DE19517813A1 - Verfahren zur Regelung des wärmegeführten Betriebes von Brennstoffzellenanlagen - Google Patents

Verfahren zur Regelung des wärmegeführten Betriebes von Brennstoffzellenanlagen

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Description

I. Stand der Technik
Brennstoffzellen, besonders solche mit mittlerer oder höherer Arbeitstemperatur sind aufgrund ihres hohen Wirkungsgrades und ihrer niedrigen Schadstoff- und Geräuschemissionen zur kombinierten Erzeugung von Strom und Wärme in kleineren und mittleren Einheiten sehr gut geeignet.
Technisch am weitesten entwickelt ist zur Zeit die Phosphor­ säure-Brennstoffzelle (PAFC), die bereits kommerziell angebo­ ten wird. Die angebotene Einheit besitzt eine elektrische Leistung von 200 kW. Die Zelle ist für stromgeführten Betrieb ausgelegt, kann jedoch auch zur Auskopplung von Wärme einge­ setzt werden. Systembedingt darf die Rücklauftemperatur höchstens 33°C betragen. Ist diese höher, wird ein Zusatzkühl­ system aktiviert, welches die überschüssige Wärme an die Um­ gebungsluft abgibt.
Brennstoffzellen besitzen im Gegensatz zu Verbrennungsmotoren keine direkte Möglichkeit der Leistungsregelung über die Brennstoffzufuhr, da sowohl der anoden- als auch der katho­ denseitige Gasumsatz nur etwa 80 bzw. 50% betragen darf. Da die Umsatzrate nach dem Faraday′schen Gesetz proportional zum Zellstrom ist, wird bei Brennstoffzellen der Zellstrom als Führungsgröße gewählt und die Gasströme entsprechend dem vor­ gewählten Zellstrom gesteuert.
Soll die Leistung der Brennstoffzelle nicht nach dem jeweili­ gen Netzbedarf, sondern nach dem Wärmebedarf der Nutzlast ausgerichtet werden, wird das Verfahren der Kennfeldanpassung gewählt, nach dem die Wärmeabgabe der Zelle in Abhängigkeit betriebsrelevanter Größen ermittelt wird und nach diesem Kennfeld der passende Strom von Hand eingestellt wird [1]. Dieses Verfahren wird bei weitgehend stationärem Wärmebedarf oder geringen Schwankungen desselben angewandt, führt jedoch bei stärkeren Schwankungen oder auch bei einer Änderung der Zellcharakteristik infolge Alterung sowie bei Änderungen in der Erdgasqualität zu Fehlanpassungen. Diese können wiederum bewirken, daß entweder nicht ausreichend Wärme zur Verfügung steht oder überschüssige Wärme über den Zusatzkühler abge­ führt werden muß, was dann zu einer Verminderung des Gesamt­ wirkungsgrads führt.
Eine Regelung in der Form, daß wie bei Blockheizkraftwerken nach dortigem Stand der Technik Kessel in Stufen ab- oder zu­ geschaltet werden, ist bei Brennstoffzellen nicht anwendbar, da ein häufiges An- und Abschalten zu einer Verschlechterung der Zelle führt bzw. wegen der auftretenden Anfahrverluste unwirtschaftlich ist.
II. Prinzip der Erfindung
Die Erfindung bezweckt die kontinuierliche sowie die Brenn­ stoffzelle schonende und verlustfreie Anpassung der Wärmepro­ duktion der Brennstoffzelle an den aktuellen Wärmebedarf.
Der Erfindung liegt eine Aufgabe zugrunde, eine Fahrweise der BZ zu entwickeln, die diese Anpassung verlustfrei ermöglicht und einen ausreichenden Abstand zu den Grenzwerten der Pro­ zeßführung auch bei ständigen Schwankungen des Wärmebedarfs gewährleistet.
Die erfindungsgemäße Lösung besteht in der Regelung des Stroms der Brennstoffzelle anhand der Vor- oder Rücklauftem­ peratur des Wärmekreislaufs nach einem quasikontinuierlich arbeitenden Regelverfahren.
Die Erfindung nutzt die Tatsache aus, daß Brennstoffzellen über einen weiten Lastbereich kontinuierlich regelbar sind und hierbei einen nahezu konstanten Wirkungsgrad aufweisen. Die Erfindung besteht in der Anwendung einer kontinuierlichen Regelung des Stroms anhand der Vor- oder Rücklauftemperatur des Wärmekreislaufs. Der Wärmekreislauf kann durch einen Wär­ metauscher in einen die Brennstoffzelleneinheit umfassenden Kühlmittelkreislauf und in einen Nutzwärmekreislauf, welcher dann den Wärmetauscher und den Wärmeverbraucher, der auch aus einem oder mehreren Wärmetauscherkreisläufen bestehen kann, umfaßt, aufgeteilt sein. Die Regelung kann dann sowohl mit Bezug auf die Kühlmittelvor- oder Rücklauftemperatur des Kühlmittelkreises als auch mit Bezug auf die Vor- oder Rück­ lauftemperatur des Nutzwärmekreislaufs erfolgen. Zum Einsatz kommt erfindungsgemäß ein Regelverfahren, welche eine quasi­ kontinuierliche Charakteristik aufweist, insbesondere eine Regelung nach einem PID-Algorithmus mit zusätzlicher Be­ schränkung des Stroms als Regelgröße hinsichtlich Minimal- und Maximalwert und dem Betrag der zeitlichen Änderung des Stroms. Eine solche Regelung vermeidet nicht nur die Nach­ teile einer Regelung nach Kennfeld, sondern ermöglicht auch eine schnellstmögliche Anpassung der Zellleisung an den je­ weiligen Wärmebedarf. Die Kenngrößen von Minimal- und Maxi­ malwert sowie die erlaubte zeitliche Änderung des Stroms richten sich nach den von der Prozeßführung der Brennstoff­ zelle her zugelassenen Werten und dem für den Stack zulässi­ gen Minimal- und Maximalstrom. Für eine solche Regelung wer­ den erfindungsgemäß zwei Konzepte angewandt:
  • 1. Regelung der Vorlauftemperatur des Nutz- oder Kühlwärmekreises durch Variation des Zellstroms.
    Dieses Regelverfahren ermöglicht eine optimale Regelcha­ rakteristik und Wärmeausnutzung für Systeme, in denen eine ausreichend niedrige Rücklauftemperatur vorhanden ist, so daß der nach dem Stand der Technik vorgesehene Einsatz von Notkühlsystemen, die eine Verschlechterung der Wärmeausnutzung und damit des Gesamtwirkungsgrades bedeuten würden, nicht erforderlich ist. Ein Einsatz dieser Regelung in Verbindung mit einem Notkühlsystem ist ebenfalls möglich. In diesem Fall würde gegenüber einem Konstantstrombetrieb der Zelle noch eine bessere Anpassung an den jeweiligen Wärmebedarf und damit eine besserer Gesamtwirkungsgrad des Systems folgen.
  • 2. Regelung der Rücklauftemperatur des Nutz- oder Kühlwärmekreises über Zellstrom und Vorlauftemperatur.
    Dieses Regelverfahren ermöglicht eine Regelung der ge­ lieferten Wärmemenge und damit eine Anpassung an den Wärmebedarf des Systems ohne Notkühlsystem auch dann, wenn bei geringem Wärmebedarf des Verbrauchers die Rück­ lauftemperatur über die Höchsttemperatur ansteigen würde, sofern der Verbraucher so ausgelegt ist, daß bei diesem Regelverfahren die erforderliche Wärmemenge über­ tragen werden könnte. Nachteil dieses Verfahrens gegen­ über 1. ist die höhere Zeitkonstante des Systems. Dem steht eine besserer Gesamtwirkungsgrad des Systems gegenüber.
Der verwendete in Abb. 1 wiedergegebene Aufbau besteht aus einer nach dem Stand der Technik aufgebauten Versor­ gungseinheit (19) für das wasserstoffhaltige Betriebsgas, welches über die Anodengaszuführung (21), und das Oxydantgas (Luft, sauerstoffangereicherte Luft oder Sauerstoff), welches über die Kathodengaszuführung (20) der Brennstoffzellenein­ heit (1) zugeführt wird, einer zugehörigen Gasstromregelung (18), einer diese Betriebsgase verstromende Brennstoff­ zelleneinheit (1), die aus einer oder mehreren Einzelzellen aus Anode (2), Matrix (3) und Kathode (4) besteht, einem aus einer Pumpe (9), der Brennstoffzelleneinheit (1) und einem Wärmetauscher (10) bestehendem Kühlmittelkreislauf mit der Vorlauftemperatur TV und der Rücklauftemperatur TR, einem von dem Wärmetauscher ausgehenden Nutzwärmekreislauf mit der Vorlauftemperatur TV′ und der Rücklauftemperatur TR′ sowie der erfindungsgemäß arbeitenden Regeleinheit (13). Diese steuert über einen Ausgang für den DC-Sollstrom (14) einen DC-AC-Inverter (16) oder eine vergleichbare, den Zellstrom nutzende Einheit. Wie weiter oben beschrieben, wird als Re­ gelgröße für die Regeleinheit (13) entweder die Vor- oder die Rücklauftemperatur des Nutzwärmekreislaufs oder des Kühlmit­ telkreislaufs herangezogen. Die in der PID-Regeleinheit er­ mittelte Abweichung der betr. Temperatur von dem vorgegebenen Sollwert wird nach einem PID- oder vergleichbaren Regelalgo­ rithmus zur Steuerung der Gasströme über die Soll-Gas­ ströme (17), die Gasstromregelung (18) und die Versorgungsein­ heit (19) sowie zur Steuerung des DC-Zellstroms über den DC- Sollstrom (14) und den DC-AC-Inverter (16) verwendet. Falls aufgrund der Eigenschaften der Regeleinrichtungen für die Anoden und Kathodengasströme ein zeitlicher Vorlauf der Rege­ lung und/oder ein nach dem Stand der Technik bekannter Steue­ rungsablauf erforderlich ist, wird diese Regelgröße aus dem Steuersignal für den Zellstrom gebildet und in einem 2. Re­ gelkreis, der Gasstromregelung (18) bereitgestellt. In letz­ terem Fall wird das Steuersignal für den Zellstrom (14), wel­ ches dem DC-AC-Inverter zugeführt wird, in entsprechendem Ma­ ße zeitlich verzögert, so daß der durch den Inverter gefor­ derte DC-Strom von der Zelle immer bereitgestellt werden kann.
In der Patentliteratur [2] wird ein Verfahren zur Regelung der elektrischen Leistung von Brennstoffzellen über die Rege­ lung des Oxydant-Massenstroms beschrieben. Dieses Verfahren ist für den Blockheizkraftwerksbetrieb von Brennstoffzellen nicht verwendbar, da sich nach diesem Verfahren der elektri­ sche Wirkungsgrad des Systems im Teillastbetrieb verschlech­ tern würde. Im Gegensatz zu dem genannten Verfahren, welches zu einem variablen Sauerstoffumsatz im Oxydant-Gasstrom führt, ist der Gasumsatz bei dem erfindungsgemäßen Verfahren konstant oder nur in soweit variabel, daß keine Begrenzung der Leistung durch den gewählten Anoden oder Kathodengasstrom erfolgt. Soll für die Versorgung der Brennstoffzelle Wasser­ stoff eingesetzt werden, kann die Regelung des anodenseitigen Gasstroms nach dem Stand der Technik durch eine Regelung des anodeneingangsseitigen Gasdrucks erfolgen. In diesem Fall wird anodenausgangsseitig ein Ventil mit einer Steuereinheit vor­ gesehen, welche in regelmäßigem Abstand durch kurzzeitiges Öffnen des Ventils eine Spülung des Anodengasraums und damit eine Entfernung von Restgasen bewirkt. Im Fall der Wasser­ stoffgewinnung aus Reformergas werden die anodenseitigen Gas­ ströme wie auch in beiden Fällen die kathodenseitigen Gas­ ströme entsprechend dem geregelten Zellstrom unter Zurechnung eines Strömungsüberschusses geführt, während in [2] der Zell­ strom so gewählt wird, daß der Brennstoffzelle ständig die in Bezug auf den Oxydantgasstrom maximal mögliche elektrische Leistung entnommen wird. Zusammenfassend arbeitet das in [2] beschriebene Regelverfahren mit dem Oxydant-Gasstrom als Steuergröße, während das erfindungsgemäße Verfahren mit dem vom Inverter angeforderten DC-Strom als Steuergröße arbeitet.
Des weiteren wird in der Patentliteratur [3, 4] ein Regelver­ fahren zur Regelung der Brennstoffzufuhr von Brennstoffzellen nach einem Steuersignal genannt. Dieses beinhaltet jedoch kein Verfahren zur Erzeugung des Steuersignals im Hinblick auf einen wärmegeführten Betrieb der Brennstoffzelle.
III. Ausführungsbeispiel
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in Abb. 1 wie­ dergegeben und wird im folgenden näher beschrieben:
Eine Brennstoffzelleneinheit (1), die aus mindestens einer aus Anode (2), Matrix (3) und Kathode (4) bestehenden Einzel­ zelle besteht, wurde von einer Gasversorgungseinheit (19) über eine Anodengaszuführung (21) und eine Kathodengaszufüh­ rung (20) Betriebsgasen versorgt. Die Restgase wurden über einen Anodengasausgang (5) und einen Kathodengasausgang (6) abgeführt. Die Brennstoffzelleneinheit (1) wurde von einem aus einer Pumpe (9), einer Kühlmittelzuführung (8), einer Kühlmittelabführung (7) sowie einem Wärmetauscher (10) beste­ hendem Kühlmittelkreislauf gekühlt. Im Wärmetauscher (10) wurde das Kühlmittel mit einem aus Vorlauf (11) und Rücklauf (12) bestehendem Kühlkreislauf gekühlt. Die Vorlauftemperatur TV des Kühlmittels wurde der Regeleinheit (13) zugeführt, welche nach Verfahren 1 die Temperatur TV durch Variation des DC-Sollstroms (14), der durch den DC-AC-Inverter (16) einge­ stellt wurde, auf einen konstanten Wert geregelt hat. Als Stellgröße dient der Zellstrom. Ein gegenüber dem DC-Soll­ strom (14) mit zeitlichem Vorlauf (1 sec.) versehener 2. Re­ gelpfad der Soll-Gasströme (17) wurde zur Ansteuerung der Gasstromregelung (18) verwendet. Die Ausgangssignale der Gasstromregelung wurden zur Ansteuerung von Gasdurchflußreg­ lern, die zusammen mit einer Gasversorgung die Gasversor­ gungseinheit (19) bildeten, verwendet. Zur Regelung des Zell­ stroms wurde die Regeleinheit (13) als eine PC-gesteuerte Re­ gelung nach dem PID-Verfahren in Verbindung mit einer Begren­ zung des Zellstroms nach einem Minimal- und Maximalwert und einer Begrenzung der zeitlichen Stromänderung aufgebaut.
Durch geeignete Wahl der Zeitkonstanten (P = 45 A/°C, I = 500 sec., kein D-Anteil) wurde eine praktisch überschwingungs­ freie Regelung der Vorlauftemperatur TV nach sprungförmiger Änderung der Rücklauftemperatur erreicht. Hierbei wurden Zeitkonstanten von 5 bis 10 Minuten für die Regelung der Vor­ lauftemperatur bis zur Konstanz auf dem Sollwert erreicht.
Mit der so aufgebauten Regelung wird der Wärmebedarf von BHKW-Verbrauchern nach bekannten Kennlinien durch Variation der Rücklauftemperatur des Kühlkreislaufs nachgefahren. Die in Abb. 2 wiedergegebene Lastkurve zeigt das Wärmebe­ darfsprofil an einer Entnahmestelle (Grundschule Beuthener Straße, Hannover, am 24.02.1993, normiert auf 1,6 kW Nenn­ last). Es zeigt sich, daß das verwendete Regelverfahren ein praktisch kontinuierliches Nachfahren der vorgegebenen Last­ gänge ohne wesentliche Abweichung zwischen Ist- und Sollwert ermöglicht.
Der zeitliche Verlauf der Vorlauftemperatur ist durchweg sehr konstant und bleibt mit Abweichungen von maximal einem Grad C auf dem vorgegebenen Sollwert. Nur bei Überschreitung der Maximallast tritt an gleicher Stelle wie oben genannt eine größere Abweichung vom Sollwert auf.
Erfindungsgemäß konnte damit eine Regelung auf konstante Vor­ lauftemperatur bei wechselnder Rücklauftemperatur und damit ein genaues Nachfahren der durch die Rücklauftemperatur vor­ gegebenen Leistungskennlinie erreicht werden.
IV. Literatur
[1] H. Knappstein: Blockheizkraftwerk mit Brennstoffzellen, GASWÄRME International, 43 (1994), 139-45
[2] DE 93-4322765
[3] DE 71-2157722
[4] DE 70-1949184

Claims (11)

1. Regelung des Stroms von Brennstoffzellen zum wärmege­ führten Betrieb anhand der Vor- oder Rücklauftemperatur des Wärmekreislaufs nach einem Regelverfahren, welches eine quasikontinuierliche Charakteristik aufweist.
2. Regelverfahren nach Anspruch 1, besonders Regelungen, die nach einem PID-Algorithmus mit zusätzlicher Be­ schränkung des Stroms als Regelgröße hinsichtlich Mini­ mal- und Maximalwert und dem Betrag der zeitlichen Ände­ rung des Stroms arbeiten.
3. Regelverfahren nach Anspruch 1, bei dem der Wärmekreislauf durch einen direkten Kreislauf unter Einschluß von Brennstoffzelleneinheit und Verbraucher realisiert ist.
4. Regelverfahren nach Anspruch 1, bei dem der Wärmekreislauf aus einem Kühlmittelkreislauf, einem Wärmetauscher und einem Nutzwärmekreislauf besteht.
5. Regelverfahren nach Anspruch 1, wobei der nach Anspruch 4 gekennzeichnete Nutzwärmekreislauf einen oder mehrere Wärmetauscherkreisläufe enthält.
6. Regelverfahren nach Anspruch 1, das mit einer optimierten Anpassung an die Wärmeanforderung des Ver­ brauchers die Vorlauftemperatur des Kühlmittel- oder Nutzwärmekreislaufs regelt.
7. Regelverfahren nach Anspruch 1, das mit einer optimalen Ausnutzung der gelieferten Wärme die Rücklauftemperatur des Kühlmittel- oder Nutzwärmekreislaufs so regelt, daß eine Temperatur möglichst nahe unter dem zulässigen Höchstwert eingestellt wird.
8. Regelverfahren nach Anspruch 1, wobei als Brenngas der Zelle entweder Wasserstoff oder ein durch Reformierung und Gasreinigung erhaltendes wasserstoffreiches Gas um­ gesetzt wird.
9. Regelverfahren nach Anspruch 1, wobei die Regelung ei­ nen durch zeitlichen Vorlauf gekennzeichneten 2. Regel­ pfad verfügt, der zur Ansteuerung des Reformers oder zur Ansteuerung von zur Regulierung von Anoden- und Katho­ dengasströmen geeigneten Anordnungen verwendet wird.
10. Regelverfahren nach Anspruch 1, wobei in dem nach An­ spruch 8 gekennzeichneten Regelpfad nach dem Stand der Technik verfügbare Rampen zur Ansteuerung des Reformers vorgesehen sind.
11. Regelverfahren nach Anspruch 1, wobei die Regelung die zulässigen Grenzwerte für den Zellstrom unter Berück­ sichtigung gültiger Grenzwerte für die Brennstoffzelle, besonders der Zelltemperatur festlegt.
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