DE19526774A1 - Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenanlage und Brennstoffzellenanlage zum Durchführen des Verfahrens - Google Patents
Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenanlage und Brennstoffzellenanlage zum Durchführen des VerfahrensInfo
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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.
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.
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.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19526774A DE19526774A1 (de) | 1995-07-21 | 1995-07-21 | Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenanlage und Brennstoffzellenanlage zum Durchführen des Verfahrens |
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DE19526774A1 true DE19526774A1 (de) | 1997-01-23 |
Family
ID=7767497
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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DE19526774A Ceased DE19526774A1 (de) | 1995-07-21 | 1995-07-21 | Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenanlage und Brennstoffzellenanlage zum Durchführen des Verfahrens |
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