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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Kontrolle des Differenzdrucks
zwischen einem Anodenbereich und einem Kathodenbereich einer Brennstoffzelle,
wobei die Vorrichtung mit einem betankbaren Vorratstank für Wasserstoff
verbunden und/oder verbindbar ist und ein erstes Stellglied zur
Einstellung des Drucks in dem Anodenbereich und/oder Kathodenbereich
aufweist, sowie ein entsprechendes Verfahren.
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Brennstoffzellen
sind elektro-chemische Energiewandler, die aus einem Brennstoff,
wie z.B. Wasserstoff, und einem Oxidant, wie z.B. Sauerstoff, elektrische
Energie ohne thermische und/oder mechanische Zwischenprozesse produzieren.
Eine besonders zukunftsträchtige
Ausführung
der Brennstoffzellen für
den Einsatz in Kraftfahrzeugen ist die PEM-Brennstoffzelle (Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzelle).
Eine derartige PEM-Brennstoffzelle weist eine positive Elektrode
(Kathode) und eine negative Elektrode (Anode) auf, die durch einen
Elektrolyten getrennt sind. Der Elektrolyt wird aus einer Kunststoffmembran
gebildet, die für
Elektronen isolierend und für
die Wasserstoff-Ionen eine gute Leitfähigkeit aufweist. Zudem bildet
die Kunststoffmembran eine mechanische Sperre zwischen dem Brennstoff
in dem Anodenbereich und dem Oxidant im Kathodenbereich.
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Die
japanische Druckschrift
JP
03205765 A beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung
zur Kontrolle des Differenzdrucks zwischen den Elektroden einer
Brennstoffzelle in einem Brennstoffzellensystem. Das Brennstoffzellensystem
weist eine Reformereinrichtung auf, in die die Gasausgänge von Anodenbereich
und Kathodenbereich der Brennstoffzelle münden und auf diese Weise miteinander
verbunden sind. Bei dem offenbarten Verfahren wird der Differenzdruck
zwischen Anodenbereich und Kathodenbereich mit einem Differenzdrucksensor
gemessen. Auf etwaige, auftretende Differenzdrücke wird durch Ansteuerung
eines Bypass-Ventils reagiert, welches einen Gasleitungsabschnitt
zwischen Anodenausgang und Reformereingang kurzschließt.
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Die
Druckschrift
US 5,059,494 offenbart
eine Brennstoffzellenenergieversorgung, die ebenfalls eine Reformereinrichtung
aufweist, so dass auch hier die Ausgänge von Anodenbereich und Kathodenbereich über die
Reformereinrichtung gasleitend oder kommunizierend verbunden sind.
Der Differenzdruck zwischen Anodenbereich und Kathodenbereich wird über einen
Differenzdrucksensor abgegriffen und der Gasausgang der Anode auf
Basis des gemessenen Signals über
Ventile so eingestellt, dass der Differenzdruck einem vorgegebenen
Sollwert entspricht.
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In
der Druckschrift
DE
10 2004 013487 A , die den nächstkommenden Stand der Technik
bildet, wird ein Brennstoffzellensystem beschrieben, welches mit
Wasserstoff aus einem Vorratstank als Brennstoff betrieben wird.
Bei der offenbarten Vorrichtung steuert eine Druckregelvorrichtung
einen Wasserstoffdruckregler so an, dass das Verhältnis des
Drucks des der Anode zugeführten
Wasserstoffgases in Bezug auf den Druck der der Kathode zugeführten Luft
optimiert ist.
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Die
Ausführung
und Funktionsweise dieser Steuerung wird in der Druckschrift nicht
offenbart.
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Die
der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe ist es, eine Vorrichtung
und ein entsprechendes Verfahren vorzuschlagen, so dass der Differenzdruck zwischen
Kathode und Anode einer Brennstoffzelle in einfacher Weise kontrolliert
wird und/oder kontrollierbar ist.
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Diese
Aufgabe wird gelöst
durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und einem
Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 10. Vorteilhafte und/oder
bevorzugte Ausführungsformen
sind in den Unteransprüchen
beschrieben.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
ist geeignet und/oder ausgebildet zur Kontrolle, also insbesondere
zur Steuerung und/oder Regelung, des Differenzdrucks zwischen einem
Anodenbereich und einem Kathodenbereich einer Brennstoffzelle. Bei
der Brennstoffzelle handelt es sich um eine Brennstoffzelle beliebiger
Bauweise, besonders bevorzugt ist jedoch eine Brennstoffzelle in
PEM-Bauweise.
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Die
Brennstoffzelle weist einen Anodenbereich und einen Kathodenbereich
auf, wobei diese Bereich entweder durch eine insbesondere poröse und/oder
gitterartige Anode bzw. Kathode gebildet sind oder als Anodenkammer
mit darin angeordneter Anode bzw. als Kathodenkammer mit darin angeordneter
Kathode realisiert sind.
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Die
Vorrichtung ist mit einem betankbaren Vorratstank für Wasserstoff
verbunden und/oder verbindbar. Der Vorratstank ist zur Aufnahme
von Wasserstoff mit einer Reinheit von mehr als 80%, vorzugsweise
mehr als 90%, insbesondere mehr als 95% Wasserstoff ausgebildet.
Bevorzugt beziehen sich die Prozentangaben auf Volumenprozent oder auf
Massenprozent. Insbesondere wird der Wasserstoff nicht durch einen
lokalen, insbesondere mit der Brennstoffzelle mitbewegten oder mittransportierten Reformer
erzeugt. Vorzugsweise sind die Gasausgänge von Anodenbereich und Kathodenbereich
zueinander isoliert, so dass die Restgase aus dem Anodenbereich
und aus dem Kathodenbereich getrennt an die Umwelt abgegeben werden
und insbesondere innerhalb der Vorrichtung nicht gemischt oder miteinander
verbrannt werden und/oder unvermischt bleiben. Die erfindungsgemäße Vorrichtung
wird also bevorzugt in einem mobilen Brennstoffzellensystem mit einer
Mehrzahl von Brennstoffzellen eingesetzt, wobei das Brennstoffzellensystem
eine reformatorfreie Brennstoffversorgung aufweist. Bevorzugt arbeitet das
Brennstoffzellensystem mit einer Maximaltemperaturen unter 150°C, insbesondere
unter 100°C.
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Weiterhin
weist die Vorrichtung ein erstes Stellglied zur Einstellung, insbesondere
Steuerung des Drucks in dem Anodenbereich und/oder in dem Kathodenbereich
auf.
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Erfindungsgemäß ist ein
Differenzdrucksensor vorgesehen, der zur Messung des Differenzdrucks
zwischen Anodenbereich und Kathodenbereich ausgebildet und/oder
angeordnet ist. Insbesondere ist er zu Messung des relativen Druckunterschieds
zwischen Anodenbereich und Kathodenbereich ausgebildet. Zudem ist
eine Kontrolleinrichtung zur Kontrolle, vorzugsweise zur Regelung
und/oder Steuerung, des ersten Stellgliedes vorgesehen, wobei die
Kontrolle des ersten Stellglieds auf Basis des Signals des Differenzdrucksensors
erfolgt. Konstruktiv betrachtet kann die Kontrolleinrichtung als
integraler Bestandteil des ersten Stellglieds oder separat oder
als integraler Bestandteil einer übergeordneten Steuerung mit
weiteren Funktionen ausgebildet sein. Insbesondere wird ein Regelkreis
und/oder Stellkreis gebildet, wobei der Druck in dem Kathodenbereich und/oder
Anodenbereich die Stellgröße bildet.
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Die
Erfindung geht dabei von der Überlegung aus,
dass die Verwendung des Differenzdrucksignals eine besonders einfache
und störunanfällige Regelung
und/oder Steuerung des Differenzdrucks bei Brennstoffzellensystemen
erlaubt, die ohne Reformator und somit ohne kommunizierende Verbindung zwischen
den Ausgängen
des Anoden- und des Kathodenbereichs arbeiten. Die Regelung und/oder Steuerung
des Differenzdrucks dient insbesondere dazu, die mechanische Belastung
der Membran zwischen Anoden- und Kathodenbereich in der Brennstoffzelle
zu minimieren.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
ist das erste Stellglied als Steuerung des Zuflusses von Brennstoff
in den Anodenbereich ausgebildet. Insbesondere ist das erste Stellglied
in dem Anodenversorgungskreis und/oder -kreislauf und/oder -zweig
so angeordnet, dass es unmittelbar auf die Zuleitung des Brennstoffs
wirkt. Diese Ausführungsform
hat den Vorteil, dass diese Form der Stellgröße eine hochdynamische Nachführung des
Druckes in dem Anodenbereich ermöglicht.
Alternativ ist das erste Stellglied als Steuerung des Zuflusses
von Luft in den Kathodenbereich oder als Steuerung des Abflusses von
Restgasen aus dem Kathoden- oder Anodenbereich ausgebildet.
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Bei
einer bevorzugten Weiterbildung der Vorrichtung ist der Differenzdrucksensor
so angeordnet und/oder ausgebildet, dass der Druck an einer ersten Messstelle
in dem Zufluss oder Abfluss des Anodenbereichs und einer zweiten
Messstelle in dem Zufluss oder Abfluss des Kathodenbereichs erfolgt.
Auch beliebige Kombinationen dieser Messstellen sind möglich, so dass
die erste Messstelle beispielsweise in dem Zufluss des Anodenbereichs
und die zweite Messstelle in dem Abfluss des Kathodenbereichs ausgebildet
ist. Bevorzugt wird der Druck unmittelbar nach bzw. vor dem Kathodenbereich
und/oder dem Anodenbereich abgegriffen, bei abgewandelten Ausführungsformen
können
auch weitere pneumatische Elemente zwischen den Messstellen und
den Anoden- bzw. Kathodenbereich angeordnet sein.
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Bei
einer Weiterbildung der Vorrichtung ist ein weiterer Drucksensor
zur Messung des Drucks, insbesondere des absoluten Drucks, in dem
Anodenbereich und/oder in dem Kathodenbereich ausgebildet und/oder
angeordnet. Durch diesen weiteren Drucksensor in Verbindung mit
dem Differenzdrucksensor ist es auf einfache Weise möglich, den
absoluten Druck in dem Anodenbereich und in dem Kathodenbereich
zu berechnen.
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Bevorzugt
ist ein zweites Stellglied zur Steuerung und/oder Regelung des Drucks
und/oder des Durchflusses in dem Kathodenbereich oder Anodenbereich
vorgesehen. Insbesondere wird das zweite Stellglied auf Basis des
gemessenen und/oder ermittelten absoluten Drucks gesteuert bzw.
geregelt. Besonders bevorzugt ist die Kontrolle des Kathodendrucks über eine
absolute Druckmessung und die Kontrolle des Anodendrucks über die
Messung des Differenzdrucks oder die Kontrolle des Anodendrucks über eine
absolute Druckmessung und die Kontrolle des Kathodendrucks über eine
Differenzdruckmessung.
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Bei
einer vorteilhaften Ausbildung der Vorrichtung ist das erste Stellglied
zur Steuerung des Zuflusses von Brennstoff aus einem Vorratstank
ausgebildet und/oder angeordnet. Diese Ausbildung unterstreicht
nochmals die erfinderische Idee, einen hochdynamische Regelung und/oder
Steuerung des Differenzdrucks umzusetzen, da in dem Vorratstank
ein vergleichsweise hoher Überdruck
gegenüber
dem Anodenkreis vorliegt, so dass durch Aktivierung des ersten Stellglieds
eine starke Druckänderung
in dem Anodenbereich erfolgen kann.
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Das
erste und/oder zweite Stellglied ist bevorzugt als Ventil, insbesondere
als Proportionalventil und/oder stellbarer Druckminderer ausgebildet. Besonders
bevorzugt sind hochdynamische Ventile wie z.B. Piezo-Ventile.
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Die
Kontrolleinrichtung ist insbesondere zur Regelung und/oder Steuerung
des ersten Stellglieds auf Basis eines Sollwerts für den Differenzdruck
ausgebildet. Dieser Sollwert ist bei einfachen Ausführungsformen
konstant ausgebildet, bevorzugt wird der Sollwert jedoch dynamisch,
insbesondere zeitabhängig
und/oder lastabhängig,
angepasst.
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Die
der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird auch durch ein Verfahren
zur Kontrolle des Differenzdrucks zwischen einem Anodenbereich und einem
Kathodenbereich einer Brennstoffzelle mit den Merkmalen des Anspruchs
10 gelöst,
wobei die Brennstoffzelle mit Wasserstoff aus einem betankbaren
Vorratstank versorgt wird, vorzugsweise unter Verwendung der weiter
oben beschriebenen Vorrichtung, wobei der Differenzdruck zwischen
Anodenbereich und Kathodenbereich mit einem Differenzdrucksensor
gemessen wird und der Druck im Anodenbereich und/oder Kathodenbereich
auf Basis des gemessenen Differenzdrucks eingestellt wird.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der beigefügten Zeichnung
und der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels.
Dabei zeigt:
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1 ein
Ausführungsbeispiel
einer Gasversorgung für
eine Brennstoffzelle in schematisierter Flussdarstellung.
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Die
in der 1 schematisiert dargestellte Gasversorgung 1 dient
zur Versorgung einer Brennstoffzelle 2. Es ist eine Zuleitung 3 vorgesehen,
die die Gasversorgung 1 mit Wasserstoff aus einem nicht-dargestellten
Gastank versorgt. Über
eine weitere Zuleitung 4 wird Umgebungsluft als Oxidant
der Gasversorgung 1 zugeführt.
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Der
als Brennstoff dienende Wasserstoff wird von der Zuleitung 3 über ein
Anodendruckventil 5, welches den Druck im Anodenzweig der
Gasversorgung 1 einstellt, in den Zulauf 6 für den Anodenbereich 7 der
Brennstoffzelle 2 geführt.
Der Wasserstoff durchquert in bekannter Weise den Anodenbereich 7 und
wird dort zum Teil elektro-chemisch aufgebraucht, indem er unter
Abgabe von Elektronen in Wasserstoff-Ionen umgewandelt wird, die
durch die trennende PEM-Elektrolytenwand 8 von
den Anodenbereich 7 in einen Kathodenbereich 9 der
Brennstoffzelle 2 treten. Der verbleibende Wasserstoff
sowie etwaige weitere Trägergase
treten aus dem Anodenbereich 7 in den Ablauf 10 über und
werden zu einer Rezirkulationspumpe 11 geführt, die
den nicht-verbrauchten Wasserstoff in den Zulauf 6 des Anodenbereichs 7 zurückführt.
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Die
als Oxidant dienende Luft wird über
die Zuleitung 4 in einen Kompressor 12 geleitet,
dort in Abhängigkeit
des Betriebszustandes der Brennstoffzelle 2, insbesondere
der anliegenden Last, komprimiert und in einen Zulauf 13 für den Kathodenbereich 9 gespeist.
Die komprimierte Luft wird durch den Kathodenbereich 9 geleitet,
wobei in einer elektrochemischen Reaktion Teile des Sauerstoffs
der Luft zusammen mit den übergetretenen
Wasserstoff-Ionen in Wasser überführt werden.
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Dieses
Luft-Wassergemisch wird über
einen Ablauf 14 des Kathodenbereichs 9 zu einem
Kathodendruckventil 15 geleitet, welches den Druck in dem Kathodenzweig
des Gasversorgung 1 einstellt. Nach dem Kathodendruckventil 15 wird
das Luft-Wasser-Gemisch über eine
Ableitung 16 abgeleitet.
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Der
Druck in dem Kathodenzweig der Gasversorgung 1 wird durch
einen Kathodendruckkontroller 17 geregelt oder gesteuert,
der als Messgröße den absoluten
Druck in dem Zulauf 13 zu dem Kathodenbereich 9 und
somit den absoluten Druck des Kathodenbereichs als Eingangsgröße erhält. Als
Führungsgröße wird
dem Kathodendruckkontroller 17 ein Sollwert für den Druck
des Kathodenzweigs oder -bereichs 9 zugeführt. Dieser
Sollwert ist beispielsweise lastabhängig. Zur Steuerung, Regelung
oder Nachführung
des Drucks in dem Kathodenzweig steuert der Kathodendruckkontroller 17 das
Kathodendruckventil 15 an.
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Für den Anodenzweig
der Gasversorgung 1 ist ein Anodendruckkontroller 18 angeordnet,
der ein Messsignal eines Differenzdrucksensors 19 erhält. Eine
erste Messstelle 20 des Differenzdrucksensors 19 befindet
sich in dem Zulauf 13 zu dem Kathodenbereich 9,
eine zweite Messstelle 21 befindet sich auf in dem Zulauf 6 zu
dem Anodenbereich 7. Der Differenzdrucksensor 19 misst
somit den Differenzdruck zwischen dem Kathodenbereich 9 und
dem Anodenbereich 7. Das Messsignal des Differenzdrucksensors 19 wird
in dem Anodendruckkontroller 18 mit einem Sollwert verglichen,
wobei der Sollwert entweder konstant oder zeit- und/oder lastabhängig ausgebildet
ist. Es wird ein Steuer- und/oder Regel- und/oder Nachführungssignal
gebildet, welches dem Anodendruckventil 5 als Stellsignal
zugeführt
wird. Optional wird der absolute Druck in dem Anodenzweig und/oder
Kathodenzweig durch absolute Drucksensoren 22 bzw. 23 gemessen.
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Im
Betrieb der Gasversorgung 1 wird eine lastabhängige Luftmenge über die
Zuleitung 4 und den Kompressor 12 in den Kathodenbereich 9 geleitet,
wobei der Druck der zugeleiteten Luft über das Kathodendruckventil 15 auf
Basis des gemessenen Kathodendrucks eingestellt wird.
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In
dem Anodenzweig der Gasversorgung 1 wird Wasserstoff in
einem geschlossenen Kreis, der aus Zulauf 6, Anodenbereich 7,
Ablauf 10 und Rezirkulationspumpe 11 gebildet
ist, verbraucht, wobei der nicht-verbrauchte Wasserstoff über die
Rezirkulationspumpe 11 in den Zulauf 6 zurückgeführt wird.
Der Druck in dem Anodenzweig und somit in dem Anodenbereich 7 wird
durch das Anodendruckventil 5 kontrolliert, welches die
Zuleitung von Wasserstoff von dem nicht-gezeigten Vorratstank erlaubt,
um den elektro-chemisch verbrauchten Wasserstoff zu ersetzen.
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Die
Ansteuerung, insbesondere das Öffnen des
Anodendruckventils 5 erfolgt auf Basis des gemessenen Differenzdrucks
zwischen dem Anodenbereich 7 und dem Kathodenbereich 9,
wobei die Druckkontrolle im Anodenzweig die gemessene Druckdifferenz
einem vorgegebenen Sollwert nachführt. Dieser Sollwert kann beliebig
gewählt
werden, insbesondere als eine Funktion der Last. Die Gasversorgung 1 erlaubt
aufgrund der direkten Messung des Differenzdrucks eine hohe Präzision bei
der Differenzdruckkontrolle.
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Alternativ
können
die Messstellen des Differenzdrucksensors 19 auch an den
Abläufen 10 bzw. 14 der
Brennstoffzelle 2 oder an dem Zulauf 13 und dem
Ablauf 10 der Brennstoffzelle 2 oder an dem Ablauf 14 und
dem Zulauf 6 angeordnet sein.
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Prinzipiell
kann jeder gemessene Differenzdruck zwischen dem Anodenbereich 7,
bzw. dessen Zu- oder Ablauf 6 oder 10, und dem
Kathodenbereich 9, bzw. dessen Zu- oder Ablauf 13 oder 14,
als Messsignal für
den Anodendruckkontroller 18 eingesetzt werden.