DE60020022T2 - Modul zur Erzeugung von Elektrizität mit einer Brennstoffzelle und Verfahren zur Regelung des Drucks der Brennstoffzelle - Google Patents

Modul zur Erzeugung von Elektrizität mit einer Brennstoffzelle und Verfahren zur Regelung des Drucks der Brennstoffzelle Download PDF

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Description

  • Die vorliegende Erfindung hat zur Aufgabe ein Modul zur Erzeugung von Elektrizität, das eine Brennstoffzelle umfasst, sowie ein Verfahren zur Regelung des Drucks des die Verbrennung bewirkenden Gases in einer Brennstoffzelle.
  • Genauer betrifft die Erfindung ein Modul zur Erzeugung von Elektrizität, das eine Brennstoffzelle umfasst, die mit einem Verbrennungsmittel versorgt wird und Abgase abwirft. Durch chemische Reaktionen, die das Verbrennungsmittel einschreiten lassen, ermöglicht es die Brennstoffzelle, einen Strom zu erzeugen, um eine Last zu speisen. Das allgemein verwendete Verbrennungsmittel ist komprimierte Luft, die mit Hilfe eines Kompressors erhalten wird.
  • Im Stand der Technik verwendet man einen Verbrennungsmittelkreislauf der einen Kompressor umfasst, um die Brennstoffzelle mit komprimierter Luft zu versorgen, und eine Turbine, die mit dem Kompressor gekoppelt ist, um die Energie der Abgase, die aus der Brennstoffzelle austreten, zurückzuerhalten und sie mechanisch an den Kompressor zu übertragen.
  • Man kennt Systeme zur Regelung des Drucks im Modul zur Erzeugung von Elektrizität, wie dasjenige, das im Patent US 4 838 020 offenbart ist, in dem ein Turbokompressor eine Turbine aufweist, die durch den Abfluss von Abgasen einer Ladevorrichtung angetrieben wird. Diese erste Turbine treibt einen Kompressor an, um die Ladevorrichtung mit komprimierter Luft zu versorgen.
  • Das Patent US 4 838 020 weist darüber hinaus einen Hilfsbrenner auf. Der Druck der Abgase, die in der Turbine ankommen, wird in einem geschlossenen Kreis durch die Einwirkung eines Steuersystems des Brenners geregelt. Diese bekannte Vorrichtung, die einen Hilfsbrenner eingreifen lässt, Ventile zur Steuerung des Durchflusses und Einheiten zur Steuerung des Drucks, weist ein ziemlich komplexes Steuersystem auf.
  • Die Erfindung zielt darauf ab, eine Lösung für dieses Problem beizutragen, indem sie das System zur Regelung des Drucks des die Verbrennung fördernden Gases in einer Brennstoffzelle vereinfacht.
  • Die Erfindung hat ebenfalls zur Aufgabe, den Druck in der Brennstoffzelle zu regeln, unabhängig von den Betriebsverhältnissen dieser Brennstoffzelle.
  • Die Erfindung schlägt dazu ein Modul zur Erzeugung von Elektrizität vor, das eine Brennstoffzelle aufweist, einen Kompressor, der die Brennstoffzelle mit komprimiertem, die Verbrennung förderndem Gas versorgt, eine Turbine, der die Abgase der Brennstoffzelle zugeführt werden und die mechanisch mit dem Kompressor verbunden ist, und eine Vorrichtung zur Regelung des Drucks des die Verbrennung bewirkenden Gases in der Brennstoffzelle. Ein solches Modul ist in Dokument US-A-5 645 950 beschrieben. Gemäß der Erfindung weist das Modul zur Erzeugung von Elektrizität eine Vorrichtung zur Regelung der Umdrehungsgeschwindigkeit der Turbine auf, die in der mechanischen Verbindung zwischen dem Kompressor und der Turbine zwischengeschaltet ist und durch die Vorrichtung zur Regelung des Drucks des die Verbrennung bewirkenden Gases gesteuert wird.
  • Mathematisch modelliert man die Entwicklung des Drucks in einer Brennstoffzelle, die einen Verbrennungsmittelkreislauf mit konstantem Volumen V aufweist, durch die folgende Gleichung:
    Figure 00030001
    in der:
    T die absolute Temperatur (in Kelvin) ist,
    R die Konstante des idealen Gases ist,
    Qe der molare Durchfluss des die Verbrennung bewirkenden Gases ist, das in das System eintritt,
    Qs der molare Durchfluss des die Verbrennung bewirkenden Gases ist, das aus dem System austritt,
    Qelec der molare Durchfluss des Gases ist, das durch die elektrochemische Reaktion verbraucht wird. Dieser Durchfluss ist direkt proportional zum elektrischen Strom, der die Zelle durchläuft, und hängt deshalb direkt von der Last ab, die das System speist. Die molaren Durchflüsse werden in Mol/Sekunde ausgedrückt.
  • Der Druck des die Verbrennung bewirkenden Gases in der Brennstoffzelle variiert seinerseits abhängig vom elektrischen Strom, der die Brennstoffzelle durchläuft. Man kann diese Variation durch eine Variationskurve darstellen, bei der jeder Punkt einem Betriebspunkt der Brennstoffzelle entspricht. Dieser Betriebspunkt ist nicht unbedingt der optimale Betriebspunkt, der der höchsten Leistung der Brennstoffzelle bei einem gegebenen Wert des elektrischen Stroms entspricht. Die Regelung des Drucks des die Verbrennung bewirkenden Gases in der Brennstoffzelle gemäß der Erfindung erlaubt es, die Variationskurve auf einem ganzen Betriebsbereich der Brennstoffzelle zu optimieren, indem sie sie durch die optimalen Betriebspunkte laufen lässt.
  • Man setzt vorteilhafterweise den eingehenden Durchfluss Qe dem des Kompressors gleich, und den ausgehenden Durchfluss Qs dem der Turbine. Mit Kenntnis der mathematischen Formeln der Definition des Gasdurchflusses im Kompressor und in der Turbine kann man so die Mengen Qe und Qs mit den mechanischen Eigenschaften des Kompressors und der Turbine verbinden, genauer mit ihrer Umdrehungsgeschwindigkeit. Die mathematischen Formeln der Definition des Gasdurchsatzes im Kompressor und in der Turbine sind: Qe = NKompressor·ρ·CyKompressor·ηνKompressor (2) Qs = NTurbine·ρ·CyTurbine·ηνTurbine (3)mit:
    ρ als der Volumen-Mol-Zahl des Gases stromaufwärts der Brennstoffzelle,
    NKompressor als der Umdrehungsgeschwindigkeit des Kompressors,
    CyKompressor als dem Hubraum des Kompressors,
    ηνKompressor als der Volumenleistung des Kompressors,
    NTurbine als der Umdrehungsgeschwindigkeit der Turbine,
    CYTurbine als dem Hubraum der Turbine,
    ηνTurbine als der Volumenleistung der Turbine.
  • Um die Entwicklung des Drucks in der Brennstoffzelle zu steuern, ist es nach der Gleichung (1) notwendig, folgenden Wert zu steuern: Qe – Qs – Qelec = ΔQ (4)
  • Nun hängt aber Qelec einzig von der Last des Systems ab. Es kann deshalb nicht gesteuert werden. Qe kann durch die Umdrehungsgeschwindigkeit des Kompressors gesteuert werden. Allerdings hängt von seinem Wert direkt der Strom ab, der die Brennstoffzelle durchlaufen kann. Man kann deshalb diesen Parameter nicht verwenden, um den Wert ΔQ zu steuern: Nur Qs scheint steuerbar zu sein, um die Gleichung (4) zu erfüllen. Die Erfindung sieht deshalb vor, ihn zu regeln, indem auf die Umdrehungsgeschwindigkeit der Turbine NTurbine eingewirkt wird. Da die Turbine mechanisch mit dem Kompressor zur Erleichterung der Integration ver bunden ist, wirkt man auf die Umdrehungsgeschwindigkeit der Turbine NTurbine durch eine Vorrichtung zur Regelung der Geschwindigkeit ein.
  • Vorteilhafterweise erlaubt es die Vorrichtung zur Regelung der Umdrehungsgeschwindigkeit der Turbine, das Verhältnis des Kraftantriebs zwischen dem Kompressor und der Turbine zu verändern.
  • Die Vorrichtung zur Regelung des Drucks des die Verbrennung bewirkenden Gases kann einen Vergleicher umfassen, um die Abweichung des Drucks zwischen einem verlangten Druck und dem Druck des die Verbrennung bewirkenden Gases in der Brennstoffzelle zu bestimmen. Die durch die Turbine zurückgewonnene Energie wird mechanisch an den Kompressor durch die Vorrichtung zur Regelung der Geschwindigkeit übertragen. Die Vorrichtung zur Regelung der Geschwindigkeit, die mechanisch mit dem Kompressor und der Turbine verbunden ist, ermöglicht es, die Umdrehungsgeschwindigkeit des Kompressors mit der Umdrehungsgeschwindigkeit der Turbine zu verbinden, über das Verhältnis des Kraftantriebs, das die Division der Umdrehungsgeschwindigkeit der Turbine durch die Umdrehungsgeschwindigkeit des Kompressors ist.
  • Vorzugsweise umfasst die Vorrichtung zur Regelung des Drucks des die Verbrennung bewirkenden Gases einen Korrektor, der die Abweichung des Drucks empfängt und ein Signal zur Steuerung an die Vorrichtung zur Reglung der Umdrehungsgeschwindigkeit der Turbine erzeugt.
  • Dieser Korrektor kann ein Korrektor vom Typ proportional-integral-differential (PID) sein, der das Verhältnis des Kraftantriebs in Abhängigkeit von der Abweichung des Drucks des die Verbrennung bewirkenden Gases in der Brennstoffzelle im Verhältnis zum geforderten Wert des Drucks steuert.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die Turbine vom volumetrischen Typ, und das Modul und zur Erzeugung von Elektrizität umfasst einen Motor, der mit dem Kompressor und der Turbine gekoppelt ist.
  • Die Erfindung betrifft ebenso ein Verfahren zur Regelung des Drucks des die Verbrennung bewirkenden Gases in einer Brennstoffzelle, die einen Fluss des die Verbrennung bewirkenden Gases empfängt und Abgase ausstößt. Gemäß der Erfindung wird der Druck des Gases in der Brennstoffzelle durch eines Steuergesetzes geregelt, das diesen Druck des die Verbrennung bewirkenden Gases in der Brennstoffzelle mit dem Strom verbindet, der diese Brennstoffzelle durchläuft.
  • Gemäß einer Eigenschaft der Erfindung werden die Abgase in eine Turbine eingeblasen und man wirkt auf die Umdrehungsgeschwindigkeit der Turbine ein, in Abhängigkeit einer Abweichung des Drucks zwischen dem Druck des die Verbrennung bewirkenden Gases in der Brennstoffzelle und einem Anweisungswert des Drucks.
  • Andere Vorteile und Eigenschaften der Erfindung werden offensichtlich werden bei der Prüfung der detaillierten Beschreibung einer auf keine Weise begrenzenden Ausführungsform und der angehängten Zeichnung, in der:
  • 1 eine schematische Ansicht eines Moduls zur Erzeugung von Elektrizität gemäß der Erfindung ist,
  • 2 eine Grenzvariationskurve des Drucks des die Verbrennung bewirkenden Gases in der Brennstoffzelle ist, abhängig vom elektrischen Strom, der die Brennstoffzelle durchläuft.
  • 1 zeigt ein Modul zur Erzeugung von Elektrizität, das eine Brennstoffzelle 1 umfasst, einen Schraubenkompressor 2, der die Brennstoffzelle 1 mit Hilfe eines Flusses von komprimierter Luft 7 versorgt. Ein Motor 5 treibt den Schrauben kompressor 2 mittels einer Antriebswelle 12 an. Die Abgase 8 der Brennstoffzelle 1 versorgen eine volumetrische Turbine 3. Eine Vorrichtung zur Regelung der Geschwindigkeit 4, die zwei Antriebswellen 4a und 4b aufweist, ist mechanisch mit der volumetrischen Turbine 3, dem Schraubenkompressor 2 und dem Motor 5 verbunden.
  • Die volumetrische Turbine 3 überträgt die Expansionsenergie der Abgase, die aus der Brennstoffzelle 1 austreten, an die Vorrichtung zur Regelung der Geschwindigkeit 4 in Form mechanischer Energie über die Eingangswelle 4a. Diese Vorrichtung zur Regelung der Geschwindigkeit 4 überträgt diese mechanische Energie an den Schraubenkompressor 2 in Form mechanischer Kraft über die Ausgangswelle 4b. Ein Riemen 6, der einen Teil der Ausgangswelle 4b umgibt und einen Teil der Antriebswelle 12, realisiert die Verbindung zwischen der Vorrichtung zur Regelung der Geschwindigkeit 4 und dem Schraubenkompressor 2. Diese Verbindung kann ebenfalls mittels eines Getriebezugs realisiert werden. Der Schraubenkompressor 2 empfängt ein Drehmoment, das von der Vorrichtung zur Regelung der Geschwindigkeit 4 kommt, und darüber hinaus dasjenige, das durch den Motor 5 geliefert wird.
  • Die mechanische Verbindung, die durch die Vorrichtung zur Regelung der Geschwindigkeit 4 sowie die Wellen 4a, 4b und 12 dargestellt wird, ermöglicht es also, die Expansionsenergie der Abgase 8, die aus der Brennstoffzelle austreten, zurückzugewinnen, und sie in der Form eines Drehmoments an den Schraubenkompressor 2 zu übertragen.
  • Die Vorrichtung zur Regelung der Geschwindigkeit 4 umfasst nicht dargestellte Mittel, die es ermöglichen, das Verhältnis des Kraftantriebs k zwischen der Umdrehungsgeschwindigkeit der Turbine 3 und der Umdrehungsgeschwindigkeit des Kompressors 2 zu variieren. Dieses Kraftantriebsverhältnis k, das das Ergebnis der Division der Umdrehungsgeschwindigkeit der Turbine 3 durch die Umdrehungsgeschwindigkeit des Schraubenkompressors 2 ist, wird durch eine Vorrich tung zur Reglung des Drucks 19 gesteuert, die ein Modul zur Regelung 13 umfasst, das Steuergesetz für den Druck in Abhängigkeit des elektrischen Stroms, der durch die Brennstoffzelle 1 läuft, umfasst. Das Modul zur Regelung 13 empfängt eine Anweisung 18 über den elektrischen Strom, der von der Brennstoffzelle 1 geliefert werden muss, und erzeugt eine Anweisung bezüglich des Drucks 14, die an einen Eingang eines Vergleichers 10 geliefert wird. Der zweite Eingang dieses Vergleichers 10 empfängt ein Signal 15, das den Druck der Abgase 8 darstellt, der am Ausgang der Brennstoffzelle 1 mit Hilfe eines Drucksensors 11 gemessen wird. Der Vergleicher 10 erzeugt eine Druckabweichung 16, die aus dem Unterschied zwischen der Anweisung des Drucks 14 und dem Signals des Drucks 15 hervorgeht, d.h. ein Unterschied zwischen einem verlangten Druck und dem tatsächlichen Druck am Ausgang der Brennstoffzelle 1. Die Druckabweichung 16 wird an den Eingang eines Korrektors 9 geliefert, der z.B. vom Typ proportional-integral-differential (PID) ist und an seinem Ausgang ein Steuersignal 17 für die Vorrichtung zur Reglung der Geschwindigkeit 4 ausgibt.
  • Die Vorrichtung zur Regelung des Drucks 19 ermöglicht es so, eine Anweisung des Drucks 14 mit einem Signal 15 des in der Brennstoffzelle 1 gemessenen Drucks zu vergleichen und dann die Vorrichtung zur Reglung der Geschwindigkeit 4 zu steuern.
  • 2 zeigt eine Grenzvariationskurve 20 des Drucks P des die Verbrennung bewirkenden Gases in der Brennstoffzelle 1 abhängig vom elektrischen Strom I, der diese Brennstoffzelle 1 durchfließt, in der der Druck in Pascal (Pa) ausgedrückt ist, und der elektrische Strom in Ampere (A). Für einen elektrischen Strom, der zwischen 150 A und 350 A variiert, entwickelt sich der Druck zwischen 105 Pa und 3·105 Pa. Die Kurve 20 weist einen ersten linearen Abschnitt 20a auf, für den der elektrische Strom zwischen 150 A und 250 A variiert und die Druckwerte zwischen 105 Pa und 2,5·105 Pa, und einen zweiten gekrümmten Abschnitt 20b zwischen 250 A und 350 A, der asymptotisch gegen einen Druckwert von 3·105 Pa strebt. Die Grenzvariationskurve 20 läuft durch Punkte, die unteren Grenz druckwerten entsprechen, unterhalb derer die Zelle nicht funktioniert. Der Funktionsbereich entspricht einem Abschnitt 21 oberhalb der Grenzvariationskurve 20, in der die Druckwerte höher sind als die unteren Grenzdruckwerte. Der verbotene Bereich entspricht einem Bereich 22 unterhalb der Grenzvariationskurve 20.
  • Ausgehend von der Grenzvariationskurve 20 leitet man eine Steuerregel 23 ab, die mit gestrichelter Linie in 2 dargestellt ist und aus drei Abschnitten 23a, 23b und 23c besteht. Der erste Abschnitt 23a ist ein Absatz eines konstanten Druckwerts und gleich 1,5·105 Pa für Werte des elektrischen Stroms, die unterhalb oder gleich 150 A liegen. Der zweite Abschnitt 23b ist eine schräge Gerade, bei der sich der Druck linear in Abhängigkeit des elektrischen Stroms zwischen zwei Koordinaten verändert (150 A; 1,5·105 Pa) und (285 A; 3·105 Pa). Der dritte Abschnitt 23c ist wiederum ein Absatz eines konstanten Druckwerts und gleich 3·105 Pa für Werte des elektrischen Stroms, die oberhalb von 285 A liegen. Die Steuerregel 23 wird vom Modul zur Regelung 13 verwendet.
  • Das Modul zur Erzeugung von Elektrizität gemäß der Erfindung ist energetisch optimiert wegen des Vorhandenseins einer Turbine am Ausgang der Brennstoffzelle, die es ermöglicht, die Energie, die in den Abgasen enthalten ist, zurückzugewinnen, und weil der Druck der Gase in der Brennstoffzelle gesteuert wird, unabhängig von der Entwicklung der Last im Betrieb, d.h. unabhängig vom elektrischen Strom, der die Brennstoffzelle durchfließt, dank der Reglung des Kraftantriebsverhältnisses k.
  • Für einen gegebenen Stromwert ist die Vorrichtung zur Regelung des Drucks des die Verbrennung bewirkenden Gases in der Brennstoffzelle in der Lage, diesen Druck sich zu einem Wert des Drucks hin entwickeln zu lassen, der einem optimalen Betriebspunkt der Brennstoffzelle entspricht.

Claims (6)

  1. Modul zur Erzeugung von Elektrizität, umfassend eine Brennstoffzelle (1), einen Kompressor (2), der die Brennstoffzelle (1) mit komprimiertem, die Verbrennung bewirkendem Gas (7) versorgt, eine Turbine (3), der die Gase (8) zugeführt werden, die aus der Brennstoffzelle (1) entweichen, und die mechanisch mit dem Kompressor (2) verbunden ist, und eine Vorrichtung zur Regelung (19) des Drucks des die Verbrennung bewirkenden Gases in der Brennstoffzelle (1), dadurch gekennzeichnet, dass es eine Vorrichtung zur Regelung (4) der Umdrehungsgeschwindigkeit der Turbine (3) umfasst, die in der mechanischen Verbindung zwischen dem Kompressor (2) und der Turbine (3) zwischengeschaltet ist und durch die Vorrichtung zur Regelung (19) des Drucks des die Verbrennung bewirkenden Gases gesteuert wird.
  2. Modul zur Erzeugung von Elektrizität gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es die Vorrichtung zur Regelung (4) der Umdrehungsgeschwindigkeit der Turbine (3) erlaubt, das Kraftantriebsverhältnis zwischen dem Kompressor (2) und der Turbine (3) zu verändern.
  3. Modul zur Erzeugung von Elektrizität gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Regelung (19) des Drucks des die Verbrennung bewirkenden Gases einen Vergleicher (10) umfasst, um eine Abweichung des Drucks (16) zwischen einem verlangten Druck (14) und dem Druck (15) des die Verbrennung bewirkenden Gases in der Brennstoffzelle zu bestimmen.
  4. Modul zur Erzeugung von Elektrizität gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Regelung (19) des Drucks des die Verbrennung bewirkenden Gases einen Korrektor (9) umfasst, der die Druckabweichung (16) empfängt und ein Steuersignal (17) an die Vorrichtung zur Regelung (4) der Umdrehungsgeschwindigkeit der Turbine (2) erzeugt.
  5. Modul zur Erzeugung von Elektrizität gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbine (3) vom volumetrischen Typ ist.
  6. Modul zur Erzeugung von Elektrizität gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es einen Motor (5) umfasst, der mit dem Kompressor (2) und der Turbine (3) gekoppelt ist.
DE60020022T 1999-07-28 2000-07-27 Modul zur Erzeugung von Elektrizität mit einer Brennstoffzelle und Verfahren zur Regelung des Drucks der Brennstoffzelle Expired - Lifetime DE60020022T2 (de)

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