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Die
Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenanlage mit einer von einem
Betriebsstoffstrom durchströmten
Kathode, wobei der Betriebsstoff wenigstens ein Oxidationsmittel,
insbesondere Luftsauerstoff, aufweist, nach dem Oberbegriff des
Anspruchs 1.
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In
der Anwendung von Brennstoffzellen sind neben Fahrzeugen mit Brennstoffzellenantrieb
oder Auxiliary Power Unit (APU) auf der Basis von Brennstoffzellen
auch stationäre
Brennstoffzellenanlagen in einer Vorstufe zum serienreifen Zustand.
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Heutige
Brennstoffzellensysteme auf der Basis protonenleitfähiger Membranen
oder sauerstoffleitender Membranen, insbesondere SOFC, verwenden
im Kathodenpfad z.B. Gebläse
bzw. Kompressoren, Massenstromsensoren, Drucksensoren und/oder Druckregelventile,
um die Betriebsbedingungen für
die Brennstoffzelle, insbesondere den Massenstrom sowie den Betriebsdruck,
zu steuern bzw. zu regeln. Bei Niederdrucksystemen, d.h. bei einem
Druck bis ca. 1,5 bar, kann eventuell auf eine Drucksensierung bzw.
Druckregelung verzichtet werden.
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Damit
der Brennstoffzelle in jedem Betriebspunkt ausreichend Sauerstoff
zur Verfügung
steht, muss der Luftmassenstrom mit den oben genannten Komponenten
gemessen und geregelt oder gesteuert werden. Alternativ hierzu kann
z.B. das Gebläse mit
ausreichend großem Überschuss
an Luftförderung
betrieben werden, um eine Unterversorgung der Brennstoffzelleneinheit
mit Sauerstoff sicher zu vermeiden. Hierbei sinkt jedoch der Gesamt-Wirkungsgrad
der Brennstoffzelleneinheit.
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Die
in einem gängigen,
sogenannten Brennstoffzellenstack hintereinander angeordneten Einzelzellen
liefern durch die zunehmende Abreicherung an Sauerstoff je Zelle
immer weniger Spannung. Aus diesem Grund wird das System immer überstöchiometrisch
betrieben, um auch die hintersten Einzelzellen des Brennstoffzellenstacks
ausreichend mit Sauerstoff zu versorgen. Im Allgemeinen werden heutige Brennstoffzellensysteme
dementsprechend mit einem Überschuss
an Sauerstoff auf der Kathodenseite betrieben. Dies erfolgt insbesondere
mittels der Erfassung der erzeugten Spannung und/oder des erzeugten
elektrischen Stroms, mit Hilfe von Massenstromsensoren, Drucksensoren
sowie in manchen Ausführungen
in einer elektrischen Kontrolleinheit hinterlegten Strom/Spannungskennlinien,
mathematischen Modellen des Systems, etc..
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Der
Betrieb des Brennstoffzellensystems mit einem Überschuss an Sauerstoff auf
der Kathodenseite ist vergleichsweise aufwändig und ungenau oder im Wirkungsgrad
nicht optimal.
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Aufgabe und Vorteile der
Erfindung:
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Aufgabe
der Erfindung ist es demgegenüber, eine
weniger aufwändige
Brennstoffzellenanlage mit einer von einem Betriebsstoffstrom durchströmten Kathode
vorzuschlagen, wobei der Betriebsstoff wenigstens ein Oxidationsmittel,
insbesondere Luftsauerstoff, aufweist und wobei eine Kathodenkontrolleinheit
zur Kontrolle der Kathodengasversorgung mit dem Oxidationsmittel
vorgesehen ist.
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Diese
Aufgabe wird, ausgehend von einer Brennstoffzellenanlage der einleitend
genannten Art, durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs
1 gelöst.
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Durch
die in den Unteransprüchen
genannten Maßnahmen
sind vorteilhafte Ausführungen
und Weiterbildungen der Erfindung möglich.
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Dementsprechend
zeichnet sich eine erfindungsgemäße Brennstoffzellenanlage
dadurch aus, dass die Kathodenkontrolleinheit wenigstens einen Sauerstoffsensor
zur Ermittlung eines absoluten oder relativen Sauerstoffgehalts
im Betriebsstoffstrom umfasst. Mit Hilfe eines erfindungsgemäßen Sauerstoffsensors
kann der Sauerstoffgehalt direkt im Betriebsstoffstrom ermittelt
und zur Steuerung/Regelung der Brennstoffzellenanlage vorzugsweise
mit Hilfe der Kontrolleinheit verwendet werden. Hierdurch kann eine
deutliche Vereinfachung der Systemkomplexität der Brennstoffzellenanlage
gemäß der Erfindung
erreicht werden.
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Darüber hinaus
kann durch den vollständigen
oder teilweisen Wegfall der bisherigen Sensorik, wie Massenstromsensor,
Drucksensor, Strom/Spannungssensorik, neben der Reduzierung des
konstruktiven Aufwands auch eine deutliche Kostenreduktion erreicht
werden.
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Auch
durch die in manchen Ausführungen verwendete
indirekte Bestimmung der Kathodenversorgung gemäß dem Stand der Technik mit
Hilfe von modellhaften Beschreibungen bzw. entsprechend hinterlegten
Zusammenhängen
werden die hiermit verbundenen Fehler, d.h. die Differenzen zwischen den
Modellen und der Realität,
gemäß der Erfindung in
besonders eleganter Weise beseitigt. Hierdurch kann gemäß der Erfindung
eine im Vergleich zum Stand der Technik deutlich genauere Einstellung
der Kathodengasversorgung erreicht und der Gesamtwirkungsgrad verbessert
werden.
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In
alternativen Ausführungsformen
oder auch vorteilhaft kombiniert kann der Sauerstoffsensor in Strömungsrichtung
des Betriebstoffstroms vor und/oder hinter der Kathode angeordnet
werden oder im Stack integriert werden. Gegebenenfalls kann der konkrete
Einbauort von den vorhandenen Platzverhältnissen abhängig gemacht
bzw. an diese angepasst werden.
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Bei
einer Anordnung des erfindungsgemäßen Sauerstoffsensors vor der
Brennstoffzelleneinheit kann bei bekanntem Verbrauch an Oxidationsmittel
der Kathode die Sauerstoffversorgung der Kathode sicher gewährleistet
werden. Vorzugsweise ist der Sauerstoffsensor hinter der Kathode
angeordnet, so dass sich die Kontrolle bzw. Regelung der Brennstoffzellenanlage
besonders stark vereinfacht, da hierbei in vorteilhafter Weise der
Restsauerstoffgehalt der Kathode direkt ermittelbar ist und hieraus eine
Unter- oder Überversorgung
besonders einfach feststellbar ist. Auf Abschätzungen bzw. Modelle des aktuellen
und/oder des benötigten
Sauerstoffbedarfs der Kathode kann hierbei gegebenenfalls vollständig verzichtet
werden. Bei dieser Variante der Erfindung können z.B. eine Erhöhung oder
eine Verringerung der Sauerstoffzufuhr zur Kathode, abhängig vom
ermittelten Restsauerstoffgehalt besonders einfach veranlasst werden.
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In
einer besonderen Weiterbildung der Erfindung ist der Sauerstoffsensor
als Lambdasonde ausgebildet. Entsprechende Lambdasonden sind bereits handelsüblich, so
dass eine besonders wirtschaftlich günstige Umsetzung der Erfindung
erreichbar ist. Beispielsweise können
sogenannte Breitbandlambdasonden zur Ermittlung des Restsauerstoffgehaltes der
Kathodenabluft eingesetzt werden.
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Vorzugsweise
ist der Sauerstoffgehalt als Führungsgröße für die Kontrolleinheit
vorgesehen. Zum Beispiel wird ein vorgegebener Wert als Sollgröße des Sauerstoffgehaltes
in der Kontrolleinheit z.B. als Funktion der Last hinterlegt und
mit dem vom Sauerstoffsensor erfassten Ist-Wert verglichen. Besteht
zwischen diesen beiden Größen eine
Differenz, so wird abhängig
von der gemessenen Differenz ein Vorgang bzw. eine Änderung
von Systemparametern eingeleitet, die die beiden Größen im Wesentlichen wieder
in Übereinstimmung
bringen sollen.
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Neben
dem absoluten oder relativen Sauerstoffgehalt kann als Führungsgröße ein weiterer Stackparameter
wie z.B. der Betriebsdruck zur Kontrolle der Brennstoffzellenanlage
gemäß der Erfindung
vorgesehen werden. Hierdurch kann für besondere Anwendungsfälle eine
weitere Optimierung der Betriebsweise der Brennstoffzellenanlage
gemäß der Erfindung
erreicht werden.
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Vorteilhafterweise
ist eine Einstellung der Fördermenge
einer Betriebsstofffördervorrichtung abhängig vom
Sauerstoffgehalt des Betriebsstoffs vorgesehen. Durch diese vorteilhafte
Abhängigkeit zwischen
dem Sauerstoffgehalt und der Fördermenge
des Betriebsstoffs ist mit Hilfe der Betriebsstofffördervorrichtung
eine besonders einfache Betriebsweise der Brennstoffzellenanlage
gemäß der Erfindung für unterschiedlichste
bzw. sich verändernde
Betriebszustände
realisierbar.
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Darüber hinaus
sind zum Teil Betriebsstofffördervorrichtungen
bereits in unterschiedlichsten Varianten handelsüblich, so dass auf bereits
vorhandene Komponenten für
die Brennstoffzellenanlage gemäß der Erfindung
zurückgegriffen werden
kann. Dies führt
zu einer wirtschaftlich günstigen
Umsetzung der Erfindung.
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Vorzugsweise
ist wenigstens ein Verdichter, insbesondere ein Gebläse und/oder
ein Kompressor, zur Förderung
des Betriebsstoffs vorgesehen. Entsprechende Verdichter können relativ
einfach mit bereits bewährten
Methoden ihre zu fördernde
Menge ändern
und sind in unterschiedlichsten Varianten erhältlich.
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In
einer vorteilhaften Ausführungsform
der Erfindung ist eine Einstellung der Drehzahl des Verdichters
abhängig
vom Sauerstoffgehalt des Betriebsstoffs vorgesehen. Die Einstellung
der Drehzahl zur Veränderung
der Fördermenge
bei einem Verdichter wie einem Gebläse und/oder einem Kompressor
führt zu
einer besonders einfachen und genauen Einstellung der Sauerstoffversorgung
der Kathode. Hierdurch kann eine vorteilhafte Betriebsweise der Brennstoffzelleneinheit
realisiert und zugleich insbesondere der Wirkungsgrad des Systems
optimiert werden.
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Grundsätzlich kann
gemäß der Erfindung aufgrund
der Ermittlung des Sauerstoffgehalts mit Hilfe des vorteilhaften
Sauerstoffsensors eine Optimierung des Gesamtwirkungsgrades des
Systems erreicht werden. Beispielsweise kann durch die verbesserte
Einstellung der Kathodengasversorgung der Betrieb von entsprechenden
Verdichterkomponenten optimiert und eine Verringerung sogenannter parasitärer Verluste
im System erreicht werden. Beispielsweise kann die Gebläseleistung
auf ein tatsächlich
erforderliches Mindestmaß in
besonders einfacher Weise abgesenkt werden.
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Die
Absenkung der Kathodengasmenge auf das erforderliche Mindestmaß kann in
vorteilhafter Weise auch dazu führen,
dass die Menge an zu befeuchtendem Kathodengas verringert und somit
weniger Energie und/oder Wasser zur Befeuchtung der Kathode notwendig
ist. Dementsprechend wird sich der Eigenbedarf des Systems an Energie
und/oder Wasser zusätzlich
senken, was sich wiederum in einer Erhöhung des Gesamtwirkungsgrads
des Systems äußert.
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Weiterhin
kann durch die Reduktion der Leistung des Verdichters bzw. des Gebläses und/oder des
Kompressors eine Absenkung des Geräuschpegels entsprechender Komponenten
bzw. des Systems erreicht werden. Dies verbessert die Akzeptanz bei
Anwendern für
eine Brennstoffzellenanlage gemäß der Erfindung.
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Generell
kann durch die verbesserte, insbesondere exaktere Einstellung der
Kathodengasversorgung die ausreichende Sauerstoffzufuhr selbst bei
dynamischen Änderungen
des Betriebsdruckes, speziell bei Druckaufbauphasen, bzw. bei Laständerungen
sichergestellt werden. Dies verbessert die Betriebssicherheit des
Systems.
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Ausführungsbeispiel:
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Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird anhand der
einzigen Figur nachfolgend näher
erläutert.
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In 1 ist
schematisch eine Brennstoffzellenanlage gemäß der Erfindung dargestellt.
Die Brennstoffzellenanlage umfasst einen Brennstoffzellenstack 1,
der aus einer nicht näher
dargestellten Vielzahl an einzelnen Brennstoffzellen besteht.
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Der
Brennstoffzellenstack 1 weist eine sehr schematisch dargestellte
Anode 2, Kathode 3 und Membran 4 auf.
An Endplatten 5 dieses so aufgebauten Brennstoffzellenstacks 1 wird
die Spannung, die zum Betrieb eines elektrischen Verbrauchs, z.B.
Motors benötigt
wird, abgegriffen.
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Zur
Versorgung des Brennstoffzellenstacks 1 weist die Brennstoffzellenanlage
eine Anoden- bzw. Brennstoffversorgung 6 und eine Kathoden-
bzw. Sauerstoffversorgung 7 auf. Die Brennstoffversorgung 6 wird
mit einem ersten Betriebsstoff 8, insbesondere Wasserstoff
oder einem anderen, vorteilhaften Betriebsstoff 8 versorgt.
Mit Hilfe des vorteilhaften Betriebsstoffs 8 kann z.B.
Wasserstoff „On-Board" erzeugt werden,
insbesondere mittels Reformierung von Kohlenwasserstoffen, wie Benzin,
Diesel oder dergleichen. Bei der Wasserstofferzeugung on-board wird
der Wasserstoff 8 optional in einem Speicher 9 zwischengespeichert,
insbesondere unter einem Überdruck,
und dem Brennstoffzellenstack 1 unter Verwendung eines
Druckregelventils 10 und/oder eines Drucksensors 11 anodenseitig
zugeführt.
Für den
direkten Betrieb des Brennstoffzellensystems mit Wasserstoff stellt
der Speicher 9 den Hauptspeicher (Tank) für Wasserstoff
dar. In Strömungsrichtung
des Wasserstoffs 8 hinter der Anode ist ein Spülventil 12 angeordnet.
Ohne nähere
Darstellung sind bereits Systeme bekannt, die eine Kreislaufführung des
Anodenrestgases aufweisen.
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Die
Sauerstoffversorgung 7 wird mit einem zweiten Betriebsstoff 13,
insbesondere Luftsauerstoff 13, unter Verwendung eines
Verdichters 14 versorgt. Der Verdichter 14 kann
beispielsweise als Gebläse, insbesondere
für Niederdrucksysteme,
und/oder als Kompressor, insbesondere für Systeme mit erhöhtem Betriebsdruck,
ausgebildet werden. Weiterhin umfasst die Sauerstoffversorgung 7 optional
einen Drucksensor 15, insbesondere bei Systemen mit erhöhtem Betriebsdruck.
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In
Strömungsrichtung
der Luft 13 hinter der Kathode 3 ist am Kathodenauslass
ein Sauerstoffsensor 16 bzw. eine Lambdasonde 16 und
optional ein Druckregelventil 17 angeordnet.
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Aus
Gründen
der Übersichtlichkeit
wurde auf einzelne Komponenten, wie die Befeuchtung der Betriebsstoffströme 8, 13 oder
die optional vorzusehende Reformierung, einschließlich entsprechender
Reinigungsstufen, verzichtet. Diese Komponenten einer Brennstoffzellenanlage
sind bereits in vielfältigsten Varianten
als Stand der Technik bekannt.
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Für eine Brennstoffzellenleistung
P_el wird eine entsprechende Menge Sauerstoff M_O2 als
Kathodengas 13 benötigt.
In dem Fall, bei dem genau diese Menge an Sauerstoff der Kathode 3 zugeführt wird,
wird dieser vollständig
zu Wasser H2O umgesetzt. Da die Strom/Spannungskennlinie
der Brennstoffzelle vom Partialdruck des Sauerstoffs abhängt, würden die
im Brennstoffzellenstack 1 hintereinander angeordneten
einzelnen Brennstoffzellen durch die zunehmende Abreicherung an
Sauerstoff O2 immer weniger Spannung liefern.
Aus diesem Grund werden entsprechende Systeme im Allgemeinen immer überstöchiometrisch
betrieben, d.h. man bietet Luftmengen mit beispielsweise dem 1,5fachen
der eigentlich benötigten
Sauerstoffmenge M_O2 an, um auch die hintersten
bzw. die in Strömungsrichtung letzten
Brennstoffzellen ausreichend mit Sauerstoff O2 zu
versorgen.
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Bringt
man nun am Kathodengasauslass einen Sauerstoffsensor 16 gemäß der Erfindung
an, der den absoluten oder relativen prozentualen Anteil von Sauerstoff
in der Abluft bzw. dem Restgas misst, so ist der genaue Restsauerstoffanteil
bekannt. Dieser Restsauerstoffanteil lässt sich als λ ausdrücken (λ = 2 beispielsweise
10 % Sauerstoffgehalt des Kathodenabgases, bei λ = 1,5 ca. 7 % und bei λ = 1,25 ca.
4 %). Hierbei gibt λ bei
Oxidationsvorgängen
das Verhältnis
der tatsächlich
für die
Oxidation vorhandenen Luftmenge zur Mindestluftmenge an. Die Mindestluftmenge
hängt dabei
in direkter Form vom Strom ab, den die Brennstoffzelle liefert.
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Zahlenwerte
kleiner 1 zeigen Luftmangel und Zahlenwerte größer 1 Luftüberschuss an. Ist ein bestimmter,
definierter Luftüberschuss
hinter der Kathode 3 vorhanden, so ist in eleganter Weise
für alle denkbaren
Betriebssituationen sichergestellt, dass die Kathode ausreichend
mit Sauerstoff versorgt ist.
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Der
Sauerstoffgehalt der Kathodenabluft kann z.B. mit einer sogenannten
Breitbandlambdasonde gemessen werden. Dieser Sauerstoffgehalt wird
in vorteilhafter Weise in der Regelung des Brennstoffzellensystems
verwendet. Falls der Sauerstoffanteil zu groß ist, wird beispielsweise
die Drehzahl des Verdichters 14 abgesenkt. Falls er zu
klein ist, wird die Drehzahl angehoben, z.B. durch Veränderung
der mittleren Spannung über
geänderte
Taktungen. Die Veränderung
der Drehzahl muss hierbei nicht über
einen Verdichterdrehzahlsensor gemessen werden, sondern kann beispielsweise
in vorteilhafter Weise solange verändert werden, bis das gewünschte Sauerstoffverhältnis hinter
der Kathode 3 vorhanden ist bzw. mit dem Sensor 16 gemessen wird.
Hiermit kann auch bei dynamischen Änderungen, wie einem Lastwechsel
der Brennstoffzelle 1 von z.B. 10 % auf 90 % der Maximalleistung,
die Verdichterdrehzahl anhand des Restsauerstoffanteils vorteilhaft
eingeregelt werden.
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Falls
für bestimmte
Anwendungsfälle
im Wesentlichen gleichzeitig zur Lasterhöhung aus Gründen des Wirkungsgrades der
Betriebsdruck der Brennstoffzelle 1 angehoben wird, insbesondere über die
Druckregelventile 11, 15, besteht beim Stand der
Technik häufig
die Gefahr einer Abreicherungsphase. Hier kann gemäß der Erfindung
sehr einfach, neben der Größe Druck,
die Größe Restsauerstoffanteil
als Führungsgröße für das Brennstoffzellensystem
verwendet werden. Der Restsauerstoffanteil muss dann in der Regelung
nicht mehr über
Modelle, wie dies beim Stand der Technik der Fall ist, abgeschätzt werden.
Hierbei sollten beispielsweise die Degradation oder sonstige Störungen des
Brennstoffzellenstacks 1 modellhaft abgeschätzt werden. Dies
führt beim
Stand der Technik häufig
zu fehlerhaften Modellaussagen und entsprechend ungenauen bzw. fehlerbehafteten
Regelungen.
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Bei
Kenntnis des genauen Restsauerstoffanteils gemäß der Erfindung kann auch der
Sauerstoffüberschuss
so weit abgesenkt werden, bis eine Leistungsverringerung des Brennstoffzellenstacks 1 erkennbar
wird, z.B. aus Unterschreitung von Schwellenwerten der Brennstoffzellenspannung.
Dies kann in besonderen Anwendungen von vorteilhaften Bordnetzkomponenten
erkannt werden. Hiermit wird eine Geräuschabsenkung und eine Absenkung
des Leistungsbedarfs des Gebläses
bzw. Verdichter 14 erreicht, was zudem den Gesamt-Systemwirkungsgrad erhöht.
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In 1 ist
ein Niederdrucksystem, Systemdruck der Anode und Kathode ca. 1 bis
1,3 bar dargestellt. Gestrichelt sind auf der Kathodenseite Drucksensor 15 und
Druckregelventil 17 eingezeichnet, die insbesondere für Systeme
mit erhöhtem
Betriebsdruck vorzusehen sind.
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Die
Genauigkeit der Restsauerstoffanteilsensierung ist entscheidend
für die
Regelgenauigkeit. Auflösungen
von 1 bis 2 % Sauerstoffgehalt, wie sie z.B. von einer Lambdasonde 16 erbracht
werden, sind völlig
ausreichend. Die Lambdasonde 16 besteht im Allgemeinen
aus einem gasundurchlässigen becherförmigen Keramikkörper aus
Zirkoniumdioxid, der innen und außen mit einer dünnen Schicht
von Platin versehen ist. Ein Teil der Lambdasonde 16 steht
mit der Außenluft
in Verbindung, der andere wird vom Kathodengas 13 umfüllt. Das
Keramikmaterial wird bei etwa 300° C
für Sauerstoffionen
leitend. Ist der Sauerstoffanteil auf beiden Seiten der Lambdasonde
verschieden groß,
so entsteht zwischen den beiden Grenzflächen der Lambdasonde 16 eine
elektrische Spannung, die ein Maß für den Restsauerstoffgehalt
ist. Die elektrische Spannung wird in einem elektronischen Steuergerät bzw. der
Kontrolleinheit verarbeitet und zur Einregelung des Systems auf das
gewünschte
Luftverhältnis
genutzt. Um die Mindestbetriebstemperatur, ca. 300° C, nach
dem Kaltstart und bei niedrigen Gastemperaturen schnell zu erreichen,
werden Lambdasonden 16 im Allgemeinen elektrisch beheizt.
Die optimale Betriebstemperatur der Lambdasonde 16 beträgt etwa
600° C.
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Die
relativ niedrigen Abgastemperaturen in PEM-Brennstoffzellen von ca. 100° C erfordern
daher vorzugsweise eine kontinuierliche, insbesondere elektrische
Beheizung der Lambda-Sonde, während die
Abgastemperaturen in Hochtemperatur-Brennstoffzellen (z.B. SOFC)
unter Umständen
keine Heizung erfordern.