DE102009013966A1 - Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems - Google Patents

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Abstract

Ein Verfahren dient zum Betreiben eines Systems aus wenigstens einem elektrischen Verbraucher (1) und einem Brennstoffzellensystem (2). Das Brennstoffzellensystem (2) umfasst eine Brennstoffzelle (3) mit einem Kathodenbereich (4) und einem Anodenbereich (5). Das Brennstoffzellensystem (2) stellt die elektrische Leistung für den Verbraucher (1) in einem elektrischen Netz (11) bereit. Dafür wird eine der Brennstoffzelle (3) zugeführte Menge an Medien (H2, Luft) entsprechend einer vom Brennstoffzellensystem (2) geforderten Leistung (P) gesteuert und/oder geregelt. Über wenigstens einen Sauerstoffkonzentrationssensor (12, 13) wird eine Sauerstoffkonzentration erfasst und der Verbrauch an Sauerstoff in dem Kathodenbereich (4) ermittelt. Erfindungsgemäß wird die Belastung (20) der Brennstoffzelle (3) anhand des ermittelten Werts des Sauerstoffverbrauchs gesteuert oder geregelt.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Systems aus wenigstens einem elektrischen Verbraucher und einem Brennstoffzellensystem, nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.
  • Ein gattungsgemäßes System ist aus der DE 10 2007 049 081 A1 bekannt. Hierbei wird in einem äußeren Regelkreis oder einer äußeren Steuerung die Zufuhr von Medien zu einem Brennstoffzellensystem anhand der vorgegebenen beziehungsweise geforderten Sollleistung gesteuert oder geregelt. Innerhalb dieses Steuerungs- bzw. Regelungssystems befindet sich ein weiterer Regelkreis, welcher mittels eines DC/DC-Wandlers eine vorgegebene oder konstante Zwischenkreisspannung einregelt und somit eine Belastungsregelung der Brennstoffzelle des Brennstoffzellensystems darstellt.
  • Außerdem ist aus der DE 2005 018 070 A1 ein Verfahren zur Echtzeitüberwachung und Steuerung der Kathodenstöchiometrie in Brennstoffzellensystemen bekannt. Hierbei wird die Zufuhr der Medien zu dem Brennstoffzellensystem, und hier insbesondere die Zufuhr der Luft, anhand einer Restsauerstoffkonzentration entsprechend geregelt. Die Luftzufuhr wird somit also immer auf die vorgegebene Kathodenstöchiometrie eingeregelt.
  • Dies hat den Nachteil einer vergleichsweise langsamen Reaktionszeit, da zur Anpassung der Luftzufuhr, anhand einer nach der Brennstoffzelle gemessenen Restsauerstoffkonzentration, zuerst die Luftversorgung entsprechend gestartet beziehungsweise hochgefahren werden muss, ehe die damit geförderte zusätzliche Luft durch Leitungselemente und den Kathodenbereich gelangt beziehungsweise in diesem verbraucht wird. Erst dann kann die Messung der Sauerstoffrestkonzentration erfolgen. Auch eine Reaktion auf einen dann gegebenenfalls von dem Sollwert abweichenden Wert erfolgt wiederum durch ein Ansteuern der Luftversorgungseinheit. Das System ist daher insgesamt eher träge und für stark dynamische Anforderungen an das Brennstoffzellensystem eher ungeeignet.
  • Es ist daher die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines Systems aus wenigstens einem elektrischen Verbraucher und einem Brennstoffzellensystem anzugeben, welches sehr schnell auf die Bedingungen in der Brennstoffzelle reagiert und immer die bestmögliche Ausnutzung der in der Brennstoffzelle zur Verfügung stehenden Medien gewährleistet.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch das Verfahren mit den Merkmalen im kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 gelöst.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Leistungssteuerung bzw. -regelung analog dem Eingangs genannten gattungsgemäßen Stand der Technik aufgebaut. Das bedeutet, dass die Medienzufuhr und hier insbesondere die Zufuhr von Luft und Wasserstoff zu der Brennstoffzelle anhand der geforderten Sollleistung entsprechend gesteuert oder geregelt wird. Diese Steuerung bzw. Regelung hat dabei eine vergleichsweise große Zeitkonstante, da sie von den mechanischen Gegebenheiten der Luftversorgung, den Leitungslängen zwischen der Luftversorgung und der Brennstoffzelle usw. abhängt. Zusätzlich dazu wird eine weitere Steuerung bzw. Regelung aufgebaut, welche die Belastung der Brennstoffzelle selbst regelt. Diese Belastung kann beispielsweise durch ein Anpassen der Spannung oder des Stroms oder auch eines Widerstands Variiert werden. Das System zur Steuerung bzw. Regelung der Belastung ist dabei extrem schnell und stellt sicher, dass immer die optimale Belastung der Brennstoffzelle entsprechend der Gegebenheiten und insbesondere der Verfügbaren Medien (Produkte) vorliegt. Somit wird immer ein idealer Umsatz der zur Verfügung stehenden Produkte erreicht wird. Dadurch, dass die Zufuhr der Produkte dann wieder durch die übergeordnete Regelung der Medienzufuhr anhand der geforderten Sollleistung erfolgt, findet eine entsprechende Kopplung des äußeren langsamen Regelungs- bzw. Steuerungssystems mit dem inneren schnellen Regelungs- bzw. Steuerungssystems statt.
  • Die Steuerung bzw. Regelung der Belastung über den Sauerstoffverbrauch im Kathodenbereich, welcher als Differenz von gemessenen und/oder bekannten Sauerstoffkonzentrationen ermittelt wird, kann dabei idealerweise durch einen Sensor zur Messung der Konzentration des Restsauerstoffes im Kathodenabgas z. B. unmittelbar nachdem Kathodenbereich erfolgen.
  • Dementsprechend ist gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung zur Erfassung des Sauerstoffverbrauchs lediglich ein Sensor für die Konzentration des Restsauerstoffes nach dem Kathodenbereich vorgesehen. Da in den meisten Anwendungsfällen die Konzentration des Luftsauerstoffs als konstant angenommen werden kann, kann mit dem Wert der Restsauerstoffkonzentration von diesem einen Sensor der entsprechende Wert für den Sauerstoffverbrauch durch Subtraktion des Messwerts von konstanten Luftsauerstoff berechnet werden bzw. es kann eine einfache und schnelle Regelung auf die zum Sauerstoffverbrauch direkt proportionale Restsauerstoffkonzentration realisiert werden.
  • Außerdem wird bei dieser sehr vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung eine Regelung eingesetzt, da diese schneller und exakter eine Anpassung der Belastung an die Restsauerstoffkonzentration erlaubt, als dies mit einer Steuerung, welche natürlich auch denkbar wäre, erfolgen kann. Die Regelung der Belastung erlaubt somit in Kombination mit dem einen RestSauerstoffkonzentrationssensor einen einfachen, sehr effizienten und sehr schnellen Aufbau zur Realisierung des erfindungsgemäßen Gedankens.
  • In einer alternativen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wäre es außerdem denkbar, dass der Sauerstoffverbrauch als Differenz zweiter Messwerte erfasst wird.
  • Hierfür könnte beispielsweise im Kathodeneingangsbereich ein entsprechender Sauerstoffkonzentrationssensor angeordnet sein, während ein zweiter Sauerstoffkonzentrationssensor im Bereich des Kathodenausgangs angeordnet wird. Aus der Differenz der erfassten Werte lässt sich dann der Sauerstoffverbrauch direkt ermitteln und ist unabhängig von der Sauerstoffkonzentration in der Umgebungsluft. Dies könnte beispielsweise dann eingesetzt werden, wenn aufgrund sehr ungünstiger Bedingungen damit zu rechnen ist, dass die Sauerstoffkonzentration in der zur Verfügung stehenden Luft, aufgrund von extremen Umweltbedingungen oder einer gewollten/ungewollten Sauerstoffan- oder -abreicherung oder nicht als konstant angenommen werden muss.
  • Weiter vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Unteransprüchen und werden anhand des Ausführungsbeispiels deutlich, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert wird.
  • Dabei zeigen:
  • 1 einen stark vereinfachen und schematisierten Aufbau eines Systems mit einem Brennstoffzellensystem und wenigstens einem elektrischen Verbraucher; und
  • 2 einen Aufbau einer möglichen Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
  • In 1 ist ein System mit einem elektrischen Verbrauchen 1 und einem Brennstoffzellensystem 2 in stark schematisierter Darstellung zu erkennen. Das Brennstoffzellensystem 2 weist dabei eine Brennstoffzelle 3 mit einem Kathodenbereich 4 und einem Anodenbereich 5 auf. Außerdem ist eine Wasserstoffspeichereinrichtung 6 angedeutet, aus welcher der Anodenbereich 5 mit Wasserstoff oder einem wasserstoffhaltigen Gas versorgt wird. Außerdem ist eine Luftfördereinrichtung 7 zu erkennen, durch welche der Kathodenbereich 4 der Brennstoffzelle 3 mit einem sauerstoffhaltigen Medium, typischerweise Luft, versorgt wird. Zur Regelung bzw. Steuerung des Brennstoffzellensystems 2 ist außerdem eine Steuereinheit 8 beispielhaft angedeutet, durch welche die Zufuhr an Medien zu der Brennstoffzelle 3 entsprechend gesteuert und/oder geregelt wird. Hierfür steht die Steuereinheit 8 mit der Luftfördereinrichtung 7 und einer Dosiereinrichtung 9 für den Wasserstoff aus der Wasserstoffspeichereinrichtung 6 ebenso in Verbindung wie mit einer Steuerungs- bzw. Regelungselektronik 10, welche zwischen den elektrischen Anschlüssen der Brennstoffzelle 3 und einem elektrischen Netz 11 mit dem elektrischen Verbrauch 1 angeordnet ist.
  • Außerdem sind in der Darstellung der 1 zwei Sauerstoffkonzentrationssensoren 12, 13 zu erkennen. Diese Sensoren erfassen die Sauerstoffkonzentration bzw. den Sauerstoffpartialdruck pO2. Dabei ist der erste Sauerstoffkonzentrationssensor 12 nach dem Kathodenbereich 4 angeordnet und dient zur Messung der Restsauerstoffkonzentration nach dem Kathodenbereich 4. Der weitere Sauerstoffkonzentrationssensor 13, welcher optional zu sehen ist, erfasst die Sauerstoffkonzentration der zu dem Kathodenbereich 4 geförderten Luft, und kann und dementsprechend beispielsweise am Eingang des Kathodenbereichs 4 angeordnet sein. Grundsätzlich wäre es auch denkbar diesen in einem anderen Bereich, beispielsweise vor der Luftfördereinrichtung 7 anzuordnen. Als Sensoren 12, 13 für die Sauerstoffkonzentration, können insbesondere Widerstandsonden eingesetzt werden, welche sich dadurch auszeichnen, dass sie einfach aufgebaut sind und einen, beispielsweise in Vergleich zu einer Nernstsonde, vergleichsweise großen Messbereich aufweisen. Derartige Sauerstoffkonzentrationssensoren sind aus dem Bereich der Abgasmessung bei Fahrzeigen allgemein bekannt und üblich.
  • Anhand der beiden Sauerstoffkonzentrationssensoren 12, 13 kann nun der Sauerstoffverbrauch in dem Kathodenbereich 4 exakt gemessen werden. Dies kann insbesondere dann sinnvoll sein, wenn durch extreme Umgebungsbedingungen oder eine entsprechende Anpassung der zugeführten Luft, beispielsweise durch eine gewollte oder ungewollte Anreicherung oder Abreicherung mit Sauerstoff im Bereich vor dem Kathodenbereich 4 eine unbekannte Größe der Sauerstoffkonzentration vorliegt. In vielen Fällen wird hier jedoch die typische Sauerstoffkonzentration von ca. 21% in der Luft vorliegen, welche auf der Erde weitergehend konstant ist. Daher kann auf den Einsatz des zweiten Sauerstoffkonzentrationssensors 13 in sehr vielen Fällen verzichtet werden. Unabhängig davon, ob nun der zweite Sauerstoffkonzentrationssensor 13 vorhanden ist, kann mit Hilfe des Messwerts des ersten Sauerstoffkonzentrationssensors 12 der Sauerstoffverbrauch in dem Kathodenbereich 4 unter der Annahme, dass eine konstante Sauerstoffkonzentration in der Zuluft vorliegt, errechnet werden. Da der Sauerstoffverbrauch dann jedoch immer direkt proportional zur Restsauerstoffkonzentration ist, kann dann in einfacher Weise auch direkt auf den Wert der Restsauerstoffkonzentration geregelt werden.
  • In 2 ist nun eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens zu erkennen. Dabei wird sowohl bei der Leistung als auch bei der Belastung eine entsprechende Regelung eingesetzt. Insbesondere bei der Belastung bietet die Regelung den Vorteil eines sehr schnellen und effizienten Ansprechens. Grundsätzlich wäre jedoch auch eine entsprechende Steuerung denkbar. Bei der Leistung der Brennstoffzelle ist in der Darstellung der 2 ebenfalls eine Regelung dargestellt. Auch hier wäre eine Steuerung ebenso denkbar. Insbesondere kann auch eine Kombination aus Steuerung und Regelung eingesetzt werden, sodass ein entsprechender Vorgabewert über eine Vorsteuerung, beispielsweise anhand eines Kennfelds, vorgegeben wird, wonach die Regelung dann nur noch eine entsprechende Feinjustage des Werts.
  • In der 2 ist die Brennstoffzelle 3 nochmals in einer stark schematisierten Darstellung zu erkennen. In der Brennstoffzelle 3 findet sich wieder der Anodenbereich 5 und der Kathodenbereich 4, welchen die entsprechenden durch die Pfeile dargestellten Medienströme an Wasserstoff bzw. Luft zugeführt werden. Im Bereich der Ausgänge des Anodenbereichs 5 und des Kathodenbereichs 4 ist durch zwei weitere Pfeile die Abfuhr dieser Medien aus den Bereichen 4, 5 dargestellt. Die Brennstoffzelle 3 selbst steht außerdem in Verbindung mit dem elektrischen Netz 11, welches den wenigstens einen elektrischen Verbraucher enthält. Anhand einer externen Leistungsvorgabe, welche hier durch die Box 14 symbolisiert ist, wir eine Leistungsanforderung an die Brennstoffzelle 3 gerichtet. Hieraus wird dann ein Sollwert der geforderten Leistung Psoll generiert. Dieser wird in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel über einen Regelkreis 15 mit einem entsprechenden Leistungsregler 16 verarbeitet. Er wirkt im Wesentlichen auf die Medienversorgung, und in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel beispielhaft auf die Luftversorgung, aus, in dem er einen der entsprechenden geforderten Leistung angepassten Luftmassenstrom ṁL für die Kathode zur Verfügung stellt. Selbstverständlich wird in der durch die Box 17 symbolisierten Ansteuerung der Medienversorgung auch die Versorgung des Anodenbereichs 5 mit Wasserstoff entsprechend gesteuert, da diese durch eine Beeinflussung der Dosiereinrichtung 9 jedoch vergleichsweise einfach und schnell erfolgt, soll hierauf kein weiterer Augenmerk gerichtet werden. Die Versorgung mit der Luft wird nun dadurch realisiert, dass typischerweise die Luftfördereinrichtung 7, beispielsweise ein Schraubenverdichter oder ein Strömungsverdichter entsprechend hochgefahren oder heruntergefahren wird. Dies erfordert eine gewisse Zeit, da in der Luftfördereinrichtung 7 entsprechende Massen beschleunigt oder abgebremst werden müssen. Die Änderung des Luftmassenstroms ṁL erfolgt daher eher träge. Entsprechend den zur Verfügung stehenden Medien wird sich im Bereich der Brennstoffzelle 3 eine Ist-Leistung Pist einstellen. Die Leistungsregelung 15 regelt dann die Medienzufuhr so, dass sich die Ist-Leistung Pist schnellstmöglich auf den vorgegebenen bzw. geforderten Wert der Soll-Leistung Psoll einstellt.
  • Die derzeit gemäß dem Stand der Technik übliche Betriebsweise der Brennstoffzelle 3, welche typischerweise als ein Stapel von Einzelzellen, als sogenannter Brennstoffzellenstapel oder Stack aufgebaut ist, orientiert sich stets an einer spezifizierten Luftstöchiometrie λ. Damit kann für einen jeweils eingestellten Luftmassenstrom ṁL ein entsprechender Laststrom I der Brennstoffzelle 3 errechnet werden. Hierfür wird im Allgemeinen eine korrekte Messung des tatsächlichen von der Fördereinrichtung 7 geförderten Luftmassenstrom ṁL vorausgesetzt:
    Figure 00070001
    mit:
    • F
    Faradaykonstante,
    kO2
    Sauerstoffkonzentration der Luft,
    mmol,O2
    Molmasse Sauerstoff
  • Damit das System zumindest stabil arbeitet, muss eine entsprechende Luftstöchiometrie von λ > 1 gefordert werden. Wäre die Luftstöchiometrie λ = 1 so würde dies bedeuten, dass die Restsauerstoffkonzentration nach dem Kathodenbereich 0 ist. In der Praxis liegen die üblicherweise verwendeten Wert der Luftstöchiometrie bei ca. λ = 1,1 bis λ = 2,5, in gewissen ungünstigen Fällen auch deutlich darüber. Nun ist es häufig so, dass eine aus einer solchen Luftmassenmessung abgeleitete Belastung deutlich zu früh erfolgen kann, da der Ort zur Messung der Luftmasse typischerweise in Strömungsrichtung der Luft noch weit vor dem Kathodenbereich 4 der Brennstoffzelle 3 liegt. Die Luftvorsorgung ist daher mit der schon mehrfach angesprochenen Verzögerung behaft. Diese Verzögerung muss daher immer in die Belastung der Brennstoffzelle 3 mit beispielsweise einem entsprechenden Laststrom I, eingeplant werden. Da diese Verzögerung jedoch stark von den einzelnen Betriebspunkten abhängig ist, stellt dies ein gewisses Problem dar. Um die Brennstoffzelle 3 nicht unnötig zu belasten, und gegebenenfalls zu hohe die Brennstoffzelle 3 schädigende Ströme aus der Brennstoffzelle 3 zu ziehen, muss eine entsprechenden Sicherheit eingeplant werden, sodass die Brennstoffzelle 3 typischerweise nicht in ihrem Optimum betrieben wird. Dadurch wird aber Energie, die eigentlich erzeugt werden könnte verschenkt. Dies gilt umso mehr, als die Brennstoffzelle 3 mit einem dynamischen Leistungsprofil betrieben wird. Ein weiteres Problem stellt außerdem die nur sehr schwer messbare Feuchte der Luft dar, welche jedoch einen sehr starken Einfluss auf die Messung der Luftmasse und damit auf die oben dargelegte Festlegung eines Laststroms I aus der Brennstoffzelle hat.
  • Die Erfindung nutzt dementsprechend nicht mehr die Luftmasse bzw. den Luftmassenstrom ṁL zur Einstellung eines entsprechenden Laststroms I der Brennstoffzelle 3, sondern den eigentlichen Sauerstoffverbrauch im Kathodenbereich 4 der Brennstoffzelle 3. Der Sauerstoffverbrauch, oder wenn man von einer konstanten Sauerstoffkonzentration der Luft im Eingangsbereich des Kathodenbereichs 4 ausgeht, der Restsauerstoffgehalt im Bereich des Sensors 12 erlaubt es die Luftstöchiometrie nach dem Kathodenbereich exakt zu ermitteln. Hierbei gilt folgendes:
    Figure 00080001
    • kin,O2
    Sauerstoffkonzentration in der Zuluft
    kin,N2
    Stickstoffkonzentration in der Zuluft, = 1 – kin,O2
    kout,O2
    Sauerstoffkonzentration in der Abluft
  • Dabei geht man in dem hier dargelegten Beispiel davon aus, dass lediglich der Restsauerstoffkonzentrationssensor 12 vorhanden ist, und dass die Eingangseitige Sauerstoffkonzentration stets bei ca. 21% liegt, also ein Sauerstoffpartialdruck von pO2 = 212 mbar vorliegt. Bei den typischen oben bereits genannten Luftstöchiometrien von λ = 1,1 bis λ = 2,5 ergeben sich entsprechende Restsauerstoffkonzentrationen im Bereich des Sensors 12 von 2,6% bis 15% (pO2 = 0,026 bis 0,151). Da die Sauerstoffkonzentration beziehungsweise der Sauerstoffpartialdruck unabhängig von der Luftfeuchtigkeit ist, besitzt das erfindungsgemäße Verfahren das Potential unabhängig von der stark wechselnden Luftfeuchtigkeit in der Zuluft zu sein. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass eine aus der Sauerstoffkonzentration der Abluft abgeleitete Belastung der Brennstoffzelle 3 der Vorsorgung der Brennstoffzelle 3 mit ihren Medien stets nacheilt, da im Gegensatz zur Messung der Luftmasse die Messung der Restsauerstoffkonzentration im Bereich des Sensors 12 nach dem Kathodenbereich 4 der Brennstoffzelle 3 erfolgt. Eine entsprechende Anpassung der Belastung der Brennstoffzelle an diesen Wert oder einer auf diesem Wert basierender Differenz zur Eingangssauerstoffkonzentration, und damit dem eigentlichen Sauerstoffverbrauch, ist also nicht mit den Zeitkonstanten der Medienförderung behaftet.
  • In 2 ist nun ein solcher Belastungsregelkreis 18 entsprechend dargestellt. In dem Bereich des Sauerstoffkonzentrationssensors 12 nach dem Kathodenbereich 4 der Brennstoffzelle 3 wird die Sauerstoffkonzentration beziehungsweise der Sauerstoffpartialdruck pO2 erfasst. Außerdem wird dem Belastungsregelkreis 18 anhand einer vorgegebenen Betriebsstrategie des Brennstoffzellensystems 2 aus der strategische passenden Luftstöchiometrie λ eine Sauerstoffsollkonzentration pO2-soll vorgegeben. Über einen Belastungsregler 19 wird nun wie durch die Box 20 symbolisierte Belastung der Brennstoffzelle 3 entsprechend geregelt, sodass der gemessene Sauerstoffpartialdruck pO2, welcher der Restsauerstoffkonzentration im Bereich des Sensors 12 entspricht, auf den durch die Betriebsstrategie vorgegebenen Wert pO2-soll eingeregelt wird. Ist ein Sauerstoffkonzentrationswert der Eingangsluft ebenfalls gemessen, so fließt dieser in die Berechnung des λ gemäß der oben dargelegten Formel ein, so dass der vorgegebenen Sollwert der Restsauerstoffkonzentration pO2-soll durch diesen Wert entsprechend angepasst wird. Häufig kann jedoch auf einen derartigen Sensor 13 wie bereits mehrfach erwähnt, verzichtet werden, indem die Eingangskonzentration des Sauerstoffs bei konstanten ca. 21% Prozent angenommen wird.
  • Die Belastung der Brennstoffzelle 3 selbst, welche hier durch die Box 20 symbolisiert wird, kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass der Laststrom I aus der Brennstoffzelle 3 entsprechend erhöht wird, oder, dass alternativ oder ergänzend die Spannung entsprechend abgesenkt wird. Dies kann beispielsweise durch eine Anpassung von Widerständen oder einen entsprechenden DC/DC-Wandler erfolgen. Auch wäre es denkbar, bei einer pulsierenden Ansteuerung die Belastung der Brennstoffzelle 3 durch eine Veränderung des Puls-Weiten-Verhältnisses der Belastung 20 beziehungsweise eines mit der Belastung 20 korrespondierenden Werts entsprechend anzupassen. Außerdem wäre es auch denkbar, dass die Lastverhältnisse entsprechend eingeregelt werden (z. B. durch die Erhöhung eines Antriebsmoments).
  • Der Belastungsregelkreis 18, welcher theoretisch auch als Steuerung ausgebildet sein kann, hat als Regelkreis den Vorteil, dass er sehr schnell und sehr exakt die Belastung 20 der Brennstoffzelle 3 regeln kann. Die Regelung der Belastung 20 ist dabei unabhängig von den Zeitkonstanten mechanischer Bauteile oder geförderter Medienströme. Sie ist lediglich durch die Abtastrate des Sauerstoffkonzentrationssensors 12 begrenzt, sodass hier sehr schnell und effizient reagiert werden kann, und so die in der Brennstoffzelle 3 vorliegenden Medien optimal ausgenutzt werden können. Die Regelung der geforderten Leistung Pist der Brennstoffzelle 3 erfolgt parallel – oder eigentlich übergeordnet (wobei die Regelung rein regelungstechnisch gesehen einen „unterlagerten” Regler im Sinne einer Kaskadenregelung darstellt) hierzu – über den bereits ausführlich beschriebenen Aufbau der Leistungsregelung 15, welche versucht die für die jeweils benötigte Leistung geforderten Medien schnellstmöglich bereitzustellen. Dieser Regelkreis 15 wird systembedingt deutlich langsamer sein, da er mit entsprechenden mechanischen Systemen behaftet ist, welche Medienströme bewegen, und welche entsprechende Trägheiten zu überwinden haben. Daher wird dieser Regelkreis als „überlagerter” Regler einer Kaskadenregelung konzipiert. Der Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens wird also so aussehen, dass die Medien über den an sich bekannten Bereich der Leistungsregelung 15 schnellstmöglich und bestmöglich bereitgestellt werden. Die erfindungsgemäße Belastungsregelung 18 sorgt dann dafür, dass zu jedem Zeitpunkt die zur Verfügung stehenden Medien optimal genutzt werden, um zu jedem Zeitpunkt die Brennstoffzelle 3 mit der maximal möglichen Belastung 20 zu belasten ohne diese zu überlasten.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • - DE 102007049081 A1 [0002]
    • - DE 2005018070 A1 [0003]

Claims (7)

  1. Verfahren zum Betreiben eines Systems aus wenigstens einem elektrischen Verbraucher und einem Brennstoffzellensystem, mit wenigstens einer Brennstoffzelle, die einen Anodenbereich und Kathodenbereich aufweist, von welchem elektrische Leistung für den elektrischen Verbraucher bereitgestellt wird, wobei eine dem Brennstoffzellensystem zugeführt Menge an Medien entsprechend einer von der Brennstoffzelle geforderten Leistung gesteuert und/oder geregelt wird, und wobei über wenigstens einen Sauerstoffkonzentrationssensor eine Sauerstoffkonzentration erfasst und der Verbrauch an Sauerstoff in dem Kathodenbereich ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Belastung (20) der Brennstoffzelle (3) anhand des ermittelten Werts des Sauerstoffverbrauchs gesteuert oder geregelt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wert des Sauerverbrauchs anhand der Sauerstoffrestkonzentration nach dem Kathodenbereich (4) abzüglich der Luftsauerstoffkonzentration ermittelt wird, wobei die Belastung (20) anhand dieses Werts geregelt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftsauerstoffkonzentration als konstant angenommen wird, wobei die Belastung (20) anhand der Sauerstoffrestkonzentration nach dem Kathodenbereich (4) geregelt wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wert der Sauerstoffrestkonzentration nach dem Kathodenbereich (4) und ein Wert der Sauerstoffkonzentration vor dem Kathodenbereich (4) erfasst werden, wobei die Belastung (20) anhand des Sauerstoffverbrauchs, als Differenz dieser Werte, geregelt wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassung der Werte der Sauerstoffkonzentration über Widerstandssonden erfolgt.
  6. Verfahren nach einem Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Belastung (20) durch eine Variation der Spannung und/oder des Stroms (I) gesteuert oder geregelt wird.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Belastung (20) durch eine pulsweitenmodulierte Belastung realisiert wird, wobei zur Variation der Belastung (20) eine Variation des Pulsweitenverhältnisses genutzt wird.
DE102009013966A 2009-03-19 2009-03-19 Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems Withdrawn DE102009013966A1 (de)

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DE102005018070A1 (de) 2004-04-20 2005-11-24 General Motors Corp., Detroit Verfahren zur Echtzeitüberwachung und Steuerung der Kathodenstöchiometrie in einem Brennstoffzellensystem
DE102007049081A1 (de) 2007-10-12 2008-07-24 Daimler Ag Verfahren zum Betreiben eines Systems aus mindestens einem in einem elektrischen Netz angeordneten elektrischen Verbraucher und einem Brennstoffzellensystem

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