DE19930876A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Feststellung und/oder Regelung der Temperatur einer Brennstoffzelle und/oder eines Brennstoffzellenstacks - Google Patents
Vorrichtung und Verfahren zur Feststellung und/oder Regelung der Temperatur einer Brennstoffzelle und/oder eines BrennstoffzellenstacksInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Feststellung der Temperatur, wobei zumindest an einem Meßort wie einer Stelle und/oder einem Bereich eines Brennstoffzellenstacks und/oder einer Brennstoffzelleneinheit die Temperatur erfaßt und an eine Recheneinheit für eine Modellrechnung weitergegeben wird, wobei eine Recheneinheit dann die Temperaturverteilung des Stacks mit Hilfe einer Modellrechnung bestimmt und diese Information an ein Steuergerät weitergibt, über das die Temperatur im Stack regelbar ist.
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur
Feststellung und/oder Regelung der Temperatur einer Brenn
stoffzelle und/oder eines Brennstoffzellenstacks, insbesonde
re einer Polymer-Elektrolyt-Membran(PEM)- und/oder einer
Hochtemperatur-Polymer-Elektrolyt-Membran (HTM)-
Brennstoffzelle.
Die HTM-Brennstoffzelle ist aus der gleichnamigen Anmeldung
derselben Anmelder bekannt.
Bislang wird die Temperatur eines Brennstoffzellenstacks an
einer Stelle des Stacks, beispielsweise an den Endplatten des
Stacks oder anhand der Temperatur der austretenden Abgase
festgestellt. Dabei wird jedoch nicht berücksichtigt, daß in
nerhalb des Brennstoffzellenstacks und innerhalb einer Brenn
stoffzelleneinheit Temperaturgradienten bestehen, die unter
anderem eine Folge der exothermen Reaktion, der Kühlung
und/oder der Temperatur der einströmenden Prozeßgase sind.
Nach der bekannten Methode zur Temperaturmessung im Brenn
stoffzellenstack wird die Temperaturverteilung nicht berück
sichtigt, weil man in bezug auf die Temperaturmessung in er
ster Näherung von einer gleichmäßigen Temperaturverteilung im
Stack und/oder in der Brennstoffzelleneinheit ausgeht.
Eine Folge dieser ungenauen Temperaturmessung ist eine teils
falsche teils stark verzögerte Temperaturregelung im Stack,
die nicht nur die Effizienz des Stacks herabsetzt, sondern
auch wegen Materialüberbeanspruchung die Lebensdauer der Kon
struktionsteile verringert.
Es wurde festgestellt, daß die Anforderungen bezüglich der
Effizienz an eine Brennstoffzelle, insbesondere eine
PEM(Polymer-Elektrolyt-Membran) und/oder einer
HTM(Hochtemperatur-Polymer-Elektrolyt-Membran)-
Brennstoffzelle, eine verbesserte Temperaturerfassung
und/oder -regelung erfordern.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist deshalb eine Vorrich
tung und ein Verfahren zur Temperaturfeststellung und/oder
-regelung eines Brennstoffzellensystems zur Verfügung zu stel
len, das die genannten Nachteile überwindet.
Gegenstand der Erfindung ist eine Vorrichtung zur Feststel
lung der Temperatur, die zumindest an einem Meßort wie einer
Stelle und/oder einem Bereich eines Brennstoffzellenstacks
und/oder einer Brennstoffzelleneinheit die Temperatur erfaßt
und an eine Recheneinheit für eine Modellrechnung weitergibt,
wobei die Recheneinheit dann die Temperaturverteilung des
Stacks mit Hilfe einer Modellrechnung bestimmt und diese In
formation an ein Steuergerät weitergibt, über das die Tempe
ratur im Stack regelbar ist.
Außerdem ist Gegenstand der Erfindung ein Verfahren zur dyna
mischen Regelung der Temperatur und/oder der Zusammensetzung
des Prozeßgases, bei dem die Temperatur eines Brennstoffzel
lenstacks und/oder die Zusammensetzung des Prozeßgases inner
halb eines Brennstoffzellenstacks und/oder einer Brennstoff
zelleneinheit des Stacks ermittelt wird, diese Information
direkt oder über eine Recheneinheit für die Modellrechnung an
ein Steuergerät weitergegeben wird, das Steuergerät zumindest
einen eingegangenen Ist-Wert mit einem vorgegebenen Sollwert
vergleicht und zumindest eine entsprechende Regelvorrichtung
so ansteuert, daß die Angleichung des Ist-Wertes an den Soll
wert bewirkt wird.
Nach einer Ausgestaltung der Vorrichtung umfaßt sie zumindest
ein Mittel zur direkten Feststellung der Temperatur wie ein
Thermoelement, eine Temperatursonde und/oder einen Tempera
tursensor. Bei dieser Ausgestaltung ist zumindest ein solches
Mittel beispielsweise in einem repräsentativen Bereich eines
Gasversorgungs- oder -entsorgungskanal eines Stacks, in einer
Reaktionskammer, auf einer aktiven Fläche, an einer Polplatte
und/oder an einer sonstigen repräsentativen Stelle einer oder
mehrerer oder aller Brennstoffzelleneinheiten eines Stacks
angeordnet. Nach einer Variante ist bei dieser Ausgestaltung
mit dem Mittel zur direkten Temperaturerfassung ein Mittel
zur Gasanalyse, wie ein Gassensor kombiniert, so daß gleich
zeitig mit der Temperatur, z. B. des Prozeßgases, in dem re
präsentativen Bereich auch dessen Zusammensetzung bestimmbar
ist.
Nach einer Ausgestaltung der Vorrichtung umfaßt sie zumindest
ein Mittel zur indirekten Feststellung der Temperatur, wie
beispielsweise ein Mittel, das eine Angabe über
- - die momentan bewältigte elektrische Last
- - die aktuelle Zellspannung,
- - den momentanen Kühlmittelverbrauch,
- - die momentane Kühlmittelerwärmung und/oder
- - den aktuellen H2-Durchfluß
- - den O2-Partialdruck
der betroffenen repräsentativen Stelle oder des repräsentati
ven Bereichs der Brennstoffzelleneinheit und/oder des Stacks
gibt.
Mit der Vorrichtung wird die Information über zumindest einen
festgestellten aktuellen Temperaturmeßwert als "Ist-Wert" an
eine Recheneinheit für eine Modellrechnung weitergegeben, so
daß mit Hilfe des Modells die Temperaturverteilung im übrigen
Stack und/oder in der restlichen Brennstoffzelleneinheit ex
trapoliert werden kann. Die berechnete Temperaturverteilung
wird dann an ein Steuergerät, über das die Zellspannung, die
Prozeßgastemperatur und -zufuhr und/oder die Prozeßgaszusam
mensetzung, die Kühlmittelmenge, die Kühlmittelzusammenset
zung oder -temperatur etc. regelbar ist, weitergeleitet. Im
Steuergerät wird ein Sollwert der Temperaturverteilung für
den jeweiligen Betriebszustand errechnet. Der Algorithmus zur
Berechnung des Sollwertes ist variabel, es kann nach Wir
kungsgrad des Systems, nach Leistung, thermischer oder elek
trischer, nach Dynamik des Systems etc. verschiedene Sollwer
te für einen Betriebszustand an einer repräsentativen Stelle
und/oder an einem repräsentativen Bereich ermitteln. Das
Steuergerät kann automatisch einen dieser Sollwerte durch An
steuerung von Regelvorrichtungen einstellen oder es kann das
Ergebnis von Soll- und Ist-Wert zeigen und ein Betreiber kann
mit dieser Information selbst die Ansteuerung (unter Umstän
den nach einem Vorschlag des Steuergerätes) einer Regelvor
richtung übernehmen.
Jede der Daten(Temperatur, Kühlmittelverbrauch und/oder -tem
peratur und/oder -erwärmung, H2-Durchfluß, elektrische Last,
Zellspannung, Stromabgabe etc) und insbesondere mehrere die
ser aktuellen Daten aus dem Brennstoffzellenstack und/oder
aus der Brennstoffzelleneinheit zusammen, ermöglichen es, daß
das mit dieser Information und/oder mit der Information aus
der Recheneinheit gefütterte Steuergerät die aktuelle Tempe
raturverteilung im Brennstoffzellenstack aktiv, unmittelbar
und dynamisch regelt.
Nach einer Ausführungsform der Erfindung wird die Temperatur
an zwei repräsentativen Stellen des Stacks und/oder der
Brennstoffzelleneinheit festgestellt. Als "repräsentative
Stelle und/oder Bereich" wird jeder Platz oder Teil eines
Brennstoffzellenstacks bezeichnet, der, nach einer Ausgestal
tung der Erfindung zusammen mit einem "Pendant", also einem
Gegenstück, eine möglichst treffende Information über den ak
tuellen Verlauf der Temperaturverteilung zwischen den zumin
dest zwei betrachteten repräsentativen Stellen/Bereichen im
Stack und/oder in der Brennstoffzelleneinheit an die Rechen
einheit gibt. Typische repräsentative Stellen oder Bereiche
sind der Gaseinlaß und/oder Auslaß einer Zelle sowie eine im
Stack in der Peripherie und eine im Zentrum angordnete Brenn
stoffzelleneinheit.
Unter "Regelvorrichtung wird beispielsweise ein Gerät zur
Einstellung eines Dosierventils, das im Prozeßgaszuführungs
kanal angebracht ist, bezeichnet. Ein anderes Beispiel ist
ein Gerät zur Stromregelung für einen Elektromotor, der einen
Verdichter antreibt und über dessen Drehzahl die einströmende
Luftmenge regulierbar ist. Ähnliche Beispiele bezogen auf die
Kühlung und die Zellspannung etc. sind einschlägig bekannt.
Als "Prozeßgas wird im Gegensatz zum Reaktionsgas der
Gasstrom bezeichnet, der durch die Zellen fließt und der ne
ben dem Reaktionsgas noch Inertgas, Verunreinigung, Befeuch
tungs- und/oder Produktwasser gasförmig und/oder flüssig ent
halten kann.
Als "Soll-Wert' wird der Temperaturwert an der repräsentati
ven Stelle bezeichnet, der mit dem Rechenmodell des Steuerge
rätes unter einem Gesichtspunkt wie Optimierung des Wirkungs
grads, der Leistung etc der Brennstoffzelle und/oder des Sy
stems an dieser repräsentativen Stelle/Bereich ermittelt wur
de.
In das Steuergerät werden laufend die Ergebnisse der Fest
stellung der Temperatur eingegeben. Das Steuergerät ist an
hand der ihm zur Verfügung stehenden Regelungselektronik in
der Lage für jeden Betriebszustand und jede repräsentative
Stelle eine Temperatur (den Sollwert) zu ermitteln, die z. B.
einen optimalen Wirkungsgrad des Systems gewährleistet. Wei
terhin ist das Steuergerät in der Lage, anhand der eingehen
den Informationen zu entscheiden, über welche Regelungsvor
richtung die Korrktur der Temperatur an der betreffenden
Stelle am schnellsten durchführbar ist und kann wahlweise
und/oder in Kombination die Kühlmittelzufuhr erhöhen, die
Prozeßgaszufuhr drosseln, die Zellspannung erniedrigen etc.
Der Automatismus der Regelungselektronik des Steuergeräts ist
aber auch durch eine Temperaturvorgabe und/oder eine manuel
len Ansteuerung einer Regelvorrichtung ersetzbar, so daß z. B.
der Fahrerwunsch oder die Temperaturvorgabe eines stationären
Systems unter Umständen auch zu Ungunsten z. B. des Wirkungs
grads des Systems berücksichtigt werden kann.
Mit der vorliegenden Vorrichtung und dem vorliegenden Verfah
ren zur aktiven Temperaturregelung ist es möglich, ein Brenn
stoffzellensystem hinsichtlich der in ihm herrschenden Tempe
ratur zu optimieren. Diese Optimierung bewährt sich für die
Anwendung der Anlage im stationären und im mobilen System
gleichermaßen.
Claims (9)
1. Vorrichtung zur Feststellung der Temperatur, die zumindest
an einem Meßort wie einer Stelle und/oder einem Bereich eines
Brennstoffzellenstacks und/oder einer Brennstoffzelleneinheit
die Temperatur erfaßt und an eine Recheneinheit für eine Mo
dellrechnung weitergibt, wobei die Recheneinheit dann die
Temperaturverteilung des Stacks mit Hilfe einer Modellrech
nung bestimmt und diese Information an ein Steuergerät wei
tergibt, über das die Temperatur im Stack regelbar ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Brennstoffzellen
einheit eine PEM- oder eine HTM-Brennstoffzelle ist und/oder
der Brennstoffzellenstack eine PEM oder eine HTM- Brennstoff
zelle umfaßt.
3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, die zumin
dest zwei Mittel zur Feststellung der Temperatur umfaßt.
4. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der
über das Steuergerät die Zellspannung, die Prozeßgaszufuhr,
die Prozeßgastemperatur, die Prozeßgaszusammensetzung, die
Kühlmittelmenge, die Kühlmittelzusammensetzung und/oder die
Kühlmitteltemperatur regelbar ist.
5. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, die zu
mindest ein Mittel zur direkten Temperaturmessung wie ein
Thermoelement, eine Temperatursonde und/oder einen Tempera
tursensor umfaßt.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei in dem Mittel zur direk
ten Temperaturmessung ein Mittel zur Gasanalyse integriert
ist.
7. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, die zu
mindest ein Mittel zur indirekten Feststellung der Temperatur
umfaßt.
8. Verfahren zur dynamischen Regelung der Temperatur und/oder
der Zusammensetzung des Prozeßgases, bei dem die Temperatur
eines Brennstoffzellenstacks und/oder die Zusammensetzung des
Prozeßgases innerhalb eines Brennstoffzellenstacks und/oder
einer Brennstoffzelleneinheit des Stacks ermittelt wird, die
se Information direkt oder über eine Recheneinheit für die
Modellrechnung an ein Steuergerät weitergegeben wird, das
Steuergerät zumindest einen eingegangenen Ist-Wert mit einem
vorgegebenen Sollwert vergleicht und zumindest eine entspre
chende Regelvorrichtung so ansteuert, daß die Angleichung des
Ist-Wertes an den Soll-Wert bewirkt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem die Temperaturvertei
lung im Stack mit Hilfe einer Vorrichtung zur Feststellung
der Temperatur und/oder der Gaszusammensetzung, aus Informa
tionen des Steuergerätes und einer Recheneinheit für die Mo
dellrechnung ermittelt wird.
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