Ein Beispiel für derartige Reaktoren sind Brennstoffzellen, bei denen die zugeführten Medien im allgemeinen Wasserstoff oder ein wasserstoffhaltiges Gasgemisch einerseits, Sauer- stoff oder Luft andererseits als Reaktionpartner sowie gege- benenfalls Wasserdampf zum Einstellen eines Feuchtigkeitsgra- des 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 de- finieren sein. Diese Effektivität kann von einer Vielzahl von Parametern abhängen, die mitunter gar nicht oder nur mit ho- hem Aufwand in Echtzeit so simuliert werden können, dass an- hand 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 Pro- zesses variiert, die daraus resultierende Veränderung der Ef- fektivität des Prozesses erfasst und die Veränderung beibe- halten 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 wur- de, 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 Steuervorrich- tung bzw. ein Steuerverfahren anzugeben, das auf einfache Weise eine optimierte Prozessführung in einem Reaktor ermög- licht.

Die Aufgabe wird gelöst durch eine Steuervorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. ein Verfahren mit den Merkma- len des Anspruchs 15. Indem Änderungen der Prozesseffektivi- tät, die nicht die Frequenz der oszillierenden Komponente aufweisen, im Messsignal unberücksichtigt bleiben, können zu- fällige bzw. nicht mit der periodischen Änderung des Steuer- signals zusammenhängende Änderungen der Effektivität wirksam ausgefiltert und ein Zusammenhang zwischen dem mit dem Steu- ersignal gesteuerten Prozessparameter und der Effektivität sicher erfasst werden.

Um eine mit der Frequenz der oszillierenden Komponente des Steuersignals oszillierende Komponente des Messsignals wirk- sam zu isolieren, wird vorzugsweise ein Lock-in-Verstärker eingesetzt.

Der gesteuerte Prozessparameter ist vorzugsweise eine Durch- flussrate. 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 ein- fache Steuerung der Durchflussrate eines Mediums durch das Ventil, indem das Ventil lediglich zwischen einem geschlosse- nen und einem offenen Zustand hin und her geschaltet wird, wobei das Verhältnis der Dauer der beiden Zustände die Durch- flussrate festlegt. Dabei sollte die Schaltperiode des Ven- tils kurz sein im Vergleich zu einer Zeitkonstante, mit der sich die Parameter der Reaktion an eine veränderte Durch- flussrate anpassen, so dass die Pulsation der Durchflussrate nicht zu einer Oszillation der Parameter mit der Schaltperio- de führt.

Bei Verwendung einer Pumpe als Aktor bietet sich eine Modula- tion 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 Os- zillationen des Reaktors durch die oszillierende Komponente des Steuersignals zu vermeiden, sollte die Frequenz der os- zillierenden Komponente des Steuersignals so niedrig sein, dass eine Phasendifferenz zwischen dieser Komponente und ei- ner von ihr verursachten Veränderung der von dem Sensor er- fassten Größe deutlich kleiner als eine Viertelperiode der oszillierenden Komponente ist. Mit anderen Worten, die Fre- quenz der oszillierenden Komponente ist so niedrig, dass der zu einem gegebenen Zeitpunkt erfasste Wert des Messsignals mit guter Näherung als dem gleichzeitig anliegenden Mittel- wert 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 vor- zugsweise 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 An- schlussklemmen aufgeprägt, und die resultierende Spannungsän- derung an den Klemmen wird von dem Sensor erfasst. Um die Einflüsse der oszillierenden Komponente des Steuersignals und des periodischen Laststroms auf die erfasste Spannung vonein- ander unterscheiden zu können, ist es sinnvoll, dass die Fre- quenzen 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 er- geben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausfüh- rungsbeispielen mit Bezug auf die beigefügten Figuren. Es zeigen : Fig. 1 ein Blockdiagramm eines Reaktors mit einer Steuervor- richtung 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-Messvor- richtung 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 we- sentlichen aus Wasser, Wasserstoff und Kohlendioxid bestehen- des Gasgemisch umsetzt, das als Brennstoff in einer Brenn- stoffzelle eingesetzt werden kann. Auch die Hintereinander- schaltung 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 Reak- tor 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 fl multipliziert wird. Das resultierende Aus- gangssignal c des Multiplikationsgliedes 6 hat einen Gleich- anteil, der proportional ist zur mit dem Oszillatorsignal b phasengleichen Komponente bei der Frequenz fl des Ausgangs- signals des Tiefpasses 5.

Der Oszillator 7 ist ferner an ein Modulationsglied 8 ange- schlossen, das einem von einem Signalgeber 9 gelieferten Aus- gangssignal d eine spektrale Komponente bei der Frequenz f des Oszillators 7 aufprägt. Das so erhaltene modulierte Steu- ersignal e steuert das Regelventil 2 an, so dass dessen Durchsatz mit der Frequenz fl 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 Tem- peratur mit der Frequenz fl 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 abzutren- nen und einem Nachregeleingang des Signalgebers 9 zuzuführen, so dass dieser den Pegel des an das Modulationsglied 8 gelie- ferten Ausgangssignals d mit einer der Stärke dieses Gleich- anteils f entsprechenden Geschwindigkeit nachregelt. Wenn ein Maximum der Temperatur erreicht ist, ist die Temperatur unab- hängig 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 Effektivi- tät 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 Re- aktor erfassten Größen zu berechnen.

Anstelle des Regelventils 2 kann zum Dosieren des Kraftstoff- stroms auch eine Pumpe eingesetzt werden, deren Durchsatz durch das Steuersignal e gesteuert wird. Dies ist insbesonde- re zweckmäßig, wenn der Kraftstoff kein unter Überdruck ste- hendes Gas, sondern bei Atmosphärendruck gelagerte Flüssig- keit ist.

Die Annahme, dass die Änderung der von dem Sensor 4 zu erfas- senden Größe verzögerungsfrei einer Änderung der Durchfluss- rate folgt, ist selbstverständlich eine Idealisierung, die in der Praxis nicht exakt erfüllbar ist. Indem jedoch die Fre- quenz fi 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 Phasenverzöge- rung deutlich kleiner als s/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 Durchflussra- te beschränkt. Bei einem Reaktor, in dem mehrere Medienströme zu steuern sind, kann die Steuervorrichtung 3 abwechselnd mit Regelventilen für jeden zu optimierenden Medienstrom verbun- den werden, um so den Prozess iterativ zu optimieren. Denkbar ist auch, jedem von mehreren Regelventilen jeweils eine Steu- ervorrichtung 3 zuzuordnen, wobei jede dieser Steuervorrich- tungen eine andere Frequenz fl 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 Prozessopti- mierung sein, diesen Innenwiderstand möglichst klein zu ma- chen. Der Innenwiderstand einer Brennstoffzelle ist unter an- derem 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 Um- setzung 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 Betriebsmit- tel der Brennstoffzellen des Stapels vorgesehen sein können.

Jedem einzelnen Regelventil 2 kann eine eigene Steuervorrich- tung 3 zugeordnet sein, oder eine oder mehrere Regelvorrich- tungen 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 Innenwider- standes einer der Brennstoffzellen 11 ; er ist mit zwei elekt- rischen Anschlussklemmen der Brennstoffzelle verbunden, um einerseits die daran anliegende Spannung abzugreifen und an- dererseits einen mit einer Frequenz f2 modulierten Strom auf- zuprägen, wobei die Frequenz fz 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 gelie- ferte 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 Gleichan- teil f abgefiltert, der für die Stärke einer Komponente mit der Frequenz fi im Ausgangssignal des Sensors 4 repräsentativ ist. Dieses Gleichanteilsignal f wird in einer Logikschaltung 13 in Abhängigkeit von diversen externen Faktoren einer Kor- rektur bzw. Plausibilitätskontrolle unterzogen. So kann die Logikschaltung 13 insbesondere dazu dienen, das Ausgangs- signal f des Tiefpassfilters 10 für eine festgelegte Zeit- spanne auf 0 zu setzen und so die Nachregelung durch den Sig- nalgeber 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 Steuersig- nal e ein Rechtecksignal mit einer Frequenz f3 » fl 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, wo- bei 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 Wei- se 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 Rechteck- signal mit einem Tastverhältnis von 50 % oder ein Sinussignal handeln. Ein Sinussignal ist bevorzugt, da es keine Ober- schwingungen 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 Brenn- stoffzelle 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 Multiplikations- glied 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 eben- falls digitale Tiefpass 23 sowie einige weitere Komponenten sind gemeinsam in einem digitalen Mikrocontroller 27 reali- siert. Diese weiteren Komponenten umfassen einen Tiefpass 28, eine Logikschaltung 29, einen Signalgeber 30 und ein PWM- Modulationsglied 31, die in ihrer Arbeitsweise den Komponen- ten 12,13, 9,8 aus Fig. 2 entsprechen und daher hier nicht erneut im Detail erläutert werden müssen. Wie man sieht, be- ruht 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 fl, 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.