstoffzelleneinheit 3 generierten Stroms (Diagramm f) als durchgezogene Kurven dargestellt, die sich bei einer sprungförmigen Stromanforderung ISoll zum Zeitpunkt Null einstellen, wenn der Wasserstoffmassenstrom der Brennstoffeinheit 3 früher als der Luftmassenstrom zugeführt wird. Die Sprungantworten des Wasserstoffmassenstroms und des Luftmassenstroms sind repräsentativ für die Sprungantworten der Massenströme eines wasserstoffreichen und eines sauerstoffreichen Gases ≙H2, ≙Luft. Die Sprungantwort des Wasserstoffmassenstroms steigt hier schneller an als im Diagramm a, bis der stationäre Endwert erreicht ist (Diagramm d). Die Sprungantwort des Luftmassenstroms erreicht ihren stationären Grenzwert später, das heißt, sie steigt langsamer an (Diagramm e). Der Strom Ifrei entspricht dem Verlauf des Luftmassenstroms (Diagramm f). Im Diagramm d ist als gepunktete Linie ein Verlauf des Wasserstoffmassenstroms dargestellt, der dem Verlauf des im Diagramm e dargestellten Luftmassenstroms entspricht. Aus dem Vergleich des Diagramms d mit dem Diagramm e wird ersichtlich, daß der Wasserstoffmassenstrom der Brennstoffzelleneinheit 3 früher als der Luftmassenstrom zur Verfügung steht. Dieser Zustand kann sich bei verspäteter Ansteuerung des Kompressors bzw. zu niedriger Kompressordrehzahl einstellen. Im Diagramm d gibt die Fläche zwischen der durchgezogenen und der gepunkteten Kurve einen Hinweis auf die ungenutzte Dynamik des Gaserzeugungssystems 1. Die gegenüber der Luft bzw. gegenüber dem sauerstoffreichen Gas vermehrte Bereitstellung von Wasserstoff bzw. wasserstoffreichem Gas kann in einem nicht dargestellten katalytischen Brenner, der üblicherweise der Brennstoffzelleneinheit 3 nachgeschaltet ist, um im Abgas enthaltenen Wasserstoff zu verbrennen, zu einer Systemüberhitzung führen.
  • Indem bei der Zufuhr des sauerstoffreichen Gases die Dynamik des Gaserzeugungssystems 1 und bei der Zufuhr von Brennstoff zum Gaserzeugungssystem 1 die Dynamik des Versorgungssystems 2 für das sauerstoffreiche Gas bzw. des nicht dargestellten Kompressors berücksichtigt wird, werden die Zufuhr von wasserstoffreichem Gas und die Zufuhr von sauerstoffreichem Gas zur Brennstoffzelleneinheit 3 synchronisiert, d. h. die für einen aktuellen Lastpunkt notwendigen Volumina bzw. Massenströme beider Medien werden der Brennstoffzelleneinheit 3 zeitgleich zugeführt. Dies führt zu einer schnellen, zuverlässigen und sicheren Bereitstellung von Strom und vermeidet unerwünschte Strom- und/oder Spannungseinbrüche oder eine unnötige thermische Belastung von Systemkomponenten wie etwa dem katalytischen Brenner.
  • In weiterer Ausgestaltung der Erfindung werden Messwerte und/oder berechnete Werte des Massenstroms des wasserstoffreichen Gases ≙H2 der Regelungseinheit 4 als weitere Eingangsgröße zugeführt. Zusätzlich können Messwerte und/oder berechnete Werte des Massenstroms des sauerstoffreichen Gases ≙Luft der Regelungseinheit 4 als Eingangsgröße zugeführt werden. Die Regelungseinheit 4 enthält dann bevorzugt einen Mehrgrößenregler, dessen Eingangsgrößen eine Stromanforderung ISoll bzw. ein Sollwert für die Brennstoffmenge und ein Sollwert für die Kompressordrehzahl sind, dessen Regelgrößen die Massenströme des wasserstoffreichen Gases ≙H2 und des sauerstoffreichen Gases ≙Luft und dessen Stellgrößen die Dosierung der Brennstoffmenge und die Ansteuerung des Kompressors sind.
  • Um eine möglichst genaue Umsetzung der Stromanforderung ISoll zu erreichen, kann die Filtereinheit 6 ein Proportionalglied bzw. einen Proportionalregler mit Vorhalt enthalten, um die langsame Dynamik des Gaserzeugungssystems auszugleichen. Die Übertragungsfunktion des Proportionalglieds mit Vorhalt ist bevorzugt gegeben durch eine Gleichung mit der Laplace- Transformierten


    wobei s eine komplexe Variable ist. K ist ein Verstärkungsfaktor und Tv und T1 sind Zeitkonstanten des Proportionalglieds mit Vorhalt, wobei üblicherweise die Beziehung T1 + Tv > T1 gilt. Der Verstärkungsfaktor K hat vorzugsweise den Wert 1.
  • In Fig. 3 sind beispielhaft zeitliche Verläufe der Stromanforderung ISoll (Diagramm a) und des Brennstoffmassenstroms ≙BS (Diagramm b) und des Massenstroms des wasserstoffreichen Gases ≙H2 (Diagramm c) dargestellt. Die durchgezogenen Kurven geben die Signalverläufe bei Verwendung eines Proportionalglieds mit Vorhalt an, während die gepunkteten Kurven die Signalverläufe ohne Verwendung eines Proportionalglieds mit Vorhalt zeigen. Die in Diagramm a dargestellte Stromanforderung hat die Form einer Sprungfunktion die zum Zeitpunkt t0 sprunghaft ansteigt und zum Zeitpunkt t1 sprunghaft auf ihren Anfangswert abfällt. Diagramm b zeigt den zeitlichen Verlauf des Brennstoffmassenstroms ≙BS, der sich bei der in Diagramm a dargestellten Stromanforderung ISoll typischerweise einstellt. Bei Verwendung eines Proportionalglieds mit Vorhalt steigt der Brennstoffmassenstrom ≙BS zum Zeitpunkt t0 sprunghaft an und fällt dann üblicherweise exponentiell auf den stationären Endwert ab, der sich im Zeitintervall t0 < t < t1 normalerweise einstellt, wobei der Wert des Brennstoffmassenstroms ≙BS zum Zeitpunkt t0 größer als der stationäre Endwert ist. Dieses Phänomen wird im weiteren Verlauf der Beschreibung als Überhöhung bezeichnet. Die Variable t kennzeichnet die Zeit. Zum Zeitpunkt t1 fällt der Brennstoffmassenstroms ≙BS sprunghaft ab und steigt dann üblicherweise exponentiell auf den stationären Endwert an, der sich für t > t1 normalerweise einstellt, wobei der Wert des Brennstoffmassenstroms ≙BS, zum Zeitpunkt t1 kleiner als der stationäre Endwert ist (durchgezogene Kurve). Ohne Verwendung eines Proportionalglieds mit Vorhalt verläuft der Brennstoffmassenstroms ≙BS analog zur Stromanforderung ISoll. Das heißt, der Brennstoffmassenstroms ≙BS steigt zum Zeitpunkt t0 sprunghaft an und fällt zum Zeitpunkt t1 sprunghaft auf seinen Anfangswert ab (gepunktete Kurve). Diagramm c zeigt die sich einstellenden Sprungantworten des Massenstroms des wasserstoffreichen Gases ≙H2.
  • Bei Verwendung eines Proportionalglieds mit Vorhalt steigt der Massenstrom des wasserstoffreichen Gases ≙H2 zum Zeitpunkt t0 üblicherweise exponentiell an, bis der stationäre Endwert erreicht ist, und fällt zum Zeitpunkt t1 üblicherweise exponentiell auf den Anfangswert zurück (durchgezogene Kurve). Ohne Verwendung eines Proportionalglieds mit Vorhalt ist der Verlauf des Massenstrom des wasserstoffreichen Gases ≙H2 entsprechend, allerdings dauert es länger, bis der Endwert nach t0 bzw. der Anfangswert nach t1 erreicht sind, d. h. die Einschwingzeiten sind länger (gepunktete Kurve). Das heißt, mit Proportionalglied mit Vorhalt reagiert der Massenstrom des wasserstoffreichen Gases ≙H2 schneller auf Veränderungen der Stromanforderung ISoll bzw. des Brennstoffmassenstroms ≙BS. Je höher die Überhöhung bei der Dosierung des Brennstoffes, desto schneller kann wasserstoffreiches Gas der Brennstoffzelleneinheit 3 zur Verfügung gestellt werden. Eine hohe Überhöhung mit kurzer Einschwingzeit ist wünschenswert. Die Wahl der Zeitkonstanten Tv und T1 beeinflusst den Verlauf, die Höhe und/oder die Enge der Überhöhung der Brennstoffkurve. Dies ergibt sich daraus, daß Sprungantwort und Übertragungsfunktion über die inverse Laplace-Transform miteinander verknüpft sind. Höhe und/oder Enge sind somit wählbar, jedoch ist die Wahl durch parasitäre Verzögerungen und/oder Bauteilgrenzwerte eingeschränkt.
  • Da üblicherweise das Gaserzeugungssystem 1 ein langsameres dynamisches Verhalten als das Versorgungssystem 2 für sauerstoffreiches Gas aufweist, ist es vorteilhaft ein Proportionalglied mit Vorhalt in die Filtereinheit 6 zu integrieren und zusätzlich ein Verzögerungsglied in die Filtereinheit 5 einzubinden. Auf diese Weise wird die Verzögerung des Gaserzeugungssystems 2 im Signalflusspfad 11 kompensiert und außerdem das schnellere Übertragungsverhalten des Versorgungssystems 2 für sauerstoffreiches Gas ausgeglichen.
  • In Ausgestaltung der Erfindung kann bei der Einstellung des Massenstroms des Brennstoffs ≙BS vorteilhafterweise ein Wirkungsgrad η der nicht dargestellten Reformierungseinheit bzw. des Gaserzeugungssystems 1 und/oder ein Eigenverbrauch an wasserstoffreichem Gas des Gaserzeugungssystems 1 berücksichtigt werden. Der Eigenverbrauch an wasserstoffreichem Gas ergibt sich bei einer Gasreinigung, die der Reformierung in Strömungsrichtung des wasserstoffreichen Gases typischerweise nachgeschaltet ist. Da für diese Gasreinigung üblicherweise mehr sauerstoffreiches Gas, wie z. B. Luft, zugeführt wird, als tatsächlich benötigt wird, um das bei der Reformierung entstandene Gas von beispielsweise CO zu reinigen, führt dies zu einem Verlust von wasserstoffreichem Gas im Gaserzeugungssystem 1, der bei der Brennstoffdosierung als Eigenverbrauch berücksichtigt werden kann. Das zugeführte sauerstoffreiche Gas wird hier als LD, das heißt Luftdosierung, bezeichnet. Eigenverbrauch und Wirkungsgrad η sind typischerweise von der Höhe der Brennstoffdosierung bzw. vom Massenstrom des Brennstoffs ≙BS abhängig. Die Bestimmung der Luftdosierung LD und des Wirkungsgrades kann bevorzugt über Kennfelder erfolgen, deren Eingangsgröße die Brennstoffdosierung bzw. der Massenstrom des Brennstoffs ≙BS ist. Mit Hilfe der Faradayschen Gesetze kann aus der Stromanforderung ISoll und aus der Luftdosierung LD der erforderliche Massenstrom an wasserstoffreichem Gas ≙H2 und aus diesem der einzustellende Brennstoffmassenstrom ≙BS anhand der folgenden Formel berechnet werden,


    wobei MBS für die Molmasse des Brennstoffs, n für die Anzahl der Brennstoffzellen in der Brennstoffzelleneinheit, z für die Wertigkeit von Wasserstoff (z = 2), V0 für das Normvolumen bzw. Molvolumen von Sauerstoff und F für die Faraday-Konstante stehen. λ BZ|H2 steht für den stöchiometrischen Koeffizienten des Wasserstoffs in der Reaktionsgleichung


    λ BZ|O2 steht für den stöchiometrischen Koeffizienten des Sauerstoffs in der obigen Reaktionsgleichung. Da für jedes zugeführte Sauerstoffmolekül O2 zwei Wasserstoffmoleküle H2 in der Brennstoffzelleneinheit für die Reaktion benötigt werden, taucht die Zahl 2 im Zähler des zweiten, in den Klammern stehenden Terms auf. Die Zahl 0,21, die ebenfalls im Zähler des zweiten, in den Klammern stehenden Terms auftritt, steht für den prozentualen Sauerstoffanteil in der Luft. Der Faktor k gibt an, wie viele Mol des wasserstoffreichen Gases mit einem Mol des Brennstoffes im in einem idealen Gaserzeugungssystem 1 mit η gleich 100% erzeugt werden können. Wird beispielsweise Methanol als Brennstoff verwendet, so können 3 Mol Wasserstoff erzeugt werden und k ist gleich 3. Durch die Einbeziehung des Wirkungsgrades η und der Luftdosierung LD des Gaserzeugungssystems 1 bzw. der nicht dargestellten Reformierungseinheit lässt sich der Brennstoff genauer dosieren, was ebenfalls zu einer genaueren Dosierung des wasserstoffreichen Gases führt. Block 7 in Fig. 1 stellt der Einfluss der Luftdosierung LD auf die Dosierung des wasserstoffreichen Gases dar.
  • In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird aus dem Massenstrom des wasserstoffreichen Gases ≙H2 und aus dem Massenstrom des sauerstoffreichen Gases ≙Luft mittels eines Simulationsmodells 10, das auf der Brennstoffzelleneinheit 3 basiert, ein Ausgangsstrom Iist ermittelt. Der Ausgangsstrom Iist gibt an, wieviel Strom maximal von den Verbrauchern angefordert bzw. benötigt werden darf. Der Ausgangsstrom Iist ist der momentan von der Brennstoffzelleneinheit 3 bereitstellbare Strom. Der tatsächliche, messbare Ausgangsstrom der Brennstoffzelleneinheit IBZ gibt hingegen an, wieviel Strom tatsächlich von den Verbrauchern benötigt bzw. gezogen wird. Das Simulationsmodell kann z. B. ein Proportionalglied mit Verzögerung beliebiger Ordnung bzw. ein Verzögerungsglied beliebiger Ordnung (ein sogenanntes PTx-Glied) sein.
  • In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird aus der Stromanforderung ISoll mittels eines zweiten, nicht dargestellten Simulationsmodells, das auf der Brennstoffzelleneinheit 3, dem Gaserzeugungssystem 1 und dem Versorgungssystem 2 für das sauerstoffreiche Gas basiert, ein Ausgangsstrom Iist ermittelt. Auch hier gibt der Ausgangsstrom Iist an, wieviel Strom maximal von den Verbrauchern angefordert bzw. benötigt werden darf. Der Ausgangsstrom Iist ist der momentan von der Brennstoffzelleneinheit 3 bereitstellbare Strom. Dieses Simulationsmodell kann z. B. ein Proportionalglied mit Verzögerung beliebiger Ordnung bzw. ein Verzögerungsglied beliebiger Ordnung (ein sogenanntes PTx- Glied), vorzugsweise vierter Ordnung (PT4-Glied) sein.
  • Bei der Verwendung von Simulationsmodellen zur Berechnung des Ausgangsstrom Iist brauchen keine möglicherweise teuren Sensoren im Brennstoffzellensystem eingesetzt werden. Weiterhin liefern die oben beschriebenen Simulationsmodelle rauschfreie Signale als Ausgangssignale. Durch geeignete Wahl von entsprechenden Simulationsmodellen können die oben genannten Subsysteme des Brennstoffzellensystems, wie z. B. die Brennstoffzelleneinheit 3, mit beliebiger Genauigkeit dargestellt werden.
  • Vorteilhaft kann in einer mobilen Einrichtung wie einem Brennstoffzellenfahrzeug zwischen dem Strom unterschieden werden, der für den Antrieb des Fahrzeugs benötigt wird, und dem Strom, der für sonstige im Fahrzeug integrierte elektrische Systeme bzw. Verbraucher, wie z. B. dem Kompressor, einem Hochdruckverdichter des Gaserzeugungssystems, einer Klimatisierung, benötigt wird. Zu den sonstigen elektrischen Verbrauchern gehören auch die elektrischen Verbraucher einen Bordnetzes, wie z. B. eines 12 V oder 42 V-Bordnetzes. Der zuerst genannte Strom soll hier zur besseren Unterscheidbarkeit als IAnt, letzterer als ISys bezeichnet werden. Die Stromanforderung ISoll ergibt sich dann aus der Summe von IAnt und ISys. Aus dem gemessenen und/oder mit Hilfe der oben genannten Simulationsmodelle simulierten bzw. berechneten Ausgangsstrom Iist der Brennstoffzelleneinheit 3 kann unter Berücksichtigung des Stromverbrauchs ISys der sonstigen elektrischen Verbraucher ein zur Verfügung stehender Strom Ifrei ermittelt werden, der z. B. bei einer Anwendung in einem Fahrzeug für den Antrieb des Fahrzeugs durch üblicherweise einen Elektromotor zur Verfügung steht. Dies erlaubt eine schnelle und genaue Einstellung des benötigten Stroms IAnt.

Claims (8)

1. Verfahren zur elektrischen Leistungsregelung eines Brennstoffzellensystems mit einem Gaserzeugungssystem (1), einem Versorgungssystem (2) für ein sauerstoffreiches Gas und einer Brennstoffzelleneinheit (3) zur Versorgung elektrischer Verbraucher,
wobei zur Versorgung der Brennstoffzelleneinheit (3) mit einem Brennmittel in einer Reformierungseinheit des Gaserzeugungssystems (1) ein wasserstoffreiches Gas aus einem Brennstoff gewonnen wird, und
wobei das Brennstoffzellensystem eine Regelungseinheit (4) zur Einstellung eines Massenstroms des Brennstoffs ( ≙BS) für das Gaserzeugungssystem (1) und eines Massenstroms des sauerstoffreichen Gases ( ≙Luft) für die Brennstoffzelleneinheit (3) aufweist,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Massenstrom des sauerstoffreichen Gases ( ≙Luft) in Abhängigkeit von der Dynamik des Gaserzeugungssystems (1) einstellbar ist und/oder daß
der Massenstrom des Brennstoffs ( ≙BS) in Abhängigkeit von der Dynamik des Versorgungssystems (2) für sauerstoffreiches Gas einstellbar ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelungseinheit (4) eine erste Filtereinheit (5) enthält, deren Parameter in Abhängigkeit von der Dynamik des Gaserzeugungssystems (1) einstellbar sind.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelungseinheit (4) eine zweite Filtereinheit (6) enthält, deren Parameter in Abhängigkeit von der Dynamik des Versorgungssystems (2) für das sauerstoffreiche Gas einstellbar sind.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Einstellung des Massenstroms des Brennstoffs ( ≙BS) ein Wirkungsgrad (η) der Reformierungseinheit und/oder ein Eigenverbrauch an wasserstoffreichem Gas des Gaserzeugungssystems (1) berücksichtigt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß aus einem Massenstrom des wasserstoffreichen Gases ( ≙H2) und aus dem Massenstrom des sauerstoffreichen Gases ( ≙Luft) mittels eines Simulationsmodells (10), das auf der Brennstoffzelleneinheit (3) basiert, ein Ausgangsstrom (Iist) ermittelt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß aus einem Leistungs- bzw. Stromanforderung (ISoll) mittels eines zweiten Simulationsmodells, das auf der Brennstoffzelleneinheit (3), dem Gaserzeugungssystem (1) und/oder dem Versorgungssystem 2 für wasserstoffreiches Gas basiert, ein Ausgangsstrom (Iist) ermittelt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 5 und/oder Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß aus dem Ausgangsstrom (Iist) unter Berücksichtigung des Stromverbrauchs (ISys) von zugeschalteten elektrischen Verbrauchern ein zur Verfügung stehender Strom (Ifrei) ermittelt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennstoff Alkohol, Kohlenwasserstoff, Ether, Ester und/oder ein sonstiges Medium, aus dem Wasserstoff zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems gewonnen werden kann, enthält.
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