DE19930876C2

DE19930876C2 - Brennstoffzellenanlage und Verfahren zur dynamischen Regelung der Temperatur und/oder der Zusammensetzung des Prozessgases der Brenstoffzellenanlage

Info

Publication number: DE19930876C2
Application number: DE19930876A
Authority: DE
Inventors: Joachim Grose; Rolf Brueck; Meike Reizig; Joerg-Roman Konieczny
Original assignee: Emitec Gesellschaft fuer Emissionstechnologie mbH; Siemens AG
Current assignee: Siemens AG; Vitesco Technologies Lohmar Verwaltungs GmbH
Priority date: 1999-07-05
Filing date: 1999-07-05
Publication date: 2003-04-17
Anticipated expiration: 2019-07-06
Also published as: CN1359546A; CA2378238A1; WO2001003219A1; DE19930876A1; EP1194970A1; JP2003504808A; US20020164510A1

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 bezieht sich auf eine Brennstoffzellenanlage mit einer Vorrichtung zur Feststellung der Temperatur gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1. Daneben bezieht sich die Erfindung auf ein zugehöriges Verfahren zur dynamischen Regelung der Temperatur und/oder der Zusammensetzung des Pro zessgases einer derartigen Brennstoffzellenanlage.

Unter einer HTM(Hochtemperatur-Membran)- bzw. HT-PEM(Hoch temperatur-Polymer-Elektrolyt-Membran)-Brennstoffzellenanlage wird eine solche Brennstoffzellenanlage verstanden, die spe zifische Membran-Elektroden-Einheiten (MEA's) mit hochtempe raturtauglichen Membranen aufweist. Unter 'Hochtemperatur' wird dabei ein Temperaturbereich von insbesondere über 100°C verstanden, wobei die Arbeitstemperatur der Brennstoffzelle üblicherweise zwischen 100°C und 200°C liegt, gegebenenfalls auch bis zu 300°C gehen kann. Vorteil solcher HTM-Brennstoff zellen ist insbesondere ein wasserunabhängiger Betrieb, wozu auf die nicht vorveröffentlichte DE 199 30 875 A1 der Anmel derin mit gleichem Zeitrang verwiesen wird.

In der Praxis wird beispielsweise die Temperatur eines Brenn stoffzellenstapels an einer Stelle des Stapels, beispielswei se an den Endplatten des Stapels, oder anhand der Temperatur der austretenden Abgase festgestellt. Dabei wird jedoch nicht berücksichtigt, dass innerhalb des Brennstoffzellenstapels und innerhalb einer Brennstoffzelleneinheit Temperaturgra dienten bestehen, die unter anderem eine Folge der exothermen Reaktion, der Kühlung und/oder der Temperatur der einströmen den Prozessgase sind.

Eine Vorrichtung zur Feststellung der Temperatur in einer Brennstoffzellenanlage, die zumindest an einem Messort wie einer Stelle und/oder einem Bereich eines Brennstoffzellen stapels oder einer einzelnen Brennstoffzelleneinheit die Tem peratur erfasst und an eine Recheneinheit für eine Modell rechnung weitergibt, ist in "Journal of Power Sources", CH, Bd. 62, Nr. 2, Seiten 167 bis 174, beschrieben. Weiterhin ist eine Temperaturmessung auch aus der US 5 302 471 A und der DE 198 25 286 A1 bekannt. Insbesondere in letzterer Druckschrift soll die Temperatur innerhalb des Brennstoffzellenstapels an einer Stelle erfasst werden, bei der der gemessene Wert cha rakteristisch für einen Temperaturverteilungszustand inner halb des Brennstoffzellenstapels ist. Ziel ist dabei die An näherung der Temperatur innerhalb des Systems an eine optima le Betriebstemperatur des Brennstoffzellenstapels. Dabei sind die bekannten Ansätze zur Temperaturmessung und Temperaturre gelung für einen praktischen Betrieb noch unzureichend.

Mit obiger Temperaturmessung in der Brennstoffzelleneinheit wird die Temperaturverteilung im gesamten Brennstoffzellen stapel nicht hinreichend berücksichtigt, weil man in bezug auf die Temperaturmessung in erster Näherung von einer gleichmäßigen Temperaturverteilung in der Brennstoffzellen einheit ausgeht. Eine Folge dieser unzureichenden Temperatur berücksichtigung ist eine teils falsche teils stark verzöger te Temperaturregelung im Brennstoffzellenstapel, die nicht nur die Effizienz des Brennstoffzellenstapels herabsetzt, sondern auch wegen Materialüberbeanspruchung die Lebensdauer der Konstruktionsteile verringert. Gleiches gilt im Prinzip auch hinsichtlich der Regelung anderer Betriebsgrößen beim Brennstoffzellenbetrieb, wie Zellspannung sowie Zufuhr, Tem peratur und Zusammensetzung der Prozeßgase einerseits und des Kühlmittels andererseits.

Es wurde festgestellt, dass die Anforderungen bezüglich der Effizienz an eine Brennstoffzelle, insbesondere einer HTM- (Hochtemperatur-Membran)-Brennstoffzelle, eine verbesserte Regelung der Betriebsgrößen erfordern.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist deshalb bei einer Brennstoffzellenanlage eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Temperaturfeststellung und/oder Temperaturregelung eines Brennstoffzellensystems zur Verfügung zu stellen, das die ge nannten Nachteile überwindet.

Die Aufgabe ist bezüglich der Brennstoffzellenanlage erfin dungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruches 1 und be züglich des zugehörigen Verfahrens durch die Maßnahmen des Patentanspruches 8 gelöst. Weiterbildungen der Brennstoffzel lenanlage und des Verfahrens sind in den jeweiligen Unteran sprüchen angegeben.

Bei der Erfindung ist die Brennstoffzelleneinheit eine HTM- Brennstoffzelle und/oder umfaßt der Brennstoffzellenstapel HTM-Brennstoffzellen, wobei über ein Steuergerät die Zell spannung, die Prozeßgaszufuhr, die Prozeßgastemperatur, die Prozeßgaszusammensetzung, die Kühlmittelmenge, die Kühlmit telzusammensetzung und/oder die Kühlmitteltemperatur des HTM- Brennstoffzellenstapels und/oder der HTM-Brennstoffzellenein heit dynamisch regelbar ist. Dazu ist vorteilhafterweise eine Vorrichtung zur Feststellung der Temperatur vorhanden, die zumindest an einem Meßort wie einer Stelle und/oder einem Be reich eines HTM-Brennstoffzellenstapels und/oder einer HTM- Brennstoffzelleneinheit die Temperatur erfaßt und an eine Re cheneinheit für eine Modellrechnung weitergibt, wobei die Re cheneinheit die Temperaturverteilung des HTM-Brenstoffzel lenstapels mit Hilfe der Modellrechnung bestimmt und diese Information an ein Steuergerät weitergibt, über das die dyna mische Regelung der Betriebsgrößen erfolgt.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren zur dynamischen Regelung der Temperatur und/oder der Zusammensetzung des Prozeßgases wird die Temperatur eines HTM-Brennstoffzellenstapels und/oder die Zusammensetzung des Prozeßgases innerhalb eines HTM-Brenn stoffzellenstapels und/oder einer HTM-Brennstoffzelleneinheit des Stapels ermittelt, diese Information direkt oder über ei ne Recheneinheit für die Modellrechnung an ein Steuergerät weitergegeben wird, das Steuergerät zumindest einen eingegan genen 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 Erfindung umfasst die Vorrich tung Vorrichtung zumindest ein Temperaturmessgerät zur direk ten 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 Brennstoffzellenstapels, in einer Reaktionskammer, auf einer aktiven Fläche, an einer Polplatte und/oder an einer sonstigen repräsentativen Stelle einer oder mehrerer oder aller Brennstoffzelleneinheiten eines Stapels 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 Brennstoffzellenstapels 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 Stapel 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 Brennstoffzellenstapel 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 Brennstoffzellenstapel aktiv, unmittelbar und dynamisch regelt.

Nach einer Ausführungsform der Erfindung wird die Temperatur an zwei repräsentativen Stellen des Brennstoffzellenstapels 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 Brennstoffzellenstapel 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 Sollwerttemperatur 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 gleichermaßen in einem stationären bzw. einem mobilen System.

Claims

1. Brennstoffzellenanlage mit einer Vorrichtung zur Fest stellung der Temperatur, die zumindest an einem Meßort wie einer Stelle und/oder einem Bereich eines Brennstoffzellen stapel und/oder einer Brennstoffzelleneinheit die Temperatur erfaßt und an eine Recheneinheit für eine Modellrechnung wei tergibt, wobei die Recheneinheit die Temperaturverteilung des Brennstoffzellenstapels und/oder der Brennstoffzelleneinheit mit Hilfe der Modellrechnung bestimmt, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffzellenein heit eine HTM-Brennstoffzelle ist und/oder der Brennstoffzel lenstapel HTM-Brennstoffzellen umfaßt, wobei über ein Steuer gerät die Zellspannung, die Prozeßgaszufuhr, die Prozeßgas temperatur, die Prozeßgaszusammensetzung, die Kühlmittelmen ge, die Kühlmittelzusammensetzung und/oder die Kühlmitteltem peratur des HTM-Brennstoffzellenstapels und/oder der HTM- Brennstoffzelleneinheit dynamisch regelbar ist.

2. Brennstoffzellenanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Temperaturmeßgerät für die direkte Temperaturmessung ein Thermoelement und/oder eine Temperatursonde und/oder ein Temperatursensor vorgesehen ist.

3. Brennstoffzellenanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur direkten Temperatur messung mindestens ein Temperaturmeßgerät vorgesehen ist.

4. Brennstoffzellenanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur direkten Temperatur messung mindestens zwei Temperaturmeßgeräte vorgesehen sind.

5. Brennstoffzellenanlage nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass in das Temperaturmeßgerät für die direkte Temperaturmessung ein Gas sensor zur Gasanalyse integriert ist.

6. Brennstoffzellenanlage nach einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich mindestens ein Meßgerät zur indirekten Tempe raturmessung vorgesehen ist.

7. Brennstoffzellenanlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem Meßgerät zur in direkten Temperaturmessung die aktuelle elektrische Last, die aktuelle Zellspannung, der aktuelle Kühlmittelverbrauch, die aktuelle Kühlmittelerwärmung, der aktuelle Wasserstoffdurch fluß und/oder der aktuelle Sauerstoffpartialdruck meßbar ist.

8. Verfahren zur dynamischen Regelung der Temperatur und/oder der Zusammensetzung des Prozeßgases einer Brennstoffzellen anlage, mit folgenden Verfahrensschritten:

- es wird die Temperatur eines HTM-Brennstoffzellenstapels und/oder die Zusammensetzung des Prozeßgases innerhalb ei nes HTM-Brennstoffzellenstapels und/oder einer HTM-Brenn stoffzelleneinheit von gestapelten HTM-Brennstoffzellen ermittelt,
- diese Information wird direkt oder über eine Recheneinheit für eine Modellrechnung an ein Steuergerät weitergegeben,
- das Steuergerät vergleicht zumindest einen eingegangenen Ist-Wert mit einem vorgegebenen Sollwert und steuert zu mindest eine entsprechende Regelvorrichtung so an, daß ei ne Angleichung des Ist-Wertes an den Soll-Wert bewirkt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekenn zeichnet, daß die Temperaturverteilung im Brenn stoffzellenstapel mit Hilfe einer Vorrichtung zur Feststel lung der Temperatur und/oder der Gaszusammensetzung, aus In formationen des Steuergerätes und einer Recheneinheit für die Modellrechnung ermittelt wird.