DE10057804B4 - Verfahren zur Steuerung der Befeuchtung einer Brennstoffzelle sowie Steuerungssystem für eine Brennstoffzelle - Google Patents

Verfahren zur Steuerung der Befeuchtung einer Brennstoffzelle sowie Steuerungssystem für eine Brennstoffzelle Download PDF

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Abstract

Verfahren zur Steuerung der Befeuchtung einer Brennstoffzelle (1), die elektrische Energie aufgrund einer Reaktion zwischen einem Brenngas und einem oxidierenden Gas erzeugt, dadurch gekennzeichnet, dass es die Schritte umfasst:
– Bestimmung der Befeuchtung für jeden Betriebszustand auf der Basis eines physikalischen Modells der zu steuernden Brennstoffzelle, für das ein Wasserausgleich vorab festgelegt wurde;
– Verringerung der Befeuchtung der Brennstoffzelle, wenn der Druck in der Brennstoffzelle zunimmt;
– Erhöhung der Befeuchtung der Brennstoffzelle, wenn der Druck in der Brennstoffzelle abnimmt;
– Erfassung des internen Widerstandes der Brennstoffzelle; und
– Korrektur der Befeuchtung entsprechend der vorher für jeden Betriebszustand festgelegten Befeuchtung auf der Basis des erfassten internen Widerstandes.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung der Befeuchtung einer Brennstoffzelle, sowie ein Steuerungssystem für eine Brennstoffzelle, mit der elektrische Leistung durch eine elektrochemische Reaktion zwischen einem Brenngas und einem Oxidationsgas erzeugt wird, und insbesondere ein System zur Steuerung der Befeuchtung der Brennstoffzelle.
  • Brennstoffzellen vom Typ mit polymer-elektrolytischen Filmen oder mit Phosphorsäure müssen von außen mit Wasser versorgt werden, um die elektrische Leitfähigkeit oder die Aktivität des Elektrolyten aufrechtzuerhalten. Um den elektrischen Widerstand der Elektroden zu verringern, muss die Brennstoffzelle in feuchtem Zustand gehalten werden. Beispielsweise werden bisherige Brennstoffzellen mit polymer-elektrolytischem Film, wie einem ionenaustauschenden Film, befeuchtet, indem sie mit einem Brenngas (z. B. ein Wasserstoffgas) und einem oxidierenden Gas (z. B. Luft), das Wasser enthält, versorgt werden, um die elektrische Leitfähigkeit des elektrolytischen Films zu erhöhen und den elektrischen Widerstand der einzelnen Elektroden zu verringern.
  • Die Befeuchtung sollte so hoch wie möglich sein, um die elektrische Leitfähigkeit oder die elektrischen Widerstände zu optimieren. Wird die Wasserversorgung jedoch so stark überschüssig, daß sich im Elektrolyten oder an der Elektrode Wassertropfen bilden, wird die Reaktion des Gases behindert, was zu einem Leistungsabfall der Zelle führt. Andererseits können sich die Wasserstoffionen (oder Protonen), die durch den Elektrolytfilm gedrungen sind, mit den Elektronen auf der Kathodenseite vereinigen, was dazu führt, dass sich Wasserstoffgas mit der Luft vermischt. Daher ist die Befeuchtung durch das Verhindern des Überflutens und des damit einhergehenden Leistungsabfalls begrenzt. Es ist allgemein üblich, die Befeuchtung der Zelle nicht nur auf Basis eines voreingestellten Zielwertes, sondern auch auf Basis des elektrischen Widerstands oder der ermittelten Leistung zu steuern.
  • In der Erfindung gemäß japanischer Patentveröffentlichung Nr. 10-255828 wird im Gegensatz dazu die Befeuchtung durchgeführt, indem die Einspritzrate von reinem Wasser in das Versorgungsgas auf Basis der Strömungsrate und Temperatur des Versorgungsgases, der Temperatur des reinen Wassers, der Belastung der Zelle und der Innentemperatur der Zelle gesteuert wird.
  • In der bereits erwähnten Brennstoffzelle vom Festpolymerfilmtyp setzt sich zum Beispiel das Wasser zur Versorgung des Elektrolyten und der einzelnen Elektroden aus dem mit den Gasen bereitgestellten, dem durch Diffusion aufgrund der Feuchtigkeitsdifferenz hinzugekommenen und dem durch die Reaktion erzeugten Wasser zusammen. Im Gegensatz dazu ist das zu entsorgende Wasser das gemeinsam mit den Gasen ausströmende Wasser. Nach der oben genannten Veröffentlichung wird der Wasserzufluss auf Basis der Strömungsrate des Versorgungsgases, der Temperatur des reinen Wassers, der Belastung der Zelle und der Innentemperatur der Zelle gesteuert. So wird das Wasservolumen gesteuert, das zum Betrieb der Brennstoffzelle benötigt wird. Zusätzlich zu dieser Steuerung verhindert die oben genannte Erfindung andererseits, dass die Wasserversorgung so überschüssig wird, dass der Tau kondensiert, indem die Wasserversorgung auf Grundlage der Temperatur des Versorgungsgases gesteuert wird.
  • Im Betriebszustand der Brennstoffzelle finden Wasserver- und -entsorgung gleichzeitig statt. In der obengenannten Druckschrift wird jedoch nur die Wasserversorgung kontrolliert, aber die Wasserentsorgung zusammen mit dem Gasüberschuß wird nicht kontrolliert. In anderen Worten, die Situation im Innern der Brennstoffzelle wird nicht unbedingt präzise durch die Befeuchtungssteuerung erfaßt und es kann dort zu trocken oder zu naß werden.
  • In der DE 100 07 973 A1 ist ein Brennstoffzellensystem beschrieben, bei dem in einem ersten Schritt Größen wie die Stromstärke, die Spannung oder der Widerstand der Brennstoffzelle gemessen werden, welche den Betriebszustand der Zelle bestimmen, daraus die Befeuchtung der Zelle bestimmt wird und in einem zweiten Schritt aus diesen Größen über eine entsprechende Einstellung des Druckes in der Brennstoffzelle die Befeuchtung geregelt wird.
  • Eine Aufgabe der Erfindung ist es, den Wassergehalt in einer Brennstoffzelle zu steuern und dabei die Situation im Innern der Zelle präziser wiederzugeben.
  • Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 8.
  • Wenn der absolute Wassergehalt in der Brennstoffzelle zunimmt, weil der interne Druck zunimmt und wenn Wasserknappheit durch die Wasserentsorgung mit dem Gas nicht zu befürchten ist, wird nach dem erfindungsgemäßen Steuerungssystem die Frischwasserversorgung oder Befeuchtung der Brennstoffzelle verringert, um einen zu großen Wassergehalt zu verhindern. Wenn der absolute Wassergehalt in der Brennstoffzelle abnimmt, weil der interne Druck abnimmt und wenn die Wasserknappheit leicht durch den Wasserabfluß mit dem ausgestoßenen Gas verursacht werden könnte, wird andererseits die Frischwasserzufuhr oder Befeuchtung der Brennstoffzelle erhöht, um Wasserknappheit zu verhindern.
  • Ein Vorteil der Erfindung ist es, ein Steuerungssystem bereitzustellen, das es ermöglicht, stabil eine hohe Leistung zu erzeugen.
  • Im Rahmen der Erfindung wurde festgestellt, dass der absolute Wassergehalt in der Brennstoffzelle bei höherem Innendruck größer wird und eine Wasserknappheit durch Wasserabfuhr mittels des ausgestoßenen Gases erschwert, während sich der absolute Wassergehalt bei geringerem Innendruck verringert und eine Wasserknappheit durch das mit dem ausgestoßenen Gas abgeführte Wasser leichter möglich wird. Daher ist die Erfindung dadurch gekennzeich net, daß sie den Druck in der Brennstoffzelle als Kontrollparameter für die Befeuchtung verwendet.
  • Gemäß dem so aufgebauten Steuerungssystem wird nur wenig Gas mit dem darin enthaltenen Wasser in die Brennstoffzelle kommen, wenn der Druck des Gases in der Brennstoffzelle hoch ist. Da die Befeuchtung auf Grundlage des Eingangsdrucks korrigiert wird, ist es jedoch möglich, eine zu geringe Feuchtigkeit zu vermeiden, selbst wenn kaum Gas in die Brennstoffzelle eintritt und ebenso eine zu hohe Feuchtigkeit, selbst wenn das Gas leicht hineingelangt.
  • Weitere Einzelheiten, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnung.
  • 1 ist ein Flußdiagramm, um ein Beispiel einer Steuerung durch ein erfindungsgemäßes Steuerungssystem zu erklären;
  • 2 ist ein charakteristisches Diagramm, das die Beziehungen zwischen einem befeuchtenden Wasservolumen in einem Feuchtigkeitsregler und der Steuerspannung veranschaulicht; und
  • 3 ist ein Blockdiagramm, das schematisch einen kompletten Aufbau einer Brennstoffzelle und der zugehörigen Steuerungseinheit zeigt.
  • Die Erfindung wird in Verbindung mit einer bestimmten Ausführungsform mit Bezug auf die begleitende Zeichnung beschrieben. 3 zeigt schematisch einen einzelnen Block (oder eine einzelne Zelle) einer erfindungsgemäßen Brennstoffzelle 1. An einen festen Elektrolyten 2 werden eine Anode (oder Brennstoffelektrode) 3 und eine Kathode (oder Luftelektrode) 4 angebracht. Kurz gesagt, der feste Elektrolyt 2 besteht aus einem ionendurchlässigen Stoff, beispielsweise aus einem für Protonen durchlässigen Polymerfilm. Andererseits sind die einzelnen Elektroden 3 und 4 so aufgebaut, daß ein Kollektor auf einer porösen Schicht, die aus wasserabstoßenden und katalytischen Teilchen besteht, gehalten wird.
  • Mit der Seite der Anode 3 wird außerdem ein Brenngasdurchlass 5 verbunden, an den ein Reformer 6 als ein Beispiel einer Brenngasversorgungsquelle angeschlossen ist. Dieser Reformer 6 ist eine Einheit, um wasserstoffangereichertes reformiertes Gas durch eine Reaktion aus Kohlenwasserstoffen wie Methanol zu erzeugen. In der in 3 gezeigten Ausführungsform wird daher das reformierte Gas als Brenngas verwendet. Andererseits ist der Reformer 6 so aufgebaut, dass er mehr Dampf bereitstellt, als für die Reformierungsreaktion nötig ist und dadurch das reformierte Gas angemessen befeuchtet.
  • Ein Drucksensor 7 ist bereitgestellt, um den Druck im Brenngasdurchlass 5 zu erfassen. Dieser Drucksensor 7 ist so aufgebaut, dass er den Druck auf der Seite der Anode 3 als Durchschnitt zwischen dem Druck auf der Eingangsseite und dem Druck auf der Ausgangsseite des Brenngasdurchlasses 5 erfasst.
  • Auf der Seite der Kathode 4 wird andererseits ein Gasdurchlass 8 für das oxidierende Gas aufgebaut, mit dem zum Beispiel eine Luftpumpe 9 verbunden ist, um Luft als oxidierendes Gas zuzuführen. Zwischen der Luftpumpe 9 und dem Durchlass 8 für das oxidierende Gas ist ein Feuchtigkeitsregler 10 zur Befeuchtung der Luft eingebaut. Weiterhin ist ein Drucksensor 11 bereitgestellt, um den Druck im Durchlass 8 für das oxidierende Gas zu erfassen. Dieser Drucksensor 11 ist so aufgebaut, dass er den Druck auf der Seite der Kathode 4 als Durchschnitt zwischen dem Druck auf der Eingangsseite und dem Druck auf der Ausgangsseite des Durchlasses 8 für das oxidierende Gas erfasst.
  • Mit der erwähnten Brennstoffzelle 1 wird eine geeignete externe Last 12 wie beispielsweise ein Motor verbunden. In diesem Stromkreis werden ein Spannungsmeßgerät 13 und ein Strommeßgerät 14 bereitgestellt. Weiterhin werden ein Widerstandsmeßgerät 15 zur Bestimmung des Widerstands der Brennstoffzelle 1 und ein Temperaturfühler 16 zur Temperaturmessung bereitgestellt. Außerdem wird ein Steuergerät (External Control Unit, ECU) 17 bereitgestellt, um eine Befeuchtung zu steuern, indem Berechnungen auf der Basis der von den vorgenannten einzelnen Sensoren 7, 11, 13, 14, 15, und 16 und anderen nicht gezeigten Sensoren erfassten Daten durchgeführt werden.
  • In der soweit beschriebenen Brennstoffzelle 1 erzeugen die folgenden Reaktionen eine elektromotorische Kraft, wobei das wasserstoffangereicherte reformierte Gas als Brenngas und der Sauerstoff der Luft als oxidierendes Gas genutzt wird. Auf der Seite der Anode 3 erzeugt die folgende Reaktion emittierte Elektronen: H2 → 2H+ + 2e.
  • Auf der Seite der Kathode 4 erzeugt die folgende Reaktion Wasser: 2H+ +1/2O2 + 2e → H2O.
  • Die einzelnen Elektroden 3 und 4 und der feste Elektrolyt 2 werden durch das erzeugte Wasser und das mit den einzelnen Gasen zugeführte Wasser im feuchten Zustand gehalten. Andererseits dringt der Wasserinhalt entsprechend der Elektrizitätserzeugung nach außen und wird mit dem ausgestoßenen Gas abgeführt. In der erfindungsgemäßen Steuerungseinheit 17 wird daher die Befeuchtung (oder das für die Befeuchtung benötigte Wasservolumen) festgelegt, wie in 1 gezeigt.
  • Insbesondere kann das Verhalten des Wassers in der Brennstoffzelle 1 in folgender Weise analysiert werden, so daß das Volumen des für die Befeuchtung verwendeten Wassers entsprechend der jeweiligen Betriebszustände (im Schritt S1) auf Basis des physikalischen Modells der Brennstoffzelle 1 festgelegt wird. Als erstes wird das Volumen des befeuchtenden Wassers Wain (mol/s) auf der Seite der Anode 3 durch Addieren des Volumens Waout (mol/s) des zusammen mit dem überschüssigen Gas abzuführenden Wassers mit dem Volumen des durch die Wanderung von Protonen (oder Ladungen) von der Seite der Anode 3 zur Seite der Kathode 4 wandernden Wassers (oder dem Volumens des abgesaugten Wassers, "drag water volume") Wdrag (mol/s) und durch Subtrahieren des Volumens Wbackdif (mol/s) des von der Seite der Kathode 4 zu der Seite der Anode 3 dringenden Wassers (oder des Volumens des zurückdiffundierenden Wassers) von dieser Summe berechnet. Dies ergibt: Wain = (Waout + Wdrag) – Wbackdif (1).
  • Andererseits wird das befeuchtende Wasservolumen Wcin (mol/s) errechnet, indem die Wassererzeugungsrate Wgen (mol/s) der Reaktion und das Wasservolumen Wdrag (mol/s), das zugeführt werden muß, um die Wanderung der Protonen (oder Ladungen) auszugleichen, von dem Wasservolumen Wcout (mol/s), das zusammen mit der ausge- stoßenen Luft abgeführt wird, abgezogen wird, und das Wasservolumen Wbackdif (mol/s) das als zurückdiffundieren des Wasservolumen verlorengeht, zu dieser Differenz addiert wird. Dies ergibt: Wcin = (Wcout – Wgen – Wdrag) + Wbackdif (2)
  • In den Formeln (1) und (2) werden die Wasservolumina Waout (mol/s) und Wcout, die mit dem ausgestoßenen Gas abgeführt werden, die Rate Wgen (mol/s) des durch die Reaktion erzeugten Wassers und der Ausgleich (Wdrag – Wbackdif) (mol/s) zwischen dem abgesaugten Wasservolumen Wdrag (mol/s) und dem zurückdiffundierenden Wasservolumen Wbackdif (mol/s) unter Nutzung des Faradayschen Gesetzes durch die Formeln (3) und (4) angenähert: Wain = Waout + (Wdrag – Wbackdif) = {Pcs/(Pa – Pcs)} × {A × I × sta/(2 × F) – A × I/(2 × F)} + (A × I)/(2 × F) × 2 × n (3);und Wcin = Wcout – (Wdrag – Wbackdif) – Wgen = {Pcs/(Pc – Pcs)} × {A × I × 5 × stc/(4 × F) – A × I/(4 × F)} – (A × I)/(2 × F) × 2 × n – A × I/(2 × F) (4).
  • In diesen Formeln (3) und (4) bedeuten: Pcs der Druck (hPa) des gesättigten Wasserdampfs bei der Temperatur der Brennstoffzelle 1; Pa der Druck (hPa) auf der Seite der Anode 3; A die Fläche (cm2) der Elektroden; I der Wert des Stroms (A/cm2), sta der Prozentsatz des Ausstoßes (oder die Stöchiometrie der Anodenreaktion) des Wasserstoffgases; F die Faraday-Konstante (A·s/mol); n die Molzahl der wandernden Wassermoleküle aus der Gesamtsumme des zurückdiffundierenden und des abgesaugten Wassers pro Proton; Pc der Druck (hPa) auf der Seite der Kathode 4; und stc der Prozentsatz des Ausstoßes (oder die Stöchiometrie der Kathodenreaktion) des Sauerstoffgases.
  • Wenn man die von den einzelnen Sensoren 7, 11, 13 14, 15 und 16 gewonnenen Daten und die aktuellen Werte der Temperatur der Brennstoffzelle 1, der einzelnen Drücke an den Elektroden 3 und 4 und die prozentualen Anteile der einzelnen Gase am Gasausstoß im Betriebszustand in die Formeln (3) und (4) einsetzt, ist es somit möglich, die theoretischen Werte für das befeuchtende Wasservolumen Wain des Brenngases und die theoretischen Werte für das befeuchtende Wasservolumen Wcin des Oxidationsgases zu bestimmen. Für diese Festlegungen werden die jeweiligen Drücke auf den Seiten der Elektroden 3 und 4 als Parameter für die Berechnung der befeuchtenden Wasservolumina genommen, und diese befeuchtenden Wasservolumina werden bei hohen Drücken verringert und bei niedrigen Drücken erhöht, so daß die Befeuchtungen in einer Weise durchgeführt werden, die die interne Situation der Brennstoffzelle 1 genauer widerspiegelt.
  • Wie bereits oben beschrieben, übt der Wassergehalt in der Brennstoffzelle einen so wichtigen Einfluß auf den Widerstand aus, dass sich der Widerstand erhöht, wenn der Wassergehalt fällt. Da der Widerstand tatsächlich gemessen werden kann, wird darüber hinaus der Wert, der auf Basis des bereits erwähnten physikalischen Modells festgelegt wurde, mit dem Widerstand (im Schritt S2) korrigiert. Formeln zur Korrektur der befeuchtenden Wasservolumina Wain und Wcin auf der Grundlage eines gemessenen Widerstands Rfc werden beispielhaft in (5) und (6) aufgeführt: Wain' = Wain + Kpa × (RefRfc – Rfc) + Kia × Σ(RefRfc – Rfc) (5);und Wcin' = Wcin + Kpc × (RefRfc – Rfc) + Kic × Σ(RefRfc – Rfc) (6).
  • Für diese Formeln gilt: RefRfc ist der Zielwiderstand; Kpa, Kia, Kpc und Kic sind die vorher festgelegten Steuerungsparameter und Σ(RefRfc – Rfc) ist die Summe der Abweichungen zwischen den gemessenen Widerstandswerten und den Zielwiderstandswerten. Diese Korrektur der befeuchtenden Wasservolumina auf Basis der physikalischen Größen in der Brennstoffzelle 1 ermöglicht es, die Befeuchtungen so durchzuführen, dass sie genauer an die internen Situationen der Brennstoffzelle 1 angepasst werden.
  • Hier ist der Feuchtikeitsregler 10, der der zugeführten Luft oder dem oxidierenden Gas Wasser zuführt, beispielhaft als ein Befeuchter des Typs ausgeführt, der die Abgabe entsprechend der elektrischen Spannung erhöht, so dass das befeuchtende Wasservolumen im wesentlichen proportional zur Spannung ist; wie durch die charakteristischen Funktionsgraphen in 2 gezeigt wird.
  • Wird das befeuchtende Wasser andererseits vom Feuchtigkeitsregler 10 abgegeben, wird die relative Abgabe aufgrund des höheren Drucks im Durchlass für das oxidierende Gas 8 niedriger. Um das befeuchtende Wasser entsprechend der Zielrate abzugeben, muß daher die Steuerspannung entsprechend der Drucksteigerung im Durchlass 8 für oxidierendes Gas erhöht werden. Diese Korrektur entsprechend dem Druck wird speziell auf der Basis des Eingangsdrucks im Durchlass 8 für oxidierendes Gas (im Schritt S3) durchgeführt. Für den höheren Eingangsdruck wird im speziellen die Steuerspannung auf Grundlage des charakteristischen Graphen mit größerer proportionaler Konstante (oder stärkerer Steigung) in 2 angepasst. Da man so die Korrektur auf Basis des inneren Drucks macht, ist es möglich, die Befeuchtung so zu beeinflussen, dass sie genauer an die internen Situationen in der Brennstoffzelle 1 angepasst wird.
  • Dann wird der so ermittelte Steuerwert ausgegeben (im Schritt 4). An den Feuchtigkeitsregler 10 wird genauer gesagt die Steuerspannung ausgegeben, die zuvor entsprechend des Eingangsdrucks korrigiert wurde. Um die Seite der Anode 3 zu befeuchten, wird andererseits das Verhältnis des Wasserdampfvolumens zur Menge des Kohlenstoffs S/C im Reformer 6 entsprechend dem berechneten Volumen des befeuchtenden Wassers verändert.
  • Im folgenden werden die Verbindungen zwischen der bisher dargelegten speziellen Ausführungsform und der Erfindung beschrieben.
  • Das funktionelle Mittel, um die vorgenannte Steuerung des Schrittes S1 durchzuführen, entspricht der erfindungsgemäßen Steuerung des Feuchtigkeitsreglers; das vorgenannte Widerstandsmeßgerät 15 entspricht erfindungsgemäß einem Mittel, um den internen Widerstand zu messen; das vorgenannte funktionelle Mittel, um die Steuerung des Schritts S2 durchzuführen, entspricht dem erfindungsgemäßen ersten Feuchtigkeitsregler; der vorgenannte Drucksensor 11 entspricht erfindungsgemäß einem Eingangsdruckmeßmittel; und das vorgenannte funktionelle Mittel, um die Steuerung von Schritt 3 durchzuführen, entspricht erfindungsgemäß dem zweiten Feuchtigkeitsregler.
  • Hier wurde die vorgenannte spezifische Ausführung beispielhaft an einer Brennstoffzelle mit einem polymerelektrolytischen Film beschrieben, aber die Erfindung ist nicht auf diese spezielle Ausführungsform begrenzt. Kurz gesagt, die Erfindung kann auf ein Steuerungssystem für eine Brennstoffzelle, die befeuchtet werden muß, ange wandt werden. Andererseits ist auch die Brennstoffzelle an sich nicht auf den Typ beschränkt, der wasserstoffangereichertes modifiziertes Gas oder Luft verwendet, sondern kann auch anhand eines Typs, der andere geeignete Gase nutzt, erläutert werden. Daher kann das physikalische Modell in der Erfindung als idealisierte Brennstoffzelle gesetzt werden.
  • Im folgenden werden die Vorzüge der Erfindung beschrieben. Gemäß der Erfindung wird das befeuchtende Wasservolumen auf Basis des Drucks im Inneren der Brennstoffzelle so festgelegt, dass es verringert wird, wenn der Druck so groß ist, dass ein geringerer Wassergehalt mit dem ausgestoßenen Gas ausgebracht wird, aber erhöht wird, wenn der Druck so gering ist, dass ein höherer Wassergehalt vom ausgestoßenen Gas abgeführt wird. Als Ergebnis kann die Befeuchtung der Brennstoffzelle unter Berücksichtigung des Betriebszustands genauer durchgeführt werden, so dass eine höhere Leistung stabil erbracht werden kann.
  • Gemäß der Erfindung wird andererseits das Volumen des zur Befeuchtung verwendeten Wassers auf Basis des inneren Widerstands, der direkt mit dem Wassergehalt in der Brennstoffzelle korreliert, korrigiert. Als Ergebnis kann verhindert werden, dass der Wassergehalt in der Brennstoffzelle zu gering oder zu hoch wird, so daß die Genauigkeit der Steuerung des Wassergehalts im Elektrolyten oder in den Elektroden erhöht werden kann, um die hohe Leistung stabil zu erzeugen.
  • Gemäß der Erfindung wird außerdem das Volumen des zur Befeuchtung verwendeten Wassers auf Basis des Eingangsdrucks der Brennstoffzelle korrigiert, so daß die Befeuchtung genau entsprechend der aktuellen Situation der Brennstoffzelle durchgeführt werden kann. Auch in dieser Beziehung kann die hohe Leistung stabil erzeugt werden, da die Befeuchtung weder zu gering noch zu stark werden kann.
  • Zusammenfassend wurde somit ein Steuerungssystem (3) für eine Brennstoffzelle (2, 3, 4) beschrieben, um aufgrund einer Reaktion eines Brenngases und eines oxydierenden Gases elektrische Energie abzugeben. Das Steuerungssystem enthält einen Feuchtigkeitsregler (10), um die Feuchtigkeit in der Brennstoffzelle zu verringern, wenn der Druck in der Brennstoffzelle hoch ist, und um die Feuchtigkeit in der Brennstoffzelle zu erhöhen, wenn der Druck in der Brennstoffzelle niedrig ist.

Claims (8)

  1. Verfahren zur Steuerung der Befeuchtung einer Brennstoffzelle (1), die elektrische Energie aufgrund einer Reaktion zwischen einem Brenngas und einem oxidierenden Gas erzeugt, dadurch gekennzeichnet, dass es die Schritte umfasst: – Bestimmung der Befeuchtung für jeden Betriebszustand auf der Basis eines physikalischen Modells der zu steuernden Brennstoffzelle, für das ein Wasserausgleich vorab festgelegt wurde; – Verringerung der Befeuchtung der Brennstoffzelle, wenn der Druck in der Brennstoffzelle zunimmt; – Erhöhung der Befeuchtung der Brennstoffzelle, wenn der Druck in der Brennstoffzelle abnimmt; – Erfassung des internen Widerstandes der Brennstoffzelle; und – Korrektur der Befeuchtung entsprechend der vorher für jeden Betriebszustand festgelegten Befeuchtung auf der Basis des erfassten internen Widerstandes.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es zusätzlich die Schritte umfasst: – Erkennung der Eingangsdrücke in den Zuflüssen der Gase, die der Brennstoffzelle zugeführt werden; und – Korrektur der Befeuchtung entsprechend der vorher für jeden Betriebszustand festgelegten Befeuchtung auf der Basis der ermittelten Eingangsdrücke.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das physikalische Modell folgende Einstellungen vorgibt: – Befeuchtung einer Anode (3) in der Brennstoffzelle mit einem Wassermassenstrom, der berechnet wird, indem das Volumen des Wassers, das mit den Ladungen zur Seite einer Kathode (4) wandert, und das Volumen des Wassers, das zusammen mit dem ausgestoßenen Gas abgeführt wird, addiert wird, und indem weiterhin das Volumen des Wassers, das aufgrund der Temperaturdifferenz zwischen der Anode und der Kathode zu der Seite der Anode durchdringt, abgezogen wird; und – Befeuchtung einer Kathode in einer Menge, die berechnet wird, indem das Volumen des Wassers, das durch eine Reaktion unter Leistungsabgabe gebildet wird, und das Volumen des Wassers, das mit den Ladungen zur Kathodenseite wandert, von dem Volumen des Wassers, das gemeinsam mit dem ausgestoßenen Gas abgeführt wird, abgezogen wird, und weiterhin indem das Volumen des Wassers, das aufgrund der Temperaturdifferenz zwischen der Anode und der Kathode zu der Seite der Anode durchdringt, hinzugezählt wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das physikalische Modell Folgendes berechnet: – Befeuchtung der Anode (3) der Brennstoffzelle auf der Basis des Drucks des gesättigten Wasserdampfs in der Brennstoffzelle, des Drucks auf der Seite der Anode, der Fläche von Elektroden, des Stroms, des Prozentsatzes des Brenngases am ausgestoßenen Gas, der Faraday-Konstante und der Molzahl der Wassermoleküle, die gemeinsam mit einer Ladung wandern; sowie – Befeuchtung der Kathode (4) der Brennstoffzelle auf der Basis des Drucks des gesättigten Wasserdampfes in der Brennstoffzelle, des Drucks auf der Seite der Kathode, der Fläche der Elektroden, des Stroms, des Prozentsatzes des oxidierenden Gases im ausgestoßenen Gas, der Faraday-Konstante und der Molzahl der Wassermoleküle, die gemeinsam mit einer Ladung wandern.
  5. Verfahren zur Steuerung der Befeuchtung einer Brennstoffzelle (1), die elektrische Energie aufgrund einer Reaktion zwischen einem Brenngas und einem o xidierenden Gas erzeugt, dadurch gekennzeichnet, dass es die Schritte umfasst: – Bestimmung der Befeuchtung für jeden Betriebszustand auf der Basis eines physikalischen Modells der zu steuernden Brennstoffzelle, für das ein Wasserausgleich vorab festgelegt wurde; – Verringerung der Befeuchtung der Brennstoffzelle, wenn der Druck in der Brennstoffzelle zunimmt; – Erhöhung der Befeuchtung der Brennstoffzelle, wenn der Druck in der Brennstoffzelle abnimmt; – Erfassen von Drücken in Zuflüssen der der Brennstoffzelle zuzuführenden Gase; und – Korrektur der Befeuchtungen entsprechend der vorher für jeden Betriebszustand festgelegten Befeuchtung auf Basis der erfassten Eingangsdrücke.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das physikalische Modell folgende Einstellungen vorgibt: – Befeuchtung einer Anode (3) in der Brennstoffzelle mit einem Wassermassenstrom, der berechnet wird, indem das Volumen des Wassers, das mit den Ladungen zur Seite einer Kathode (4) wandert, und das Volumen des Wassers, das zusammen mit dem ausgestoßenen Gas abgeführt wird, addiert wird, und indem weiterhin das Volumen des Wassers, das aufgrund der Temperaturdifferenz zwischen der Anode und der Kathode zu der Seite der Anode durchdringt, abgezogen wird; und – Befeuchtung einer Kathode in einer Menge, die berechnet wird, indem das Volumen des Wassers, das durch eine Reaktion unter Leistungsabgabe gebildet wird, und das Volumen des Wassers, das mit den Ladungen zur Kathodenseite wandert, von dem Volumen des Wassers, das gemeinsam mit dem ausgestoßenen Gas abgeführt wird, abgezogen wird, und weiterhin indem das Volumen des Wassers, das aufgrund der Temperaturdifferenz zwischen der Anode und der Kathode zu der Seite der Anode durchdringt, hinzugezählt wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das physikalische Modell Folgendes berechnet: – Befeuchtung der Anode (3) der Brennstoffzelle auf der Basis des Drucks des gesättigten Wasserdampfs in der Brennstoffzelle, des Drucks auf der Seite der Anode, der Fläche von Elektroden, des Stroms, des Prozentsatzes des Brenngases am ausgestoßenen Gas, der Faraday-Konstante und der Molzahl der Wassermoleküle, die gemeinsam mit einer Ladung wandern; sowie – Befeuchtung der Kathode (4) der Brennstoffzelle auf der Basis des Drucks des gesättigten Wasserdampfes in der Brennstoffzelle, des Drucks auf der Seite der Kathode, der Fläche der Elektroden, des Stroms, des Prozentsatzes des oxidierenden Gases im ausgestoßenen Gas, der Faraday-Konstante und der Molzahl der Wassermoleküle, die gemeinsam mit einer Ladung wandern.
  8. Steuerungssystem zur Steuerung der Befeuchtung einer Brennstoffzelle (1), die dazu verwendet wird, elektrische Energie durch eine Reaktion zwischen einem Brenngas und einem oxidierenden Gas durch Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1-7 zu erzeugen, wobei das Steuerungssystem einen Feuchtigkeitsregler (10) und ein Steuergerät (17) zur Steuerung der Befeuchtung umfasst.
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