DE102011090041A1

DE102011090041A1 - Brennstoffzellensystem und Verfahren zum Betrieb desselben

Info

Publication number: DE102011090041A1
Application number: DE102011090041A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Friede; Stefanie Schunter
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2011-12-28
Filing date: 2011-12-28
Publication date: 2013-07-04

Abstract

Es wird ein Brennstoffzellensystem, insbesondere Hochtemperaturbrennstoffzellensystem (10), beschrieben mit einem Brennstoffzellenstack (12), umfassend mindestens eine Brennstoffzelle, mit einem ersten, endständig an dem Brennstoffzellenstack positionierten Stromkollektor (140) und einem zweiten auf der gegenüberliegenden Seite des Brennstoffzellenstacks endständig positionierten zweiten Stromkollektor (142), wobei ein mittels des Brennstoffzellenstacks (12) erzeugter Strom zwischen dem ersten und dem zweiten Stromkollektor (140, 142) fließt. Mindestens einer der Stromkollektoren (140, 142) ist in mindestens zwei flächig benachbart zueinander angeordnete, voneinander elektrisch isolierte Partitionen (150a, 150b, 150c) unterteilt.

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.
Stand der Technik
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.
Es ist bekannt, dass sich die Strom-Spannungs-Kennlinie von Brennstoffzellen in Abhängigkeit von dem Partialdruck der einer Brennstoffzelle zugeführten Gasen ändert. Insbesondere ändert sich die Strom-Spannungs-Kennlinie über die Lauflänge des Gases in derselben Zelle hinweg. Dieser Zusammenhang kann für jeden Bezugspunkt der aktiven Fläche einer Brennstoffzelle gemäß Peterson, T., Houbak, N., Elmegaard, B.: „A ZeroDimensional Model of a 2 nd Generation Planar SOFC Using Calibrated Parameters" Int. J. of Thermodynamics, Vol. 9 (No. 4), pp. 147–159, December 2006 durch folgende Formel angegeben werden:
mit:

i: Stromdichte in A m^–2
Δg_f:: molare spezifische freie Gibbs’sche Energie zur Bildung eines Stoffes in J mol^–1
F:: Faraday-Konstante mit F = 96485 C mol^–1
R:: universelle Gaskonstante mit R = 8,314 J mol^–1 K^–1
T:: Stacktemperatur in K
p_i:: Partialdruck der Komponenten in bar mit i = H₂, O₂, H₂O
l_i:: Dicke des Materials in m mit i = anode, cathode, elektrolyt
σ_i:: Leitfähigkeit des Materials in Ω^–1 m^–1 mit i = anode, cathode, elektrolyt
α:: Ladungsübergangskoeffizient
i_o:: Austauschstromdichte in A m^–2

Über die Lauflänge des Gases sinkt der Partialdruck des Wasserstoffs p_H2, durch die exotherme Reaktion der Zelle steigt aber gleichzeitig die Temperatur T, so dass eine annähernd konstante Stromdichte i über die Lauflänge eingestellt werden kann.
Darüber hinaus ist aus der EP 2 075 865 A2 ein Brennstoffzellensystem bekannt, bei dem eine Stromdichtemessung an einem Brennstoffzellenstack erfolgt, um dessen Funktionstüchtigkeit zu detektieren. Weiterhin ist aus der WO 2006/134671 A1 ein Brennstoffzellensystem bekannt, bei dem zur Regelung der Gasversorgung Magnetfeldsensoren vorgesehen sind, welche in der Nähe der Stromkollektoren des Brennstoffzellenstacks angeordnet sind. Aus der US 2005/0053814 A1 ist ein weiteres Brennstoffzellensystem bekannt, bei dem die Regelung der Gasversorgung des Brennstoffzellenstacks mittels einer Strommessung erfolgt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es demgegenüber, unabhängig von der Zusammensetzung eines zuzuführenden Gases die Gasversorgung eines Brennstoffzellenstacks auf einfache Weise sicherzustellen.
Offenbarung der Erfindung
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 Ansprüche gelöst.
Dies beruht insbesondere darauf, dass das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem einen Brennstoffzellenstack umfasst, der jeweils endständig mit einem flächigen, insbesondere plattenförmigen Stromkollektor versehen ist, wobei zumindest einer der genannten Stromkollektoren in mindestens zwei benachbart zueinander angeordnete, elektrisch voneinander getrennte Partitionen aufgegliedert ist. Auf diese Weise können unterschiedliche Bereiche des Brennstoffzellenstacks hinsichtlich einer Stromdichtemessung einzeln erfasst und Rückschlüsse auf deren Versorgungssituation mit umzusetzenden Brenngasen gezogen werden.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
So ist von Vorteil, wenn eine erste Partition des ersten Stromkollektors in einem endständigen Bereich des Brennstoffzellenstacks positioniert ist, der einer Brenngaszufuhr des Brennstoffzellenstacks benachbart ist und eine zweite Partition des Stromkollektors in einem endständigen Bereich des Brennstoffzellenstacks, der der Brenngaszufuhr des Brennstoffzellenstacks abgewandt ist bzw. einem Brenngasauslass des Brennstoffzellenstacks zugewandt ist. Auf diese Weise kann die Stromdichte eines Bereichs des Brennstoffzellenstacks, der einer Brenngaszufuhr des Brennstoffzellenstacks zugewandt ist, separat erfasst werden von einer Stromdichte, die in einem zweiten Bereich des Brennstoffzellenstacks auftritt, der, verglichen mit dem ersten Bereich, in einer größeren Distanz zu der Brenngaszufuhr positioniert ist. Beide Stromdichten können miteinander verglichen und dabei auftretende Differenzen für eine Regelung des Brennstoffzellensystems herangezogen werden, vor allem in Bezug auf eine dem Brennstoffzellenstack aktuell zuzuführende Brenngasmenge.
Darüber hinaus ist von Vorteil, wenn die erste und die zweite Partition des ersten Stromkollektors im Wesentlichen flächengleich ausgeführt sind. Dies führt zu einer einfachen Bestimmung der Differenz der an der ersten und der an der zweiten Partition jeweils anliegenden Stromdichten, ohne dass unterschiedliche Flächeninhalte der jeweiligen Partition in die Differenzbetrachtung mit einbezogen werden müssen.
Zur Bestimmung der Differenz der Stromdichten des mit der ersten Partition in Kontakt stehenden Stackabschnitts und des mit der zweiten Partition des Brennstoffzellenstacks in Kontakt stehenden Stackabschnitts ist weiterhin vorteilhafterweise eine Detektionseinheit vorgesehen, innerhalb derer eine erste Stromleitung geführt ist, die mit der ersten Partition in stromleitendem Kontakt steht und eine zweite Stromleitung, welche mit der zweiten Partition in stromleitendem Kontakt steht. Dabei ist die erste Stromleitung innerhalb der Detektionseinheit so geführt, dass der in ihr fließende Strom gegensinnig zu dem in der zweiten Stromleitung innerhalb der Detektionseinheit fließenden Strom geführt ist. Durch einfache Strommessung kann dann die besagte Differenz der entsprechenden Stromdichten in einfacher Weise bestimmt werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind die erste bzw. zweite Stromleitung innerhalb der Detektionseinheit in Form von Windungen angeordnet, wobei deren Anzahl so gewählt wird, dass das Verhältnis der Anzahl von Windungen der ersten Stromleitung zu der Anzahl der Windungen der zweiten Stromleitung im Wesentlichen dem Kehrwert des Verhältnisses der Fläche der ersten Partition zu der Fläche der zweiten Partition entspricht. Auf diese Weise können auch Ausführungsformen in einfacher Weise in Bezug auf die gewünschte Differenzbildung berücksichtigt werden, bei der die erste und zweite Partition des Stromkollektors nicht flächengleich ausgeführt sind.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird die mittels der Detektionseinheit generierte Differenz der Stromdichten im Bereich der ersten und der zweiten Partition des Stromkollektors dazu benutzt, ein Regelsignal zu generieren, das seinerseits einer Brenngasfördereinheit, bspw. in Form eines Verdichters, zur Verfügung gestellt wird, über das die dem Brennstoffzellenstack zuzuführende Brenngasmenge geregelt wird.
Gemäß einer weiteren besonders vorteilhaften Ausführungsform umfasst der Brennstoffzellenstack mindestens zwei Brennstoffzellen, die auf einem gemeinsamen keramischen Körper angeordnet sind, in dem ein Brenngasgemisch geführt ist. Diese Brennstoffzellen weisen ein unterschiedliches Potenzial auf, das jeweils getrennt über die Partitionen des Stromkollektors abgegriffen und einer Bestimmung einer Potenzialdifferenz zwischen beiden Brennstoffzellen zugeführt werden kann. Eine solche Potenzialdifferenz in Form einer Spannung wird einer Regeleinheit zugeführt, über die die dem Brennstoffzellenstack zuzuführende Menge an Brenngas bestimmt wird.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. So zeigt:
1: Eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems geeignet zur Implementierung der vorliegenden Erfindung,
2: Eine schematische Darstellung eines Ausschnitts des Brennstoffzellensystems nach 1 dessen Regelung betreffend,
3: Eine schematische Darstellung eines weiteren Ausschnitts des Brennstoffzellensystems nach 1 gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
4: Eine schematische Darstellung eines Ausschnitts des Brennstoffzellensystems nach 1 gemäß einer zweiten Ausführungsform dessen Regelung betreffend,
5: Ein Korrelationsdiagramm der innerhalb eines Brennstoffzellenstacks auftretenden Stromdichten des Brennstoffzellensystems nach 3 in Abhängigkeit von dem jeweiligen Brennstoffnutzungsgrad für vier im Wesentlichen gleich große Abschnitte des Brennstoffzellenstacks eines Brennstoffzellensystems nach 3 und
6: Ein weiteres Korrelationsdiagramm der innerhalb eines Brennstoffzellenstacks auftretenden Stromdichten in Abhängigkeit von dem jeweiligen Brennstoffnutzungsgrad für drei im Wesentlichen gleich große Abschnitte des Brennstoffzellenstacks eines Brennstoffzellensystems nach 3.
Ausführungsformen der Erfindung
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 Anodenrestgasrezirkulation vorgesehen ist.
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, über den im Abgas des Brennstoffzellenstacks 12 enthaltene Restenergie zur Vorheizung der dem Kathodenbereich 12a zugeführten Luft genutzt werden kann.
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.
Dem Reformer 18 seinerseits wird als Ausgangssubstanz zur Erzeugung eines geeigneten Brennstoffgemischs beispielsweise Erdgas über eine dritte 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.
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 bspw. mit integrierter Deionisationseinheit 24 mithilfe 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, über die, beispielsweise in einer Startphase des Brennstoffzellensystems, mithilfe eines zweiten Ventils 28 und eines vierten Verdichters C4 Luft in die dritte Medienleitung 16c eingebracht und somit in dieser ein 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.
Die im Kathodenbereich 12a bzw. Anodenbereich 12b erzeugten Abgase des Brennstoffzellenstacks 12 werden beispielsweise nachfolgend einem Brenner 30 zugeführt, wobei 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.
Optional ist weiterhin in die Abgasleitung 16f ein dritter Wärmetauscher W3 integriert, der der Temperierung von Kühlmedien des Brennstoffzellensystems 12 dient. Als Kühlmedium kann bspw. das Wärmeträgermedium eines Heizkreises für Gebäude in Form von Wasser sein. Weiterhin optional kann die Abgasleitung 16f einen nicht dargestellten Kondensatabscheider aufweisen, über den Kondenswasser gewonnen und dem Wasserbehälter 24 beispielsweise mithilfe eines fünften Verdichters C5 zugeführt werden kann. Der im Betrieb des Brennstoffzellensystems 10 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 einem zu versorgenden Stromnetz 36 zugeführt.
Die dem Brennstoffzellenstack 12 zuzuführende Menge an Brenngas ist zunächst abhängig von der an dem Brennstoffzellensystem 10 aktuell anliegenden Leistungsanforderung. Darüber hinaus spielen als weitere Stellgrößen auch die aktuelle Temperatur des Brennstoffzellenstacks 12 sowie die in unterschiedlichen Abschnitten des Brennstoffzellenstacks 12 erreichbaren Stromdichten eine Rolle. Die der Steuerung der Brenngaszufuhr zugrundeliegenden Steuermechanismen sind in 2 verdeutlicht, wobei gleiche Bezugszeichen gleiche Komponenten des Brennstoffzellensystems 10 betreffen wie in 1.
Dabei wird zunächst sichergestellt, dass am Brennstoffzellenstack 12 des Brennstoffzellensystems 10 eine ausreichend hohe Betriebstemperatur vorliegt. Zu diesem Zweck wird bspw. mittels einer geeigneten Temperaturerfassungseinheit 40 die aktuelle Ist-Temperatur des Brennstoffzellenstacks T_stc,PV bestimmt und einem Komparator 42 zugeführt, wo sie mit einer minimalen Stack-Soll-Temperatur T_stc,min,SP verglichen wird. Der resultierende Differenzwert wird einer Temperaturregeleinheit 44 zugeführt, die ihrerseits einen ersten Sollwert für einen geeigneten Brennstoff-Massenstrom F_NG,FP generiert und an ein Steuergerät 46 übermittelt. Dem liegt die Überlegung zugrunde, dass bei einer zu niedrigen Temperatur des Brennstoffzellenstacks 12 durch eine erhöhte Zufuhr von Brenngas NG eine Erhöhung der Temperatur des Brennstoffzellenstacks 12 durch vermehrte Umsetzung des Brenngases NG erzielt werden kann.
Als weitere Steuergröße wird dem Steuergerät 46 der Sollwert eines minimalen Massenstroms an Brenngas NG F_min zur Verfügung gestellt, der aus dem aktuellen Leistungsanforderungsprofil an das Brennstoffzellensystem 10 resultiert und der dem Verhältnis aus dem am Brennstoffzellenstack 12 anliegenden Strom I zu einem maximalen Brennstoffnutzungsgrad FU_max entspricht. Auf Basis der beiden dem Steuergerät 46 zur Verfügung gestellten Steuergrößen F_min und F_NG,SP wird seitens des Steuergeräts 46 eine weitere Steuergröße in Form eines Gesamtmassenstroms an Brenngas als Sollwert F_NG,SP,ges durch Maximumbildung generiert und einem weiteren Komparator 48 übermittelt. Dieser vergleicht die weitere Steuergröße F_NG,SP,ges mit einem tatsächlich aktuell im Brennstoffzellensystem 10 vorliegenden tatsächlichen Massenstrom an Brenngas F_NG,PV, der bspw. über einen Massenflussmesser F bestimmt wird, und erstellt einen Differenzwert für eine Steuereinheit 50 zur Steuerung beispielsweise des Verdichters C2, über den der Massenstrom an Brenngas im Brennstoffzellensystem 10 eingestellt und bewirkt wird. Die Steuereinheit 50 generiert aus dem durch den Komparator 48 ermittelten Differenzwert eine Betriebsspannung U_SP, die die Leistungsaufnahme des Verdichters C2 reguliert.
Zur weiteren Verdeutlichung ist in 3 ein Ausschnitt des in 1 dargestellten Brennstoffzellensystems 10 abgebildet, wobei weiterhin gleiche Bezugszeichen gleiche Bauteilkomponenten wie in den 1 und 2 bezeichnen.
Der Brennstoffzellenstack 12 des Brennstoffzellensystems 10 umfasst dabei eine erste Endplatte 140 sowie eine zweite Endplatte 142, welche jeweils endständig an gegenüberliegenden Seiten des Brennstoffzellenstacks 12 positioniert sind. Der Brennstoffzellenstack 12 ist dabei beispielsweise in Form eines flachtubularen Stacks ausgeführt und umfasst beispielsweise eine Vielzahl tubularer Brennstoffzellen 144, welche jeweils durch metallische Interkonnektoren 146 untereinander verbunden sind und auf ihrer Innenseite mit einem Brenngas und auf ihrer Außenseite mit einem sauerstoffhaltigen Gas wie beispielsweise Luft beaufschlagt werden. Die Brennstoffzellen 144 werden über die Brenngaszufuhr 16b mittels des zweiten Verdichters C2 mit einem Brenngas versorgt, welches vor Eintritt in die Brennstoffzellen 144 im Reformer 18 reformiert wird.
Die Endplatten 140, 142 dienen der mechanischen Stabilisierung des Brennstoffzellenstacks 12 und sind darüber hinaus elektrisch leitfähig ausgeführt. Während die zweite Endplatte 142 zusätzlich als Stromkollektor für den im Brennstoffzellenstack 12 erzeugten Gleichstrom dient, umfasst die erste Endplatte 140 eine bspw. elektrisch leitfähige Begrenzungsschicht 147 sowie eine isolierende, beispielsweise aus einem keramischen Material ausgeführte Isolierschicht 148. Die Isolierschicht 148 ihrerseits weist auf ihrer der Begrenzungsschicht 147 gegenüberliegenden Großfläche mindestens zwei, hier drei, voneinander elektrisch getrennte Stromkollektoren in Form von Partitionen 150a, 150b, 150c auf, wobei die erste Partition 150a in einem der Brenngaszufuhr 16b zugewandten Bereich des Brennstoffzellenstacks 12 positioniert ist, die zweite Partition 150b in einem in Bezug auf die Strömungsrichtung des Brenngases durch den Brennstoffzellenstack 12 mittleren Bereich des Brennstoffzellenstacks 12 und die dritte Partition 150c in einem der Brenngaszufuhr 16b abgewandten Bereich des Brennstoffzellenstacks 12. Auf diese Weise kann über die erste Partition 150a im Zusammenwirken mit der zweiten Endplatte 142 eine Stromdichte des Brennstoffzellenstacks 12 in einem der Brenngaszufuhr 16b zugewandten Bereich des Brennstoffzellenstacks 12 erfasst werden, mittels der zweiten Partition 150b im Zusammenwirken mit der zweiten Endplatte 142 eine in einem mittleren Bereich des Brennstoffzellenstacks 12 herrschende Stromdichte und mittels der dritten Partition 150c im Zusammenwirken mit der zweiten Endplatte 142 eine Stromdichte im endständigen, der Brennstoffzufuhr 16b abgewandten Bereich des Brennstoffzellenstacks 12.
Auf diese Weise lässt sich der Stromdichteverlauf in Strömungsrichtung des umzusetzenden Brenngases innerhalb des Brennstoffzellenstacks 12 erfassen und zur Regulierung der zuzuführenden Menge an Brenngas heranziehen.
Der von den Partitionen 150a, 150b, 150c aufgenommene Gleichstrom wird über jeweils regelbare Widerstände 152a, 152b, 152c dem Wechselrichter 34 zugeführt. Dabei können die regelbaren Widerstände 152a, 152b, 152c in einfacher Weise beispielsweise durch unterschiedlich große Leitungsquerschnitte oder auch durch Kerben in den entsprechenden Stromleitungen realisiert werden, um den Widerstand aller die Stromkollektoren 150a, 150b, 150c mit dem Wechselrichter 34 verbindenden Leitungen im Wesentlichen gleichzuhalten.
Um beispielsweise in einfacher Weise die Differenz zwischen der an der ersten Partition 150a und der endständig positionierten, der Brenngaszufuhr 16b abgewandten Partition 150c anliegenden Stromdichte zu bestimmen, kann beispielsweise auf eine Strommessung zurückgegriffen werden, die nach einem Gegenstromprinzip funktioniert. Dazu ist beispielsweise eine Strommessvorrichtung 154 vorgesehen, innerhalb derer eine erste die erste Partition 150a mit dem Wechselrichter 34 verbindende Stromleitung 156a gegensinnig zu einer dritten die dritte Partition 150c mit dem Wechselrichter 34 verbindende Stromleitung 156c angeordnet ist. Auf diese Weise wird durch die Strommessvorrichtung 154 ein mit der Stromdichtedifferenz korrelierender Differenzstrom zwischen erster und dritter Stromleitung 156a, 156c gemessen. Dabei zeigt der Pfeil 158 eine positive Messrichtung des Differenzstroms an. Alternativ ist es jedoch auch möglich, die in den Stromleitungen 156a, 156c fließenden Ströme jeweils mit separaten Strommessvorrichtungen zu erfassen und zu vergleichen.
Vorzugsweise sind die Partitionen 150a, 150b, 150c flächengleich ausgeführt. Alternativ ist es jedoch auch möglich, dass nur die der Brenngaszufuhr 16b zugewandte Partition 150a und die endständig positionierte, der Brenngaszufuhr 16b abgewandte Partition 150c flächengleich ausgeführt sind, während hingegen die zweite Partition 150b einen abweichenden Flächeninhalt aufweist.
Eine weitere Alternative besteht darin, die erste Partition 150a und die dritte Partition 150c mit unterschiedlichen Flächeninhalten auszuführen, und die Kompensation der unterschiedlichen Flächeninhalte messtechnisch durch die Strommessvorrichtung 154 vorzunehmen. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass die Strommessvorrichtung 154 die erste Stromleitung 156a sowie die dritte Stromleitung 156c in Windungen gelegt beinhaltet, wobei die Zahl der Windungen so gewählt wird, dass das Verhältnis der Windungszahl bezogen auf die erste Stromleitung 156a zu der Windungszahl der dritten Stromleitung 156c im Wesentlichen dem Kehrwert des Verhältnisses der Fläche der ersten Partition 150a zu der Fläche der dritten Partition 150c entspricht. Bei dieser Ausführungsform wird dann bei gleicher anliegender Stromdichte an der ersten Partition 150a und an der dritten Partition 150c eine Stromdichtedifferenz von Null gemessen. Grundsätzlich ist es jedoch alternativ auch möglich, unterschiedliche Flächeninhalte der ersten Partition 150a und der dritten Partition 150c messtechnisch im Rahmen der Auswertung der Stromdichtedifferenz in einer entsprechenden Regeleinheit 160 vorzunehmen.
Alternativ können zusätzlich zu den Endplatten 140, 142 auch einer oder mehrere der Interkonnektoren 146 in Partitionen unterteilt sein, die vorzugsweise in Bezug auf ihre flächige Ausgestaltung vergleichbar ausgestaltet sind wie die zugehörigen Partitionen 150a, 150b, 150c der jeweiligen Endplatte 140, 142. Vorzugsweise werden insbesondere die einer partitionierten Endplatte 140, 142 benachbart positionierten Interkonnektoren ebenfalls partitioniert. Damit wird verhindert, dass sich Stromdichtedifferenzen innerhalb des Brennstoffzellenstacks 12 durch Ströme in den jeweiligen Interkonnektoren 146 parallel zur Zellfläche der entsprechenden Brennstoffzellen ausgleichen.
Alternativ kann die Strommessvorrichtung auch in den Wechselrichter integriert sein.
Die Regeleinheit 160 ordnet einem entsprechenden Stromsignal der Strommessvorrichtung 154, ausgehend von einer Verdichterkennlinie des Verdichters C2 unter Berücksichtigung eines gewünschten Gasnutzungsgrades FU und gegebenenfalls einer Stacktemperatur T_stc,PV, dem Verdichter C2 einen entsprechenden Volumenstrom zu.
Ein entsprechendes Regelungsschema ist in gezeigt, wobei weiterhin gleiche Bezugszeichen gleiche Systemkomponenten bezeichnen wie in den 1 bis 3.
Dabei wird eine vorgegebene Stromdichtedifferenz Δi soll mit einer gemessenen Stromdichtedifferenz Δi ist über einen Stromdichtekomparator 54 verglichen. Das Ergebnis des Vergleichs dient als Eingangsgröße für das Steuergerät 46 zur Regulierung der Brenngaszufuhr für den Brennstoffzellenstack 12.
Darüber hinaus erfolgt eine Temperaturüberwachung des Brennstoffzellenstacks. In diesem Rahmen wird über den Komparator 42 die aktuelle Ist-Temperatur des Brennstoffzellenstacks T_stc,PV mit einer minimalen Stack-Soll-Temperatur T_stc,min,SP verglichen und der resultierende Differenzwert der Temperaturregeleinheit 44 zugeführt.
Über eine Addition 56 der durch das Steuergerät 46 und die Temperaturregeleinheit 44 übermittelten Sollwerte wird die Leistung des Verdichters C2 vorgegeben bspw. in Form einer geänderten Betriebsspannung U_SP, für den Verdichter C2. Eine Maximalwert-Funktion 58, die als Eingänge das Steuersignal der Temperaturregeleinheit 44 und den Wert null als Element 60 hat, wird sichergestellt, dass in der Addition 56 nur positive Werte aus der Temperaturregelung berücksichtigt werden. Dadurch wird die Leistung des Verdichters C2 bei zu niedriger Temperatur erhöht, nicht aber bei zu hoher Temperatur gesenkt. Letzteres würde zu einer Schädigung des Brennstoffzellenstacks führen, daher muss die Temperatur im Fall einer Überschreitung der Solltemperatur über eine andere Stellgröße, z. B. über die Luftversorgung, geregelt werden
Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem 10 kann demnach ohne einen Massenstromsensor für das dem Brennstoffzellenstack 12 zur Verfügung gestellte Brenngas betrieben werden, es schließt jedoch die grundsätzliche Verwendung eines solchen Massenstormsensors nicht aus.
Beispiele für den Zusammenhang zwischen Stromdichte und dem Gasnutzungsgrad aus einer Simulation sind in den 5 und 6 dargestellt. Dabei repräsentiert 5 ein Kennlinienfeld eines Brennstoffzellenstacks, der einen Stromkollektor mit vier Partitionen und somit vier Stackabschnitte aufweist und 6 ein Kennlinienfeld eines Brennstoffzellenstacks, der einen Stromkollektor mit drei Partitionen und somit drei Stackabschnitte aufweist.
Dabei ist die Kennlinie 1 einem ersten Stackabschnitt bzw. einer ersten Partition zuzuordnen, die Kennlinie 2 einem zweiten Stackabschnitt bzw. einer zweiten Partition, die Kennlinie 3 einem dritten Stackabschnitt bzw. einer dritten Partition und die Kennlinie 4 einem vierten Stackabschnitt bzw. einer vierten Partition. Es wird ein Sollwert für eine mit der Strommessvorrichtung 154 bestimmte Stromdifferenz vorgegeben, der von der Auslegung des Brennstoffzellenstacks bzw. -systems abhängt.
Zeigt der mittels der Strommessvorrichtung 154 gemessene Strom dann einen höheren Wert als den Sollwert, so wird die dem Brennstoffzellenstack 12 zuzuführende Brenngasmenge erhöht. Zeigt der mittels der Strommessvorrichtung 154 gemessene Strom einen niedrigeren Wert als den Sollwert, so wird die Menge an dem Brennstoffzellenstack 12 zuzuführendem Brenngas gesenkt. Eine Hysterese oder beispielsweise ein Regler mit geringer Verstärkung können dabei ein Schwingen dieses Regelkreises verhindern.
Es besteht jedoch auch die Möglichkeit, dass abweichend von bzw. ein deutlicher Schnittpunkt zwischen den Kennlinien des bezogen auf die Brenngaszufuhr 16b ersten und letzten Stackabschnitts vorliegt. In diesem Fall kann der Sollwert auch auf Null oder beispielsweise auf einen negativen Stromwert gesetzt werden.
Um beispielsweise im Falle eines Kennlinienfeldes, wie in 6 abgebildet, zu erreichen, dass eine möglichst geringe Spreizung der Stromdichten in Bezug auf die einzelnen Kennlinien erreicht wird, kann der Sollwert für den mittels der Strommessvorrichtung 154 gemessenen Strom auf Null oder auf einen Wert knapp über Null gesetzt werden. Zeigt der mittels der Strommessvorrichtung 154 gemessene Strom einen höheren Wert an, so wird die Menge an zuzuführendem Brenngas zum Brennstoffzellenstack 12 erhöht.
Um zu verhindern, dass der Brennstoffzellenstack 12 dauerhaft mit einem großen Überschuss an Brenngas betrieben wird, wird zeitweise, vorzugsweise regelmäßig, insbesondere einmal pro Minute, von der Regelvorrichtung 60 die aktuelle Gebläseeinstellung des Verdichters C2 gespeichert und beispielsweise die Menge des dem Brennstoffzellenstack 12 zugeführten Brenngases um einen definierten Wert bezogen auf den registrierten Stellwert abgesenkt. Ist nach einem vorbestimmten Zeitraum von beispielsweise 10 Sekunden danach keine Erhöhung des mittels der Strommessvorrichtung 154 bestimmten Stromwerts über den Sollwert hinaus zu beobachten, so wird die neue Einstellung des Verdichters C2 beibehalten. Wird jedoch nach dem Beobachtungszeitraum von beispielsweise 10 Sekunden der Sollwert durch den mittels der Strommessvorrichtung 154 bestimmten Stromwert überschritten, so wird die zuvor gespeicherte Einstellung des Verdichters C2 wieder hergestellt. Diese Überprüfung des Sollwerts wird insbesondere bei einer konstanten Stacktemperatur durchgeführt, die beispielsweise über einen entsprechenden Sensor oder über eine indirekte Temperaturbestimmung aus Zustandsdaten des Brennstoffzellenstacks 12 bestimmt wird.
Das vorbeschriebene Ausführungsbeispiel bezieht sich auf die Anwendung bei offenen tubularen Stacks. Es ist jedoch auch denkbar, anstatt dessen tubulare bzw. planare Stacks einzusetzen. Bei tubularen Stacks ist häufig auf unterschiedlichen Höhen des Tubus bereits eine elektrische Kontaktierung vorhanden, sodass eine Übertragung der vorliegenden Erfindung in Bezug auf einen Abgriff des im Brennstoffzellenstack 12 erzeugten Stroms auf unterschiedlichen Höhen des Tubus einfach realisiert werden kann.
Sind bei einem tubularen Brennstoffzellenstack mehrere Zellen unabhängig voneinander auf einem Tubus angeordnet in Form sogenannter segmentierter Zellen, so ist zunächst die Ausgangsbedingung, dass den betrachteten Zellen ein vergleichbares Potenzial zuzuordnen ist, nicht gegeben. Eine Übertragung der erfindungsgemäßen Methodik sieht hier vor, die Einzelspannungen der einzelnen Zellen zu bestimmen und zu vergleichen. Fällt die Einzelspannung der in Strömungsrichtung des Brenngases durch den Tubus gesehen letzten Zelle gegenüber der der ersten ab, muss mehr Brenngas zugeführt werden, herrscht an der in Strömungsrichtung des Brenngases letzten Zelle ein höheres Potenzial, so wird die Gaszufuhr reduziert.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist weiterhin lediglich im Bereich der ersten Endplatte 140 eine Partitionierung in mehrere Partitionen 150a, 150b, 150c vorgesehen. Alternativ ist es jedoch auch denkbar, auf beiden Seiten des Brennstoffzellenstacks 12, also im Bereich sowohl der ersten als auch der zweiten Endplatte 140, 142 eine Partitionierung und somit mehrere separate Partitionen vorzusehen. Weiterhin ist es möglich, abweichend von dem beschriebenen Ausführungsbeispiel, bei dem die erste Endplatte 140 einem Minuspol und die zweite Endplatte 142 einem Pluspol des Brennstoffzellenstacks 12 zuzuordnen ist, eine abweichende Polarisierung vorzunehmen.
Das beschriebene Brennstoffzellensystem 10 sowie das entsprechende Verfahren zum Betrieb desselben lässt sich in vorteilhafter Weise einsetzen in Brennstoffzellen-Heizgeräten oder in brennstoffzellenbasierten Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen sowie Blockheizkraftwerken unterschiedlicher Leistungsklasse von beispielsweise 0,5 bis 1.000 kW.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 2075865 A2 [0005]
WO 2006/134671 A1 [0005]
US 2005/0053814 A1 [0005]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Peterson, T., Houbak, N., Elmegaard, B.: „A ZeroDimensional Model of a 2 nd Generation Planar SOFC Using Calibrated Parameters“ Int. J. of Thermodynamics, Vol. 9 (No. 4), pp. 147–159, December 2006 [0003]

Claims

Brennstoffzellensystem, insbesondere Hochtemperaturbrennstoffzellensystem (10), mit einem Brennstoffzellenstack (12), umfassend mindestens eine Brennstoffzelle, mit einem ersten, endständig an dem Brennstoffzellenstack positionierten Stromkollektor (140) und einem zweiten auf der gegenüberliegenden Seite des Brennstoffzellenstacks endständig positionierten zweiten Stromkollektor (142), wobei ein mittels des Brennstoffzellenstacks (12) erzeugter Strom zwischen dem ersten und dem zweiten Stromkollektor (140, 142) fließt, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der Stromkollektoren (140, 142) in mindestens zwei flächig, benachbart zueinander angeordnete, voneinander elektrisch isolierte Partitionen (150a, 150b, 150c) unterteilt ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Partition (150a) des ersten Stromkollektors (140) in einem der Gasversorgung (16b) des Brennstoffzellenstacks (12) zugewandten Bereich des Brennstoffzellenstacks (12) positioniert ist und eine zweite Partition (150c) des ersten Stromkollektors (140) in einem der Gasversorgung (16b) des Brennstoffzellenstacks (12) abgewandten Bereich.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die zweite Partition (150a, 150c) des ersten Stromkollektors (140) im Wesentlichen flächengleich ausgeführt sind.
Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Detektionseinheit (154) vorgesehen ist, mittels der die Differenz der an der ersten Partition (150a) anliegenden Stromdichte und der an der zweiten Partition (150c) anliegenden Stromdichte bestimmt werden kann, wobei die Detektionseinheit (154) eine mit der ersten Partition (150a) verbundene erste Stromleitung (156a) und eine mit der zweiten Partition (150c) verbundene zweite Stromleitung (156c) umfasst, und wobei die erste und die zweite Stromleitung (156a, 156c) so innerhalb der Detektionseinheit (154) ausgerichtet sind, dass der in der ersten Stromleitung (156a) fließende Strom gegensinnig bezogen auf den in der zweiten Stromleitung (156b) fließenden Strom ausgerichtet ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und/oder zweite Stromleitung (156a, 156c) in Windungen innerhalb der Detektionseinheit (154) angeordnet sind, wobei das Verhältnis der Anzahl von Windungen der ersten Stromleitung (156a) zu der Anzahl der Windungen der zweiten Stromleitung (156c) im Wesentlichen dem Kehrwert des Verhältnisses der Fläche der ersten Partition (150a) zur Fläche der zweiten Partition (150c) entspricht.
Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Regelungseinheit (160) vorgesehen ist, mittels der auf der Basis einer über die Detektionseinheit (154) bestimmten Differenz der Stromdichten im Bereich der ersten und der zweiten Partition (150a, 150c) des ersten Stromkollektors (140) ein Eingangssignal für eine Brenngasfördereinheit (C2), die dem Brennstoffzellenstack (12) Brenngas zuführt, generiert wird.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoffzellenstack (12) mindestens zwei auf einem einen Brenngasstrom führenden keramischen Körper (144) in Strömungsrichtung des Brenngases angeordnete Brennstoffzellen aufweist, wobei mittels der Detektionseinheit (154) eine Spannungsdifferenz zwischen der an der ersten Brennstoffzelle anliegenden Spannung und der an der zweiten Brennstoffzelle anliegenden Spannung erfolgt.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die mittels der zweiten Detektionseinheit bestimmte Spannungsdifferenz als Regelsignal für die Regeleinheit (C2) zur Steuerung des dem Brennstoffzellenstack (12) zugeführten Brenngasstroms verwendet wird.
Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Brennstoffzellenstack (12) des Brennstoffzellensystems (10) mit einem ersten, endständig am Brennstoffzellenstack (12) positionierten, insbesondere flächig ausgeführten Stromkollektor (140) versehen ist und dass der Brennstoffzellenstack (12) auf seiner gegenüberliegenden Seite mit einem zweiten, ebenfalls endständig positionierten, und insbesondere flächig ausgeführten zweiten Stromkollektor (142) versehen ist, wobei ein mittels des Brennstoffzellenstacks (12) erzeugter Strom zwischen dem ersten und dem zweiten Stromkollektor (140, 142) fließt, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest der erste Stromkollektor (140) mindestens eine erste und eine zweite Partition (150a, 150c) aufweist, die elektrisch voneinander getrennt sind, wobei eine Differenz einer an der ersten Partition (150a) anliegenden Stromdichte und einer an der zweiten Partition (150c) anliegenden Stromdichte und/oder eine Spannung zwischen der ersten Partition (150a) und der zweiten Partition (150c) bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Differenz der an der ersten Partition (150a) anliegenden Stromdichte und der an der zweiten Partition (150c) anliegenden Stromdichte und/oder die Spannung zwischen der ersten Partition (150a) und der zweiten Partition (150c) als Eingangsgröße eines Reglers (160) für eine dem Brennstoffzellenstack (12) zuzuführende Menge an Brenngas verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer gemessenen Stromdichtedifferenz von größer 0 mA/cm² die dem Brennstoffzellenstack (12) zuzuführende Menge an Brenngas erhöht wird.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer gemessenen Stromdichtedifferenz von kleiner 0 mA/cm² die dem Brennstoffzellenstack (12) zuzuführende Menge an Brenngas verringert wird.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass dem Brennstoffzellenstack (12) eine zusätzliche Menge an Brenngas zugeführt wird, die eine Abkühlung des Brennstoffzellenstacks verhindert.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass in im Wesentlichen regelmäßigen Abständen die dem Brennstoffzellenstack (12) zuzuführende Brenngasmenge auf einen Ausgangswert zurückgesetzt wird und nachfolgend eine Bestimmung der Differenz der Stromdichten bzw. eine Spannungsbestimmung durchgeführt wird.
Verwendung eines Brennstoffzellensystems nach einem der Ansprüche 1 bis 8 und eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 9 bis 14 in brennstoffzellenbasierten Heizgeräten, in brennstoffzellenbasierten Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen oder Blockheizkraftwerken zur Erzeugung von elektrischer und thermischer Energie.