DE102004021279A1 - Fuel cell operation for a polymer electrolyte membrane fuel cell controls a regulated quantity of fuel during power take-up - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellensystems, bei dem bestimmte physikalische oder thermodynamische Größe wenigstens eines Betriebsstoffs in Abhängigkeit von der Leistungsentnahme geregelt oder gesteuert werden.The Invention relates to a method of operating a polymer electrolyte membrane fuel cell system at the particular physical or thermodynamic size at least of a fuel depending on be controlled or controlled by the power extraction.
Ein derartiges Verfahren kann beispielsweise auf dem Gebiet der Erzeugung von elektrischem Strom mit Hilfe von Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen eingesetzt werden. Es kann v.a. zur Steuerung bzw. Regelung von Brennstoffzellensystemen eingesetzt werden, die unter dynamischen Bedingungen betrieben werden, wie z.B. Brennstoffzellensysteme für den Antrieb oder die Bordstromversorgung von Fahrzeugen.One Such method can be used, for example, in the field of production of electric current by means of polymer electrolyte membrane fuel cells be used. It can v. A. for controlling or regulating Fuel cell systems are used under dynamic conditions operated, such as Fuel cell systems for propulsion or the on-board power supply of vehicles.
Eine Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzelle (kurz: PEMFC) weist prinzipiell die folgenden Bauteile auf. Sie enthält eine Membran-Elektroden-Anordnung (kurz: MEA), die aus einer Anode, einer Kathode und einer dazwischen angeordneten Polymer-Elektrolyt-Membran (kurz: PEM) aufgebaut ist. Die MEA ist ihrerseits wiederum zwischen zwei Separatorplatteneinheiten angeordnet, wobei eine über der Anode angeordnete Separatorplatteneinheit Kanäle für die Verteilung von Brennstoff aufweist und eine über der Kathode angeordnete Separatorplatteneinheit Kanäle für die Verteilung von Oxidationsmittel und wobei diese Kanäle der MEA zugewandt sind. Die Elektroden, Anode und Kathode, sind im Allgemeinen als Gasdiffusionselektroden (kurz: GDE) ausgebildet. Diese haben die Funktion, den bei der elektrochemischen Reaktion (z.B. 2 H2 + O2 → 2 H2O) erzeugten elektrischen Strom abzuleiten und die Reaktionsstoffe, Edukte und Produkte, durchdiffundieren zu lassen. Eine GDE besteht aus wenigstens einer Gasdiffusionsschicht bzw. Gasdiffusionslage (kurz: GDL) und einer Katalysatorschicht, die der PEM zugewandt ist und an der die elektrochemische Reaktion stattfindet. Die PEMFC weist ferner Mittel zum Abdichten auf, beispielsweise einen Dichtrand, der das Innere der elektrochemischen Zelle gegenüber der äußeren Umgebung abdichtet, sodass die Betriebsstoffe nicht entweichen oder sich vermischen können und keine Stoffe aus der äußeren Umgebung unerwünscht in die Zelle eindringen können. Der Begriff „Betriebsstoff" umfasst sowohl den Brennstoff, als auch das Oxidationsmittel, als auch das Kühlmittel.A polymer electrolyte membrane fuel cell (in short: PEMFC) has in principle the following components. It contains a membrane electrode assembly (short: MEA), which is composed of an anode, a cathode and an interposed polymer electrolyte membrane (PEM). The MEA, in turn, is disposed between two separator plate units, with a separator plate unit disposed above the anode having channels for distributing fuel and a separator plate unit disposed above the cathode for distributing oxidant and these channels facing the MEA. The electrodes, anode and cathode, are generally designed as gas diffusion electrodes (in short: GDE). These have the function to dissipate the electrical current generated during the electrochemical reaction (eg 2 H 2 + O 2 → 2 H 2 O) and allow the reactants, starting materials and products to diffuse through. A GDE consists of at least one gas diffusion layer or gas diffusion layer (in short: GDL) and a catalyst layer which faces the PEM and at which the electrochemical reaction takes place. The PEMFC further includes means for sealing, for example, a sealing edge which seals the interior of the electrochemical cell from the outside environment, so that the operating materials can not escape or mix and no substances from the external environment can undesirably penetrate into the cell. The term "fuel" includes both the fuel and the oxidant, as well as the coolant.
Eine derartige Brennstoffzelle kann bei relativ geringen Betriebstemperaturen elektrischen Strom mit hoher Leistung erzeugen. Reale Brennstoffzellen sind meist zu so genannten Brennstoffzellenstapeln (kurz: Stacks) gestapelt, um eine hohe Leistungsabgabe zu erzielen, wobei anstelle der monopolaren Separatorplatten bipolare Separatorplatten (kurz Bipolarplatten) eingesetzt werden und monopolare Separatorplatten nur als Endplatten des Stacks. Zum Zusammenhalten eines Stacks oder einer einzelnen PEMFC sind im Allgemeinen Mittel zum Verspannen (kurz: Verspannungsmittel) vorgesehen, die u.a. die Kräfte erzeugen, die zum Abdichten des Stacks oder der PEMFC erforderlich sind (kurz: Dichtkräfte).A Such a fuel cell can operate at relatively low operating temperatures produce high-power electrical power. Real fuel cells are mostly to so-called fuel cell stacks (short: stacks) stacked to achieve a high power output, replacing instead the monopolar separator plates bipolar separator plates (short Bipolar plates) and monopolar separator plates only as end plates of the stack. To hold together a stack or A single PEMFC is generally a means of clamping (short: means of tension) provided, i.a. generate the forces, that are required to seal the stack or PEMFC (short: Sealing forces).
Als Reaktionsstoffe werden bei einer PEMFC Brennstoffe und O-xidationsmittel eingesetzt. Meist werden gasförmige Reaktionsstoffe eingesetzt, z.B. H2 oder ein H2-haltiges Gas (z.B.The reactants used in a PEMFC are fuels and oxidizers. Most gaseous reactants are used, for example H 2 or a H 2 -containing gas (eg
Reformatgas) als Brennstoff und O2 oder ein O2-haltiges Gas (z.B. Luft) als Oxidationsmittel. Unter Reaktionsstoffe werden alle an der elektrochemischen Reaktion teilnehmenden Stoffe verstanden, also auch die Reaktionsprodukte wie z.B. H2O.Reformatgas) as fuel and O 2 or an O 2 -containing gas (eg air) as the oxidant. Reactants are understood as meaning all substances participating in the electrochemical reaction, including the reaction products such as H 2 O.
Ein PEM-Brennstoffzellensystem (kurz: PEMFC-System) umfasst zumindest eine PEMFC, es können aber auch zwei oder mehr PEMFC vorhanden sein, die zu einem oder mehreren Stacks gestapelt sind. Ein PEMFC-System umfasst darüber hinaus noch weitere Komponenten, sog. Systemkomponenten. Dazu zählen beispielsweise Mittel zum Zu- und Abführen der Betriebsstoffe, Befeuchtungseinrichtungen für das Oxidationsmittel und/oder den Brennstoff, Fördereinrichtungen für die Betriebsstoffe, Mittel zum Temperieren der Brennstoffzellen und/oder des Brennstoffzellensystems (kurz: Kühlsystem), Regel- und/oder Steuereinrichtungen und dergleichen. Derartige Systemkomponenten sind dem Fachmann prinzipiell bekannt.One PEM fuel cell system (in short: PEMFC system) comprises at least a PEMFC, it can but there may also be two or more PEMFCs that belong to one or more several stacks are stacked. A PEMFC system also includes even more components, so-called system components. These include, for example Means for feeding and discharging the operating materials, humidifiers for the oxidizing agent and / or the fuel, conveyors for the Operating materials, means for controlling the temperature of the fuel cells and / or the fuel cell system (short: cooling system), control and / or Controllers and the like. Such system components are known in principle to the person skilled in the art.
Ein Problem herkömmlicher PEMFC-Systeme besteht darin, dass sie noch eine ungenügende Lebensdauer aufweisen. So kommt es beispielsweise im Bereich von Fahrzeugen mit Brennstoffzellen-Elektroantrieb häufig zu Totalausfällen der eingesetzten Stacks. Um das zu verhindern müssen die Stacks in sehr kurzen Abständen gewartet oder sogar ausgewechselt werden.One Problem of conventional PEMFC systems is that they still have an insufficient life exhibit. This happens, for example, in the area of vehicles with fuel cell electric drive often total failures of used stacks. To prevent that, the stacks must be in very short intervals serviced or even replaced.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Verbesserung der Langzeitstabilität eines PEMFC-Systems, auch bei stark wechselnder Leistungsentnahme.A The object of the present invention is to improve the long-term stability of a PEMFC system, even with strongly changing power extraction.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wurde gefunden, dass die Verbesserung der Langzeitstabilität mit einem Betriebsverfahren für die PEMFC erreicht werden kann, das eine stets aus reichenden Befeuchtung der MEA, insbesondere deren PEM, und eine Verringerung deren thermischen Belastung gewährleistet.in the Under the present invention, it has been found that the improvement the long-term stability with an operating procedure for the PEMFC can be reached, which always has sufficient humidification the MEA, in particular their PEM, and a reduction in their thermal Load guaranteed.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist dementsprechend ein Verfahren zum Betreiben eines PEMFC-Systems, bei dem man bei konstanter oder annähernd konstanter Leistungsentnahme wenigstens eine physikalische oder thermodynamische Größe (kurz: Stellgröße) wenigstens eines Betriebsstoffs regelt, und bei dem man ferner zumindest eine weitere physikalische oder thermodynamische Größe wenigstens eines Betriebsstoffs auf einen vorgegebenen Wert steuert, wenn eine sich stark ändernde Leistungsentnahme vorliegt oder zu erwarten ist.The subject of the present invention is accordingly a method for operating ei nes PEMFC system, in which one controls at constant or approximately constant power extraction at least one physical or thermodynamic size (short: manipulated variable) of at least one fuel, and in which further controls at least one further physical or thermodynamic size of at least one fuel to a predetermined value if there is or is expected to be a significant change in performance.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es, ein PEMFC-System mit verbesserter Langzeitstabilität zu betreiben. Dadurch verbessert sich die für einen Betreiber wahrnehmbare Zuverlässigkeit und die Lebensdauer des PEMFC-Systems und damit dessen Durchsetzungschancen am Markt. Ferner ermöglicht es das erfindungsgemäße Verfahren, ein PEMFC-System mit verbesserter Leistung zu betreiben.The inventive method allows it, a PEMFC system to operate with improved long-term stability. This improves yourself for the an operator perceptible reliability and durability the PEMFC system and thus its enforcement opportunities in the market. Furthermore allows it the inventive method, a PEMFC system with improved performance.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird der Verlauf der thermodynamischen Bedingungen, insbesondere der relativen Feuchte des Oxidationsmittels und/oder des Brennstoffs, innerhalb einer PEMFC entlang den Elektrodenoberflächen durch eine kontinuierliche Anpassung einer oder mehrerer Stellgrößen wenigstens eines Betriebsstoffs beim Eintritt in und/oder beim Austritt aus der PEMFC mit Hilfe der Komponenten des PEMFC-Systems und eines zusammengesetzten Regel- und Steuersystems eingestellt. Dadurch kann eine optimale Befeuchtung und eine verringerte thermische Belastung der PEM erreicht werden, wodurch sich Lebensdauer, Zuverlässigkeit und Leistung des PEMFC-Systems erhöhen.at the method according to the invention becomes the course of the thermodynamic conditions, in particular the relative humidity of the oxidant and / or the fuel, within a PEMFC along the electrode surfaces through a continuous adaptation of one or more manipulated variables at least a fuel when entering and / or leaving the PEMFC using the components of the PEMFC system and a composite control and regulation system. Thereby can provide optimal humidification and reduced thermal stress the PEM can be achieved, resulting in service life, reliability and increase the performance of the PEMFC system.
Der Verlauf der thermodynamischen Bedingungen innerhalb einer Brennstoffzelle oder eines Stacks kann dabei mit Hilfe einer geeigneten Sensorzelle erfolgen. Dabei können auch mehrere Sensorzellen vorgesehen sein, die beispielsweise an repräsentativen Stellen einer Brennstoffzelle oder eines Stacks angeordnet werden. Geeignete Sensorzellen messen beispielsweise den ohmschen Widerstand, die relative Feuchte des Oxidationsmittels und/oder des Brennstoffs, die Potentiale einzelner Brennstoffzellen oder die Temperatur in einer Brennstoffzelle oder einem Stack.Of the Course of the thermodynamic conditions within a fuel cell or a stack can thereby with the help of a suitable sensor cell respectively. It can also be provided a plurality of sensor cells, for example, to representative Positions of a fuel cell or a stack are arranged. Suitable sensor cells measure, for example, the ohmic resistance, the relative humidity of the oxidant and / or the fuel, the potentials of individual fuel cells or the temperature in a fuel cell or a stack.
Bei den Stellgrößen kann es sich um die Stöchiometrie des Oxidationsmittels und/oder des Brennstoffs handeln, den Druck des Oxidationsmittels und/oder des Brennstoffs beim Eintritt in den Stack oder die Brennstoffzellen, die relative Feuchte des Oxidationsmittels und/oder des Brennstoffs beim Eintritt in den Stack oder die Brennstoffzellen, die Differenz der Temperatur des Kühlmittels beim Eintritt in und beim Austritt aus dem Stack oder die Brennstoffzellen, den Kühlmittelfluss, die Temperatur des Kühlmittels beim Eintritt in den Stack oder die Brennstoffzellen oder Kombinationen daraus.at the manipulated variables can it is the stoichiometry of the oxidant and / or the fuel act the pressure of the oxidizing agent and / or the fuel entering into the stack or the fuel cells, the relative humidity of the oxidant and / or the fuel entering the stack or the fuel cells, the difference of the temperature of the coolant entering and when exiting the stack or the fuel cells, the coolant flow, the temperature of the coolant when entering the stack or the fuel cells or combinations it.
Zu den Stellgrößen, die vorzugsweise geregelt werden, gehören die Stöchiometrie des Oxidationsmittels und/oder des Brennstoffs, der Druck des Oxidationsmittels und/oder des Brennstoffs beim Eintritt in den Stack oder die Brennstoffzellen, die relative Feuchte des Oxidationsmittels und/oder des Brennstoffs beim Eintritt in den Stack oder die Brennstoffzellen, die Differenz der Temperatur des Kühlmittels beim Eintritt in und beim Austritt aus dem Stack oder die Brennstoffzellen und der Kühlmittelfluss. Die Regelung kann dabei mit Hilfe einer Fuzzy Regelungstechnik erfolgen.To the manipulated variables, the preferably regulated, include the stoichiometry of the oxidizing agent and / or the fuel, the pressure of the oxidant and / or of the fuel entering the stack or the fuel cells, the relative humidity of the oxidant and / or the fuel when entering the stack or the fuel cells, the difference the temperature of the coolant when entering and exiting the stack or the fuel cells and the coolant flow. The control can be done with the help of a fuzzy control technology.
Zu den Stellgrößen, die vorzugsweise gesteuert werden, gehört die Temperatur des Kühlmittels beim Eintritt in den Stack oder die Brennstoffzellen.To the manipulated variables, the Preferably, the temperature of the coolant belongs when entering the stack or the fuel cells.
Eine sich stark ändernde Leistungsentnahme liegt insbesondere dann vor, wenn sich die Leistungsentnahme sprunghaft ändert, d.h. sprunghaft ansteigt oder sprunghaft abfällt. Wird beispielsweise das PEMFC-System zur Bereitstellung von elektrischer Energie für den Antrieb eines Fahrzeugs eingesetzt, wobei die Leistungsentnahme durch ein Gaspedal gesteuert wird, so liegt eine sprunghafte Änderung bzw. ein sprunghafter Anstieg der Leistungsentnahme dann vor, wenn das Gaspedal ruckartig durchgetreten wird, um eine starke Beschleunigung zu bewirken. Ebenso liegt eine sprunghafte Änderung bzw. ein sprunghafter Abfall der Leistungsentnahme vor, wenn das Gaspedal ruckartig entlastet wird, um die Beschleunigung möglichst schnell zu beenden.A changing very much Power extraction is especially present when the power extraction changes abruptly, i.e. rises suddenly or drops abruptly. For example, the PEMFC system for providing electrical energy for the drive a vehicle used, the power extraction by a Accelerator pedal is controlled, there is a sudden change or a sudden increase in power withdrawal then, if the gas pedal is jerked to a strong acceleration cause. Likewise there is a sudden change or an erratic Drop in power draw before, when the gas pedal is relieved jerky, to the acceleration as possible finish quickly.
Eine sich stark ändernde Leistungsentnahme ist insbesondere dann zu erwarten ist, wenn das PEMFC-System angefahren oder abgefahren wird, da die Leistungsentnahme im Falle des Anfahrens innerhalb möglichst kurzer Zeit von null auf einen vorgegebenen Wert erhöht wird und im Falle des Abfahrens von einem bestimmten Wert auf null verringert wird.A changing very much Power extraction is particularly expected when the PEMFC system is approached or driven off, since the power extraction in the case the start within as possible short time from zero to a predetermined value is increased and is reduced from zero to zero in the event of shutdown.
Dabei liegt eine sich stark ändernden Leistungsentnahme vorzugsweise dann vor oder ist zu erwarten, wenn die relative Feuchte der Reaktionsstoffe an deren Austritt aus der PEMFC 100 % oder mehr beträgt. Ist das der Fall, so kann es zu einer Verstopfung der PEMFC und damit zu einem Leistungsabfall kommen, sodass hinsichtlich des Betriebsverfahrens schnell reagiert werden muss. Eine schnelle Reaktion ist insbesondere mit Hilfe eines Steuerungs-Schritts möglich.there is a very changing one Preferably before then or is expected, if the relative humidity of the reactants at the exit from the PEMFC is 100% or more. If that is the case, then there may be a clogging of the PEMFC and thus lead to a loss of performance, so in terms of the operating procedure must be reacted quickly. A quick reaction is in particular possible with the help of a control step.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch durch eine Leistungsanforderung bzw. -bereitstellung eingeleitet werden, z.B. mit Hilfe des Gaspedals bei Fahrzeuganwendungen. Das Gaspedal fungiert dann als Signalgeber.The inventive method can also be initiated by a power request or provision, for example by means of the accelerator pedal at Vehicle applications. The accelerator then acts as a signal generator.
Bei einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens steuert man die wenigstens eine weitere physikalische oder thermodynamische Größe anhand eines Kennlinienfeldes auf einen vorgegebenen Wert. Dadurch kann man besonders schnell auf eine sich stark ändernde Leistungsentnahme reagieren. Mit Hilfe des Kennlinienfelds kann die thermische Trägheit des PEMFC-System oder von Teilen davon, wie z.B. den Brennstoffzellen, berücksichtigt werden. Ferner können dadurch der bevorzugte Betriebstemperaturbereich, die erzielbare Wärmeabfuhr, die mittlere Lastentnahme über einen definierten Zeitabschnitt und die relative Feuchte des Oxidationsmittels und/oder des Brennstoffs beim Eintritt in den Stack oder die Brennstoffzellen berücksichtigt werden. Ein geeignetes Kennlinienfeld kann experimentell ermittelt und dann in einem Kennlinienfeldspeicher hinterlegt werden.at A development of the method according to the invention is controlled the at least one more physical or thermodynamic Size based of a characteristic field to a predetermined value. This can one reacts particularly fast on a strongly changing power take-off. With the help of the characteristic field, the thermal inertia of the PEMFC system or parts thereof, e.g. the fuel cells, be taken into account. Furthermore, can thereby the preferred operating temperature range achievable Heat dissipation, the average load over a defined period of time and the relative humidity of the oxidizing agent and / or the fuel entering the stack or fuel cells be taken into account. A suitable characteristic field can be determined experimentally and then be stored in a characteristic field memory.
Dabei ist es bevorzugt, wenn man nur eine weitere physikalische oder thermodynamische Größe wenigstens eines Betriebsstoffs auf einen vorgegebenen Wert steuert, wobei es sich vorzugsweise um die Temperatur des Kühlmittels bei dessen Eintritt in die PEMFC (kurz: Kühlmitteleintrittstemperatur) handelt.there It is preferable to have just one more physical or thermodynamic Size at least controls a fuel to a predetermined value, wherein it is preferably the temperature of the coolant at its entry into the PEMFC (short: coolant inlet temperature) acts.
Dabei steuert man die Einstellung der Kühlmitteleintrittstemperatur vorzugsweise durch Einstellung der Kühlleistung eines Kühlsystems, wobei die Kühlleistung anhand der von der PEMFC produzierten Wärme vorgegeben wird. Dadurch kann man die Kühlleistung an den Prozesswärmestrom anpassen, unter Berücksichtigung des gesamten Kühlsystems.there one controls the setting of the coolant inlet temperature preferably by adjusting the cooling capacity of a cooling system, the cooling capacity based on the heat produced by the PEMFC. Thereby can you get the cooling power to the process heat flow adjust, taking into account of the entire cooling system.
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