DE10109151B4 - Verfahren und System zur Regelung der Ausgangsgrößen eines Brennstoffzellen-Strom- oder -Spannungsgenerators - Google Patents

Verfahren und System zur Regelung der Ausgangsgrößen eines Brennstoffzellen-Strom- oder -Spannungsgenerators Download PDF

Info

Publication number
DE10109151B4
DE10109151B4 DE10109151A DE10109151A DE10109151B4 DE 10109151 B4 DE10109151 B4 DE 10109151B4 DE 10109151 A DE10109151 A DE 10109151A DE 10109151 A DE10109151 A DE 10109151A DE 10109151 B4 DE10109151 B4 DE 10109151B4
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
fuel cell
current
output
supplied
controller
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
DE10109151A
Other languages
English (en)
Other versions
DE10109151A1 (de
Inventor
Joachim Kowitz
Rainer Hollnagel
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
FLEXIVA AUTOMATION & ROBOTIK GMBH, 09439 AMTSBERG,
Original Assignee
Flexiva Automation & Robotik G
Flexiva Automation & Robotik GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Flexiva Automation & Robotik G, Flexiva Automation & Robotik GmbH filed Critical Flexiva Automation & Robotik G
Priority to DE10109151A priority Critical patent/DE10109151B4/de
Publication of DE10109151A1 publication Critical patent/DE10109151A1/de
Application granted granted Critical
Publication of DE10109151B4 publication Critical patent/DE10109151B4/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Fee Related legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M3/00—Conversion of dc power input into dc power output
    • H02M3/02—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac
    • H02M3/04—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters
    • H02M3/10—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M3/145—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M3/155—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
    • H02M3/156—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04858—Electric variables
    • H01M8/04865—Voltage
    • H01M8/0488—Voltage of fuel cell stacks
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04858—Electric variables
    • H01M8/04865—Voltage
    • H01M8/04888—Voltage of auxiliary devices, e.g. batteries, capacitors
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04858—Electric variables
    • H01M8/04895—Current
    • H01M8/0491—Current of fuel cell stacks
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04858—Electric variables
    • H01M8/04895—Current
    • H01M8/04917—Current of auxiliary devices, e.g. batteries, capacitors
    • 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

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

System zur Regelung der Ausgangsgrößen eines Brennstoffzellen-Strom- oder -Spannungsgenerators, das zumindest eine Brennstoffzelle, die einen Ausgangsgleichstrom erzeugt, umfasst und einen Abgabestrom erzeugt, der einem elektrischen Verbraucher zugeführt wird, wobei das System eine Regel-Einrichtung zur Regelung von Ausgangsstrom (Ia) und Ausgangsspannung (Ua) aufweist, der den maximalen Ausgangsgleichstrom (Imax), der durch die Brennstoffzelle geliefert wird, in Abhängigkeit der Betriebsparameter der Brennstoffzelle regelt und sowie die Ausgangsspannung des durch die Brennstoffzelle gelieferten Ausgangsgleichstroms bis zum Erreichen der Stromgrenze konstant hält und die Ausgangsspannung beim Erreichen der Stromgrenze senkt, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur Regelung ein DC/DC-Regler ist und die Brennstoffzelle mit dem DC/DC-Regler und dieser mit dem Verbraucher in Reihe geschaltet ist, wobei die maximale Änderungsrate (di/dt) des von der Brennstoffzelle gelieferten Ausgangsgleichstroms (Imax) auf einen Wert zwischen einen Maximalwert und Null begrenzt.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein System zur Regelung der Ausgangsgrößen eines Brennstoffzellen-Strom- oder -Spannungsgenerators.
  • Brennstoffzellen ermöglichen die direkte Erzeugung von elektrischer Energie aus Wasserstoff und Sauerstoff mit einem erheblich besseren Wirkungsgrad und deutlich geringeren Schadstoffemissionen als herkömmliche Energieerzeuger. Die heute überwiegend verwendeten PEM-Brennstoffzellen sind für sich allein nicht betreibbar. Daher werden ein PEM-Brennstoffzellenblock, ein Betriebsteil und eine zugeordnete Modulelektronik zu einem PEM-Brennstoffzellen-Modul zusammengefaßt. Im Betriebsteil sind die Einrichtungen für die Versorgung mit Wasserstoff und Luft, für die Produktwasserabfuhr, für die Verlustwärmeabfuhr, für die Befeuchtung der Recktanten und für die Separation der Gasverunreinigungen zusammengefaßt.
  • Beim Betrieb einer solchen Anlage ist allerdings die notwendige Dynamik für kurzzeitige und schnelle Laständerungen problematisch. Insbesondere beim Einsatz in Kraftfahrzeugen muß das Brennstoffzellensystem unmittelbar auf schnelle Belastungswechsel reagieren. Dabei muß es bei einer Geschwindigkeit des Fahrzeuges von 30 km/h ebenso wie von 150 km/h sowohl in der Ebene als auch bei Steigungen die notwendige Leistung abgeben.
  • Zur Anpassung der Leistung zwischen einer Brennstoffzelle und einer Last, d. h. einem elektrischen Verbraucher wie beispielsweise einem Kraftfahrzeugmotor, sind verschiedene Regelverfahren bekannt. Diese beruhen zum einen auf einem, die Brennstoffzelle speziell betreffenden Parameter auf dessen Grundlage die momentan verfügbare bzw. zulässige Leistung der Brennstoffzelle berechnet wird. Zum anderen wird eine Regelung der Ausgangsspannung bzw. des Ausgangsstroms vorgenommen, die allerdings nur auf Strom- bzw. Spannungs- und Strommessungen gestützt ist.
  • Beispielsweise beschreibt DE 44 40 357 A1 Gasverknappungsschutzschaltung für eine Brennstoffzellen-Energieerzeugungsanlage. Diese enthält neben der Gasverknappungsschutzeinheit eine Brennstoffzelle, einen Wechselrichter, eine Konstantspannungsregelschaltung und einen Überstrombegrenzer. Die Schutzeinheit enthält einen Berechnungsabschnitt zum Berechnen eines zulässigen Überstromwertes. Dieser wird auf der Grundlage eines Brennstoffnutzkoeffizienten und eines Ausgangsstroms der Brennstoffzelle berechnet. Ein Ansprechgeschwindigkeitssteuerteil beseitigt eine Übergangsschwankung des zulässigen Überstromwertes und gibt ein Überstromwertsignal aus. Die Überstrombegrenzungseinheit gibt an die Konstantspannungsregelschaltung ein Signal, welches den Überstrom unterdrückt, wenn der Ausgangsstrom der Brennstoffzelle den voreingestellten Überstromwert übersteigt.
  • DE 196 20 458 A1 joffenbart einen Brennstoffzellen-Leistungsgenerator mit einem Abgabesystem zum Verhindern einer Verschlechterung des Brennstoffzellenverhaltens aufgrund eines Brennstoffmangels. Dazu weist der Generator ein Abgabesteuersystem auf, der einen Ausgangssteuerungsregler zur Steuerung der Ausgangsleistung eines Wechselrichters so gut wie möglich auf einen Stromwert, der dem Ausgangsleistungs-Sollwert entspricht, eine Wechselrichter-Steuereinrichtung und einen Ausgangskorrekturabschnitt enthält. Der Ausgangskorrekturabschnitt enthält eine Berechnungseinheit zur Berechnung des maximal zur Verfügung stehenden Ausgangsleistungswertes der Brennstoffzelle auf der Basis der erfaßten Strömungsrate des in die Brennstoffzelle strömenden Gases oder des aus der Brennstoffzelle ausströmenden Brennstoffabgases, eine Minimalwert-Einrichtung zur Auswahl des niedrigeren Wertes aus dem berechneten, maximal verfügbaren Ausgangsleistungswert oder dem Ausgangsleistungs-Sollwert, und einen Ausgangskorrekturregler für die Speisung des Ausgangssteuerungs-Reglers mit einem Signal zur Korrektur des Ausgangsleistungs-Sollwertes, damit der erfaßte Ausgangsstrom der Brennstoffzelle so gut wie möglich auf den Stromwert gesteuert wird, der dem von der Minimalwert-Wähleinrichtung abgegebenen Stromwert entspricht.
  • Nachteil dieser und weiterer vergleichbarer Lösungen ist es, daß die Anpassung der von der Brennstoffzelle abgegebenen Leistung nur auf einer Prozeßgröße, auch wenn es sich dabei um eine für die in der Brennstoffzelle ablaufenden Vorgänge wesentliche Prozeßgröße handelt, oder nur einer Strom/Spannungsmessung beruht. Dies ist jedoch für eine optimale Leistungsanpassung nicht ausreichend, da für eine sichere Betriebsweise aufgrund der komplexen Abläufe in dem Brennstoffzellensystem eine Beschränkung auf die Messung eines einzelnen Parameters nicht ausreichend ist. Als Prozeßgrößen werden entweder nur der Massenstrom der Reaktionsluft oder die Volumenströme des Brenngases und/oder des Abgases herangezogen.
  • Ein weiterer Nachteil dieser Lösungen besteht darin, daß erst nach einer bestimmten Reaktionszeit plötzlich auftretende Lastsprünge ausgeregelt werden, um so der Gefahr einer Gasverknappung zu begegnen. Das hat jedoch zur Folge, daß eine zumindest kurzzeitige Leistungseinschränkung zum Verbraucher hin erfolgt.
  • Aus DE 198 10 467 C1 ist eine Schaltvorrichtung für Brennstoffzellen-Fahrzeuge bekannt, bei der zwei separate Stromkreise zur wahlweisen Verbindung des Fahrmotors und der elektrischen Nebenverbraucher mit der Brennstoffzelle oder dem Energiespeicher und eine schaltbare Verbindungsleitung zwischen der Brennstoffzelle und dem Energiespeicher vorgesehen sind. Durch die Verwendung von DC/DC-Wandlern in den Verbindungsleitungen ist auch bei Fahrzeugstillstand ein Laden des Energiespeichers unabhängig von der Spannungslage oder dem Lastzustand der Brennstoffzelle möglich. Zur Steuerung der Schaltvorrichtungen ist ein Steuergerät vorgesehen, das als Eingangsdaten eine Vielzahl von Informationen, z. B. Spannungslage oder Lastzustand der Brennstoffzelle, Energiebedarf der Nebenverbraucher, verarbeitet. In dieser Schrift geht es also nur um schaltbare Wirkpaarungen aus diesen Komponenten bezogen auf die Anforderungssituation des Fahrbetriebes.
  • Weiterhin ist aus DE 198 10 468 A1 die Schaltungsanordnung zur elektrischen Energieversorgung eines Netzes zu entnehmen, welche eine Brennstoffzelle sowie eine Energiespeichervorrichtung aufweist. Der DC/DC-Wandler unterscheidet dabei z. B. automatisch den Nennbetrieb vom Startbetrieb. So wird überprüft, ob die Brennstoffzellen-Spannung die DC/DC-Ausgangsspannung überschreitet. Die Schrift enthält allerdings keinerlei Angaben zum Verhalten der Ströme und Spannungen bzw. deren Begrenzungen im System der verknüpften Kernkomponenten. Zudem wird keine automatische Umkehr des Energieflusses im Betriebsspannungsbereich wie in unten stehender Erfindung beschrieben.
  • Schließlich ist in DE 197 37 406 A1 ein Brennstoffzellen-System beschrieben, das eine Brennstoffzelle, eine Speicherbatterie und einen elektrischen Verbraucher umfasst, wobei eine Steuereinheit die Steuerung des Energieflusses der Brennstoffzelle in Abhängigkeit ihres Betriebszustandes übernimmt. Allerdings hat in dieser Offenbarung der DC/DC-Wandler keine Auswirkungen auf das Verhalten der Kernkomponenten.
  • Es ist daher Ziel der vorliegenden Erfindung, die oben beschriebenen Nachteile des Standes der Technik zu überwinden. Dabei steht die Aufgabe, eine Lösung zu finden, die eine bessere Leistungsanpassung zwischen dem Ausgang einer Brennstoffzelle und einer Last ermöglicht, wobei Leistungseinschränkungen aufgrund plötzlicher Lastsprünge minimiert oder beseitigt werden sollen.
  • Erfindungsgemäß wird dies durch ein System zur Regelung der Ausgangsgrößen eines Brennstoffzellen-Strom- oder -Spannungsgenerators mittels der im kennzeichnenden Teil wiedergegebenen Merkmale gelöst. Somit wird – unter Bezugnahme auf 1 – ein System erhalten, das zumindest eine Brennstoffzelle, die einen Ausgangsgleichstrom erzeugt, umfaßt und einen Abgabestrom erzeugt, der einem elektrischen Verbraucher zugeführt wird, wobei das System einen DC/DC-Regler zur Regelung von Ausgangsstrom (Ia) und Ausgangsspannung (Ua) aufweist, der den maximalen Ausgangsgleichstrom (Imax), der durch die Brennstoffzelle geliefert wird, in Abhängigkeit der Betriebsparameter der Brennstoffzelte regelt, die maximale Änderungsrate (di/dt) des von der Brennstoffzelle gelieferten Ausgangsgleichstroms auf einen Wert zwischen ei nen Maximalwert und Null begrenzt, die Ausgangsspannung des durch die Brennstoffzelle gelieferten Ausgangsgleichstroms bis zum Erreichen der Stromgrenze konstant hält und die Ausgangsspannung beim Erreichen der Stromgrenze senkt.
  • Mittels dieses Systems können die wesentlichen Betriebsparameter der Brennstoffzelle bei der Regelung des Ausgangsstroms und der Ausgangsspannung berücksichtigt werden, so daß eine optimale Anpassung an die Eigenschaften der Brennstoffzelle möglich ist. Wesentliche Betriebsparameter sind unter anderem die Temperatur, die Reaktionszeiten, die Feuchte und der Druck, das heißt, mittels des erfindungsgemäßen Systems wird der Maximalstrom in Abhängigkeit dieser Parameter geregelt.
  • Durch die Begrenzung der maximalen Änderungsrate di/dt des Brennstoffzellenstromes zwischen einem Maximalwert und Null wird weiterhin eine Zeitabhängigkeit des Brennstoffzellenstroms realisiert. Die Strombegrenzung wird so durch eine variable Stromanstiegsbegrenzung ergänzt, was das Brennstoffzellensystem bei maximaler Leistungsabgabe optimal schützt. Dabei erfolgt die Begrenzung für Anstieg und Abfall getrennt.
  • Die Spannung am Ausgang Ua wird mittels des DC/DC-Reglers bis zum Erreichen der Strombegrenzung konstant gehalten. Mit Erreichen der Stromgrenze wird diese gesenkt.
  • Vorzugsweise umfaßt das System weiterhin ein Puffersystem, das dem DC/DC-Regler nachgeschaltet ist, so daß bei Lastanforderungen, die höher als die von der Brennstoffzelle momentan lieferbare Energie sind, der Differenzbetrag durch Spannungsabsenkung aus dem Puffersystem geliefert wird. Das Puffersystem sollte parallel zum elektrischen Verbraucher geschaltet sein. Bei der Verwendung eines solchen Energiepuffers stellt sich Ua entsprechend der Charakterisitk des Puffersystems ein, wobei die Summe aus Ia und Ipuff den Strombedarf last des elektrischen Verbrauches (Last) decken.
  • Vorzugsweise wird das Puffersystem mit von der Brennstoffzelle gelieferter Ausgangsspannung (Ua) im Teillastbetrieb der Brennstoffzelle regeneriert. Um einen Rückstrom in die Brennstoffzelle zu verhindern, sollte der DC/DC-Regler eine Rückstromsperre aufweisen.
  • Gegebenenfalls sollte mittels des DC/DC-Reglers eine Verzögerungszeit (tv) einstellbar sein. Diese Verzögerungszeit entspricht der notwendigen Reaktionszeit der Brennstoffzelle auf eine erhöhte Lastanforderung.
  • Das dargestellte System ist selbstverständlich nicht nur für eine einzelne Brennstoffzelle, sondern auch für mehrere Brennstoffzellen verwendbar, die parallel geschaltet sind.
  • Das erfindungsgemäße System bietet somit mehrere Vorteile. Aufgrund der komplexen Berücksichtigung aller relevanten Betriebsparameter ist eine optimale und sichere Leistungsanpassung zwischen dem Ausgang einer Brennstoffzelle und einem elektrischen Verbraucher möglich. Bei der Einbeziehung eines Energiepuffers können plötzlich auftretende Lastspitzen, die durch die Brennstoffzelle selbst nicht sofort ausgeglichen werden können, kompensiert werden. Ist die Lastanforderung größer als die von der Brennstoffzelle momentan lieferbare Energie, kann der Differenzbetrag automatisch durch Spannungsabsenkung aus dem Puffer ohne Rückwirkung auf die Brennstoffzelle bezogen werden. Überdies besteht die Möglichkeit der Energierückgewinnung aus generatorischem Betrieb, wenn elektromotorische Antriebe plötzlich abgebremst werden. Ein Rückstrom in die Brennstoffzelle wird durch die Rückstromsperre (z.B. Diode) verhindert.
  • Überdies kann der Energiepuffer die zum Start der Brennstoffzelle benötigte Energie bereitstellen. Treten Fehler innerhalb der Brennstoffzelle oder dem Brennstoffzellen-Management auf, beispielsweise bei der Bereitstellung der Reaktionsmedien, kann eine Einspeisung zeitlich begrenzt aufrechterhalten werden, was aus Sicherheitsgründen notwendig sein kann. Das betrifft bei spielsweise Notfunktionen, geregeltes Herunterfahren bzw. Abschalten von Anlagenteilen oder Geräten oder das Fahren in gefahrlose Endlagen.
  • In dem DC/DC-Regler kann, wenn dies im verfahrenstechnischem Management der Brennstoffzelle nicht vorgesehen ist, eine für den Brennstoffzellentyp und die technischen Parameter der Brennstoffzelle speziell zugeschnittene Kennlinie bzw. ein speziell zugeschnittenes Kennlinienfeld hinterlegt werden. Zur optimalen Anpassung der Kennlinie bzw. zur optimalen Auswahl einer Kennlinie aus hinterlegten Kennlinienfeldern bezüglich des momentanen Betriebsverhaltens der Brennstoffzelle können alle oder ausgewählte verfahrenstechnische Parameter als weitere Eingangsgrößen zur Beeinflussung des Kennlinienanstieges verwendet werden. Die Eingangsgrößen werden dabei durch Auswahlverfahren (Vergleicher) für den sichersten Betrieb der Brennstoffzelle ausgewählt.
  • Bei Überlast, beispielsweise Kurzschluß, oder Fehlfunktionen der Brennstoffzelle kann zum Schutz der Brennstoffzelle bei Unterschreitung eines einstellbaren Minimalwertes Umin eine, durch einen geeigneten Entscheidungsalgorithmus veranlaßte, galvanische und/oder technologische Abschaltung durch Zufuhrunterbrechung der Reaktionsgase erfolgen. Eine derartige Abschaltung durch Auswertung des Kurzschlußstromes ist durch ein geeignetes Speicherglied (Flip-Flop) möglich, da der auftretende Stromimpuls nur für eine Zeitdauer von ca. 2 ms meßbar ist (vgl. DE 40 34 183 A1 , DE 44 40 357 A1 .
  • Der DC/DC-Regler kann als Tiefsetzer (UBZ > Ua) oder als Hochsetzer (UBZ < Ua) fungieren.
  • Das beschriebene System kann im Inselbetrieb zur Erzeugung eines Gleichstrom- und/oder Wechselstromnetzes dienen. Soll das Brennnstoffzellensystem als Konstantspannungs- bzw. Wechselstromgenerator arbeiten, ist die Nachschaltung eines entsprechenden DC/DC-Wandlers bzw. eines Wechselrichters notwendig. Eine Einspeisung des erzeugten Stromes in ein schon vorhandenes Gleich- oder Wechselstromnetz ist somit möglich.
  • Dem erfindungsgemäßen System liegt folgendes Verfahren zur Regelung der Ausgangsgrößen eines Brennstoffzellen-Strom- oder -Spannungsgenerators zugrunde: Mittels eines DC/DC-Reglers werden Ausgangsstrom (Ia) und Ausgangsspannung (Ua) und der maximale Ausgangsgleichstrom (Imax), der durch die Brennstoffzelle geliefert wird, in Abhängigkeit der Betriebsparameter der Brennstoffzelle geregelt, wobei die maximale Änderungsrate (di/dt) des von der Brennstoffzelle gelieferten Ausgangsgleichstroms auf einen Wert zwischen einem Maximalwert und Null begrenzt, die Ausgangsspannung des durch die Brennstoffzelle gelieferten Ausgangsgleichstroms bis zum Erreichen der Stromgrenze konstant gehalten und die Ausgangsspannung beim Erreichen der Stromgrenze gesenkt wird. Das Verfahren kann ein Puffersystem umfassen, daß bei Lastanforderungen, die höher als die von der Brennstoffzelle momentan lieferbare Energie sind, den Differenzbetrag durch Spannungsabsenkung über ein Puffersystem liefert. Dabei sollte das Puffersystem mit von der Brennstoffzelle gelieferter Ausgangsspannung (Ua) regeneriert werden. Ein Rückstrom in die Brennstoffzelle sollte mittels einer im DC/DC-Regler integrierten Rückstromsperre (z.B. Diode) verhindert werden.
  • Vorzugsweise wird eine Verzögerungszeit (tv) eingestellt, die der Reaktionszeit der Brennstoffzelle auf eine erhöhte Lastanforderung entspricht.
  • System und Verfahren der vorliegenden Erfindung sind universell für alle Arten von Brennstoffzellen sowie für die Versorgung einer breiten Verbraucherpalette anwendbar und nicht auf spezielle Anwendungen beschränkt. Sie gewährleisten eine weitestgehend optimale Leistungsanpassung unter Berücksichtigung der Faktoren maximale Leistung bzw. maximaler Strom, Stromanstiegsgeschwindigkeit und Totzeitverhalten ohne Beeinträchtigung der Lastanforderung. Im Normalbetrieb wird der Verbraucher direkt aus der Brennstoffzelle gespeist. Im Falle plötzlicher Leistungsanforderungen kann eine optimale („weiche") Leistungsaufteilung zwischen Brennstoffzelle und Energiespeicher erfolgen. Bei dem Energiespeicher kann es sich beispielsweise um eine Batterie handeln. Das Regelregime ist so gestaltet, daß die Gefahr einer Gasver knappung ausgeschlossen ist, das heißt, daß jederzeit ein Schutz der Brennstoffzelle hinsichtlich Überlast und Fehlfunktionen gewährleistet wird.
  • Damit ist die Erfindung aufgrund ihrer guten Dynamik als Energiequelle für Fahrantriebe geeignet. Bei diesen wie bei den Anwendungen, für die eine toleranzbehaftete Gleichspannung nur eine untergeordnete Rolle spielt, ist eine direkte Anschaltung an das System möglich. Das Regelsystem ist als Blockschaltbild in 1 dargestellt.
  • System und Verfahren werden nachstehend unter Bezug auf die 2 anhand eines Beispiels näher erläutert. 2 zeigt das Verhalten des Systems bei Lastwechsel und dessen Einfluß auf den von der Brennstoffzelle gelieferte Leistung.
  • Bei Zuschaltung eines leistungsstarken Verbrauchers erfolgt ein sprungartiges Anwachsen des Laststromes (von ILast1 auf ILast2). Je nach Typ und Eigenschaften der Brennstoffzelle wird eine Verzögerungszeit am DC/DC-Regler eingestellt, nach deren Ablauf der Ausgangsstrom des DC/DC-Reglers (Ia) mit der vorgegebenen, dem Betriebszustand der Brennstoffzelle entsprechenden Stromanstiegsgeschwindigkeit (VI) bis auf den Wert des Laststromes ansteigt. Während der rampenförmigen Änderung des Ausgangsstromes des DC/DC-Reglers wird die Ausgangsspannung soweit gesenkt, daß nur der zulässige Strom fließen kann. Es wirkt also eine dynamische Strombegrenzung. Bei Verwendung eines nachgeschalteten Energiepuffers stellt sich während der rampenförmigen Änderung des Ausgangsstromes und der damit verbundenen Senkung der Ausgangsspannung am DC/DC-Regler ein gemeinsamer Arbeitspunkt ein, so daß der Laststrom bei geringfügig gesenkter Ausgangsspannung voll fließen kann und sich im Zeitraum der Stromanstiegsbegrenzung aus dem maximal zulässigen Strom der Brennstoffzelle (IBZ) und dem Strom aus dem Energiepuffer (Ipuff) zusammensetzt. Erreicht der Ausgangsstrom des DC/DC-Reglers den Wert des Laststromes (Ia = ILast), so stellt sich am DC/DC-Regler der Nennwert der Ausgangsspannung (Ua) ein. Damit wird der Laststrombedarf allein von der Brennstoffzelle gedeckt und der Energiepuffer (sofern vorhanden) wird regeneriert.
  • Im Interesse maximaler Dynamik der Leistungsanpassung der Brennstoffzelle an die Anforderungen der Last sind eine minimale (oder keine) Verzögerungszeit (tv), eine maximale Stromanstiegsgeschwindigkeit (di/dt) und die größtmögliche Strombegrenzung (Imax) anzustreben und dem DC/DC-Regler als Steuerparameter vorzugeben.
  • Das geregelte Abschalten ist gemäß einem abfallenden Kennlinienast dargestellt.
  • Dabei wird eine sprungartige Minderung des Laststromes (ILast) angenommen. Je nach Typ der Brennstoffzelle kann dies zu negativen Auswirkungen auf die Arbeitsweise führen. Demzufolge kann für die Stromabfallgeschwindigkeit (VImin) ein Wert vorgegeben werden, der die Brennstoffzelle diesbezüglich schützt. Hierbei erhöht sich die Ausgangsspannung am DC/DC-Regler, um den Strom entsprechend der vorgegebenen abfallenden Kennlinie zu treiben. Ist kein Energiepuffer vorhanden bzw. das Speichervermögen des vorhandenen Puffers nicht groß genug, den Strom im Bereich der zulässigen Ausgangsspannung (Ua) aufzunehmen, so erfolgt die Stromableitung über eine geeignete Vorrichtung zur Spannungsbegrenzung (z.B.Varistor).
    • Ia
    Ausgangsstrom
    Ua
    Ausgangsspannung
    IBZ
    von der Brennstoffzelle gelieferter Strom
    UBZ
    von der Brennstoffzelle gelieferte Spannung
    ILast
    Laststrom
    Ipuff
    Strom des Energiepuffers
    Imax
    maximaler Ausgangsstrom
    te
    Einstellzeit, Zeit die vergeht, bis BZS die von der Last benötigte Leistung liefert
    tv
    Verzögerungszeit bis BZS zum Lastanstieg bereit ist
    Z1, Z2
    Betriebszustand des BZS, als Basis für die Ermittlung der Stellgrößen genutzt
    VImax
    Maximale Stromanstiegsgeschwindigkeit
    VImin
    Maximale Stromabfallgeschwindigkeit

Claims (9)

  1. System zur Regelung der Ausgangsgrößen eines Brennstoffzellen-Strom- oder -Spannungsgenerators, das zumindest eine Brennstoffzelle, die einen Ausgangsgleichstrom erzeugt, umfasst und einen Abgabestrom erzeugt, der einem elektrischen Verbraucher zugeführt wird, wobei das System eine Regel-Einrichtung zur Regelung von Ausgangsstrom (Ia) und Ausgangsspannung (Ua) aufweist, der den maximalen Ausgangsgleichstrom (Imax), der durch die Brennstoffzelle geliefert wird, in Abhängigkeit der Betriebsparameter der Brennstoffzelle regelt und sowie die Ausgangsspannung des durch die Brennstoffzelle gelieferten Ausgangsgleichstroms bis zum Erreichen der Stromgrenze konstant hält und die Ausgangsspannung beim Erreichen der Stromgrenze senkt, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur Regelung ein DC/DC-Regler ist und die Brennstoffzelle mit dem DC/DC-Regler und dieser mit dem Verbraucher in Reihe geschaltet ist, wobei die maximale Änderungsrate (di/dt) des von der Brennstoffzelle gelieferten Ausgangsgleichstroms (Imax) auf einen Wert zwischen einen Maximalwert und Null begrenzt.
  2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es ein Puffersystem umfasst, das dem DC/DC-Regler nachgeschaltet ist.
  3. System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Puffersystem parallel zum elektrischen Verbraucher geschaltet ist.
  4. System nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mittels des DC/DC-Reglers eine Verzögerungszeit (tv) des Stromanstiegs einstellbar ist.
  5. Verfahren zur Regelung der Ausgangsgrößen eines Brennstoffzellen-Strom- oder -Spannungsgenerators, das zumindest eine Brennstoffzelle, die einen Ausgangsgleichstrom erzeugt, umfasst und einen Abgabestrom erzeugt, der einem elektrischen Verbraucher zugeführt wird, wobei mittels einer Regel-Einrichtung der Ausgangsstrom (Ia) und die Ausgangsspannung (Ua) und der maximale Ausgangsgleichstrom (Imax), der durch die Brennstoffzelle geliefert wird, in Abhängigkeit der Betriebsparameter der Brennstoffzelle geregelt werden, die Ausgangsspannung des durch die Brennstoffzelle gelieferten Ausgangsgleichstroms bis zum Erreichen der Stromgrenze konstant gehalten und die Ausgangsspannung beim Erreichen der Stromgrenze gesenkt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelung mittels eins DC/DC-Regler erfolgt, wobei der Energiefluss von der Brennstoffzelle (BZ) über den DC/DC-Regler zum Verbraucher stattfindet und die maximale Änderungsrate (di/dt) des von der Brennstoffzelle gelieferten Ausgangsgleichstroms auf einen Wert zwischen einem Maximalwert und Null begrenzt und der Ausgangsstrom (Ia) durch den DC/DC-Regler stufenlos geregelt wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass es bei Lastanforderungen, die höher als die von der Brennstoffzelle momentan lieferbare Energie sind, der Differenzbetrag durch Spannungsabsenkung über ein Puffersystem geliefert wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Puffersystem mit von der Brennstoffzelle gelieferter Ausgangsspannung (Ua) regeneriert wird.
  8. Verfahren nach Anspruch 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Rückstrom in die Brennstoffzelle mittels einer im DC/DC-Regler realisierten Schaltung verhindert wird.
  9. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Verzögerungszeit (tv) eingestellt wird, die der notwendigen Reaktionszeit der Brennstoffzelle auf eine erhöhte Lastanforderung entspricht.
DE10109151A 2001-02-24 2001-02-24 Verfahren und System zur Regelung der Ausgangsgrößen eines Brennstoffzellen-Strom- oder -Spannungsgenerators Expired - Fee Related DE10109151B4 (de)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE10109151A DE10109151B4 (de) 2001-02-24 2001-02-24 Verfahren und System zur Regelung der Ausgangsgrößen eines Brennstoffzellen-Strom- oder -Spannungsgenerators

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE10109151A DE10109151B4 (de) 2001-02-24 2001-02-24 Verfahren und System zur Regelung der Ausgangsgrößen eines Brennstoffzellen-Strom- oder -Spannungsgenerators

Publications (2)

Publication Number Publication Date
DE10109151A1 DE10109151A1 (de) 2002-09-12
DE10109151B4 true DE10109151B4 (de) 2008-04-30

Family

ID=7675495

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE10109151A Expired - Fee Related DE10109151B4 (de) 2001-02-24 2001-02-24 Verfahren und System zur Regelung der Ausgangsgrößen eines Brennstoffzellen-Strom- oder -Spannungsgenerators

Country Status (1)

Country Link
DE (1) DE10109151B4 (de)

Families Citing this family (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10063654B4 (de) * 2000-12-20 2008-07-17 Nucellsys Gmbh Verfahren und Anordnung zur Erzeugung fahrpedalstellungsabhängiger Stromwerte für die Leistungssteuerung eines oder mehrerer Antriebe in einer mobilen Vorrichtung mit einer Brennstoffzelle für die Energieversorgung
JP3911435B2 (ja) 2002-04-11 2007-05-09 トヨタ自動車株式会社 電源システムおよびその制御方法
US6590370B1 (en) * 2002-10-01 2003-07-08 Mti Microfuel Cells Inc. Switching DC-DC power converter and battery charger for use with direct oxidation fuel cell power source
JP3816436B2 (ja) 2002-11-28 2006-08-30 本田技研工業株式会社 燃料電池車両の制御装置
US7531916B2 (en) * 2004-05-26 2009-05-12 Altergy Systems, Inc. Protection circuits for hybrid power systems
DE102005018596A1 (de) 2005-04-21 2007-01-25 Siemens Ag Österreich Verfahren zum Betreiben eines Wechselrichters mit vorgeschaltetem Hochsetzer
DE102006032586A1 (de) * 2006-07-13 2008-01-17 Bayerische Motoren Werke Ag Strombegrenzer für ein System aus einer Brennstoffzelle und ein hieran angekoppeltes elektrisches Netz mit mindestens einem Verbraucher
DE102007058837A1 (de) 2007-12-05 2009-06-10 Technische Universität Clausthal Elektrochemisches Energieumwandlungssystem
WO2010053027A1 (ja) 2008-11-04 2010-05-14 日産自動車株式会社 燃料電池の発電制御装置及び発電制御方法
JP5346255B2 (ja) * 2009-09-02 2013-11-20 パナソニック株式会社 電源供給装置
US8604637B2 (en) 2010-07-27 2013-12-10 GM Global Technology Operations LLC Method for high voltage bus control in fuel cell vehicles
DE102013105262A1 (de) * 2013-05-23 2014-11-27 Hella Kgaa Hueck & Co. Steuervorrichtung für einen Gleichspannungswandler
GB2543031A (en) * 2015-09-29 2017-04-12 Intelligent Energy Ltd Fuel cell system controller and associated method
DE102017213017A1 (de) * 2017-07-28 2018-07-12 Continental Automotive Gmbh Verfahren zum Betrieb eines Bordnetzes mit mehreren Bordnetzzweigen und Fahrzeugbordnetz
JP6919555B2 (ja) 2017-12-25 2021-08-18 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システムおよび車両
CN110865252B (zh) * 2019-11-06 2024-05-07 北京重理能源科技有限公司 一种质子交换膜燃料电池输出电特性模拟装置及其控制方法
DE102021123773A1 (de) * 2021-09-14 2023-03-16 Stack Hydrogen Solutions Gmbh Vorladeschalteinrichtung und brennstoffzellenvorrichtung für einen gedämpften spannungs- und stromangleich mit einer parallel geschalteten batterie und kraftfahrzeug

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE4034183A1 (de) * 1989-10-27 1991-05-02 Fuji Electric Co Ltd Schutzvorrichtung fuer eine brennstoffzelle
DE4440357A1 (de) * 1993-11-12 1995-05-18 Fuji Electric Co Ltd Gasverknappungs-Schutzschaltung für eine Brennstoffzellen-Energieerzeugungsanlage
DE19620458A1 (de) * 1995-05-22 1996-11-28 Fuji Electric Co Ltd Verfahren und System zur Steuerung einer Ausgangsgröße eines Brennstoffzellen-Strom- oder Spannungsgenerators
DE19737406A1 (de) * 1996-08-29 1998-03-05 Toyota Motor Co Ltd Brennstoffzellensystem, Elektrofahrzeug mit Brennstoffzellensystem und Verfahren zum Steuern der Zufuhr elektrischer Leistung
DE19810468A1 (de) * 1998-03-11 1999-09-16 Daimler Chrysler Ag Schaltungsanordnung zur elektrischen Energieversorgung eines Netzes, das eine Brennstoffzelle sowie eine Akkumulatoranordnung aufweist
DE19810467C1 (de) * 1998-03-11 1999-10-14 Daimler Chrysler Ag Hybrid-Antriebskonzept für Brennstoffzellen-Fahrzeuge
DE19954306B4 (de) * 1999-11-11 2004-09-02 Ballard Power Systems Ag Vorrichtung zur elektrischen Energieerzeugnung mit einer Brennstoffzelle in einem Fahrzeug und Verfahren zum Betrieb einer derartigen Vorrichtung

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE4034183A1 (de) * 1989-10-27 1991-05-02 Fuji Electric Co Ltd Schutzvorrichtung fuer eine brennstoffzelle
DE4440357A1 (de) * 1993-11-12 1995-05-18 Fuji Electric Co Ltd Gasverknappungs-Schutzschaltung für eine Brennstoffzellen-Energieerzeugungsanlage
DE19620458A1 (de) * 1995-05-22 1996-11-28 Fuji Electric Co Ltd Verfahren und System zur Steuerung einer Ausgangsgröße eines Brennstoffzellen-Strom- oder Spannungsgenerators
DE19737406A1 (de) * 1996-08-29 1998-03-05 Toyota Motor Co Ltd Brennstoffzellensystem, Elektrofahrzeug mit Brennstoffzellensystem und Verfahren zum Steuern der Zufuhr elektrischer Leistung
DE19810468A1 (de) * 1998-03-11 1999-09-16 Daimler Chrysler Ag Schaltungsanordnung zur elektrischen Energieversorgung eines Netzes, das eine Brennstoffzelle sowie eine Akkumulatoranordnung aufweist
DE19810467C1 (de) * 1998-03-11 1999-10-14 Daimler Chrysler Ag Hybrid-Antriebskonzept für Brennstoffzellen-Fahrzeuge
DE19954306B4 (de) * 1999-11-11 2004-09-02 Ballard Power Systems Ag Vorrichtung zur elektrischen Energieerzeugnung mit einer Brennstoffzelle in einem Fahrzeug und Verfahren zum Betrieb einer derartigen Vorrichtung

Also Published As

Publication number Publication date
DE10109151A1 (de) 2002-09-12

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE10109151B4 (de) Verfahren und System zur Regelung der Ausgangsgrößen eines Brennstoffzellen-Strom- oder -Spannungsgenerators
DE10223117B4 (de) Verfahren und Anordnung zur Steuerung der Energieversorgung eines elektrischen Antriebs mit einem hybriden Energieversorgungssystem in einem Fahrzeug
DE19954306B4 (de) Vorrichtung zur elektrischen Energieerzeugnung mit einer Brennstoffzelle in einem Fahrzeug und Verfahren zum Betrieb einer derartigen Vorrichtung
EP1784910B1 (de) Spannungsregler mit überspannungsschutz
EP0950267B1 (de) Verfahren zur luftversorgung einer pem-brennstoffzellenanlage
DE102019121918A1 (de) Wandlung von dc-leistung für elektrifizierte fahrzeuge mit ausgleich von batteriezuständen
EP3207585B2 (de) Verfahren zum betrieb eines stromnetzes, insbesondere eines stromnetzes eines wasserfahrzeugs
EP2761690A1 (de) Betriebsverfahren eines elektrischen energie-systems eines kraftfahrzeugs umfassend eine brennstoffzellen-anlage, einen akkumulator und einen elektromotor
EP1748183B1 (de) Elektrische Einrichtung zur Verstellung der Rotorblätter einer Windenergieanlage
EP3149826B1 (de) Verfahren und vorrichtung zum betrieb eines elektrischen energiespeichersystems
DE102016111219B4 (de) Brennstoffzellensystem
DE112011105797B4 (de) Ausgabesteuervorrichtung für eine Brennstoffzelle
DE112009000599T5 (de) Leistungszuführsteuerungsvorrichtung
EP2544327B1 (de) Energiespeicheranordnung und wechsellastverbraucher
DE102017212320A1 (de) Elektrisches Bordnetzsystem für Kraftfahrzeuge mit einem Konverter und einem Hochlastverbraucher
DE102018004717A1 (de) Verfahren zum Energiemanagement
EP1683681B1 (de) System und Verfahren zum Regeln von Leistung in einem Kraftfahrzeugbordnetz
EP2582009A1 (de) Energiespeichersystem mit implementiertem Regelungsalgorithmus und Verfahren zum Steuern der Ladezustände von dessen Elementen
DE102010025647A1 (de) Vorrichtung und Verfahren zur intelligenten Netzleistungsregulierung durch kapazitive Energiespeicherung
DE102015004677B4 (de) Verfahren zur Leistungsregelung eines Brennstoffzellensystems
DE102006022706B3 (de) Antriebsvorrichtung und Regelungsverfahren für ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug
DE102013202197A1 (de) Verfahren zum Betreiben einer Energieversorgungseinheit für ein Bordnetz eines Kraftfahrzeugs
EP1568601A1 (de) Unterseeboot mit einem zwischen die Batterie und die Brennstoffzellenanlage geschaltet DC/DC Steller
DE102017011715A1 (de) Verfahren zur Regeneration einer Brennstoffzelle
DE102020118747A1 (de) Dauerhaft bei hohen Lastpunkten betriebenes Brennstoffzellensystem

Legal Events

Date Code Title Description
OP8 Request for examination as to paragraph 44 patent law
8127 New person/name/address of the applicant

Owner name: FLEXIVA AUTOMATION & ROBOTIK GMBH, 09439 AMTSBERG,

8364 No opposition during term of opposition
R119 Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee