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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Hochtemperatur-Brennstoffzellensystems, welches mindestens eine Brennstoffzelle mit einer Anode und einer Kathode umfasst, bei dem der mindestens einen Brennstoffzelle Brennstoff und Oxidator zugeführt wird.
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Die Erfindung betrifft ferner ein Hochtemperatur-Brennstoffzellensystem, umfassend einen Brennstoffzellenstack mit mindestens einer Brennstoffzelle, welche eine Anode und eine Kathode aufweist, eine Zuführungseinrichtung für Oxidator zu dem Brennstoffzellenstack, und eine Zuführungseinrichtung für Brennstoff zu dem Brennstoffzellenstack.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art bereitzustellen, mit welchem sich auf einfache Weise ein Hochtemperatur-Brennstoffzellensystem auf sichere Weise betreiben lässt.
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Diese Aufgabe wird bei dem eingangs genannten Verfahren erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass eine Zellspannung zu der mindestens einen Brennstoffzelle so geregelt wird, dass diese stets oberhalb einer Anodenmaterialoxidationsspannung liegt.
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Bei der erfindungsgemäßen Lösung wird in einer Leistungsregelung der mindestens einen Brennstoffzelle die Zellspannung derart kontrolliert, dass die Anodenmaterialoxidationsspannung nicht unterschritten wird. Dadurch wird eine Brennstoffzelle gegen Zerstörung über Zerstörung der entsprechenden Anode geschützt.
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Bei einem SOFC-System hängt die Anodenmaterialoxidationsspannung grundsätzlich von der Temperatur an der entsprechenden Brennstoffzelle und dem Druck der Oxidatorzuführung ab. Durch die erfindungsgemäße Lösung, bei welcher die Zellspannung geregelt wird, lassen sich auch Variationen in der Temperatur und/oder dem Druck berücksichtigen, so dass zu keinem Zeitpunk die Anodenmaterialoxidationsspannung unterschritten wird.
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Insbesondere wird die Temperatur an der mindestens einen Brennstoffzelle gemessen. Die entsprechenden Informationen können als Eingabewert zur Einstellung der Zellspannung innerhalb sicherer Grenzen verwendet werden.
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Es kann auch vorgesehen werden, dass ein Laststrom des Brennstoffzellensystems gemessen wird. Über diesen Laststrom lässt sich eine Brennstoffzufuhrregulierung erreichen. Dadurch lässt es sich insbesondere verhindern, dass zu viel Brennstoff oder zu wenig Brennstoff der mindestens einen Brennstoffzelle zugeführt wird. Dadurch lässt sich die Brennstoffzelle bei optimiertem Wirkungsgrad betreiben und es lässt sich eine Zerstörung der Brennstoffzelle beispielsweise aufgrund der Zuführung von zu wenig Brennstoff verhindern.
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Insbesondere wird der Druck bei der Zuführung von Oxidator gemessen und/oder vorgegeben. Die Anodenmaterialoxidationsspannung ist abhängig von dem Druck bei der Oxidatorzuführung. Wenn dieser Druck bekannt ist (durch Messung und/oder über Bekanntheit eines vorgegebenen Druckwerts), dann lässt sich die Zellspannung entsprechend innerhalb sicherer Grenzen einstellen.
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Günstig ist es, wenn die Oxidatorzuführung geregelt wird. Dadurch lässt sich das Brennstoffzellensystem optimal betreiben.
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Es ist dabei günstig, wenn die Oxidatorzuführung in Abhängigkeit von einer Temperatur an der mindestens einen Brennstoffzelle geregelt wird. Dadurch ergibt sich eine optimierte Betriebsweise.
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Es ist auch günstig, wenn die Brennstoffzuführung geregelt wird. Dadurch lässt es sich verhindern, dass der mindestens einen Brennstoffzelle zu viel oder zu wenig Brennstoff mit entsprechenden negativen Folgen bereitgestellt wird.
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Insbesondere wird die Brennstoffzuführung in Abhängigkeit eines Laststroms des Brennstoffzellensystems geregelt und/oder in Abhängigkeit eines Drucks bei der Oxidatorzuführung geregelt. Dadurch ergibt sich bei einfacher Ausgestaltung des entsprechenden Regelungsverfahrens ein optimierter Betrieb. Es ist beispielsweise auch ein Teillastbetrieb möglich.
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Es kann vorgesehen sein, dass Brennstoff bei der Zuführung befeuchtet wird. Dies kann beispielsweise im Teillastbetrieb erforderlich sein.
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Es ist dabei günstig, wenn die Brennstoffbefeuchtung in Abhängigkeit eines Laststroms durchgeführt wird. Dadurch lässt sich die Brennstoffbefeuchtung optimiert steuern beziehungsweise regeln.
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Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, ein Hochtemperatur-Brennstoffzellensystem der eingangs genannten Art bereitzustellen, welches auf einfache Weise regelbar ist und eine sichere Betriebsweise aufweist.
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Diese Aufgabe wird bei dem eingangs genannten Hochtemperatur-Brennstoffzellensystem erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass eine Temperaturmesseinrichtung zur Messung der Temperatur an dem Brennstoffzellenstack vorgesehen ist, eine Druckermittlungseinrichtung für den Druck, unter welchem Oxidator dem Brennstoffzellenstack zugeführt wird, vorgesehen ist, und eine Steuerungs-/Regelungseinrichtung vorgesehen ist, welche eine Zellspannung des Brennstoffzellenstacks in Abhängigkeit der Temperatur an dem Brennstoffzellenstack und den Druck der Oxidatorzuführung so regelt, dass sie oberhalb einer Anodenmaterialoxidationsspannung liegt.
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Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem weist die bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erläuterten Vorteile auf. Insbesondere lässt sich das erfindungsgemäße Verfahren an dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem durchführen.
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Zum Betrieb des erfindungsgemäßen Hochtemperatur-Brennstoffzellensystems müssen nur wenige Parameter erfasst werden. Dementsprechend müssen auch relativ wenige Messwerte aufgenommen werden. Es lässt sich dann der Betrieb auf sichere Weise überwachen und es lässt sich auf einfache Weise sicherstellen, dass keine Anodenzerstörung durch Unterschreiten der Anodenmaterialoxidationsspannung erreicht wird.
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Insbesondere erfolgt eine Leistungsregelung des erfindungsgemäßen Hochtemperatur-Brennstoffzellensystems nur über Erfassung der Parameter Druck der Oxidatorzuführung und Temperatur an dem Brennstoffzellenstack. Die Erfassung weiterer Parameter für die Leistungsregelung ist nicht notwendig. Bezüglich der durch das Brennstoffzellensystem abgebbaren Leistung wird noch ein Laststrom erfasst, um eine entsprechende Brennstoffregelung durchführen zu können.
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Insbesondere ist eine Strommesseinrichtung für einen Laststrom des Brennstoffzellensystems vorgesehen. Dadurch kann dann eine Brennstoffnachregulierung erfolgen, um zu jedem Zeitpunkt sicherzustellen, dass dem Brennstoffzellenstack nicht zu viel oder zu wenig Brennstoff bereitgestellt wird.
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Die Strommesseinrichtung ist vorteilhafterweise signalwirksam an die Steuerungs-/Regelungseinrichtung gekoppelt. Dadurch kann auf einfache Weise die Brennstoffzuführung gesteuert beziehungsweise geregelt werden.
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Die Steuerungs-/Regelungseinrichtung steuert dann die Zuführungseinrichtung für Brennstoff an, um beispielsweise einen optimierten Wirkungsgrad beim Betreiben des Brennstoffzellenstacks zu haben.
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Günstig ist es, wenn die Zuführungseinrichtung für Oxidator bezüglich eines Drucks, unter welchem Oxidator dem Brennstoffzellensystem zugeführt wird, signalwirksam an die Steuerungs-/Regelungseinrichtung gekoppelt ist. Es ist dann der Druck der Oxidatorzuführung bekannt. Dadurch kann die Steuerungs-/Regelungseinrichtung bei einer Leistungsregelung ermitteln, wie die sicheren Grenzen für die Zellspannung liegen und diese entsprechend einstellen, so dass zu keinem Zeitpunkt – auch bei Druckschwankungen – die Anodenmaterialoxidationsspannung unterschritten wird.
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Insbesondere regelt dann eine Leistungsregelungseinheit der Steuerungs-/Regelungseinrichtung die Zellspannung derart in Abhängigkeit der bereitgestellten Größen Temperatur an dem Brennstoffzellenstack und Druck der Oxidatorzuführung, dass die Anodenoxidationsspannung nicht unterschritten wird.
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Es kann eine Befeuchtungseinrichtung für Brennstoff vorgesehen sein, welche signalwirksam an eine Strommesseinrichtung für einen Laststrom gekoppelt ist. Durch die Befeuchtungseinrichtung lässt sich Brennstoff befeuchten. Dies kann beispielsweise im Teillastbetrieb nützlich sein.
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Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen dient im Zusammenhang mit der Zeichnung der näheren Erläuterung der Erfindung. Die einzige
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems.
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Ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Hochtemperatur-Brennstoffzellensystems, welches in 1 schematisch dargestellt und dort mit 10 bezeichnet ist, umfasst (mindestens) einen Brennstoffzellenstack 12 (Brennstoffzellenstapel) mit einer Mehrzahl von Brennstoffzellen 14. Die Brennstoffzellen 14, welche in 1 sehr schematisch dargestellt sind, sind Hochtemperatur-Brennstoffzellen (SOFC) und umfassen jeweils eine Kathode 16, eine Anode 18 und einen Festelektrolyt 20. Die Brennstoffzellen 14 des Brennstoffzellenstacks 12 sind hintereinander geschaltet. Benachbarte Brennstoffzellen 14 sind über einen Interconnector verbunden. Den Anoden 18 des Brennstoffzellenstacks 12 wird über eine Zuführungseinrichtung 22 Brennstoff zugeführt. Den Kathoden 16 des Brennstoffzellenstacks 12 wird über eine entsprechende Zuführungseinrichtung 24 Oxidator insbesondere in Luftform zugeführt.
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An dem Brennstoffzellenstack 12 ist eine Temperaturmesseinrichtung 26 angeordnet, welche einen oder mehrere Temperatursensoren umfasst. Über die Temperaturmesseinrichtung 26 wird die Temperatur T an dem Brennstoffzellenstack 12 gemessen.
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Im Betrieb des Hochtemperatur-Brennstoffzellensystems 10 liefert der Brennstoffzellenstack 12 elektrische Energie. An einer entsprechenden Stromleitung 28 ist eine Strommesseinrichtung 30 angeordnet, welche einen Laststrom I misst.
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Es ist eine Steuerungs-/Regelungseinrichtung 32 vorgesehen, welche den Betrieb des Brennstoffzellensystems 10 regelt.
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Die Steuerungs-/Regelungseinrichtung 32 umfasst eine Leistungsregelungseinheit 34. Die Leistungsregelungseinheit 34 regelt eine Zellspannung U an Brennstoffzellen 14 des Brennstoffzellenstacks 12 derart, dass eine Oxidationsspannung von Anodenmaterial der Anoden 18 des Brennstoffzellenstacks 12 nicht unterschritten wird. Diese Leistungsregelung ist spannungsbasiert und nicht strombasiert.
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Die Leistungsregelungseinheit 34 ist signalwirksam (in 1 über eine Leitung 36) an die Temperaturmesseinrichtung 26 gekoppelt. Die Temperaturmesseinrichtung 26 stellt ihre Temperaturmesswerte der Leistungsregelungseinheit 34 der Steuerungs-/Regelungseinrichtung 32 bereit.
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Die Steuerungs-/Regelungseinrichtung 32 umfasst eine Oxidatormengenregelungseinheit 38. Diese Oxidatormengenregelungseinheit 38 ist signalwirksam an die Temperaturmesseinrichtung 26 gekoppelt. In Abhängigkeit von der Temperatur T des Brennstoffzellenstacks 12 erfolgt die Luftmengenregelung. Beispielsweise erfolgt eine Kaskadenregelung. Es kann dabei vorgesehen sein, dass ein Druck p von Oxidator, welches dem Brennstoffzellenstack 12 zugeführt wird, fest eingestellt wird oder dass dieser Druck variabel ist. Beispielsweise ist eine Druckermittlungseinrichtung 40 vorgesehen, welche den Druck des Oxidators bei der Zuführung über die Zuführungseinrichtung 24 misst oder, falls der Druck fest eingestellt ist, die entsprechenden Druckdaten bereithält.
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Die Druckermittlungseinrichtung 40 ist wiederum signalwirksam an die Leistungsregelungseinheit 34 gekoppelt und liefert daher die Druckdaten.
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Die Regelung der Zellspannung U durch die Leistungsregelungseinheit 34 erfolgt in Abhängigkeit von der Stacktemperatur T und dem Oxidatordruck p. Insbesondere sind die Stacktemperatur T und der Druck p die einzigen Parameter, auf deren Grundlage die Zellspannung U durch die Leistungsregelungseinheit 34 eingestellt wird mit dem Regelungsziel, die Zellspannung oberhalb der Oxidationsspannung des Anodenmaterials auch bei Variationen der Temperatur T und/oder des Drucks p zu halten.
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Die Steuerungs-/Regelungseinrichtung 32 umfasst ferner eine Brennstoffregelungseinheit 42, welche an die Zuführungseinrichtung 22 für Brennstoff gekoppelt ist und entsprechend die Zuführung von Brennstoff zu dem Brennstoffzellenstack 12 regelt.
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Die Brennstoffregelungseinheit 42 ist signalwirksam an die Strommesseinrichtung 30 gekoppelt. Ferner ist sie signalwirksam an die Druckermittlungseinrichtung 40 gekoppelt. Die Regelung der Brennstoffzuführung zu dem Brennstoffzellenstack 12 kann dadurch in Abhängigkeit von dem Druck p und dem gemessenen Laststrom I erfolgen.
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Die Steuerungs-/Regelungseinrichtung 32 umfasst ferner eine Einheit 44 zur Steuerung/Regelung einer Befeuchtung von Brennstoff bei der Brennstoffzuführung zu dem Brennstoffzellenstack 12. Dementsprechend ist eine Befeuchtungseinrichtung 46 vorgesehen, mittels welcher Brennstoff vor der Einkopplung in den Brennstoffzellenstack 12 befeuchtbar ist.
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Die Einheit 44 ist signalwirksam an die Strommesseinrichtung 30 gekoppelt. Dadurch kann die Befeuchtung des Brennstoffs in Abhängigkeit des Laststroms gesteuert beziehungsweise geregelt werden.
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Das erfindungsgemäße Hochtemperatur-Brennstoffzellensystem 10 funktioniert wie folgt:
Dem Brennstoffzellenstack 12 wird Brennstoff über die Zuführungseinrichtung 22 zugeführt. Die Brennstoffzuführung ist dabei durch die Brennstoffregelungseinheit 42 geregelt. Die Brennstoffregelung hängt ab von der Oxidatorzuführung und dem Laststrom. Wenn beispielsweise zu viel Brennstoff dem Brennstoffzellenstack zugeführt wird, dann ergeben sich zu hohe Temperaturen und es ergibt sich ein zu geringer Wirkungsgrad bei dem Betrieb des Brennstoffzellenstacks 12. Die Zuführung von zu wenig Brennstoff kann zu einer Zerstörung von Brennstoffzellen 14 führen.
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Die Brennstoffbefeuchtung wird über die Einheit 44 derart gesteuert beziehungsweise geregelt, dass eine notwendige Befeuchtung beispielsweise im Teillastbetrieb in Abhängigkeit von dem gemessenen Laststrom I durchgeführt wird.
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Die Oxidatormengenregelungseinheit 38 führt Oxidator über die Zuführungseinrichtung 24 derart dem Brennstoffzellenstack 12 zu, dass sich ein optimierter Wirkungsgrad bei der gemessenen Stacktemperatur T ergibt.
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Die Regelungsstrategie bei der Leistungsregelung des Hochtemperatur-Brennstoffzellensystems 10 ist derart, dass bei vorgegebener Stacktemperatur T und vorgegebenem Druck p für die Oxidatorzuführung sichere Grenzen bezüglich der Oxidationsspannung des Anodenmaterials Anoden 18 eingehalten werden. Wenn beispielsweise die Anoden 18 einen Nickelbestandteil umfassen, dann wird darauf geachtet, dass zu keinem Zeitpunkt die Nickeloxidationsspannung unterschritten wird. Grundsätzlich ist die Anodenoxidationsspannung geringer bei höheren Temperaturen und druckabhängig. Mit steigender Temperatur verläuft auch eine Strom-Spannungs-Kennlinie einer typischen Hochtemperaturbrennstoffzelle flacher.
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Durch die erfindungsgemäße Lösung lässt sich auf einfache Weise auch beispielsweise beim Anfahren oder im Teillastbetrieb des Brennstoffzellenstacks 12 sicherstellen, dass die Anodenmaterial-Oxidationsspannung nicht unterschritten wird. Dies ist auch sichergestellt, wenn die Stacktemperatur T und/oder der Druck bei der Oxidatorzuführung variiert.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Hochtemperatur-Brennstoffzellensystem
- 12
- Brennstoffzellenstack
- 14
- Brennstoffzelle
- 16
- Kathode
- 18
- Anode
- 20
- Festelektrolyt
- 22
- Zuführungseinrichtung für Brennstoff
- 24
- Zuführungseinrichtung für Oxidator
- 26
- Temperaturmesseinrichtung
- 28
- Stromleitung
- 30
- Strommesseinrichtung
- 32
- Steuerungs-/Regelungseinrichtung
- 34
- Leistungsregelungseinheit
- 36
- Leitung
- 38
- Oxidatormengenregelungseinheit
- 40
- Druckermittlungseinrichtung
- 42
- Brennstoffregelungseinheit
- 44
- Einheit zur Steuerung/Regelung einer Befeuchtung
- 46
- Befeuchtungseinrichtung
- I
- Laststrom
- T
- Temperatur
- p
- Druck
