DE19517813C2 - Verfahren zur Regelung des wärmegeführten Betriebes von Brennstoffzellenanlagen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung des wärme­ geführten Betriebes von Brennstoffzellenanlagen.

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 höch­ stens 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 (H. Knappstein: Blockheizkraftwerk mit Brennstoffzellen, GASWÄRME International, 43(1994), S. 139-45). Dieses Verfahren wird bei weitgehend stationärem Wärmebedarf oder geringen Schwan­ kungen desselben angewandt, führt jedoch bei stärkeren Schwankungen oder auch bei einer Änderung der Zellcharakte­ ristik infolge Alterung sowie bei Änderungen in der Erdgas­ qualität zu Fehlanpassungen. Diese können wiederum bewirken, daß entweder nicht ausreichend Wärme zur Verfügung steht oder überschüssige Wärme über den Zusatzkühler abgeführt werden muß, was dann zu einer Verminderung des Gesamtwirkungsgrads 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.

In der Patentliteratur (DE 21 57 722 A und DE 19 49 184 A) wird ein Regelverfahren zur Regelung der Brennstoffzufuhr von Brennstoffzellen nach einem Steuersignal genannt. Dieses beinhaltet jedoch kein Verfahren zur Erzeugung des Steuer­ signals im Hinblick auf einen wärmegeführten Betrieb der Brennstoffzelle.

EP 03 87 702 A2 beinhaltet ein Verfahren zum Regeln der Vor- bzw. Rücklauftemperatur einer Warmwasser-Heizungsanlage. Gegenstand dieser Erfindung ist die leistungsabhängige Anwen­ dung eines Zweipunkt- oder Stetigregelverfahrens zur Regelung einer Warmwasser-Heizungsanlage und beinhaltet im Gegensatz zu dieser Anmeldung den fallweise wechselnden Einsatz von Zweipunkt- und Stetigregelung bei einem Gaskessel. Bezogen auf den Betrieb von Brennstoffzellen werden keine Aussagen getroffen, insbesondere werden keine Angaben zum Zellstrom als wirksame Steuergröße für den wärmegeführten Betrieb einer solchen Anlage gemacht.

EP 03 77 151 A1 beinhaltet ein Verfahren zur Regelung von Hochtemperaturbrennstoffzellen, welches die Zelltemperatur über die Vor- und Nachverbrennung von Gasströmen regelt und den Zellstrom ebenfalls nicht als Steuergröße heranzieht.

US 50 23 151 A beinhaltet die Regelung des Kühlkreislaufs von Brennstoffzellen mit dem Ziel einer konstanten zellseitigen Kühlwassereinlaßtemperatur mittels eines regelbaren Bypasses für einen im Kühlwasserkreislauf befindlichen Wärmetauscher. Die Wärmeabgabe der Brennstoffzelle selbst wird hiernach nicht geregelt und somit auch kein Verfahren zur Durchführung eines wärmegeführten Betriebs angegeben.

In DE 43 22 765 C1 wird ein Verfahren zur Regelung der elektrischen Leistung von Brennstoffzellen über die Regelung des Oxidationsmittel-Massenstroms beschrieben. Dieses Verfah­ ren ist für den Blockheizkraftwerksbetrieb von Brennstoffzel­ len nicht verwendbar, da sich nach diesem Verfahren der elek­ trische Wirkungsgrad des Systems im Teillastbetrieb ver­ schlechtern würde.

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 die Aufgabe zugrunde, eine Fahrweise der Brennstoffzelle 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 kontinuierlich oder 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, welches eine konti­ nuierliche oder quasikontinuierliche Charakteristik aufweist, insbesondere eine Regelung nach einem PID-Verfahren mit zu­ sätzlicher Beschränkung des Stroms als Steuergröße hinsicht­ lich Minimal- und Maximalwert und dem Betrag der zeitlichen Änderung des Stroms. Das PID-Verfahren beinhaltet die Festlegung der Stellgröße additiv aus (i) einem der Differenz zwischen Regel- und Führungsgröße proportionalen Signal sowie (ii) aus einem aus (i) gebildeten Integralsignal und (iii) aus einem aus (i) gebildeten Differentialsignal. Durch geeignete Festlegung der aus (i), (ii) und (iii) resultierenden Signalanteile an der Stellgröße kann ein günstiges Einschwingverhalten der Regelung erreicht werden.

Eine solche Regelung vermeidet nicht nur die Nachteile einer Regelung nach Kennfeld, sondern ermöglicht auch eine schnellstmögliche Anpassung der Zelleistung an den jeweiligen Wärmebedarf. Die Kenngrößen von Minimal- und Maximalwert sowie die erlaubte zeitliche Änderung des Stroms richten sich nach den von der Prozeßführung der Brennstoffzelle her zugelassenen Werten und dem für den Zellstapel zulässigen Minimal- und Maximalstrom. Für eine solche Regelung werden erfindungsgemäß zwei Konzepte angewandt:

• 1. Regelung der Vorlauftemperatur des Nutz- oder Kühlwärme­ kreislaufs 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 ein besserer Gesamtwirkungsgrad des Systems folgen.
• 2. Regelung der Rücklauftemperatur des Nutz- oder Kühlwär­ mekreislaufs 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 Versorgungs­ einheit (19) für das wasserstoffhaltige Betriebsgas, welches über die Anodengaszuführung (21), und das gasförmige Oxida­ tionsmittel (Luft, sauerstoffangereicherte Luft oder Sauer­ stoff), welches über die Kathodengaszuführung (20) der Brenn­ stoffzelleneinheit (1) zugeführt wird, einer zugehörigen Gasstromregelung (18), einer diese Betriebsgase verstromenden Brennstoffzelleneinheit (1), die aus einer oder mehreren Ein­ zelzellen 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 T_V und der Rücklauftemperatur T_R, einem von dem Wärmetauscher ausgehenden Nutzwärmekreislauf mit der Vorlauftemperatur T_V, und der Rücklauftemperatur T_R, sowie der erfindungsgemäß arbeitenden Regeleinheit (13). Diese steuert über einen Ausgang für den Soll-Zellstrom (14) einen Wechselrichter (16) oder eine vergleichbare, den Zell­ strom nutzende Einheit. Wie weiter oben beschrieben, wird als Regelgröße für die Regeleinheit (13) entweder die Vor- oder die Rücklauftemperatur des Nutzwärmekreislaufs oder des Kühl­ mittelkreislaufs herangezogen. Die in der PID-Regeleinheit ermittelte Abweichung der betr. Temperatur von dem vorgegebe­ nen Sollwert wird nach einem PID- oder vergleichbaren Regel­ verfahren zur Steuerung der Gasströme über die Soll-Gas­ ströme (17), die Gasstromregelung (18) und die Versorgungsein­ heit (19) sowie zur Steuerung des Zellstroms über den Soll- Zellstrom (14) und den Wechselrichter (16) verwendet. Falls aufgrund der Eigenschaften der Regeleinrichtungen für die Anoden- und Kathodengasströme ein zeitlicher Vorlauf der Regelung und/oder ein nach dem Stand der Technik bekannter Steuerungsablauf erforderlich ist, wird diese Regelgröße aus dem Steuersignal für den Zellstrom gebildet und in einem 2. Regelkreis, der Gasstromregelung (18) bereitgestellt. In letzterem Fall wird das Steuersignal für den Zellstrom (14), welches dem Wechselrichter zugeführt wird, in entsprechendem Maße zeitlich verzögert, so daß der durch den Wechselrichter geforderte Zellstrom von der Zelle immer bereitgestellt wer­ den kann.

Im Gegensatz zu dem im Stand der Technik genannten Verfahren nach DE 43 22 765 C1, welches zu einem variablen Sauer­ stoffumsatz im Oxidationsmittel-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 Wasserstoff ein­ gesetzt werden, kann die Regelung des anodenseitigen Gas­ stroms nach dem Stand der Technik durch eine Regelung des anodeneingangsseitigen Gasdrucks erfolgen. In diesem Fall wird anodenausgangsseitig ein Ventil mit einer Steuereinheit vorgesehen, 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 DE 43 22 765 C1 der Zellstrom so gewählt wird, daß der Brennstoffzelle ständig die in Bezug auf den Oxidationsmittel-Gasstrom maxi­ mal mögliche elektrische Leistung entnommen wird. Zusammen­ fassend arbeitet das in DE 43 22 765 C1 beschriebene Regel­ verfahren mit dem Oxidationsmittel-Gasstrom als Steuergröße, während das erfindungsgemäße Verfahren mit dem vom Wechsel­ richter angeforderten Zellstrom als Steuergröße arbeitet.

Das hat besondere Vorteile im Hinblick auf die Dynamik und den Teillastwirkungsgrad des Systems.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden näher beschrieben und ist in den Abb. 1 und 2 näher erläu­ tert:

Abb. 1: Schaltbild des PID-Reglers in einem Brennstoff­ zellen-BHKW

Abb. 2: Zeitlicher Verlauf der Soll- und Istwerte für den Wärmestrom (rechte y-Achse) sowie des Zellstroms und der Vor- und Rücklauftemperatur (linke y-Achse) bei vorgegebenem Lastverlauf

Abb. 1 gibt das erfindungsgemäße Schaltbild eines PID- Reglers in einem Brennstoffzellen-BHKW wieder. Eine Brennstoffzelleneinheit (1), die aus mindestens einer aus Anode (2), Matrix (3) und Kathode (4) bestehenden Einzel­ zelle besteht, wird von einer Gasversorgungseinheit (19) über eine Anodengaszuführung (21) und eine Kathodengaszufüh­ rung (20) mit Betriebsgasen versorgt. Die Restgase werden über einen Anodengasausgang (5) und einen Kathodengasausgang (6) abgeführt. Die Brennstoffzelleneinheit (1) wird von einem aus einer Pumpe (9), einer Kühlmittelzuführung (8), einer Kühlmittelabführung (7) sowie einem Wärmetauscher (10) beste­ hendem Kühlmittelkreislauf gekühlt. Im Wärmetauscher (10) wird das Kühlmittel mit einem aus Vorlauf (11) und Rücklauf (12) bestehendem Kühlkreislauf gekühlt. Die Vorlauftemperatur T_V des Kühlmittels wird der Regeleinheit (13) zugeführt, welche nach Verfahren 1 die Temperatur T_V durch Variation des Soll-Zellstroms (14), der durch den Wechselrichter (16) ein­ gestellt wird, auf einen konstanten Wert regelt. Als Stellgröße dient der Zellstrom. Ein gegenüber dem Soll-Zell­ strom (14) mit zeitlichem Vorlauf (1 sec.) versehener 2. Re­ gelpfad der Soll-Gasströme (17) wird zur Ansteuerung der Gasstromregelung (18) verwendet. Die Ausgangssignale der Gasstromregelung werden zur Ansteuerung von Gasdurchflußreg­ lern, die zusammen mit einer Gasversorgung die Gasversor­ gungseinheit (19) bilden, verwendet. Zur Regelung des Zell­ stroms wird 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) wird eine praktisch überschwingungs­ freie Regelung der Vorlauftemperatur T_V nach sprungförmiger Änderung der Rücklauftemperatur erreicht. Hierbei werden 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 an Blockheizkraft­ werken auftretende Wärmebedarf nach bekannten Kennlinien durch Variation der Rücklauftemperatur des Kühlkreislaufs nachgefahren. Die in Abb. 2 wiedergegebene Lastkurve zeigt das Wärmebedarfsprofil an einer Entnahmestelle (Grundschule Beuthener Straße, Hannover, am 24.02.1993, nor­ miert auf 1,6 kW Nennlast). Es zeigt sich, daß das verwendete Regelverfahren ein praktisch kontinuierliches Nachfahren der vorgegebenen zeitlichen Lastverläufe ohne wesentliche Abwei­ chung 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.

Claims (12)

1. Verfahren zur Regelung der Stromerzeugung von Brenn­ stoffzellen im wärmegeführten Betrieb, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Strom der Brennstoffzelle als Stell­ größe über die Vorlauf- oder Rücklauftemperatur des Kühlwärmekreislaufs als Regelgröße mit Hilfe eines kon­ tinuierlichen oder quasikontinuierlichen Regelverfahrens geregelt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, insbesondere Regelungen, bei denen eine PID-Regeleinheit eingesetzt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, insbesondere Regelungen, bei denen als zusätzliche Regelgröße die Beschränkung des Zellstroms hinsichtlich Minimal- und Maximalwert sowie der Betrag der zeitlichen Änderung des Zellstroms eingesetzt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Wärmekreislauf durch einen direkten Kreislauf unter Einschluß von Brennstoffzelleneinheit und Verbraucher realisiert wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Wärmekreislauf aus einem Kühlmittelkreislauf, einem Wärmetauscher und einem Nutzwärmekreislauf gebildet wird.

6. Verfahren nach Anspruch 4, wobei der Nutzwärmekreislauf aus einem oder mehreren Wärmetauscherkreisläufen gebildet wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem mit einer optimierten Anpassung an die Wärmeanforderung des Verbrauchers die Vorlauftemperatur des Kühlmittel- oder Nutzwärmekreis­ laufs geregelt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem mit einer optimalen Ausnutzung der gelieferten Wärme die Rücklauftemperatur des Kühlmittel- oder Nutzwärmekreislaufs so geregelt wird, daß eine Temperatur möglichst nahe unter dem zulässigen Höchstwert eingestellt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 1, wobei als Brenngas in der Zelle Wasserstoff oder ein durch Reformierung und Gasreinigung erhaltenes wasserstoffreiches Gas ein­ gesetzt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Regelung einen durch einen zeitlichen Vorlauf gekennzeichneten 2. Regelpfad aufweist, der zur Ansteuerung des Reformers oder zur Ansteuerung von zur Regulierung von Anoden- und Kathodengsströmen geeigneten Anordnungen eingesetzt wird.

11. Verfahren nach Anspruch 10, wobei in dem 2. Regelpfad zur Ansteuerung des Reformers Rampen eingesetzt werden.

12. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die zulässigen Grenzwerte für den Zellstrom unter Berücksichtigung der für die Brennstoffzelle gültigen Grenzwerte, insbesondere der Zelltemperatur, festlegt werden.