DE10297104T5

DE10297104T5 - Verfahren und Voprrichtung zur elektrischen Leistungsregelung eines Brennstoffzellensystems

Info

Publication number: DE10297104T5
Application number: DE10297104T
Authority: DE
Inventors: Joachim Blum; Josef Sonntag; Manfred Strohmaier
Original assignee: Ballard Power Systems AG; Siemens VDO Electric Drives Inc
Current assignee: Mercedes Benz Fuel Cell GmbH
Priority date: 2001-08-18
Filing date: 2002-08-19
Publication date: 2004-11-04
Anticipated expiration: 2022-08-20
Also published as: US7422809B2; US20050008905A1; WO2003017403A1; DE10297104B4; DE10140603A1

Abstract

Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems mit einer Brennstoffzelle mit einem Anodenströmungskanal und einem Kathodenströmungskanal, einem Anodenversorgungssystem zum Zuführen eines wasserstoffreichen Gases zu dem Anodenströmungskanal, einem Kathodenversorgungssystem zum Zuführen eines Oxidationsmittelstroms zu dem Kathodenströmungskanal und einer Steuereinheit zum Ansteuern des Anoden- und des Kathodenversorgungssystems, wobei das Verfahren ein Ansteuern eines Versorgungssystems in Abhängigkeit von der Dynamik des anderen Versorgungssystems umfasst.

Description

Fachgebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur elektrischen Leistungsregelung eines Brennstoffzellensystems.
Beschreibung des Standes der Technik
Die US 5,432,710 A beschreibt ein Energieversorgungssystem mit einer Brennstoffzelleneinheit und einer Regelungseinheit. Die Regelungseinheit regelt die Systeme bzw. Untersysteme des Energieerzeugungssystems derart, daß eine Kostenfunktion in Form einer algebraischen Gleichung minimiert wird. Diese Kostenfunktion berücksichtigt den Energiebedarf der Last, den Eigenenergiebedarf des Systems und die Abgase. Die Regelungseinheit stellt den Massenstrom eines Oxidationsmittels und den Massenstrom eines wasserstoffreichen Gases für die Brennstoffzelleneinheit sowie den Massenstrom eines Brennstoffes für eine Reformierungseinheit in Abhängigkeit von der Kostenfunktion ein.
Kurzer Abriss der Erfindung
Die Erfindung stellt ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems bereit, umfassend eine Brennstoffzelle mit einem Anodenströmungskanal und einem Kathodenströmungskanal, einem Anodenversorgungssystem zum Zuführen von wasserstoffreichem Gas zu dem Anodenströmungskanal, einem Kathodenversorgungssystem zum Zuführen eines Oxidationsmittelstroms zu dem Kathodenströmungskanal und einer Steuereinheit zum Betreiben des Anoden- und des Kathodenversorgungssystems.
Das Verfahren umfasst das Betreiben eines Versorgungssystems in Abhängigkeit von der dynamischen Antwort des anderen Versorgungssystems. Der wasserstoffreiche Gasmassenstrom zu dem Anodenströmungskanal kann in Abhängigkeit von der dy namischen Antwort des Kathodenversorgungssystems festgelegt werden und/oder der Massenstrom der Oxidationsmittelströmung zu dem Kathodenströmungskanal kann in Abhängigkeit von der dynamischen Antwort des Anodenversorgungssystems festgelegt werden.
Die Erfindung stellt auch ein Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzelle bereit mit einem Brennstoffaufbereitungssystem zum Umwandeln eines zugeführten Brennstoffs in ein wasserstoffreiches Gas. In einem derartigen Ausführungsbeispiel kann der Massenstrom des zugeführten Brennstoffs zu dem Brennstoffaufbereitungssystem in Abhängigkeit von der dynamischen Antwort des Kathodenversorgungssystems festgelegt werden und/oder der Massenstrom der Oxidationsmittelströmung zu dem Kathodenströmungskanal kann in Anhängigkeit von der dynamischen Antwort des Brennstoffaufbereitungssystems festgelegt werden.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel kann der zugeführte Massenstromfluss zu dem Brennstoffaufbereitungssystem in Abhängigkeit von der Wirksamkeit des Brennstoffaufbereitungssystems festgelegt werden.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel kann der Massenstrom des zugeführten Brennstoffs zu dem Brennstoffaufbereitungssystem in Abhängigkeit von dem tatsächlichen Verbrauch an wasserstoffreichem Gas in dem Brennstoffaufbereitungssystem festgelegt werden.
Die Erfindung stellt ferner ein Brennstoffzellensystem bereit, umfassend:

a) eine Brennstoffzelle mit einem Anodenströmungskanal und einem Kathodenströmungskanal;
b) ein Anodenversorgungssystem zum Zuführen eines wasserstoffreichen Gases zu dem Anodenströmungskanal;
c) ein Kathodenversorgungssystem zum Zuführen eines Oxidationsmittelstroms zu dem Kathodenströmungskanal;
d) eine Steuereinheit zum Betreiben eines Versorgungssystems in Abhängigkeit von der dynamischen Antwort des anderen Versorgungssystems.

Das Anodenversorgungssystem kann ein Brennstoffaufbereitungssystem zum Umwandeln eines zugeführten Brennstoffs in ein wasserstoffreiches Gas umfassen.
Gemäß der Erfindung kann die Steuereinheit den Massenstrom des wasserstoffreichen Gases zu dem Anodenströmungskanal in Abhängigkeit von der dynamischen Antwort des Kathodenversorgungssystems einstellen. Alternativ kann die Steuereinheit den zugeführten Brennstoffmassenstrom zu dem Brennstoffaufbereitungssystem in Abhängigkeit von der dynamischen Antwort des Kathodenversorgungssystems einstellen.
In einem alternativen Ausführungsbeispiel kann die Steuereinheit den Oxidationsmittelmassenstrom zu dem Kathodenströmungskanal in Abhängigkeit von der dynamischen Antwort des Anodenversorgungssystems oder in Abhängigkeit von der dynamischen Antwort des Brennstoffaufbereitungssystem einstellen.
In einem weiteren alternativen Ausführungsbeispiel kann die Steuereinheit den zugeführten Brennstoffmassenstrom zu dem Brennstoffaufbereitungssystem in Abhängigkeit von der Wirksamkeit des Brennstoffaufbereitungssystems einstellen.
In einem weiteren alternativen Ausführungsbeispiel kann die Steuereinheit den dem Brennstoffaufbereitungssystem zugeführten Brennstoffmassenstrom in Abhängigkeit von dem tatsächlichen Verbrauch an wasserstoffreichem Gas in dem Brennstoffaufbereitungssystem einstellen.
Eine Vielzahl spezieller Details bestimmter Ausführungsbeispiele der Erfindung werden in der nachfolgenden detaillierten Beschreibung dargelegt, um ein vollständiges Verständnis derartiger Ausführungsbeispiele zu ermöglichen. Es ist allerdings für den Fachmann selbstverständlich, dass die vorliegende Erfindung weitere Ausführungsbeispiele besitzt oder dass sie ohne bestimmte, im Folgenden beschriebene Details realisiert werden kann.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt ein Blockschaltbild zur Darstellung eines erfindungsgemäßen Verfahrens und einer Vorrichtung zur Regelung der elektrischen Ausgangsleitung eines Brennstoffzellensystems,
2 zeigt Diagramme a, b, c, d, e und f mit Kurvenverläufen eines Massenstroms eines wasserstoffreichen Gases, eines Massenstroms eines Oxidationsmittels und einem Ausgangsstrom der Brennstoffzelleneinheit über der Zeit in einem Brennstoffzellensystem, das nicht mit einem erfindungsge mäßen Verfahren und einer erfindungsgemäßen Vorrichtung betrieben wird.
3 zeigt Diagramme a, b und c mit Kurvenläufen einer Stromanforderung, eines Massenstroms eines Brennstoffs und eines Massenstroms eines wasserstoffreichen Gases über der Zeit in einem Brennstoffzellensystem mit einem Proportionalglied mit Vorhalt im Versorgungszweig für das wasserstoffreiche Gas.
Detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele
Einer Brennstoffzelleneinheit werden zur Erzeugung von elektrischem Strom wasserstoffreiches Gas und Oxidationsmittel über unterschiedliche Vorsorgungspfade zugeführt. Bei Brennstoffzellensystemen mit Reformatbetrieb enthält der Versorgungspfad zur Zufuhr von wasserstoffreichem Gas typischerweise ein Brennstoffaufbereitungssystem mit einer Reformierungseinheit, in der wasserstoffreiches Reformat bzw. Gas gewonnen wird, während der Versorgungspfad zur Zufuhr von Oxidationsmittel ein eigenes Versorgungssystem enthält. Dieses Versorgungssystem für Oxidationsmittel enthält üblicherweise einen Kompressor zur Einstellung des Massenstroms des Oxidationsmittels. Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, daß die beiden Versorgungspfade abhängig voneinander betrieben werden können. Bei der Zufuhr des Oxidationsmittels können also das dynamische Verhalten bzw. eventuelle Verzögerungen des Brennstoffaufbereitungssystems berücksichtigt werden und die Zufuhr des wasserstoffreichen Gases kann in Abhängigkeit von dem dynamischen Verhalten des Versorgungssystems für Oxidationsmittel geschehen. Diese Möglichkeit der gegenseitigen Beeinflussbarkeit der Versorgungspfade führt vorteilhafterweise zu einer verbesserten Leistungsregelung und somit zu einer verbesserten Bereitstellung der gewünschten Leistung durch das gesamte Brennstoffzellensystem.
Das wasserstoffreiche Gas wird im System aus einem Brennstoff gewonnen, der üblicherweise ein kohlenstoff- und wasserstoffhaltiges Medium, wie z. B. Methanol, enthält. In Ausgestaltung der Erfindung wird bei der Bestimmung der benötigten Brennstoffmenge der Eigenverbrauch bzw. Verlust an wasserstoffreichem Gas im System und der Wirkungsgrad des Systems berücksichtigt. Dies führt zu einer genauen Bestimmung der benötigten Brennstoffmenge und somit zu einer genaueren Leistungsregelung.
Nachfolgend ist anhand der 1 ein erfindungsgemäßes Verfahren und eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur elektrischen Leistungsregelung eines Brennstoffzellensystems beschrieben. Das Verfahren und die Vorrichtung sind insbesondere anwendbar, wenn das Brennstoffzellensystem ein Brennstoffaufbereitungssystem 1 zur Bereitstellung eines wasserstoffreichen Mediums bzw. Gases, ein Versorgungssystem 2 für ein Oxidationsmittel und eine Brennstoffzelleneinheit 3 zur Versorgung von elektrischen Verbrauchern aufweist. Allerdings ist das Verfahren und die Vorrichtung auch in einem Brennstoffzellensystem anwendbar, das keine Brennstoffaufbereitung aufweist und in welcher ein wasserstoffreiches Gas (beispielsweise im Wesentlichen purer Wasserstoff) von einem Wasserstofftank oder Medium zugeführt wird. Die Brennstoffzelle 3 wird dann mit einem wasserstoffreichen Strom (beispielsweise einem Reformatstrom oder purem Wasserstoff und mit einem Oxidationsmittelstrom, beispielsweise einem Oxidationsmittel, wie beispielsweise Luft) versorgt.
Wasserstoffreiches Gas wird typischerweise in einer (nicht dargestellten) Reformierungseinheit des Brennstoffaufbereitungssystems 1 aus einem Brennstoff gewonnen. Der Brennstoff kann Alkohol, Ether, Ester, Kohlenwasserstoff, wie z. B. Erdgas oder Benzin, und/oder ein sonstiges Medium enthalten, aus dem Wasserstoff zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems gewonnen werden kann. Der zugeführte Brennstoff ist vorzugsweise Methanol. Das Versorgungssystem 2 für das Oxidationsmittel umfasst einen (nicht dargestellten) Kompressor zur Einstellung des Massenstroms des Oxidationsmittels ṁ_Luft. Der Kompressor ist ein zusätzlicher (parasitärer) elektrischer Verbraucher, der von der Brennstoffzelleneinheit 3 mit Strom I_Sys versorgt wird. Das Brennstoffzellensystem weist eine Steuereinheit 4 zum Einstellen des Massenstroms des Brennstoffs ṁ_BS für das Brennstoffaufbereitungssystem 1 und zum Einstellen des Massenstroms des Oxidationsmittels ṁ_Luft für die Brennstoffzelleneinheit 3 auf. Die Steuereinheit 4 ist in Signalflusspfaden, welche dem wasserstoffreichen Gas und dem Oxidationsmittel zugeordnet sind, vor dem Brennstoffaufbereitungssystem 1 und vor dem Versorgungssystem 2 für den Oxidationsmittel angeordnet. Vorteilhafterweise ist im Signalflusspfad 11 eine Recheneinheit 8 vor der Steuereinheit 4 angeordnet, die aus einer Strom- bzw. Leistungsanforderung I_Soll einen Sollwert für die Dosierung der Brennstoffmenge bzw. für den Brennstoffmassenstrom ṁ_BS generiert. Analog ist dem Signalflusspfad 12 eine Recheneinheit 9 vor der Steuereinheit 4 zugeordnet, die aus der Strom- bzw. Leistungsanforderung I_Soll einen Sollwert für die Drehzahl des nicht dargestellten Kompressors bzw. für den Massenstrom des Oxidationsmittels ṁ_Luft erzeugt. Die Steuereinheit 4 kann beispielsweise in einem Steuergerät integriert sein. Alternativ können die Bereiche der Steuereinheit 4, die jeweils nur einem Signalflusspfad 11, 12 zugeordnet sind, in einem eigenen, nur diesem Signalflusspfad 11, 12 zugeordneten Steuergerät integriert sein.
Gemäß der Erfindung ist der Massenstrom des Oxidationsmittels ṁ_Luft, der zu der Brennstoffzelle geleitet wird, in Abhängigkeit von der dynamischen Antwort des Brennstoffaufbereitungssystems 1 einstellbar. Unter der Dynamik eines Systems wird die dem System zugrundeliegende Eigenschaft verstanden, dass dessen Übertragungsverhalten zeitabhängig ist. Kann das System z. B. durch eine Differentialgleichung bzw. Differenzengleichung dargestellt werden, so ist das dynamische Verhalten durch eben diese Gleichung beschrieben. Beispielsweise bestimmen bei einer linearen Differentialgleichung die Eigenwerte und die Eigenvektoren das Einschwingverhalten des Systems. Das Einschwingverhalten ist gekennzeichnet durch eventuelle Verzögerungszeiten, eine bestimmte Dämpfung, eventuelle Überschwinger usw. Totzeiten gehören ebenfalls zur Dynamik eines Systems.
Die Steuereinheit 4 enthält eine erste Filtereinheit 5, die im Signalflusspfad 12 angeordnet ist. Die Parameter der Filtereinheit 5 sind abhängig von dem dynamischen Verhalten des Brennstoffaufbereitungssystems 1 einstellbar (strich-punktierte Verbindungspfeile zwischen 1 und 5). Die Einstellung der Parameter kann günstigerweise über ein Simulationsmodell des Brennstoffaufbereitungssystems 1 und/oder über Messwerte und/oder berechnete Werte des Massenstroms des wasserstoffreichen Gases ṁ_H2 erfolgen, da diese Werte ebenfalls von der Dynamik des Brennstoffaufbereitungssystems 1 abhängen. Unter einem Simulationsmodell versteht man ein mathematisches und/oder ein physikalisches Modell eines Systems. Ein physikalisches Modell erhält man, wenn man das System anhand entsprechender physikalischer Gesetze beschreibt. Ein mathematisches Modell erhält man bevorzugt, indem man Eingangsgrößen und Ausgangsgrößen des Systems misst und anhand dieser gemessenen Größen das Übertragungsverhalten des Systems approximiert, z. B. mit Hilfe der in der Fachliteratur bekannten Methode der kleinsten Fehlerquadrate.
Geeignete mathematische Modelle sind z. B. lineare und/oder nichtlineare Differentialgleichungen bzw. Differenzengleichungen, Kennfelder, Neuronale Netze, das in der englischen Fachliteratur bekannte ARX-Modell (autoregressives Modell mit exogener Eingangsgröße) usw. Das Simulationsmodell bzw. die Parameter des Simulationsmodells können vor Anwendung des Systems erzeugt werden oder während des Betriebs des Systems erzeugt und vorteilhafterweise in gewissen zeitlichen Abständen an das aktuelle Systemverhalten angepasst werden (adaptive Modellierung bzw. Identifikation). Bei der adaptiven Modellierung lassen sich Effekte wie Alterung oder veränderte Betriebspunkte in das Simulationsmodell integrieren.
Üblicherweise weist das Brennstoffaufbereitungssystem 1 ein langsameres dynamisches Verhalten als das Versorgungssystem 2 für das Oxidationsmittel auf, da dessen Dynamik hauptsächlich durch die Dynamik des (nicht dargestellten) Kompressors für die Luftversorgung gegeben ist und dieser gewöhnlich eine vergleichsweise schnelle Dynamik aufweist. Um nun, beispielsweise bei einer Laständerung, die notwendige Menge des Oxidationsmittels synchron und nicht vor der entsprechenden Menge des wasserstoffreichen Gases der Brennstoffzelle 3 zuzuführen, kann die Filtereinheit 5 bevorzugt ein Proportionalglied mit Verzögerung wählbarer Ordnung bzw. ein Verzögerungsglied wählbarer Ordnung (ein sogenanntes PT_x-Glied) enthalten. Die Parameter des Verzögerungsgliedes, wie z. B. die Zeitkonstanten und die Verstärkungen, und die Ordnungszahl können dann in Abhängigkeit von dem dynamischen bzw. zeitlichen Verhalten des Brennstoffaufbereitungssystems 1 gewählt werden. Bevorzugt wird ein Verzögerungsglied zweiter Ordnung (PT₂-Glied) verwendet.
Zusätzlich kann der Massenstrom des Brennstoffs ṁ_BS in Abhängigkeit von der Dynamik des Versorgungssystems 2 für Oxidationsmittel eingestellt werden. Die Steuereinheit 4 weist eine zweite Filtereinheit 6 auf, die im Signalflusspfad 11 angeordnet ist. Die Parameter der zweiten Filtereinheit 6 sind abhängig von dem dynamischen Verhalten des Versorgungssystems 2 für Oxidationsmittel Gas einstellbar (gestrichelter Verbindungspfeil zwischen den Elementen 2 und 6).
Die Einstellung der Parameter kann über ein Simulationsmodell für das System 2 zur Versorgung mit Oxidationsmittel und/oder über Messwerte und/oder berechnete Werte des Massenstroms des Oxidationsmittels ṁ_Luft erfolgen, da diese Werte ebenfalls von der Dynamik des Versorgungssystems 2 abhängen. Falls das Brennstoffaufbereitungssystem 1 ein schnelleres dynamisches Verhalten als das System 2 zur Versorgung mit des Oxidationsmittel bzw. als der (nicht dargestellte) Kompressor aufweist, dann kann die zweite Filtereinheit 6 bevorzugt ein Proportionalglied mit Verzögerung beliebiger Ordnung bzw. ein Verzögerungsglied beliebiger Ordnung (als sogenanntes PT_x Glied) enthalten. Die Parameter des Verzögerungsgliedes, wie z. B. die Zeitkonstanten und die Verstärkungen, und die Ordnungszahl können dann in Abhängigkeit von dem dynamischen bzw. zeitlichen Verhalten des Systems 2 zur Versorgung mit Oxidationsmittel bzw. zur Versorgung des (nicht dargestellten) Kompressors gewählt werden.
In 2 sind zwei Kurven für den Betrieb eines Brennstoffzellensystems in zwei Fällen dargestellt, bei denen der Luftmassenstrom und der Massenstrom an wasserstoffreichem Gas nicht aufeinander abgestimmt oder voneinander abhängig sind. 2a-c zeigen beispielhaft die zeitlichen Verläufe der Sprungantworten eines Wasserstoffmassenstroms (Diagramm a), eines Luftmassenstroms (Diagramm b) und eines Stroms I_frei (Diagramm c), die sich bei einer sprungförmigen Stromanforderung I_Soll zum Zeitpunkt Null einstellen, wenn der stärkere Luftmassenstrom der Brennstoffzelleneinheit 3 früher als der Wasserstoffmassenstrom zugeführt wird. Der Strom I_frei ergibt sich aus einem von der Brennstoffzelleneinheit 3 generierten Strom I_ist abzüglich eines Stroms I_Sys, der von Hilfsaggregaten (zusätzliche Lasten) wie z. B. dem Kompressor, einem Hochdruckverdichter des Brennstoffaufbereitungssystems, oder einer Klimatisierung verbraucht wird. I_frei stellt also den Strom dar, der beispielsweise in einem Fahrzeug für den Antrieb zur Verfügung steht bzw. vom Antrieb verbraucht wird. Die Sprungantworten des Wasserstoffmassenstroms und des Luftmassenstroms sind repräsentativ für die Sprungantworten der Massenströme eines wasserstoffreichen Gases und eines Oxidationsmittels ṁ_H2, ṁ_Luft.
Bei einer sprunghaften Leistungsanforderung an das Brennstoffzellensystem steigt die Sprungantwort des Wasserstoffmassenstroms langsam an, bis der stationäre Endwert erreicht ist (Diagramm a). Die Sprungantwort des Luftmassenstroms erreicht ihren stationären Grenzwert wesentlich früher, das heißt, sie steigt steiler an (Diagramm b). Im Anstiegsbereich des Wasserstoffmassenstroms fällt daher der Strom I_frei anfangs deutlich ab und steigt dann an, bis der stationäre Grenzwert erreicht ist (Diagramm c). Aus dem Vergleich der Diagramme a, b und c wird ersichtlich, dass ein unerwünschter Stromeinbruch – aufgrund des zu schnell anfallenden Eigenbedarts des Kompressors (I_Sys) – in dem zeitlichen Intervall auftreten kann, in welchem mehr Luft als Wasserstoff der Brennstoffzelleneinheit zugeführt wird. Dieser Zustand kann sich bei verfrühter Ansteuerung des Kompressors zur Erhöhung seines Ausstoßes bzw. bei zu hoher Kompressordrehzahl einstellen.
In 2d-f sind beispielhaft die zeitlichen Verläufe der Sprungantworten eines Wasserstoffmassenstroms (Diagramm d), eines Luftmassenstroms (Diagramm e) und eines Stroms (Diagramm f) dargestellt. Die durchgezogenen Kurven geben die Werte wieder, die sich bei einer sprungförmigen Stromanforderung I_Soll zum Zeitpunkt Null einstellen, wenn der Wasserstoffmassenstrom der Brennstoffzelleneinheit 3 früher als der Luftmassenstrom zugeführt wird. Die Sprungantworten des Wasserstoffmassenstroms und des Luftmassenstroms sind repräsentativ für die Sprungantworten der Massenströme eines wasserstoffreichen Gases und eines Oxidationsmittels ṁ_H2, ṁ_Luft. Die Sprungantwort des Wasserstoffmassenstroms steigt hier schneller an als im Diagramm a, bis der stationäre Endwert erreicht ist (Diagramm d). Die Sprungantwort des Luftmassenstroms erreicht ihren stationären Grenzwert später, das heißt, sie steigt langsamer an (Diagramm e). Der Strom I_frei entspricht dem Verlauf des Luftmassenstroms (Diagramm f).
Im Diagramm d ist als gepunktete Linie ein Verlauf des Wasserstoffmassenstroms dargestellt, der dem Verlauf des im Diagramm e dargestellten Luftmassenstroms entspricht. Aus dem Vergleich des Diagramms d mit dem Diagramm e wird ersichtlich, dass der Wasserstoffmassenstrom der Brennstoffzelle 3 früher als der Luftmassenstrom zur Verfügung steht. Dieser Zustand kann sich bei verspäteter Ansteuerung des Kompressors bzw. zu niedriger Kompressordrehzahl einstellen. Im Diagramm d gibt die Fläche A zwischen der durchgezogenen und der gepunkteten Kurve einen Hinweis auf die ungenutzte Dynamik des Brennstoffaufbereitungssystems 1. Die – gegenüber der Luft bzw. gegenüber dem Oxidationsmittel – vermehrte Bereitstellung von Wasserstoff bzw. wasserstoffreichem Gas kann in einem katalytischen Brenner, (falls vorhanden) der üblicherweise der Brennstoffzelle 3 nachgeschaltet ist, um im Abgas enthaltenen Wasserstoff zu verbrennen, zu einer Systemüberhitzung führen. Dies kann zu einem reduzierten Brennstoffwirkungsgrad führen.
Indem bei der Zufuhr des Oxidationsmittels die Dynamik des Brennstoffaufbereitungssystems 1 und bei der Zufuhr von Brennstoff zum Brennstoffaufbereitungssystem 1 die Dynamik des Versorgungssystems 2 für das Oxidationsmittel bzw. des (nicht dargestellten) Kompressors berücksichtigt wird, können die Zufuhr von wasserstoffreichem Gas und die Zufuhr von Oxidationsmittel zur Brennstoffzelleneinheit 3 synchronisiert oder aufeinander abgestimmt werden, d. h. die für einen aktuellen Lastpunkt notwendigen Volumina bzw. Massenströme beider Medien werden der Brennstoffzelle zeitgleich zugeführt. Dies führt zu einer schnellen, zuverlässigen und sicheren Bereitstellung von Strom und vermeidet unerwünschte Strom- und/oder Spannungseinbrüche oder eine unnötige thermische Belastung von Systemkomponenten, wie etwa dem katalytischen Brenner.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung werden Messwerte und/oder berechnete Werte des Massenstroms des wasserstoffreichen Gases ṁ_H2 der Steuereinheit 4 als weitere Eingangsgröße zugeführt.
Zusätzlich können Messwerte und/oder berechnete Werte des Massenstroms des Oxidationsmittels ṁ_Luft der Steuereinheit 4 als Eingangsgröße zugeführt werden. Die Steuereinheit enthält dann bevorzugt einen Mehrgrößenregler, dessen Eingangsgrößen eine Stromanforderung I_Soll bzw. ein Sollwert für die zugeführte Brennstoffmenge und ein Sollwert für die Kompressordrehzahl sind, und dessen Regelgrößen die Massenströme des wasserstoffreichen Gases m_H2 und des Oxidationsmittel ṁ_Luft und dessen Stellgrößen die Dosierung der Brennstoffmenge und die Ansteuerung des Kompressors sind.
Um eine möglichst genaue Umsetzung der Stromanforderung I_Soll zu erreichen, kann die Filtereinheit 6 ein Proportionalglied bzw. einen Proportionalregler mit Vorhalt enthalten, um die langsame Dynamik des Brennstoffaufbereitungssystems auszugleichen. Die Übertragungsfunktion des Proportionalglieds mit Vorhalt ist bevorzugt gegeben durch eine Gleichung mit der Laplace-Transformierten
wobei s eine komplexe Variable ist. K ist ein Verstärkungsfaktor und T_v und T₁ sind Zeitkonstanten des Proportionalglieds mit Vorhalt, wobei üblicherweise die Beziehung T₁ + T_v > T₁ gilt. Der Verstärkungsfaktor K hat vorzugsweise den Wert 1.
In 3 sind beispielhaft zeitliche Verläufe der Stromanforderung I_Soll (Diagramm a) und des Brennstoffmassenstroms ṁ_BS (Diagramm b) und des Massenstroms des wasserstoffreichen Gases m_H2 (Diagramm c) dargestellt. Die durchgezogenen Kurven geben die Signalverläufe bei Verwendung eines Proportionalglieds mit Vorhalt an (als ein Ausführungsbeispiel der Erfindung) , während die gepunkteten Kurven die Signalverläufe ohne Verwendung eines Proportionalglieds mit Vorhalt zeigen.
Die in Diagramm a dargestellte Stromanforderung hat die Form einer Sprungfunktion, die zum Zeitpunkt t₀ sprunghaft ansteigt und zum Zeitpunkt t₁ sprunghaft auf ihren Anfangswert abfällt. Diagramm b zeigt den zeitlichen Verlauf des zugeführten Brennstoffmassenstrom ṁ_BS, der sich bei der in Diagramm a dargestellten Stromanforderung I_Soll typischerweise einstellt. Bei Verwendung eines Proportionalglieds mit Vorhalt steigt der zugeführte Brennstoffmassenstrom ṁ_BS zum Zeitpunkt t₀ sprunghaft an und fällt dann exponentiell auf den stationären Endwert ab, der sich im Zeitintervall t₀ < t < t₁ normalerweise einstellt, wobei der Wert des zugeführten Brennstoffmassenstrom ṁ_BS zum Zeitpunkt t₀ größer als der stationäre Endwert ist. Dieses Phänomen wird im weiteren Verlauf der Beschreibung als Überhöhung bezeichnet. Die Variable t kennzeichnet die Zeit. Zum Zeitpunkt t₁ fällt der zugeführte
Brennstoffmassenstrom ṁ_BS sprunghaft ab und steigt dann üblicherweise exponentiell auf den stationären Endwert an, der sich für t > t₁ normalerweise einstellt, wobei der Wert des zugeführten Brennstoffmassenstrom ṁ_BS, zum Zeitpunkt t₁ kleiner als der stationäre Endwert ist (durchgezogene Kurve). Ohne Verwendung eines Proportionalglieds mit Vorhalt verhält sich der zugeführte Brennstoffmassenstrom ṁ_BS analog zur Stromanforderung I_Soll. Das heißt, der Brennstoffmassenstrom ṁ_ΒS steigt zum Zeitpunkt t₀ sprunghaft an und fällt zum Zeitpunkt t₁ sprunghaft auf seinen Anfangswert ab (gepunktete Kurve b₁). Diagramm c zeigt die sich einstellenden Sprungantworten des Massenstroms des wasserstoffreichen Gases m_H2 .
Bei Verwendung eines Proportionalglieds mit Vorhalt steigt der Massenstrom des wasserstoffreichen Gases ṁ_H2 zum Zeitpunkt t₀ üblicherweise exponentiell an, bis der stationäre Endwert erreicht ist, und fällt zum Zeitpunkt t₁ üblicherweise exponentiell auf den Anfangswert zurück (durchgezogene Kurve). Ohne Verwendung eines Proportionalglieds mit Vorhalt verhält sich der Massenstrom des wasserstoffreichen Gases m_H2 identisch, allerdings dauert es länger, bis der Endwert nach t₀ bzw. der Anfangswert nach t₁ erreicht sind, d. h. die Einschwingzeiten sind länger (gepunktete Kurve c₁). Das heißt, mit Proportionalglied mit Vorhalt reagiert der Massenstrom des wasserstoffreichen Gases ṁ_H2 schneller auf Veränderungen der Stromanforderung I_Soll bzw. des zugeführten Brennstoffmassenstroms ṁ_BS. Je höher die Überhöhung bei der Dosierung des Brennstoffes ist, desto schneller kann wasserstoffreiches Gas der Brennstoffzelle 3 zur Verfügung gestellt werden. Eine große Überhöhung mit kurzer Einschwingzeit ist wünschenswert. Die Wahl der Zeitkonstanten T_v und T₁ beeinflusst den Verlauf, die Amplitude und/oder die Breite der Überhöhung der Brennstoffzufuhrkurve. Dies ergibt sich daraus, daß Sprungantwort und Übertragungsfunktion über die inverse Laplace-Transformations-Gleichung miteinander verknüpft sind. Die Amplitude und/oder die Breite sind somit wählbar, jedoch ist die Wahl durch parasitäre Verzögerungen und/oder Bauteilgrenzwerte eingeschränkt.
Da üblicherweise das Brennstoffaufbereitungssystem 1 ein langsameres dynamisches Verhalten als das Versorgungssystem 2 für Oxidationsmittel aufweist, ist es vorteilhaft ein Proportionalglied mit Vorhalt in die Filtereinheit 6 zu integrieren und zusätzlich ein Verzögerungsglied in die Filtereinheit 5 einzubinden. Auf diese Weise wird die Verzögerung des Brennstoffaufbereitungssystems 1 im Signalflusspfad 11 kompensiert und außerdem das schnellere Übertragungsverhalten des Versorgungssystems 2 für Oxidationsmittel ausgeglichen.
In Ausgestaltung der Erfindung kann – bei der Einstellung des Massenstroms des Brennstoffs ṁ_BS – vorteilhafterweise ein Wirkungsgrad η der (nicht dargestellten) Reformierungseinheit bzw. des gesamten Brennstoffaufbereitungssystems 1 und/oder ein Eigenverbrauch an wasserstoffreichem Gas des Brennstoffaufbereitungssystems 1 berücksichtigt werden. Der Eigenverbrauch an wasserstoffreichem Gas ergibt sich typischerweise aus einer oder mehreren Gasreinigungsstufen, die der Reformierung in Strömungsrichtung des wasserstoffreichen Gases typischerweise nachgeschaltet sind.
Da für diese Gasreinigung üblicherweise mehr Oxidationsmittel, wie z. B. Luft, zugeführt wird, als tatsächlich benötigt wird, um die Konzentration von in dem Reformatstrom enthaltenem CO (Kohlenmonoxid) reduzieren zu können, führt dies zu einem Verlust von wasserstoffreichem Gas im Brennstoffaufbereitungssystem 1. Dies kann bei der Brennstoffdosierung als Eigenverbrauch berücksichtigt werden. Das zugeführte Oxidationsmittel wird hier als LD, das heißt Luftdosierung, bezeichnet. Der Eigenverbrauch und der Wirkungsgrad η sind typischerweise von der Größe der Brennstoffdosierung bzw. vom Massenstrom des Brennstoffs ṁ_BS abhängig. Die Bestimmung der Luftdosierung LD und des Wirkungsgrades η kann bevorzugt über Kennfelder erfolgen, deren Eingangsgröße die Brennstoffdosierung bzw. der Massenstrom des Brennstoffs ṁ_BS ist. Mit Hilfe der Faradayschen Gesetze kann aus der Stromanforderung I_Soll und aus der Luftdosierung LD der erforderliche Massenstrom an wasserstoffreichem Gas m_H2 und aus diesem der einzustellende Brennstoffmassenstrom ṁ_BS anhand der folgenden Formel berechnet werden,
wobei M_BS für die Molmasse des Brennstoffs, n für die Anzahl der Brennstoffzellen in der Brennstoffzelleneinheit, z für die Wertigkeit von Wasserstoff (z = 2), V₀ für das Normvolumen bzw. Molvolumen von Sauerstoff und F für die Faraday-Konstante stehen. λ BZ / H2 steht für den stöchiometrischen Koeffizienten des Wasserstoffs in der Reaktionsgleichung
und λ BZ / H2 steht für den stöchiometrischen Koeffizienten des Sauerstoffs in der obigen Reaktionsgleichung. Da für jedes zugeführte Sauerstoffmolekül O₂ zwei Wasserstoffmoleküle H₂ in der Brennstoffzelleneinheit für die Reaktion benötigt werden, taucht die Zahl 2 im Zähler des zweiten, in den Klammern stehenden Terms auf. Die Zahl 0,21, die ebenfalls im Zähler des zweiten, in den Klammern stehenden Terms auftritt, steht für den prozentualen Sauerstoffanteil in der Luft.
Der Faktor k gibt an, wie viele Mol des wasserstoffreichen Gases mit einem Mol an zugeführtem Brennstoff in einem idealen Brennstoffaufbereitungssystem 1 mit η gleich 100 % erzeugt werden können. Wird beispielsweise Methanol als Brennstoff verwendet, so können 3 Mol Wasserstoff erzeugt werden und k ist gleich 3. Durch die Einbeziehung des Wirkungsgrades η und der Luftdosierung LD des Brennstoffaufbereitungssystems 1 bzw. der (nicht dargestellten) Reformierungseinheit lässt sich der Brennstoff genauer dosieren, was ebenfalls zu einer genaueren Dosierung des wasserstoffreichen Gases führt. Block 7 in 1 stellt den Einfluss der Luftdosierung LD auf die Dosierung des wasserstoffreichen Gases dar.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird aus dem Massenstrom des wasserstoffreichen Gases ṁ_H2 und aus dem Massenstrom des Oxidationsmittels ṁ_Luft mittels eines Simulationsmodells 10, das auf der Brennstoffzelle 3 basiert, ein Ausgangsstrom I_ist ermittelt. Der Ausgangsstrom I_ist gibt an, wieviel Strom maximal von den Verbrauchern angefordert bzw. benötigt werden darf. Der Ausgangsstrom I_ist ist der momentan von der Brennstoffzelle 3 bereitstellbare Strom. Der tatsächliche, messbare Ausgangsstrom der Brennstoffzelleneinheit I_BZ gibt hingegen an, wieviel Strom tatsächlich von den Verbrauchern benötigt bzw. gezogen wird. Das Simulationsmodell kann z. B. ein Proportionalglied mit Verzögerung beliebiger Ordnung bzw. ein Verzögerungsglied beliebiger Ordnung (ein sogenanntes PT_X-Glied) sein.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird aus der Stromanforderung I_Soll mittels eines zweiten (nicht dargestellten Simulationsmodells) das auf der Brennstoffzelle 3, dem Brennstoffaufbereitungssystem 1 und dem Versorgungssystem 2 für das Oxidationsmittel basiert, ein Ausgangsstrom I_ist ermittelt. Auch hier gibt der Ausgangsstrom I_ist an, wieviel Strom maximal von den Verbrauchern angefordert bzw. benötigt werden darf.
Der Ausgangsstrom I_ist ist der momentan von der Brennstoffzelle 3 bereitstellbare Strom. Dieses Simulationsmodell kann z. B. ein Proportionalglied mit Verzögerung beliebiger Ordnung bzw. ein Verzögerungsglied beliebiger Ordnung (ein sogenanntes PT_x-Glied), vorzugsweise vierter Ordnung (PT₄-Glied) sein.
Bei der Verwendung von Simulationsmodellen zur Berechnung des Ausgangsstroms I_ist brauchen keine möglicherweise teuren Sensoren im Brennstoffzellensystem eingesetzt werden. Weiterhin liefern die oben beschriebenen Simulationsmodelle rauschfreie Signale als Ausgangssignale. Durch geeignete Wahl von entsprechenden Simulationsmodellen können die oben genannten Subsysteme des Brennstoffzellensystems, wie z. B. die Brennstoffzelle 3, mit beliebiger Genauigkeit dargestellt werden.
Vorteilhaft kann in einer mobilen Einrichtung, wie einem Brennstoffzellenfahrzeug, zwischen dem Strom unterschieden werden, der für den Antrieb des Fahrzeugs benötigt wird, und dem Strom, der für sonstige im Fahrzeug integrierte elektrische Systeme bzw. Verbraucher benötigt wird, wie z. B. dem Kompressor, einem Hochdruckverdichter des Brennstoffaufbereitungssystems, einer Klimatisierung. Zu den sonstigen elektrischen Verbrauchern gehören auch die elektrischen Verbraucher eines Fahrzeug-Bordnetzes, wie z. B. eines 12 V oder 42 V Fahrzeug-Bordnetzes. Der zuerst genannte Strom soll hier zur besseren Unterscheidbarkeit als I_Ant, letzterer als I_Sys bezeichnet werden. Die Stromanforderung I_Soll ergibt sich dann aus der Summe von I_Ant und I_Sys. Aus dem gemessenen und/oder mit Hilfe der oben genannten Simulationsmodelle simulierten bzw. berechneten Ausgangsstrom I_ist kann – unter Berücksichtigung des Stromverbrauchs I_Sys der sonstigen elektrischen Verbraucher – ein zur Verfügung stehender Strom I_frei ermittelt werden, der – bei einer Anwendung in einem Fahrzeug – für den Antrieb des Fahrzeugs durch einen Elektromotor zur Verfügung steht. Dies erlaubt eine schnelle und genaue Einstellung des benötigten Stroms I_Ant. Die hierin offenbarten Prinzipien treffen für einen sprunghaften Anstieg im Strombedarf sowie für einen sprunghaften Abfall im Strombedarf zu, beispielsweise dann, wenn das Brennstoffzellensystem abgeschaltet wird. In einem derartigen Fall beendet das Brennstoffaufbereitungssystem 1 typischerweise die Erzeugung von wasserstoffreichem Gas nicht so schnell, wie das System 2 die Zufuhr von Oxidationsmittel stoppt. Wie vorstehend bereits dargestellt kann die erhöhte Zufuhr von wasserstoffreichem Gas (im Vergleich zu dem Oxidationsmittelstrom) zu einer Überhitzung des stromabwärts der Brennstoffzelle 3 angeordneten katalytischen Brenners führen. Die Parameter des Zeitverzögerungselements können deshalb in Abhängigkeit davon variiert werden, ob die sprunghafte Laständerung negativ oder positiv ist. Beispielsweise können die Parameter der Filtereinheit 5 derart ausgewählt werden, dass sie einen stromabwärts angeordneten katalytischen Brenner während des Abschaltens vor Überhitzung schützen.
Obgleich bestimmte Elemente, Ausführungsbeispiele und Anwendungsfälle des vorliegenden Verfahrens der vorliegenden Vorrichtung gezeigt und hier beschrieben wurden ist es selbstverständlich, dass die Erfindung nicht auf diese beschränkt ist, da der Fachmann insbesondere im Lichte der vorangehend beschriebenen Lehre Modifikationen vornehmen kann.
Es ist daher beabsichtigt, dass die beiliegenden Ansprüche derartige Modifikationen mit Merkmalen, die im Rahmen des Schutzbereichs der Erfindung liegen, mit umfassen.
Zusammenfassung
Ein Verfahren und eine Vorrichtung sind zum Regeln der elektrischen Ausgangsleistung eines Brennstoffzellensystems mit einem Brennstoffaufbereitungssystem, einem System zum Zuführen eines Oxidationsmittelstroms und einer Brennstoffzelle zur Bereitstellung von Leistung ausgebildet. In einer Reformierungseinheit des Brennstoffaufbereitungssystems wird ein zugeführter Brennstoff dazu genutzt, um wasserstoffreiches Gas zu erzeugen, das der Brennstoffzelle zuzuführen ist. Das Brennstoffzellensystem umfasst auch eine Steuereinheit, um den Massenstrom des zugeführten Brennstoffs zu dem Brennstoffaufbereitungssystems und den Massenstrom an Oxidationsmittel zu der Brennstoffzelle einzustellen, wobei der Massenstrom des Oxidationsmittels in Abhängigkeit von der Dynamik des Brennstoffaufbereitungssystems und/oder der Massenstrom des wasserstoffreichen Gases in Abhängigkeit von der Dynamik des Systems zum Zuführen des Oxidationsmittels eingestellt werden kann.

Claims

Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems mit einer Brennstoffzelle mit einem Anodenströmungskanal und einem Kathodenströmungskanal, einem Anodenversorgungssystem zum Zuführen eines wasserstoffreichen Gases zu dem Anodenströmungskanal, einem Kathodenversorgungssystem zum Zuführen eines Oxidationsmittelstroms zu dem Kathodenströmungskanal und einer Steuereinheit zum Ansteuern des Anoden- und des Kathodenversorgungssystems, wobei das Verfahren ein Ansteuern eines Versorgungssystems in Abhängigkeit von der Dynamik des anderen Versorgungssystems umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Massenstrom des wasserstoffreichen Gases zu dem Anodenströmungskanal in Abhängigkeit von der Dynamik des Kathodenversorgungssystems eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Massenstrom des Oxidationsmittels zu dem Kathodenströmungskanal in Abhängigkeit von der Dynamik des Anodenversorgungssystems eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Brennstoffzellensystem ein Brennstoffaufbereitungssystem zum Umwandeln eines zugeführten Brennstoffs in ein wasserstoffreiches Gas umfasst.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei der Massenstrom an zugeführtem Brennstoff zu dem Brennstoffaufbereitungssystem in Abhängigkeit von der Dynamik des Kathodenversorgungssystems eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei der Massenstrom des Oxidationsmittels zu dem Kathodenströmungskanal in Abhängigkeit von der Dynamik des Brennstoffaufbereitungssystems eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei der Massenstrom des zugeführten Brennstoffs zu dem Brennstoffaufbereitungssystem in Abhängigkeit von dem Wirkungsgrad des Brennstoffaufbereitungssystems eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei der Massenstrom des zugeführten Brennstoffs zu dem Brennstoffaufbereitungssystem in Abhängigkeit von dem Wirkungsgrad des Brennstoffaufbereitungssystems eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei der Massenstrom des zugeführten Brennstoffs zu dem Brennstoffaufbereitungssystem in Abhängigkeit von dem Eigenverbrauch an wasserstoffreichem Gas in dem Brennstoffaufbereitungssystem eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei der Massenstrom des zugeführten Brennstoffs zu dem Brennstoffaufbereitungssystem in Abhängigkeit von dem Eigenverbrauch an wasserstoffreichem Gas in dem Brennstoffaufbereitungssystem eingestellt wird.
Brennstoffzellensystem, umfassend: a) eine Brennstoffzelle mit einem Anodenströmungskanal und einem Kathodenströmungskanal; b) ein Anodenversorgungssystem zum Zuführen eines wasserstoffreichen Gases zu dem Anodenströmungskanal; c) ein Kathodenversorgungssystem zum Zuführen eines Oxidationsmittelstroms zu dem Kathodenströmungskanal; d) eine Steuereinheit zum Ansteuern eines Versorgungssystems in Abhängigkeit von der Dynamik des anderen Versorgungssystems.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 11, wobei das Anodenversorgungssystem ein Brennstoffaufbereitungssystem zum Umwandeln eines zugeführten Brennstoffs in ein wasserstoffreiches Gas umfasst.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 11, wobei die Steuereinheit den wasserstoffreichen Gasmassenstrom zu dem Anodenströmungskanal in Abhängigkeit von der Dynamik des Kathodenversorgungssystems einstellt.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 12, wobei die Steuereinheit den Massenstrom an zugeführtem Brennstoff zu dem Brennstoffaufbereitungssystem in Abhängigkeit von der dynamischen Antwort des Kathodenversorgungssystems einstellt.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 11, wobei die Steuereinheit den Massenstrom an Oxidationsmittel zu dem Kathodenströmungskanal in Abhängigkeit von der Dynamik des Anodenversorgungssystems einstellt.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 12, wobei die Steuereinheit den Massenstrom an Oxidationsmittel zu dem Kathodenströmungskanal in Abhängigkeit von der Dynamik des Brennstoffaufbereitungssystems einstellt.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 12, wobei die Steuereinheit den Massenstrom des zugeführten Brennstoffs zu dem Brennstoffaufbereitungssystem in Abhängigkeit von dem Wirkungsgrad des Brennstoffaufbereitungssystem einstellt.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 14, wobei die Steuereinheit den Massenstrom des zugeführten Brennstoffs zu dem Brennstoffaufbereitungssystem in Abhängigkeit von dem Wirkungsgrad des Brennstoffaufbereitungssystems einstellt.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 12, wobei die Steuereinheit den Massenstrom des zugeführten Brennstoffs zu dem Brennstoffaufbereitungssystem in Abhängigkeit von dem Eigenverbrauch des wasserstoffreichen Gases in dem Brennstoffaufbereitungssystem einstellt.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 14, wobei die Steuereinheit den Massenstrom an zugeführten Brennstoff zu dem Brennstoffaufbereitungssystem in Abhängigkeit von dem Eigenverbrauch an wasserstoffreichen Gas in dem Brennstoffaufbereitungssystem einstellt.