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Offenbart wird 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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Die Erfindung betrifft 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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Die
DE 10 2008 015 344 A1 offenbart ein Kontrollverfahren für ein Brennstoffzellensystem zur Energieversorgung eines Verbraucher, wobei das Brennstoffzellensystem zwischen einem Ruhezustand und einem Betriebszustand umschaltbar ist, wobei die Energieversorgung des Verbrauchers in dem Ruhezustand zum größten Teil oder vollständig durch eine Energiespeichereinrichtung erfolgt, und wobei in dem Ruhezustand der Brennstoff und/oder der Oxidant in dem Brennstoffzellensystem aktiv bewegt wird.
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Die
DE 10 2007 035 217 A1 offenbart ein Energieversorgungssystem mit einem oder mehreren Brennstoffzellenstapeln und einem elektrischen Sekundärakkumulator, der durch die elektrische Energie des Brennstoffzellenstapels als temporärer Zwischenspeicher aufladbar ist, wobei der Brennstoffzellenstapel und der Sekundärakkumulator direkt elektrisch miteinander in Verbindung stehen und der Brennstoffzellenstapel in einem solchen Betriebsbereich spannungsgeführt ist, dass ein reversibles Entladen des Sekundärakkumulators über den Brennstoffzellenstapel unterbleibt.
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Es besteht die Aufgabe, 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 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 Möglichkeit, die Vorrichtung zwischen verschiedenen Betriebsmodi umzuschalten, kann diese an unterschiedliche Leistungsaufnahmeprofile eines Verbrauchers angepasst werden und ist dadurch wesentlich flexibler einsetzbar. Dabei können 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 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 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 ist es besonders vorteilhaft, wenn innerhalb eines oder mehrerer Betriebsmodi das Brennstoffzellensystem als Primärversorger und der Akkumulator als Sekundärversorger dient. Befindet sich die 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 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 ist vorgesehen, dass innerhalb eines oder mehrerer Betriebsmodi der Akkumulator als Primärversorger und das Brennstoffzellensystem als Sekundärversorger dient. Befindet sich die 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 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 der 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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Es 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 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 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 umfasst die Vorrichtung einen Schalter für die Umschaltung zwischen den verschiedenen Betriebsmodi. Mit Hilfe eines derartigen Schalters kann der Benutzer die 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 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 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 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 ändert. Auf diese Weise wird eine größtmögliche Flexibilität für den Einsatz der Vorrichtung erreicht.
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Es ist 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 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 gelöst durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils von Anspruch 1.
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Die Vorteile eines solchen Verfahrens wurden bereits im Zusammenhang mit der offenbarten 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 offenbarten 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 offenbarten 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 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 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 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.
