DE19526774A1 - Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenanlage und Brennstoffzellenanlage zum Durchführen des Verfahrens - Google Patents

Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenanlage und Brennstoffzellenanlage zum Durchführen des Verfahrens

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenanlage und auf eine Brennstoffzellenan­ lage zum Durchführen des Verfahrens.
Brennstoffzellen ermöglichen die direkte Erzeugung elektri­ scher Energie aus Wasserstoff und Sauerstoff mit erheblich besserem Wirkungsgrad und deutlich geringeren Schadstoffemis­ sionen als herkömmliche Energieerzeuger, und sie arbeiten au­ ßerdem geräuschlos.
Neben diesen grundsätzlichen Vorteilen bietet die Brennstoff­ zelle mit einem festen Elektrolyten aus Kunststoff (Polymere Elektrolyt Membran-PEM) weitere positive Eigenschaften wie geringe Betriebstemperatur (kleiner 80°C), günstiges Überlastverhalten, geringe Spannungsdegradation und hohe Le­ bensdauer, günstiges Last- und Temperaturzyklusverhalten und Fehlen eines flüssigen korrosiven Elektrolyten.
Zudem ist sie auch für einen Betrieb mit Luft aus der Umge­ bung anstatt Sauerstoff geeignet.
Alle diese Eigenschaften machen die mit Luft betreibbare PEM- Brennstoffzelle zu einem nahezu idealen Stromerzeuger z. B. für den abgasfreien elektrischen Betrieb von Kraftfahrzeugen.
Brennstoffzellen sind für sich allein nicht betreibbar. Daher werden der Brennstoffzellenblock, das Betriebsteil und eine zugeordnete Modulelektronik zu einem Brennstoffzellen-Modul zusammengefaßt. Im Betriebsteil sind die Einrichtungen für Versorgung mit Wasserstoff H₂ und Luft, für Produktwasserab­ fuhr, Verlustwärmeabfuhr, Befeuchtung der Reaktanden und Se­ paration der Gasverunreinigung zusammengefaßt.
Die wichtigste Komponente einer Brennstoffzellenanlage ist somit das Brennstoffzellen-Modul mit den elektrochemischen Brennstoffzellen. Eine zentrale elektrische Regelung und Überwachung sowie periphere Einrichtungen für die Versorgung mit Reaktanden, für die Wärmeabfuhr und zum Sammeln des Pro­ duktwassers vervollständigen die Brennstoffzellenanlage.
Wichtige Kenngrößen die den Betrieb mit Luft in der Brenn­ stoffzellenanlage charakterisieren, sind, das Luftverhältnis λ und der Luftvolumenstrom Luft. Der Luftvolumenstrom Luft ist ein Maß für die das Brennstoffzellen-Modul durchströmende Menge an Luft. Das Luftverhältnis λ gibt den zusätzlichen Be­ darf an Luft bei der Reaktion an, wenn anstelle von reinem Sauerstoff O₂ Luft verwendet wird.
Mit Luft betriebene Brennstoffzellen sind unter anderem für den Einsatz als Stromerzeuger für einen elektrischen Antrieb von Kraftfahrzeugen geeignet.
Aus dem deutschen Patent DE 43 22 765 C1 ist ein Verfahren zur dynamischen Regelung der Leistung einer elektrischen An­ triebseinheit eines Kraftfahrzeuges bekannt, bei dem aus der Fahrpedalstellung eines Kraftfahrzeuges ein Leistungs-Soll­ wert ermittelt wird, mit dem der Massenstrom eines Oxidanten geregelt wird. Die hier offenbarte Regelung ist aufwendig und benötigt als Meßgröße die Fahrpedalstellung des Kraftfahrzeu­ ges.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenanlage, insbesondere ei­ ner PEM-Brennstoffzellenanlage, anzugeben, das den Wirkungs­ grad der Brennstoffzellenanlage durch eine einfache Regelung optimiert, bei der nur Meßgrößen für die Regelung verwendet werden, die innerhalb der Brennstoffzellenanlage bestimmt werden können. Das heißt, daß keine anderen Meßgrößen die au­ ßerhalb der Brennstoffzellenanlage gemessen werden in die Re­ gelung mit einbezogen werden. Außerdem soll eine Brennstoff­ zellenanlage zur Durchführung des Verfahrens angegeben wer­ den.
Die erstgenannte Aufgaben wird gelöst mit den Merkmalen des Anspruches 1. Die zweitgenannte Aufgaben wird gelöst mit den Merkmalen des Anspruches 4.
Bei dem Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenanlage, insbesondere einer PEM-Brennstoffzellenanlage, die mindestens ein Brennstoffzellen-Modul umfaßt, wird gemäß der Erfindung der Luftvolumenstrom Luft in einem Zuweg so verändert, daß das Luftverhältnis λ konstant bleibt. Vorteilhafterweise wer­ den für diese Regelung nur Meßgrößen verwendet, die mittelbar vor bzw. hinter dem Brennstoffzellen-Modul gemessen werden.
Das bedeutet, daß diese Meßgrößen innerhalb der Brennstoff­ zellenanlage gemessen werden. Dadurch werden keine außerhalb der Brennstoffzellenanlage vorliegenden Meßgrößen für die Re­ gelung verwendet.
Insbesondere wird das Luftverhältnis λ in einem Abweg gemes­ sen. Es wird der Luftvolumenstrom Luft in einem Zuweg so­ lange geregelt, bis das in dem Abweg gemessene Luftverhältnis λ mit einem konstanten Erfahrungswert übereinstimmt.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird der Luftvolumenstrom Luft in Abhängigkeit von dem von dem Brennstoffzellen-Modul erzeugten Strom IBZM gesteuert.
Für die Meßgröße IBZM gilt folgender funktioneller Zusammen­ hang,
wobei
Luft der Luftvolumenstrom durch das Brennstoffzellenmodul in kg/h ist,
λ das Luftverhältnis ist,
0,2091 IBZM n der Volumenstrom an Sauerstoff O₂ in kg/h durch das Brennstoffzellenmodul, berechnet nach dem Faradayschem Gesetz, ist,
IBZM der in dem Brennstoffzellen-Modul erzeugte Strom in A, n die Anzahl der Brennstoffzellen in dem Brennstoffzellen-Modul ist,
0,21 der volumetrische Anteil von Sauerstoff O₂ in der Luft ist und
TLuft die Temperatur der das Brennstoffzellen-Modul durch­ strömenden Luft in K ist.
Wird für das Luftverhältnis λ ein konstanter Erfahrungswert eingesetzt, auf den der Luftvolumenstrom Luft gesteuert werden soll, so ergibt sich zwischen dem Luftvolumenstrom Luft und dem Strom IBZM des Brennstoffzellen-Moduls eine lineare Beziehung, da alle anderen Größen rechts vom Gleich­ heitszeichen konstante Eingangsgrößen sind.
Vorteilhafterweise läßt sich so der Luftvolumenstrom Luft auf einfache Weise in Abhängigkeit von dem Strom IBZM des Brennstoffzellenmoduls steuern, ohne daß das Luftverhältnis λ gemessen werden muß.
Bei der Brennstoffzellenanlage zum Durchführen des Verfah­ rens, insbesondere eine PEM-Brennstoffzellenanlage, die min­ destens ein Brennstoffzellen-Modul umfaßt, sind gemäß der Er­ findung Mittel zum Messen des Luftverhältnis λ und Mittel zum Regeln des Luftvolumenstromes Luft vorgesehen.
Insbesondere ist zum Regeln des Luftvolumenstromes Luft ein drehzahlgeregelter Verdichter in einem Zuweg angeordnet.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist eine λ-Sonde zum Messen des Luftverhältnisses λ in einem Abweg angeordnet.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist ein Meß­ gerät zum Bestimmen des Luftvolumenstromes Luft in dem Zu­ weg dem Verdichter vorgeschaltet.
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Ausfüh­ rungsbeispiele der Zeichnung verwiesen. Es zeigen:
Fig. 1 eine PEM-Brennstoffzellenanlage gemäß der Erfindung in schematischer Darstellung.
Fig. 2 eine weitere Ausgestaltung einer PEM-Brennstoff­ zellenanlage ebenfalls in schematischer Darstellung.
Fig. 3 ein Diagramm in dem für ein vorgegebenes Luftverhältnis λ der Luftvolumenstrom Luft eines Brennstoffzellen-Moduls gegen den im Brennstoffzellen-Modul erzeugten Strom IBZM aufgetragen ist.
Gemäß Fig. 1 enthält eine Brennstoffzellenanlage, insbeson­ dere einer PEM-Brennstoffzellenanlage 2, mindestens ein Brennstoffzellen-Modul 4, das nicht weiter dargestellt einen Brennstoffzellenblock, einen Betriebsteil und eine zugeord­ nete Modulelektronik umfaßt. Der Brennstoffzellenblock setzt sich aus einer Vielzahl von Brennstoffzellen zusammen, wie es z. B. aus dem Bericht "Brennstoffzellen für Elektrotraktion", K. Straßer, VDI Berichte Nr. 912, 1992 bekannt ist. Der von dem Brennstoffzellen-Modul 4 erzeugte Gleichstrom wird über eine Zuführungsleitung 40 einem Verbraucher 42 zur Verfügung gestellt.
Dem Brennstoffzellen-Modul 4 ist ein Zuweg 6 und ein Abweg 10 zugeordnet. Über den Zuweg 6 wird ein Luftvolumenstrom Luft in das Brennstoffzellen-Modul 4 eingespeist und über den Ab­ weg 10 wird der verbrauchte Anteil des Luftvolumenstromes Luft aus dem Brennstoffzellen-Modul 4 abgeführt. In dem Zu­ weg 6 ist ein drehzahlgeregelter Verdichter 16, der bei­ spielsweise mit einem Gleichspannungsmotor betrieben und über die Pulsbreite geregelt wird, dem Brennstoffzellen-Modul 4 vorgeschaltet. In dem Abweg 10 ist eine λ-Sonde 14 dem Brenn­ stoffzellen-Modul 4 nachgeschaltet. In der λ-Sonde 14 wird eine der Differenz der Sauerstoffkonzentrationen im Abweg 10 und der Umgebung entsprechende Spannung erzeugt und einer Ge­ rätekennlinie das dazugehörige Luftverhältnis λ entnommen.
Die von der λ-Sonde 14 erfaßten Meßwert des Luftverhältnisses λ werden über eine elektrische Leitung 26 an einen Brenn­ stoffzellenanlagen-Regler 28 weitergeleitet. Der Brennstoff­ zellenanlagen-Regler 28 ist über eine Regelleitung 22 an den drehzahlgeregelten Verdichter 16 angeschlossen und regelt die Verdichterleistung solange, bis das gemessene Luftverhältnis λ in der λ-Sonde 14 mit dem konstanten Erfahrungswert über­ einstimmt.
Ist der aktuelle Meßwert für das Luftverhältnis λ niedriger als ein konstanter Erfahrungswert für das Luftverhältnis λ für einen optimalen Wirkungsgrad der PEM-Brennstoffzellenan­ lage 2, d. h. es besteht ein erhöhter Energiebedarf des Ver­ brauchers, so muß die Verdichterleistung über die Verdichter­ drehzahl des drehzahlgeregelten Verdichters 16 solange nach oben geregelt werden bis der gewünschte Erfahrungswert für das Luftverhältnis λ in der λ-Sonde 14 gemessen wird. Ist der aktuelle Meßwert des Luftverhältnisses λ höher als der kon­ stante Erfahrungswert, d. h. es besteht ein geringerer Ener­ giebedarf des Verbrauchers, so muß die Verdichterdrehzahl des drehzahlgeregelten Verdichters 16 nach unten geregelt werden bis der aktuelle Meßwert in der λ-Sonde 14 mit dem konstanten Erfahrungswert übereinstimmt.
Vorteilhafterweise wird das Luftverhältnis λ direkt über die Verdichterdrehzahl des Verdichters 16 geregelt. Sowohl der drehzahlgeregelte Verdichter 16 als auch die λ-Sonde 14 sind dem Brennstoffzellen-Modul 4 direkt vor- bzw. nachgeschaltet.
Dadurch bezieht die Regelung für einen optimalen Wirkungsgrad der PEM-Brennstoffzellenanlage 2 nur Meßgrößen in die Rege­ lung mit ein, die auch zur Brennstoffzellenanlage 2 gehören. Meßgrößen, die für den Verbraucher, beispielsweise ein Kraft­ fahrzeug, charakteristisch sind, werden nicht berücksichtigt.
Dem Brennstoffzellen-Modul 4 sind ein Zuweg 8 und ein Abweg 12 für die Versorgung des Brennstoffzellen-Moduls 4 mit einem Prozeßgas, beispielsweise Wasserstoff H₂, zugeordnet. Über den Zuweg 8 wird ein Prozeßgas in das Brennstoffzellen-Modul 4 eingespeist und über den Abweg 12 werden inerte Gasanteile des Prozeßgases aus dem Brennstoffzellen-Modul 4 abgeführt.
In dem Zuweg 8 sind in Strömungsrichtung hintereinander ein Druckreduzierer 34 und ein automatisches Ventil 32 angeord­ net. In dem Abweg 12 ist ein automatisches Ventil 30 dem Brennstoffzellen-Modul 4 nachgeschaltet.
In der Ausgestaltung gemäß Fig. 2 ist in dem Abweg 10 keine λ-Sonde mehr enthalten. Die Meßwerte für den von dem Brenn­ stoffzellen-Modul erzeugten Strom IBZM werden über eine elek­ trische Leitung 24 an den Brennstoffzellenanlagen-Regler 28 weitergeleitet.
Für den von dem Brennstoffzellen-Modul 4 erzeugten Strom IBZM gilt folgender in Fig. 3 dargestellte funktionelle Zu­ sammenhang,
wobei
Luft der Luftvolumenstrom durch das Brennstoffzellenmodul 4 in kg/h ist,
λ das Luftverhältnis ist,
0,2091 IBZM n der Volumenstrom an Sauerstoff O₂ in kg/h durch das Brennstoffzellenmodul 4 , berechnet nach dem Faradayschem Gesetz, ist,
IBZM der in dem Brennstoffzellen-Modul 4 erzeugte Strom in A, n die Anzahl der Brennstoffzellen in dem Brennstoffzellen-Mo­ dul 4 ist,
0,21 der volumetrische Anteil von Sauerstoff O₂ in der Luft ist und
TLuft die Temperatur der das Brennstoffzellen-Modul durch­ strömenden Luft in K ist.
Wird für das Luftverhältnis λ ein konstanter Erfahrungswert, vorzugsweise λ=2, eingesetzt auf den der Luftvolumenstrom Luft gesteuert werden soll, so ergibt sich zwischen dem Luftvolumenstrom VLuft und dem Strom IBZM des Brennstoffzel­ len-Moduls 4 eine lineare Beziehung, da alle anderen Größen rechts vom Gleichheitszeichen konstante Eingangsgrößen sind.
Diese lineare Beziehung zwischen dem Luftvolumenstrom Luft und dem Strom IBZM des Brennstoffzellen-Moduls 4 ist in dem Diagramm für das konstante Luftverhältnis λ=2 dargestellt.
Mit der Kenntnis des Stromes IBZM des Brennstoffzellen-Moduls 4 kann demzufolge der Sollwert des Luftvolumenstromes Luft einfach in dem Brennstoffzellenanlagen-Regler 28 berechnet werden und der drehzahlgeregelte Verdichter 16 über die elek­ trische Leitung 22 gesteuert werden.
Vorteilhafterweise läßt sich so der Luftvolumenstrom Luft auf einfache Weise in Abhängigkeit von dem Strom des Brenn­ stoffzellenmoduls IBZM steuern, ohne daß das Luftverhältnis λ gemessen werden muß.
In einer vorteilhaften Ausführungsform ist in dem Zuweg 6 ein Meßgerät 18 dem Verdichter 16 vorgeschaltet. Zwischen dem Meßgerät 18 zum Bestimmen des Luftvolumenstroms LUFT und dem Brennstoffzellenanlagen-Regler 28 ist eine elektrische Leitung 20 angeordnet, über die die von dem Meßgerät 18 er­ faßten Meßwerte des Luftvolumenstromes LUFT an den Brenn­ stoffzellenanlagen-Regler 28 übertragen werden. Damit kann der sich aus dem Diagramm sich ergebende Sollwert für den D Luftvolumenstrom LUFT mit dem mit dem Meßgerät 18 erfaßten Meßwert des Luftvolumenstroms LUFT verglichen werden und der Sollwert entsprechend nachgeregelt werden.

Claims (7)

1. Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenanlage, ins­ besondere einer PEM-Brennstoffzellenanlage (2), die minde­ stens ein Brennstoffzellen-Modul (4) umfaßt, bei dem der Luftvolumenstrom Luft in einem Zuweg (6) so verändert wird, daß das Luftverhältnis λ konstant bleibt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Luftverhältnis λ in einem Abweg (20) gemessen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Luftvolumenstrom Luft über den vom Brennstoffzellen-Modul (4) erzeugten Strom IBZM gesteuert wird.
4. Brennstoffzellenanlage zum Durchführen des Verfahrens nach Anspruch 1, insbesondere eine PEM-Brennstoffzellenanlage (2), die mindestens ein Brennstoffzellen-Modul (4) umfaßt, bei der ein Mittel (14) zum Messen des Luftverhältnisses λ und ein Mittel (16) zum Regeln des Luftvolumenstroms Luft vorgese­ hen sind.
5. Brennstoffzellenanlage nach Anspruch 4, bei der zum Regeln des Luftvolumenstroms Luft ein drehzahl­ geregelter Verdichter (16) in einem Zuweg (6) angeordnet ist.
6. Brennstoffzellenanlage nach Anspruch 5, bei der eine λ-Sonde (14) zum Messen des Luftverhältnisses λ in einem Abweg (10) angeordnet ist.
7. Brennstoffzellenanlage nach Anspruch 5, bei dem ein Meßgerät (18) zum Bestimmen des Luftvolumenstroms Luft in dem Zuweg (6) dem Verdichter (16) vorgeschaltet ist.
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