DE102007035217B4 - Energy supply system and method for its operation - Google Patents

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Abstract

Energieversorgungssystem (1, 100) für wenigstens eine elektrische Last (21) mit einem mehrere Polymerelektrolytbrennstoffzellen (5) umfassenden Brennstoffzellenstapel (3, 3'), der mit wasserstoffhaltigem Gas und Umgebungsluft betreibbar ist, und einem elektrischen Sekundärakkumulator (7), der durch die elektrische Energie des Brennstoffzellenstapels (3, 3') als temporärer Zwischenspeicher aufladbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoffzellenstapel (3, 3'), dessen Zellenzahl auf die Leerlaufspannung des Sekundärakkumulators (7) abgestimmt ist und sich in einem Betriebsbereich (B) mit einem Spannungsniveau befindet, und der Sekundärakkumulator (7) über einen stromsteuernden Halbleiter (43) elektrisch durchverbunden sind (9) und der Brennstoffzellenstapel (3, 3') in dem Betriebsbereich (B) die Spannung des Energieversorgungssystems (1, 100) bestimmt, sodass ein Entladen des Sekundärakkumulators (7) über den Brennstoffzellenstapel (3, 3') unmöglich ist.A power supply system (1, 100) for at least one electrical load (21) comprising a fuel cell stack (3, 3 ') comprising a plurality of polymer electrolyte fuel cells (5) operable with hydrogen-containing gas and ambient air and a secondary secondary electric accumulator (7) powered by the electrical energy of the fuel cell stack (3, 3 ') as a temporary temporary storage is chargeable, characterized in that the fuel cell stack (3, 3') whose cell number is matched to the open circuit voltage of the secondary accumulator (7) and in an operating range (B) with is a voltage level, and the secondary accumulator (7) via a current-controlling semiconductor (43) are electrically interconnected (9) and the fuel cell stack (3, 3 ') in the operating range (B), the voltage of the power supply system (1, 100) determines a discharge of the secondary accumulator (7) via the fuel cell stack (3, 3 ') is impossible.

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Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Energieversorgungssystem auf Brennstoffzellenbasis mit einem wiederaufladbaren Akkumulator, einem sog. Sekundärakkumulator.The present invention relates to a fuel cell-based power supply system having a rechargeable battery, a so-called secondary battery.

In den letzten Jahrzehnten sind verstärkt Brennstoffzellensysteme entwickelt worden, die insbesondere auf Basis eines Festelektrolyten, wie z. B. einer Polymerelektrolytmembran, zwei Reaktanden, z. B. Umgebungsluft und Wasserstoff, kontrolliert reagieren lassen können und den bei der Redox-Reaktion entstehenden elektrischen Strom bzw. die elektrische Spannung zur Verfügung stellen können. Neben den Systemen, die ausschließlich auf Brennstoffzellen als einzige Energieumwandlungsquelle zurückgreifen, gibt es sog. Hybridsysteme, die sich dadurch auszeichnen, dass elektrische Energie, die aus den Brennstoffzellen stammt, in einem elektrochemischen Akkumulator, insbesondere einer wiederaufladbaren Batterie, zwischengespeichert werden kann.In recent decades, reinforced fuel cell systems have been developed, which in particular based on a solid electrolyte, such. B. a polymer electrolyte membrane, two reactants, for. As ambient air and hydrogen, can react in a controlled manner and can provide the resulting in the redox reaction electric current or the electrical voltage available. In addition to the systems that rely solely on fuel cells as the only energy conversion source, there are so-called. Hybrid systems, which are characterized in that electrical energy that comes from the fuel cell in an electrochemical accumulator, especially a rechargeable battery can be cached.

Die PCT-Patentanmeldung WO 01/78176 A1 (Anmelderin: Avista Laborstories, Inc., Prioritätstag: 7. April 2000), auch veröffentlicht als EP 1 273 059 A1 führt detailliert aus, wie problematisch es ist, Brennstoffzellen, insbesondere mit einer Polymerelektrolytmembran, an einen Akkumulator anzuschließen, weil das Brennstoffzellenspannungsverhalten in Abhängigkeit des gezogenen Stroms und der an die Brennstoffzelle angeschlossenen Last in weiten Teilen variabel ist. Bei hohen Lastwechseln erfährt die Brennstoffzelle unter anderem Dehydrationszustände, die dazu führen, dass die Membran irreversibel geschädigt sein kann. Daher wird in der Patentanmeldung vorgeschlagen, einen DC/DC-Wandler einzusetzen, der zahlreiche Sensoren zur Ermittlung des Systemzustandes der Energieversorgungseinheit aufweist. Die Situation wird dann noch komplizierter, wenn mehrere Brennstoffzellensysteme skaliert zu einem Brennstoffzellenfeld zusammengeschaltet werden sollen. So wird in der US 2005 0112 428 A1 (Anmelderin: Hydrogenics Corp., Prioritätstag: 23. Oktober 2003) vorgeschlagen, nicht nur jedes einzelne Brennstoffzellenmodul mit einer eigenen Steuereinheit auszustatten, sondern darüber hinaus die einzelnen Module untereinander auch noch mit einem übergeordneten, einem sog. Master-Steuer-System zusammenzuschließen, dem über zahlreiche Sensoren der Zustand der gesamten Energieversorgungseinheit zur Verfügung gestellt werden soll. Aus den Druckschriften ist eine Tendenz abzulesen, durch immer mehr Schaltungslogik die Brennstoffzellensteuerung und Brennstoffzellenüberwachung bzw. das Verschalten mehrerer einzelner Brennstoffzellen mit Akkumulatoren in den Griff zu kriegen.The PCT patent application WO 01/78176 A1 (Applicant: Avista Laboratories, Inc., priority date: April 7, 2000), also published as EP 1 273 059 A1 describes in detail how problematic it is to connect fuel cells, in particular with a polymer electrolyte membrane, to an accumulator because the fuel cell voltage behavior is largely variable depending on the current drawn and the load connected to the fuel cell. During high load changes, the fuel cell undergoes, inter alia, dehydration conditions which cause the membrane to be irreversibly damaged. Therefore, it is proposed in the patent application to use a DC / DC converter having numerous sensors for determining the system state of the power supply unit. The situation becomes even more complicated when several fuel cell systems are scaled together to form a fuel cell array. So will in the US 2005 0112 428 A1 (Applicant: Hydrogenics Corp., priority date: October 23, 2003) proposed not only to equip each individual fuel cell module with its own control unit, but also to interconnect the individual modules with one another, a so-called master control system. which is to be provided via numerous sensors, the state of the entire power supply unit. From the pamphlets is a tendency read by getting more and more circuit logic to get the fuel cell control and fuel cell monitoring or the interconnection of several individual fuel cells with batteries under control.

Eine weitere Schaltungsvariante eines Energieversorgungssystems auf Batteriebasis kann der US 2004 016 47 02 A1 (Anmelder: D. Holmes, Anmeldetag: 20.02.2003) entnommen werden, bei der die Brennstoffzelle als Rückfalllösung dienen soll, wenn die Energieversorgung über eine Wechselstromquelle nicht mehr zur Verfügung steht. Hierzu werden einzelne Ladeströme für die Batterie überwacht.A further circuit variant of a battery-based power supply system may be the US 2004 016 47 02 A1 (Applicant: D. Holmes, filing date: 20.02.2003) in which the fuel cell is to serve as a fallback solution when the power supply via an AC power source is no longer available. For this purpose, individual charging currents for the battery are monitored.

Eine Schaltungsvariante, bei der die Anordnung zwischen elektrischem Ladespeicher, in dem Fall eine Ultrakapazität, und mehreren Brennstoffzelleneinheiten umgetauscht worden ist, kann der PCT-Anmeldung WO 2006 093 862 A2 (Anmelderin: Relion Inc., Prioritätstag 28. Februar 2005) entnommen werden. Auch hier werden die einzelnen Stromquellen über Konverterschaltungen miteinander gekoppelt. Die beiden Patentanmeldungen WO 2006 113 985 A1 (Anmelderin: Hydrogenics Corp., Prioritätstag: 27. April 2005) und DE 195 17 813 A1 (Anmelderin: Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg, Anmeldetag: 18 Mai 1995) konzentrieren sich gegenüber den zuvor benannten Druckschriften an der besseren Betriebsweise einer Brennstoffzelle, so dass die Risiken einer Schädigung möglichst gering gehalten werden sollen. Insbesondere die Idee, für Phosphorsäure-Brennstoffzellen ( DE 195 17 813 A1 ) die Vorlauftemperatur und die Rücklauftemperatur eines über einen Kühlkreislauf gekühlten Brennstoffzellenstapels zu regeln, scheint in die richtige Richtung zu gehen, wobei die vorgeschlagene Anwendung nur dann zum Einsatz kommen kann, wenn es sich um flüssig gekühlte, insbesondere durch Wasser gekühlte, Brennstoffzellensysteme handelt.A circuit variant in which the arrangement between the electrical charge storage, in this case an ultra-capacity, and a plurality of fuel cell units has been exchanged, can be the PCT application WO 2006 093 862 A2 (Applicant: Relion Inc., priority date February 28, 2005). Again, the individual power sources are coupled together via converter circuits. The two patent applications WO 2006 113 985 A1 (Applicant: Hydrogenics Corp., priority date: 27 April 2005) and DE 195 17 813 A1 (Applicant: Center for Solar Energy and Hydrogen Research Baden-Württemberg, filing date: 18 May 1995) focus on the improved operation of a fuel cell compared to the previously mentioned documents, so that the risks of damage should be kept as low as possible. In particular, the idea for phosphoric acid fuel cells ( DE 195 17 813 A1 ) to regulate the flow temperature and the return temperature of a cooled over a cooling circuit fuel cell stack seems to go in the right direction, the proposed application can only be used when it comes to liquid cooled, in particular cooled by water, fuel cell systems.

In den vier Druckschriften WO 03 107 464 A2 , DE 102 40 763 A1 , DE 102 23 117 A1 und DE 24 24 032 A sind unterschiedliche Ausgestaltungen offenbart, wie Batterien bzw. Akkumulatoren zusammen mit Brennstoffzellen verschaltet werden können. Die WO 03 107 464 A2 zeigt zahlreiche unterschiedliche direkt gekoppelte Schaltungsvarianten zwischen einer Brennstoffzelle, die als Direktmethanolbrennstoffzelle betrieben wird, und einem Stützakkumulator. Das vorrangige Ziel der Druckschrift ist es, ein System zu offenbaren, bei dem die Spannung möglichst ohne Spannungsverluste an den Anschlussklemmen zur Verfügung gestellt wird. Aus diesem Grund wird die Brennstoffzelle möglichst stabil betrieben. Ein etwas anderes Konzept ist in der DE 102 40 763 A1 zu sehen, die vorschlägt, Kennlinien der Brennstoffzelle und des Akkumulators möglichst gut aufeinander abzustimmen. Wie dies theoretisch zu bewerkstelligen ist, kann besonders leicht aus der 6 entnommen werden. Abweichend von dem Konzept der Spannungsanpassungen gibt es auch Systeme, so z. B. nach DE 102 23 117 A1 , die eine Stromregelung der Brennstoffzelle in den Vordergrund rücken. Spannungen werden maximal als Grenzwerte berücksichtigt. Um den Akkumulator nicht unnötig zu belasten, wird in der DE 24 24 032 A vorgeschlagen, nur einen gepulsten Strom aus dem Akkumulator zu beziehen.In the four pamphlets WO 03 107 464 A2 . DE 102 40 763 A1 . DE 102 23 117 A1 and DE 24 24 032 A different configurations are disclosed how batteries or accumulators can be connected together with fuel cells. The WO 03 107 464 A2 shows numerous different directly coupled circuit variants between a fuel cell, which is operated as a direct methanol fuel cell, and a Stützakkumulator. The primary aim of the document is to disclose a system in which the voltage is provided as possible without voltage losses at the terminals. For this reason, the fuel cell is operated as stable as possible. A slightly different concept is in the DE 102 40 763 A1 to be seen, which proposes to tune characteristics of the fuel cell and the accumulator as well as possible. How to do this theoretically, can be particularly easily from the 6 be removed. Deviating from the concept of voltage adjustments, there are also systems such. B. after DE 102 23 117 A1 , which bring a flow control of the fuel cell in the foreground. Voltages are considered maximum as limit values. In order not to burden the accumulator unnecessarily, is in the DE 24 24 032 A proposed to obtain only one pulsed current from the accumulator.

Spannungsanpassungen können auch dadurch durchgeführt werden, dass ein spezieller Hochsetzsteller zunächst hinter der Brennstoffzelle angeordnet wird, wie z. B. in der US 6 930 897 B2 ausführlich beschrieben. Andere Systeme, die Spannungen anpassen wollen, damit diese an Motoren geliefert. werden können, lassen sich z. B. der US 5 780 980 A und WO 2007 015 146 A2 entnehmen.Voltage adjustments can also be carried out by first placing a special boost converter behind the fuel cell, such as a fuel cell. B. in the US Pat. No. 6,930,897 B2 described in detail. Other systems that want to adjust voltages to be delivered to motors. can be, z. B. the US 5,780,980 A and WO 2007 015 146 A2 remove.

Die WO 2005 004 261 A2 legt den Finger in eine besondere Wunde, die jedes Brennstoffzellensystem aufweist. Brennstoffzellen können je nach Betriebsweise einer besonderen Degradation ausgesetzt sein.The WO 2005 004 261 A2 puts your finger in a special wound that has every fuel cell system. Depending on the mode of operation, fuel cells may be exposed to particular degradation.

Es ist daher sinnvoll, ein Energieversorgungssystem aufbauen zu können, das möglichst langzeitstabil mit möglichst geringen Degradationseigenschaften für das Brennstoffzellensystem realisierbar ist.It therefore makes sense to be able to build an energy supply system that can be realized as long-term as possible with the lowest possible degradation properties for the fuel cell system.

Die erfindungsgemäße Aufgabe wird durch ein Energieversorgungssystem nach Anspruch 1 gelöst. Ein vorteilhaftes Verfahren kann dem Anspruch 26 entnommen werden.The object of the invention is achieved by a power supply system according to claim 1. An advantageous method can be taken from claim 26.

Vorteilhafte Ausgestaltungen sind den abhängigen Ansprüchen zu entnehmen.Advantageous embodiments can be found in the dependent claims.

Die Erfindung bezieht sich auf ein Energieversorgungssystem. Das Energieversorgungssystem ist dazu bestimmt, unter anderem elektrische Energie in Form von elektrischem Strom und elektrischer Spannung für einen Verbraucher bzw. eine Last zur Verfügung zu stellen. Im Sinne der vorliegenden Erfindung werden als Last die anzuschließenden Geräte, Gegenstände und Anlagen bezeichnet, die die elektrische Energie des Energieversorgungsystems umwandeln, d. h., so zu sagen verbrauchen, weiterleiten, insbesondere verändert weiterleiten, oder in ihrer elektrischen Form anpassen. Das Energieversorgungssystem kann als Insellösung, das bedeutet, alleinstehend, genutzt werden. Daneben kann das Energieversorgungssystem noch andere Formen der Energie zur Verfügung stellen, zum Beispiel Abwärme als thermische Energie – auch als Heizenergie bezeichnet. Verschiedene einzelne Brennstoffzellen sind zu einem Brennstoffzellenstapel zusammengefasst. Durch die Membran zeichnet sich der Brennstoffzellenstapel als Polymerelektrolytmembranbrennstoffzelle in einer Ausgestaltung aus. Alternative Ausgestaltungen mit einem fixierten Elektrolyten können unter bestimmten Umständen ebenfalls aufgebaut werden. Die Brennstoffzellen werden mit Wasserstoff aus einer Wasserstoffquelle wie einem Wasserstofftank auf der Anodenseite versorgt. Auf der Kathodenseite wird die Umgebungsluft als Recktand zur Verfügung gestellt. Weiterhin hat das Energieversorgungssystem einen elektrochemischen Speicher. Es handelt sich um einen elektrischen Sekundärakkumulator, der be- und entladen werden kann. Der Sekundärakkumulator dient als elektrischer Zwischenspeicher der in dem Brennstoffzellenstapel umgesetzten Energie. Somit stellt der Brennstoffzellenstapel die primäre Quelle des elektrischen Stroms dar. Der Sekundärakkumulator ist die sekundäre Quelle des elektrischen Stroms. Je nach Betriebsweise des Energieversorgungssystems kann der abzugebende Strom aus dem Strom der Brennstoffzellen und dem Sekundärakkumulator addiert werden. Brennstoffzellenstapel und Sekundärakkumulator sind so miteinander verschaltet, dass beide auf dem gleichen Spannungsniveau liegen.The invention relates to a power supply system. The power supply system is designed, inter alia, to provide electrical energy in the form of electrical current and voltage for a load or a load. For the purposes of the present invention are referred to as the load to be connected devices, objects and equipment that convert the electrical energy of the power system, d. h., so to speak, consume, pass on, in particular change forward, or adapt in their electrical form. The energy supply system can be used as a stand-alone solution, that is, stand-alone. In addition, the energy supply system can provide other forms of energy available, for example, waste heat as thermal energy - also referred to as heating energy. Various individual fuel cells are combined to form a fuel cell stack. Through the membrane, the fuel cell stack is characterized as a polymer electrolyte membrane fuel cell in one embodiment. Alternative configurations with a fixed electrolyte may also be established under certain circumstances. The fuel cells are supplied with hydrogen from a hydrogen source such as a hydrogen tank on the anode side. On the cathode side, the ambient air is provided as reactant. Furthermore, the power supply system has an electrochemical storage. It is an electrical secondary accumulator that can be charged and discharged. The secondary accumulator serves as an electrical buffer of the energy converted in the fuel cell stack. Thus, the fuel cell stack is the primary source of electrical power. The secondary battery is the secondary source of electrical power. Depending on the mode of operation of the energy supply system, the current to be dispensed can be added from the flow of the fuel cells and the secondary accumulator. Fuel cell stack and secondary accumulator are interconnected so that both are at the same voltage level.

Der Brennstoffzellenstapel und der Sekundärakkumulator sind miteinander elektrisch gekoppelt. Sie stehen in direkter elektrischer Verbindung. Hierbei ist mit dem Begriff „direkte elektrische Verbindung” gemeint, dass keine galvanische Entkopplung zwischen Brennstoffzellenstapel und Sekundärakkumulator gegeben ist. Die beiden Energiequellen sind galvanisch entkopplungsfrei. Der Begriff ist hier im Sinne der elektrotechnischen Definitionenbildung zu verstehen, nämlich dass die sich bildenden zwei Stromkreise mit jeweils einer Energiequelle einen gemeinsamen Zweipol haben. Nach einer Ausgestaltung können zwar einzelne elektrische Bauteile, auch Halbleiter wie Dioden oder Mos-FETs, zwischen dem Brennstoffzellenstapel und dem Sekundärakkumulator angeordnet sein, insbesondere in einer solchen Schaltungsvariante, dass der elektrische Strom gesteuert werden kann, zum Beispiel durch eine Stromflussrichtungsbestimmung vom Brennstoffzellenstapel zu dem Sekundärakkumulator, aber die beiden Energiequellen der Energieversorgungseinheit sind immer noch direkt im Sinne einer Stromschleife miteinander verbunden.The fuel cell stack and the secondary accumulator are electrically coupled together. They are in direct electrical connection. Here, the term "direct electrical connection" means that there is no galvanic decoupling between fuel cell stack and secondary accumulator. The two energy sources are galvanically decoupling-free. The term is to be understood here in the sense of the definition of electrical engineering, namely that the forming two circuits each having a power source have a common dipole. According to one embodiment, individual electrical components, including semiconductors such as diodes or MOSFETs, may be arranged between the fuel cell stack and the secondary accumulator, in particular in such a circuit variant that the electric current can be controlled, for example by a Stromflussrichtungsbestimmung from the fuel cell stack to the Secondary accumulator, but the two energy sources of the power supply unit are still connected to each other directly in the sense of a current loop.

Insbesondere durch die Betriebsweise des Brennstoffzellenstapels erspart sich die Energieversorgungseinheit der vorliegenden Erfindung das aufwändige spannungsmäßige Trennen zwischen den beiden Strom- und Spannungsquellen, Brennstoffzellenstapel und Sekundärakkumulator. Der Brennstoffzellenstapel wird so betrieben, dass er die Spannung des Systems vorgibt. Als Spannungsquelle führt der Brennstoffzellenstapel den Sekundärakkumulator.In particular, by the operation of the fuel cell stack saves the power supply unit of the present invention, the complex voltage separation between the two power and voltage sources, fuel cell stack and secondary accumulator. The fuel cell stack is operated to dictate the voltage of the system. As a voltage source, the fuel cell stack leads the secondary accumulator.

In einer erfindungsgemäßen Schaltungsrealisierung zwischen Brennstoffzellenstapel und Sekundärakkumulator liegen beide Stromquellen auf dem gleichen Spannungsniveau. Das Spannungsniveau zwischen beiden Quellen wird durch eine direkte Verkopplung der jeweiligen positiven und negativen Seiten der Quellen hergestellt. Wenn möglichst wenige elektrische und elektronische Bauteile in dem Strompfad zwischen Brennstoffzellenstapel und Sekundärakkumulator angeordnet sind, kann das gleiche Spannungsniveau eingehalten werden, denn der Spannungsabfall über die zwischengeschalteten Bauteile ist im Vergleich zu dem Spannungsniveau des Brennstoffzellenstapels, das nach einer Ausgestaltung zwischen 36 V und 60 V variieren kann, nur gering, denn er liegt im Prozent- oder sogar nur im Promillbereich des regulären Betriebsspannungsniveaus. In a circuit realization according to the invention between fuel cell stack and secondary accumulator, both current sources are at the same voltage level. The voltage level between both sources is established by direct coupling of the respective positive and negative sides of the sources. If as few electrical and electronic components are arranged in the current path between the fuel cell stack and secondary accumulator, the same voltage level can be maintained because the voltage drop across the intermediate components is compared to the voltage level of the fuel cell stack, which in one embodiment between 36 V and 60 V. can vary, only slightly, because it is in the percent or even only in the promill range of the regular operating voltage level.

Nach einer weiteren Ausgestaltung ist die elektrische Kopplung zwischen Brennstoffzellenstapel und Sekundärakkumulator so hergestellt, dass für die elektrische Übertragung der elektrischen Energie keine elektromagnetische Kopplung, wie zum Beispiel eine Trennspule, zwischengeschaltet ist. Die Verschaltung ist somit trennspulenfrei. Die Schaltung ist somit wandlerfrei. Die Verschaltung zwischen Brennstoffzellenstapel und Akkumulator ist DC/DC-wandlerfrei. Die Verschaltung der beiden Energiequellen arbeitet mit einem einzigen Spannungsbereich, was die Energieversorgungseinheit einfacher gestaltet.According to a further embodiment, the electrical coupling between the fuel cell stack and the secondary accumulator is produced such that no electromagnetic coupling, such as a separating coil, is interposed for the electrical transmission of the electrical energy. The interconnection is thus independent of coil. The circuit is thus converter-free. The interconnection between fuel cell stack and accumulator is DC / DC converter free. The interconnection of the two energy sources works with a single voltage range, which makes the power supply unit simpler.

In einem entsprechenden Energieversorgungssystem sind der Brennstoffzellenstapel und der Akkumulator nach einer Ausgestaltung direkt über einen Schalter miteinander gekoppelt. Ein solcher Schalter kann elektronisch, elektrisch oder mechanisch realisiert werden. Wenn der Schalter ein elektronischer Schalter ist, kann er zum Beispiel ein Mos-FET oder ein Bipolar-Transistor sein. Wenn der Schalter ein elektro-mechanischer Schalter ist, kann er zum Beispiel ein Relais, ein Bi-Metall-Schalter oder ein Kontaktschalter sein. Bei einer geeigneten Betriebsführung schaltet der Schalter den Brennstoffzellenstapel frei, wenn der Brennstoffzellenstapel in einem zuverlässigen Betriebsbereich geführt ist.In a corresponding energy supply system, the fuel cell stack and the accumulator are coupled to each other according to an embodiment directly via a switch. Such a switch can be realized electronically, electrically or mechanically. When the switch is an electronic switch, it may be, for example, a MOSFET or a bipolar transistor. When the switch is an electro-mechanical switch, it may be, for example, a relay, a bi-metal switch or a contact switch. With proper operation, the switch releases the fuel cell stack when the fuel cell stack is in a reliable operating range.

Ein weiterer Schalter lässt sich zur elektrischen Last hin in den Stromkreis einfügen. Mit dem Schalter vor der elektrischen Last kann, insbesondere durch die Berechnungseinheit, die elektrische Last verzögert und nachträglich an- und abgeschaltet werden.Another switch can be inserted into the circuit for electrical load. With the switch in front of the electrical load, in particular by the calculation unit, the electrical load can be delayed and subsequently switched on and off.

Als Schalter im Sinne dieser Erfindung werden auch Doppelschalter verstanden, die sowohl die positive wie auch die negative Spannung bzw. die virtuelle Masse abkoppeln können.As a switch in the context of this invention, double switches are understood that can decouple both the positive and the negative voltage or the virtual ground.

Die maximale Ladespannung des Akkumulators ist bei einer günstigen Betriebsweise kleiner als der Betriebsspannungsbereich der elektrischen Last.The maximum charging voltage of the accumulator is less than the operating voltage range of the electrical load in a favorable mode of operation.

Das Energieversorgungssystem kann so betrieben werden, dass sich die minimale Anzahl der Brennstoffzellenelemente in dem Brennstoffzellenstapel durch den Quotienten aus der Untergrenze des Betriebsspannungsbereichs der elektrischen Last und der minimalen Betriebsspannung der Brennstoffzellenelemente bestimmt. Die minimale Betriebsspannung wird nach einem Entwurf auf z. B. 0,58 V festgesetzt. Zugleich wird der Quotient aus der Ladeendspannung des Akkumulators und der maximalen Betriebsspannung der Brennstoffzellenelemente als Obergrenze beachtet. Die Obergrenze kann zum Beispiel bei 0,85 V liegen. Die zu erwartende elektrische Last wird berücksichtigt. Die Spannung bleibt somit immer größer als die Ladeendspannung. Bei Beachtung aller Grenzen kann ein sicherer Betrieb – ein zerstörungsfreier Betrieb – sichergestellt werde. Dann ist das Energieversorgungssystem so ausgelegt, dass die maximale Anzahl der Brennstoffzellenelemente in dem Brennstoffzellenstapel den Quotienten aus der maximalen Betriebsspannung der elektrischen Last und der maximalen Betriebspannung der Brennstoffzellenelemente des Brennstoffzellenstapel (0,85 V) nicht überschreitet.The power supply system may be operated so that the minimum number of fuel cell elements in the fuel cell stack is determined by the quotient of the lower limit of the operating voltage range of the electrical load and the minimum operating voltage of the fuel cell elements. The minimum operating voltage is based on a design on z. B. set 0.58 V. At the same time, the quotient of the charge end voltage of the accumulator and the maximum operating voltage of the fuel cell elements is considered as the upper limit. The upper limit may be, for example, 0.85V. The expected electrical load is taken into account. The voltage thus always remains greater than the Ladeendspannung. If all limits are observed, safe operation - non-destructive operation - can be ensured. Then, the power supply system is designed so that the maximum number of fuel cell elements in the fuel cell stack does not exceed the quotient of the maximum operating voltage of the electric load and the maximum operating voltage of the fuel cell elements of the fuel cell stack (0.85 V).

Die Anzahl der Brennstoffzellen in dem Stapel ist auf das Lastspannungsniveau abgestimmt. So kann das gesamte System für 48 V ausgelegt sein. Genauso kann das Lichtstromnetz nachgebildet werden, so dass das gesamte System für 230 V ausgelegt ist.The number of fuel cells in the stack is matched to the load voltage level. So the whole system can be designed for 48V. Likewise, the luminous flux network can be simulated, so that the entire system is designed for 230 V.

Die Spannungsführung des Brennstoffzellenstapels erfolgt so, dass, obwohl die Leerlaufspannung theoretisch bei einer Reaktion zwischen Wasserstoff und Sauerstoff bei 1,29 V liegt, eine obere Betriebsspannung einer Einzelzelle des Brennstoffzellenstapels nicht 0,85 V überschreitet. Die Spannung bleibt permanent unterhalb von 0,85 V. Die Einzelzellen des Brennstoffzellenstapels arbeiten bei dieser Betriebsweise immer unterhalb dieses oberen Spannungsniveaus.The voltage routing of the fuel cell stack is such that, although the open circuit voltage is theoretically at 1.29V in a hydrogen to oxygen reaction, an upper operating voltage of a single cell of the fuel cell stack does not exceed 0.85V. The voltage remains permanently below 0.85 V. The individual cells of the fuel cell stack work in this mode always below this upper voltage level.

Die Zellenzahl des Brennstoffzellenstapels ist auf die Leerlaufspannung des Akkumulators abgestimmt. Zwischen beiden ist ein Faktor gebildet. Der sich aus dem Faktor ergebende ganzzahlige Anteil ±2 weitere Zellen ist die Anzahl der Brennstoffzellen, die parallel zum Akkumulator geschaltet werden. The cell number of the fuel cell stack is matched to the open circuit voltage of the battery. Between both a factor is formed. The integer fraction ± 2 other cells resulting from the factor is the number of fuel cells connected in parallel to the accumulator.

Der Brennstoffzellenstapel im Energieversorgungssystem wird vorteilhaft überstöchiometrisch geführt. Durch die Überstöchiometrie wird ein stabiles Spannungsniveau ermöglicht. Die Anode ist unter einer Versorgung mit einer Druckregelung betreibbar. Alternativ kann die Anode mit einem Wasserstoffrezirkulationskreis verbunden sein.The fuel cell stack in the energy supply system is advantageously guided overstoichiometric. The superstoichiometry enables a stable voltage level. The anode is operable under a supply with a pressure control. Alternatively, the anode may be connected to a hydrogen circulation circuit.

Auf der Kathodenseite geht in die Mengenbestimmung der durchgeleiteten Luftmenge die Spannungsänderung des Energiesystems ein. Mögliche Lastsprünge fängt der Sekundärakkumulator ab. Sinkt die Spannung, so wird nach diesem einfache zu realisierenden Verfahren der Luftmengenstrom angehoben.On the cathode side, the quantity change of the quantity of air passed through introduces the change in the voltage of the energy system. Possible load jumps intercepts the secondary accumulator. If the voltage drops, then the air flow rate is increased according to this simple method to be implemented.

Weiterhin kann in die Betriebsführung des Brennstoffzellenstapels die Temperaturentwicklung eingehen. Der Brennstoffzellenstapel ist nicht nur spannungsgeführt. Die Spannungsführung orientiert sich auch an der Temperaturführung. Die Brennstoffzellen werden so in einem vorteilhaften Temperaturbereich gehalten. Wenn die Brennstoffzellentemperatur steigt, wird mehr Luft durch den Stapel geblasen.Furthermore, the temperature development can enter the operational management of the fuel cell stack. The fuel cell stack is not only live. The voltage control is also based on the temperature control. The fuel cells are kept in an advantageous temperature range. As the fuel cell temperature rises, more air is blown through the stack.

Die Kühlung erfolgt durch die Luft auf der Kathodenseite. Der Brennstoffzellenstapel ist kühlmittelkreislauffrei. In einer Ausgestaltung mit mehreren Brennstoffzellenstapeln ist wenigstens einer kühlmittelkreislauffrei, während wenigstens ein weiterer Brennstoffzellenstapel einen Kühlkreislauf mit einem Kühlmittel aufweist. Die Brennstoffzellen sind einfacher gestaltet. Der Brennstoffzellenstapel hat keine weiteren Lagen, die nur für die Kühlung zuständig sind.The cooling takes place through the air on the cathode side. The fuel cell stack is coolant circulation free. In one embodiment with a plurality of fuel cell stacks, at least one coolant circuit is free, while at least one further fuel cell stack has a cooling circuit with a coolant. The fuel cells are designed simpler. The fuel cell stack has no further layers, which are responsible only for the cooling.

Die Kühlung wird dadurch gefördert, dass die Luft durch ein Gebläse oder einen Ventilator beschleunigt wird. Die Energie für die Rotationsbewegung des Gebläses oder des Ventilators wird aus dem Brennstoffzellenstapel bezogen. Der Stapel sorgt somit für seine eigene Kühlung und ausreichende Versorgung mit Umgebungsluft.The cooling is promoted by the fact that the air is accelerated by a blower or a fan. The energy for the rotational movement of the fan or the fan is obtained from the fuel cell stack. The stack thus provides for its own cooling and sufficient supply of ambient air.

Der Brennstoffzellenstapel bezieht seinen Wasserstoff aus einer Wasserstoffquelle, wobei der Wasserstoff auf einem höheren Druckniveau der Energieversorgungseinheit zur Verfügung gestellt wird und erst durch ein Druckminderventil, also druckreduziert, in die Anodenseite der Brennstoffzellen eingebracht wird.The fuel cell stack draws its hydrogen from a hydrogen source, wherein the hydrogen is provided at a higher pressure level of the power supply unit and only by a pressure reducing valve, so reduced pressure, is introduced into the anode side of the fuel cell.

Der Wasserstoff stammt aus einer Wasserstoffquelle und wird an den Brennstoffzellenstapel druckgesteuert herangebracht. Hierzu kann der Wasserstoff insbesondere über ein Druckminderungsventil geführt werden.The hydrogen comes from a source of hydrogen and is delivered pressure controlled to the fuel cell stack. For this purpose, the hydrogen can be performed in particular via a pressure reducing valve.

Nach einer Ausgestaltung kann das Energieversorgungssytsem aus mehreren Brennstoffzellenstapeln aufgebaut sein, die gemeinsam die elektrochemische Primärquelle darstellen. So lässt sich jeder Stapel individuell steuern. Es lässt sich nach einem Steuerungsverfahren auch nur eine gewisse Anzahl an Stapeln auf einem bestimmten Niveau betreiben. Es lassen sich Steuerungsspreizungen realisieren. Nach einer Gestaltung lässt sich durch mindestens einen Brennstoffzellenstapel von mehreren Brenstoffzellenstapeln ein Kühlkreislauf durchleiten, der eine Kühlflüssigkeit aufweist. Die flüssigkeitsgekühlten Stapel sind temperaturstabiler, während die luftgekühlten Stapel laständerungsreaktiver sind.According to one embodiment, the power supply system may be constructed from a plurality of fuel cell stacks, which together constitute the primary electrochemical source. This allows each stack to be controlled individually. It can also operate only a certain number of stacks at a certain level after a control process. It is possible to realize control spreads. According to one embodiment, a cooling circuit which has a cooling liquid can be passed through at least one fuel cell stack of a plurality of fuel cell stacks. The liquid-cooled stacks are more temperature-stable, while the air-cooled stacks are more load-responsive.

Alternativ lässt sich das Energieversorgungssystem für eine elektrische Last mit einem mehrere Brennstoffzellen umfassenden Brennstoffzellenstapel in direkter Kopplung mit wenigstens einem Halbleiter aufbauen. Insbesondere hat das Energieversorgungssystem eine Polymerelektrolytmembranbrennstoffzelle. Der Stapel ist mit Wasserstoff und Umgebungsluft betreibbar. Weiterhin gibt es einen elektrischen Sekundärakkumulator, der durch die elektrische Energie des Brennstoffzellenstapels als temporärer Zwischenspeicher aufladbar ist. Vorteilhaft stehen Brennstoffzellenstapel und Sekundärakkumulator über einen stromsteuernden Halbleiter, insbesondere über einen Mos-FET, miteinander in Verbindung. Der Brennstoffzellenstapel ist in einem solchen Betriebsbereich spannungsgeführt, dass ein Entladen des Sekundärakkumulators über den Brennstoffzellenstapel unterbleibt.Alternatively, the power supply system for an electrical load may be constructed with a fuel cell stack comprising a plurality of fuel cells in direct coupling with at least one semiconductor. In particular, the power supply system has a polymer electrolyte membrane fuel cell. The stack is operable with hydrogen and ambient air. Furthermore, there is an electrical secondary accumulator which can be charged by the electrical energy of the fuel cell stack as a temporary buffer. Advantageously, the fuel cell stack and the secondary accumulator are connected to one another via a current-controlling semiconductor, in particular via a MOS-FET. The fuel cell stack is energized in such an operating range that discharging of the secondary accumulator via the fuel cell stack is omitted.

In die Steuerung können gemessene Stromwerte eingehen. Hierzu werden mittels Stromsensoren der Laststrom und der Akkumulatorstrom gemessen, deren Messwerte in die Steuerung des Brennstoffzellenstapels eingehen. Dazu hat das Steuergerät der Energieversorgungseinheit einen Überblick über die Stromflüsse in der Energieversorgungseinheit.The control can receive measured current values. For this purpose, the load current and the accumulator current are measured by means of current sensors whose measured values enter into the control of the fuel cell stack. For this purpose, the control unit of the power supply unit has an overview of the power flows in the power supply unit.

Das Energieversorgungssystem zeichnet sich durch ein weit verbreitetes einheitliches Spannungsniveau aus. So ist als einziges spannungsveränderndes Bauteil ein MOSFET zwischen Brennstoffzellenstapel und Akkumulator angeordnet. Die Spannung, die über das Bauteil abfällt, senkt die Spannung auf der Sekundärakkumulatorseite. The power supply system is characterized by a widely used uniform voltage level. Thus, a MOSFET is arranged between the fuel cell stack and the accumulator as the only voltage-altering component. The voltage drop across the component lowers the voltage on the secondary accumulator side.

Durch die spannungsmäßige Führung des Brennstoffzellenstapels auf einem höheren Spannungsniveau als der Sekundärakkumulator, wenn er ohne Brennstoffzellenstapel vorhanden wäre, bestimmt der Brennstoffzellenstapel die Spannung in der Energieversorgungseinheit.By energizing the fuel cell stack at a higher voltage level than the secondary accumulator, if it were present without a fuel cell stack, the fuel cell stack determines the voltage in the power supply unit.

Das Energieversorgungssystem wird bevorzugt durch eine Steuerungseinheit, wie einen Mikrokontroller, gesteuert. Der Mikrokontroller bzw. die Steuerungseinheit befolgt ein bestimmtes Steuerungsverfahren. Das Verfahren zum Betreiben eines Energieversorgungssystems mit einem Brennstoffzellenstapel und einem Akkumulator, die direkt elektrisch durchverbunden sind, zeichnet sich durch die Spannungsführung des Brennstoffzellenstapels in einem solchen Betriebsbereich aus, dass ein reversibles Entladen des Sekundärakkumulators über den Brennstoffzeltenstapel unmöglich ist.The power supply system is preferably controlled by a control unit, such as a microcontroller. The microcontroller or the control unit follows a specific control method. The method of operating a power supply system having a fuel cell stack and an accumulator directly electrically interconnected is characterized by the voltage routing of the fuel cell stack in such an operating range that reversible discharge of the secondary accumulator across the fuel cell stack is impossible.

In Abhängigkeit der Temperatur des Brennstoffzellenstapels wird der Kathodenreaktand, insbesondere in Form der Umgebungsluft, überstöchiometrisch eingebracht. Das sorgt für ein stabiles Spannungsniveau.Depending on the temperature of the fuel cell stack, the cathode reactant, in particular in the form of the ambient air, is introduced in a stoichiometric manner. This ensures a stable voltage level.

Weiterhin kann das Verfahren so durchgeführt werden, dass die luftmäßige Überströmung der Kathoden des Brennstoffzellenstapels durch beschleunigte Luft erfolgt. Die beschleunigte Luft dient zur Versorgung und gleichzeitig zur Kühlung.Furthermore, the method can be carried out so that the air-flow overflow of the cathode of the fuel cell stack is carried out by accelerated air. The accelerated air is used for supply and at the same time for cooling.

Das Verfahren dient zur Steuerung und zum Betrieb der Energieversorgungseinheit.The method is used to control and operate the power supply unit.

Die Erfindung kann noch besser an Hand von einzelnen Ausführungsbeispielen verstanden werden, wenn Bezug auf die beiliegenden Figuren genommen wird, wobei die Figuren im Einzelnen zeigen:The invention can be understood even better with reference to individual embodiments, with reference made to the accompanying figures, the figures show in detail:

1 eine Kennlinienschar von Temperaturkennlinien von Stapelspannungen erfindungsgemäßer Energieversorgungssysteme, 1 a family of characteristics of temperature characteristics of stack voltages of energy supply systems according to the invention,

2 eine Kennlinienschar von Wasserstoffstöchemetrien zur Stapelspannungen erfindungsgemäßer Energieversorgungssysteme, 2 a characteristic set of hydrogen stoichiometries to the stack voltages of energy supply systems according to the invention,

3 eine Ausführungsform einer Energieversorgungseinheit, 3 an embodiment of a power supply unit,

4 eine weitere Ausführungsform einer Energieversorgungseinheit. 4 a further embodiment of a power supply unit.

1 zeigt die Abhängigkeit eines erfindungsgemäßen Energieversorgungssystems von der Temperatur T. Auf der Abszisse des Diagrams ist ein Temperaturbereich von 0°C bis 100°C aufgetragen. Der Brennstoffzellenstapel wird idealerweise in einem Temperaturbereich betrieben, der niedriger als 100°C ist. Die Betriebstemperatur bestimmt sich von der gewählten Membran her, die bei gängigen Membranen zurzeit bei unter 100°C liegt. Zum Beispiel kann eine obere Grenztemperatur von 85°C eingestellt werden. Auf der Ordinate lässt sich die relative Stapelbetriebsspannung aufgetragen. Sie lässt sich auch als Brennstoffeinzelzellenbetriebsspannung U wiedergeben. Die unterschiedlichen Kennlinien bestimmen sich durch die Stromdichte bzw. den aus dem Brennstoffzellenstapel gezogenen Strom. Der höchste Strom, zum Beispiel 0,6 A/cm2 aktiver Brennstoffzellenfläche, führt zu einer Kennlinie, die durch die unterste parabelmäßig geformte Kennlinie wiedergegeben wird. Je flacher die Kennlinien verlaufen, desto geringer ist der aus dem Brennstoffzellenstapel gezogene Strom. Bei allen Kennlinien ist zu erkennen, dass in einem mittleren Bereich, der bei ca. 40°C, bei 50°C oder auch bei 60°C liegen kann, die höchste elektrische Energieausbeute möglich ist, weil die Spannung des Brennstoffzellenstapels den höchsten Wert erreicht. Es findet eine geringere thermische Umsetzung statt. Dementsprechend wird der Brennstoffzellenstapel durch die Betriebsweise in einem mittleren Temperaturbereich gehalten. Der mittlere Temperaturbereich ist eine Betriebstemperatur, die in einer Ausgestaltung um ±10°C variiert. In niedrigeren Temperaturbereichen sackt die Stapelspannung in Abhängigkeit des gezogenen Stroms ab. Ein ähnliches Verhalten des Brennstoffzellenstapels ist bei hohen Temperaturen zu beobachten. Die elektrochemischen und physikalischen Erklärungen sind noch nicht vollständig wissenschaftlich belegt. Nach einem Erklärungsversuch kann als Erklärung für die Verringerung der elektrischen Spannung ein so genanntes „Absaufen” der Kanäle der einzelnen Brennstoffzellen bei niedrigen Temperaturen angeführt werden, weil keine ausreichende thermische Energie zur Verfügung steht, um das sich bildende Wasser auf der Kathodenseite über eine Verdampfung auszubringen. Das Absinken der Stapelspannung oberhalb eines optimalen Temperaturbetriebsbereiches kann nach einem Erklärungsversuch mit einem partiellen Austrocknen der Brennstoffzellenmembran erklärt werden. 1 shows the dependence of a power supply system according to the invention of the temperature T. On the abscissa of the diagram, a temperature range of 0 ° C to 100 ° C is plotted. The fuel cell stack is ideally operated in a temperature range lower than 100 ° C. The operating temperature is determined by the selected membrane, which is currently below 100 ° C in common membranes. For example, an upper limit temperature of 85 ° C can be set. On the ordinate, the relative stack operating voltage can be plotted. It can also be represented as a fuel cell operating voltage U. The different characteristics are determined by the current density or the current drawn from the fuel cell stack. The highest current, for example, 0.6 A / cm 2 active fuel cell area, results in a characteristic represented by the lowest parabolic shaped characteristic. The flatter the characteristic curves, the lower the current drawn from the fuel cell stack. For all characteristics it can be seen that the highest electrical energy yield is possible in a middle range, which can be around 40 ° C, 50 ° C or even 60 ° C, because the voltage of the fuel cell stack reaches the highest value , There is a lower thermal conversion. Accordingly, the operation of the fuel cell stack keeps it in a medium temperature range. The medium temperature range is an operating temperature that varies by ± 10 ° C in one embodiment. In lower temperature ranges, the stack voltage drops depending on the current drawn. A similar behavior of the fuel cell stack can be observed at high temperatures. The electrochemical and physical explanations are not yet completely scientifically proven. After an explanation attempt may be mentioned as explanation for the reduction of the electrical voltage, a so-called "run-off" of the channels of the individual fuel cells at low temperatures, because there is no sufficient thermal energy available to deploy the water forming on the cathode side via evaporation , The drop in stack voltage above one optimal temperature operating range can be explained after an explanation attempt with a partial drying out of the fuel cell membrane.

Eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Energieversorgungssystems wird durch die Steuereinheit so gesteuert, dass der Brennstoffzellenstapel möglichst in einem optimalen Temperaturbereich gehalten wird. Hierzu kann die Steuerung den vom Brennstoffzellenstapel gezogenen Strom berücksichtigen. Idealerweise wird der Strom im Energieversorgungssystem an verschiedenen Stellen gemessen. Aus den Werten des Brennstoffzellenstroms und des Laststroms lässt sich anhand einer Summationsbildung der Akkumulatorstrom nachrechnen. Nach einer alternativen Ausführungsform werden möglichst wenige Stromsensoren verbaut, um die Anzahl der Eingänge der Steuerungs- bzw. Berechnungseinheit niedrig zu halten. Vorteilhaft ist es, wenn die Berechnungseinheit so ausgelegt ist, dass ein und die gleiche Berechnungseinheit für unterschiedliche Spannungsniveaus eingesetzt werden kann. Beispielhaft können mit der gleichen Berechnungseinheit ein 12-Volt-System realisiert werden, genauso kann die Berechnungseinheit auch in einem 48-Volt-System eingesetzt werden. Lässt sich der Strom entsprechend auch skalieren bzw. die Steuerbarkeit des Stroms anpassen, so kann ein und die gleiche Berechnungseinheit in einem 500 W-System genauso eingesetzt werden wie in einem 2 kW-System. Bei einer Brennstoffzelle mit luftgekühlter Kathode wird die Steuerung so ausgelegt, dass bei Überschreitung von gewissen Grenzwerten, wie zum Beispiel der Temperatur, mehr Umgebungsluft durch die Kathodenseite der Brennstoffzelle geleitet wird, um hierdurch die Betriebstemperatur des Brennstoffzellenstapels abzusenken. Nach dem gleichen Prinzip kann bei einer zu niedrigen Brennstoffzellenstapeltemperatur die Kühlung entweder heruntergefahren werden, indem zum Beispiel weniger Luft durchgeblasen wird, oder sogar erwärmte Abluft aus dem Energieversorgungssystemgehäuse in die Kathode wieder eingeleitet werden.An embodiment of a power supply system according to the invention is controlled by the control unit so that the fuel cell stack is kept as possible in an optimum temperature range. For this purpose, the controller can take into account the current drawn by the fuel cell stack. Ideally, the power in the power system is measured at various locations. The accumulator current can be calculated from the values of the fuel cell current and the load current on the basis of summation formation. According to an alternative embodiment as few current sensors are installed in order to keep the number of inputs of the control or calculation unit low. It is advantageous if the calculation unit is designed so that one and the same calculation unit can be used for different voltage levels. By way of example, a 12-volt system can be realized with the same calculation unit, and the calculation unit can also be used in a 48-volt system. If the current can be scaled accordingly or the controllability of the current adjusted, one and the same calculation unit can be used in a 500 W system as well as in a 2 kW system. In a fuel cell with air-cooled cathode, the controller is designed so that when exceeding certain limits, such as the temperature, more ambient air is passed through the cathode side of the fuel cell, thereby lowering the operating temperature of the fuel cell stack. According to the same principle, if the fuel cell stack temperature is too low, the cooling can either be shut down by, for example, blowing less air or even returning heated exhaust air from the power supply system housing back into the cathode.

2 zeigt Kennlinien unter den ähnlichen Betriebsbedingungen, wie die Kennlinien zu 1 ermittelt worden sind, nämlich die Einstellung ausgewählter Strombetriebspunkte. Die gewählten Strombetriebspunkte sind (von der obersten zur untersten Kennlinie ermittelt) 0,05 A/cm2, 0,1 A/cm2, 0,2 A/cm2, 0,3 A/cm2 und hier abweichend von der Kennlinie aus 1 eine Stromdichte von 0,37 A/cm2. In der 1 sind noch Stromdichten von 0,45 A/cm2 und 0,6 A/cm2 wiedergegeben. Während beim Messen der Kennlinien nach 1 die Betriebstemperatur des Brennstoffzellestapels variiert worden ist, wobei die übrigen Betriebsparameter möglichst identisch belassen worden sind, ist zur Ermittlung der Kennlinien nach 2 die Wasserstoffstöchiometrie λ im überstöchiometrischen Bereich angehoben worden. Die Kennlinien starten bei einer Stöchiometrie von 1. Das gewählte Brennstoffzellensystem im Energieversorgungssystem arbeitet mit einer Wasserstoffrezirkulation, so dass, insbesondere bei einem mobilen System, möglichst der gesamte Wasserstoff durch den Brennstoffzellenstapel umgesetzt werden kann. Ein rezirkulierender Wasserstoffkreislauf erhöht die Energieausbeute pro Normliter Wasserstoff des Systems. Erst in einem deutlich überstöchiometrischen Bereich, zum Beispiel bei einer Stöchiometrie größer 1,5, glätten sich die einzelnen Spannungskennlinien. In einem zwischenstöchiometrischen Bereich lässt die Stapelspannung nach, je kleiner die Stöchiometrie ist. 2 shows characteristics under the similar operating conditions as the characteristics 1 have been determined, namely the setting of selected current operating points. The selected current operating points are (determined from the highest to the lowest characteristic curve) 0.05 A / cm 2 , 0.1 A / cm 2 , 0.2 A / cm 2 , 0.3 A / cm 2 and here deviating from the characteristic curve out 1 a current density of 0.37 A / cm 2 . In the 1 are still current densities of 0.45 A / cm 2 and 0.6 A / cm 2 reproduced. While measuring the characteristics after 1 the operating temperature of the fuel cell stack has been varied, the other operating parameters have been left as identical as possible, is to determine the characteristics after 2 the hydrogen stoichiometry λ has been increased in the superstoichiometric range. The characteristic curves start at a stoichiometry of 1. The selected fuel cell system in the energy supply system operates with a hydrogen circulation, so that, if possible in a mobile system, as far as possible all the hydrogen can be converted by the fuel cell stack. A recirculating hydrogen cycle increases the energy yield per standard liters of hydrogen in the system. Only in a clearly superstoichiometric range, for example, at a stoichiometry greater than 1.5, smooth the individual voltage characteristics. In an intermediate stoichiometric range, the stacking voltage decreases as the stoichiometry decreases.

Ein Energieversorgungssystem lässt sich mit einer Steuerungs- bzw. Berechnungseinheit 29 (siehe 3 und 4) so betreiben, dass eine ausreichende Wasserstoffstöchiometrie, insbesondere im Falle einer Wasserstoffrezirkulation, vorliegt. Eine Möglichkeit besteht darin, den Wasserstoff unter Druck mit einem Druckminderventil in ausreichender Menge in den Rezirkulationskreislauf einzudosieren. Die Unterversorgung des Brennstoffzellenstapels trotz überstöchiometrischer Betriebsweise lässt sich zum Beispiel auf Stickstoffanreicherungen auf der Anodenseite der im Übrigen abgeschlossenen Brennstoffzelle zurückführen. Diffundiert Stickstoff durch die Membran einer Brennstoffzelle auf die Anodenseite durch, so ist der Stickstoff in periodischen Abständen auszublasen. Aus diesem Grund ist das Energieversorgungssystem mit einem auf- und zusteuerbaren Ablassventil zu versehen.An energy supply system can be combined with a control or calculation unit 29 (please refer 3 and 4 ) so that there is sufficient hydrogen stoichiometry, especially in the case of hydrogen recirculation. One possibility is to meter in the hydrogen under pressure with a pressure reducing valve in a sufficient amount in the recirculation circuit. The undersupply of the fuel cell stack despite overstoichiometric operation can be attributed, for example, to nitrogen enrichments on the anode side of the otherwise completed fuel cell. If nitrogen diffuses through the membrane of a fuel cell to the anode side, the nitrogen must be blown out at periodic intervals. For this reason, the energy supply system is provided with an up and steustebaren drain valve.

Eine skalierbare Berechnungseinheit, skalierbar in Bezug auf steuerbaren elektrischen Strom und skalierbar in Bezug auf das einzusetzende Spannungsniveau, kann über geeignete Schnittstellen, wie CAN-Bus, Ethernet-Bus oder RS-232, extern einmal oder mehrmals eingestellt werden, so dass die Berechnungseinheit anpassbar, insbesondere softwaremäßig anpassbar, für das Spannungsniveau programmiert wird.A scalable calculation unit, scalable in terms of controllable electrical current and scalable with respect to the voltage level to be used, can be set externally one or more times via suitable interfaces such as CAN bus, Ethernet bus or RS-232 so that the calculation unit is adaptable , in particular software adaptable, is programmed for the voltage level.

3 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Energieversorgungssystems 1. 4 zeigt ein alternatives Ausführungsbeispiel eines Energieversorgungssystems 100. 3 shows an embodiment of a power supply system 1 , 4 shows an alternative embodiment of a power supply system 100 ,

Die Energieversorgungseinheit 1 setzt sich vorzugsweise in einem abgeschlossenen Gehäuse aus zahlreichen Komponenten zusammen, so zum Beispiel einem Brennstoffzellenstapel 3, der mehrere Brennstoffzellen 5 umfasst, so dass eine gewisse Anzahl n Brennstoffzellen vorhanden sind, eine allgemeine Steuerungseinheit 29 und ein Sekundärakkumulator 7, der elektrische Energie auf- und abgeben kann. Der Brennstoffzellenstapel 3 hat Brennstoffzellen 5, die Kathoden 25 und Anoden 23 aufweisen. Die Brennstoffzellen sind so zusammengeschaltet, dass durch die Anzahl n der Brennstoffzellen 5 eine höhere Betriebsspannung UB als die Einzelzellspannung U zu erhalten ist. Die Betriebsspannung UB stellt die Spannungsquelle über die Verbindung der positiven Spannungsseite 11 und über die Verbindung der negativen Spannungsseite 13 zum Sekundärakkumulator 7 dar. Die Brennstoffzellen 5 des Brennstoffzellenstapels 3 werden kathodenseitig mit Luft versorgt, die aus der Umgebungsluft über einen Lufteinlass 55 eingeleitet werden kann. Hinter dem Lufteinlass 55 können ein Luftfilter 57 und ein Luftförderer 31 angeordnet sein. Geeignete Luftförderer sind zum Beispiel Gebläse. Auch können Lüfter verwendet werden. Die Anodenseite des Brennstoffzellenstapels 3 wird aus einer Wasserstoffquelle, wie zum Beispiel einem Wasserstofftank 33, insbesondere über ein Druckminderventil 35 versorgt. Das Druckminderventil 35 kann als Drei-Wege-Ventil ausgestaltet sein, so dass über die Wasserstoffrezirkulationsleitung des Wasserstoffrezirkulationskreises 27 ein permanent überstöchiometrischer Betrieb solange sichergestellt wird, wie ausreichend Wasserstoff aus der Wasserstoffquelle 33 nachgeliefert werden kann. Die elektronische Steuereinheit 29, die als Berechnungseinheit gestaltet ist, kann eine Mikrokontrollereinheit sein, an die die elektrischen Steuer- und Kontrollleitungen der Energieversorgungseinheit 1 herangeführt sind. So kann die Berechnungseinheit 29 über Luftfördersteuerleitungen 59 die exakte Geschwindigkeit des Luftförderers 31 und damit die zu fördernde Luftmenge vorgeben. Genauso kann die Berechnungseinheit 29 das Druckminderventil 35 über Ventilsteuerleitungen unterschiedlich einstellen. Auch gehen Mess- und Sensorleitungen 45, 47, 49 in die Berechnungseinheit 29 hinein. Beispielhaft sind in der Energieversorgungseinheit 1 Stromsensoren an verschiedenen Stellen eingezeichnet. Die Berechnungseinheit 29 kann aber mit zusätzlichen Messaufnehmern (nicht in 3 dargestellt) ausgestattet werden. Besonders geschickt ist es, einen oder mehrere Stromsensoren 45, 47, 49 in den diversen Verbindungsleitungen, wie zum Beispiel in der Sekundärakkumulatorzuleitung als Stromsensor 45, in der Lastzuleitung als Stromsensor 47 und in der Verbindungsleitung als Stromsensor 49 anzuordnen. Die Energieversorgungseinheit 1 dient dazu, eine elektrische Last 21, die sowohl Wirk- als auch Blindanteile aufweisen kann, zu versorgen. Die elektrische Last 21 kann über eine Leistungs- und Steuereinheit 53 von dem Sekundärakkumulator abgekoppelt sein. Nach einem Aspekt zeichnet sich die vorliegende Erfindung dadurch aus, dass der Sekundärakkumulator 7 und der Brennstoffzellenstapel 3 über die Verbindungsleitung 9 direkt miteinander gekoppelt sind bzw. nur ein einzelner Schalter 15 (nicht eingezeichnet), wie der elektrische Schalter 17, zwischen den beiden Energiequelle 3, 7 geschaltet ist, während sonst die beiden Energiequelle direkt miteinander gekoppelt sind. Der Schalter, zum Beispiel der elektrische Schalter 17, kann als stromsteuernder Halbleiter 43 in Form eines MOS-FET gestaltet sein (zum Beispiel des Anreicherungstyps), so dass die Berechnungseinheit 29 dem Leistungsmodul „Elektrischer Schalter” 17 einen maximal zulässigen Strom vorgibt, der über entsprechende Sensoren 45, 47, 49 wiederum überwacht wird. Die Berechnungseinheit 29 ist an weitere Leitungen angeschlossen. Die Berechnungseinheit 29 kann beispielhaft über Ventilsteuerleitungen 37 mit einem Ventil wie einem Wasserstoffventil 35 verbunden sein. Der Brennstoffzellenstapel 3 wird in der Regel auf der Anodenseite 23 als auch auf der Kathodenseite 25 mit Reaktandenüberschuss betrieben. Weil die Kathoden mit Umgebungsluft im Überschuss betrieben wird, kann die abgereicherte, mit Wasser versetzte Luft aus dem Kathodenausbläser 51 abgelassen werden. Die Berechnungseinheit 29 betreibt den Brennstoffzellenstapel 3 in der Weise, dass zum Beispiel über den Luftförderer 31 temperaturabhängig bedarfsgerecht soviel Luft über die Brennstoffzelle geleitet wird, dass ein vorgegebenes Temperaturniveau nicht überschritten wird, dazu kann ein Temperatursensor (nicht in 3 dargestellt) an einer geeigneten Stelle, wie zum Beispiel dem Kathodenausbläser 51, angeordnet werden.The power supply unit 1 is preferably composed in a sealed housing of numerous components, such as a fuel cell stack 3 that has multiple fuel cells 5 includes, so that a certain number of n fuel cells are present, a general control unit 29 and a secondary accumulator 7 which can charge and dispense electrical energy. The fuel cell stack 3 has fuel cells 5 , the cathodes 25 and anodes 23 exhibit. The fuel cells are connected together so that by the number n of fuel cells 5 a higher operating voltage U B than the single-cell voltage U is to be obtained. The operating voltage U B sets the voltage source via the connection of the positive voltage side 11 and about the connection of the negative voltage side 13 to the secondary accumulator 7 dar. The fuel cells 5 of the fuel cell stack 3 are supplied on the cathode side with air, which from the ambient air via an air inlet 55 can be initiated. Behind the air intake 55 can an air filter 57 and an air conveyor 31 be arranged. Suitable air conveyors are, for example, blowers. Also fans can be used. The anode side of the fuel cell stack 3 becomes from a hydrogen source, such as a hydrogen tank 33 , in particular via a pressure reducing valve 35 provided. The pressure reducing valve 35 can be configured as a three-way valve, so that via the hydrogen circulation line of the hydrogen circulation circuit 27 a permanent superstoichiometric operation is ensured as long as sufficient hydrogen from the hydrogen source 33 can be replenished. The electronic control unit 29 , which is designed as a calculation unit, may be a microcontroller unit to which the electrical control and control lines of the power supply unit 1 are introduced. So can the calculation unit 29 via air flow control lines 59 the exact speed of the air conveyor 31 and thus specify the amount of air to be delivered. Likewise, the calculation unit 29 the pressure reducing valve 35 Set differently via valve control lines. Also go measuring and sensor cables 45 . 47 . 49 into the calculation unit 29 into it. Exemplary are in the power supply unit 1 Current sensors are drawn in different places. The calculation unit 29 but can with additional sensors (not in 3 shown). It is particularly clever to have one or more current sensors 45 . 47 . 49 in the various connection lines, such as in the Sekundärakkumulatorzuleitung as a current sensor 45 , in the load line as a current sensor 47 and in the connection line as a current sensor 49 to arrange. The power supply unit 1 serves to create an electrical load 21 which can have both active and reactive components to supply. The electrical load 21 can have a power and control unit 53 be decoupled from the secondary accumulator. In one aspect, the present invention is characterized in that the secondary accumulator 7 and the fuel cell stack 3 over the connecting line 9 are directly coupled together or only a single switch 15 (not shown), like the electric switch 17 , between the two energy source 3 . 7 is switched, while otherwise the two energy source are directly coupled together. The switch, for example the electric switch 17 , can be used as a current-controlling semiconductor 43 be designed in the form of a MOS-FET (for example of the enrichment type), so that the calculation unit 29 the power module "electric switch" 17 specifies a maximum permissible current via corresponding sensors 45 . 47 . 49 is monitored again. The calculation unit 29 is connected to other lines. The calculation unit 29 can be exemplified by valve control lines 37 with a valve like a hydrogen valve 35 be connected. The fuel cell stack 3 is usually on the anode side 23 as well as on the cathode side 25 operated with excess reactant. Because the cathodes are operated in excess with ambient air, the depleted, water-displaced air can escape from the cathode blower 51 be drained. The calculation unit 29 operates the fuel cell stack 3 in the way that, for example, via the air conveyor 31 Depending on the temperature, as much air is passed through the fuel cell as required so that a predefined temperature level is not exceeded, a temperature sensor (not in 3 shown) at a suitable location, such as the cathode blower 51 , to be ordered.

Sollte es notwendig sein, dass zum Beispiel ein größerer Strom aus dem Energiewandler Brennstoffzellenstapel 3 zur Verfügung gestellt wird, so kann ein Brennstoffzellenstapel 3 mit weiteren Brennstoffzellestapeln 3', wie in 4 als Energieversorgungssystem 100 dargestellt, elektrisch und versorgungstechnisch verschaltet werden, um ein Brennstoffzellenstapelfeld 39 zu realisieren. In 4 sind für die Energieversorgungseinheit 100 ähnliche Bauteile und Baugruppen mit den gleichen Bezugszeichen versehen worden wie in 3, damit der Überblick leichter zu erhalten ist. Bei dem Aufbau eines Brennstoffzellenstapelfeldes 39 können die Brennstoffzellenstapel 3, 3' unterschiedlich ausgeführt sein, so kann einer der Brennstoffzellenstapel 3' mit einem kühlmittelführenden Kühlkreislauf 41 gesondert ausgeführt sein, während der andere Brennstoffzellenstapel 3 (oder auch mehrere Brennstoffzellenstapel 3) keine gesonderte Kühlung aufweisen. Bei einem gesonderten Kühlkreislauf 41 erspart sich das System gegebenenfalls den Luftförderer 31, so dass Luft unmittelbar über den Lufteinlass 55 zum Brennstoffzellenstapel 3' durchgeleitet werden kann. Auch ist ein Sackanschlagssystem („dead-end-system”) für den Wasserstoff geeignet, so dass die Wasserstoffquelle 33 den Wasserstoff in den Brennstoffzellenstapel 3' einleitet und dieser vollständig in dem Brennstoffzellenstapel 3' umgesetzt wird. Anstelle eines elektrischen oder elektronischen Schalters 17 kann die Verbindung zwischen Brennstoffzellenstapel 3 und Sekundärakkumulator 7 auch über einen mechanischen Schalter 19 realisiert werden. In einem weiteren alternativen Ausführungsbeispiel, das nicht näher graphisch dargestellt ist, kann die Verbindungsleitung 9 auch ohne jeglichen elektrischen Schalter unmittelbar zwischen den gleichnamigen Polen der jeweiligen Energiequelle eine Verbindung herstellen. Die Verbindungsleitung 11 ist unterbrechungsfrei in diesem Sinne dargestellt.Should it be necessary that, for example, a larger current from the energy converter fuel cell stack 3 is provided so can a fuel cell stack 3 with more fuel cell stacks 3 ' , as in 4 as an energy supply system 100 represented, electrically and supply technology interconnected to a fuel cell stack field 39 to realize. In 4 are for the power supply unit 100 similar components and assemblies have been provided with the same reference numerals as in 3 so that the overview is easier to obtain. In the construction of a fuel cell stack field 39 can the fuel cell stacks 3 . 3 ' be executed differently, so may one of the fuel cell stack 3 ' with a coolant-carrying cooling circuit 41 be carried out separately, while the other fuel cell stack 3 (or several fuel cell stacks 3 ) have no separate cooling. In a separate cooling circuit 41 If necessary, the system saves the air conveyor 31 allowing air directly over the air intake 55 to the fuel cell stack 3 ' can be passed. Also, a dead-end system is suitable for hydrogen, making the hydrogen source 33 the hydrogen in the fuel cell stack 3 ' initiates and this completely in the fuel cell stack 3 ' is implemented. Instead of an electric or electronic switch 17 can the connection between fuel cell stack 3 and secondary accumulator 7 also via a mechanical switch 19 will be realized. In a further alternative embodiment, which is not shown in more detail graphically, the connection line 9 also connect without any electrical switch directly between the poles of the same name of the respective energy source. The connection line 11 is represented without interruption in this sense.

Die relativ passiv betriebene Energieversorgungseinheit, die besonders kompakt ist, kann in einem einzigen Gehäuse angeordnet sein. Das Gehäuse, in der die Energieversorgungseinheit liegt, kann tragbar ausgestaltet sein. Das Gehäuse ist kompakt. Das Gehäuse ist abgeschlossen. Das Gehäuse stützt und trägt sämtliche Bauteile, Platinen und elektrischen Komponenten der Energievorsorgungseinheit. Die Energieversorgungseinheit umfasst ein sie abschließendes Gehäuse, das wenige nach außen klar definierte Schnittstellen aufweist. The relatively passive powered power supply unit, which is particularly compact, can be arranged in a single housing. The housing in which the power supply unit is located may be designed to be portable. The housing is compact. The housing is complete. The housing supports and carries all components, circuit boards and electrical components of the power supply unit. The power supply unit comprises a housing enclosing it, which has a few externally clearly defined interfaces.

Eine entsprechende Schnittstelle kann eine Bedienanzeige oder Bedienoberfläche mit optischer Rückmeldung, wie einem Display, sein, über das der Bediener den exakten Akkumulatortyp oder die exakte Brennstoffzellen- und Akkumulatoranzahl einstellen kann. Diese Werte können unmittelbar oder mittelbar über zum Beispiel solche Werte wie Leerlaufspannung, Betriebsspannung, unterstes Spannungsniveau und maximal zulässiger Laststrom bestimmt werden.A corresponding interface may be an operator display or user interface with visual feedback, such as a display, through which the operator can set the exact type of battery or the exact number of fuel cells and accumulators. These values can be determined directly or indirectly via, for example, such values as open circuit voltage, operating voltage, lowest voltage level and maximum permissible load current.

Nach einem weiteren Aspekt lässt sich bei der direkten Kopplung des Akkumulators mit dem Brennstoffzellenstapel (bzw. verbunden über einen einzigen Schalter) eine der beiden Energiequellen austauschen. Über das Display wird der neu eingesetzte Akkumulatortyp oder der neu eingesetzte Brennstoffzellenstapel eingestellt; und die Berechnungseinheit kann mit den neuen Parametern startend die optimalen Betriebsbedingungen in Bezug auf Luftmenge, Stöchiometrie, Spannung und Laststrom berechnen. Auch fördert dieses System die Betriebssicherheit. Denn sollte eine der beiden Energiequellen, Brennstoffzellenstapel oder Akkumulator, ausfallen, so kann trotzdem noch über eine bestimmte Zeit der gezogene Laststrom weiterhin zur Verfügung gestellt werden. Selbst ein Austausch im Betrieb ist möglich.According to another aspect, when the accumulator is directly coupled to the fuel cell stack (or connected via a single switch), one of the two energy sources can be exchanged. The display is used to set the newly used type of rechargeable battery or the newly used fuel cell stack; and the calculation unit may, starting with the new parameters, calculate the optimum operating conditions in terms of air quantity, stoichiometry, voltage and load current. This system also promotes operational safety. For should one of the two energy sources, fuel cell stack or accumulator, fail, it can still be made available over a certain period of the drawn load current. Even an exchange during operation is possible.

Durch ein erfindungsgemäßes Energieversorgungssystem 1, 100 werden wesentliche elektrische und elektronische Leistungsbauteile eingespart. Durch eine günstige Auslegung der Zellenzahl n, der Betriebsweise der Brennstoffzelle und der Pufferung durch den Sekundärakkumulator 7 ist eine direkte, nicht galvanisch getrennte, also trennspulenfreie, Gestaltung der Energieversorgungseinheit 1, 100 realisierbar. Im Sinne der vorliegenden Erfindung werden auch die Zuschaltbarkeit der einen oder der anderen Energiequelle wie Brennstoffzellenstapel 3, 3' und Sekundärakkumulator 7 über Schalter als trennspulenfrei interpretiert. Es findet nur eine minimale Spannungsabsenkung zwischen Brennstoffzellenstapel 3 und Sekundärakkumulator 7 durch die zusätzlich in der Verbindungsleitung 9 vorgesehenen Bauteile, wie zum Beispiel die ausgeführten Bauteile 49, 44, 43, 17, 19, statt. Nach einem Aspekt der Erfindung wird durch eine günstige Beziehung zwischen der Betriebsspannung UB, der Ladespannung UL am Sekundärakkumulator 7 und der möglichen, maximal zur Verfügung stehenden Lastspannung UV die Trennspulenfreiheit zwischen Brennstoffzellenstapel 3 und Sekundärakkumulator 7 realisiert, vorrangig nach dem Prinzip UB größer UL größer UV. Bezugszeichen Bedeutung Darstellung 1 Energieversorgungssystem Fig. 3 3, 3' Brennstoffzellenstapel Fig. 3, Fig. 4 5 Brennstoffzelle Fig. 3, Fig. 4 7 Sekundärakkumulator Fig. 3, Fig. 4 9 Elektrische Verbindung zwischen Brennstoffzellenstapel und Sekundärakkumulator Fig. 3, Fig. 4 11 Positive Spannungsseite Fig. 3, Fig. 4 13 Negative Spannungsseite Fig. 3, Fig. 4 15 Schalter Beschreibung 17 Elektrischer oder elektronischer Schalter Fig. 3 19 Mechanischer Schalter Fig. 4 21 Elektrische Last Fig. 3, Fig. 4 23 Anode Fig. 3, Fig. 4 25 Kathode Fig. 3, Fig. 4 27 Wasserstoffrezirkulationskreis Fig. 3, Fig. 4 29 Berechnungseinheit, insbesondere Mikrokontrollereinheit Fig. 3, Fig. 4 31 Luftförderer wie Gebläse oder Lüfter Fig. 3, Fig. 4 33 Wasserstoffquelle, insbesondere Wasserstofftank Fig. 3, Fig. 4 35 Druckminderventil, insbesondere Wasserstoffdruckminderventil, auch als Dreiwegeventil gestaltbar Fig. 3, Fig. 4 37 Ventilsteuerleitungen Fig. 3, Fig. 4 39 Brennstoffzellenstapelfeld bzw. Brennstoffzellenstapelarray Fig. 4 41 Kühlkreislauf Fig. 4 43 Stromsteuernder Halbleiter, insbesondere MOS-Fet Fig. 3 45 Erster Stromsensor, insbesondere in der Sekundärakkumulatorzuleitung Fig. 3, Fig. 4 47 Zweiter Stromsensor, insbesondere in der Lastzuleitung Fig. 3, Fig. 4 49 Dritter Stromsensor, insbesondere Verbindungsleitungsstromsensor Fig. 3 51 Kathodenausbläser Fig. 3, Fig. 4 53 Leistungs- und Steuereinheit Fig. 3, Fig. 4 55 Lufteinlass Fig. 3, Fig. 4 57 Luftfilter Fig. 3, Fig. 4 59 Luftförderersteuerleitung Fig. 3, Fig. 4 61 Temperatursensor Fig. 4 63 Temperaturmessleitung Fig. 4 100 Energieversorgungseinheit Fig. 4 B Betriebsbereich Fig. 1, Fig. 2 T Betriebstemperatur des Brennstoffzellenstapels Fig. 1 U Einzelspannung Fig. 1, Fig. 2 UB Betriebsspannung Fig. 3, Fig. 4 UL Ladespannung Fig. 3, Fig. 4 UV Lastspannung Fig. 3, Fig. 4 n Zellenzahl des Brennstoffzellenstapels Fig. 3, Fig. 4 λ Wasserstoffstöchiometrie Fig. 3, Fig. 4 By an inventive energy supply system 1 . 100 Essential electrical and electronic power components are saved. By a favorable design of the cell number n, the operation of the fuel cell and the buffering by the secondary accumulator 7 is a direct, not galvanic isolated, so separation coil-free design of the power supply unit 1 . 100 realizable. For the purposes of the present invention, the connectability of one or the other energy source such as fuel cell stack 3 . 3 ' and secondary accumulator 7 interpreted as a separation coil via switch. There is only a minimal voltage drop between fuel cell stacks 3 and secondary accumulator 7 through the addition in the connecting line 9 provided components, such as the exported components 49 . 44 . 43 . 17 . 19 , instead of. According to one aspect of the invention is characterized by a favorable relationship between the operating voltage U B , the charging voltage U L on Sekundärakkumulator 7 and the possible, maximum available load voltage U V the separation coil freedom between fuel cell stack 3 and secondary accumulator 7 realized, primarily according to the principle U B greater U L greater U V. reference numeral importance presentation 1 Power system Fig. 3 3 . 3 ' fuel cell stack Fig. 3, Fig. 4 5 fuel cell Fig. 3, Fig. 4 7 secondary storage Fig. 3, Fig. 4 9 Electrical connection between fuel cell stack and secondary accumulator Fig. 3, Fig. 4 11 Positive voltage side Fig. 3, Fig. 4 13 Negative voltage side Fig. 3, Fig. 4 15 switch description 17 Electric or electronic switch Fig. 3 19 Mechanical switch Fig. 4 21 Electrical load Fig. 3, Fig. 4 23 anode Fig. 3, Fig. 4 25 cathode Fig. 3, Fig. 4 27 Wasserstoffrezirkulationskreis Fig. 3, Fig. 4 29 Calculation unit, in particular microcontroller unit Fig. 3, Fig. 4 31 Air conveyors such as blowers or fans Fig. 3, Fig. 4 33 Hydrogen source, in particular hydrogen tank Fig. 3, Fig. 4 35 Pressure reducing valve, in particular hydrogen pressure reducing valve, also designed as a three-way valve Fig. 3, Fig. 4 37 Valve control lines Fig. 3, Fig. 4 39 Fuel cell stack or fuel cell stack array Fig. 4 41 Cooling circuit Fig. 4 43 Current-controlling semiconductors, in particular MOS-Fet Fig. 3 45 First current sensor, in particular in the secondary accumulator supply line Fig. 3, Fig. 4 47 Second current sensor, especially in the load supply line Fig. 3, Fig. 4 49 Third current sensor, in particular connecting line current sensor Fig. 3 51 Kathodenausbläser Fig. 3, Fig. 4 53 Power and control unit Fig. 3, Fig. 4 55 air intake Fig. 3, Fig. 4 57 air filter Fig. 3, Fig. 4 59 Air conveyor control line Fig. 3, Fig. 4 61 temperature sensor Fig. 4 63 Temperature sensing line Fig. 4 100 Power supply unit Fig. 4 B operating range Fig. 1, Fig. 2 T Operating temperature of the fuel cell stack Fig. 1 U Single voltage Fig. 1, Fig. 2 U B operating voltage Fig. 3, Fig. 4 U L charging voltage Fig. 3, Fig. 4 U V load voltage Fig. 3, Fig. 4 n Cell number of the fuel cell stack Fig. 3, Fig. 4 λ Wasserstoffstöchiometrie Fig. 3, Fig. 4

Claims (29)

Energieversorgungssystem (1, 100) für wenigstens eine elektrische Last (21) mit einem mehrere Polymerelektrolytbrennstoffzellen (5) umfassenden Brennstoffzellenstapel (3, 3'), der mit wasserstoffhaltigem Gas und Umgebungsluft betreibbar ist, und einem elektrischen Sekundärakkumulator (7), der durch die elektrische Energie des Brennstoffzellenstapels (3, 3') als temporärer Zwischenspeicher aufladbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoffzellenstapel (3, 3'), dessen Zellenzahl auf die Leerlaufspannung des Sekundärakkumulators (7) abgestimmt ist und sich in einem Betriebsbereich (B) mit einem Spannungsniveau befindet, und der Sekundärakkumulator (7) über einen stromsteuernden Halbleiter (43) elektrisch durchverbunden sind (9) und der Brennstoffzellenstapel (3, 3') in dem Betriebsbereich (B) die Spannung des Energieversorgungssystems (1, 100) bestimmt, sodass ein Entladen des Sekundärakkumulators (7) über den Brennstoffzellenstapel (3, 3') unmöglich ist.Energy supply system ( 1 . 100 ) for at least one electrical load ( 21 ) with a plurality of polymer electrolyte fuel cells ( 5 ) fuel cell stack ( 3 . 3 ' ), which is operable with hydrogen-containing gas and ambient air, and a secondary secondary battery ( 7 ) caused by the electrical energy of the fuel cell stack ( 3 . 3 ' ) is chargeable as a temporary buffer, characterized in that the fuel cell stack ( 3 . 3 ' ), the number of cells to the open circuit voltage of the secondary accumulator ( 7 ) and is in an operating range (B) with a voltage level, and the secondary accumulator ( 7 ) via a current-controlling semiconductor ( 43 ) are electrically interconnected ( 9 ) and the fuel cell stack ( 3 . 3 ' ) in the operating area (B) the voltage of the power supply system ( 1 . 100 ), so that unloading of the secondary accumulator ( 7 ) over the fuel cell stack ( 3 . 3 ' ) is impossible. Energieversorgungssystem (1, 100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Brennstoffzellenstapel (3, 3') und Sekundärakkumulator (7) auf dem gleichen Spannungsniveau (UB) liegen, indem die positive Spannungsseite (11) und die negative Spannungsseite (13) des Brennstoffzellenstapels (3, 3') und des Akkumulators (7) derart direkt durchverbunden sind, dass beide auf dem gleichen Spannungsniveau liegen.Energy supply system ( 1 . 100 ) according to claim 1, characterized in that fuel cell stacks ( 3 . 3 ' ) and secondary accumulator ( 7 ) at the same voltage level (U B ) by the positive voltage side (U 11 ) and the negative voltage side ( 13 ) of the fuel cell stack ( 3 . 3 ' ) and the accumulator ( 7 ) are so directly interconnected that both are at the same voltage level. Energieversorgungssystem (1, 100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Brennstoffzellenstapel (3, 3') und Akkumulator (7), insbesondere galvanisch, miteinander gekoppelt sind, wobei insbesondere die elektrische Verschaltung (15, 17, 19, 21, 43), vorzugsweise zwischen Brennstoffzellenstapel (3, 3') und Akkumulator (7), trennspulenfrei realisiert ist. Energy supply system ( 1 . 100 ) according to one of the preceding claims, characterized in that fuel cell stacks ( 3 . 3 ' ) and accumulator ( 7 ), in particular galvanically, are coupled together, in particular the electrical interconnection ( 15 . 17 . 19 . 21 . 43 ), preferably between fuel cell stacks ( 3 . 3 ' ) and accumulator ( 7 ), separation coil-free is realized. Energieversorgungssystem (1, 100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Brennstoffzellenstapel (3, 3') und Akkumulator (7) über einen Schalter (15, 17, 19, 43) miteinander gekoppelt sind.Energy supply system ( 1 . 100 ) according to one of the preceding claims, characterized in that fuel cell stacks ( 3 . 3 ' ) and accumulator ( 7 ) via a switch ( 15 . 17 . 19 . 43 ) are coupled together. Energieversorgungssystem (1, 100) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Schalter (15) ein elektronischer Schalter (17, 43), wie zum Beispiel ein Mos-FET (43) oder ein Bipolar-Transistor, ist.Energy supply system ( 1 . 100 ) according to claim 4, characterized in that the switch ( 15 ) an electronic switch ( 17 . 43 ), such as a Mos-FET ( 43 ) or a bipolar transistor. Energieversorgungssystem (1, 100) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Schalter (15) ein elektro-mechanischer Schalter (17, 19), wie zum Beispiel ein Relais, ein Bi-Metall-Schalter oder ein Kontaktschalter, ist.Energy supply system ( 1 . 100 ) according to claim 4, characterized in that the switch ( 15 ) an electro-mechanical switch ( 17 . 19 ), such as a relay, a bi-metal switch or a contact switch. Energieversorgungssystem (1, 100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die maximale Ladespannung (UL) des Akkumulators (7) kleiner als der Betriebsspannungsbereich (UV) der elektrischen Last (21) ist.Energy supply system ( 1 . 100 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the maximum charging voltage (U L ) of the accumulator ( 7 ) smaller than the operating voltage range (U V ) of the electrical load ( 21 ). Energieversorgungssystem (1, 100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die minimale Anzahl (n) der Brennstoffzellenelemente (5) in dem Brennstoffzellenstapel (3, 3') bestimmt ist durch den Quotienten aus der Untergrenze des Betriebsspannungsbereichs (UV) der elektrischen Last (21) und der minimalen Betriebsspannung (UB) der Brennstoffzellenelemente (5), wobei zugleich der Quotient aus der Ladeendspannung des Akkumulators (7) und der maximalen Betriebsspannung (UB) als Obergrenze der Brennstoffzellenelemente (5) beachtet wird.Energy supply system ( 1 . 100 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the minimum number (n) of the fuel cell elements ( 5 ) in the fuel cell stack ( 3 . 3 ' ) is determined by the quotient of the lower limit of the operating voltage range (U V ) of the electrical load ( 21 ) and the minimum operating voltage (U B ) of the fuel cell elements ( 5 ), whereby at the same time the quotient of the charge end voltage of the accumulator ( 7 ) and the maximum operating voltage (U B ) as the upper limit of the fuel cell elements ( 5 ). Energieversorgungssystem (1, 100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die maximale Anzahl (n) der Brennstoffzellenelemente (5) in dem Brennstoffzellenstapel (3, 3') den Quotienten aus der maximalen Betriebsspannung (UV) der elektrischen Last (21) und der maximalen Betriebspannung (UB) der Brennstoffzellenelemente (5) des Brennstoffzellenstapel (3, 3') nicht überschreitet.Energy supply system ( 1 . 100 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the maximum number (n) of the fuel cell elements ( 5 ) in the fuel cell stack ( 3 . 3 ' ) the quotient of the maximum operating voltage (U V ) of the electrical load ( 21 ) and the maximum operating voltage (U B ) of the fuel cell elements ( 5 ) of the fuel cell stack ( 3 . 3 ' ) does not exceed. Energieversorgungssystem (1, 100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzellenanzahl (n) auf das Lastspannungsniveau (UL) abgestimmt ist.Energy supply system ( 1 . 100 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the fuel cell number (s) is tuned to the load voltage level (U L ). Energieversorgungssystem (1, 100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass über eine Steuereinheit (29) die Spannungsführung im Betriebsbereich (B) so gewählt ist, dass eine maximale Einzelzellspannung (U) einer Brennstoffzelle (5) von 0,85 V nicht überschritten wird.Energy supply system ( 1 . 100 ) according to one of the preceding claims, characterized in that via a control unit ( 29 ) the voltage control in the operating range (B) is selected such that a maximum single cell voltage (U) of a fuel cell ( 5 ) of 0.85 V is not exceeded. Energieversorgungssystem (1, 100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoffzellenstapel (3, 3') durch die Steuereinheit (29) überstöchiometrisch (λ) bzgl. Wasserstoff geführt ist, wobei die Anode (23) unter einer Versorgung mit Druckregelung betreibbar ist.Energy supply system ( 1 . 100 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the fuel cell stack ( 3 . 3 ' ) by the control unit ( 29 ) is guided over stoichiometrically (λ) with respect to hydrogen, wherein the anode ( 23 ) is operable under a supply with pressure control. Energieversorgungssystem (1, 100) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoffzellenstapel (3, 3') durch die Steuereinheit (29) überstöchiometrisch bzgl. Wasserstoff geführt ist, wobei die Anode (23) mit einem Wasserstoffrezirkulationskreis (27) verbunden ist.Energy supply system ( 1 . 100 ) according to one of claims 1 to 11, characterized in that the fuel cell stack ( 3 . 3 ' ) by the control unit ( 29 ) is guided overstoichiometrically with respect to hydrogen, wherein the anode ( 23 ) with a hydrogen circulation circuit ( 27 ) connected is. Energieversorgungssystem (1, 100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in die Bestimmung des durchgeleiteten Luftmengestroms in der Steuereinheit (29) die Spannungsänderung des Energiesystems (1, 100) eingeht.Energy supply system ( 1 . 100 ) according to any one of the preceding claims, characterized in that in the determination of the passed-through Luftmengestroms in the control unit ( 29 ) the voltage change of the energy system ( 1 . 100 ) received. Energieversorgungssystem (1, 100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in die Bestimmung des durchgeleiteten Luftmengestroms in der Steuereinheit (29) die Temperaturentwicklung des Brennstoffzellenstapels (3, 3') eingeht.Energy supply system ( 1 . 100 ) according to any one of the preceding claims, characterized in that in the determination of the passed-through Luftmengestroms in the control unit ( 29 ) the temperature development of the fuel cell stack ( 3 . 3 ' ) received. Energieversorgungssystem (1, 100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in die Spannungsführung des Brennstoffzellenstapels (3, 3') mittels der Steuereinheit (29) auch eine Temperaturführung des Brennstoffzellenstapels (3, 3') eingeht.Energy supply system ( 1 . 100 ) according to one of the preceding claims, characterized in that in the voltage control of the fuel cell stack ( 3 . 3 ' ) by means of the control unit ( 29 ) also a temperature control of the fuel cell stack ( 3 . 3 ' ) received. Energieversorgungssystem (1, 100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoffzellenstapel (3) kühlkreislauffrei ist und insbesondere die einzige Kühlquelle des Brennstoffzellenstapels die Luft als angebotener Reaktand darstellt. Energy supply system ( 1 . 100 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the fuel cell stack ( 3 ) is cooling circuit free and in particular the only cooling source of the fuel cell stack is the air as offered reactant. Energieversorgungssystem (1, 100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführung der Luft als Recktand aktiv beschleunigt ist, insbesondere durch einen durch das Energieversorgungssystem (1, 100) versorgten Luftförderer (31), der ein Gebläse oder ein Lüfter ist.Energy supply system ( 1 . 100 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the supply of air as reactant edge is actively accelerated, in particular by a through the energy supply system ( 1 . 100 ) supplied air conveyors ( 31 ), which is a fan or a fan. Energieversorgungssystem (1, 100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Energieversorgungssystem (1, 100) ein Ventil (35) ausweist, durch das der Wasserstoff aus einer Wasserstoffquelle (33) an den Brennstoffzellenstapel (3, 3') druckgesteuert, insbesondere über ein Druckminderungsventil (35) oder ein Druckregelventil, einfürbar ist.Energy supply system ( 1 . 100 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the energy supply system ( 1 . 100 ) a valve ( 35 ), by which the hydrogen from a hydrogen source ( 33 ) to the fuel cell stack ( 3 . 3 ' ) pressure-controlled, in particular via a pressure reducing valve ( 35 ) or a pressure regulating valve. Energieversorgungssystem (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Brennstoffzellenstapel (3, 3') gemeinsam die elektrochemische Primärquelle des elektrischen Stroms darstellen.Energy supply system ( 100 ) according to one of claims 1 to 19, characterized in that a plurality of fuel cell stacks ( 3 . 3 ' ) together represent the electrochemical primary source of electrical current. Energieversorgungssystem (100) nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass durch mindestens einen Brennstoffzellenstapel (3') von mehreren Brenstoffzellenstapeln (3, 3') ein Kühlkreislauf (41) durchleitbar ist, der eine Kühlflüssigkeit aufweist.Energy supply system ( 100 ) according to claim 20, characterized in that by at least one fuel cell stack ( 3 ' ) of several fuel cell stacks ( 3 . 3 ' ) a cooling circuit ( 41 ), which has a cooling liquid. Energieversorgungssystem (1, 100) für eine elektrische Last (21) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der stromsteuernde Halbleiter (43) ein Mos-FET ist.Energy supply system ( 1 . 100 ) for an electrical load ( 21 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the current-controlling semiconductor ( 43 ) is a Mos-FET. Energieversorgungssystem (1, 100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mittels Stromsensoren (45, 47, 49) der Laststrom und der Akkumulatorstrom gemessen werden, deren Messwerte in die Steuerung des Brennstoffzellenstapels (3, 3') eingehen.Energy supply system ( 1 . 100 ) according to one of the preceding claims, characterized in that by means of current sensors ( 45 . 47 . 49 ) the load current and the accumulator current whose measured values are stored in the control of the fuel cell stack ( 3 . 3 ' ). Energieversorgungssystem (1, 100) nach einem der Ansprüche 22 oder 23, dadurch gekennzeichnet, das als einziges spannungsveränderndes Bauteil ein MOSFET (43) zwischen Brennstoffzellenstapel (3, 3') und Akkumulator (7) angeordnet ist.Energy supply system ( 1 . 100 ) according to one of claims 22 or 23, characterized in that the only voltage-altering component is a MOSFET ( 43 ) between fuel cell stacks ( 3 . 3 ' ) and accumulator ( 7 ) is arranged. Energieversorgungssystem (1, 100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Energievorsorgungssystem eine Anzeige umfasst, über die Rückmeldungen und Angaben zu Parameterwerten einer Steuer- und Berechnungseinheit (29) anzeigbar sind, sodass die Energieversorgungseinheit (1, 100) mit unterschiedlichen Brennstoffzellenstapeln (3, 3') und/oder mit unterschiedlichen Akkumulatoren (7) betreibbar ist, die im Betrieb austauschbar sind.Energy supply system ( 1 . 100 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the energy supply system comprises a display, via the feedback and information on parameter values of a control and calculation unit ( 29 ) are displayed so that the power supply unit ( 1 . 100 ) with different fuel cell stacks ( 3 . 3 ' ) and / or with different accumulators ( 7 ), which are interchangeable during operation. Verfahren zum Betreiben eines Energieversorgungssystems (1, 100) mit wenigstens einem Brennstoffzellenstapel (3, 3') und einem Akkumulator (7), die über einen stromsteuernden Halbleiter (43) elektrisch durchverbunden sind (9), dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoffzellenstapel (3, 3') in einem solchen Betriebsbereich (B) derart spannungsgeführt wird, dass das Spannungsniveau des Brennstoffzellenstapels (3, 3') die Spannung der Energieversorgungseinheit bestimmt, sodass ein Entladen des Sekundärakkumulators (7) über den Brennstoffzellenstapel (3, 3') unmöglich ist.Method for operating an energy supply system ( 1 . 100 ) with at least one fuel cell stack ( 3 . 3 ' ) and an accumulator ( 7 ) via a current-controlling semiconductor ( 43 ) are electrically interconnected ( 9 ), characterized in that the fuel cell stack ( 3 . 3 ' ) is energized in such an operating region (B) that the voltage level of the fuel cell stack ( 3 . 3 ' ) determines the voltage of the power supply unit, so that a discharge of the secondary accumulator ( 7 ) over the fuel cell stack ( 3 . 3 ' ) is impossible. Verfahren nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit der Temperatur des Brennstoffzellenstapels (3, 3') der Kathodenreaktand, insbesondere in Form der Umgebungsluft, überstöchiometrisch eingebracht wird.A method according to claim 26, characterized in that depending on the temperature of the fuel cell stack ( 3 . 3 ' ) of the cathode reactant, in particular in the form of the ambient air, is introduced more than stoichiometrically. Verfahren nach einem der Ansprüche 26 oder 27, dadurch gekennzeichnet, dass die luftmäßige Überströmung der Kathoden (25) des Brennstoffzellenstapels (3, 3') durch beschleunigte Luft erfolgt.Method according to one of claims 26 or 27, characterized in that the air-flow overflow of the cathodes ( 25 ) of the fuel cell stack ( 3 . 3 ' ) is done by accelerated air. Verfahren nach einem der Ansprüche 26 bis 28, das zur Steuerung eines Energieversorgungssystems (1, 100) nach einem der Ansprüche 1 bis 24 dient.Method according to one of claims 26 to 28, which is used to control a power supply system ( 1 . 100 ) according to one of claims 1 to 24.
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