DE102004057730A1

DE102004057730A1 - Lastfolgealgorithmus für ein brennstoffzellenbasiertes System

Info

Publication number: DE102004057730A1
Application number: DE102004057730A
Authority: DE
Inventors: Bruce Jeffrey Clingermann; Kiran Mallavarapu; Akbar Chowdhury
Original assignee: Motors Liquidation Co
Current assignee: Motors Liquidation Co
Priority date: 2003-12-02
Filing date: 2004-11-30
Publication date: 2005-07-07
Anticipated expiration: 2024-12-01
Also published as: US20050119842A1; DE102004057730B4; US6959249B2; JP2005166673A

Abstract

Ein brennstoffzellenbasiertes Erzeugungssystem verwendet einen Lastfolgealgorithmus, der die gewünschte Abgabeleistung von der Brennstoffzelle bei Bedarf liefert. Das System umfasst einen Entnahmestromsensor, der den von der Brennstoffzelle entnommenen Strom misst, der dazu verwendet wird, die Systemlastanforderung zu erfüllen. Der Lastfolgealgorithmus verwendet den gemessenen Entnahmestrom, um die richtige Menge an Brennstoff und Luft zu bestimmen und damit die Lastanforderung zu erfüllen, und sieht dann einen Puffer für zusätzlichen Brennstoff und zusätzliche Luft für die Brennstoffzelle vor, so dass, wenn die Lastanforderung plötzlich zunimmt, die Brennstoffzelle unmittelbar die zusätzliche Abgabeleistung erzeugen kann. Wenn sich der von der Brennstoffzelle entnommene Strom in Ansprechen auf sich ändernde Lastanforderungen ändert, bewirkt der Lastfolgealgorithmus, dass die Menge an Brennstoff und Luft, die auf den Brennstoffzellenstapel aufgebracht wird, zunimmt und abnimmt, so dass der Puffer für zusätzlichen Brennstoff und zusätzliche Luft im Wesentlichen konstant beibehalten wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein ein brennstoffzellenbasiertes System, das einen Lastfolgealgorithmus verwendet, und insbesondere ein brennstoffzellenbasiertes System, das einen Lastfolgealgorithmus verwendet, wobei das System einen Stromsensor zum Messen des Stromes, der von der Brennstoffzelle entnommen wird, umfasst, und wobei der Lastfolgealgorithmus selektiv den an die Brennstoffzelle gelieferten Brennstoff und die an die Brennstoffzelle gelieferte Luft steuert, so dass eine vorbestimmte Menge an zusätzlichem Brennstoff und zusätzlicher Luft auf die Brennstoffzelle aufgebracht wird, um plötzliche Erhöhungen des Leistungsbedarfs erfüllen zu können.
Wasserstoff stellt einen sehr attraktiven Brennstoff dar, da er sauber ist und dazu verwendet werden kann, effizient Elektrizität in einer Brennstoffzelle zu erzeugen. Die Kraftfahrzeugindustrie wendet erhebliche Ressourcen bei der Entwicklung von Wasserstoff-Brennstoffzellen als eine Antriebs- bzw. Energiequelle für Fahrzeuge auf. Derartige Fahrzeuge wären effizienter und würden weniger Emissionen als heutige Fahrzeuge, die Verbrennungsmotoren verwenden, erzeugen. Wasserstoff-Brennstoffzellen können auch eine saubere und effiziente Energieversorgung für stationäre Stromanlagen darstellen, die allgemein als "distributed generation (DG)" bzw. als dezentrale bzw. verteilte Stromerzeugung bezeichnet werden.
Eine Wasserstoff-Brennstoffzelle ist eine elektrochemische Vorrichtung, die eine Anode und eine Kathode mit einem Elektrolyt dazwischen umfasst. Die Anode nimmt Wasserstoffgas als einen Brennstoff auf, und die Kathode nimmt Sauerstoff oder Luft auf. Das Wasserstoffgas wird in der Anode aufgespalten, um freie Wasserstoffprotonen und Elektronen zu erzeugen. Die Wasserstoffprotonen gelangen durch den Elektrolyten an die Kathode, an der sie mit dem Sauerstoff und den Elektronen in der Kathode reagieren, um Wasser zu erzeugen. Die in der Anode abgespaltenen Elektronen können den Elektrolyten nicht durchdringen und werden somit durch eine Last geführt, in der sie Arbeit verrichten, bevor sie an die Kathode gelangen.

Brennstoffzellen mit Protonenaustauschmembran (PEMFC) stellen eine bekannte populäre Brennstoffzelle dar. Die PEMFC umfasst allgemein eine protonenleitende Festpolymereletrolytmembran, wie beispielsweise eine Perfluorsulfonsäuremembran (engl. "perfluorosulfonic acid membrane"). Die Anode und Kathode umfassen typischerweise fein geteilte katalytische Partikel, gewöhnlich Platin (Pt), die auf Kohlenstoffpartikeln getragen und mit einem Ionomer gemischt sind. Die Kombination aus Anode, Kathode und Membran definiert eine Membranelektrodenanordnung (MEA). MEAs sind relativ teuer herzustellen und erfordern bestimmte Bedingungen für einen effektiven Betrieb. Diese Bedingungen umfassen ein richtiges Wassermanagement und eine richtige Befeuchtung sowie eine Steuerung von Katalyator vergiftenden Bestandteilen, wie beispielsweise Kohlenmonoxid (CO).

Typischerweise umfasst ein System, das eine Brennstoffzelle zur Erzeugung von Strom verwendet, ein System für brennstoffzellenbasierte dezentrale bzw. verteilte Erzeugung (FCDG-System; "engl. "fuel cell distributed generation system"), das einen angepassten Gleichstrom (DC) oder Wechselstrom (AC) erzeugt, um die gewünschten Leistungsanforderungen für eine bestimmte Anwendung vorsehen zu können. Das FCDG-System liefert die Leistung auf Grundlage der Anforderung von den Systemlasten zu einem bestimmten Zeitpunkt. Bei einer Kraftfahrzeuganwendung drückt der Fahrer eines Fahrzeugs das Gaspedal, um die Fahrzeuggeschwindigkeit zu erhöhen, wodurch mehr Abgabeleistung von der Brennstoffzelle erforderlich wird. Die Leistungsanforderung wird an den Antriebsstrang des Fahrzeugs übertragen. Die zusätzliche Leistung zur Erhöhung der Fahrzeuggeschwindigkeit wird erst an den Antriebsstrang geliefert, wenn sie erzeugt und von der Brennstoffzelle verfügbar ist. Somit erfordert es eine gewisse Zeitdauer von dem Zeitpunkt an, zu dem der Fahrer das Gaspedal drückt, bis die gewünschte Leistung von der Brennstoffzelle geliefert wird. Manchmal liegt diese Zeitperiode in der Größenordnung von 500 Millisekunden.

Bei anderen Anwendungen, wie beispielsweise bei privaten Energieerzeugungsanwendungen, entnimmt das FCDG-System die gesamte Leistung, die es benötigt, unmittelbar von der Brennstoffzelle, wobei möglicherweise mehr Leistung entnommen wird, als von der Brennstoffzelle aus ihrer gegenwärtigen Brennstoff- und Lufteingabe erzeugt werden kann. Beispielsweise kann ein Anwender einen Schalter umlegen, um ein Gerät zu starten, wobei die hinzugefügte Leistungsanforderung notwendigerweise nahezu augenblicklich erfolgt. Wenn dies geschieht, könnte die Leistungsentnahme von der Brennstoffzelle die Brennstoffzelle bei dem Versuch beschädigen, mehr Strom zu entnehmen, als die Brennstoffzelle zu diesem Zeitpunkt liefern kann. Somit verwenden bekannte FCDG-Systeme eine zusätzliche Energiequelle, wie beispielsweise eine Batterie, parallel zu der Brennstoffzelle, um die zusätzlichen Leistungsanforderungen während der Übergangszeit zwischen dem Zeitpunkt, wenn die Leis tungsanforderung gestellt wird, und dem Zeitpunkt, wenn die Brennstoffzelle beginnt, die zusätzliche Leistung zu erzeugen, zu erfüllen.

Ein FCDG-System kann einen Lastfolgealgorithmus verwenden, der die gewünschte Größe der Abgabeleistung praktisch augenblicklich angepasst bzw. aufbereitet und liefert, um die Anforderungen von Lasten zu erfüllen, wenn sie mit dem FCDG-System verbunden bzw. von diesem getrennt werden. Hierzu verwaltet der Lastfolgealgorithmus die beiden Energiequellen aus Batterie und Brennstoffzelle, um die Störungen, die der Brennstoffzelle durch wechselnde Lasten auferlegt werden, zu beseitigen und zu steuern.

1 zeigt ein allgemeines schematisches Blockschaubild eines FCDG-Systems 10. Das System 10 umfasst eine Brennstoffzelle 12, die eine Abgabeleistung auf Grundlage der oben beschriebenen Grundsätze erzeugt. Das System 10 umfasst auch eine Speicherbatterie 14, die in der Startphase und zu solchen Zeiten, wenn die Brennstoffzelle 12 nicht ausreichend Leistung liefert, um bestimmte Lasten 24 der verteilten bzw. dezentralen Erzeugung (DG) betreiben zu können, zusätzliche Leistung liefert. Das System 10 umfasst auch ein Leistungsanpassmodul 18, das DC/DC-Wandler und DC/AC-Wechselrichter umfasst, um die DC-Leistung von der Brennstoffzelle 12 in DC- Leistung bei verschiedenen Spannungspegeln und die DC- Leistung von der Brennstoffzelle 12 in AC-Leistung für die Lasten 24 umzuwandeln.

Die Brennstoffzelle 12 liefert eine variable DC- Leistung auf einer Abgabeleitung 16 zu dem Leistungsanpassmodul 18 abhängig von der Brennstoff- und Lufteingabe zu der Brennstoffzelle 12. Ähnlicherweise liefert die Batterie 14 eine DC-Leistung auf Leitung 20 an das Leistungsanpassmodul 18, wie beispielsweise 60 Kilowatt DC-Leistung. Das Leis tungsanpassmodul 18 umfasst die geeignete Schaltung, um die DC-Leistung auf verschiedene DC-Leistungsniveaus und in AC-Leistung zu konditionieren bzw. aufzubereiten. Die AC-Leistung wird auf Leitung 22 vorgesehen, um die verschiedenen DG-Lasten 24 abhängig von der bestimmten Anwendung zu betreiben. Die DG-Lasten 24 können jederzeit ein- bzw. ausgeschaltet werden, was einen geringeren oder größeren Leistungsabzug von der Brennstoffzelle 12 zur Folge hat.

Das Leistungsanpassmodul 18 liefert eine angepasste bzw. konditionierte DC-Leistung auf Leitung 26 für bestimmte Vorrichtungen in der Brennstoffzelle 12, wie beispielsweise 380 Volt für einen Systemkompressor, der die Kathodeneingangsluft liefert. Das Leistungsanpassmodul 18 liefert auch eine angepasste DC-Leistung auf Leitung 28 an die Brennstoffzelle 12 bei einem niedrigeren Spannungspegel als dem der Leitung 26, wie beispielsweise 12 und/oder 42 Volt, um andere Brennstoffzellenkomponenten zu betreiben, wie beispielsweise Zusatzkomponenten mit niedriger Leistung. Das Leistungsanpassmodul 18 liefert auch eine DC-Leistung auf Leitung 30, um die Batterie 14 während der Zeiten zu laden, wenn die Brennstoffzelle 12 mehr Leistung liefert, als von den DG-Lasten 24 benötigt wird.

Für das das System 10 betreibende Steuersystem existieren bestimmte Einschränkungen. Insbesondere sollte ein Strom, der an der Leitung 16 von der Brennstoffzelle 12 entnommen wird (I_fuelcell), nicht den Strom überschreiten, der von dem Brennstoffzellenstapel verfügbar ist (I_maxFC). Ferner ist die Änderungsrate des Stromflusses von der Brennstoffzelle 12 aufgrund von dynamischen Gasströmungsvorgängen beschränkt. Die Strömungsdynamik wird durch Prüfung, Lebensdauerbelange wie auch Systemkomponenten gemeinsam definiert. Für diese Beschreibung ist die Strömungsdynamik beschränkt auf:

Zusätzlich sollte die Batterieabgabespannung zwischen 62 V und 70 V gehalten werden. Ein Batteriestrom während des Ladens muss begrenzt werden, um ein Aufkochen der Batterie zu vermeiden, d.h. I_batt ≥ 10 Ampere in die Batterie hinein. Auch muss die Brennstoffzellenspannung innerhalb eines bestimmten Prozentsatzes ihrer Polarisierungskurve gehalten werden. Die Brennstoffzellendiagnose würde das System abschalten, wenn diese Parameter verletzt würden, um die Brennstoffzelle vor einem irreversiblen Schaden zu schützen.

Wie oben beschrieben ist, können FCDG-Systeme Lastfolge- oder Lastausgleichsalgorithmen verwenden, um die Primärlast, die Kompressorlast wie auch die Zubehörlasten mit niedriger Leistung mit der durch die Brennstoffzelle 12 erzeugten Leistung in Ausgleich zu bringen. Wenn die Leistung auf den Leitungen 16, 20, 22, 26, 28 und 30 durch geeignete Sensoren genau gemessen werden kann und der Wirkungsgrad des Leistungsanpassmoduls 18 genau bekannt ist, kann das Leistungsgleichgewicht dann ausgedrückt werden als:

In Gleichung (2) ist P_cmp die Kompressorleistung auf Leitung 26, P_anc die Zubehörleistung auf Leitung 28, P_load die AC-Last auf Leitung 22, P_fuelcell die durch die Brennstoffzelle 12 gelieferte Leistung auf Leitung 16, P_batt die Leistung auf Leitung 20 von der Batterie 14 und η ist der Gesamtwirkungsgrad des Leistungsanpassmoduls 18.

Somit kann, wenn der Wirkungsgrad η bekannt ist und die gesamte Leistung in dem FCDG-System durch Strom- und Spannungssensoren gemessen wird, dann P_fuelcell berechnet werden. Wenn jedoch eine der Leistungsmessungen zu niedrig geschätzt ist, kann die Leistungsanforderung bewirken, dass die Batterie 14 über eine Zeitperiode entleert wird. Wenn andererseits die Sensoren die Leistungsmessungen zu hoch schätzen, arbeitet das System 10 uneffizient. Zusätzlich dazu, dass die Ströme genau gemessen werden müssen, wie hier beschrieben ist, würde ein derartiges Schema zumindest zehn Spannungs- und Stromsensoren wie auch ein vollständig entwickeltes Wirkungsgradkennfeld über den gesamten Betriebsbereich des Systems 10 erfordern. Eine derartige Technik wird daher ziemlich fehlerintolerant, teuer wie auch ineffizient sein.

Die Brennstoffzellenstöchiometrie oder das Brennstoffzellenlambda definiert die Menge an Brennstoff und Luft, die erforderlich ist, um einen bestimmten Ausgabestrom von der Brennstoffzelle zu erzeugen. Insbesondere umfasst das Brennstoffzellenlambda, das auch als Anodenstöchiometrie bezeichnet ist, die Stoffmenge (Mol) von Wasserstoff pro Sekunde, die an den Brennstoffzellenstapel geliefert wird, geteilt durch die Stoffmenge (Mol) von Wasserstoff pro Sekunde, die von dem Brennstoffzellenstapel verbraucht wird. Ähnlicherweise umfasst das Sauerstofflambda die Stoffmenge (Mol) von Sauerstoff pro Sekunde, die an den Brennstoffzellenstapel geliefert wird, geteilt durch die Stoffmenge (Mol) von Sauerstoff pro Sekunde, die von dem Stapel verbraucht wird. Wenn der Brennstoffzellenstapel perfekt arbeitet, dann wäre das Brennstofflambda und das Sauerstofflambda Eins. Da jedoch der Brennstoff und der Sauerstoff nicht den gesamten Katalysator gleichmäßig und perfekt in dem Stapel erreichen, ist mehr Brennstoff und Sauerstoff erforderlich, um einen bestimmten Ausgabestrom vorzusehen, und somit ist das Brennstofflambda und Sauerstofflambda notwendigerweise größer als Eins.

Gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung ist ein brennstoffzellenbasiertes Erzeugungssystem offenbart, das einen Lastfolgealgorithmus verwendet, der von der Brennstoffzelle auf Anforderung die gewünschte Abgabeleistung liefert. Das System umfasst einen Entnahmestromsensor, der den Strom misst, der von der Brennstoffzelle entnommen und dazu verwendet wird, die Systemlastanforderungen zu erfüllen. Der Lastfolgealgorithmus verwendet den gemessenen Entnahmestrom, um die richtige Menge an Brennstoff und Luft zu bestimmen, die auf den Stapel aufgebracht wird, um die Lastanforderungen zu erfüllen, und sieht dann einen Puffer für zusätzlichen Brennstoff und zusätzliche Luft innerhalb des Brennstoffzellenstapels vor, so dass, wenn die Lastanforderungen plötzlich ansteigen, die Brennstoffzelle die zusätzliche Abgabeleistung unmittelbar erzeugen kann. Wenn der von der Brennstoffzelle entnommene Strom sich in Ansprechen auf sich ändernde Lastanforderungen ändert, hat der Lastfolgealgorithmus zur Folge, dass die Menge an Brennstoff und Luft, die auf den Brennstoffzellenstapel aufgebracht wird, erhöht und verringert wird, so dass der Puffer für zusätzlichen Brennstoff und zusätzliche Luft im Wesentlichen konstant beibehalten wird. Dieser zusätzliche Brennstoff wie auch die zusätzliche Luft werden nicht verbraucht und können von dem Brennstoffzellenstapel ausgetragen werden. Aus Gründen des Wirkungsgrades wälzen bestimmte Einrichtungen die Gase zurück in den Stapel um, anstatt diese von dem System auszutragen.

Bei einer Ausführungsform filtert der Lastfolgealgorithmus den gemessenen Entnahmestrom durch ein Verzögerungsfilter erster Ordnung (engl. "first order lag filter"), so dass ein Rauschen von dem Sensor herausgefiltert wird, Übergänge von der Systemlast jedoch nicht herausgefiltert werden. Der gefilterte Entnahmestrom wird dann durch eine Einrichtung zur Erzeugung eines gleitenden Mittels (engl. "sliding mean") über eine vorbestimmte Anzahl von Abtastperioden gemittelt, so dass schnelle Übergänge in der Lastanforderung die Systemkomponenten nicht überfordern. Der gemittelte Entnahmestrom wird dann zu einem Pufferstrom addiert bzw. hinzugefügt, um einen Anweisungsstromeinstellpunkt zu erzeugen, der den zusätzlichen Brennstoff wie auch die zusätzliche Luft zur Folge hat. Das Anweisungssignal wird an den Brennstoffzellenstapel angelegt, um die gewünschte Strommenge für die bestimmten Systemlasten zu erzeugen.

Die Erfindung wird im Folgenden nur beispielhaft unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, in welchen:
1 ein repräsentatives schematisches Blockschaubild eines brennstoffzellenbasierten Erzeugungssystems ist;
2 ein brennstoffzellenbasiertes Erzeugungssystem ist, das einen Lastfolgealgorithmus gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet;
3 ein Schaubild ist, an dessen horizontaler Achse die Zeit und an dessen vertikaler Achse der Strom aufgetragen ist und das die Betriebsabläufe des Lastfolgealgorithmus der Erfindung zeigt; und
4 ein Blockschaubild ist, das Betriebsschritte zeigt, die durch den Lastfolgealgorithmus des in 2 gezeigten Systems ausgeführt werden.
Die folgende Beschreibung der Ausführungsform und der Erfindung, die auf ein brennstoffzellenbasiertes Erzeugungssystem gerichtet ist, das einen Lastfolgealgorithmus verwendet, ist lediglich beispielhafter Natur und nicht dazu bestimmt, die Erfindung, ihre Anwendung oder ihren Gebrauch zu beschränken.
2 ist ein schematisches Blockschaubild eines brennstoffzellenbasierten Systems 40 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das System 40 umfasst ein Brennstoffzellenmodul 42 mit einem Brennstoffzellenstapel, um einen Abgabestrom zu liefern und damit eine bestimmte Last anzutreiben. Das System 40 umfasst auch ein Leistungsanpassmodul 44 ähnlich dem Leistungsanpassmodul 18, das DC/DC-Wandler und DC/AC-Wechselrichter umfasst. Bei diesem Aufbau ist eine Systembatterie in dem Leistungsanpassmodul 44 enthalten, die die zusätzliche Leistung vorsieht, die das System 40 liefern können muss, bevor das Brennstoffzellenmodul 42 die Möglichkeit hat, während erhöhter Leistungsanforderungen seine Abgabe zu erhöhen. Die Batterie braucht für bestimmte Anwendungen nicht notwendig sein.
Das Leistungsanpassmodul 44 liefert eine AC-Leistung auf einer Ausgabeleitung 48 an verschiedene AC-Lasten 50, die das System 40 antreibt. Bei einer Ausführungsform wird das System 40 in einem Fahrzeug verwendet, um Leistung zum Antrieb des Fahrzeugs vorzusehen. Jedoch kann, wie für Fachleute offensichtlich ist, das System 40 in einem beliebigen geeigneten Brennstoffzellensystem verwendet werden, wie beispielsweise einem privaten oder gewerblichen Energieerzeugungssystem.
Gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst das System 40 einen Stromentnahmesensor 54, der den Entnahmestrom I_fuelcell von dem Brennstoffzellenmodul 42 auf Leitung 52 misst, der von dem Leistungsanpassmodul 44 entnommen wird, um die Anforderungen der Lasten 50 zu erfüllen. Der Stromsensor 54 liefert ein Signal an eine Brennstoffzellensteuereinheit 56, das den gemessenen Entnahmestrom I_fuelcell angibt. Die Brennstoffzellensteuereinheit 56 bestimmt den maximalen Entnahmestrom I_maxFC, der zur Entnahme von dem Brennstoffzellenmodul 42 verfügbar ist. Die Steuereinheit 56 liefert auch eine Anweisung I_reqFC an das Brennstoffzellenmodul 42 auf Leitung 58, die das Brennstoffzellenmodul 42 anweist, um einen bestimmten Betrag an Leistung auf Grundlage eines Lastfolgealgorithmus, der nachfolgend beschrieben ist, zu erzeugen. Mit anderen Worten bestimmt die Anweisung I_reqFC die Menge an Brennstoff und Luft, die an das Brennstoffzellenmodul 42 geliefert werden sollen, teilweise auf Grundlage der gegenwärtigen Leistungsanforderungen der Lasten 50. Das Leistungsanpassmodul 44 bestimmt den Brennstoff und die Luft, da es berücksichtigt, ob die Batterie geladen werden muss. Wie nachfolgend detaillierter beschrieben ist, hat die Anweisung I_reqFC zur Folge, dass ein Puffer von extra Brennstoff und extra Luft auf das Brennstoffzellenmodul 42 aufgebracht wird, um Übergänge der Anforderung von den Lasten zu erfüllen.
Die Stromsteuereinheit 56 sieht auch ein Stromentnahmesignal I_draw für das Leistungsanpassmodul 44 auf Leitung 60 vor, wobei die Steuereinheit 56 des Stromentnahmesignal I_draw auf den maximalen Entnahmestrom I_maxFC setzt. Somit ist es dem Leistungsanpassmodul 44 möglich, nur so viel Strom von dem Brennstoffzellenmodul 42 zu entnehmen, wie das Brennstoffzellenmodul 42 derzeit erzeugen kann, und möglich, jede weitere Leistung, die von den Lasten 50 gefordert ist, von der Batterie zu nehmen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet der Lastfolgealgorithmus den gemessenen Entnahmestrom, um die richtige Menge an Brennstoff und Luft zu bestimmen und damit die Lastanforderung für die Brennstoffzellenlambdas des Systems 40 zu erfüllen. Zusätzlich bestimmt der Lastfolgealgorithmus die notwendige Menge an zusätzlichem Brennstoff und zusätzlicher Luft, die auf das Brennstoffzellenmodul 42 aufgebracht wird, um einen Puffer für zusätzlichen verfügbaren Abgabestrom in dem Fall vorzusehen, dass die Anforderung von den Lasten 50 plötzlich ansteigt. Mit anderen Worten sieht der Lastfolgealgorithmus der vorliegenden Erfindung eine zusätzliche Menge an Brennstoff und Luft für das Brennstoffzellenmodul 42 über derjenigen vor, die notwendig ist, um die gegenwärtigen Leistungsanforderungen von den Lasten 50 zu erfüllen, so dass das Brennstoffzellenmodul 42 in der Lage ist, bei Anforderung von den Lasten 50 eine zusätzliche Abgabeleistung unmittelbar bereitstellen zu können. Der zusätzliche Brennstoff wie auch die zusätzliche Luft können Teil des Brennstoff- und Sauerstofflambdas sein oder zusätzlich zu dem Sauerstoff- und Brennstofflambda vorgesehen sein. Dieser zusätzliche Brennstoff und diese zusätzliche Luft werden von dem Brennstoffzellenmodul 42 als nicht verwendeter Brennstoff und nicht verwendete Luft ausgetragen oder können bei bestimmten Anordnungen an den Eingang des Brennstoffzellenmoduls 42 zurückgeführt werden.
3 ist Schaubild, an dessen horizontaler Achse die Zeit und an dessen vertikaler Achse der Strom aufgetragen ist und das eine graphische Darstellung des Betriebs des Lastfolgealgorithmus zeigt. Die Diagrammlinie 64 stellt den Entnahmestrom I_fuelcell dar, der von dem Leistungsanpassmodul 44 entnommen wird, um die Anforderungen der Lasten 50 zu einem bestimmten Zeitpunkt zu erfüllen. Die Diagrammlinie 66 stellt den Strom dar, den das Brennstoffzellenmodul 42 zu einem beliebigen Zeitpunkt auf Grundlage seines Brennstoff- und Lufteingangs erzeugen kann. Wie es offensichtlich ist, ist die Diagrammlinie 66 in ihrem Wert stets größer als die Diagrammlinie 64, so dass Übergänge (Spitzen) von den Lasten 50 praktisch augenblicklich versorgt werden können. Wenn die Anforderungen der Last aufwärts und abwärts verlaufen, verläuft auch der Strom, der von dem Brennstoffzellenmodul 42 verfügbar ist, aufwärts und abwärts.
4 ist ein Blockschaubild, das den Betrieb des Lastfolgealgorithmus gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt. Der gemessene Entnahmestrom von dem Sensor 54 wird an ein Verzögerungsfilter 70 erster Ordnung angelegt, das das Rauschen in dem Signal von dem Betrieb des Sensors 54 herausfiltert, jedoch nicht die Änderungen in dem gemessenen Entnahmestrom infolge der Übergänge herausfiltert. Das Filter 70 verhindert somit Änderungen in dem Eingabebrennstoff und der Eingabeluft aufgrund von Sensorrauschen. Daher werden Stromsensorschwingungen nicht an die Eingabebrennstoff- oder Luftströmungen zu dem Brennstoffzellenmodul 42 übertragen, wodurch ein unerwünschtes Pulsieren in dem System 40 vermieden wird. Das Filter 70 muss kalibriert werden, um ein Sensorrauschen zu verringern und dennoch zu erlauben, dass der Lastfolgealgorithmus auf die Übergänge schnell genug reagieren kann, um die Systemleistungsanforderungen zu erfüllen. Das Filter 70 kann ein beliebiges Filter sein, das zu den hier beschriebenen Zwecken geeignet ist, wie beispielsweise ein Kalman-Filter, ein Butterworth-Filter, ein Kerbfilter, etc.
Das gefilterte Stromsignal von dem Filter 70 wird an eine Einrichtung zur Erzeugung eines gleitenden Mittelwerts 72 (engl. "sliding mean 72") angelegt. Zusätzlich wird ein Abtastsignal von einer Abtasteinrichtung 74 an die Einrichtung zur Erzeugung eines gleitenden Mittels 72 angelegt. Die Einrichtung zur Erzeugung eines gleitenden Mittelwerts 72 erzeugt einen Durchschnitt des gefilterten Stromsignals über eine be stimmte Anzahl von Abtastungen, wobei eine jüngste Abtastung die älteste Abtastung zu jeder Abtastperiode ersetzt. Die Einrichtung zur Erzeugung eines gleitenden Mittels 72 verhindert, dass große Änderungen in dem Entnahmestrom I_fuelcell das System 40 überfordern, und verhindert ein Überladen des gewünschten Puffers für Luft und Brennstoff. Die Anzahl von Abtastungen wird durch eine Kalibrierung auf Grundlage der bestimmten Parameter des Brennstoffzellensystems 40 und der Lasten 50 bestimmt, wie beispielsweise typische Lastübergänge und dynamische Vorgänge des Brennstoffzellensystems. Bei einer Ausführungsform werden die Abtastungen alle 10 ms erzeugt, und die Anzahl von Abtastungen, die gemittelt werden, beträgt Zwanzig.
Das gemittelte Stromsignal von der Einrichtung zur Erzeugung eines gleitenden Mittelwerts 72 wird an eine Summiereinheit 76 angelegt. Zusätzlich wird ein Pufferstromsignal von einem Puffer 78 an die Summiereinheit 76 angelegt. Das Puffersignal addiert eine vorbestimmte Strommenge zu dem gemittelten Stromsignal von der Einrichtung zur Erzeugung eines gleitenden Mittelwerts 72, um die zusätzliche Brennstoff- und Luftströmung zu dem Brennstoffzellenmodul 42 vorzusehen und die oben beschriebenen Übergänge abdecken zu können. Die Puffergröße wird durch eine Kalibrierung für das bestimmte System bestimmt, die zum Beispiel erwartete Änderungen in den Entnahmestrom I_fuelcell, die Geschwindigkeit der Ventilstelleinheiten, der Größe der Systemverrohrung etc. umfasst.
Das addierte Signal von der Summiereinheit 76 wird an eine Ratenbegrenzereinheit 80 geliefert, die die Rate der Zunahme oder Abnahme der Brennstoff- und Lufteingabe zu dem Brennstoffzellenmodul 42 festlegt. Damit sollen die Änderungen in der Brennstoff- und Lufteingabe auf das dynamische Verhalten des Brennstoffzellenmoduls 42 abgestimmt werden. Mit anderen Worten basiert diese Rampenrate auf der Kompressordrehzahl, der Ventilaktuatorgeschwindigkeit, der Röhrengröße, etc. des Systems 40. Die Ausgabe der Ratenbegrenzereinheit 80 ist die Anweisung I_reqFC, die an das Brennstoffzellenmodul 42 angelegt wird.
Wie oben beschrieben ist, stellt eine Steuerschleife sicher, dass der Entnahmestrom I_fuelcell unterhalb des maximalen Entnahmestromes I_maxFC gehalten wird. Wenn jedoch der Sensor 54 ein erhebliches Rauschen aufweist, kann der maximale Entnahmestrom I_maxFC kleiner als der Entnahmestrom I_fuelcell sein. In dieser Situation wird der Batteriestrom dazu verwendet, die Lastanforderungen zu erfüllen, wenn die Batterie Teil des Systems 40 ist. Wenn jedoch diese Situation nicht erfasst wird und die Abgabe des Brennstoffzellenmoduls 42 nicht erhöht wird, kann die Batterie schließlich entleert werden. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird diese Situation dadurch verhindert, dass ein Batteriestromsensor 82 vorgesehen wird, der den Batteriestrom I_batt erfasst und ein Signal, das den Batteriestrom I_batt angibt, an die Brennstoffzellensteuereinheit 56 liefert. Wenn der Batteriestrom I_batt auf Grundlage vorbestimmter Parameter dauerhaft positiv ist, wird die Batterieleistung kontinuierlich verwendet und der Algorithmus verhindert nicht, dass der Entnahmestrom I_fuelcell unter den maximalen Entnahmestrom I_maxFC fällt. Wenn dies erfolgt, wird die Anweisung I_reqFC hochgesetzt, um sicherzustellen, dass die Batterie nicht entleert wird.
Ferner kann die Batteriespannung mit der Zeit zu driften beginnen. Um dieses Driften der Batteriespannung anpassen zu können, umfasst System 40 einen Spannungssensor 84, der die Spannung der Batterie misst. Die erfasste Batteriespannung wird an die Brennstoffzellensteuereinheit 56 angelegt, um das Stromentnahmesignal I_draw zu steuern. Die Steuereinheit 56 vergleicht die gemessene Batteriespannung mit einem Spannungseinstellpunkt, um die Spannungsdrift zu bestimmen. Die gemessene Batteriespannung hält den Ladestrom der Batterie unterhalb eines vorbestimmten Wertes, wie beispielsweise 10 Ampere. Die Steuereinheit 56 kann eine Zunahme der Anweisung I_reqFC vorsehen, um die Batterie zu laden. Jedoch ist diese Zunahme so beschränkt, dass der Ladestrom 10 Ampere nicht überschreitet.
Zusammengefasst verwendet ein brennstoffzellenbasiertes Erzeugungssystem einen Lastfolgealgorithmus, der die gewünschte Abgabeleistung von der Brennstoffzelle bei Bedarf liefert. Das System umfasst einen Entnahmestromsensor, der den von der Brennstoffzelle entnommenen Strom misst, der dazu verwendet wird, die Systemlastanforderungen zu erfüllen. Der Lastfolgealgorithmus verwendet den gemessenen Entnahmestrom, um die richtige Menge an Brennstoff und Luft zu bestimmen und damit die Lastanforderungen zu erfüllen, und sieht dann einen Puffer für zusätzlichen Brennstoff und zusätzliche Luft für die Brennstoffzelle vor, so dass, wenn die Lastanforderung plötzlich zunimmt, die Brennstoffzelle unmittelbar die zusätzliche Abgabeleistung erzeugen kann. Wenn sich der von der Brennstoffzelle entnommene Strom in Ansprechen auf sich ändernde Lastanforderungen ändert, bewirkt der Lastfolgealgorithmus, dass die Menge an Brennstoff und Luft, die auf den Brennstoffzellenstapel aufgebracht wird, zunimmt und abnimmt, so dass der Puffer für zusätzlichen Brennstoff und zusätzliche Luft im Wesentlichen konstant beibehalten wird.

Claims

Brennstoffzellenverteilungssystem zur Steuerung von auf eine Systemlast aufgebrachter Leistung, wobei das System umfasst: eine Brennstoffzelle (12) zur Erzeugung eines Entnahmestroms, wobei die Brennstoffzelle (12) auf eine Brennstoffeingabe und eine Lufteingabe anspricht; ein Leistungsanpassmodul (44), das auf den Entnahmestrom anspricht, wobei das Leistungsanpassmodul (44) den Entnahmestrom anpasst und einen angepassten Strom auf die Systemlast (50) aufbringt; einen Brennstoffzellensensor (54) zum Messen des Entnahmestroms von der Brennstoffzelle (12), wobei der Brennstoffzellensensor (54) ein Brennstoffzellensignal erzeugt, das den gemessenen Entnahmestrom angibt; und einer Brennstoffzellensteuereinheit (56), die auf das Brennstoffzellensignal anspricht, wobei die Brennstoffzellensteuereinheit (56) einen Lastfolgealgorithmus betreibt, der ein Anweisungssignal bestimmt, das an die Brennstoffzelle (12) angelegt wird und die verfügbare Abgabeleistung von der Brennstoffzelle (12) festsetzt, wobei der Lastfolgealgorithmus einen Puffer (78) für Brennstoffeingabe und Lufteingabe zu der Brennstoffzelle (12) vorsieht, so dass die Brennstoffzelle (12) unmittelbar zusätzlichen Strom oberhalb des Entnahmestroms in Ansprechen auf Übergänge von der Systemlast (50) erzeugen kann.
System nach Anspruch 1, wobei die Brennstoffzellensteuereinheit (56) ein Filter (70) zum Filtern von Rauschen in dem Brennstoffzellensignal umfasst.
System nach Anspruch 2, wobei das Filter (70) ein Verzögerungsfilter (70) erster Ordnung ist, das ein Filtern der Übergänge in dem Brennstoffzellensignal beschränkt.
System nach Anspruch 2, wobei das Filter (70) aus der Gruppe gewählt ist, die Kalman-Filter, Butterworth-Filter und Kerbfilter umfasst.
System nach Anspruch 1, wobei der Lastfolgealgorithmus das Brennstoffzellensignal über eine vorbestimmte Anzahl von Abtastperioden mittelt.
System nach Anspruch 5, wobei das gemittelte Brennstoffzellensignal mit einem Puffersignal kombiniert wird, um die zusätzliche Brennstoffeingabe und Lufteingabe vorzusehen.
System nach Anspruch 1, wobei die Brennstoffzellensteuereinheit (56) eine Ratenbegrenzereinheit (80) umfasst, um die Rate zu begrenzen, mit der die Brennstoffeingabe und die Lufteingabe auf die Brennstoffzelle (12) aufgebracht werden.
System nach Anspruch 1, ferner mit einer Batterie (14) und einem Batteriestromsensor (82) oder einem Batteriemodell, wobei die Batterie (14) einen Batteriestrom für die Systemlast (50) vorsieht, und der Batteriestromsensor (82) oder das Batteriemodell den Batteriestrom misst, wobei der Batteriestromsensor (82) ein Batteriestromsignal erzeugt, das den gemessenen Batteriestrom angibt.
System nach Anspruch 8, wobei die Brennstoffzellensteuereinheit (56) auf das Batteriestromsignal anspricht, wobei die Brennstoffzellensteuereinheit (56) die verfügbare Abgabeleistung erhöht, wenn der Batteriesensor einen vorbestimmten Batteriestrom kontinuierlich für eine vorbestimmte Zeitperiode misst.
System nach Anspruch 1, ferner mit einer Batterie (14) und einem Batteriespannungssensor (84), wobei die Batterie (14) eine Batteriespannung für die Systemlast (50) vorsieht und der Batteriespannungssensor (84) die Batteriespannung misst, wobei der Batteriespannungssensor (84) ein Batteriespannungssignal erzeugt, das die gemessene Batteriespannung angibt.
System nach Anspruch 10, wobei die Brennstoffzellensteuereinheit (56) auf das Batteriespannungssignal anspricht, wobei die Brennstoffzellensteuereinheit (56) eine Batteriespannungsdrift überwacht und einen Ladestrom, der auf die Batterie (14) aufgebracht wird, bestimmt.
System nach Anspruch 1, wobei das System Leistung für ein Fahrzeug vorsieht.
Brennstoffzellenverteilungssystem zur Steuerung von Leistung, die auf eine Systemlast (50) aufgebracht wird, wobei das System umfasst: eine Brennstoffzelle (12) zur Erzeugung eines Entnahmestroms, wobei die Brennstoffzelle (12) auf eine Brennstoffeingabe und eine Lufteingabe anspricht; ein Leistungsanpassmodul (44), das auf den Entnahmestrom anspricht, wobei das Leistungsanpassmodul (44) den Entnahmestrom anpasst und einen anpassten Strom auf die Systemlast (50) aufbringt; einen Brennstoffzellensensor (54) zum Messen des Entnahmestroms von der Brennstoffzelle (12), wobei der Brennstoffzellensensor (54) ein Brennstoffzellensignal erzeugt, das den gemessenen Entnahmestrom angibt; und einer Brennstoffzellensteuereinheit (56), die auf das Brennstoffzellensignal anspricht, wobei die Brennstoffzellensteuereinheit (56) einen Lastfolgealgorithmus betreibt, der ein Anweisungssignal bestimmt, das an die Brennstoffzelle (12) angelegt wird und die verfügbare Abgabeleistung von der Brennstoffzelle (12) festsetzt, wobei der Lastfolgealgorithmus einen Puffer (78) für Brennstoffeingabe und Lufteingabe zu der Brennstoffzelle (12) vorsieht, so dass die Brennstoffzelle (12) unmittelbar zusätzlichen Strom oberhalb des Entnahmestroms in Ansprechen auf Übergänge von der Systemlast (50) erzeugen kann, wobei die Lastbrennstoffzellensteuereinheit (56) ein Verzögerungsfilter (70) erster Ordnung umfasst, um ein Rauschen in dem Brennstoffzellensignal zu filtern und ein Filtern der Übergänge in dem Brennstoffzellensignal zu beschränken, wobei der Lastfolgealgorithmus das gefilterte Brennstoffzellensignal über eine vorbestimmte Anzahl von Abtastperioden mittelt, wobei das gemittelte Brennstoffzellensignal mit einem Puffer (78) signal kombiniert wird, um die zusätzliche Brennstoffeingabe und zusätzliche Lufteingabe vorzusehen.
System nach Anspruch 13, wobei das Filter (70) aus der Gruppe gewählt ist, die Kalman-Filter, Butterworth-Filter und Kerbfilter umfasst.
System nach Anspruch 13, wobei die Brennstoffzellensteuereinheit (56) eine Ratenbegrenzereinheit (80) umfasst, um die Rate zu begrenzen, mit der die Brennstoffeingabe und die Lufteingabe auf die Brennstoffzelle (12) aufgebracht werden.
System nach Anspruch 13, ferner mit einer Batterie (14) und einem Batteriestromsensor (82), wobei die Batterie (14) einen Batteriestrom für die Systemlast (50) liefert und der Batteriestromsensor (82) den Batteriestrom misst, wobei der Batteriestromsensor (82) ein Batteriestromsignal erzeugt, das den gemessenen Batteriestrom angibt, und wobei die Brennstoffzellensteuereinheit (56) auf das Batteriestromsignal anspricht, wobei die Brennstoffzellensteuereinheit (56) die verfügbare Abgabeleistung erhöht, wenn der Batteriesensor einen vorbestimmten Batteriestrom kontinuierlich für eine vorbestimmte Zeitperiode misst.
System nach Anspruch 13 ferner mit einer Batterie (14) und einem Batteriespannungssensor (84), wobei die Batterie (14) eine Batteriespannung für die System last (50) liefert und der Batteriespannungssensor (84) die Batteriespannung misst, wobei der Batteriespannungssensor (84) ein Batteriespannungssignal erzeugt, das die gemessene Batteriespannung angibt, und wobei die Brennstoffzellensteuereinheit (56) auf das Batteriespannungssignal anspricht, wobei die Brennstoffzellensteuereinheit (56) eine Batteriespannungsdrift überwacht und einen an die Batterie (14) angelegten Ladestrom bestimmt.
Verfahren zum Verteilen von Leistung von einer Brennstoffzelle (12) an eine Last (50), wobei das Verfahren umfasst, dass: Brennstoff an die Brennstoffzelle (12) geliefert wird; Luft an die Brennstoffzelle (12) geliefert wird; Strom von der Brennstoffzelle (12) an ein Leistungsanpassmodul (44) entnommen wird; der Entnahmestrom in dem Leistungsanpassmodul (44) anpasst wird; der anpasste Entnahmestrom auf die Last (50) aufgebracht wird; der Entnahmestrom von der Brennstoffzelle (12) gemessen wird; und ein Anweisungssignal an die Brennstoffzelle (12) geliefert wird, das den Brennstoff und die Luft an die Brennstoffzelle (12) und die verfügbare Abgabeleistung von der Brennstoffzelle (12) festlegt, wobei das Anweisungssignal eine vorbestimmte zusätzliche Menge an Brennstoff und Luft an die Brennstoffzelle (12) liefert, so dass die Brennstoffzelle (12) eine zusätzliche Abgabeleistung unmittelbar in Ansprechen auf eine erhöhte Anforderung von der Last (50) erzeugen kann.
Verfahren nach Anspruch 18, ferner umfassend, dass der gemessene Entnahmestrom durch ein Verzögerungsfilter (70) erster Ordnung gefiltert wird.
Verfahren nach Anspruch 18, ferner umfassend, dass der gemessene Entnahmestrom über eine vorbestimmte Anzahl von Abtastperioden gemittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 18, ferner umfassend, dass ein Batteriestrom von einer Batterie (14) gemessen wird und die verfügbare Abgabeleistung erhöht wird, wenn der gemessene Batteriestrom für eine vorbestimmte Zeitperiode kontinuierlich über einer vorbestimmten Größe liegt.
Verfahren nach Anspruch 18, ferner umfassend, dass die Batteriespannung von einer Batterie (14) und einem Batteriespannungssensor (84) gemessen und eine Batteriespannungsdrift überwacht wird.