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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Aufbau und ein Verfahren zur Regelung von Brennstoffzellen unter der Ausnutzung von akustischen Methoden. Hierbei wird die Akustik des Brennstoffzellensystems genutzt, um Informationen über den aktuellen Betriebszustand des Brennstoffzellensystems zu erlangen.
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Stand der Technik
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Als Stand der Technik werden in der Literatur verschiedenartige Brennstoffzellentypen beschrieben, die sich insbesondere durch die Betriebstemperaturbereiche und die umgesetzten Brennstoffe unterscheiden. Einen gute Gehsamtüberblick über die verschiedenen Brennstoffzellentypen, Betriebsweisen und Systeme wird in dem Standardwerk, „Handbook of Fuel Cells" herausgegeben von Wolf Vielstich, Arnold Lamm, Hubert A. Gasteiger, erschienen 2003 im Verlag John Wiley & Sons. gegeben. PEM (Proton Exchange Membrane) Brennstoffzellen arbeiten typischerweise in einem Temperaturbereich von Raumtemperatur bis ca. 120°C. Der auf der Anode umgesetzte Energieträger ist z. B. Wasserstoff oder ein wasserstoffreiches Gas. Die Kathode wird je nach Anwendung mit Luft oder mit Sauerstoff versorgt. Bei sehr viel höheren Temperaturen von ca. 650 bis 1000°C arbeiten Festoxidbrennstoffzellen. Durch die hohen Betriebstemperaturen können auf der Anode vielfältige Gaszusammensetzungen umgesetzt werden. Die Kathode wird typischerweise mit Luft versorgt. Bei DMFC hingegen wird auf der Anode Methanol in flüssiger Form umgesetzt und die Kathode mit Luft versorgt. Typische Arbeitstemperaturen liegen hier bei 40 bis 90°C. Allerdings existieren auch DMFC bei der das Methanol gasförmig zur Anode gelangt.
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Bei jeder der genannten Brennstoffzellentypen müssen zum Erreichen einer guten Leistung die Anodenversorgung und die Kathodenversorgung in wohldefinierter Weise erfolgen.
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Hierzu müssen verschiedene Parameter der Fluid- oder Gasströme mit geeigneten Sensoren genau überwacht werden. Weichen die Eigenschaften der Versorgung von den optimalen Betriebsbedingungen ab, so müssen die Versorgungsbedingungen durch einen Regelmechanismus angepasst werden.
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Beispielsweise sollte die über Gebläse oder Pumpen geförderte Kathodenluftmenge einer PEM-BZ an die Stromanforderung angepasst werden. Doch nicht nur die Luftmenge, sondern auch die Temperatur und der Befeuchtungsgrad sind für den stabilen Betrieb der PEM-BZ wichtig.
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Bei SOFC aber auch bei Schmelzkarbonatbrennstoffzellen (MCFC) ist die interne Temperatur des Zellstapels ein besonders wichtiger Parameter, der neben den Massenströmen der Reaktanden erfasst werden muss.
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Die Vielzahl der Sensoren, die für den Betrieb von Brennstoffzellen eingesetzt wird umfasst: Temperatursensoren, Volumenstromsensoren, Drucksensoren, Feuchtesensoren, Sensoren zur Analyse der Gaszusammensetzung usw. Zum Teil sind die Sensoren aufwändig und kostspielig. Z. B. sind Temperatursensoren, im Messbereich in dem SOFC arbeiten schwer an geeigneten Messpunkten zu befestigen. Ferner erleiden die Sensoren, durch die hohen Temperaturen Schäden, die zu verkürzten Lebensdauern führen. Sensoren, die Volumen- oder Massenströme messen, sind aufwendig und teuer, bzw. nicht für hohe Temperaturen geeignet. Sensoren, die bei PEMFC den Befeuchtungsgrad der Membranstruktur und der Kathodenluft messen sollen sind empfindlich und ungenau.
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Ähnlich wie eine Stimmgabel mit einer bestimmten Frequenz schwingt, wenn sie angeschlagen wird, können auch andere Objekte, z. B. in der Technik in ihre Eigenschwingungen versetzt werden. Die hierbei z. B. in Brücken, Bohrinseln, Motorgehäusen oder Flugzeugtragflächen angeregten Eigenschwingungsgrößen stellen globale Systemeigenschaften dar. Ihre Kenntnis ermöglicht eine einfache Beschreibung und Berechnung des dynamischen Systemverhaltens. Die Betriebsschwingungsanalyse dient zur Ermittlung der Betriebsschwingungsform von Bauteilen, d. h. deren Schwingverhalten in einem bestimmten Betriebszustand. Anders als bei der Modalanalyse, bei der die möglichen Eigenfrequenzen von Strukturen unabhängig von der tatsächlichen Betriebsanregung untersucht werden, spielt bei der Betriebsschwingungsanalyse also die Art der Anregung eine wesentliche Rolle. Seit vielen Jahren, sind akustische Messverfahren bekannt mit denen sich unter anderem die Temperatur oder die Gaszusammensetzung bestimmen lassen. Ebenso wird die akustische Frequenzanalyse zur Betriebsüberwachung von Maschinen oder Prozessen genutzt. Durch den enormen Leistungszuwachs der Digitalen Signalverarbeitung (DSP, FFT) können nun Echtzeitregelsysteme aufgebaut werden, die komplexe Systeme aufgrund akustischer Informationen optimal betreiben. Dabei kann unterschieden werden zwischen der Analyse der Systemeigenen Schallemission und der Analyse von extern eingekoppelten speziellen Schallsignalen und der Analyse der induzierten Antwortfunktion. Eine weitere Unterscheidung kann bezüglich der Schallausbreitung in den fluiden Medien und der Schallausbreitung im festen mechanischen Aufbau des Systems selbst, also dem Körperschall getroffen werden.
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Auch bei Brennstoffzellensystemen wird die aktive Schallmesstechnik zur Bestimmung bestimmter Größen vorgeschlagen, in der Offenlegungsschrift
DE 10 2007 003 938 A1 wird z. B. vorgeschlagen den Feuchtigkeitsgehalt der Versorgungsluft mit einem Ultraschall Sender/Empfänger-System zu messen und dieses Signal zur Regelung der Befeuchtungsleistung zu nutzen. Nachteilig ist an dem hier beschriebenen Verfahren, dass nur eine Messgröße (hier der Feuchtigkeitsgehalt) erfasst wird. Andere Messgrößen erfordern weitere Sensoren und eine gesonderte Auswertung. Besonders günstig wäre es nun ein Verfahren zu entwickeln, das möglichst allgemein nutzbar ist und ohne großen Aufwand verschiedene Zustandsgrößen des Brennstoffzellensystems synchron erfasst.
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Aufgabenstellung
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde aus der von einem Brennstoffzellensystem ausgehenden Schallemission auf wichtige innere Parameter der Brennstoffzelle zu schließen und so ein optimales Betriebsregime einzustellen. Diese Aufgabe wird durch ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Beschreibung
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Brennstoffzellen gelten als besonders geräuscharm im Vergleich zu anderen motorisch betriebenen Energiewandlern. Dennoch ist ein Brennstoffzellensystem aufgrund der Mediendurchströmung nicht völlig lautlos. Überraschenderweise konnte durch Versuche nachgewiesen werden, dass das akustische Eigenspektrum spezifische Informationen über den inneren Betriebszustand der Brennstoffzelle trägt. Das Strömungsrauschen in den Kanalstrukturen erzeugt ein breitbandiges Spektrum, dem charakteristische Frequenzen überlagert sind, die teilweise von den Aggregaten, wie z. B. Pumpen und Gebläsen stammen und teilweise von lokalen Fluktuationen in der Brennstoffzelle stammen. Bilden sich z. B. Kanalverengungen durch Kondensatabscheidungen, kommt es zu lokaler Geschwindigkeitserhöhungen und entsprechenden Änderungen in der Schallerzeugung. Auch die Gaszusammensetzung und Temperatur, sowie die Benetzung der porösen Elektrodenstrukturen ändern die Schallgeschwindigkeit, die Dämpfungseigenschaften und so die Strukturen im Schallspektrum.
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Indem gezielt Schallwellen oder akustische Pulse auf die strömenden Medien aufgeprägt werden, können charakteristische Parameter, wie z. B. die Gaszusammensetzung, Die Temperatur usw. abgefragt werden. Auch die Körperschall-Ausbreitung von in den Brennstoffzellenstack eingekoppelten akustischen Mustern, wie z. B. Pulsen, breitbandigen Signalen oder geeigneten Frequenzfolgen liefert mannigfaltige Echtzeit-Informationen über den inneren Zustand des Brennstoffzellenstacks. Eine besonders hervorzuhebende Variante ist die pulsartige Änderung des elektrischen Stromes der Brennstoffzelle. Die Stromänderung induziert lokale Druckvariationen in den Elektrodenstrukturen, die als charakteristische Schallwellen detektiert werden können. Diese Schallwellen tragen Informationen über den Zustand der Elektrode, z. B. über den Wassergehalt in den Porenstrukturen.
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Die Vielfalt der Brennstoffzellentypen, geometrischen Ausführungen, Materialzusammensetzungen und Systemeinbettungen ist sehr groß. So lassen sich die akustischen Eigenschaften von Brennstoffzellen und deren Abhängigkeit vom Betriebszustand nicht verallgemeinern. Allerdings lassen sich sehr gut charakteristische spektrale Muster für ein spezielles Brennstoffzellensystem identifizieren und mit entsprechenden Zustandsgrößen verknüpfen. Diese Verknüpfung erfolgt durch gezieltes Ansteuern der wohlbekannter Betriebszustände und Speicherung der charakteristischen Spektralmuster. Eine Trennung zwischen charakteristischen spektralen Mustern die aus der Brennstoffzelle selbst bzw. aus der Peripherie stammen, lässt sich leicht durch Variation der Arbeitspunkte darstellen. Z. B. ändert sich die Grundfrequenz, die ein Gebläse emittiert proportional zur Gebläsedrehzahl.
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Wird nun ein analog aufgebautes Brennstoffzellensystem in einer praktischen Anwendung betrieben, kann im Umkehrschluss aus dem Schallspektrum auf den Betriebszustand zurück geschlossen werden, ohne spezielle Sensoren abzufragen. Mit diesen Informationen kann durch Rückkopplung auf die Versorgungsaggregate der Betrieb der Brennstoffzelle optimiert werden.
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Z. B. kann, wenn das Spektrum charakteristische Hinweise auf Kondensatbildung enthält ein Spülzyklus mit erhöhter Medienströmung eingeleitet werden. Um im Folgenden diesen ungünstige Zustand zu vermeiden können andere Betriebsparameter, wie z. B. die Luftmenge geändert werden.
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Ausführungsbeispiele
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Erstes Ausführungsbeispiel
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In 1 ist ein vereinfachtes Brennstoffzellensystem 1 bestehend aus einer Brennstoffzelle oder einem Brennstoffzellenstapel 2 und einem vereinfacht zusammengefassten Aggregateblock 3 dargestellt. Ein Signalgenerator 4 prägt ein akustisches Muster auf einen Schallgeber 5 auf. Die akustische Antwortfunktion wird von einem Schallsensor 6 empfangen und in einem Signalprozessor 7 analysiert. Entsprechend dem Analyseergebnis sendet das Steuergerät 8 Stellgrößen an den Aggregateblock 3. Der Aggregateblock 3 besteht aus einer geeigneten Anordnung von Pumpen, Gebläsen, Ventilen etc. die zur Versorgung der Brennstoffzelle erforderlich sind. Die Leistungsübergabe des Brennstoffzellensystems 1 an die externe Last 9 wird ebenfalls auf Basis der akustischen Information und weiterer Systemparameter optimal eingestellt.
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Zweites Ausführungsbeispiel
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In 2 ist der vereinfachte Kathodenzweig 1 eines Brennstoffzellensystems skizziert. Das Kathodensubsystem umfasst ein Kathodengebläse 2, eine Kathodenkanalstruktur 3 und jeweils einen Medieneingang 4 und einen Medienausgang 5. Zwischen Medieneingang und Medienausgang ist ein Schallsensor 6, z. B. ein Mikrofon angeordnet. Das akustische Signal, das durch den Schallsensor aufgezeichnet wird in einem Signalprozessor 7 verarbeitet und die so gewonnene Information auf ein Steuergerät 8 übertragen welches das Kathodengebläse 2 steuert. In dieser Ausführung ist kein aktiver Schallgeber erforderlich, da bereits die Schallwellen, die durch die Kathodenversorgungsströmung bzw. das Kathodenversorgungsgebläse hervorgerufen werden zur Informationsgewinnung über den inneren Zustand der Brennstoffzelle ausreichen.
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Drittes Ausführungsbeispiel
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In 3 schematisch ein Anodensubsystem 1 einer Brennstoffzelle skizziert. Oft werden wasserstoffbetriebene Brennstoffzellen mit konstantem Vordruck am Anodeneingang 3 bei geschlossenem Anodenausgang 4, im sogenannten „dead end” Modus betrieben. In periodischen Abständen muss jedoch ein Spülventil 5 geöffnet werden um Innertgas und Kondensat aus der Anodenkavität 2 auszutreiben („purge”). Die pulsartige Öffnung des Anodenausgangsventils 5 bewirkt einen heftigen Strömungsanstieg und ein charakteristisches Schallspektrum welches durch einen Schallaufnehmer 6 aufgezeichnet und in einem Signalprozessor 7 analysiert werden kann. Die Analyse liefert Informationen darüber, wie viel Kondensat sich vor dem Spülpuls in der Anodenkavität angesammelt hatte, und ob der Spülpuls ausreichend intensiv durchgeführt wurde. Auch einen Systemfehler bei einer Störung des Ausgangsventils wird so sicher detektiert. Die verarbeiten akustischen Informationen werden vom Signalprozessor an das Steuergerät 8 des Brennstoffzellensystems übertragen.
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Viertes Ausführungsbeispiel
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In 4 ist eine Brennstoffzelle 1 gezeigt, an die ein Schallgeber 2 und ein Mikrophon 3 formschlüssig montiert sind. Durch die formschlüssige Montage regt der über einen Signalgenerator 4 betriebene Schallgeber Körperschwingungen in der Brennstoffzelle an, die durch das Mikrophon 3 aufgezeichnet und vom Signalprozessor 5 analysiert werden.
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Durch eine Modalanalyse können Eigenfrequenzen, Phasenlagen, Dämpfungsverhalten und Frequenzgänge des Körperschalls der Brennstoffzelle ermittelt werden. Die verarbeiten akustischen Informationen werden vom Signalprozessor an das Steuergerät 6 des Brennstoffzellensystems übertragen. Das Steuergerät kann so durch gezieltes Auslösen von Signalfolgen am Signalgenerator vielfältige Betriebsparameter der Brennstoffzelle abfragen. Zum Beispiel könnte hiermit die Temperatur in einer SOFC erfasst und geregelt werden, da die elastischen Eigenschaften eines SOFC Stacks sich stark mit der Temperatur ändern.
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Fünftes Ausführungsbeispiel
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In 5 ist ein vereinfachtes Brennstoffzellensystem 1 skizziert, ein Steuergerät 2 variiert den Strom der Brennstoffzelle 3 durch aufschalten einer internen Last 4, die elektrisch parallel zur externen Last 5 geschaltet ist. Die Stromänderung führt zu veränderten Reaktionsraten auf Anode und Kathode und entsprechend zu einer lokalen Druckvariation in den Elektrodenstrukturen. Diese Druckschwankung pflanzt sich im Brennstoffzellensystem fort und kann mit einem Sensor 6 aufgezeichnet und von einem Signalprozessor 7 verarbeitet werden. Die verarbeiten akustischen Informationen werden vom Signalprozessor an das Steuergerät 2 des Brennstoffzellensystems übertragen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007003938 A1 [0009]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- „Handbook of Fuel Cells” herausgegeben von Wolf Vielstich, Arnold Lamm, Hubert A. Gasteiger, erschienen 2003 im Verlag John Wiley & Sons [0002]
