DE102011087802A1 - High-temperature fuel cell system for use in power production plant, has temperature detecting unit for determining ohmic portion of impedance of cell stack based on alternating voltage portion modulated on direct current of cell stack - Google Patents

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Abstract

The system (10) has a fuel cell stack (12) i.e. high-temperature fuel cell stack, comprising a cathode area (12a) and an anode area (12b), and a signal generator integrated into an inverter (34). A temperature detecting unit determines ohmic portion of impedance of the fuel cell stack based on alternating voltage portion modulated on direct current of the fuel cell stack, where the ohmic portion is correlated with temperature value present at electrolytes of the fuel cell stack and provided as actual-input parameter for a temperature control unit of the fuel cell stack. An independent claim is also included for a method for operating a fuel cell stack.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Brennstoffzellensystem sowie auf ein Verfahren zum Betrieb desselben und auf dessen Verwendung gemäß dem Oberbegriff der unabhängigen Patentansprüche.The present invention relates to a fuel cell system and a method of operating the same and to the use thereof according to the preamble of the independent claims.

Stand der TechnikState of the art

Aufgrund ihres Potenzials zur Senkung des CO2-Ausstoßes für die Bereitstellung von Strom bzw. im Fall von Kraft-Wärme-Anlagen auch von Wärme spielen Brennstoffzellensysteme eine zunehmend wichtigere Rolle. Im Bereich der Kraft-Wärme-Kopplung sind insbesondere Brennstoffzellen-Anlagen auf Basis keramischer Zellen von Bedeutung, die bei hoher Temperatur (650 bis 1000°C) betrieben werden können und einen hohen elektrischen Wirkungsgrad aufweisen.Fuel cell systems are playing an increasingly important role due to their potential to reduce CO 2 emissions for the provision of electricity or, in the case of heat and power plants, also of heat. In the field of combined heat and power, fuel cell systems based on ceramic cells are particularly important, which can be operated at high temperature (650 to 1000 ° C) and have a high electrical efficiency.

Eine wichtige Regelgröße derartiger Hochtemperatur-Brennstoffzellensysteme ist die am Brennstoffzellenstack anliegende Temperatur. Ist diese Temperatur zu hoch, so altert der Brennstoffzellenstack vorzeitig. Wird eine zu niedrige Temperatur gewählt, so sinkt die Leitfähigkeit des in den Brennstoffzellenstack integrierten Elektrolyten und der Wirkungsgrad des Brennstoffzellenstacks nimmt ab. Um eine ausreichend genaue Temperatureinstellung zu gewährleisten, ist es bekannt, Temperatursensoren innerhalb des Brennstoffzellenstacks oder in dessen Nähe zu positionieren, um eine Temperaturregelung zu ermöglichen. Derartige Brennstoffzellensysteme sind beispielsweise der US 2007/0281115 A1 , der WO 2010/004083 A1 oder der US 6682836 zu entnehmen. Voraussetzung für eine derartige Temperaturregelung sind jedoch Temperatursensoren, die in Stacknähe, also bei Temperaturen > 600°C ausreichend genau und auch über einen längeren Zeitraum stabil funktionieren. Da derzeit Lebensdauern von mehr als 90.000 Stunden verlangt werden, scheint es ungeklärt, ob es überhaupt Sensortechnologien gibt, die diese Lebensdauer erreichen können.An important control variable of such high-temperature fuel cell systems is the temperature applied to the fuel cell stack. If this temperature is too high, the fuel cell stack ages prematurely. If too low a temperature is selected, the conductivity of the electrolyte integrated into the fuel cell stack decreases and the efficiency of the fuel cell stack decreases. In order to ensure a sufficiently accurate temperature setting, it is known to position temperature sensors within or near the fuel cell stack to allow for temperature control. Such fuel cell systems are for example the US 2007/0281115 A1 , of the WO 2010/004083 A1 or the US 6682836 refer to. However, a prerequisite for such a temperature control are temperature sensors which operate sufficiently close to the stack, ie at temperatures> 600 ° C., and also stable over a longer period of time. Since lifetimes of more than 90,000 hours are currently required, it seems unclear whether there are any sensor technologies that can reach this lifetime.

Die Temperaturregelung selbst wird in der Regel über die gewählte Luftmenge eingestellt, die der Kathode der einzelnen Brennstoffzellen eines Brennstoffzellenstacks zugeführt wird. Dieser Luftstrom dient neben der Versorgung der Kathode mit Sauerstoff auch als Kühlmedium, da die hohen Betriebstemperaturen > 600°C die Verwendung eines flüssigen Kühlmediums nicht zulassen würden.The temperature control itself is usually adjusted via the selected amount of air that is supplied to the cathode of the individual fuel cells of a fuel cell stack. This air flow is used in addition to the supply of the cathode with oxygen as a cooling medium, since the high operating temperatures> 600 ° C would not allow the use of a liquid cooling medium.

Bei Niedertemperatur-Brennstoffzellen (PEM) ist es bekannt, über das Anlegen eines modulierten Stroms die elektrische Impedanz des Brennstoffzellenstacks zu bestimmen. Die gemessene Impedanz erlaubt dann Rückschlüsse auf den aktuellen Zustand des Brennstoffzellenstacks. Auf Basis dieser Messung wird beispielsweise der Wasserhaushalt des Brennstoffzellenstacks geregelt, wie es beispielsweise in der Publikation Lothar Schindele, „Einsatz eines leistungselektronischen Stellglieds zur Parameteridentifikation und optimalen Betriebsführung von PEM-Brennstoffzellensystemen”, Dissertation Uni Karlsruhe, 2006 beschrieben ist.In the case of low-temperature fuel cells (PEM), it is known to determine the electrical impedance of the fuel cell stack by applying a modulated current. The measured impedance then allows conclusions about the current state of the fuel cell stack. On the basis of this measurement, for example, the water balance of the fuel cell stack is regulated, as for example in the publication Lothar Schindele, "Use of a Power Electronic Actuator for Parameter Identification and Optimal Operation of PEM Fuel Cell Systems", Dissertation Uni Karlsruhe, 2006 is described.

Im Bereich von Hochtemperatur-Brennstoffzellen ist darüber hinaus bekannt, dass ein Zusammenhang zwischen einem dem Elektrolyten zuzuordnenden ohmschen Widerstand und der Temperatur der eigentlichen Brennstoffzelle besteht. Dies ist beispielsweise bei T. F. Petersen, „A zero-dimensional model of a second generation planner SOFC for an auxiliary power unit”, Journal of Power Sources, 149: 53–62, 2005 beschrieben.In the field of high-temperature fuel cells is also known that there is a relationship between an attributable to the electrolyte resistance and the temperature of the actual fuel cell. This is for example TF Petersen, "A zero-dimensional model of a second generation planner SOFC for an auxiliary power unit", Journal of Power Sources, 149: 53-62, 2005 described.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Brennstoffzellensystem bzw. ein Verfahren zum Betrieb desselben bereitzustellen, das eine ausreichend genaue Temperaturregelung in Bezug auf den Brennstoffzellenstack des Brennstoffzellensystems zulässt, wobei die der Temperaturregelung zugrundeliegende Temperaturerfassung ausreichend langzeitstabil ausgeführt ist.The object of the present invention is to provide a fuel cell system or a method for operating the same, which allows a sufficiently accurate temperature control with respect to the fuel cell stack of the fuel cell system, wherein the temperature control underlying temperature detection is performed sufficiently long-term stability.

Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird in vorteilhafter Weise durch ein Brennstoffzellensystem bzw. durch ein Verfahren zum Betrieb desselben mit den kennzeichnenden Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst.The problem underlying the invention is achieved in an advantageous manner by a fuel cell system or by a method for operating the same with the characterizing features of the independent claims.

So weist das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem vorteilhafterweise einen Frequenzgenerator auf, mittels dem ein Brennstoffzellenstack des Brennstoffzellensystems mit einem Gleichstrom mit aufmoduliertem Wechselstromanteil bzw. mit einer Gleichspannung mit aufmoduliertem Wechselspannungsanteil beaufschlagt werden kann. Die Impedanz des Brennstoffzellenstacks wird aus dem gemessenen Strom- bzw. Spannungsverlauf berechnet und der ohmsche Anteil der Impedanz bestimmt. Diesem Anteil wird eine im Brennstoffzellenstack herrschende Betriebstemperatur zugeordnet und vorteilhafterweise einem Steuerelement, mittels dem die Temperatur des Brennstoffzellensystems reguliert wird, als Temperatureingangssignal zugeführt. Auf diese Weise kann auf jeglichen Temperatursensor, der innerhalb oder in unmittelbarer Nähe des Brennstoffzellenstacks positioniert ist und somit hohen Temperaturen ausgesetzt ist, verzichtet werden. Ein derartiges Brennstoffzellensystem zeigt eine deutlich höhere Lebensdauer, da eine ausreichend genaue Temperaturerfassung des Brennstoffzellenstacks auch über lange Zeiträume gewährleistet ist.Thus, the fuel cell system according to the invention advantageously has a frequency generator by means of which a fuel cell stack of the fuel cell system can be acted upon by a direct current with modulated alternating current component or with a direct voltage with modulated alternating voltage component. The impedance of the fuel cell stack is calculated from the measured current or voltage curve and determines the resistive component of the impedance. This proportion is assigned a prevailing operating temperature in the fuel cell stack and advantageously a control element, by means of which the temperature of the fuel cell system is regulated, supplied as a temperature input signal. In this way, it is possible to dispense with any temperature sensor which is positioned within or in the immediate vicinity of the fuel cell stack and is therefore exposed to high temperatures. Such a fuel cell system shows a much longer life, as a sufficient accurate temperature detection of the fuel cell stack is ensured even over long periods.

Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.Further advantageous embodiments are the subject of the dependent claims.

So ist es von Vorteil, wenn das Temperatureingangssignal genutzt wird, die Kühlung des Brennstoffzellensystems zu regulieren, da auf diese Weise eine Temperaturführung des Brennstoffzellenstacks ermöglicht wird.Thus, it is advantageous if the temperature input signal is used to regulate the cooling of the fuel cell system, since in this way a temperature control of the fuel cell stack is made possible.

Weiterhin ist von Vorteil, wenn der Frequenzgenerator einen Wechselstromanteil bzw. einen Wechselspannungsanteil auf einen an einem Wechselrichter des Brennstoffzellensystems anliegenden Gleichstrom bzw. eine an diesem anliegende Gleichspannung aufmoduliert, da eine Generierung eines Wechselstrom- bzw. Wechselspannungsanteils auf den am Brennstoffzellenstack des Brennstoffzellensystems anliegenden Gleichstrom bzw. auf die dort anliegende Gleichspannung in diesem Fall besonders einfach zu gewährleisten ist.It is also advantageous if the frequency generator modulates an alternating current component or an alternating voltage component to a DC voltage applied to an inverter of the fuel cell system or to a DC voltage applied to it, since generation of an AC or AC voltage component affects the DC current or DC voltage applied to the fuel cell stack of the fuel cell system In this case, it is particularly easy to ensure the DC voltage applied there.

Darüber hinaus ist es von Vorteil, wenn die Frequenz des am Brennstoffzellenstack anliegenden Wechselstromanteils bzw. des dort anliegenden Wechselspannungsanteils > 1 kHz beträgt, da dann der ohmsche Anteil der Impedanz des Brennstoffzellenstacks besonders einfach ermittelt und mit einer Temperatur des Brennstoffzellenstacks korreliert werden kann.In addition, it is advantageous if the frequency of the alternating current component applied to the fuel cell stack or of the alternating voltage component applied there is> 1 kHz, since then the ohmic component of the impedance of the fuel cell stack can be determined particularly easily and correlated with a temperature of the fuel cell stack.

Darüber hinaus ist es von Vorteil, wenn der Wechselrichter selbst als Frequenzgenerator im Sinne der Erfindung fungiert. Dies ist z. B. dann der Fall, wenn die Schaltvorgänge des Wechselrichters selbst den Wechselstrom- bzw. Wechselspannungsanteil hervorrufen, indem beispielsweise der Eingangsfilter des Wechselrichters so ausgelegt wird, dass der Wechselstromanteil nur bis zu einer gewünschten Amplitude gedämpft wird. Der Wechselstrom- bzw. Wechselspannungsanteil weist dann als Frequenz die Schaltfrequenz des Wechselrichters von üblicherweise > 10 kHz auf. Der Vorteil dieser Ausführungsform ist insbesondere in deren einfachem Aufbau zu sehen.Moreover, it is advantageous if the inverter itself acts as a frequency generator in the context of the invention. This is z. Example, when the switching operations of the inverter itself cause the AC or AC voltage component, for example, by the input filter of the inverter is designed so that the AC component is attenuated only to a desired amplitude. The AC or AC voltage component then has as frequency the switching frequency of the inverter of usually> 10 kHz. The advantage of this embodiment is to be seen in particular in its simple structure.

Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Temperaturerfassungseinheit des Brennstoffzellensystems zusätzlich mit einer Gasversorgungseinheit des Brennstoffzellensystems gekoppelt. Dies eröffnet die Möglichkeit, dass die Gasversorgungseinheit, mittels der dem Brennstoffzellenstack bspw. als Brennstoff wirkendes Erdgas zugeführt wird, insbesondere bei Unterschreitung einer Mindesttemperatur des Brennstoffzellenstacks eine erhöhte Menge an Gas zur Verfügung stellt, sodass es, bedingt durch die Umsetzung des Gases, zu einer zusätzlichen Erwärmung des Brennstoffzellenstacks kommt.According to a particularly advantageous embodiment of the present invention, the temperature detection unit of the fuel cell system is additionally coupled to a gas supply unit of the fuel cell system. This opens up the possibility that the gas supply unit, by means of which the fuel cell stack eg. Acting as fuel natural gas is supplied, in particular falls below a minimum temperature of the fuel cell stack provides an increased amount of gas available, so that it, due to the implementation of the gas to a additional heating of the fuel cell stack comes.

Gemäß einer weiteren besonders vorteilhaften Ausführungsform erfolgt die Aufmodulation eines Wechselstrom- bzw. Wechselspannungsanteils auf einen am Brennstoffzellenstack anliegenden Gleichstrom bzw. einer dort anliegenden Gleichspannung oder die Bestimmung des ohmschen Anteils einer am Brennstoffzellenstack anliegenden Impedanz periodisch, d. h. für die Länge vorbestimmter Zeiträume, während zwischen den betreffenden Zeiträumen für zweite, insbesondere längere, vorbestimmte Zeiträume kein Aufmodulieren bzw. keine Bestimmung des ohmschen Anteils der Impedanz erfolgt. Eine solche Ausführungsform verringert einen Wirkungsgradverlust, der mit dem aufmodulierten Wechselspannungs- bzw. -stromanteil einhergeht, da der am Brennstoffzellenstack anliegende Gleichstrom bzw. die dort anliegende Gleichspannung nicht dauerhaft durch einen Wechselstrom- bzw. Wechselspannungsanteil überlagert wird.According to a further particularly advantageous embodiment, the modulation of an alternating current or alternating voltage component to a DC voltage applied to the fuel cell stack or a DC voltage applied thereto or the determination of the ohmic portion of an impedance applied to the fuel cell stack occurs periodically, d. H. for the length of predetermined periods of time, while between the periods concerned for second, in particular longer, predetermined periods no modulating or no determination of the resistive component of the impedance takes place. Such an embodiment reduces a loss of efficiency, which is associated with the modulated AC voltage or current component, since the DC voltage applied to the fuel cell stack or the DC voltage applied there is not permanently superimposed by an AC or AC voltage component.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings

Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. So zeigt:Embodiments of the present invention are illustrated in the drawings and described in more detail in the following description. So shows:

1: Eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems, geeignet zur Implementierung der vorliegenden Erfindung, 1 FIG. 1 is a schematic diagram of a fuel cell system suitable for implementing the present invention. FIG.

2: Ein Ersatzschaubild für eine Einzelzelle eines im Brennstoffzellensystem gemäß 1 enthaltenen Brennstoffzellenstacks, 2 : A replacement diagram for a single cell in accordance with the fuel cell system 1 contained fuel cell stacks,

3: Ein Korrelationsdiagramm, mit dem der Zusammenhang zwischen dem ohmschen Widerstand eines Elektrolyten des im Brennstoffzellensystem gemäß 1 enthaltenen Brennstoffzellenstacks und der innerhalb des Brennstoffzellenstacks herrschenden Temperatur verdeutlicht wird, 3 : A correlation diagram with which the relationship between the ohmic resistance of an electrolyte of the fuel cell system according to 1 contained fuel cell stacks and the prevailing within the fuel cell stack temperature is illustrated,

4: Die schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung, 4 FIG. 1 shows a schematic representation of a fuel cell system according to a first embodiment of the invention, FIG.

5: Eine erste Ausführungsform eines dem im Brennstoffzellensystem gemäß 4 enthaltenen Brennstoffzellenstack aufgeprägten Strom- bzw. Spannungssignals und 5 A first embodiment of the fuel cell system according to 4 contained fuel cell stack impressed current or voltage signal and

6: Eine zweite Ausführungsform eines dem im Brennstoffzellensystem gemäß 4 enthaltenen Brennstoffzellenstack aufgeprägten Strom- bzw. Spannungssignals. 6 A second embodiment of the fuel cell system according to 4 contained fuel cell stack impressed current or voltage signal.

Ausführungsformen der Erfindung Embodiments of the invention

In 1 ist ein Brennstoffzellensystem dargestellt, das für die Implementierung der vorliegenden Erfindung geeignet ist. Dieses ist als Hochtemperaturbrennstoffzellensystem 10 ausgelegt, welches einen Brennstoffzellenstack 12 umfasst. Dieser kann beispielsweise als planarer oder als tubularer Stack ausgebildet sein. Weiterhin kann eine Stackform gewählt werden, bei der eine Anodenrestgaszirkulation vorgesehen ist.In 1 there is shown a fuel cell system suitable for implementing the present invention. This is as a high temperature fuel cell system 10 designed, which is a fuel cell stack 12 includes. This can be designed, for example, as a planar or tubular stack. Furthermore, a stack shape can be selected in which an anode residual gas circulation is provided.

Der Brennstoffzellenstack 12, umfassend einen Kathodenbereich 12a sowie einen Anodenbereich 12b ist in einem Hochtemperaturbereich 14 lokalisiert. Der Kathodenbereich 12a wird beispielsweise über eine erste Medienleitung 16a mittels eines ersten Verdichters C1 mit Luft in geeigneter Menge versorgt. Vorzugsweise ist in die erste Medienleitung 16a ein erster Wärmetauscher W1 integriert, mittels dem im Abgas des Brennstoffzellenstacks 12 enthaltene Restenergie zur Vorheizung der dem Kathodenbereich 12a zugeführten Luft genutzt wird.The fuel cell stack 12 comprising a cathode region 12a and an anode region 12b is in a high temperature area 14 localized. The cathode area 12a for example, via a first media line 16a supplied with air in a suitable amount by means of a first compressor C1. Preferably, in the first media line 16a integrated a first heat exchanger W1, by means of which in the exhaust gas of the fuel cell stack 12 contained residual energy for preheating the cathode area 12a supplied air is used.

Der Anodenbereich 12b des Brennstoffzellenstacks 12 wird beispielsweise mit einem geeigneten Brenngas beaufschlagt, welches durch einen Reformer 18 zur Verfügung gestellt und mittels einer zweiten Medienleitung 16b dem Anodenbereich 12b des Brennstoffzellenstacks 12 zugeführt wird.The anode area 12b of the fuel cell stack 12 is acted upon, for example, with a suitable fuel gas, which by a reformer 18 provided and by means of a second media line 16b the anode area 12b of the fuel cell stack 12 is supplied.

Dem Reformer 18 seinerseits wird als Ausgangssubstanz zur Erzeugung eines geeigneten Brennstoffgemischs, wie beispielsweise Erdgas, mittels einer dritten Medienleitung 16c zugeführt. Alternative Ausgangssubstanzen können jedoch auch Wasserstoff, Flüssiggas, Alkohole oder aus Erdöl bzw. Biomasse gewonnene Treibstoffe für Verbrennungsmotoren sein. Diese werden mittels eines zweiten Verdichters C2 dem Reformer 18 zugeführt. Dem zweiten Verdichter C2 kann beispielsweise eine Entschwefelungsstufe 20 vorgeschaltet sein, die ihrerseits über ein Ventil 22 mit Erdgas versorgt wird.The reformer 18 in turn, as a starting substance for producing a suitable fuel mixture, such as natural gas, by means of a third media line 16c fed. However, alternative starting substances may also be hydrogen, liquefied petroleum gas, alcohols or fuels derived from petroleum or biomass for internal combustion engines. These are the reformer by means of a second compressor C2 18 fed. The second compressor C2 can, for example, a desulfurization stage 20 upstream, in turn, via a valve 22 supplied with natural gas.

Für eine entsprechende Reformierungsreaktion im Reformer 18 wird darüber hinaus beispielsweise Wasserdampf benötigt. Zu diesem Zweck wird über eine vierte Medienleitung 16d der dritten Medienleitung 16c Wasser aus einem Wasservorratsbehälter mit bspw. integrierter Deionisationseinheit 24 mittels eines dritten Verdichters C3 zugeführt. Das der dritten Medienleitung 16c zugeführte Wasser wird beispielsweise mittels einer in die dritte Medienleitung 16c integrierten Verdampfungseinheit W2 in Wasserdampf überführt, sodass dem Reformer 18 ein Wasserdampf-/Erdgasgemisch zugeführt wird. Weiterhin kann zwischen der ersten Medienleitung 16a und der dritten Medienleitung 16c eine Verbindungsleitung 16e vorgesehen sein, mittels welcher, beispielsweise in einer Startphase des Brennstoffzellensystems, über ein zweites Ventil 28 und mittels eines vierten Verdichters C4 Luft in die dritte Medienleitung 16c eingebracht und somit in dieser ein zündfähiges Gemisch von Brenngas und Luft erzeugt werden kann. Dieses führt in der Startphase zu einer Selbstaufheizung des Reformers 18 und nachfolgend zu einer Aufheizung des Brennstoffzellenstacks 12.For a corresponding reforming reaction in the reformer 18 In addition, for example, steam is needed. For this purpose, via a fourth media line 16d the third media line 16c Water from a water reservoir with, for example, integrated deionization unit 24 supplied by means of a third compressor C3. That of the third media management 16c supplied water is, for example, by means of a in the third media line 16c integrated evaporation unit W2 converted into water vapor, allowing the reformer 18 a steam / natural gas mixture is supplied. Furthermore, between the first media line 16a and the third media line 16c a connection line 16e be provided, by means of which, for example, in a start-up phase of the fuel cell system, via a second valve 28 and by means of a fourth compressor C4 air in the third media line 16c introduced and thus in this an ignitable mixture of fuel gas and air can be generated. This leads in the starting phase to a self-heating of the reformer 18 and subsequently to heating the fuel cell stack 12 ,

Die im Kathodenbereich 12a bzw. Anodenbereich 12b erzeugten Abgase des Brennstoffzellenstacks 12 werden beispielsweise nachfolgend einem Brenner 30 zugeführt, mittels dem insbesondere im Anodenabgas enthaltene Restbestandteile des Brenngasgemischs für eine Wärmeerzeugung genutzt werden und nicht in die Umwelt gelangen. Die dabei erzeugten heißen Verbrennungsabgase können zur Temperierung des Reformers 18 bzw. der Verdampfungseinheit W2 herangezogen werden, wie dies in 1 in Form einer Abgasleitung 16f verdeutlicht ist. Darüber hinaus steht die Abgasleitung 16f auch in wärmeleitendem Kontakt mit dem ersten Wärmetauscher W1 zur Vorheizung der dem Kathodenbereich 12a zugeführten Luft.The in the cathode area 12a or anode area 12b generated exhaust gases of the fuel cell stack 12 For example, below are a burner 30 supplied, are used by means of which in particular contained in the anode exhaust residual components of the fuel gas mixture for heat generation and do not enter the environment. The hot combustion gases generated during this process can be used to control the temperature of the reformer 18 or the evaporation unit W2 be used, as shown in 1 in the form of an exhaust pipe 16f is clarified. In addition, the exhaust pipe is 16f also in heat-conducting contact with the first heat exchanger W1 for preheating the cathode area 12a supplied air.

Optional ist weiterhin in die Abgasleitung 16f ein dritter Wärmetauscher W3 integriert, der der Temperierung von Kühlmedien des Brennstoffzellensystems 12 dient. Das Kühlmedium kann beim Einsatz in einer Kraft-Wärme-Kopplungsanlage das Wärmeträgermedium einer Gebäudeheizung, insbesondere Wasser in einem Heizkreislauf, sein. Weiterhin optional kann die Abgasleitung 16f einen nicht dargestellten Kondensatabscheider aufweisen, mittels dem Kondenswasser gewonnen und dem Wasserbehälter 24 beispielsweise über einen fünften Verdichter C5 zugeführt werden kann. Der im Betrieb des Brennstoffzellensystems 14 mittels des Brennstoffzellenstacks 12 generierte Strom wird beispielsweise über eine erste und eine zweite Zuleitung 32a, 32b einem Wechselrichter 34 zugeführt. Der in einen Wechselstrom geeigneter Frequenz überführte Strom wird dann dem zu versorgenden Stromnetz 36 zugeführt.Optional is still in the exhaust pipe 16f integrated a third heat exchanger W3, the temperature of cooling media of the fuel cell system 12 serves. When used in a combined heat and power plant, the cooling medium may be the heat transfer medium of a building heating system, in particular water in a heating circuit. Furthermore optional, the exhaust pipe 16f Have a condensate separator, not shown, recovered by the condensation and the water tank 24 can be supplied for example via a fifth compressor C5. The in operation of the fuel cell system 14 by means of the fuel cell stack 12 generated electricity is, for example, via a first and a second supply line 32a . 32b an inverter 34 fed. The converted into an AC suitable frequency power will then be supplied to the power grid 36 fed.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das eigentliche Temperaturmanagement des Brennstoffzellensystems 10 nicht über die direkte messtechnische Erfassung der Temperatur beispielsweise des Brennstoffzellenstacks 12 erfolgt, sondern auf indirektem Wege über elektrische Zustandsgrößen des Brennstoffzellensystems 10. Als mit der Temperatur des Brennstoffzellenstacks 12 direkt korrelierte Messgröße wird der ohmsche Anteil der Gesamtimpedanz des Brennstoffzellenstacks 12 herangezogen. Zu diesem Zweck wird dem an dem Brennstoffzellenstack 12 anliegenden Gleichstrom ein Wechselstromsignal aufmoduliert und das dabei messbare Spannungssignal geeignet analysiert, um die Impedanz zu ermitteln. Alternativ kann der an dem Brennstoffzellenstack 12 anliegenden Gleichspannung ein Wechselspannungssignal aufmoduliert und das dabei messbare Stromsignal geeignet analysiert werden, um die Impedanz zu ermitteln.According to the invention, it is provided that the actual temperature management of the fuel cell system 10 not via the direct metrological detection of the temperature, for example, of the fuel cell stack 12 takes place, but indirectly via electrical state variables of the fuel cell system 10 , As with the temperature of the fuel cell stack 12 directly correlated measured variable becomes the resistive component of the total impedance of the fuel cell stack 12 used. For this purpose, the on the fuel cell stack 12 applied DC current modulated an AC signal and the thereby measurable voltage signal analyzed suitably to determine the impedance. Alternatively, it may be attached to the fuel cell stack 12 DC voltage applied modulated an AC signal and the while measurable current signal can be suitably analyzed to determine the impedance.

Die der gemessenen Impedanz zugrundeliegenden Einflussgrößen sind in Form eines Ersatzschaltbilds in 2 verdeutlicht. So tragen neben dem temperaturabhängigen ohmschen Widerstand, der an einem den Kathoden- und den Anodenbereich 12a, 12b trennenden nicht dargestellten Elektrolyten anliegt und als Widerstand 40 verdeutlicht ist, auch die jeweilige mit dem Elektrolyten in Kontakt stehende Anode und Kathode in Form eines ersten RC-Glieds 42a und eines zweiten RC-Glieds 42b bei. Während der dem Elektrolyten zuzuordnende ohmsche Widerstand 40 rein temperaturabhängig ist, ist der dem ersten bzw. zweiten RC-Glied 42a, 42b zuzuordnende Anteil der Gesamtimpedanz sowohl temperatur- als auch partialdruckabhängig in Bezug auf den der Anode bzw. Kathode zugeführten Gasstrom. Darüber hinaus spielt auch der den elektrischen Zuleitungen 32a, 32b zuzuordnende ohmsche Widerstand eine Rolle. Da die Zuleitungen 32a, 32b einer weitgehend konstanten Temperatur ausgesetzt sind, kann hier von einem konstanten und nicht temperaturabhängigen ohmschen Widerstandsanteil 44 ausgegangen werden.The influencing variables on which the measured impedance is based are in the form of an equivalent circuit diagram in FIG 2 clarified. So wear next to the temperature-dependent ohmic resistance, at one of the cathode and the anode region 12a . 12b separating not shown electrolyte is applied and as a resistor 40 is clarified, including the respective contact with the electrolyte in contact anode and cathode in the form of a first RC element 42a and a second RC element 42b at. During the ohmic resistance attributable to the electrolyte 40 is purely temperature-dependent, is the first or second RC element 42a . 42b attributable proportion of the total impedance both temperature and partial pressure dependent with respect to the anode or cathode gas flow supplied. In addition, also plays the electrical supply lines 32a . 32b to be assigned ohmic resistance a role. Because the supply lines 32a . 32b are exposed to a largely constant temperature, can here of a constant and non-temperature-dependent ohmic resistance component 44 be assumed.

Die Erfindung macht sich die Erkenntnis zunutze, dass der ohmsche Widerstand des im Brennstoffzellenstack 12 enthaltenen Elektrolyten mit dessen Temperatur direkt korreliert ist. Eine solche Abhängigkeit ist in 3 dargestellt und kann der in der Beschreibungseinleitung erwähnten Literatur entnommen werden. Diese Korrelation wird zur Temperatursteuerung des Brennstoffzellensystems 10 herangezogen, indem durch elektrische Daten, die beispielsweise im Bereich des Wechselrichters 34 gemessen werden können, ein Ausgangssignal erzeugt wird, aus dem die Temperatur des im Brennstoffzellenstack 12 enthaltenen Elektrolyten und somit näherungsweise auch des Brennstoffzellenstacks 12 selbst hinreichend genau abgeleitet werden kann.The invention makes use of the knowledge that the ohmic resistance of the fuel cell stack 12 contained electrolyte is directly correlated with the temperature. Such a dependence is in 3 and can be found in the literature mentioned in the introduction to the description. This correlation becomes the temperature control of the fuel cell system 10 used by electrical data, for example, in the range of the inverter 34 can be measured, an output signal is generated from which the temperature of the fuel cell stack 12 contained electrolytes and thus approximately the fuel cell stack 12 itself can be derived with sufficient accuracy.

Eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems ist in 4 dargestellt. Dabei bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Bauteilkomponenten wie in den 1 bis 3.An embodiment of a fuel cell system according to the invention is in 4 shown. Here, the same reference numerals designate the same component components as in FIGS 1 to 3 ,

Wie bereits im Rahmen von 1 beschrieben, wird der mittels des Brennstoffzellenstacks 12 erzeugte Gleichstrom über Zuleitungen 32a, 32b dem Wechselrichter 34 zugeführt und beispielsweise über ein nicht dargestelltes Energiemanagement dem Brennstoffzellensystem 10 vorgegeben, wobei über einen Signalgenerator 50 ein Stromsollwert für den Wechselstromanteil festgelegt und dem Wechselrichter 34 zur Verfügung gestellt wird. Der Signalgenerator 50 kann beispielsweise auch als Software-Funktion in den Wechselrichter 34 integriert seinAs already in the context of 1 described, the means of the fuel cell stack 12 generated direct current via supply lines 32a . 32b the inverter 34 fed and, for example via an unillustrated energy management the fuel cell system 10 predetermined, whereby over a signal generator 50 set a current setpoint for the AC component and the inverter 34 is made available. The signal generator 50 can also be used as a software feature in the inverter, for example 34 be integrated

Der Wechselrichter 34 dient weiterhin dazu, dem mittels des Brennstoffzellenstacks 12 des Brennstoffzellensystems 10 erzeugten Gleichstrom einen geeigneten Wechselstromanteil beispielsweise in Form eines Stromripples aufzumodulieren. Unter einem Stromripple wird die Welligkeit eines Gleichstroms bezeichnet, wobei das Stromripple durch seine Frequenz und Amplitude gekennzeichnet ist. Eine erste Ausführungsform eines derartigen Stromripples ist in 5 verdeutlicht. Dabei wird dem Brennstoffzellenstack 12 zusätzlich zum Gleichstrom ein Wechselstromanteil oszillierender Höhe I(t) aufgeprägt und die dabei resultierende Spannungsantwort U(t) des Brennstoffzellenstacks 12 gemessen und überwacht. Vorzugsweise wird die Frequenz des Stromripples ausreichend hoch gewählt, d. h. beispielsweise höher als 500 Hz, vorzugsweise höher als 1 kHz und insbesondere höher als 10 kHz.The inverter 34 serves furthermore to that by means of the fuel cell stack 12 of the fuel cell system 10 DC generated a suitable AC component, for example in the form of a current ripple aufzumodulate. A current ripple refers to the ripple of a direct current, the current ripple being characterized by its frequency and amplitude. A first embodiment of such a current ripple is in 5 clarified. This is the fuel cell stack 12 in addition to the DC an alternating current component of oscillating height I (t) impressed and the resulting voltage response U (t) of the fuel cell stack 12 measured and monitored. Preferably, the frequency of the current ripple is chosen to be sufficiently high, ie for example higher than 500 Hz, preferably higher than 1 kHz and in particular higher than 10 kHz.

Wird die Frequenz ausreichend hoch gewählt, so kann am Brennstoffzellenstack 12 der ohmsche Anteil der Impedanz ausreichend genau bestimmt werden, da in diesem Fall die die Anode bzw. Kathode repräsentierenden ersten und zweiten RC-Glieder 42a und 42b gemäß dem in 2 dargestellten Ersatzschaubild kapazitiv kurzgeschlossen werden. Grundsätzlich ist es jedoch auch möglich, Ripples mit der doppelten Netzfrequenz von 100 Hz zu verwenden, da die abgegebene Leistung eines Wechselstromgenerators die doppelte Netzfrequenz aufweist.If the frequency chosen sufficiently high, so can the fuel cell stack 12 the ohmic portion of the impedance can be determined with sufficient accuracy, since in this case the first and second RC members representing the anode and cathode, respectively 42a and 42b according to the in 2 Replacement diagram shown are capacitive short-circuited. In principle, however, it is also possible to use ripples with the double mains frequency of 100 Hz, since the output power of an alternator has twice the mains frequency.

Hierbei wird aber gegebenenfalls ein kapazitiver Anteil der Impedanz von Anode bzw. Kathode mitgemessen. Demgegenüber zeigt ein Beispiel eines eingeprägten Stackstroms I(t) mit ausreichend hoher Frequenz und die beiden Signalkurven U(t) und I(t) sind um 180 Grad phasenverschoben.In this case, however, if appropriate, a capacitive component of the impedance of the anode or cathode is also measured. In contrast, shows an example of an impressed stack current I (t) with sufficiently high frequency and the two signal curves U (t) and I (t) are phase-shifted by 180 degrees.

Die Einprägung des mit einem Stromripple versehenen Gleichstroms auf den Brennstoffzellenstack 12 erfolgt mittels des Wechselrichters 34, wobei der Signalgenerator 50 die Signalform, -amplitude und/oder -frequenz vorgibt. Wird mit einem Stromripple der Frequenz 100 Hz gearbeitet, so kann der Signalgenerator 50 auch entfallen und es wird die doppelte Netzfrequenz des Stromnetzes 36 als Stromripple herangezogen. Unter anderem auch zu diesem Zweck umfasst der Wechselrichter 34 einen geeigneten Filter, der verhindert, dass Wechselstromanteile des Stromnetzes 36 auf den Gleichstrombereich des Brennstoffzellensystems 10 durchschlagen bzw. dass Wechselstromanteile des Brennstoffzellensystems 10 auf das Stromnetz 36 durchschlagen bzw. dieses zumindest weitgehend verhindert.The impression of the DC current provided with a current ripple on the fuel cell stack 12 done by means of the inverter 34 , where the signal generator 50 specifies the signal shape, amplitude and / or frequency. If you work with a current ripple frequency of 100 Hz, so the signal generator 50 also eliminated and it will double the grid frequency of the power grid 36 used as Stromripple. Among other things, for this purpose includes the inverter 34 a suitable filter that prevents AC components of the mains 36 on the DC range of the fuel cell system 10 durchschlagen or that AC components of the fuel cell system 10 on the power grid 36 penetrate or at least largely prevented.

Die Spannungsantwort des Brennstoffzellenstacks 12 kann beispielsweise über eine erste und eine zweite Signalleitung 52a, 52b beispielsweise in der Nähe des Wechselrichters 34 an den Zuleitungen 32a, 32b abgegriffen und über eine Spannungsmessung 54 erfasst werden. Darüber hinaus kann eine Stromantwort des Brennstoffzellenstacks 12 bspw. über einen Stromsensor 58 erfasst werden, der mit der Signalleitung 52c über einen Shunt oder eine Messspule einer der Zuleitungen 32a, 32b angeschlossen ist.The voltage response of the fuel cell stack 12 can for example via a first and a second signal line 52a . 52b for example near the inverter 34 on the supply lines 32a . 32b tapped and via a voltage measurement 54 be recorded. In addition, a power response of the fuel cell stack 12 eg via a current sensor 58 be detected with the signal line 52c via a shunt or a measuring coil of one of the supply lines 32a . 32b connected.

Die Spannungs- bzw. Stromantwort U(t) bzw. I(t) wird von einer Spannung- bzw. Stromserfassungseinheit 54 mit einer Signalverarbeitung 56 registriert. Die Signalverarbeitung 56 ermittelt aus der Spannungs- und Stromantwort U(t) bzw. I(t) des Brennstoffzellenstacks 12 den ohmschen Anteil der Impedanz des Brennstoffzellenstacks 12, der einem Elektrolyten des Brennstoffzellenstacks 12 zuzuordnen ist und der für eine Korrelation mit einer Temperatur des Brennstoffzellenstacks 12 herangezogen werden soll. Die Auswerteeinheiten 54, 56, 58 und 60 können alternativ auch in den Wechselrichter 34 integriert sein.The voltage or current response U (t) or I (t) is from a voltage or current detection unit 54 with a signal processing 56 registered. The signal processing 56 determined from the voltage and current response U (t) or I (t) of the fuel cell stack 12 the ohmic portion of the impedance of the fuel cell stack 12 that is an electrolyte of the fuel cell stack 12 and to correlate with a temperature of the fuel cell stack 12 should be used. The evaluation units 54 . 56 . 58 and 60 Alternatively, you can also use the inverter 34 be integrated.

Alternativ kann die Spannungserfassung an der ersten und zweiten Signalleitung 52a, 52b auch in der Nähe des Brennstoffzellenstacks 12 statt in der Nähe des Wechselrichters 34 angeordnet sein, um den Einfluss der entsprechenden Leitungsimpedanz zu minimieren.Alternatively, the voltage detection on the first and second signal line 52a . 52b also near the fuel cell stack 12 instead of near the inverter 34 be arranged to minimize the influence of the corresponding line impedance.

Dieser Widerstandswert wird an eine Temperaturbestimmungseinheit 60 weitergereicht und dort über eine Temperaturkorrelation, wie sie beispielhaft in 3 dargestellt und obenstehend beschrieben worden ist, mit einer Stacktemperatur des Brennstoffzellenstacks 12 verknüpft. Die dabei resultierende Temperaturangabe steht als Temperatureingangssignal beispielsweise einer Temperaturregelung 62 des Brennstoffzellensystems 14 zur Verfügung.This resistance value is sent to a temperature determination unit 60 passed on and there via a temperature correlation, as exemplified in 3 illustrated and described above, with a stack temperature of the fuel cell stack 12 connected. The resulting temperature indication is available as a temperature input signal, for example, a temperature control 62 of the fuel cell system 14 to disposal.

Gemäß einer alternativen Ausführungsform kann die Impedanz des Brennstoffzellenstacks 12 auch mit einem Signal in Form eines der aufgeprägten Stromsprungs bzw. in Form eines der Gleichspannung aufgeprägten Spannungssprungs bestimmt werden. Darunter wird insbesondere eine abrupte, bspw. rampen- oder stufenförmige Veränderung des aktuellen Gleichstrom- bzw. Gleichspannungsniveaus verstanden, wie dies bspw. in 6 abgebildet ist. Hier führt eine Änderung des Gleichstromniveaus um einen Betrag ΔI zu einer Spannungsantwort ΔU. Als Maß für den ohmschen Widerstand des in den Brennstoffzellenstack 12 integrierten Elektrolyten wird dann der Quotient aus Strom- bzw. Spannungs-Sprungsignal und der jeweiligen Spannungs- bzw. Stromantwort des Brennstoffzellenstacks (12) herangezogen.According to an alternative embodiment, the impedance of the fuel cell stack 12 also be determined with a signal in the form of an impressed current jump or in the form of a voltage jump impressed on the DC voltage. This is understood to mean, in particular, an abrupt, for example ramp-shaped or stepped change in the current DC or DC voltage level, as is the case, for example, in FIG 6 is shown. Here, a change in the DC level by an amount ΔI leads to a voltage response ΔU. As a measure of the ohmic resistance of the fuel cell stack 12 Integrated electrolyte is then the quotient of current or voltage jump signal and the respective voltage or current response of the fuel cell stack ( 12 ).

Da bei Hochtemperaturbrennstoffzellensystemen die Verwendung flüssiger Kühlmittel weitgehend ausscheidet, wird die Temperatur des Brennstoffzellenstacks 12 über die dem Brennstoffzellenstack 12 zugeführte Luftmenge und somit beispielsweise über die Leistungszufuhr des ersten Verdichters C1 reguliert. Somit ermittelt beispielsweise die Temperaturregeleinheit 62 einen Sollwert für einen Luftvolumenstrom, der dem Brennstoffzellenstack 12 zur Verfügung gestellt wird und entsprechend wird die Drehzahl bzw. Leistungsaufnahme des ersten Verdichters C1 gewählt. Dieser Sollwert für den Volumenstrom wird innerhalb der Temperaturregeleinheit 62 beispielsweise durch einen Soll-Ist-Vergleich zwischen einer durch die Temperaturermittlungseinheit 60 ermittelten Ist-Temperatur tIst und einer in der Temperaturregeleinheit hinterlegten Soll-Temperatur tSoll ermittelt.Since the use of liquid coolant is largely eliminated in high temperature fuel cell systems, the temperature of the fuel cell stack becomes high 12 over the fuel cell stack 12 supplied amount of air and thus regulated for example via the power supply of the first compressor C1. Thus, for example, determines the temperature control unit 62 a setpoint for an air flow, the fuel cell stack 12 is made available and according to the speed or power consumption of the first compressor C1 is selected. This setpoint for the volume flow is within the temperature control unit 62 for example, by a target-actual comparison between a through the temperature detection unit 60 determined actual temperature t actual and a stored in the temperature control unit target temperature t target determined.

Die Ermittlung der in der Temperaturermittlungseinheit 60 hinterlegten Korrelation von Soll-Temperatur tSoll und korrespondierendem Widerstandwert kann bspw. mittels eines nicht dargestellten Temperatursensors erfolgen der bspw. innerhalb oder in der Nähe des Brennstoffzellenstacks 12 positioniert ist, wobei insbesondere im Voraus die Temperaturabhängigkeit des ohmschen Anteils der am Brennstoffzellenstack 12 anliegenden Impedanz bestimmt und in der Temperaturerfassungseinheit 60 hinterlegt wird.The determination of the in the temperature detection unit 60 deposited correlation of setpoint temperature t setpoint and corresponding resistance value can be carried out, for example, by means of a temperature sensor, not shown, for example, within or in the vicinity of the fuel cell stack 12 is positioned, in particular in advance, the temperature dependence of the ohmic portion of the fuel cell stack 12 applied impedance and in the temperature detection unit 60 is deposited.

Insbesondere kann auf messtechnischem Wege der ohmsche Widerstand des Elektrolyten des Brennstoffzellenstacks 12 vom Durchtrittswiderstand der Elektroden des Brennstoffzellenstacks 12 getrennt erfasst werden. Der weiterhin eine Rolle spielende ohmsche Anteil der Impedanz, der den entsprechenden Zuleitungen 32a, 32b des Brennstoffzellenstacks 12 zuzuordnen ist, verhält sich unabhängig von der Stacktemperatur, da die entsprechenden Zuleitungen 32a, 32b im Wesentlichen immer bei annähernd gleicher Temperatur betrieben werden und ihr Widerstand deutlichweniger temperaturabhängig ist als der des Elektrolyten. Messtechnisch wird beispielsweise die Schaltfrequenz des dem Brennstoffzellenstack 12 nachgeordnet positionierten Wechselrichters 34 genutzt, um eine entsprechende Anregung für die Impedanzmessung zu erzeugen.In particular, the ohmic resistance of the electrolyte of the fuel cell stack can be measured 12 from the passage resistance of the electrodes of the fuel cell stack 12 be recorded separately. The still playing a role ohmic portion of the impedance of the corresponding leads 32a . 32b of the fuel cell stack 12 is assigned, behaves regardless of the stack temperature, since the corresponding leads 32a . 32b are essentially always operated at approximately the same temperature and their resistance is significantly less temperature-dependent than that of the electrolyte. Metrology, for example, the switching frequency of the fuel cell stack 12 downstream positioned inverter 34 used to generate a corresponding excitation for the impedance measurement.

Das vorbeschriebene Brennstoffzellensystem bzw. das vorbeschriebene Verfahren zum Betrieb desselben kann insbesondere Verwendung finden in Energiegewinnungsanlagen zur Erzeugung von Strom und/oder thermischer Energie.The above-described fuel cell system or the above-described method for operating the same can be used in particular in energy production plants for generating electricity and / or thermal energy.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • US 2007/0281115 A1 [0003] US 2007/0281115 A1 [0003]
  • WO 2010/004083 A1 [0003] WO 2010/004083 A1 [0003]
  • US 6682836 [0003] US 6682836 [0003]

Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

  • Lothar Schindele, „Einsatz eines leistungselektronischen Stellglieds zur Parameteridentifikation und optimalen Betriebsführung von PEM-Brennstoffzellensystemen”, Dissertation Uni Karlsruhe, 2006 [0005] Lothar Schindele, "Use of a Power Electronic Actuator for Parameter Identification and Optimum Operation of PEM Fuel Cell Systems", Dissertation Uni Karlsruhe, 2006 [0005]
  • T. F. Petersen, „A zero-dimensional model of a second generation planner SOFC for an auxiliary power unit”, Journal of Power Sources, 149: 53–62, 2005 [0006] TF Petersen, "A zero-dimensional model of a second-generation planner SOFC for an auxiliary power unit", Journal of Power Sources, 149: 53-62, 2005 [0006]

Claims (15)

Brennstoffzellensystem, umfassend mindestens einen Brennstoffzellenstack (12), insbesondere Hochtemperatur-Brennstoffzellenstack, sowie einen Frequenzgenerator (50) um als Frequenzmodulation einen Wechselstromanteil auf einen Gleichstrom des Brennstoffzellenstacks (12) aufzumodulieren und/oder um einen Wechselspannungsanteil auf eine Gleichspannung des Brennstoffzellenstacks (12) aufzumodulieren, dadurch gekennzeichnet, dass eine Temperaturerfassungseinheit (60) vorgesehen ist, die den ohmschen Anteil der Impedanz des Brennstoffzellenstacks (12) auf der Basis des auf einen Gleichstrom des Brennstoffzellenstacks (12) aufzumodulierten Wechselstromanteils und/oder auf Basis des auf eine Gleichspannung des Brennstoffzellenstacks (12) aufzumodulierten Wechselspannungsanteils bestimmt, diesen mit einem am Elektrolyten des Brennstoffzellenstacks (12) vorliegenden Temperaturwert korreliert und als Ist-Eingangsgröße für eine Temperaturregeleinheit (62) des Brennstoffzellenstacks (12) zur Verfügung stellt.Fuel cell system comprising at least one fuel cell stack ( 12 ), in particular high-temperature fuel cell stack, and a frequency generator ( 50 ) as frequency modulation an alternating current component to a direct current of the fuel cell stack ( 12 ) and / or an AC voltage component to a DC voltage of the fuel cell stack ( 12 ), characterized in that a temperature detection unit ( 60 ), which measures the ohmic portion of the impedance of the fuel cell stack ( 12 ) based on a direct current of the fuel cell stack ( 12 ) and / or based on the DC voltage of the fuel cell stack ( 12 ) to be modulated on the AC component of the fuel cell stack ( 12 ) and correlated as the actual input variable for a temperature control unit ( 62 ) of the fuel cell stack ( 12 ). Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Frequenzgenerator (50) einem an einem Wechselrichter (34) des Brennstoffzellensystems (10) anliegenden Gleichstrom bzw. einer an diesem anliegenden Gleichspannung einen Wechselstrom- bzw. einen Wechselspannungsanteil aufmoduliert.Fuel cell system according to claim 1, characterized in that the frequency generator ( 50 ) one at an inverter ( 34 ) of the fuel cell system ( 10 ) applied DC or a DC voltage applied to this an AC or AC voltage component modulated. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenzmodulation mit einer Frequenz > 1 kHz erfolgt.Fuel cell system according to one of claims 1 and 2, characterized in that the frequency modulation takes place with a frequency> 1 kHz. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Wechselrichter (34) selbst als Frequenzgenerator ausgeführt ist.Fuel cell system according to one of claims 2 and 3, characterized in that the inverter ( 34 ) itself is designed as a frequency generator. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Filter vorgesehen ist, mittels dem verhindert wird, dass die mit dem Frequenzgenerator (34, 50) generierte Frequenzmodulation in ein mit dem Brennstoffzellensystem (10) in Kontakt stehendes Stromnetz (36) übertragen wird.Fuel cell system according to one of claims 2 to 4, characterized in that a filter is provided, by means of which it is prevented that with the frequency generator ( 34 . 50 ) generated in a frequency modulation with the fuel cell system ( 10 ) in contact with the power grid ( 36 ) is transmitted. Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zeitliche Verlauf einer am Brennstoffzellenstack 12 anliegenden Spannung und/oder eines dort anliegenden Stroms am Eingang des Wechselrichters (34) gemessen wird.Fuel cell system according to one of the preceding claims, characterized in that the time course of the fuel cell stack 12 applied voltage and / or a current there at the input of the inverter ( 34 ) is measured. Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mittels des Frequenzgenerators (34, 50) ein Wechselstromsignal in Bezug auf einen am Brennstoffzellenstack (12) anliegenden Strom und/oder ein Wechselspannungssignal in Bezug auf eine dort anliegenden Spannung erzeugt wird.Fuel cell system according to one of the preceding claims, characterized in that by means of the frequency generator ( 34 . 50 ) an AC signal with respect to one on the fuel cell stack ( 12 ), and / or an alternating voltage signal with respect to a voltage present there is generated. Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperaturregeleinheit (62) mit einem ersten Verdichter (C1) in Kontakt steht, mittels der die dem Brennstoffzellenstack (12) zuzuführende Luftmenge reguliert wird, wobei die Temperaturregeleinheit (62) bei Überschreitung einer Maximaltemperatur des Brennstoffzellenstacks (12) eine Erhöhung der dem Brennstoffzellenstack (12) zugeführten Luftmenge bewirkt und/oder wobei die Temperaturregeleinheit (62) bei Unterschreitung einer Minimaltemperatur des Brennstoffzellenstacks (12) eine Verringerung der dem Brennstoffzellenstack (12) zugeführten Luftmenge bewirkt.Fuel cell system according to one of the preceding claims, characterized in that the temperature control unit ( 62 ) is in contact with a first compressor (C1), by means of which the fuel cell stack ( 12 ) is regulated, the temperature control unit ( 62 ) when exceeding a maximum temperature of the fuel cell stack ( 12 ) an increase in the fuel cell stack ( 12 ) and / or wherein the temperature control unit ( 62 ) falls below a minimum temperature of the fuel cell stack ( 12 ) a reduction of the fuel cell stack ( 12 ) causes the amount of air supplied. Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperaturregeleinheit (62) mit einem zweiten Verdichter (C2) in Kontakt steht, mittels dem die dem Brennstoffzellenstack (12) zuzuführende Gasmenge reguliert wird, wobei die Temperaturregeleinheit (62) bei Unterschreitung einer Mindesttemperatur des Brennstoffzellenstacks (12) eine Erhöhung der dem Brennstoffzellenstack (12) zugeführten Gasmenge bewirkt.Fuel cell system according to one of the preceding claims, characterized in that the temperature control unit ( 62 ) is in contact with a second compressor (C2), by means of which the fuel cell stack ( 12 ) is regulated, the temperature control unit ( 62 ) falls below a minimum temperature of the fuel cell stack ( 12 ) an increase in the fuel cell stack ( 12 ) causes the amount of gas supplied. Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass einem an einem Brennstoffzellenstack (12) des Brennstoffzellensystems (10) anliegenden Gleichstrom ein Wechselstromanteil und/oder einer dort anliegenden Gleichspannung ein Wechselspannungsanteil aufmoduliert wird, der ohmsche Anteil der am Brennstoffzellenstack (12) anliegenden Impedanz bestimmt wird, der ohmsche Anteil mit einer aktuellen Temperatur des Brennstoffzellenstacks (12) korreliert wird und der auf diesem Wege ermittelte Temperaturwert als Ist-Eingangsgröße für eine Temperaturregelung des Brennstoffzellenstacks (12) angesetzt wird.Method for operating a fuel cell system according to one of the preceding claims, characterized in that a fuel cell stack ( 12 ) of the fuel cell system ( 10 ) an alternating current component and / or a DC voltage applied there, an AC voltage component is modulated, the ohmic component of the fuel cell stack ( 12 ) impedance is determined, the resistive component with a current temperature of the fuel cell stack ( 12 ) and the temperature value determined in this way is used as the actual input variable for a temperature control of the fuel cell stack ( 12 ) is set. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufmodulation des Wechselstromanteils auf einen am Brennstoffzellenstack (12) anliegenden Gleichstrom und/oder die Aufmodulation eines Wechselspannungsanteils auf eine dort anliegende Gleichspannung periodisch für vorbestimmte Zeiträume erfolgt, und/oder dass die Bestimmung eines ohmschen Anteils der am Brennstoffzellenstack (12) anliegenden Impedanz nur für vorbestimmte Zeiträume durchgeführt wird.Method according to Claim 10, characterized in that the modulation of the alternating current component to one on the fuel cell stack ( 12 ) applied DC and / or the modulating of an AC component to a DC voltage applied there periodically for predetermined periods, and / or that the determination of an ohmic portion of the am Fuel cell stack ( 12 ) impedance is performed only for predetermined periods of time. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass mittels eines Temperatursensors im Brennstoffzellenstack (12) die Temperaturabhängigkeit des ohmschen Anteils der am Brennstoffzellenstack (12) anliegenden Impedanz insbesondere im Voraus bestimmt wird und in der Temperaturerfassungseinheit (60) hinterlegt wird.A method according to claim 10 or 11, characterized in that by means of a temperature sensor in the fuel cell stack ( 12 ) the temperature dependence of the ohmic portion of the fuel cell stack ( 12 ) is determined in advance in particular and in the temperature detection unit ( 60 ) is deposited. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Messung der Impedanz mittels eines Signals in Form eines Strom- oder Spannungssprungsignals erfolgt.Method according to one of claims 10 to 12, characterized in that the measurement of the impedance by means of a signal in the form of a current or voltage jump signal. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass als Maß für den ohmschen Widerstand des Elektrolyten der Quotient aus Strom- bzw. Spannungs-Sprungsignal und der jeweiligen Spannungs- bzw. Stromantwort des Brennstoffzellenstacks (12) herangezogen wird.A method according to claim 12, characterized in that as a measure of the ohmic resistance of the electrolyte, the quotient of current or voltage jump signal and the respective voltage or current response of the fuel cell stack ( 12 ) is used. Verwendung eines Brennstoffzellensystems nach einem der Ansprüche 1 bis 8 und/oder eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 9 bis 13 in Energiegewinnungsanlagen zur Erzeugung von Strom und/oder thermischer Energie.Use of a fuel cell system according to one of claims 1 to 8 and / or a method according to any one of claims 9 to 13 in energy production plants for generating electricity and / or thermal energy.
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