WO2004015503A1 - Vorrichtung und verfahren zum steuern eines reaktors - Google Patents

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WO2004015503A1
WO2004015503A1 PCT/DE2003/002538 DE0302538W WO2004015503A1 WO 2004015503 A1 WO2004015503 A1 WO 2004015503A1 DE 0302538 W DE0302538 W DE 0302538W WO 2004015503 A1 WO2004015503 A1 WO 2004015503A1
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Markus Walter
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DaimlerChrysler AG
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    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B5/00—Anti-hunting arrangements
    • G05B5/01—Anti-hunting arrangements electric
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the present invention relates to an apparatus and a method for controlling a reactor which is supplied with at least one medium in order to bring about a chemical reaction on the medium.
  • reactors are fuel cells in which the media supplied are generally hydrogen or a hydrogen-containing gas mixture on the one hand, oxygen or air on the other hand as a reaction partner and, if appropriate, water vapor for setting a degree of moisture in a membrane on which the reaction takes place.
  • Other examples are reformers, in particular for processing a fuel into a form that can be implemented by a fuel cell, catalytic converters, etc.
  • the object of the present invention is to specify a control device or a control method which enables optimized process control in a reactor in a simple manner.
  • the object is achieved by a control device with the features of claim 1 and a method with the features of claim 15. Since changes in the process effectiveness, which do not have the frequency of the oscillating component, are not taken into account in the measurement signal, random or not with the Periodic changes in the control signal effectively filter out related changes in effectiveness and reliably detect a relationship between the process parameter controlled with the control signal and the effectiveness.
  • a lock-in amplifier is preferably used.
  • the controlled process parameter is preferably a flow rate.
  • a valve or a pump is particularly suitable as an actuator for controlling it.
  • the control signal is preferably modulated. More specifically, when using a valve as a motor, a pulse width modulated signal is preferred. This enables easy control of the flow rate of a medium through the valve by merely switching the valve between a closed and an open state, the ratio of the duration of the two states determining the flow rate.
  • the switching period of the valve should be short compared to a time constant with which the parameters of the reaction adapt to a changed flow rate, so that the pulsation of the flow rate does not cause the parameters to oscillate with the switching period.
  • modulating the frequency of the control signal is advisable in order to control the speed and thus the throughput of the pump.
  • the frequency of the oscillating component of the control signal should be so low that there is a phase difference between this component and a change in it caused by the sensor detected size is significantly smaller than a quarter period of the oscillating component.
  • the frequency of the oscillating component is so low that the value of the measurement signal detected at a given point in time can be regarded with good approximation as corresponding to the mean value of the control signal present at the same time.
  • the senor detects an internal electrical resistance between two connection clamp the reactor, wherein the reactor here is preferably a fuel cell.
  • a lock-in method can also advantageously be used for measuring the internal resistance.
  • a load current that is periodic with a second frequency is impressed on the connection terminals, and the resulting voltage change at the terminals is detected by the sensor.
  • the frequencies of the two differ greatly.
  • the frequency of the periodic load current should be significantly higher than that of the oscillating component of the control signal, since a change in the internal state of the fuel cell in response to the change in the load current over time is neither necessary nor desirable.
  • the senor is a temperature sensor for detecting a temperature inside the reactor.
  • a sensor is particularly suitable if the control device is to be used to control a reformer.
  • FIG. 1 is a block diagram of a reactor with a control device according to the invention.
  • Fig. 2 is a more detailed block diagram showing the application of the invention to a fuel cell as a reactor; and 3 shows a block diagram of an internal resistance measuring device of the control device from FIG. 2.
  • Fig. 1 shows a reactor system with a reactor 1 and a control device 3 for controlling the course of a chemical reaction in the reactor 1.
  • the reactor 1 can be a fuel cell or e.g. a reformer that converts a liquid fuel such as methanol into a gas mixture consisting essentially of water, hydrogen and carbon dioxide, which can be used as fuel in a fuel cell.
  • the series connection of both can also be seen as a reactor.
  • a control valve 2 regulates the inflow of fuel into the reactor.
  • the flow rate of the fuel through the control valve 2 is controlled by the control device 3.
  • the control device 3 comprises a sensor 4 for detecting a temperature prevailing in the reactor 1.
  • the sensor 4 can be, for example, a thermocouple arranged in the interior of the reactor 1 or on the wall thereof, or also an optical temperature sensor which detects the infrared radiation of a reaction surface in the reactor 1 through an infrared-transparent window of the reactor 1.
  • the sensor 4 delivers a voltage signal a representative of the temperature in the reactor to a low-pass filter 5 and, via this, to a multiplication element 6, where it is multiplied by a periodic signal b supplied by an oscillator 7 by a frequency f x .
  • the resulting output signal c of the multiplication element 6 has a DC component which is proportional to the component in phase with the oscillator signal b at the frequency fi of the output signal of the low-pass filter 5.
  • the oscillator 7 is also connected to a modulation element 8, which impresses a spectral component at the frequency f x of the oscillator 7 on an output signal d supplied by a signal generator 9.
  • the modulated control ersignal e controls the control valve 2 so that its throughput is modulated with the frequency f x .
  • the temperature is independent of small fluctuations in the fuel supply, such as are generated by the control signal e at the control valve 2, so that the direct component f separated by the filter 10 goes to 0 and thus also the output signal d of the signal generator 9 converges to a constant value.
  • Multiplication element 6 and low-pass filter 10 can be regarded as a synchronous demodulator or lock-in amplifier.
  • a sensor for any other variable representative of the effectiveness of the process running in the reactor 1 could also be used. It is of course also conceivable not to measure the quantity representative of the effectiveness directly, but rather to calculate it from a plurality of quantities detected by sensors on the reactor.
  • a pump can also be used to meter the fuel flow, the throughput of which is controlled by the control signal e. This is particularly expedient if the fuel is not a gas under excess pressure, but rather a liquid stored at atmospheric pressure.
  • control device is not limited to the control device of a single flow rate.
  • control device 3 can be connected alternately to control valves for each media stream to be optimized in order to iteratively optimize the process. It is also conceivable to assign a control device 3 to each of a plurality of control valves, each of these control devices using a different frequency fi.
  • Fig. 2 shows the application of the invention to the control of the internal resistance of a fuel cell.
  • the internal resistance of a fuel cell depends, among other things, on the inflow of fuel or on oxidizing agent and, if appropriate, on water or water vapor, which serve to keep the membrane moist, on which the reaction of fuel and oxidizing agent takes place.
  • Fig. 2 which shows a stack of fuel cells 11, only one control valve 2 for an inflowing medium, e.g. Oxygen, shown; however, it goes without saying that corresponding control valves can also be provided for other operating resources of the fuel cells of the stack.
  • Each individual control valve 2 can be assigned its own control device 3, or one or more control devices 3 are operated alternately on different control valves 2. 2 shows only one such control device 3.
  • the senor 4 is a sensor for detecting the internal resistance of one of the fuel cells 11; it is connected to two electrical connection terminals of the fuel cell, on the one hand to tap the voltage present thereon and on the other hand to apply a current modulated with a frequency f 2 , the frequency f 2 being substantially greater than fi.
  • the operation of the sensor 4 will be described later with reference to FIG. 3.
  • the processing of the internal resistance supplied by the sensor 4 does not differ significantly from that described with reference to FIG. 1.
  • the measurement signal a supplied by the sensor 4 passes through a low-pass filter 5 and a multiplication element 6, where it is multiplied by the output signal b of an oscillator 7.
  • a direct component f which is representative of the strength of a component with the frequency f x in the output signal of the sensor 4 is then filtered off from the product c obtained using a low-pass filter 10.
  • This DC component signal f is subjected to a correction or plausibility check in a logic circuit 13 depending on various external factors.
  • the logic circuit 13 can thus serve, in particular, to output the output signal f of the low-pass filter 10 for a fixed time. span to set to 0 and thus to interrupt the readjustment by the signal generator 9 if an abrupt change in the power drawn from a load from the fuel cell 11 has been observed, which would otherwise lead to a falsification of the measurement signal and thus to incorrect control.
  • Signal generator 9 and modulation element 8 operate as described above with reference to FIG. 1.
  • the modulation element 8 is a PWM circuit which, as the control signal e, supplies a square-wave signal with a frequency f 3 £ £ _, the pulse duty factor of this signal e being obtained by an additive superimposition of the output signal b of the oscillator 7 and the output signal d of the signal generator 9 is given.
  • a PWM circuit makes it possible to use a simple switching valve as the control valve 2, which switches with the frequency f 3 between an open and a closed state, the proportion of the time in which the valve 2 is open to a period of Control signal e corresponds to the duty cycle of the control signal e. This enables the throughput through the valve 2 to be regulated in a simple manner, in which the throughput is on average exactly proportional to the output signal of the signal generator 9.
  • FIG. 3 shows a detailed block diagram of the internal resistance sensor 4 from FIG. 2.
  • An oscillator 20 supplies an output signal g oscillating at the frequency f 2 to a controllable load 21 and to a multiplication element 22, which functionally corresponds to the multiplication element 6 from FIG. 1 or 2 corresponds.
  • the shape of the output signal g of the oscillator 20 is largely arbitrary, for example it can be a square wave signal with a duty cycle of 50% or a sine signal.
  • a sinusoidal signal is preferred because it contains no harmonics that could cause interference if they propagate through the load 21 onto the test leads.
  • Switching the load 21 between the permeable and the impermeable state with the frequency f 2 causes a fluctuation in the voltage at the connection terminals of the fuel cell 11, which is passed to an amplifier 25 via a high-pass filter for separating the DC component or a bandpass 24 centered on the frequency f 2 is fed.
  • the output signal of the amplifier 25 could be fed directly to the multiplication element 22 in order to be multiplied there by the fundamental oscillation of the oscillator 20.
  • an analog-digital converter 26 is arranged between the amplifier 25 and the digital multiplication element 22 here, and the analog-digital converter 26, the multiplication element 22 and the likewise digital low pass 23 and some further components are jointly implemented in a digital microcontroller 27.
  • these further components include a low-pass filter 28, a logic circuit 29, a signal generator 30 and a PWM modulation element 31, which in their mode of operation correspond to components 12, 13, 9, 8 from FIG. 2 and therefore do not have to be explained again in detail here ,
  • the mode of operation of the internal resistance sensor 4 is based on the lock-in principle, just like that of the control circuit 3 in FIG. 2, which contains the sensor 4. Only the lock-in frequencies f 1 # f 2 , at which the control circuit 3 and the sensor 4 operate, are different.
  • the switchable load 21 could also be replaced by a switchable current source.

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Abstract

Eine Steuervorrichtung für einen Reaktor (1) umfasst wenigstens einen Sensor (4) zum Erfassen einer für die Effektivität des Reaktors repräsentativen Grösse und zum Liefern eines der erfassten Grösse entsprechenden Messsignals, eine mit dem Sensor verbundene Steuereinheit (3) zum Ableiten wenigstens eines Steuersignals (e) von dem vom Sensor (4) gelieferten Messsignal (a) and wenigstens einen Aktor (2) zum Beeinflusen eines Prozessparameters des Reaktors (1) anhand des Steuersignals (e). Die Steuereinheit (3) erzeugt das Steuersignal (e) mit einem von der erfassten Grösse abhängigen Gleichanteil und einer mit einer ersten Frequenz (f1) oszillierenden Komponente and ist eingerichtet, den Gleichanteil anhand eines Verhältnisses zwischen der oszillierenden Komponente des Steuersignals (e) and einer mit der ersten Frequenz oszillierenden Komponente des Messsignals (a) festzulegen.

Description

Vorrichtung und Verfahren zum Steuern eines Reaktors
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Steuern eines Reaktors, der mit wenigstens einem Medium versorgt wird, um eine chemische Reaktion an dem Medium zu bewirken.
Ein Beispiel für derartige Reaktoren sind Brennstoffzellen, bei denen die zugeführten Medien im allgemeinen Wasserstoff oder ein Wasserstoffhaltiges Gasgemisch einerseits, Sauerstoff oder Luft andererseits als Reaktionpartner sowie gegebenenfalls Wasserdampf zum Einstellen eines Feuchtigkeitsgrades einer Membran sind, an der die Reaktion abläuft. Andere Beispiele sind Reformer, insbesondere zum Aufbereiten eines Brennstoffs in eine von einer Brennstoffzelle umsetzbare Form, Abgaskatalysatoren, etc..
Man ist stets bestrebt, die Prozesse, die in einem solchen Reaktor ablaufen, so zu steuern, dass ihr Nutzwert für einen Anwender, mit anderen Worten ihre Effektivität, möglichst hoch ist. Dabei kann die Effektivität je nach Anforderungen, die an einen Prozess gestellt werden, unterschiedlich zu definieren sein. Diese Effektivität kann von einer Vielzahl von Parametern abhängen, die mitunter gar nicht oder nur mit hohem Aufwand in Echtzeit so simuliert werden können, dass anhand der Simulationsergebnisse eine optimale Prozessführung möglich wird. Im Prinzip ist zwar eine Prozessoptimierung nach der Methode „Versuch und Irrtum" denkbar, bei der ein Parameter des Prozesses variiert, die daraus resultierende Veränderung der Effektivität des Prozesses erfasst und die Veränderung beibehalten wird, wenn sie der Effektivität förderlich ist und rückgängig gemacht wird, wenn sie der Effektivität schadet. Hierbei ergibt sich jedoch das Problem, dass die Erfassung der Effektivität wie jede Messung mit statistischen Ungenau- igkeiten behaftet ist, und dass zufällige Schwankungen von anderen Prozessparametern als dem, der gezielt variiert wurde, zu Schwankungen der Effektivität führen können, die die von dem variierten Parameter verursachten überlagern können. Dies kann eine gezielte Steuerung sehr schwierig machen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, eine Steuervorrichtung bzw. ein Steuerverfahren anzugeben, das auf einfache Weise eine optimierte Prozessführung in einem Reaktor ermöglicht.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Steuervorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 15. Indem Änderungen der Prozesseffektivität, die nicht die Frequenz der oszillierenden Komponente aufweisen, im Messsignal unberücksichtigt bleiben, können zufällige bzw. nicht mit der periodischen Änderung des Steuersignals zusammenhängende Änderungen der Effektivität wirksam ausgefiltert und ein Zusammenhang zwischen dem mit dem Steuersignal gesteuerten Prozessparameter und der Effektivität sicher erfasst werden.
Um eine mit der Frequenz der oszillierenden Komponente des Steuersignals oszillierende Komponente des Messsignals wirksam zu isolieren, wird vorzugsweise ein Lock-in-Verstärker eingesetzt . Der gesteuerte Prozessparameter ist vorzugsweise eine Durchflussrate. Als Aktor zu ihrer Steuerung kommt insbesondere ein Ventil oder eine Pumpe in Betracht.
Das Steuersignal ist vorzugsweise moduliert. Genauer gesagt ist bei Verwendung eines Ventils als Motor um ein pulsbrei- tenmoduliertes Signal bevorzugt. Dieses ermöglicht eine einfache Steuerung der Durchflussrate eines Mediums durch das Ventil, indem das Ventil lediglich zwischen einem geschlossenen und einem offenen Zustand hin und her geschaltet wird, wobei das Verhältnis der Dauer der beiden Zustände die Durchflussrate festlegt. Dabei sollte die Schaltperiode des Ventils kurz sein im Vergleich zu einer Zeitkonstante, mit der sich die Parameter der Reaktion an eine veränderte Durchflussrate anpassen, so dass die Pulsation der Durchflussrate nicht zu einer Oszillation der Parameter mit der Schaltperiode führt .
Bei Verwendung einer Pumpe als Aktor bietet sich eine Modulation der Frequenz des Steuersignals an, um die Drehzahl und damit den Durchsatz der Pumpe zu steuern.
Um die Steuerung einfach zu halten und eine Anregung von Oszillationen des Reaktors durch die oszillierende Komponente des Steuersignals zu vermeiden, sollte die Frequenz der oszillierenden Komponente des Steuersignals so niedrig sein, dass eine Phasendifferenz zwischen dieser Komponente und einer von ihr verursachten Veränderung der von dem Sensor erfassten Größe deutlich kleiner als eine Viertelperiode der oszillierenden Komponente ist. Mit anderen Worten, die Frequenz der oszillierenden Komponente ist so niedrig, dass der zu einem gegebenen Zeitpunkt erfasste Wert des Messsignals mit guter Näherung als dem gleichzeitig anliegenden Mittelwert des Steuersignals entsprechend angesehen werden kann.
Einer ersten bevorzugten Anwendung zufolge erfasst der Sensor einen elektrischen Innenwiderstand zwischen zwei Anschluss- klemmen des Reaktors, wobei es sich bei dem Reaktor hier vorzugsweise um eine Brennstoffzelle handelt.
Auch für die Messung des Innenwiderstandes kann vorteilhaft ein Lock-in-Verfahren eingesetzt werden. Dabei wird ein mit einer zweiten Frequenz periodischer Laststrom an den Anschlussklemmen aufgeprägt, und die resultierende Spannungsänderung an den Klemmen wird von dem Sensor erfasst. Um die Einflüsse der oszillierenden Komponente des Steuersignals und des periodischen Laststroms auf die erfasste Spannung voneinander unterscheiden zu können, ist es sinnvoll, dass die Frequenzen beider sich stark unterscheiden. Insbesondere sollte die Frequenz des periodischen Laststroms wesentlich höher als die der oszillierenden Komponente des Steuersignals sein, da eine Veränderung des internen Zustands der Brennstoffzelle in Reaktion auf die zeitliche Veränderung des LastStroms weder erforderlich noch erwünscht ist.
Bei einer zweiten bevorzugten Anwendung ist der Sensor ein Temperatursensor zum Erfassen einer Temperatur im Innern des Reaktors. Ein solcher Sensor ist insbesondere geeignet, wenn die Steuervorrichtung zum Steuern eines Reformers eingesetzt werden soll .
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die beigefügten Figuren. Es zeigen:
Fig. 1 ein Blockdiagramm eines Reaktors mit einer Steuervorrichtung gemäß der Erfindung;
Fig. 2 ein detaillierteres Blockdiagramm, das die Anwendung der Erfindung auf eine Brennstoffzelle als Reaktor zeigt; und Fig. 3 ein Blockdiagramm einer Innenwiderstands-Messvorrichtung der Steuervorrichtung aus Fig. 2.
Fig. 1 zeigt ein Reaktorsystem mit einem Reaktor 1 und einer Steuervorrichtung 3 zum Steuern des Ablaufs einer chemischen Reaktion in dem Reaktor 1. Bei dem Reaktor 1 kann es sich um eine Brennstoffzelle handeln oder z.B. um einen Reformer, der einen flüssigen Kraftstoff wie etwa Methanol in ein im wesentlichen aus Wasser, Wasserstoff und Kohlendioxid bestehendes Gasgemisch umsetzt, das als Brennstoff in einer Brennstoffzelle eingesetzt werden kann. Auch die Hintereinanderschaltung beider kann als Reaktor aufgefasst werden.
Ein Regelventil 2 regelt den Zustrom des Kraftstoffs in den Reaktor. Die Durchflussrate des Kraftstoffs durch das Regel- ventil 2 ist durch die Steuervorrichtung 3 gesteuert . Die Steuervorrichtung 3 umfasst einen Sensor 4 zum Erfassen einer im Reaktor 1 herrschenden Temperatur. Der Sensor 4 kann z.B. ein im Innern des Reaktors 1 oder an dessen Wand angeordnetes Thermoelement sein, oder auch ein optischer Temperatursensor, der durch ein infrarotdurchlässiges Fenster des Reaktors 1 Infratrotabstrahlung einer Reaktionsoberfläche im Reaktor 1 erfasst. Der Sensor 4 liefert ein für die Temperatur im Reaktor repräsentatives Spannungssignal a an einen Tiefpass 5 und über diesen an ein Multiplikationsglied 6, wo es mit einem von einem Oszillator 7 gelieferten periodischen Signal b mit einer Frequenz fx multipliziert wird. Das resultierende Ausgangssignal c des Multiplikationsgliedes 6 hat einen Gleichanteil, der proportional ist zur mit dem Oszillatorsignal b phasengleichen Komponente bei der Frequenz fi des Ausgangs- Signals des Tiefpasses 5.
Der Oszillator 7 ist ferner an ein Modulationsglied 8 angeschlossen, das einem von einem Signalgeber 9 gelieferten Ausgangssignal d eine spektrale Komponente bei der Frequenz fx des Oszillators 7 aufprägt. Das so erhaltene modulierte Steu- ersignal e steuert das Regelventil 2 an, so dass dessen Durchsatz mit der Frequenz fx moduliert ist.
Wenn zunächst der Einfachheit halber angenommen wird, dass die von dem Sensor 4 erfasste Temperatur im Reaktor 1 dem Brennstoffdurchsatz durch das Regelventil 2 verzögerungsfrei folgt, so bedeutet dies, dass die vom Sensor 4 erfasste Temperatur mit der Frequenz fi oszilliert, wobei die Oszillation mit der der Durchflussrate gleichphasig ist, wenn vermehrter Durchfluss zu einer Temperatursteigerung führt, und gegenpha- sig ist, wenn er zu einer Temperaturverringerung führt. Um die erfasste Temperatur z.B. zu maximieren, genügt es also, durch ein Tiefpassfilter 10 einen im Ausgangssignal c des Multiplikationsgliedes 6 enthaltenen Gleichanteil f abzutrennen und einem Nachregeleingang des Signalgebers 9 zuzuführen, so dass dieser den Pegel des an das Modulationsglied 8 gelieferten Ausgangssignals d mit einer der Stärke dieses Gleichanteils f entsprechenden Geschwindigkeit nachregelt. Wenn ein Maximum der Temperatur erreicht ist, ist die Temperatur unabhängig von kleinen Schwankungen der Brennstoffzufuhr, wie sie durch das Steuersignal e am Regelventil 2 erzeugt werden, so dass der vom Filter 10 abgetrennte Gleichanteil f gegen 0 geht und damit auch das Ausgangssignal d des Signalgebers 9 gegen einen konstanten Wert konvergiert.
Multiplikationsglied 6 und Tiefpassfilter 10 können als ein synchroner Demodulator oder Lock-in-Verstärker aufgefasst werden.
Selbstverständlich könnte anstelle des Temperatursensors 4 auch ein Sensor für eine beliebige andere für die Effektivität des im Reaktor 1 ablaufenden Prozesses repräsentative Größe verwendet werden. Denkbar ist selbstverständlich auch, die für die Effektivität repräsentative Größe nicht direkt zu messen, sondern aus einer Mehrzahl von durch Sensoren am Reaktor erfassten Größen zu berechnen. Anstelle des Regelventils 2 kann zum Dosieren des Kraftstoffstroms auch eine Pumpe eingesetzt werden, deren Durchsatz durch das Steuersignal e gesteuert wird. Dies ist insbesondere zweckmäßig, wenn der Kraftstoff kein unter Überdruck stehendes Gas, sondern bei Atmosphärendruck gelagerte Flüssigkeit ist.
Die Annahme, dass die Änderung der von dem Sensor 4 zu erfassenden Größe verzögerungsfrei einer Änderung der Durchfluss- rate folgt, ist selbstverständlich eine Idealisierung, die in der Praxis nicht exakt erfüllbar ist. Indem jedoch die Frequenz f_ klein genug gewählt wird, kann stets sichergestellt werden, dass eine auf eine verzögerte Reaktion des Reaktors 1 auf die Durchsatzänderung zurückgehende Phasenverschiebung zwischen Durchsatz und der vom Sensor 4 gemessen Größe die Steuerung nicht stört. Insbesondere muss die Phasenverzögerung deutlich kleiner als π/2 sein, um auszuschließen, dass die Steuervorrichtung 3 resonante Schwankungen der Betriebs- Parameter des Reaktors 1 anregt .
Selbstverständlich ist die erfindungsgemäße Steuervorrichtung nicht auf die Steuervorrichtung einer einzelnen Durchflussrate beschränkt. Bei einem Reaktor, in dem mehrere Medienströme zu steuern sind, kann die Steuervorrichtung 3 abwechselnd mit Regelventilen für jeden zu optimierenden Medienstrom verbunden werden, um so den Prozess iterativ zu optimieren. Denkbar ist auch, jedem von mehreren Regelventilen jeweils eine Steuervorrichtung 3 zuzuordnen, wobei jede dieser Steuervorrichtungen eine andere Frequenz fi verwendet .
Fig. 2 zeigt die Anwendung der Erfindung auf die Steuerung des Innenwiderstandes einer Brennstoffzelle. Um eine hohe Leistung aus einer Brennstoffzelle ziehen zu können, ist es wünschenswert, deren Innenwiderstand so niedrig wie möglich zu machen. D.h. wen die verfügbare elektrische Leistung als Effektivität definiert wird, so muss Ziel einer Prozessoptimierung sein, diesen Innenwiderstand möglichst klein zu ma- chen. Der Innenwiderstand einer Brennstoffzelle ist unter anderem abhängig von dem Zustrom an Brennstoff bzw. an Oxidati- onsmittel sowie gegebenenfalls von Wasser oder Wasserdampf, die zum Feuchthalten der Membran dienen, an welcher die Umsetzung von Brennstoff und Oxidationsmittel stattfindet.
In Fig. 2, die einen Stapel von Brennstoffzellen 11 zeigt, ist an dem Stapel nur ein Regelventil 2 für ein zuströmendes Medium, z.B. Sauerstoff, gezeigt; es versteht sich jedoch, dass entsprechende Regelventile auch für andere Betriebsmittel der Brennstoffzellen des Stapels vorgesehen sein können. Jedem einzelnen Regelventil 2 kann eine eigene Steuervorrichtung 3 zugeordnet sein, oder eine oder mehrere Regelvorrichtungen 3 werden im Wechsel an verschiedenen Regelventilen 2 betrieben. Fig. 2 zeigt nur eine solche Steuervorrichtung 3.
Der Sensor 4 ist hier ein Sensor zum Erfassen des Innenwiderstandes einer der Brennstoffzellen 11; er ist mit zwei elektrischen Anschlussklemmen der Brennstoffzelle verbunden, um einerseits die daran anliegende Spannung abzugreifen und andererseits einen mit einer Frequenz f2 modulierten Strom aufzuprägen, wobei die Frequenz f2 wesentlich größer als fi ist. Die Arbeitsweise des Sensors 4 wird später mit Bezug auf Fig. 3 beschrieben. Die Verarbeitung des vom Sensor 4 gelieferten Innenwiderstandes unterscheidet sich nicht wesentlich von der mit Bezug auf Fig. 1 beschriebenen. Das vom Sensor 4 gelieferte Messsignal a durchläuft ein Tiefpassfilter 5 und ein Multiplikationsglied 6, wo es mit dem Ausgangssignal b eines Oszillators 7 multipliziert wird. Vom erhaltenen Produkt c wird anschließend mit einem Tiefpassfilter 10 ein Gleichanteil f abgefiltert, der für die Stärke einer Komponente mit der Frequenz fx im Ausgangssignal des Sensors 4 repräsentativ ist . Dieses Gleichanteilsignal f wird in einer Logikschaltung 13 in Abhängigkeit von diversen externen Faktoren einer Korrektur bzw. Plausibilitätskontrolle unterzogen. So kann die Logikschaltung 13 insbesondere dazu dienen, das Ausgangssignal f des Tiefpassfilters 10 für eine festgelegte Zeit- spanne auf 0 zu setzen und so die Nachregelung durch den Signalgeber 9 zu unterbrechen, wenn eine abrupte Änderung der von einer Last aus der Brennstoffzelle 11 gezogenen Leistung beobachtet worden ist, die sonst zu einer Verfälschung des Messsignals und damit zu einer fehlerhaften Steuerung führen würde. Signalgeber 9 und Modulationsglied 8 arbeiten wie oben mit Bezug auf Fig. 1 beschrieben.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Steuervorrichtung ist das Modulationsglied 8 eine PWM-Schaltung, die als Steuersignal e ein Rechtecksignal mit einer Frequenz f3 » £_ liefert, wobei das Tastverhältnis dieses Signals e durch eine additive Überlagerung des Ausgangssignals b des Oszillators 7 und des AusgangsSignals d des Signalgebers 9 gegeben ist . Eine solche PWM-Schaltung erlaubt es, als Regelventil 2 ein einfaches Schaltventil zu verwenden, das mit der Frequenz f3 zwischen einem offenen und einem geschlossenen Zustand umschaltet, wobei der Anteil der Zeit, in der das Ventil 2 offen steht, an einer Periode des Steuersignals e dem Tastverhältnis des Steuersignals e entspricht. Dies ermöglicht auf einfache Weise eine Regelung des Durchsatzes durch das Ventil 2, bei der der Durchsatz im Mittel exakt proportional zum Ausgangssignal des Signalgebers 9 ist.
Fig. 3 zeigt ein detailliertes Blockschaltbild des Innenwi- derstandssensors 4 aus Fig. 2. Ein Oszillator 20 liefert ein mit der Frequenz f2 oszillierendes Ausgangssignal g an eine steuerbare Last 21 sowie an ein Multiplikationsglied 22, das funktionsmäßig dem Multiplikationsglied 6 aus Fig. 1 bzw. 2 entspricht. Die Form des AusgangsSignals g des Oszillators 20 ist weitgehend beliebig, es kann sich z.B. um ein Rechtecksignal mit einem Tastverhältnis von 50 % oder ein Sinussignal handeln. Ein Sinussignal ist bevorzugt, da es keine Oberschwingungen enthält, die Störungen verursachen könnten, wenn sie sich durch die Last 21 hindurch auf die Messleitungen fortpflanzen. Das Umschalten der Last 21 zwischen dem durchlässigen und dem undurchlässigen Zustand mit der Frequenz f2 bewirkt eine Fluktuation der Spannung an den Anschlussklemmen der Brennstoffzelle 11, die über ein Hochpassfilter zum Abtrennen des Gleichanteils oder einen auf die Frequenz f2 zentrierten Bandpass 24 einem Verstärker 25 zugeführt wird. Das Ausgangs- signal des Verstärkers 25 könnte direkt dem Multiplikationsglied 22 zugeführt werden, um dort mit der Grundschwingung des Oszillators 20 multipliziert zu werden. Bei der in Fig. 3 gezeigten bevorzugten Ausgestaltung jedoch ist ein Analog- Digital-Wandler 26 zwischen dem Verstärker 25 und dem hier digitalen Multiplikationsglied 22 angeordnet, und der Analog- Digital-Wandler 26, das Multiplikationsglied 22 und der ebenfalls digitale Tiefpass 23 sowie einige weitere Komponenten sind gemeinsam in einem digitalen MikroController 27 realisiert. Diese weiteren Komponenten umfassen einen Tiefpass 28, eine Logikschaltung 29, einen Signalgeber 30 und ein PWM- Modulationsglied 31, die in ihrer Arbeitsweise den Komponenten 12, 13, 9, 8 aus Fig. 2 entsprechen und daher hier nicht erneut im Detail erläutert werden müssen. Wie man sieht, beruht die Arbeitsweise des Innenwiderstandssensor 4 auf dem Lock-In-Prinzip, genauso wie die der Steuerschaltung 3 in Fig. 2, die den Sensor 4 enthält. Lediglich die Lock-in- Frequenzen f1# f2, bei denen die Steuerschaltung 3 und der Sensor 4 arbeiten, sind unterschiedlich.
Bei einer Abwandlung könnte die schaltbare Last 21 auch durch eine schaltbare Stromquelle ersetzt werden.

Claims

Patentansprüche
1. Steuervorrichtung für einen Reaktor (1), mit wenigstens einem Sensor (4) zum Erfassen einer für die Effektivität des Reaktors repräsentativen Größe und zum Liefern eines der erfassten Größe entsprechenden Messsignals, einer mit dem Sensor verbundenen Steuereinheit (3) zum Ableiten e- nigstens eines Steuersignals (e) von dem vom Sensor (4) gelieferten Messsignal (a) und wenigstens einem Aktor (2) zum Beeinflussen eines Prozessparameters des Reaktors (1) anhand des Steuersignals (e) , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Steuereinheit (3) das Steuersignal (e) mit einem von der erfassten Größe abhängigen Gleichanteil und einer mit einer ersten Frequenz (fi) oszillierenden Komponente erzeugt und eingerichtet ist, den Gleichanteil anhand eines Verhältnisses zwischen der oszillierenden Komponente des Steuersignals (e) und einer mit der ersten Frequenz oszillierenden Komponente des Messsignals (a) festzulegen.
2. Steuervorrichtung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Aktor ein Ventil zum Steuern des Durchsatzes eines Mediums durch den Reaktor (1) ist.
3. Steuervorrichtung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Aktor eine Pumpe zum Steuern des Durchsatzes eines Mediums durch den Reaktor (1) ist.
4. Steuervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das Steuersignal (e) ein moduliertes Signal, insbesondere ein pulsbreiten- oder frequenzmoduliertes Signal, ist .
5. Steuervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprü- ehe, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Sensor (4) mit der Steuereinheit über einen auf die erste oszillierende Komponente synchronisierten Lock- in-Verstärker (6, 10) verbunden ist.
6. Steuervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die erste Frequenz (fx) so niedrig ist, dass eine Phasendifferenz zwischen der oszillierenden Komponente des Steuersignals (e) und einer aus der Oszillation resultierenden Veränderung der von dem Sensor erfassten Größe (a) deutlich kleiner als eine Viertelperiode der oszillierenden Komponente ist.
7. Steuervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Sensor (4) einen elektrischen Innenwiderstand zwischen zwei Anschlussklemmen des Reaktors (1) erfasst.
8. Steuervorrichtung nach Anspruch 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass sie Mittel (21, 20) zum Aufprägen eines mit einer zweiten Frequenz (f2) periodischen Laststroms an den An- schlussklemmen aufweist.
Steuervorrichtung nach Anspruch 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die zweite Frequenz (f2) wesentlich höher als die erste Frequenz (f_) ist.
10. Steuervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Sensor (4) ein Temperatursensor zum Erfassen ei- ner Temperatur im Innern des Reaktors ist.
11. Reaktorsystem mit einer Steuervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche und einem Reaktor (1) , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Reaktor (1) eine Brennstoffzelle oder ein Reformer ist.
12. Reaktorsystem nach Anspruch 11, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Steuervorrichtung den Durchsatz wenigstens eines
Mediums durch den Reaktor steuert .
13. Reaktorsystem nach Anspruch 12, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass ein Ventil (2) in einer Zufuhrleitung des Reaktors (1) angeordnet ist.
14. Reaktorsystem nach Anspruch 13, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Zufuhrleitung eine Zufuhrleitung für einen
Brennstoff, für ein Oxidationsmittel oder für Wasser ist.
15. Verfahren zum Steuern eines Reaktors, mit den Schritten
Steuern des Durchsatzes eines Mediums durch den Reak- tor anhand eines Steuersignals (e) , das einen Gleichanteil und eine mit einer ersten Frequenz oszillierende Komponente aufweist; Isolieren einer Komponente mit der ersten Frequenz (fi) in einem Messsignal einer für die Leistungsfähigkeit des Reaktors repräsentativen Größe;
Festlegen des Gleichanteils des Steuersignals anhand eines Verhältnisses zwischen der ersten oszillierenden Komponente des Steuersignals und einer mit der ersten Frequenz oszillierenden Komponente des Messsignals.
16. Verfahren nach Anspruch 15, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die mit der ersten Frequenz (fi) oszillierende Komponente des Messsignals mit einem Lock-in-Verfahren isoliert wird.
17. Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die erste Frequenz (fx) so gewählt wird, dass eine Phasendifferenz zwischen der oszillierenden Komponente des Steuersignals und einer aus der Oszillation resultie- renden Veränderung der von dem Sensor erfassten Größe deutlich kleiner als eine Viertelperiode der oszillierenden Komponente wird.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 17, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die erfasste Größe ein elektrischer Innenwiderstand zwischen zwei Anschlussklemmen des Reaktors (1) ist.
19. Verfahren nach Anspruch 18, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass ein Wechselstrom mit einer zweiten Frequenz auf die Anschlussklemmen aufgeprägt wird und der Innenwiderstand des Reaktors (1) aus einer mit der zweiten Frequenz oszillierenden Komponente des Messsignals (a) abgeleitet wird.
0. Verfahren nach Anspruch 19, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass es an einer Brennstoffzelle (1) angewendet wird.
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