DE102004010536A1

DE102004010536A1 - Regelung eines Brennstoffzellen-Systems in der Start- und Auslaufphase

Info

Publication number: DE102004010536A1
Application number: DE102004010536A
Authority: DE
Inventors: Christoph Dr. Maume; Marcus Romba; Thomas von Dr. Unwerth
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2004-03-04
Filing date: 2004-03-04
Publication date: 2005-09-15

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem nach Oberbegriff des Anspruchs 1. Es ist vorgesehen, dass das Niedrigvoltenergieniveau (U¶1¶) einer Hilfsenergiequelle (6) über eine Ansteuerschaltung (4) auf das zum Betrieb des Brennstoffzellensystems (1) erforderliche Nebenaggregat (3) durchgeschaltet wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellen-System nach Oberbegriff des Anspruchs 1.
Brennstoffzellen-Systeme sind bekannt. Aufgrund ihres hohen elektrochemischen Wirkungsgrades werden Brennstoffzellensysteme als Energieerzeugungssysteme in einer Vielzahl von Anwendungsgebieten eingesetzt. Sie finden sowohl stationär (beispielsweise in der Kraft-Wärme-Kopplung), als portables Energiesystem oder in der automotiven Anwendung zur Bordstromversorgung oder auch als Traktionssystem Verwendung. Bevorzugt kommen dabei Membran- oder Festoxydbrennstoffzellen zum Einsatz. Als Brennstoff dient in erster Linie Wasserstoff, der entweder in reiner Form zur Verfügung steht (beispielsweise aus einem mitgeführten Tank), oder der aus einem Kraftstoff über einen Reformierungsprozess gewonnen wird.

Bei der Inbetriebnahme und der Außerbetriebnahme des Brennstoffzellen-Systems, also der Anlauf- oder Auslaufphase der Energieerzeugung, muss einem Brennstoffzellen-System in aller Regel über eine Hilfsenergiequelle, beispielsweise einen externen Energiespeicher, Energie zugeführt werden, solange das System nicht in der Lage ist, selbst Strom zu produzieren, also die elektrochemische Umsetzung noch keinen stabilen Reaktionszustand erreicht hat. Der Zustand, in dem das Brennstoffzellensystem einen stabilen Reaktionszustand erreicht hat, eine stabile Spannung liefert und die notwendigen Nebenaggregate selbst versorgen kann, wird als autarker Betrieb oder als Normalbetrieb bezeichnet. Als Hilfsenergiequelle findet bis zum Erreichen des Normalbetriebs im Regelfall eine Batterie oder eine Anordnung sogenannter Super-Caps Anwendung. Dieser Stand der Technik ergibt sich für die Startphase beispielsweise aus EP 1271680A2 ; die Inbetriebnahme des Brennstoffzellensystems erfolgt hier zeitgesteuert. Die Hilfsenergiequelle hat hierbei die Aufgabe, die zum Betrieb des Brennstoffzellen-Systems notwendigen Nebenaggregate zu speisen. Diese Speisung der Nebenaggregate ist, wie bereits ausgeführt, zunächst in der Startphase des Brennstoffzellen-Systems erforderlich. Ebenso ist auch ein Nachlaufen der Nebenaggregate in der Auslaufphase wünschenswert, also in der Phase, in der der autarke Betrieb des Brennstoffzellensystems aufhört und die Stromerzeugung durch das Brennstoffzellensystem abnimmt und letztendlich aufhört, um beispielsweise die Brennstoffzellenanordnung (den sogenannten Stack) trocken zu blasen. Wenn die Nebenaggregate, beispielsweise Luftverdichter, und die Hilfsenergiequelle unterschiedliche Spannungslagen aufweisen, wird im Stand der Technik zur Anpassung der Spannungslagen ein entsprechender Spannungswandler eingesetzt. Insbesondere bei Luftverdichtern als Nebenaggregaten wird im Stand der Technik ein Spannungswandler als notwendig angesehen. Ein solcher Luftverdichter wird durch einen Elektromotor mit einer hohen Leistung betrieben, wodurch eine hohe Leistungsaufnahme beim Betrieb des Luftverdichters bedingt ist. Damit beim Betrieb eines solchen Luftverdichters keine unzulässig hohen Ströme auftreten, wird der Luftverdichter auf einem Spannungsniveau betrieben, das höher liegt als das von üblichen Bordbatterien, insbesondere auf dem Spannungsniveau des Brennstoffzellen-Systems. Beispielsweise ist es gebräuchlich, Luftverdichter bei 60V zu betreiben, während insbesondere eine KFZ-Bordbatterie nur 12V liefert. Bei einem Betrieb an nur 12V würde der Luftverdichter bei gleicher Leistung einen fünfmal höheren Strom benötigen. Um die in der Startphase bis zum Anlaufen des Brennstoffzellen-Systems und zum (mindest annähernd) autarken Betrieb erforderliche Betriebsspannung zu liefern, werden in der Regel – wie bereits erwähnt – vorhandene Bordmittel (Batterien oder Super-Caps) eingesetzt. Um deren niedrigeres Spannungsniveau auf das Spannungsniveau der regulären Betriebspannung beispielsweise des Luftverdichters zu erhöhen, wird ein Spannungswandler eingesetzt (WO 99/46845; DE 19954306A1 ). Ein solcher Spannungswandler wird, wie vorstehend beschrieben, lediglich in der Startbeziehungsweise Anlaufphase und der Auslaufphase des Brennstoffzellen-Systems benötigt; im Gesamtaufbau des Brennstoffzellensystems ist seine Verwendung nachteilig, da er ein zusätzliches, kostenintensives und Bauraum erforderndes Bauteil darstellt, das überdies eine Fehlerquelle innerhalb des Gesamtsystems bilden kann. Bei Aufnahme des (zumindest annähernd) autarken Betriebes wird die zum Betrieb von Nebenaggregaten benötigte Energie ebenfalls vom Brennstoffzellen-System geliefert. Im Stand der Technik ist deshalb vorgesehen, dass nach Beendigung der Startphase auf die eigentliche Betriebsspannung umgeschaltet und der Spannungswandler aus dem Stromweg genommen wird.

Die im Stand der Technik verwendeten Ansteuerschaltungen beziehungsweise Motorelektroniken der Nebenaggregate lassen den Betrieb des Nebenaggregatmotors nur in dem hierfür vorgesehenen regulären Spannungsbereich zu, wobei Toleranzfelder hinsichtlich der Spannung nach oben und insbesondere nach unten bestehen. Unterhalb des Toleranzfeldes wird der Stromfluss unterbrochen beziehungsweise bei erstmaliger Beaufschlagung mit einer Versorgungsspannung, die unterhalb eines vorgegebenen Toleranzfeldes der Motorelektronik liegt, wird der Stromkreis nicht geschlossen, so dass der Nebenaggregat-Motor nicht anlaufen kann. Sinn dieser Vorrichtungen ist gerade, den Betrieb bei sehr niedrigen Spannungen zu vermeiden. Die Nebenaggregate haben regelmäßig einen Arbeitsbereich, der den Betrieb nur mit einer Nominalspannung sowie im Toleranzfeld der Nominalspannung zulässt. Die Einhaltung dieses Arbeitsbereiches wird von der Motorelektronik beziehungsweise der Ansteuerschaltung des Motors überwacht. Häufig wird bei Unterschreiten beziehungsweise Verlassen des Toleranzfeldes ein Hinweis- beziehungsweise Alarmsignal generiert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die erwähnten Nachteile bei einfacher Bauform zu beseitigen.

Die vorliegende Erfindung sieht als Lösung dieser Aufgabe vor, dass Nebenaggregate auch in einem Spannungsbereich außerhalb ihrer eigentlichen Nominalspannung beziehungsweise des diese umgebenden Toleranzfeldes betrieben werden, wobei deren Leistung durchaus reduziert sein darf. Dazu ist vorgesehen, die Nebenaggregate über deren Ansteuerschaltung so anzusteuern, dass bei Beaufschlagung mit einer niedrigeren Versorgungsspannung, als diese für den eigentlichen Betriebspunkt beziehungsweise das diesen umgebende Toleranzfeld erforderlich wäre, ein Betrieb des Motors zugelassen wird. Hierbei kann eine Leistungsreduktion in Kauf genommen werden. Gleichwohl kann so sichergestellt werden, dass die Nebenaggregate ihre Wirkung aufnehmen, beispielsweise also, dass das Brennstoffzellen-System bereits mit dem als Reaktant dienenden Medium durchströmt wird. Solange die Hochvolt-Versorgungsspannung vom (mehr oder minder) autark arbeitenden Brennstoffzellen-System zur Verfügung gestellt wird, schaltet die Ansteuerschaltung auf die vom Brennstoffzellen-System zur Verfügung gestellte eigentliche Versorgungsspannung, so dass die Nebenaggregate mit dieser Versorgungsspannung betrieben werden. Die Umschaltung erfolgt dabei vorteilhafterweise in einem Zeitpunkt möglichst geringen Stromflusses zum Nebenaggregat, beispielsweise während eines Nulldurchganges des Stromes.

Der Spannungswandler, der lediglich in der Start- und Auslaufphase zum Betrieb der Nebenaggregate benötigt wird, kann somit entfallen. Damit geht eine Verringerung des Bauvolumens, der Kosten und des Gewichtes des Brennstoffzellen-Systems einher, was sich sehr vorteilhaft in der Produktion durch Wegfall von Arbeitsschritten und Bauteilen, in der Wartung durch Wegfall eines Bauteiles und in der Vermarktung durch preisgünstigere Herstellung und somit Kostenersparnis und die Möglichkeit preiswerterer Abgabe an den Abnehmer niederschlägt.

Überraschend vorteilhaft an der Erfindung ist, dass der ursprünglich und im Stand der Technik als fehlerhaft angesehene und zu vermeidende Zustand, dass die auf Niedrigvoltniveau liegende Hilfsenergiequelle auf das im Hochvoltniveau arbeitende Nebenaggregat durchgeschaltet wird, als durchaus positiv anzusehen ist. Zwar bringt das Nebenaggregat bei geringer Spannung nicht seine volle Leistung, jedoch läuft es an und bewirkt somit ein Starten der elektrochemischen Brennstoffzellen-Reaktion. In einer sehr vorteilhaften Weise kann der erfindungsgemäße Vorteil dadurch erreicht werden, dass die Ansteuerschaltung, die den Energiefluss zwischen der Hilfsenergiequelle und dem Nebenaggregat beziehungsweise der Brennstoffzelle als Hauptenergiequelle und dem Nebenaggregat reguliert, dahingehend modifiziert wird, dass sie bereits bei geringerer Spannung (insbesondere nämlich auf dem Niedrigvoltniveau der Hilfsenergiequelle) ein Durchschalten zulässt. Das heißt, dass das Nebenaggregat mit der niedrigeren Spannung der Hilfsenergiequelle beaufschlagt wird, und nicht, wie ursprünglich im Stand der Technik vorgesehen, zunächst eine Spannungswandlung vorgenommen werden muss, da dort die Ansteuerelektronik eine Beaufschlagung mit Versorgungsspannung im Niedrigvoltbereich verhindert. Als Niedrigvoltniveau wird eine beispielsweise in Kraftfahrzeugen verwendete Bordspannung, insbesondere der Bereich von etwa 12V mit seinen in der Fahrzeugtechnik bekannten Toleranzfeldern, und als Hochvoltniveau eine Spannung über 12V, bevorzugt 40V bis 60V, insbesondere 60V oder etwa 60V, verstanden. Naturgemäß liegen die Spannung einer Hilfsenergiequelle als auch die vom Brennstoffzellensystem zur Verfügung gestellte Spannung nicht stets auf jeweils gleichbleibendem Spannungsniveau, sondern schwanken über der Zeit innerhalb gewisser Toleranzfelder beziehungsweise innerhalb eines gewissen Spannungsbereiches.

In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die Betriebsspannung des Nebenaggregats nach Bereitstellung der Betriebsspannung auf Hochvoltniveau seitens der Brennstoffzelle vom Niedrigvoltniveau der Hilfsenergiequelle auf das Hochvoltniveau der Brennstoffzelle umgeschaltet. Besonders vorteilhaft geschieht die Umschaltung innerhalb der dem Hilfsaggregat zugeordneten Ansteuerelektronik.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung erfolgt diese Umschaltung in einem Stadium möglichst geringen Stromflusses zum Nebenaggregat, insbesondere nämlich in einem Stromnulldurchgang.

Nachstehend wird die Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert.
Es zeigt
1 einen Teil eines Brennstoffzellen-Systems in schematischer Darstellung.
1 zeigt einen Teil eines Brennstoffzellen-Systems 1, nämlich eine Anordnung von Brennstoffzellen 2, ein Nebenaggregat 3 sowie die dem Nebenaggregat 3 zugeordnete Ansteuerschaltung 4. Die Brennstoffzellenanordnung 2 und die Ansteuerschaltung 4 sind mittels elektrischer Leitungen 5 miteinander verbunden. Weiter ist eine Hilfsenergiequelle 6, beispielsweise eine Batterie 7 mittels elektrischer Leitungen 8 der Ansteuerschaltung 4 angeschlossen. Die Hilfsenergiequelle 6 wird auf dem Spannungsniveau U₁ betrieben, das als Niedrigvoltniveau bezeichnet wird. Die Brennstoffzellenanordnung 2 generiert Spannung auf dem Spannungsniveau U₂, das als Hochvoltniveau bezeichnet wird. Das Nebenaggregat 3 ist zum Betrieb der Brennstoffzellenanordnung 2 erforderlich, es versorgt aus einem nicht näher dargestellten Vorratsbehältnis die Brennstoffzellenanordnung 2 über die Schlauchleitung 9 mit dem Medium, das als Reaktant für den Betrieb der Brennstoffzellenanordnung 2 dient, beispielsweise mit Luft. Das Brennstoffzellen-System ist zunächst abgeschaltet, das heißt: es findet keine elektrochemische Reaktion innerhalb der Brennstoffzellenanordnung 2 statt. Zur Inbetriebnahme des Brennstoffzellen-Systems 1 ist es erforderlich, das als Reaktant dienende Medium durch die Brennstoffzellenanordnung 2 strömen zu lassen, damit eine elektrochemische Reaktion in Gang kommen kann. Deshalb wird über die Ansteuerschaltung 4 das Nebenaggregat 3 mit der auf dem Niedrigvoltniveau U₁ liegenden Spannung der Hilfsenergiequelle 6, nämlich einer Batterie 7, beaufschlagt. Diese auf Niedrigvoltniveau U₁ liegende Spannung ist zum regulären Betrieb des Nebenaggregats 3, das typisch im Bereich des Hochvoltniveaus U₂ betrieben und dort seinen regulären Arbeitspunkt hat, eigentlich zu gering. Aufgrund der zu geringen Versorgungsspannung erreicht das Nebenaggregat 3 nicht seine reguläre und/oder typische Betriebsleistung. Gleichwohl findet ein Fördervorgang des Reaktanten durch die Rohrleitung 9 in die Brennstoffzellenanordnung 2 statt. Durch Beaufschlagung der Brennstoffzellenanordnung 2 mit dem Reaktionsmedium kommt dort die elektrochemische Reaktion in Gang. Sobald diese elektrochemische Reaktion ein gewisses Reaktionsmaß erreicht hat, stellt die Brennstoffzellenanordnung 2 die in ihr aufgrund dieser elektrochemischen Reaktion gewonnene Spannung über die elektrischen Leitungen 5 an der Ansteuerschaltung 4 zur Verfügung. Sobald die über die elektrischen Leitungen von der Brennstoffzellenanordnung 2 zur Verfügung gestellte Spannung höher ist als die auf dem Niedrigvoltniveau U₁ liegende Spannung der Hilfsenergiequelle 7, kann die Ansteuerschaltung 4 zum Betrieb des Nebenaggregats 3 auf die über die elektrischen Leitungen 5 von der Brennstoffzellenanordnung 2 zur Verfügung gestellte Versorgungsspannung umschalten. Diese wird mit zunehmender elektrochemischer Reaktion innerhalb der Brennstoffzellenanordnung 2 steigen, bis sie im stabilen Betrieb der Brennstoffzellenanordnung 2 das reguläre Hochvoltniveau U₂ erreicht hat. Dies sind, in Abhängigkeit von der angelegten Last, circa 40 bis 60V. Dieses reguläre Hochvoltniveau U₂ steht fortan über die elektrischen Leitungen 5 an der Ansteuerschaltung 4 zur Verfügung, und wird über diese zum Betrieb des Nebenaggregates 3 durchgeschaltet. Damit ist der autarke Betrieb des Brennstoffzellensystems erreicht. Die Hilfsenergiequelle 6 kann vollständig von der Ansteuerschaltung getrennt werden. Bevorzugt erfolgt diese Trennung in einem Zustand, in dem der Stromfluss durch die elektrischen Leitungen 8 gering ist, besonders bevorzugt in einem Stromnulldurchgang. Die Ansteuerschaltung 4 ist so vorgesehen, dass sie kontinuierlich und mit zunehmender Spannung U₂ (wobei gilt: U₂ ≥ U₁) und zunehmender Stabilität der Spannung U₂ diese in zunehmenden Maße auf die Last des Nebenaggregats 3 schaltet, und hierbei die auf Niedrigvoltniveau U₁ liegende Spannung der Hilfsenergiequelle 6 zunehmend von der Last trennt.

1: Brennstoffzellen-System
2: Brennstoffzellenanordnung
3: Nebenaggregat
4: Ansteuerschaltung
5: elektrische Leitungen
6: Hilfsenergiequelle
7: Batterie
8: elektrische Leitungen
9: Rohrleitung
U₁: Niedrigvoltniveau
U₂: Hochvoltniveau

Claims

Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, das mindestens eine Niedrigvolt-Hilfsenergiequelle, ein im Normalbetrieb der Brennstoffzelle von dieser gespeistes, zum Betrieb der Brennstoffzelle notwendiges Hochvolt-Nebenaggregat und eine den Energiefluss zwischen der Hilfsenergiequelle und dem Nebenaggregat bewirkende Ansteuerschaltung aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Inbetriebnahme und/oder der Außerbetriebnahme des Brennstoffzellensystems (1) mittels der Ansteuerschaltung (4) das Niedrigvoltniveau (U₁) der Hilfsenergiequelle (6) mit dem auf Hochvoltniveau (U₂) arbeitenden Nebenaggregat (3) verbunden wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Niedrigvoltniveau (U₁) 12V, insbesondere etwa 12V, und als Hochvoltniveau (U₂) ein Spannungsniveau größer 12V, bevorzugt 40 bis 60V, insbesondere 60V oder etwa 60V, verwendet werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach Bereitstellung des Hochvoltniveaus (U₂) seitens des Brennstoffzellen-Systems (1) mittels der Ansteuerschaltung (4) von der auf Niedrigvoltniveau (U₁) liegenden Hilfsenergiequelle (6) auf das Hochvoltniveau (U₂) der Brennstoffzelle umgeschaltet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Umschaltung in einem Stadium möglichst geringen Stromflusses zum Nebenaggregat (3) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Umschaltung in einem Stromnulldurchgang erfolgt.
Brennstoffzellen-System mit einer Betriebsführung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche.