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 Brennstoffzellenstacks

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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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