Aufgabe der vorliegenden Erfindung
ist, eine Steuervorrichtung bzw. ein Steuerverfahren anzugeben,
das auf einfache Weise eine optimierte Prozessführung in einem Reaktor ermöglicht.
Die Aufgabe wird gelöst durch
eine Steuervorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. ein
Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 15. Indem Änderungen
der Prozesseffektivität,
die nicht die Frequenz der oszillierenden Komponente aufweisen,
im Messsignal unberücksichtigt
bleiben, können zufällige bzw.
nicht mit der periodischen Änderung des
Steuersignals zusammenhängende Änderungen der
Effektivität
wirksam ausgefiltert und ein Zusammenhang zwischen dem mit dem Steuersignal
gesteuerten Prozessparameter und der Effektivität sicher erfasst werden.
Um eine mit der Frequenz der oszillierenden Komponente
des Steuersignals oszillierende Komponente des Messsignals wirksam
zu isolieren, wird vorzugsweise ein Lock-in-Verstärker eingesetzt.
Der gesteuerte Prozessparameter ist
vorzugsweise eine Durchflussrate. Als Aktor zu ihrer Steuerung kommt
insbesondere ein Ventil oder eine Pumpe in Betracht.
Das Steuersignal ist vorzugsweise
moduliert. Genauer gesagt ist bei Verwendung eines Ventils als Motor
um ein pulsbreitenmoduliertes Signal bevorzugt. Dieses ermöglicht eine
einfache Steuerung der Durchflussrate eines Mediums durch das Ventil,
indem das Ventil lediglich zwischen einem geschlossenen und einem
offenen Zustand hin und her geschaltet wird, wobei das Verhältnis der
Dauer der beiden Zustände
die Durchflussrate festlegt. Dabei sollte die Schaltperiode des
Ventils kurz sein im Vergleich zu einer Zeitkonstante, mit der sich
die Parameter der Reaktion an eine veränderte Durchflussrate anpassen,
so dass die Pulsation der Durchflussrate nicht zu einer Oszillation
der Parameter mit der Schaltperiode führt.
Bei Verwendung einer Pumpe als Aktor
bietet sich eine Modulation der Frequenz des Steuersignals an, um
die Drehzahl und damit den Durchsatz der Pumpe zu steuern.
Um die Steuerung einfach zu halten
und eine Anregung von Oszillationen des Reaktors durch die oszillierende
Komponente des Steuersignals zu vermeiden, sollte die Frequenz der
oszillierenden Komponente des Steuersignals so niedrig sein, dass
eine Phasendifferenz zwischen dieser Komponente und einer von ihr
verursachten Veränderung
der von dem Sensor erfassten Größe deutlich
kleiner als eine Viertelperiode der oszillierenden Komponente ist.
Mit anderen Worten, die Frequenz der oszillierenden Komponente ist
so niedrig, dass der zu einem gegebenen Zeitpunkt erfasste Wert
des Messsignals mit guter Näherung
als dem gleichzeitig anliegenden Mittelwert des Steuersignals entsprechend
angesehen werden kann.
Einer ersten bevorzugten Anwendung
zufolge erfasst der Sensor einen elektrischen Innenwiderstand zwischen
zwei Anschluss klemmen des Reaktors, wobei es sich bei dem Reaktor
hier vorzugsweise um eine Brennstoffzelle handelt.
Auch für die Messung des Innenwiderstandes
kann vorteilhaft ein Lock-in-Verfahren eingesetzt werden. Dabei
wird ein mit einer zweiten Frequenz periodischer Laststrom an den
Anschlussklemmen aufgeprägt,
und die resultierende Spannungsänderung
an den Klemmen wird von dem Sensor erfasst. Um die Einflüsse der
oszillierenden Komponente des Steuersignals und des periodischen
Laststroms auf die erfasste Spannung voneinander unterscheiden zu
können,
ist es sinnvoll, dass die Frequenzen beider sich stark unterscheiden.
Insbesondere sollte die Frequenz des periodischen Laststroms wesentlich höher als
die der oszillierenden Komponente des Steuersignals sein, da eine
Veränderung
des internen Zustands der Brennstoffzelle in Reaktion auf die zeitliche
Veränderung
des Laststroms weder erforderlich noch erwünscht ist.
Bei einer zweiten bevorzugten Anwendung ist
der Sensor ein Temperatursensor zum Erfassen einer Temperatur im
Innern des Reaktors. Ein solcher Sensor ist insbesondere geeignet,
wenn die Steuervorrichtung zum Steuern eines Reformers eingesetzt werden
soll.
Weitere Merkmale und Vorteile der
vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung
von Ausführungsbeispielen
mit Bezug auf die beigefügten
Figuren. Es zeigen:
1 ein
Blockdiagramm eines Reaktors mit einer Steuervorrichtung gemäß der Erfindung;
2 ein
detaillierteres Blockdiagramm, das die Anwendung der Erfindung auf
eine Brennstoffzelle als Reaktor zeigt; und
3 ein
Blockdiagramm einer Innenwiderstands-Messvorrichtung der Steuervorrichtung
aus 2.
1 zeigt
ein Reaktorsystem mit einem Reaktor 1 und einer Steuervorrichtung 3 zum
Steuern des Ablaufs einer chemischen Reaktion in dem Reaktor 1.
Bei dem Reaktor 1 kann. es sich um eine Brennstoffzelle
handeln oder z.B. um einen Reformer, der einen flüssigen Kraftstoff
wie etwa Methanol in ein im wesentlichen aus Wasser, Wasserstoff
und Kohlendioxid bestehendes Gasgemisch umsetzt, das als Brennstoff
in einer Brennstoffzelle eingesetzt werden kann. Auch die Hintereinanderschaltung
beider kann als Reaktor aufgefasst werden.
Ein Regelventil 2 regelt
den Zustrom des Kraftstoffs in den Reaktor. Die Durchflussrate des Kraftstoffs
durch das Regelventil 2 ist durch die Steuervorrichtung 3 gesteuert.
Die Steuervorrichtung 3 umfasst einen Sensor 4 zum
Erfassen einer im Reaktor 1 herrschenden Temperatur. Der
Sensor 4 kann z.B. ein im Innern des Reaktors 1 oder
an dessen Wand angeordnetes Thermoelement sein, oder auch ein optischer
Temperatursensor, der durch ein infrarotdurchlässiges Fenster des Reaktors 1 Infratrotabstrahlung
einer Reaktionsoberfläche
im Reaktor 1 erfasst. Der Sensor 4 liefert ein
für die
Temperatur im Reaktor repräsentatives
Spannungssignal a an einen Tiefpass 5 und über diesen
an ein Multiplikationsglied 6, wo es mit einem von einem
Oszillator 7 gelieferten periodischen Signal b mit einer
Frequenz f1 multipliziert wird. Das resultierende
Ausgangssignal c des Multiplikationsgliedes 6 hat einen
Gleichanteil, der proportional ist zur mit dem Oszillatorsignal
b phasengleichen Komponente bei der Frequenz f1 des Ausgangssignals
des Tiefpasses 5.
Der Oszillator 7 ist ferner
an ein Modulationsglied 8 angeschlossen, das einem von
einem Signalgeber 9 gelieferten Ausgangssignal d eine spektrale Komponente
bei der Frequenz f1 des Oszillators 7 aufprägt. Das
so erhaltene modulierte Steu ersignal e steuert das Regelventil 2 an,
so dass dessen Durchsatz mit der Frequenz f1 moduliert
ist.
Wenn zunächst der Einfachheit halber
angenommen wird, dass die von dem Sensor 4 erfasste Temperatur
im Reaktor 1 dem Brennstoffdurchsatz durch das Regelventil 2 verzögerungsfrei
folgt, so bedeutet dies, dass die vom Sensor 4 erfasste
Temperatur mit der Frequenz f1 oszilliert,
wobei die Oszillation mit der der Durchflussrate gleichphasig ist,
wenn vermehrter Durchfluss zu einer Temperatursteigerung führt, und
gegenphasig ist, wenn er zu einer Temperaturverringerung führt. Um
die erfasste Temperatur z.B. zu maximieren, genügt es also, durch ein Tiefpassfilter 10 einen
im Ausgangssignal c des Multiplikationsgliedes 6 enthaltenen
Gleichanteil f abzutrennen und einem Nachregeleingang des Signalgebers 9 zuzuführen, so
dass dieser den Pegel des an das Modulationsglied 8 gelieferten
Ausgangssignals d mit einer der Stärke dieses Gleichanteils f
entsprechenden Geschwindigkeit nachregelt. Wenn ein Maximum der
Temperatur erreicht ist, ist die Temperatur unabhängig von
kleinen Schwankungen der Brennstoffzufuhr, wie sie durch das Steuersignal
e am Regelventil 2 erzeugt werden, so dass der vom Filter 10 abgetrennte
Gleichanteil f gegen 0 geht und damit auch das Ausgangssignal d
des Signalgebers 9 gegen einen konstanten Wert konvergiert.
Multiplikationsglied 6 und
Tiefpassfilter 10 können
als ein synchroner Demodulator oder Lock-in-Verstärker aufgefasst
werden.
Selbstverständlich könnte anstelle des Temperatursensors 4 auch
ein Sensor für
eine beliebige andere für
die Effektivität
des im Reaktor 1 ablaufenden Prozesses repräsentativ
Größe verwendet
werden. Denkbar ist selbstverständlich
auch, die für
die Effektivität
repräsentative
Größe nicht
direkt zu messen, sondern aus einer Mehrzahl von durch Sensoren
am Reaktor erfassten Größen zu berechnen.
Anstelle des Regelventils 2 kann
zum Dosieren des Kraftstoffstroms auch eine Pumpe eingesetzt werden,
deren Durchsatz durch das Steuersignal e gesteuert wird. Dies ist
insbesondere zweckmäßig, wenn
der Kraftstoff kein unter Überdruck
stehendes Gas, sondern bei Atmosphärendruck gelagerte Flüssigkeit
ist.
Die Annahme, dass die Änderung
der von dem Sensor 4 zu erfassenden Größe verzögerungsfrei einer Änderung
der Durchflussrate folgt, ist selbstverständlich eine Idealisierung,
die in der Praxis nicht exakt erfüllbar ist. Indem jedoch die
Frequenz f1 klein genug gewählt wird,
kann stets sichergestellt werden, dass eine auf eine verzögerte Reaktion
des Reaktors 1 auf die Durchsatzänderung zurückgehende Phasenverschiebung
zwischen Durchsatz und der vom Sensor 4 gemessen Größe die Steuerung
nicht stört.
Insbesondere muss die Phasenverzögerung
deutlich kleiner als π/2
sein, um auszuschließen,
dass die Steuervorrichtung 3 resonante Schwankungen der
Betriebsparameter des Reaktors 1 anregt.
Selbstverständlich ist die erfindungsgemäße Steuervorrichtung
nicht auf die Steuervorrichtung einer einzelnen Durchflussrate beschränkt. Bei
einem Reaktor, in dem mehrere Medienströme zu steuern sind, kann die
Steuervorrichtung 3 abwechselnd mit Regelventilen für jeden
zu optimierenden Medienstrom verbunden werden, um so den Prozess
iterativ zu optimieren. Denkbar ist auch, jedem von mehreren Regelventilen
jeweils eine Steuervorrichtung 3 zuzuordnen, wobei jede
dieser Steuervorrichtungen eine andere Frequenz f1 verwendet.
2 zeigt
die Anwendung der Erfindung auf die Steuerung des Innenwiderstandes
einer Brennstoffzelle. Um eine hohe Leistung aus einer Brennstoffzelle
ziehen zu können,
ist es wünschenswert,
deren Innenwiderstand so niedrig wie möglich zu machen. D.h. wen die
verfügbare
elektrische Leistung als Effektivität definiert wird, so muss Ziel
einer Prozessoptimierung sein, diesen Innenwiderstand möglichst
klein zu ma chen. Der Innenwiderstand einer Brennstoffzelle ist unter
anderem abhängig
von dem Zustrom an Brennstoff bzw. an Oxidationsmittel sowie gegebenenfalls
von Wasser oder Wasserdampf, die zum Feuchthalten der Membran dienen, an
welcher die Umsetzung von Brennstoff und Oxidationsmittel stattfindet.
In 2,
die einen Stapel von Brennstoffzellen 11 zeigt, ist an
dem Stapel nur ein Regelventil 2 für ein zuströmendes Medium, z.B. Sauerstoff,
gezeigt; es versteht sich jedoch, dass entsprechende Regelventile
auch für
andere Betriebsmittel der Brennstoffzellen des Stapels vorgesehen
sein können.
Jedem einzelnen Regelventil 2 kann eine eigene Steuervorrichtung 3 zugeordnet
sein, oder eine oder mehrere Regelvorrichtungen 3 werden
im Wechsel an verschiedenen Regelventilen 2 betrieben. 2 zeigt nur eine solche
Steuervorrichtung 3.
Der Sensor 4 ist hier ein
Sensor zum Erfassen des Innenwiderstandes einer der Brennstoffzellen 11;
er ist mit zwei elektrischen Anschlussklemmen der Brennstoffzelle
verbunden, um einerseits die daran anliegende Spannung abzugreifen
und andererseits einen mit einer Frequenz f2 modulierten Strom
aufzuprägen,
wobei die Frequenz f2 wesentlich größer als
f1 ist. Die Arbeitsweise des Sensors 4 wird später mit
Bezug auf 3 beschrieben.
Die Verarbeitung des vom Sensor 4 gelieferten Innenwiderstandes
unterscheidet sich nicht wesentlich von der mit Bezug auf 1 beschriebenen. Das vom
Sensor 4 gelieferte Messsignal a durchläuft ein Tiefpassfilter 5 und
ein Multiplikationsglied 6, wo es mit dem Ausgangssignal
b eines Oszillators 7 multipliziert wird. Vom erhaltenen
Produkt c wird anschließend mit
einem Tiefpassfilter 10 ein Gleichanteil f abgefiltert,
der für
die Stärke
einer Komponente mit der Frequenz f1 im
Ausgangssignal des Sensors 4 repräsentativ ist. Dieses Gleichanteilsignal
f wird in einer Logikschaltung 13 in Abhängigkeit
von diversen externen Faktoren einer Korrektur bzw. Plausibilitätskontrolle
unterzogen. So kann die Logikschaltung 13 insbesondere
dazu dienen, das Ausgangssignal f des Tiefpassfilters 10 für eine festgelegte
Zeit spanne auf 0 zu setzen und so die Nachregelung durch den Signalgeber 9 zu
unterbrechen, wenn eine abrupte Änderung
der von einer Last aus der Brennstoffzelle 11 gezogenen
Leistung beobachtet worden ist, die sonst zu einer Verfälschung
des Messsignals und damit zu einer fehlerhaften Steuerung führen würde. Signalgeber 9 und
Modulationsglied 8 arbeiten wie oben mit Bezug auf 1 beschrieben.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung
der Steuervorrichtung ist das Modulationsglied 8 eine PWM-Schaltung,
die als Steuersignal e ein Rechtecksignal mit einer Frequenz f3 ≫ f1 liefert, wobei das Tastverhältnis dieses
Signals e durch eine additive Überlagerung
des Ausgangssignals b des Oszillators 7 und des Ausgangssignals
d des Signalgebers 9 gegeben ist. Eine solche PWM-Schaltung
erlaubt es, als Regelventil 2 ein einfaches Schaltventil
zu verwenden, das mit der Frequenz f3 zwischen
einem offenen und einem geschlossenen Zustand umschaltet, wobei
der Anteil der Zeit, in der das Ventil 2 offen steht, an
einer Periode des Steuersignals e dem Tastverhältnis des Steuersignals e entspricht.
Dies ermöglicht
auf einfache Weise eine Regelung des Durchsatzes durch das Ventil 2,
bei der der Durchsatz im Mittel exakt proportional zum Ausgangssignal des
Signalgebers 9 ist.
3 zeigt
ein detailliertes Blockschaltbild des Innenwiderstandssensors 4 aus 2. Ein Oszillator 20 liefert
ein mit der Frequenz f2 oszillierendes Ausgangssignal
g an eine steuerbare Last 21 sowie an ein Multiplikationsglied 22,
das funktionsmäßig dem
Multiplikationsglied 6 aus 1 bzw.
2 entspricht. Die Form des Ausgangssignals g des Oszillators 20 ist
weitgehend beliebig, es kann sich z.B. um ein Rechtecksignal mit
einem Tastverhältnis
von 50 % oder ein Sinussignal handeln. Ein Sinussignal ist bevorzugt,
da es keine Oberschwingungen enthält, die Störungen verursachen könnten, wenn
sie sich durch die Last 21 hindurch auf die Messleitungen
fortpflanzen.
Das Umschalten der Last 21 zwischen
dem durchlässigen
und dem undurchlässigen
Zustand mit der Frequenz f2 bewirkt eine
Fluktuation der Spannung an den Anschlussklemmen der Brennstoffzelle 11,
die über
ein Hochpassfilter zum Abtrennen des Gleichanteils oder einen auf
die Frequenz f2 zentrierten Bandpass 24 einem
Verstärker 25 zugeführt wird. Das
Ausgangssignal des Verstärkers 25 könnte direkt
dem Multiplikationsglied 22 zugeführt werden, um dort mit der
Grundschwingung des Oszillators 20 multipliziert zu werden.
Bei der in 3 gezeigten bevorzugten
Ausgestaltung jedoch ist ein Analog-Digital-Wandler 26 zwischen
dem Verstärker 25 und dem
hier digitalen Multiplikationsglied 22 angeordnet, und
der Analog-Digital-Wandler 26,
das Multiplikationsglied 22 und der ebenfalls digitale
Tiefpass 23 sowie einige weitere Komponenten sind gemeinsam
in einem digitalen Mikrocontroller 27 realisiert. Diese weiteren
Komponenten umfassen einen Tiefpass 28, eine Logikschaltung 29,
einen Signalgeber 30 und ein PWM-Modulationsglied 31, die in
ihrer Arbeitsweise den Komponenten 12, 13, 9, 8 aus 2 entsprechen und daher
hier nicht erneut im Detail erläutert
werden müssen.
Wie man sieht, beruht die Arbeitsweise des Innenwiderstandssensor 4 auf
dem Lock-In-Prinzip, genauso wie die der Steuerschaltung 3 in 2, die den Sensor 4 enthält. Lediglich die
Lock-in-Frequenzen
f1, f2, bei denen
die Steuerschaltung 3 und der Sensor 4 arbeiten,
sind unterschiedlich.
Bei einer Abwandlung könnte die
schaltbare Last 21 auch durch eine schaltbare Stromquelle
ersetzt werden.