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
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
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
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
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:
Ausführungsformen der Erfindung Embodiments of the invention
In
Der Brennstoffzellenstack
Der Anodenbereich
Dem Reformer
Für eine entsprechende Reformierungsreaktion im Reformer
Die im Kathodenbereich
Optional ist weiterhin in die Abgasleitung
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das eigentliche Temperaturmanagement des Brennstoffzellensystems
Die der gemessenen Impedanz zugrundeliegenden Einflussgrößen sind in Form eines Ersatzschaltbilds in
Die Erfindung macht sich die Erkenntnis zunutze, dass der ohmsche Widerstand des im Brennstoffzellenstack
Eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems ist in
Wie bereits im Rahmen von
Der Wechselrichter
Wird die Frequenz ausreichend hoch gewählt, so kann am Brennstoffzellenstack
Hierbei wird aber gegebenenfalls ein kapazitiver Anteil der Impedanz von Anode bzw. Kathode mitgemessen. Demgegenüber zeigt
Die Einprägung des mit einem Stromripple versehenen Gleichstroms auf den Brennstoffzellenstack
Die Spannungsantwort des Brennstoffzellenstacks
Die Spannungs- bzw. Stromantwort U(t) bzw. I(t) wird von einer Spannung- bzw. Stromserfassungseinheit
Alternativ kann die Spannungserfassung an der ersten und zweiten Signalleitung
Dieser Widerstandswert wird an eine Temperaturbestimmungseinheit
Gemäß einer alternativen Ausführungsform kann die Impedanz des Brennstoffzellenstacks
Da bei Hochtemperaturbrennstoffzellensystemen die Verwendung flüssiger Kühlmittel weitgehend ausscheidet, wird die Temperatur des Brennstoffzellenstacks
Die Ermittlung der in der Temperaturermittlungseinheit
Insbesondere kann auf messtechnischem Wege der ohmsche Widerstand des Elektrolyten des Brennstoffzellenstacks
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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