DE102006013699A1

DE102006013699A1 - Brennstoffzellenanlage

Info

Publication number: DE102006013699A1
Application number: DE102006013699A
Authority: DE
Inventors: Ian Faye; Thanh-Hung Nguyen-Schaefer; Ulrich Gottwick
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2006-03-24
Filing date: 2006-03-24
Publication date: 2007-09-27
Also published as: CN101405907A; WO2007110349A1; US20090305100A1; US9716282B2

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenanlage 1 mit einer Brennstoffzelle 2 und einem von einer Kontrolleinheit betätigten Stellelement 3 zum Ausbringen von Restgas aus einem Betriebsstoffstrom der Brennstoffzelle. Sie zeichnet sich dadurch aus, dass die Kontrolleinheit (4) eine die Betriebsstoffkonzentration im Betriebsstoffstrom berücksichtigende Steuerung und/oder Regelung (4.1) umfasst.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenanlage nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Stand der Technik

Brennstoffzellen, insbesondere solche mit einer protonenleitenden Polymerfolie als Trennwand zwischen Anode und Kathode (PEM-Brennstoffzellen), werden anodenseitig mit einem Brenngas wie gasförmigem Wasserstoff oder wasserstoffhaltigen Gasgemischen wie z.B. Reformatgasen betrieben.

Zur Verbesserung des Wirkungsgrades solcher Brennstoffzellen ist es bekannt, das die Anodenseite der Brennstoffzelle ausgangseitig verlassende Restgas durch sogenannte Rezirkulationsmaßnahmen bzw. -pfade der Brennstoffzelle Anoden-Eingansseitig wieder zuzuführen. Da die Brennstoffzelle im Betrieb aber nur reinen Brennstoff verbraucht, in der Regel Wasserstoff, bewirkt eine solche Rezirkulation des Brennstoffstroms, dass die Konzentration von reinem Brennstoff im Anodenbereich der Brennstoffzelle im Laufe der Betriebszeit abnimmt.

Bedingt ist dies durch die Ansammlung von Restgasen in diesem Zirkulationskreislauf, die entweder aus der Brenngasversorgung stammen oder durch Diffusion von der Kathodenseite, also der mit Luft versorgten Seite der Brennstoffzelle, auf die Anodenseite gelangen. Hierbei handelt es sich in erster Linie um Stickstoff und Wasserdampf. Durch das gegenläufige Verhalten, ansteigen des Restgasgehaltes und absinken des reinen Brennstoffanteils in der Brennstoffzelle, sinkt auch die elektrische Spannung der Brennstoffzelle ab. Bei hohem Brenngasverbrauch wird zunehmend auch die Dynamik des Gastransports zur Protonen-Austausch-Membran (PEM-Membran) verlangsamt.

Zur Vermeidung zu hoher Ansammlungen von Restgasen im Anodenbereich der Brennstoffzelle ist es daher bekannt, das aus dem Anodenbereich der Brennstoffzelle austretende Gas entweder permanent über eine Drossel an die Umgebung abzulassen, oder, in einer anderen Ausführungsform, in regelmäßigen Zeitabständen über ein entsprechend angesteuertes Ventil. Solche Ventile sind beispielsweise unter dem Begriff „Purge-Ventil" bekannt.

Aufgabe und Vorteile der Erfindung

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde eine Brennstoffzellenanlage gemäß der Eingangs dargelegten Gattung zu verbessern.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. In den Unteransprüchen sind vorteilhafte und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung angeben.

Dementsprechend betrifft die vorliegende Erfindung eine Brennstoffzellenanlage mit einer Brennstoffzelle und einem von einer Kontrolleinheit gesteuerten Stellelement zum Ausbringen von Restgas aus einem Betriebstoffstrom der Brennstoffzelle. Sie zeichnet sich erfindungsgemäß dadurch aus, dass die Kontrolleinheit eine die Betriebsstoffkonzentration im Betriebsstoffstrom berücksichtigende Steuerung und/oder Regelung umfasst.

Dieser Vorgehensweise liegt die Erkenntnis zugrunde, dass bei den bisher üblichen Verfahren zur Ausbringung von Restgasen, permanent über eine Drossel oder durch Öffnen eines Ventils in regelmäßigen Zeitabständen, nicht nur der unerwünschte Anteil an Restgasen im Betriebs- oder Brennstoffstrom der Brennstoffzelle anodenseitig ausgebracht wird, sondern zwangsweise auch von der Anode noch nicht umgesetzter Brennstoff. Je niedriger die Konzentration des Restgases und damit umso höher die Konzentration des Brennstoffs, welcher bevorzugter Weise Wasserstoff ist, desto höher sind die Verluste durch die Ausbringung dieses ungenutzten Brennstoffs. Diese Erkenntnis gilt für beide bisher bekannten Verfahren zum Ausbringen von Restgasen.

Darauf aufbauend schlägt die vorliegende Erfindung vor, nur dann Restgas durch das Stellelement aus dem Betriebsstoffstrom auszubringen, wenn die Konzentration des Betriebs- bzw. Brennstoffs einen bestimmten, vorgebbaren Wert unterschreitet bzw. bestimmte, nicht gewünschte Konzentrationen anderer Stoffe im Restgas einen unzulässigen Wert übersteigen. Dadurch werden Brennstoffverluste aufgrund nicht erforderlichen Ausbringens bzw. Ablassens von Restgas aus dem Betriebsstoffstrom in den Wirkungsgrad der Brennstoffzelle erhöhender Weise vermieden.

Zur Ermittlung des Partialdrucks bzw. der Konzentration des Brennstoffs im Brennstoffstrom kann beispielsweise in einer ersten Ausführungsform ein Betriebsstoff- oder Brennstoff-Konzentrationssensor vorgesehen sein, der ein entsprechendes Signal an die das Stellelement betätigende Kontrolleinheit übermittelt. Besonders bevorzugt kann hierzu ein Brennstoffsensor eingesetzt werden, der eine speziell für hohe Brennstoffkonzentrationen große Empfindlichkeit aufweist, also in diesem Einsatzbereich ein gutes, hoch auflösendes und genaues Signal liefert. Für mit Wasserstoff betriebene Brennstoffzellen wäre dies ein entsprechend empfindlicher Wasserstoffsensor.

Neben dem Ansatz der Überwachung der Brennstoffkonzentration im Betriebsstoffstrom zur Ansteuerung des Stellelementes zum Ausbringen von Restgas wird im Weiteren eine zweite Vorgehensweise vorgeschlagen, die separat oder zusammen mit der ersten in Ansatz gebracht werden kann. Hierbei wird die Konzentration von Stickstoff im Brennstoffstrom durch einen mit der Kontrolleinheit in Verbindung stehenden Stickstoff-Konzentrationssensor überwacht. Bei Überschreitung eines bestimmten Konzentrationswert an Stickstoff veranlasst die Kontrolleinheit, entsprechend obiger Darlegung, ein Ausbringen von Restgasen aus dem Betriebsstoffstrom.

In einer nächsten Ausführungsform kann, wiederum allein oder auch in Kombination mit einer oder auch beiden der oben dargelegten Vorgehensweisen, die Konzentration von Wasserdampf im Brennstoffstrom überwacht und bei Überschreiten eines bestimmten Maximalwertes das Stellelement zum Ausbringen von Restgas durch die Kontrolleinheit veranlasst werden.

Neben diesen direkten Überwachungen von Konzentrationswerten zeigt die vorliegende Erfindung auch noch eine indirekte Überwachungsmöglichkeit auf, bei der ein Erfassungsmittel für die geförderte Betriebsstoffmenge vorgesehen ist. Dazu kann z. B. eine relevante Größe der Leistungsaufnahme einer Betriebsstoff-Rezirkulationsvorrichtung herangezogen werden. Insbesondere geeignet sind hier zu Strom-, Spannungs- und/oder Leistungserfassungsmittel, wie z.B. entsprechende Wandler deren Signale abgegriffen und zur Einleitung entsprechender Maßnahmen ausgewertet werden.

Die Rezirkulationsvorrichtung kann beispielsweise ein Rezirkulationsverdichter, eine Rezirkulationspumpe oder dergleichen mehr sein. Da diese Vorrichtungen in irgendeiner Weise über rotatorisch oder translatorisch betätigte Komponente verfügen ist eine weitere Erfassungsmöglichkeit der Brennstoffkonzentration im Betriebsstoffstrom durch das Auswerten des Signals eines entsprechend angeordneten Sensors wie beispielsweise Drehzahl- oder Hubfrequenzmesser möglich. Auch eine Volumenstromerfassung ist denkbar, z.B. mittels eines Durchflussmessers, beispielsweise in der Form eines Flügelradzählers.

Insbesondere durch einen Vergleich mit bekannten Leistungsaufnahmen bzw. auch Drehzahlen, Frequenzen oder Volumenströmen, die bestimmten Brennstoffmittelkonzentrationen zuordenbar sind, ist eine eindeutige Aussage über die Konzentration des reinen Brennstoffs im Brennstoffstrom möglich, und damit wiederum eine exakte Einflussnahme auf das Ausbringen von Restgas aus dem Betriebsstoffstrom, durch Betätigen des Stellelementes über die Kontrolleinheit.

Zur Betätigung des Stellelementes kann in einer einfachen Ausführungsform der Kontrolleinheit beispielsweise eine Zeit basierte Ansteuerung vorgesehen sein. So kann beispielsweise nach einem Über- oder Unterschreiten eines bestimmten Konzentrationsgrenzwertes ein sogenannter „Purge-Vorgang" veranlasst werden, also das Ausbringen von Restgas durch Öffnen des Stellelementes. Nach Ablauf einer bestimmten, vorgebbaren Zeitspanne wird dieser wieder beendet und notfalls solange wiederholt, bis sich der resultierende Fremdgasanteil wieder auf einen zulässigen Wert verringert hat bzw. eben der Brennstoff eine entsprechend hohe Konzentration an reinem Brennstoff aufweist.

Neben einer solchen vergleichsweise einfach aufgebauten Steuerung kann in einer hochwertigeren Ausführungsform auch eine Regelung zur Ventilbetätigung vorgesehen sein. Dabei kann die Kontrolleinheit beispielsweise durch Variierung der Öffnungszeit des Stellelementes die Durchflussmenge an Restgas durch das Stellelement regeln. In einer weiter verbesserten Ausführungsform kann auch eine Variierung des wirksamen Querschnitts des Stellelementes zur Einflussnahme auf die Durchflussmenge an Restgas durch das Stellelement vorgesehen sein. Als Stellelement könnte beispielsweise im ersten Fall ein Schaltventil und im zweiten Fall ein entsprechend angesteuertes Proportionalventil oder auch ein Regelventil vorgesehen sein. Somit ist eine Vielzahl von Regelungsformen realisierbar, zum Beispiel eine Regelung bei der die Sollgröße durch einfaches Öffnen des Stellgliedes erfolgt, oder eine, bei der abhängig vom Druck im Anodenpfad eine Vorsteuerung erfolgt, und die genaue Dosierung durch eine überlagerte Regelung und dergleichen mehr.

Ausführungsbeispiel
Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen und der nachfolgend darauf bezug nehmenden Beschreibung näher erläutert. Demnach zeigt die beigefügte Figur eine schematische Darstellung einer Brennstoffzellenanlage als Blockschaltdiagramm.
Die Brennstoffzellenanlage 1 nach der beigefügten Figur umfasst demnach eine Brennstoffzelle 2 sowie ein Stellelement 3 zum Ausbringen von Restgas aus einem anodenseitigen Brennstoffstrom, welches dazu in Abhängigkeit bestimmter Betriebsparameter von einer mit einer Steuerung und/oder Regelung 4.1 ausgestatteten Kontrolleinheit 4 betätigt wird. Die Betriebsparameter können bevorzugt die Konzentrationswerte des reinen Brennstoffs oder die weiterern Restgaskomponenten wie Stickstoff oder Wasserdampf sein.
Zur Versorgung der Brennstoffzelle 2 mit Brennstoff ist dafür beispielhaft ein Brennstoffspeicher 5 über ein Ventil 6 und in Versorgungsrichtung nachfolgend einen Druckregler 7 sowie einer Brennstoffdosiereinheit 8 an eine Brennstoff-Versorgungsleitung 9 angeschlossen. Das so zugeführte Brenngas, vorzugsweise Wasserstoff oder wasserstoffhaltiges Gasgemisch wie z.B. Reformatgas, tritt in der Form eines unter einem entsprechendem Druck stehenden Volumenstroms durch den Einlass 10 in die Anodenseite A der Brennstoffzelle 2 ein.
Im Betrieb der Brennstoffzelle 2 wird nur ein Teil des Wasserstoffs zur Erzeugung elektrischer Energie verbraucht. Der nicht verbrauchte Anteil an zugeführtem Gas tritt durch den anodenseitigen Ausgang 11 der Brennstoffzelle 2 wieder aus. Zur Vermeidung hoher Wasserstoffverluste wird dieses Restgas mittels einer Rezirkulationsvorrichtung 13 über einen Rezirkulationspfad 12 an einer Rückspeisestelle 14 wieder in die Versorgungsleitung 9 eingespeist.
Zur Ankopplung der Kontrolleinheit 4 an die verschiedenen Einheiten der Brennstoffzellenanlage sowie auch zur Energieversorgung und gegebenenfalls Ausgabe weiterer Signale an andere Steuer- und/oder Regeleinheiten sind in der Zeichnung symbolisch die beiden Eingangs- und Ausgangssektoren 15, 16 dargestellt. Insbesondere umfassen diese beiden Vektoren Verbindungen die Signalübermittlung von Detektionseinheiten 17, 18, 19 zur Kontrolleinheit 4, und von der Kontrolleinheit 4 zum Stellelement 3.
Eine erste Detektionseinheit wird beispielsweise durch den Betriebsstoff-Konzentrationssensor 17 dargestellt, der am Ausgang 11 an den Rezirkulationspfad 12 angeschlossen ist. Vorzugsweise handelt es sich in dieser beispielhaften Ausführungsform dabei um einen Wasserstoffsensor mit hoher Empfindlichkeit im Bereich großer Wasserstoffkonzentrationen, so dass ein möglichst fein aufgelöstes und genaues Signal für den überwiegend auftretenden Betriebsfall der Kontrolleinheit 4 zur Verfügung gestellt werden kann.
Bei Unterschreiten eines vorgebbaren Mindestkonzentrationswertes an reinem Brennstoff im Restgas übermittelt die Kontrolleinheit 4 über den Ausgangsvektor 16 ein Signal zur Betätigung des Stellelementes 3 um eine bestimmte Menge von Restgas über diese sogenannte „Purge-Einrichtung" aus dem Betriebsstoffstrom auszubringen. Dadurch fliest anschließend ein vergleichsweise höher konzentrierter Brennstoff in den Anodenbereich der Brennstoffzelle ein, da diese im wesentlichen nur mehr über die vom Brennstoffspeicher 5 versorgte Brennstoffdosiereinheit gespeist wird. Mit diesem gestiegenen Brennstoff-Partialdruck steigt wiederum die von der Brennstoffzelle induzierte elektrische Spannung an den hier nicht dargestellten elektrischen Anschlusselementen der Brennstoffzelle 2 an. Auch die Dynamik der Brennstoffzelle verbessert sich insbesondere bei hohem Brenngasverbrauch wieder deutlich.
Eine zweite Möglichkeit zur Signalisierung abnehmender Brennstoffkonzentration im Brennstoffstrom ist durch die Anordnung eines Stickstoff-Konzentrationssensors 18 gegeben, der ebenfalls über den Eingangsvektor 15 mit der Kontrolleinheit 4 verbunden ist. Bei Überschreiten einer bestimmten Stickstoffkonzentration, die beispielsweise durch Diffusion von der Kathodenseite K der Brennstoffzelle 2 zur Anodenseite A hervorgerufen werden kann, kann das Purgeventil 3, wie oben beschrieben, wiederum durch die Kontrolleinheit 4 betätigt werden.
Eine weitere Möglichkeit zur Betätigung dieses Purgeventils 3 aufgrund unzulässiger Verhältnisse im Betriebsstoffstrom kann beispielsweise durch die Signalisierung einer zu hohen Wasserdampfkonzentration durch einen entsprechenden Konzentrationssensor 19 veranlasst werden. Der Übersichtlichkeit halber ist dieser Wasserdampf-Konzentrationssensor 19 gleichzeitig als Stickstoff-Konzentrationssensor 18 dargestellt. Zur Realisierung können wahlweise jedoch jeweils nur einer dieser Sensoren angeordnet werden, oder auch zwei in separaten Ausführungen. Denkbar ist aber auch eine solche kombinierte Ausführungsform mit beiden Sensoren, oder auch mit dem Betriebsstoff-Konzentrationssenor 17. Es können aber auch alle drei kombiniert zusammengefasst sein.
Eine weitere Möglichkeit zur Betätigung des Purgeventiles 3 wird durch die Erfassung einer relevanten Größe der Leistungsaufnahme der Betriebsstoff-Rezirkulationsvorrichtung 13 vorgeschlagen. In einer bevorzugten Ausführungsform ist ein derartiges Erfassungsmittel ein Strom-, Spannungs- oder Leistungsdetektierendes elektrisches oder elektronisches Bauelement, welches vorzugsweise in der Kontrolleinheit 4 untergebracht ist, so dass keine zusätzlichen Signalleitungen erforderlich sind. Selbstverständlich ist jedoch auch eine getrennte Ausbildung dieser Komponenten möglich.
Wiederrum eine weitere Möglichkeit zur Ansteuerung bzw. zur Regelung des Purgeventils, je nach Ausführungsform des Ventils bzw. der Kontrolleinheit 4, ist durch die Drehzahlerfassung eines rotierenden Elementes der Rezirkulationsvorrichtung 13 z.B. mittels eines Drehzahlmessers 21 möglich. Das der Kontrolleinheit 4 durch eine entsprechende Umwandlung der Drehzahl zur Verfügung gestellte Signal kann beispielsweise einen Eingangsvektor eines Rechenalgorithmus darstellen, der in Verknüpfung mit einer vorgehaltenen Parameterschar zur Betätigung des Purgeventils 3 dient.
Insbesondere durch das Vorhalten einer verschiedene Drehzahlen des Drehzahlmesser zugeordneten Brennstoffkonzentrationen und/oder Konzentrationen von ungewünschten anderen Gasbestandteilen im Restgas ist eine exakte Bestimmung der Zusammensetzung des Restgases möglich. Die Ansteuerung bzw. Regelung des Purgeventils 3 durch die Kontrolleinheit 4 kann unterschiedlich komplex ausfallen. In einer einfachen Ausführungsform kann bei Unter- bzw. Überschreiten eines kritischen Wertes eines Restgasanteils für eine bestimmte Zeit ein als einfaches Schaltventil ausgebildetes Purgeventil angesteuert und anschließend durch Rücknahme dieses Signals wieder geschlossen werden. Für anspruchsvollere bzw. feinere Dosierungen kann auch eine Regelung vorgesehen sein, bei der die Kontrolleinheit 4 ein entsprechend ausgebildetes Ventil 3 entweder in verschiedenen Stufen schaltet, oder ggf. stufig oder stufenlos regelt. Durch eine solche Ausführungsform ist die Dauer des Purgevorgangs optimal an den jeweiligen Betriebszustand der Brennstoffzelle anpassbar.

Claims

Brennstoffzellenanlage (1) mit einer Brennstoffzelle (2) und einem von einer Kontrolleinheit (4) gesteuerten Stellelement (3) zum Ausbringen von Restgas aus einem Betriebsstoffstrom der Brennstoffzelle (2), dadurch gekennzeichnet, dass die Kontrolleinheit (4) eine die Betriebsstoffkonzentration im Betriebsstoffstrom berücksichtigende Steuerung und/oder Regelung (4.1) umfasst.
Brennstoffzellenanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Betriebsstoff-Konzentrationssensor (17) vorgesehen ist.
Brennstoffzellenanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der bevorzugte Arbeitsbereich des Betriebsstoff-Konzentrationssensors (17, 18, 19) mit dem überwiegend vorherrschenden Betriebsstoff-Konzentrationsbereich der Brennstoffzelle übereinstimmt.
Brennstoffzellenanlage nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wasserstoff-Konzentrationssensor (17) vorgesehen ist.
Brennstoffzellenanlage nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Stickstoff-Konzentrationssensor (18) vorgesehen ist.
Brennstoffzellenanlage nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wasserdampf-Konzentrationssensor (19) vorgesehen ist.
Brennstoffzellenanlage nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Erfassungsmittel (20) für die geförderte Betriebsstoffmenge vorgesehen ist.
Brennstoffzellenanlage nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontrolleinheit (4) das Stellelement (3) nach dem Sollwert der gemessenen Konzentration ansteuert.
Brennstoffzellenanlage nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontrolleinheit (4) durch Variierung der Periodendauer und/oder der Einblasezeit für ein Taktventil und/oder des Ventilhubs für ein Proportionalventil (3) die Durchflussmenge an Restgas regelt.
Brennstoffzellenanlage nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontrolleinheit (4) durch Variierung des wirksamen Querschnitts bzw. der Ansteuerzeiten des Stellelement (3) die Durchflussmenge an Restgas regelt.