DE10152183A1

DE10152183A1 - Verfahren zum Betreiben eines Stromerzeugungssytems mit einer Brennstoffzelleneinheit und einer Last

Info

Publication number: DE10152183A1
Application number: DE10152183A
Authority: DE
Inventors: Christoph Fickinger; Andreas Zauner; Werner Belschner; Josef Hoelz; Volker Schempp
Original assignee: Ballard Power Systems AG; Siemens VDO Electric Drives Inc
Current assignee: Mercedes Benz Fuel Cell GmbH
Priority date: 2001-10-23
Filing date: 2001-10-23
Publication date: 2003-04-30

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Stromerzeugungssystems mit einer Brennstoffzelleneinheit und einer Last, wobei ein von dem Stromerzeugungssystem bereitstellbarer Strom und ein tatsächlicher Ausgangsstrom des Stromerzeugungssystems bestimmt werden, wobei eine Stromabweichung aus der Differenz von bereitstellbarem Strom und tatsächlichem Ausgangsstrom ermittelt wird, und wobei ein Gütemaß aus der Integration bzw. der Summation der Stromabweichung über der Zeit gebildet wird. In Abhängigkeit des Gütemaßes ist das Stromerzeugungssystem zumindest zeitweise in einen Leerlaufmodus schaltbar.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Stromerzeugungssystems mit einer Brennstoffzelleneinheit und einer Last gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Wird an ein Stromerzeugungssystem mit einer Brennstoffzelleneinheit eine Stromanforderung gestellt, so wird der Brennstoffzelleneinheit typischerweise entsprechend viel wasserstoffreiches und sauerstoffreiches Gas zugeführt, wie für die Bereitstellung des angeforderten Stroms benötigt wird. Benötigen die vom Stromerzeugungssystem gespeisten Verbraucher, die die Last des Stromerzeugungssystems darstellen, jedoch tatsächlich weniger Strom als angefordert, so gelangt das der Brennstoffzelleneinheit zugeführte wasserstoffreiche Gas unverbraucht in die der Brennstoffzelleneinheit nachgeschalteten Komponenten und reagiert dort exotherm. Eine der Brennstoffzelleneinheit nachgeschaltete Komponente ist beispielsweise ein katalytischen Brenner zur Reinigung der Brennstoffzellenabgase. Temperatursensoren, die lokal an bzw. in den Komponenten angebracht sind, überwachen üblicherweise die Temperaturen der Komponenten und bei Überschreiten einer oberen Grenztemperatur wird das Stromerzeugungssystem aus Sicherheitsgründen abgeschaltet.
Aus der JP 2001-023667 ist ein Brennstoffzellensystem mit einem Spannungsregler bekannt. Der Zielausgangsstrom, der sich im stationären Zustand des Systems einstellen soll, wird mit dem gemessenen Ausgangsstrom des Systems verglichen, und in Abhängigkeit von der Differenz der beiden Ströme wird die Ausgangsgröße des Spannungsreglers erhöht bzw. vermindert. Ein Verschleiß der Brennstoffzelleneinheit aufgrund von abrupten Laständerungen kann hierdurch verhindert werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Überwachung der Betriebssicherheit eines Stromerzeugungssystems zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Der Vorteil der Erfindung liegt darin, daß ein Ungleichgewicht zwischen dem tatsächlich von den Verbrauchern bzw. der Last benötigten Strom und dem Strom, den das Stromerzeugungssystem gemäß einer Stromanforderung bereitstellen könnte, vorausschauend erkannt wird, und deshalb frühzeitig Maßnahmen zum Schutz der stromabwärts der Brennstoffzelleneinheit befindlichen Komponenten eingeleitet werden können, bevor es zu einer Überhitzung dieser Komponenten durch eine in den Komponenten ablaufende Reaktion des übermäßig zugeführten wasserstoffreichen Gases kommen kann.
Es versteht sich, daß die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus den weiteren Ansprüchen und der Beschreibung hervor.
Die Erfindung ist nachstehend anhand einer Zeichnung näher beschrieben. Die einzige Figur zeigt

- eine Prinzipdarstellung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems.

In der einzigen Figur ist ein Verfahrensablauf zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems dargestellt. Das erfindungsgemäße Verfahren wird vorzugsweise bei einem Brennstoffzellenverkehrsmittel, insbesondere einem Brennstoffzellenfahrzeug, eingesetzt. Der Fahrer generiert z. B. durch eine Änderung der Fahrpedalstellung eine Lastanforderung, durch die sich eine Stromanforderung I_An an das Stromerzeugungssystem ergibt. Dieser Strom wird zur Stromversorgung eines elektrischen Antriebsmotors benötigt, der z. B. Räder des Fahrzeugs antreibt und eine Last des Stromerzeugungssystems darstellt. Ebenso stellen weitere Komponenten des Brennstoffzellensystems bzw. des gesamten Verkehrsmittels eine Last des Stromerzeugungssystems dar. Zu den weiteren Komponenten gehören beispielsweise ein Antriebsmotor für einen Kompressor, der für die Versorgung der Brennstoffzelleneinheit mit sauerstoffreichem Gas vorgesehen ist, und ein Bordnetz mit Verbrauchern und üblicherweise wenigstens einem Energiespeicher. Die Verbraucher des Bordnetzes können z. B. einen Scheibenwischermotor, einen Lüftermotor, eine Klimaanlage und eine Heizung umfassen. Die Stromanforderung der weiteren Komponenten wird als I_Komp bezeichnet. Aus der Stromanforderung der Komponenten I_Komp und der Stromanforderung des Antriebsmotors für das Verkehrsmittel I_An ergibt sich, bevorzugterweise durch Summation, eine Gesamtstromanforderung I_Soll an das Stromerzeugungssystem.
Aus der Gesamtstromanforderung I_Soll wird vorzugsweise mittels eines Modells 1 des Stromerzeugungssystems eine Strom I_Ver ermittelt bzw. berechnet, der in Abhängigkeit von der Zeit angibt, welcher Strom von dem Stromerzeugungssystem bereitgestellt bzw. zur Verfügung gestellt werden kann. Das Modell 1 ist üblicherweise ein mathematisches und/oder physikalisches Simulationsmodell. Zusätzlich wird der tatsächliche Ausgangsstrom I_Gez des Stromerzeugungssystems, d. h. der tatsächlich von der Last bzw. den Verbrauchern gezogene Strom, vorzugsweise durch Messung bestimmt. An einer Vergleichsstelle 4 wird eine Stromabweichung e aus der Differenz von dem bereitstellbaren Strom I_Ver und dem tatsächlichem Ausgangsstrom I_Gez ermittelt. In einem Funktionsblock 2 wird ein Gütemaß J aus der Integration bzw. der Summation der Stromabweichung e über der Zeit gebildet. Bei der Integration bzw. Summation über der Zeit kann die Stromabweichung e mit Hilfe eines Gewichtungsfaktor gewichtet werden, beispielsweise um zeitlich kurz zurückliegende Werte der Stromabweichung e stärker zu wichten als länger zurückliegende Werte. Das Gütemaß J ist ein Maß für die thermische Energie E_therm, die die stromabwärts der Brennstoffzelleneinheit angeordneten Komponenten, beispielsweise ein katalytischer Brenner, bei einem herrschenden Ungleichgewicht zwischen bereitstellbarem I_Ver und gezogenen Strom I_Gez aufnehmen müssten. Die Menge an thermischer Energie E_therm, die die dem Stromerzeugungssystem nachgeschalteten Komponenten aufnehmen können, ist nicht konstant sondern verändert sich beispielsweise in Abhängigkeit vom Alter und Benutzungsgrad der Komponenten. Die Menge an thermischer Energie E_therm, die momentan von den jeweiligen Komponenten aufnehmbar ist, ergibt sich vorzugsweise durch eine Auswertung der Temperaturen bzw. der Temperaturverläufe und/oder Temperaturgradienten der jeweiligen Komponente. Die maximale momentan aufnehmbare thermische Energie wird auch als Grenzwert für die thermische Energie E_{therm_max} bezeichnet.
In einem Funktionsblock 3 wird das Gütemaß J ausgewertet und in Abhängigkeit des Wertes des Gütemaßes J kann der Betriebszustand Z des Stromerzeugungssystems eingestellt werden. Einem Wert des Gütemaßes J ist ein entsprechender Wert der von den Komponenten aufzunehmenden thermischen Energie E_therm zugeordnet. Überschreitet die von den Komponenten aufzunehmende thermische Energie E_therm den Grenzwert für die thermische Energie E_{therm_max}, so wird das Stromerzeugungssystem zumindest zeitweise in einen betriebssicheren Zustand geschaltet. Das heißt, es werden zumindest zeitweise Maßnahmen zum Schutz des Stromerzeugungssystems bzw. von Komponenten des Stromerzeugungssystems eingeleitet. Bevorzugterweise wird das Stromerzeugungssystem dann zumindest zeitweise in einen Leerlaufmodus geschaltet. Der Leerlaufmodus ist dahingehend definiert, dass sich das Stromerzeugungssystem in einem Zustand befindet, in dem es nur sich selbst und die für den Betrieb des Stromerzeugungssystems notwendigen Komponenten bzw. Verbraucher, beispielsweise den Antriebsmotor für den Kompressor, mit Strom versorgt. Weder der elektrische Antriebsmotor für den Verkehrsmittelantrieb noch ein etwaiger Energiespeicher, der üblicherweise als Hybridenergiespeicher und somit als zweite Stromversorgungseinheit neben dem Stromerzeugungssystem eingesetzt werden kann, werden im Leerlaufmodus vom Stromerzeugungssystem mit Strom versorgt. Demzufolge gibt beispielsweise der elektrische Antriebsmotor für das Fahrzeug im Leerlaufmodus typischerweise keine mechanische Antriebsleistung an die Antriebsräder des Brennstoffzellenfahrzeugs ab. Das Stromerzeugungssystem wird bevorzugterweise wenigstens solange in den Leerlaufmodus geschaltet, bis eine vorzugsweise softwaretechnische Überprüfung stattgefunden hat, ob die Temperaturen der dem Stromerzeugungssystem nachgeschalteten Komponenten gewisse kritische Temperaturgrenzwerte erreichen bzw. überschreiten. Die Temperaturen der Komponenten werden typischerweise über Temperatursensoren bzw. Messungen ermittelt. Werden die Temperaturgrenzwerte erreicht bzw. überschritten, so bleibt das Stromerzeugungssystem vorzugsweise solange im Leerlaufmodus, bis die Temperaturen wieder unter die Temperaturgrenzwerte gefallen sind. Das Stromerzeugungssystem wird also nicht abgeschaltet, sondern stattdessen in einen Leerlaufmodus versetzt und kann nach einer gewissen Zeit wird in den normalen Betriebszustand zurückversetzt werden.
Anstatt die Temperaturen der dem Stromerzeugungssystem nachgeschalteten Komponenten direkt, beispielsweise durch Temperatursensoren, zu überwachen, wird anhand der Auswertung des Gütemaßes J, das ein Maß für das Ungleichgewicht zwischen bereitstellbarem und tatsächlich gezogenem Strom ist, eine vorausschauende, d. h. sich zukünftig voraussichtlich einstellende, Temperatur bzw. von den Komponenten aufzunehmende thermische Energie bestimmt, und schützende Maßnahmen können eingeleitet werden, bevor die Komponenten bereits bei Temperaturen betrieben werden, die oberhalb oder gleich der Grenztemperaturen für die jeweiligen Komponenten sind. Dies führt zu einer Verminderung der Belastung der Komponenten und zu einer Erhöhung ihrer Lebensdauer.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann im Verkehrsmittel in einem oder mehreren Steuergeräten untergebracht sein, die vorteilhafterweise mit den Sensoren zur Strom- und/oder Temperaturmessung verbunden sind. Hierzu können vorteilhafterweise die bereits im Verkehrsmittel befindlichen Steuergeräte, die üblicherweise Verfahren zur Regelung bzw. Steuerung des Verkehrsmittels und/oder des Antriebs enthalten, genutzt werden. Das erfindungsgemäße Verfahren ist demnach einfach und ohne zusätzlichen Aufwand in Form von zusätzlichen Komponenten zu realisieren.

Claims

1. Verfahren zum Betreiben eines Stromerzeugungssystem mit einer Brennstoffzelleneinheit und einer Last, wobei ein von dem Stromerzeugungssystem bereitstellbarer Strom (I_Ver) und ein tatsächlicher Ausgangsstrom (I_Gez) des Stromerzeugungssystems bestimmt werden, und wobei eine Stromabweichung (e) aus der Differenz von bereitstellbarem Strom (I_Ver) und tatsächlichem Ausgangsstrom (I_Gez) ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gütemaß (J) aus der Integration bzw. der Summation der Stromabweichung (e) über der Zeit gebildet wird.

2. Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Betriebszustand (Z) des Stromerzeugungssystems in Abhängigkeit des Gütemaßes (J) einstellbar ist.

3. Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit des Gütemaßes (J) zumindest zeitweise Maßnahmen zum Schutz des Stromerzeugungssystems bzw. von Komponenten des Stromerzeugungssystems einleitbar sind.

4. Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Stromerzeugungssystem in Abhängigkeit des Gütemaßes (J) zumindest zeitweise in einen Leerlaufmodus schaltbar ist.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass abhängig von der thermischen Energie, welche von der Brennstoffzelleneinheit in dieser nachgeschaltete Komponenten des Stromerzeugungssystems abgegeben wird, Maßnahmen zum Schutz der Komponenten eingeleitet werden.