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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung und
Abgabe von elektrischer Energie an einen Verbraucher, umfassend
(i) ein Brennstoffzellensystem, bei welchem einem Brennstoffzellenblock ein
Brennstoff und ein Oxidator zugeführt werden, (ii) einen Akkumulator
und (iii) eine Steuerungseinrichtung, durch die die Abgabe von elektrischer
Energie durch das Brennstoffzellensystem, die Abgabe von elektrischer Energie
durch den Akkumulator und die Aufladung des Akkumulators durch das
Brennstoffzellensystem steuerbar sind.
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Ferner
betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Erzeugung und Abgabe von
elektrischer Energie an einen Verbraucher durch eine Vorrichtung,
umfassend (i) ein Brennstoffzellensystem, bei welchem einem Brennstoffzellenblock
ein Brennstoff und ein Oxidator zugeführt werden, (ii) einen Akkumulator
und (iii) eine Steuerungseinrichtung, durch die die Abgabe von elektrischer
Energie durch das Brennstoffzellensystem, die Abgabe von elektrischer
Energie durch den Akkumulator und die Aufladung des Akkumulators
durch das Brennstoffzellensystem gesteuert werden.
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Brennstoffzellensysteme,
und insbesondere Hybridsysteme aus Brennstoffzellen und Akkumulatoren, stellen
eine leistungsfähige
Alternative zu Akkumulatoren dar, um eine netzunabhängige Versorgung
von Verbrauchern mit elektrischer Energie bereitzustellen. Obwohl
sich der Einsatz solcher Systeme für eine Vielzahl von Anwendungen,
insbesondere für
mobile und/oder transportable Verbraucher, anbieten würde, konnten
sie sich in der Praxis in erster Linie aufgrund der hohen Kosten
der Brennstoffzellensysteme bisher noch nicht durchsetzen.
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Ein
Nachteil der aus dem Stand der Technik bekannten Brennstoffzellen-Akkumulator-Hybridsysteme ist
insbesondere darin zu sehen, dass diese jeweils auf einen bestimmten
Typ von Verbraucher, d. h. insbesondere ein bestimmtes Leistungsaufnahmeprofil
des Verbrauchers, ausgelegt sind. Dies betrifft nicht nur die Auslegung
der einzelnen Komponenten des Systems, sondern insbesondere auch
deren Zusammenwirken durch eine vorgegebene Steuerung. Typischerweise
sind die Systeme z. B. so ausgelegt und gesteuert, dass entweder
das Brennstoffzellensystem oder der Akkumulator den Primärversorger
darstellt. Der Betrieb eines solchen Systems mit einem anderen Verbrauchertyp
ist dann, falls überhaupt
möglich,
häufig
ineffizient, oder das System ist für die Anwendung überdimensioniert.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Erzeugung
und Abgabe von elektrischer Energie an einen Verbraucher bereitzustellen,
welches für
unterschiedliche Verbrauchertypen einsetzbar ist.
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Diese
Aufgabe wird bei der eingangs genannten Vorrichtung erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
dass mehrere Betriebsmodi der Vorrichtung vorgesehen sind, wobei
innerhalb jedes Betriebsmodus die Steuerung durch die Steuerungseinrichtung
gemäß einer
vorgegebenen Abhängigkeit
von mindestens einem Systemparameter erfolgt, und wobei die Vorrichtung
zwischen den verschiedenen Betriebsmodi umschaltbar ist.
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Durch
die erfindungsgemäße Möglichkeit,
die Vorrichtung zwischen verschiedenen Betriebsmodi umzuschalten,
kann diese an unterschiedliche Leistungsaufnahmeprofile eines Verbrauchers
angepasst werden und ist dadurch wesentlich flexibler einsetzbar.
Dabei können
im Rahmen der Erfindung lediglich zwei Betriebsmodi vorgesehen sein,
aber auch wesentlich mehr, z. B. bis zu zehn verschiedene Betriebsmodi.
Dementsprechend sind dann auch die einzelnen Komponenten der Vorrichtung
so ausgelegt, dass alle vorgesehenen Betriebsmodi hiermit umgesetzt
werden können.
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Je
vielseitiger eine Vorrichtung eingesetzt werden kann, desto wirtschaftlicher
kann sie produziert werden, sodass durch die Möglichkeit höherer Stückzahlen letztlich auch eine
Kostensenkung für
derartige Hybridsysteme erreicht werden kann. Für den Benutzer ergibt sich
eine deutliche Kostenersparnis bereits aus der Tatsache, dass er
für verschiedene
Anwendungen lediglich ein System benötigt.
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Innerhalb
jedes einzelnen Betriebsmodus der erfindungsgemäßen Vorrichtung erfolgt eine
Steuerung durch die Steuerungseinrichtung, wobei diese Steuerung
an eine bestimmte Anwendung bzw. einen bestimmten Typ von Verbraucher
angepasst ist. Dies bedeutet, dass die Abgabe von elektrischer Energie
durch das Brennstoffzellensystem, die Abgabe von elektrischer Energie
durch den Akkumulator sowie die Aufladung des Akkumulators durch
das Brennstoffzellensystem gemäß einem
vorgegebenen, für
den jeweiligen Betriebsmodus charakteristischen Algorithmus erfolgt,
und an die erwartete dynamische und statische Leistungsanforderung
des jeweiligen Verbrauchers angepasst ist. Die Steuerung umfasst
bevorzugt auch eventuelle weitere Komponenten der Vorrichtung, insbesondere
interne Verbraucher wie z. B. eine Kühleinrichtung, die ebenfalls von
dem Brennstoffzellensystem und/oder dem Akkumulator mit Energie
versorgt werden müssen.
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Die
Steuerung innerhalb jedes Betriebsmodus erfolgt in Abhängigkeit
von mindestens einem Systemparameter, d. h. der oder die Systemparameter
gehen in den vorgegebenen Steuerungsalgorithmus ein. Vorzugsweise
umfasst der mindestens eine Systemparameter die Leistungsaufnahme
des Verbrauchers, die Spannung des Brennstoffzellenblocks, die Spannung
des Akkumulators, den Ladungszustand des Akkumulators, die Temperatur
des Brennstoffzellenblocks, die Temperatur des Akkumulators und/oder
die Umgebungstemperatur. Beispielsweise kann in einem bestimmten
Betriebsmodus vorgesehen sein, dass, ausgehend von einem reinen
Brennstoffzellenbetrieb, bei einer höheren Leistungsaufnahme des
Verbrauchers der Akkumulator zugeschaltet wird, oder umgekehrt bei
reinem Akkumulatorbetrieb das Brennstoffzellensystem hochgefahren
wird. In ähnlicher
Weise kann die Steuerungseinrichtung auch auf einen Spannungsabfall
des Brennstoffzellenblocks oder des Akkumulators mit der Zuschaltung
der jeweils anderen Energiequelle reagieren. Eine Erhöhung der
Temperatur des Brennstoffzellenblocks oder des Akkumulators über eine
vorgesehene Betriebstemperatur kann eine Leistungsreduzierung erforderlich
machen. Beim Absinken des Ladungszustands des Akkumulators unter
einen vorgegebenen Wert kann durch die Steuerungseinrichtung die
Aufladung des Akkumulators durch das Brennstoffzellensystem aktiviert
werden.
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Günstigerweise
umfasst die Vorrichtung einen Speicher für den Brennstoff. Dabei kann
es sich insbesondere um einen Tank für einen flüssigen Brennstoff oder um einen
Druckgasbehälter
für einen
gasförmigen Brennstoff
handeln.
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Bei
einer Ausführungsform
der Vorrichtung umfasst diese zusätzlich einen Speicher für den Oxidator. Dies
ist insbesondere der Fall, wenn reiner Sauerstoff als Oxidator eingesetzt
wird. In den meisten Fällen
wird das Brennstoffzellensystem allerdings mit Luftsauerstoff als
Oxidator betrieben werden, der aus der Umgebung zugeführt wird,
sodass kein Speicher für
einen Oxidator erforderlich ist.
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Der
mindestens eine Systemparameter, der in den Steuerungsalgorithmus
innerhalb eines Betriebsmodus einfließt, umfasst bevorzugt auch
den Füllstand
des Brennstoffs und/oder des Oxidators in dem jeweiligen Speicher.
Z. B. kann beim Absinken des Füllstandes
unter einen vorgegebenen Wert verstärkt der Akkumulator zur Abgabe
von elektrischer Energie an den Verbraucher eingesetzt werden, um
die Vorrichtung noch möglichst
lange nutzen zu können,
bevor Brennstoff und/oder Oxidator nachgefüllt werden müssen.
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Die
Abgabe von elektrischer Energie durch das Brennstoffzellensystem
kann bevorzugt über
die Zufuhr des Brennstoffs und/oder des Oxidators gesteuert werden.
Hierbei kann die Steuerung insbesondere über den Druck, mit dem ein
gasförmiger
Brennstoff und/oder Oxidator dem Brennstoffzellenblock zugeführt werden,
erfolgen.
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Besonders
günstig
ist es, wenn als Brennstoff Wasserstoff eingesetzt wird. In diesem
Fall kann das Brennstoffzellensystem der erfindungsgemäßen Vorrichtung
insbesondere eine alkalische Brennstoffzelle (AFC), eine Membranbrennstoffzelle
(PEFC), eine Phosphorsäurebrennstoffzelle
(PAFC), eine Carbonatschmelzenbrennstoffzelle (MCFC) oder eine oxidkeramische
Brennstoffzelle (SOFC) umfassen.
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Bei
einer weiteren Ausführungsform
wird als Brennstoff Methanol eingesetzt, wobei das Brennstoffzellensystem
dann insbesondere eine Direktmethanolbrennstoffzelle (DMFC) umfasst.
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Hinsichtlich
der verschiedenen Betriebsmodi, die gemäß der Erfindung vorgesehen
sind, ist es besonders vorteilhaft, wenn innerhalb eines oder mehrerer
Betriebsmodi das Brennstoffzellensystem als Primärversorger und der Akkumulator
als Sekundärversorger
dient. Befindet sich die erfindungsgemäße Vorrichtung in einem solchen
Betriebsmodus, entspricht dies einem so genannten ”brennstoffzellengeführten” Hybridsystem. Dabei
ist das Brennstoffzellensystem im Wesentlichen durchgehend in Betrieb
und deckt die vorgesehene durchschnittliche Leistungsaufnahme des
Verbrauchers ab (Nominallast). Der Akkumulator kommt lediglich zum
Einsatz, um eine zeitweilige, über
der Nominallast liegende Leistungsaufnahme des Verbrauchers (Spitzenlast)
abzudecken. Je nach Verbrauchertyp bzw. je nach Betriebsmodus kann
der Akkumulator dabei entweder nur für relativ kurzzeitige Spitzenlasten
zum Einsatz kommen, oder aber während
längerer
Perioden mit einer Leistungsaufnahme über der Nominallast das Brennstoffzellensystem
unterstützen.
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Ein
Hybridsystem gemäß dem Stand
der Technik, welches auf eine derartige Betriebsweise festgelegt ist
(d. h. Brennstoffzellensystem als Primärversorger und Akkumulator
als Sekundärversorger),
wäre äußerst ineffizient,
wenn es mit einem Verbrauchertyp betrieben würde, bei dem die Nominallast
nur in kurzen Zeiträumen
auftritt und deren Leistungsaufnahme während der meisten Zeit geringer
ist. Das Brennstoffzellensystem wäre dann die meiste Zeit nicht
ausgelastet und würde
in einem Bereitschaftsmodus betrieben, wobei interne Verbraucher
(z. B. eine Kühleinrichtung)
unnötig
mit elektrischer Energie versorgt werden müssten. Die Gesamteffizienz
des Systems würde
dadurch deutlich verringert. Hier zeigt sich der besondere Vorteil
der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
die in einer solchen Situation in einen anderen Betriebsmodus umgeschaltet
werden kann, welcher besser an den geänderten Verbrauchertyp angepasst
ist.
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Als
ein Sonderfall der oben beschriebenen Situation (d. h. Brennstoffzellensystem
als Primär-
und Akkumulator als Sekundärversorger)
können
auch eine oder mehrere Betriebsmodi vorgesehen sein, innerhalb derer
der Akkumulator als Sekundärversorger
zur Inbetriebnahme des Brennstoffzellensystems dient. Die Inbetriebnahme
bzw. das Hochfahren des Brennstoffzellensystems erfordert in der
Regel einen gewissen Zeitraum, und während dieses Zeitraums kann
der Akkumulator bevorzugt dazu dienen, die internen Verbraucher des
Systems mit Energie zu versorgen. Für Anwendungen, bei denen der
(externe) Verbraucher möglichst rasch
mit Leistung bedient werden muss, kann der Akkumulator alternativ
oder zusätzlich
auch elektrische Energie an den Verbraucher abgeben, bis das Brennstoffzellensystem
hochgefahren ist. Danach übernimmt
das Brennstoffzellensystem dann die Versorgung des Verbrauchers
(sowohl die Nominal- als auch die Spitzenlast) und lädt den Akkumulator
wieder auf.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen,
dass innerhalb eines oder mehrerer Betriebsmodi der Akkumulator
als Primärversorger
und das Brennstoffzellensystem als Sekundärversorger dient. Befindet
sich die erfindungsgemäße Vorrichtung
in einem solchen Betriebsmodus, entspricht dies einem so genannten ”akkumulatorgeführten” Hybridsystem.
Dabei kann vorgesehen sein, dass der Akkumulator sowohl die Nominal- als auch die Spitzenlast
des Verbrauchers abdeckt, und dass Brennstoffzellensystem nur zum
Aufladen des Akkumulators hochgefahren wird, oder dass der Akkumulator
im Wesentlichen nur die Nominallast abdeckt und das Brennstoffzellensystem
auch zur Versorgung von Spitzenlasten zum Einsatz kommt. Ein solcher
Betriebsmodus bietet sich insbesondere für solche Anwendungen an, bei
denen nur in relativ geringem Umfang Spitzenlasten auftreten, oder
bei denen die Leistungsaufnahme des Verbrauchers über längere Zeiträume gering
ist, oder überhaupt
keine Leistung benötigt
wird. Ein brennstoffzellengeführtes
System wäre
in solchen Fällen,
wie bereits oben beschrieben, ineffizient.
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Andererseits
wäre ein
akkumulatorgeführtes
Hybridsystem gemäß dem Stand
der Technik ebenfalls nachteilig, wenn es mit einem Verbraucher
betrieben würde,
welcher durchgängig
eine mittlere bis hohe Leistungsaufnahme aufweist. Die Kapazität des Akkumulators
wäre relativ
schnell erschöpft
und es wäre
eine häufige
Aufladung durch das Brennstoffzellensystem erforderlich, sodass
es sinnvoller wäre,
den Verbraucher direkt durch das Brennstoffzellensystem als Primärversorger
zu bedienen. Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann in einer
solchen Situation in einen entsprechenden Betriebsmodus umgeschaltet
werden und die Vorrichtung somit insgesamt effizienter betrieben
werden.
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Bevorzugte
Betriebsmodi des erfindungsgemäßen Vorrichtung
sind in der nachfolgenden Tabelle nochmals zusammenfassend dargestellt.
Betriebsmodus | Brennstoffzellensystem | Akkumulator |
A | Primärversorger
(Nominallast) | Sekundärversorger
(kurzfristige Spitzenlast) |
B | Primärversorger
(Nominallast) | Sekundärversorger
(kurz- und längerfristige
Spitzenlast) |
C | Primärversorger
(Nominal- und Spitzenlast) | Sekundärversorger
zur Inbetriebnahme des Brennstoffzellensystems |
D | Primärversorger
(Nominal- und Spitzenlast) | Sekundärversorger
während
der Anfangsphase |
E | Sekundärversorger
zum Laden des Akkumulators | Primärversorger
(Nominal- und Spitzenlast) |
F | Sekundärversorger
zum Laden des Akkumulators und für
Spitzenlasten | Primärversorger
(Nominallast) |
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Erfindungsgemäß können zwei
oder mehr Betriebsmodi vorgesehen sein, wobei die in der Tabelle
angegeben Betriebsmodi A bis F lediglich typische Beispiele darstellen.
Selbstverständlich
können
zusätzlich oder
alternativ auch andere Betriebsmodi vorgesehen sein, die an die
spezifischen Anforderungen von bestimmten Verbrauchern angepasst
sind.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
kann diese mehrere Akkumulatoren umfassen. In diesem Fall können die
Akkumulatoren unterschiedliche Funktionen erfüllen, d. h. die Abgabe von
elektrischer Energie durch den Akkumulator und dessen Aufladung
können
für verschiedene Akkumulatoren
nach unterschiedlichen Gesichtspunkten gesteuert werden. Hierdurch
können
zusätzliche
Betriebsmodi realisiert werden. Beispielsweise können zwei Akkumulatoren vorgesehen
sein, wobei innerhalb eines Betriebsmodus der erste Akkumulator
als Sekundärversorger
für Spitzenlasten
dient und der zweite Akkumulator nur zum Hochfahren des Brennstoffzellensystems
eingesetzt wird, und in einem anderen Betriebsmodus beide Akkumulatoren
zur Abdeckung von Spitzenlasten dienen.
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Akkumulatoren,
die im Rahmen der vorliegenden Erfindung bevorzugt zum Einsatz kommen,
umfassen Bleiakkumulatoren, Nickel-Cadmium-Akkumulatoren, Nickel-Wasserstoff-Akkumulatoren,
Nickel-Metallhydrid-Akkumulatoren, Lithium-Ionen-Akkumulatoren und
Lithium-Polymer-Akkumulatoren. Bei Verwendung mehrerer Akkumulatoren
können
insbesondere auch verschiedene Akkumulatortypen eingesetzt werden.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung umfasst die Vorrichtung einen Schalter für die Umschaltung
zwischen den verschiedenen Betriebsmodi. Mit Hilfe eines derartigen
Schalters kann der Benutzer die erfindungsgemäße Vorrichtung manuell in einen
bestimmten Betriebsmodus versetzen. Je nach Art der Anwendung bzw.
des mit der Vorrichtung zu versorgenden Verbrauchers kann der Benutzer
einen passenden Betriebsmodus auswählen, also z. B. einen brennstoffzellengeführten Betriebsmodus
im Falle eines Verbrauchers, der durchgehend oder überwiegend
eine hohe Leistung benötigt,
oder einen akkumulatorgeführten
Betriebsmodus im Falle eines Verbrauchers, der während längerer Zeitabschnitte nur eine
geringe oder überhaupt
keine Leistung benötigt.
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Besonders
günstig
ist es, wenn die Umschaltung zwischen den verschiedenen Betriebsmodi
durch die Steuerungseinrichtung in Abhängigkeit von mindestens einem übergeordneten
Systemparameter erfolgt. Die Auswahl eines geeigneten Betriebsmodus
erfolgt bei dieser Ausführungsform
automatisch durch die Steuerungseinrichtung. Dabei ist der mindestens
eine übergeordnete
Systemparameter, der die Auswahl eines Betriebsmodus bzw. die Umschaltung
in einen anderen Betriebsmodus beeinflusst, von dem mindestens einem Systemparameter
zu unterscheiden, der die Steuerung der Vorrichtung innerhalb eines
jeweiligen Betriebsmodus beeinflusst.
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Vorzugsweise
umfasst der mindestens eine übergeordnete
Systemparameter die zeitliche Änderung eines
oder mehrerer Systemparameter. Insbesondere kann es sich bei einem übergeordneten
Systemparameter um die zeitliche Änderung der Leistungsaufnahme
des Verbrauchers handeln. Während
demnach die (momentane) Leistungsaufnahme des Verbrauchers als Systemparameter
herangezogen wird, um innerhalb eines Betriebsmodus z. B. den Sekundärversorger
zuzuschalten, kann durch die Ermittlung der zeitlichen Veränderung
der Leistungsaufnahme z. B. festgestellt werden, ob und in welchem
Umfang Spitzenlasten auftreten. In Abhängigkeit von diesem übergeordneten
Systemparameter kann dann die Steuerungseinrichtung in einen anderen
Betriebsmodus umgeschaltet werden. In entsprechender Weise können z.
B. auch die zeitliche Änderung
der Spannung des Brennstoffzellenblocks, der Spannung des Akkumulators
und/oder des Ladungszustandes des Akkumulators als übergeordnete
Systemparameter herangezogen werden.
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Auf
diese Weise kann durch die Steuerungseinrichtung bevorzugt der Typ
des an die erfindungsgemäße Vorrichtung
angeschlossenen Verbrauchers, d. h. insbesondere dessen Leistungsaufnahmeprofil,
erfasst werden, und dann auf dieser Grundlage der jeweils am besten
geeignete Betriebsmodus ausgewählt und
die Vorrichtung in diesen Betriebsmodus umgeschaltet werden. Eine
Auswahl durch den Benutzer und eine manuelle Umschaltung sind bei
dieser Ausführungsform
der Erfindung nicht erforderlich, und der Benutzer kann ein und
dieselbe Vorrichtung flexibel und ohne zusätzlichen Aufwand für verschiedene
Typen von Verbrauchern einsetzen.
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Bei
einer vorteilhaften Ausführungsform
der Erfindung bestimmt die Steuerungseinrichtung den mindestens
einen übergeordneten
Systemparameter durch die Ermittlung der zeitlichen Änderung
der Leistungsaufnahme des Verbrauchers während eines vorgegebenen Zeitraums
nach Inbetriebnahme der Vorrichtung. Bevorzugt startet die Vorrichtung
in diesem Fall nach der Inbetriebnahme zunächst in einem ersten, vorgegebenen
Betriebsmodus und ermittelt dann während einer Anfangsphase das
Leistungsaufnahmeprofil des Verbrauchers, d. h. insbesondere die
durchschnittliche Leistungsaufnahme (Nominallast), das Auftreten
von Zeiträumen
mit geringerer Leistungsaufnahme, das Auftreten von Spitzenlasten
sowie deren Höhe
und Zeitdauer. In Abhängigkeit
von den auf diese Weise ermittelten übergeordneten Systemparametern
kann dann in einen Betriebsmodus umgeschaltet werden, der am besten
an den vorhandenen Verbraucher angepasst ist. Die Anfangsphase,
während
der die übergeordneten
Systemparameter ermittelt werden, kann entweder ein Zeitraum mit
fest vorgegebener Länge
sein, oder die Länge
des Zeitraums ist flexibel und die Ermittlung des oder der übergeordneten
Systemparameter wird so lange durchgeführt, bis eine hinreichend zuverlässige Auswahl
des Betriebsmodus stattfinden kann.
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Besonders
günstig
ist, wenn die Steuerungseinrichtung den mindestens einen übergeordneten
Systemparameter durch die kontinuierliche oder wiederholte Ermittlung
der zeitlichen Änderung
der Leistungsaufnahme des Verbrauchers bestimmt. Auf diese Weise
findet die Auswahl eines geeigneten Betriebsmodus nicht nur einmal
nach Inbetriebnahme der Vorrichtung statt, sondern es kann auch
jederzeit während
des Betriebs in einem anderen Betriebsmodus umgeschaltet werden,
wenn sich das Leistungsaufnahmeprofil des Verbrauchers än dert. Auf
diese Weise wird eine größtmögliche Flexibilität für den Einsatz
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
erreicht.
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Es
ist im Rahmen der Erfindung auch möglich, die Umschaltung zwischen
den verschiedenen Betriebsmodi mittels eines Schalters mit einer
Umschaltung durch die Steuerungseinrichtung zu kombinieren. Beispielsweise
kann die Steuerungseinrichtung so ausgestaltet sein, dass zwischen
einer manuellen und einer automatischen Wahl des Betriebsmodus umgeschaltet
werden kann. Ebenso ist es möglich,
dass zunächst
ein Betriebsmodus vom Benutzer eingestellt wird und während des
Betriebs dann eine automatische Umschaltung in Abhängigkeit
von dem mindestens einen übergeordneten
Systemparameter erfolgt.
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Der
Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Erzeugung
und Abgabe von elektrischer Energie an einen Verbraucher vorzuschlagen,
welches für
unterschiedliche Verbrauchertypen einsetzbar ist.
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Diese
Aufgabe wird bei dem eingangs genannten Verfahren erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
dass mehrere Betriebsmodi des Verfahrens vorgesehen sind, wobei
innerhalb jedes Betriebsmodus die Steuerung gemäß einer vorgegebenen Abhängigkeit
von mindestens einem Systemparameter erfolgt, und wobei zwischen
den verschiedenen Betriebsmodi umgeschaltet werden kann.
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Die
Vorteile eines solchen Verfahrens wurden bereits im Zusammenhang
mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung
erläutert.
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Durch
den Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens
kann ein Hybridsystem aus einem Brennstoffzellensystem und einem
Akkumulator jeweils in einem an das Leistungsaufnahmeprofil des
Verbrauchers angepassten Betriebsmodus betrieben werden, wodurch
das Hybridsystem vielseitig einsetzbar wird und insgesamt mit einer
wesentlich höheren
Effizienz arbeitet.
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Besonders
vorteilhafte Ausführungsformen
des Verfahrens wurden ebenfalls bereits im Zusammenhang mit der
erfindungsgemäßen Vorrichtung
erläutert.
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Im
Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme
auf die Zeichnung näher
erläutert.
Es zeigen im Einzelnen:
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1:
ein schematisches Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
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2:
ein Fließdiagramm
betreffend die Umschaltung zwischen verschiedenen Betriebsmodi gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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3:
ein Fließdiagramm
betreffend die Steuerung innerhalb eines Betriebsmodus gemäß der vorliegenden
Erfindung; und
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4:
ein Fließdiagramm
betreffend die Steuerung innerhalb eines weiteren Betriebsmodus
gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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Ein
Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
ist als schematisches Blockschaltbild in der 1 dargestellt
und als Ganzes mit 10 bezeichnet.
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Die
Vorrichtung 10 umfasst ein Brennstoffzellensystem 11 mit
einem Brennstoffzellenblock 12. In dem Brennstoffzellenblock 12 wird
chemische Energie durch die kalte Verbrennung eines Brennstoffs
mit einem Oxidator in elektrische Energie umgewandelt. Bei dem hier
dargestellten Brennstoffzellensystem 11 wird dem Brennstoffzellenblock 12 als
Oxidator Luftsauerstoff aus der Umgebung zugeführt (dargestellt durch den
Doppelpfeil 14) und als Brennstoff Wasserstoff, der in
einem Brennstoffspeicher 16 in Form eines Druckgasbehälters bevorratet
ist.
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Das
Brennstoffzellensystem 11 umfasst ferner eine Kühleinrichtung 18,
durch die dem Brennstoffzellenblock 12 Luft zur Kühlung zugeführt wird
(dargestellt durch Dreifachpfeile).
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Die
Vorrichtung 10 umfasst ferner einen Akkumulator 20,
der durch die von dem Brennstoffzellenblock 12 erzeugte
elektrische Energie (dargestellt durch ausgefüllte Pfeile) aufgeladen werden
kann. Sowohl von dem Brennstoffzellensystem 11 als auch
von dem Akkumulator 20 kann über einen Energieverteiler 22 elektrische
Energie an einen Verbraucher 24 abgegeben werden, welcher
an die Vorrichtung 10 angeschlossen ist. Auch die Kühleinrichtung 18 wird über den
Energieverteiler 22 von dem Brennstoffzellensystem 11 und/oder dem
Akkumulator 20 mit Energie versorgt.
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Des
Weiteren umfasst die Vorrichtung 10 eine Steuerungseinrichtung 26,
durch die die Abgabe von elektrischer Energie durch das Brennstoffzellensystem 11,
die Abgabe von elektrischer Energie durch den Akkumulator 20 sowie
die Aufladung des Akkumulators 20 durch das Brennstoffzellensystem 11 gesteuert
werden. Daneben kann die Steuerungseinrichtung 26 weitere
Funktionen der Vorrichtung 10 und insbesondere des Brennstoffzellensystems 11 steuern,
wie z. B. den Betrieb der Kühleinrichtung 18 und
die Zufuhr von Wasserstoff aus dem Brennstoffspeicher 16 zum
Brennstoffzellenblock 12. Die Steuerung durch die Steuerungseinrichtung 26 erfolgt
innerhalb jedes Betriebsmodus der Vorrichtung 10 gemäß einer
vorgegebenen Abhängigkeit
von einem oder mehreren Systemparametern, insbesondere der Leistungsaufnahme
des Verbrauchers 24, der Spannung des Brennstoffzellenblocks 12,
der Spannung des Akkumulators 20, der Temperatur des Brennstoffzellenblocks 12,
dem Füllstand
des Brennstoffspeichers 16 usw. Die Erfassung der Systemparameter
und die Steuerung durch die Steuerungseinrichtung 26 sind
in der 1 schematisch durch die Mess- und Steuerleitung 28 dargestellt.
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Die
verschiedenen Komponenten der Vorrichtung 10 einschließlich der
Leistungselektronik sind so ausgelegt, dass die Anforderungen der
vorgesehenen Betriebsmodi mit diesen Komponenten jeweils erfüllt werden
können.
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Die
Umschaltung zwischen den verschiedenen Betriebsmodi der Vorrichtung 10 kann
durch die Steuerungseinrichtung 26 in Abhängigkeit
von übergeordneten
Systemparametern erfolgen, sowie alternativ oder zusätzlich,
wie dies bei dem in der 1 dargestellten Ausführungsbeispiel
verwirklicht ist, durch einen Schalter 30, der von dem
Benutzer der Vorrichtung 10 manuell bedient werden kann.
Bei dem Schalter 30 kann es sich entweder um ein mechanisches
Bedienelement jeglicher Art handeln oder auch um ein elektronisches
Bedienelement; insbesondere kann die Betätigung des Schalters über einen
Touchscreen oder dergleichen erfolgen.
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Die
Umschaltung zwischen den verschiedenen Betriebsmodi einer erfindungsgemäßen Vorrichtung durch
die Steuerungseinrichtung in Abhängigkeit
von mindestens einem übergeordneten
Systemparameter ist in Form eines Fließdiagramms in der 2 dargestellt.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
beginnt gemäß diesem
Ausführungsbeispiel
mit der Inbetriebnahme der Vorrichtung durch einen Startknopf, -schalter
oder dergleichen (40). Die Vorrichtung startet zunächst in
einem ersten, vorgegebenen Betriebsmodus (42). Innerhalb
dieses ersten Betriebsmodus kann z. B. vorgesehen sein, dass das
Brennstoffzellensystem hochgefahren wird und alleine den Verbraucher
mit elektrischer Energie versorgt.
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Nachdem
das Brennstoffzellensystem hochgefahren ist, erfolgt während eines
bestimmten Zeitraums eine Ermittlung von übergeordneten Systemparametern
(44), bei denen es sich insbesondere um die zeitliche Änderung
der Leistungsaufnahme des Verbrauchers handelt. Bevorzugt können während dieses
Zeitraums z. B. die durchschnittliche Leistungsaufnahme des Verbrauchers,
die maximal auftretende Leistungsaufnahme des Verbrauchers, das
Verhältnis
der maximalen zur durchschnittlichen Leistungsaufnahme und/oder
der zeitliche Anteil an über-
oder unterdurchschnittlicher Leistungsaufnahme erfasst werden. Die
Länge des
Erfassungszeitraums kann entweder fest vorgegeben sein, oder die
Erfassung wird so lange durchgeführt,
bis ein zuverlässiges
Leistungsaufnahmeprofil des Verbrauchers bestimmt werden kann.
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In
Abhängigkeit
von den auf diese Weise ermittelten übergeordneten Systemparametern
erfolgt durch die Steuerungseinrichtung die Auswahl eines geeigneten
Betriebsmodus, der am besten an das Leistungsaufnahmeprofil des
Verbrauchers angepasst ist, und die Vorrichtung wird in diesen Betriebsmodus
umgeschaltet. In der 2 sind hierfür beispielhaft sechs verschiedene
Betriebsmodi A bis F dargestellt, wobei auch eine geringere oder
höhere
Anzahl an Betriebsmodi vorgesehen sein kann. Innerhalb jedes einzelnen
Betriebsmodus erfolgt eine Steuerung gemäß einem vorgegebenen Algorithmus
in Abhängigkeit
von mindestens einem Systemparameter.
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Die
Ermittlung von übergeordneten
Systemparametern (44) kann in regelmäßigen Abständen wiederholt werden (dargestellt
durch die Schleife 46) oder auch kontinuierlich durchgeführt werden,
sodass bei einer Änderung
des Leistungsaufnahmeprofils des Verbrauchers jeweils ein anderer
Betriebsmodus ausgewählt
und die Vorrichtung in diesen umgeschaltet werden kann.
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Die
Steuerung der erfindungsgemäßen Vorrichtung
innerhalb eines bestimmten Betriebsmodus ist als Fließdiagramm
in der 3 dargestellt. Hierbei handelt es sich um ein
Ausführungsbeispiel
für einen
Betriebsmodus, bei dem das Brennstoffzellensystem als Primärversorger
für die
Nominallast und der Akkumulator als Sekundärversorger für kurzfristige
Spitzenlasten dient (wie z. B. bei dem Betriebsmodus A gemäß der obigen Tabelle).
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Den
Ausgangspunkt innerhalb dieses Betriebsmodus stellt die Situation
dar, dass die Leistungsaufnahme des Verbrauchers die Nominallast
nicht überschreitet
und ausschließlich
durch das Brennstoffzellensystem elektrische Energie an den Verbraucher
abgegeben wird (50). Als ein wesentlicher Systemparameter wird
die Leistungsaufnahme des Verbrauchers ermittelt (52).
Sobald diese die Nominallast überschreitet
(bzw. in einem bestimmten Ausmaß überschreitet),
d. h. wenn eine Spitzenlast vorliegt, wird der Akkumulator zugeschaltet
und der Verbraucher sowohl durch das Brennstoffzellensystem als
auch durch den Akkumulator versorgt (54). Sinkt die Leistungsaufnahme
des Verbrauchers wieder entsprechend ab (56), kann wieder
auf alleinigen Brennstoffzellenbetrieb (50) umgeschaltet
werden.
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Liegt
keine Spitzenlast vor, kann in Abhängigkeit vom Ladungszustand
des Akkumulators als weiterem Systemparameter (58) eine
Aufladung des Akkumulators durch das Brennstoffzellensystem erfolgen
(60).
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Weitere
Systemparameter, die von der Steuerungseinrichtung erfasst werden
können,
sind z. B. der Füllstand
des Brennstoffspeichers, die Temperatur des Brennstoffzellenblocks,
die Temperatur des Akkumulators (62) oder die Umgebungstemperatur.
In Abhängigkeit
von diesen Systemparametern können
dann weitere Funktionen der Vorrichtung, beispielsweise die Zufuhr
von Brennstoff zu dem Brennstoffzellenblock oder die Kühleinrichtung
des Brennstoffzellensystems, gesteuert werden (64).
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In
der 4 ist das Fließdiagramm für die Steuerung innerhalb eines
weiteren Betriebsmodus gemäß der vorliegenden
Erfindung dargestellt. Bei dem Betriebsmodus gemäß diesem Ausführungsbeispiel
dient der Akkumulator als Primärversorger
für die
Nominal- und Spitzenlast und das Brennstoffzellensystem als Sekundärversorger
zum Laden des Akkumulators (wie z. B. bei dem Betriebsmodus E gemäß der obigen
Tabelle).
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Die
Steuerung innerhalb dieses Betriebsmodus geht von der Situation
aus, dass der Verbraucher ausschließlich durch den Akkumulator
mit elektrischer Energie versorgt wird und das Brennstoffzellensystem
nicht in Betrieb ist (70). Als ein wesentlicher Systemparameter
wird durch die Steuerungseinrichtung in regelmäßigen Abständen oder bevorzugt kontinuierlich
die Spannung und/oder der Ladungszustand des Akkumulators ermittelt
(72). Liegt dieser Parameter oberhalb eines vorgegebenen
Grenzwertes, bleibt die Vorrichtung im reinen Akkumulatorbetrieb
(70). Anderenfalls wird das Brennstoffzellensystem hochgefahren
(74).
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Während des
Betriebs des Brennstoffzellensystems werden weitere Systemparameter
ermittelt, wie z. B. die Spannung und Temperatur des Brennstoffzellenblocks
oder der Füllstand
des Brennstoffspeichers (76). Sofern die Parameter innerhalb
der vorgegebenen Grenzwerte liegen, wird die von dem Brennstoffzellensystem
erzeugte elektrische Energie zum Wiederaufladen des Akkumulators
eingesetzt (78). Anderenfalls kann die Steuerung weiterer
Funktionen des Brennstoffzellensystems erforderlich sein (80),
wie dies bereits im Zusammenhang mit dem Betriebsmodus gemäß der 3 beschrieben
wurde.
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Sobald
der Akkumulator wieder aufgeladen ist, wird in Abhängigkeit
von dem oder den entsprechenden Betriebsparametern (82)
das Brennstoffzellensystem heruntergefahren (84) und die
Vorrichtung kehrt wieder in den Ausgangszustand des Betriebsmodus
zurück
(70), bei dem der Verbraucher allein durch den Akkumulator
versorgt wird.