DE102016119323A1 - Brennstoffzellensystem und Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems - Google Patents

Brennstoffzellensystem und Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems Download PDF

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Abstract

Ein Brennstoffzellensystem (1) enthält wenigstens ein Brennstoffzellenmodul (10), das einen ersten und zweiten elektrischen Versorgungsanschluss (101, 102) aufweist, an denen im Betrieb des Brennstoffzellenmoduls eine elektrische Ausgangsspannung (UA) anliegt und die dafür konfiguriert sind, mit einer elektrischen Last (2) gekoppelt zu werden, eine Luftversorgungseinrichtung (40), die mit dem wenigstens einen Brennstoffzellenmodul (10) verbunden ist zur Zuführung von Luft (51) in einer einstellbaren Luftmenge an das Brennstoffzellenmodul (10) als einen der Reaktionsstoffe zur Erzeugung der Ausgangsspannung (UA) des Brennstoffzellenmoduls (10), und eine Steuerungseinrichtung (30), die mit dem wenigstens einen Brennstoffzellenmodul (10) und mit der Luftversorgungseinrichtung (40) verbunden ist zur Steuerung einer Ausgangsleistung des wenigstens einen Brennstoffzellenmoduls (10) an dem ersten und zweiten elektrischen Versorgungsanschluss (101, 102) und zur Einstellung der von der Luftversorgungseinrichtung (40) zugeführten Luftmenge. Die Steuerungseinrichtung (30) ist eingerichtet, eine Lastanforderung der Last (2) zu erfassen und zur Steuerung der Ausgangsleistung des wenigstens einen Brennstoffzellenmoduls (10) in Abhängigkeit der erfassten Lastanforderung die von der Luftversorgungseinrichtung (40) zugeführte Luftmenge in Abhängigkeit der erfassten Lastanforderung einzustellen und nachzuführen.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem mit einer Mehrzahl von Brennstoffzellenmodulen sowie ein Verfahren zum Betrieb eines solchen Brennstoffzellensystems.
  • Brennstoffzellen erzeugen elektrische Energie aus Wasserstoff und Sauerstoff. Sauerstoff wird in der Regel in Form von Luft (insbesondere Umgebungsluft) zugeführt, und Wasserstoff wird aus einem Vorratsbehälter zugeführt oder auch vor Ort erzeugt, beispielsweise aus Methanol. Die Brennstoffzellen sind typischerweise zu einem oder mehreren Brennstoffzellenstapeln zusammengefasst und bilden zusammen mit zahlreichen Peripherieelementen, wie Leitungen zur Zuführung von frischen Betriebsgasen und Kühlwasser, zur Abführung und/oder Rezirkulierung von gebrauchten Betriebsgasen und Kühlwasser, Sensoren, Ventilen, Steuereinrichtungen, Schaltern, Heizeinrichtungen, etc., ohne die der Betrieb der Brennstoffzellen nicht möglich wäre, ein Brennstoffzellenmodul. Ein Teil dieser Komponenten ist mit schützenden Abdeckungen, Gehäusen oder Ummantelungen ausgestattet, und alle Komponenten oder zumindest die meisten der Komponenten sind möglichst kompakt zusammengebaut und gemeinsam mit den Brennstoffzellen in einem Gehäuse untergebracht.
  • In einer typischen Anwendung ist zwischen ein oder mehreren Brennstoffzellenmodulen (die etwa zu einer Brennstoffzellengruppe verschaltet sind) und der elektrischen Last (etwa ein elektrischer Verbraucher, z. B. ein elektrischer Motor) ein Stromrichter geschaltet, der zum Einen die Ausgangsspannung des oder der Brennstoffzellenmodule an die Spannung der Last und zum Anderen den Laststrom je nach Lastanforderung anpasst und einstellt. Ein typischer Stromrichter, der zwischen Brennstoffzellenmodul und Last geschaltet ist, wie z. B. ein Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler (sog. DC/DC-Wandler), enthält schaltende Halbleiterelemente, wie z. B. Leistungstransistoren, die zur Bereitstellung der jeweiligen Ausgangsspannung bzw. des jeweiligen Laststroms entsprechend der Lastanforderung laststromgeführt angesteuert und geschaltet werden. Solche DC/DC-Wandler sind im allgemeinen, je nach Anwendung, vergleichsweise teuer und im Betrieb verlustbehaftet, wodurch die Betriebskosten erhöht werden.
  • Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Brennstoffzellensystem mit wenigstens einem Brennstoffzellenmodul sowie ein Verfahren zum Betrieb eines solchen Brennstoffzellensystems anzugeben, bei dem Einsparungen hinsichtlich Betriebskosten ermöglicht werden.
  • Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem mit wenigstens einem Brennstoffzellenmodul sowie ein Verfahren zum Betrieb eines solchen Brennstoffzellensystems gemäß den unabhängigen Patentansprüchen. Vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
  • Gemäß einem ersten Aspekt betrifft die Erfindung ein Brennstoffzellensystem mit wenigstens einem Brennstoffzellenmodul, das einen ersten und zweiten elektrischen Versorgungsanschluss aufweist, an denen im Betrieb des Brennstoffzellenmoduls eine elektrische Ausgangsspannung anliegt und die dafür konfiguriert sind, mit einer elektrischen Last gekoppelt zu werden, einer Luftversorgungseinrichtung, die mit dem wenigstens einen Brennstoffzellenmodul verbunden ist zur Zuführung von Luft in einer einstellbaren Luftmenge an das Brennstoffzellenmodul als einen der Reaktionsstoffe zur Erzeugung der Ausgangsspannung des Brennstoffzellenmoduls, und einer Steuerungseinrichtung, die mit dem wenigstens einen Brennstoffzellenmodul und mit der Luftversorgungseinrichtung verbunden ist zur Steuerung einer Ausgangsleistung des wenigstens einen Brennstoffzellenmoduls an dem ersten und zweiten elektrischen Versorgungsanschluss und zur Einstellung der von der Luftversorgungseinrichtung zugeführten Luftmenge. Die Steuerungseinrichtung ist eingerichtet, eine Lastanforderung der Last zu erfassen und zur Steuerung der Ausgangsleistung des wenigstens einen Brennstoffzellenmoduls in Abhängigkeit der erfassten Lastanforderung die von der Luftversorgungseinrichtung zugeführte Luftmenge in Abhängigkeit der erfassten Lastanforderung einzustellen und nachzuführen.
  • Damit ist es gemäß der Erfindung möglich, auf einen Stromrichter, wie etwa einen DC/DC-Wandler, der zwischen Brennstoffzellenmodul und Last geschaltet ist, zu verzichten. Erfindungsgemäß wird die Ausgangsleistung des wenigstens einen Brennstoffzellenmoduls in Abhängigkeit der erfassten Lastanforderung durch Einstellung und Nachführen der von der Luftversorgungseinrichtung zugeführten Luftmenge in Abhängigkeit der erfassten Lastanforderung gesteuert.
  • Erfindungsgemäß ist insbesondere vorgesehen, als Ersatz für einen zwischengeschalteten Stromrichter die Stöchiometrie des Oxidanten (der in der Luft enthaltene Sauerstoff) heranzuziehen. Insbesondere die Regelung der Luftzahl eignet sich in gewissen Grenzen dazu, die Ausgangsspannung und damit die Leistung des Brennstoffzellensystems einzustellen und nachzuführen, ohne dass nachhaltige Schädigungen am Brennstoffzellenstapel auftreten. Damit kann die Last direkt mit dem Brennstoffzellenmodul verbunden werden, wobei die Ausgangsleistung des Moduls mittels seiner Luftversorgung geregelt wird.
  • Gemäß einem anderen Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems der oben genannten Art mit wenigstens einem Brennstoffzellenmodul, das einen ersten und zweiten elektrischen Versorgungsanschluss aufweist, an denen im Betrieb des Brennstoffzellenmoduls eine elektrische Ausgangsspannung anliegt und die mit einer elektrischen Last gekoppelt sind, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:
    • – Zuführung von Luft durch eine Luftversorgungseinrichtung in einer einstellbaren Luftmenge an das Brennstoffzellenmodul als einen der Reaktionsstoffe zur Erzeugung der Ausgangsspannung des Brennstoffzellenmoduls,
    • – Erfassung einer Lastanforderung der Last und
    • – Steuerung einer Ausgangsleistung an dem ersten und zweiten elektrischen Versorgungsanschluss des wenigstens einen Brennstoffzellenmoduls in Abhängigkeit der erfassten Lastanforderung durch Einstellung und Nachführen der von der Luftversorgungseinrichtung zugeführten Luftmenge in Abhängigkeit der erfassten Lastanforderung.
  • Gemäß einer Ausführungsform ist die Steuerungseinrichtung eingerichtet, zur Steuerung der Ausgangsleistung des wenigstens einen Brennstoffzellenmoduls die von der Luftversorgungseinrichtung zugeführte Luftmenge luftzahlgeführt nach einer bestimmten Luftzahl einzustellen.
  • Insbesondere ist die Steuerungseinrichtung gemäß einer Ausführungsform eingerichtet, die von der Luftversorgungseinrichtung zugeführte Luftmenge luftzahlgeführt mit einer Luftzahl zwischen 1 und 2 einzustellen. Gemäß einer Ausführungsform wird die von der Luftversorgungseinrichtung zugeführte Luftmenge luftzahlgeführt mit einer Luftzahl zwischen 1,5 und 2 eingestellt.
  • Gemäß einer Ausführungsform ist in der Steuerungseinrichtung eine Luftzahl-Ausgangsspannungs-Charakteristik hinterlegt, und die Steuerungseinrichtung ist eingerichtet, die Ausgangsspannung des wenigstens einen Brennstoffzellenmoduls luftzahlgeführt gemäß der Luftzahl-Spannungs-Charakteristik einzustellen.
  • Gemäß einer Ausführungsform sind in der Steuerungseinrichtung eine erste und eine zweite Luftzahl-Ausgangsspannungs-Charakteristik hinterlegt, und die Steuerungseinrichtung ist eingerichtet, die Ausgangsspannung des wenigstens einen Brennstoffzellenmoduls luftzahlgeführt in einem Bereich zwischen der ersten und der zweiten Luftzahl-Ausgangsspannungs-Charakteristik einzustellen.
  • Beispielsweise ist die erste Luftzahl-Ausgangsspannungs-Charakteristik für eine minimal erlaubte Schwankung der Lastanforderung und die zweite Luftzahl-Ausgangsspannungs-Charakteristik für eine maximal erlaubte Schwankung der Lastanforderung kennzeichnend.
  • Gemäß einer Ausführungsform ist die Steuerungseinrichtung eingerichtet, zur Steuerung der Ausgangsleistung des wenigstens einen Brennstoffzellenmoduls die von der Luftversorgungseinrichtung zugeführte Luftmenge in Abhängigkeit der erfassten Lastanforderung nur für Lastanforderungen größer als 10% eines maximal zulässigen Laststromes der wenigstens einen Brennstoffzellenmoduls einzustellen.
  • Gemäß einer Ausführungsform weist die Luftversorgungseinrichtung einen Luftverdichter auf.
  • Die oben und im folgenden beschriebenen Funktionen der Steuerungseinrichtung können in analoger Weise auch bei dem beschriebenen Verfahren als jeweilige Verfahrensschritte angewandt werden. Alle in dieser Offenbarung beschriebenen Ausführungsformen und Beispiele sind analog auch auf ein derartiges Betriebsverfahren anwendbar.
  • Im folgenden wird die Erfindung in Form eines Ausführungsbeispiels anhand der einzigen Figur näher erläutert.
  • Die Figur zeigt eine beispielhafte Ausführungsform eines Brennstoffzellensystems gemäß Aspekten der Erfindung.
  • Das Brennstoffzellensystem 1 weist wenigstens ein Brennstoffzellenmodul 10 auf. Das Brennstoffzellensystem kann auch mehrere Brennstoffzellenmodule aufweisen, die miteinander verschaltet sind. Beispielsweise können die Brennstoffzellenmodule parallel oder seriell, oder in einer Kombination aus beiden, verschaltet sein, wie dem Fachmann allgemein bekannt. Das Brennstoffzellenmodul 10 (im Fall mehrerer miteinander verschalteter Brennstoffzellenmodule, das Brennstoffzellensystem 1) weist einen ersten elektrischen Versorgungsanschluss 101 und einen zweiten elektrischen Versorgungsanschluss 102 auf, die dafür konfiguriert sind, an eine elektrische Last 2 angeschlossen zu werden. Im angeschlossenen Zustand, wie in der Figur gezeigt, liegt an den Versorgungsanschlüssen 101 und 102 des Brennstoffzellenmoduls 10 eine Ausgangsspannung UA zur Versorgung der Last 2 mit einem Laststrom IL an. Die Last 2 kann im allgemeinen beispielsweise einen oder mehrere elektrische Verbraucher (wie elektrische Motoren), einen oder mehrere dem Verbraucher zugeordnete Stromrichter (etwa ein Netzteil o. ä.) und/oder andere elektrische Komponenten eines elektrischen Lastkreises enthalten und steht stellvertretend für elektrische Komponenten, die auf der Verbrauchsseite mit dem Brennstoffzellenmodul 10 zur Abnahme eines Laststromes verbunden sind.
  • Insbesondere ist zwischen die Last 2 und das wenigstens eine Brennstoffzellenmodul 10 kein Stromrichter (z. B. DC/DC-Wandler) geschaltet, der dazu vorgesehen ist, die Ausgangsleistung des wenigstens einen Brennstoffzellenmoduls in Abhängigkeit einer erfassten Lastanforderung der Last 2 einzustellen und nachzuführen. Dies wird vielmehr stattdessen durch das erfindungsgemäße Zusammenwirken der Steuerungseinrichtung 30 und der Luftversorgungseinrichtung 40 mit dem Brennstoffzellenmodul 10 bewerkstelligt, wie im folgenden näher beschrieben.
  • Die Steuerungseinrichtung 30 des Brennstoffzellensystems 1 dient einerseits zur Erfassung eines Betriebszustands des wenigstens einen Brennstoffzellenmoduls 10 anhand eines gemessenen Laststroms (Ausgangsstroms) IL des Brennstoffzellenmoduls. Andererseits ist die Steuerungseinrichtung 30 mit dem Brennstoffzellenmodul 10 verbunden zur Steuerung des Betriebs des Brennstoffzellenmoduls 10. Hierzu ist die Steuerungseinrichtung 30 über eine Steuerungsleitung 22 mit dem Brennstoffzellenmodul 10 elektrisch verbunden und kann dieses für den Betrieb im Brennstoffzellensystem 1 individuell einschalten, ausschalten oder auch dessen elektrische Parameter, wie Modul-Ausgangsspannung, -strom und/oder Leistungsabgabe individuell steuern oder regeln. Der Fachmann kann hierzu Steuerungs- bzw. Regelungsmechanismen im Zusammenspiel zwischen der Steuerungseinrichtung 30 und dem Brennstoffzellenmodul 10 anwenden, die im Stand der Technik hinreichend bekannt sind. Beispielsweise wird von der Steuerungseinrichtung 30 zur Steuerung des jeweiligen Betriebsbereichs die Zufuhr der chemischen Reaktionsstoffe, wie Wasserstoff und Luft (Sauerstoff), über die Leitung 22 entsprechend individuell eingestellt und gesteuert (in der Figur nicht dargestellt).
  • Weiterhin kann eine Messeinrichtung vorgesehen sein, die mit dem Brennstoffzellenmodul 10 verbunden und eingerichtet ist, einen Laststrom des Brennstoffzellenmoduls 10 zu messen. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist in der Steuerungseinrichtung 30 ein Messmodul vorgesehen (nicht dargestellt), das in Hardware oder Software, oder in Kombination daraus, realisiert sein kann, welches den Laststrom IL des Brennstoffzellenmoduls messen kann. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel enthält die Steuerungseinrichtung 30 beispielsweise einen Mikroprozessor, der die jeweils benötigten Parameter über eine Analog/Digital-Schnittstelle empfängt und die entsprechenden Ausgangsgrößen berechnet. Ein oder mehrere Parameter, welche für eine Lastanforderung (mithin den angeforderten Laststrom) der Last 2 kennzeichnend sind, werden über die Leitung 23 an die Steuerungseinrichtung 30 übermittelt.
  • Weiterhin ist eine Luftversorgungseinrichtung 40 vorgesehen, die mit dem wenigstens einen Brennstoffzellenmodul 10 verbunden ist zur Zuführung von Luft 51 (hier Umgebungsluft) in einer einstellbaren Luftmenge an das Brennstoffzellenmodul 10. Die Luft 51 dient zur Bereitstellung eines der Reaktionsstoffe (hier des Oxidanten Sauerstoff O2) der Brennstoffzellen, welche die chemische Reaktionsenergie eines kontinuierlich zugeführten Brennstoffes (hier Wasserstoff) und eines Oxidationsmittels (Sauerstoff) in elektrische Energie wandeln und damit die elektrische Ausgangsspannung UA des Brennstoffzellenmoduls 10 erzeugen. Die Luft 51 wird über einen Einlass 41 in die Luftversorgungseinrichtung 40, beispielsweise einen Luftverdichter, eingeführt. Der Luftverdichter 40 fördert die zugeführte Luft 51 durch einen oder mehrere Brennstoffzellenstapel, wo der enthaltene Sauerstoff mit Wasserstoff reagiert, um in einer chemischen Reaktion die Ausgangsspannung UA zu erzeugen. Über den Auslass 42 wird verbrauchte und unverbrauchte Luft 52 von den Brennstoffzellenstapeln weg- und aus dem Brennstoffzellenmodul 10 herausgeführt. Der Luftverdichter 40 ist mit der Steuerungseinrichtung 30 über die Leitung 21 verbunden und über diese von der Steuerungseinrichtung 30 so ansteuerbar, dass die Luftmenge der dem Brennstoffzellenmodul 10 zugeführten Luft 51 individuell einstellbar verändert werden kann. Dies erfolgt, wie im folgenden näher erläutert, luftzahlgeführt, wobei die Steuerungseinrichtung 30 mit einer entsprechenden Messvorrichtung (nicht dargestellt) verbunden ist, um die in dem Brennstoffzellenmodul 10 am entsprechenden Brennstoffzellenstapel vorherrschende Luftzahl zu messen.
  • Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird die Stöchiometrie des Oxidanten Sauerstoff herangezogen, um die Ausgangsleistung des Brennstoffzellenmoduls 10 zu steuern und der Lastanforderung der Last 2 nachzuführen. Die Regelung der Luftzahl eignet sich in gewissen Grenzen dazu, die Ausgangsspannung und damit die Leistung des Brennstoffzellensystems herabzusetzen, ohne dass nachhaltige Schädigungen am Brennstoffzellenstapel auftreten. Zusammengefasst wird auf einen laststromgeführten DC/DC-Wandler zwischen Brennstoffzellenmodul 10 und der Last 2 verzichtet, indem die Last 2 direkt mit dem Brennstoffzellenmodul 10 elektrisch verbunden wird und die Leistung des Brennstoffzellenmoduls dann mittels seiner Luftversorgung geregelt wird.
  • Gemäß einer Ausführungsform wird der Arbeitspunkt auf einer Stöchiometrie-Ausgangsspannungs-Kennlinie, die in der Steuerungseinrichtung 30 hinterlegt ist, verändert. Unter Stöchiometrie wird im allgemeinen das Über- oder Unterangebot eines Reaktanden in einer chemischen Reaktion verstanden. Sie liegt bei 1,0, wenn so viel Reaktand zugeführt wird, wie im Verhältnis der chemischen Reaktion gebraucht wird. Es gibt daher für Brennstoffzellen eine H2-Stöchiometrie und eine O2-Stöchiometrie. Bei Reaktoren, die mit Luftsauerstoff arbeiten (wie auch ein Auto), wird letztere auch „Luftzahl” (λ) (Lambda) genannt. In Brennstoffzellen üblich sind Luftzahlen zwischen 1,5 und 2, um annähernd 100% Leistung zu bekommen. Es wird also durch die Luftversorgungseinrichtung 40 eineinhalb- bis zweimal soviel Luft(sauerstoff) zugeführt, wie in der Reaktion eigentlich benötigt würde. Erweitert man dieses Fenster auf sehr niedrige Werte bis λ = 1, wird die Ausgangsspannung und damit die Leistung des Brennstoffzellenmoduls im Extremfall bis auf Null absinken (siehe Figur). Durch Einstellung der Luftmenge der zugeführten Luft (und damit der Luftzahl) kann die Zellspannung der Brennstoffzellen des Brennstoffzellenmoduls erhöht oder abgesenkt werden (da die chemische Reaktion mit Wasserstoff beeinflusst wird), was zu einem veränderlichen Stromfluss zur Last und damit zu einer indirekten Leistungsregelung führt.
  • Wie in der Figur schematisch dargestellt, sind in der Steuerungseinrichtung 30 eine oder mehrere Luftzahl-Ausgangsspannungs-Charakteristiken 13, 14 hinterlegt, wobei die Ausgangsspannung UA des Brennstoffzellenmoduls 10 luftzahlgeführt nach λ gemäß der entsprechenden Luftzahl-Ausgangsspannungs-Charakteristik eingestellt wird. Insbesondere sind in der vorliegenden Ausführungsform eine erste und eine zweite Luftzahl-Ausgangsspannungs-Charakteristik 13 bzw. 14 hinterlegt. Die erste Luftzahl-Ausgangsspannungs-Charakteristik 13 ist für eine minimal erlaubte Schwankung der Lastanforderung und die zweite Luftzahl-Ausgangsspannungs-Charakteristik 14 für eine maximal erlaubte Schwankung der Lastanforderung kennzeichnend. Die Figur zeigt eine relative Brennstoffzellen-Ausgangsspannung UR in Abhängigkeit der Luftzahl λ. Die relative Brennstoffzellen-Ausgangsspannung UR ist bezogen auf den Spannungswert bei Nennbetrieb (= 100%) und entspricht qualitativ dem Verlauf der Ausgangsspannung UA. Der Bereich 11 kennzeichnet den erweiterten Betriebsbereich mit relativen Ausgangsleistungsänderungen von ca. 60% bis 90% bezogen auf die Nennleistung. Durch Einstellung einer Luftzahl λ zwischen 1,0 und 1,5 kann die Ausgangsspannung und damit die Ausgangsleistung des Brennstoffzellenmoduls luftzahlgeführt in diesem Betriebsbereich eingestellt werden. Der Bereich 12 kennzeichnet einen Betriebsbereich mit relativen Ausgangsleistungsänderungen von ca. 10% bis 15% bezogen auf die Nennleistung. Durch Einstellung einer Luftzahl λ zwischen 1,5 und 2,0 kann die Ausgangsspannung und damit die Ausgangsleistung des Brennstoffzellenmoduls luftzahlgeführt in diesem Betriebsbereich eingestellt werden. Insgesamt lässt sich somit ein Bereich 18 von ca. 10% bis 100% der Ausgangsleistung des Brennstoffzellenmoduls 10 durch eine luftzahlgeführte Zufuhr von Luft 51 abdecken.
  • Im vorliegenden Ausführungsbeispiel stellt die Steuerungseinrichtung 30 die Ausgangsspannung UA des Brennstoffzellenmoduls 10 luftzahlgeführt in einem Arbeitsbereich 15 zwischen der ersten und der zweiten Luftzahl-Ausgangsspannungs-Charakteristik 13, 14 ein. Beispielsweise wird ein Arbeitspunkt 16 innerhalb dieses Bereichs 15 eingestellt. Die Spanne 17 kennzeichnet einen Bereich einer zulässigen Lastanforderung bei einer Luftzahl λ von 1,0.
  • Erfindungsgemäß erfolgt vorteilhaft eine Leistungsregelung über die Luftversorgung (bzw. Reaktionsstöchiometrie) statt über ein leistungselektronisches Bauelement wie einen DC/DC-Wandler, der somit eingespart werden kann, was die Betriebskosten maßgeblich verringert. Eingestellt wird die Ansteuerung des Luftverdichters 40 und damit die Luftmenge, die durch das Brennstoffzellenmodul 10 geführt wird. Voraussetzung ist dabei, dass der verträgliche Bereich hinsichtlich Betriebsspannung der Last 2 dem Bereich der Versorgungsspannung des Brennstoffzellenmoduls 10 direkt entspricht, da nicht nur die Regelung der Leistungsanforderung durch einen nicht mehr vorhandenen DC/DC-Wandler entfällt, sondern auch die Anpassung der Ausgangsspannung des Brennstoffzellenmoduls an die zulässige Betriebsspannung des Verbrauchers. Damit ist die vorliegende Erfindung vor allem anwendbar bei Anwendungen, bei denen die Spannungslagen des Brennstoffzellenmoduls und des Verbrauchers/der Last über den Lastbereich übereinstimmen.
  • Es können insbesondere folgende Betriebsgrenzen festgelegt werden:
    • – Änderung der Luftzahl zwischen λ = 1 und 2, insbesondere 1,0 und 2,0.
    • – Gültig für Lastströme IL oberhalb 10% des maximal erlaubten Laststromes für das Brennstoffzellenmodul.
  • Man möge denken, dass eine Luftzahl von 1,0 für 100% der Brennstoffzellenleistung ausreichen müsste und nur unterhalb davon die Leistung absinkt. Aufgrund von Diffusionsverlusten muss aber in realen Brennstoffzellensystemen immer eine Luftzahl von deutlich größer 1 gefahren werden, damit die Diffusionsverluste gegen Null gehen. Bei λ = 2,0 ist dies nach gegenwärtigem Stand der Technik mit genügender Genauigkeit gegeben. Alles darunter führt zu Spannungs- und damit Leistungsverringerungen, die auch bei gegenwärtigem Stand der Technik bei λ = 1,0 fast 100% betragen können. Die genauen Werte sind abhängig vom detaillierten Zelldesign und der Materialauswahl der Brennstoffzellen. Diese können durch den Fachmann in geeigneter Weise für die jeweilige Anwendung und Betriebsbedingungen ausgewählt und festgelegt werden.
  • Für ein Brennstoffzellensystem wird im allgemeinen ein maximal zulässiger Laststrom bestimmt, der sich nach der flächenspezifischen Stromdichte richtet (genaue Werte sind design- und betriebsführungsabhängig). Es existiert jedoch auch eine Untergrenze, unterhalb derer die Brennstoffzelle ihren Auslegungsbereich für das Reaktionsmanagement verlässt. Diese liegt nach dem gegenwärtigen Stand der Technik bei ca. 10% des maximal zulässigen Laststromes und ist der Grund für die oben beschriebene zweckmäßige Einschränkung.

Claims (13)

  1. Brennstoffzellensystem (1), aufweisend: – wenigstens ein Brennstoffzellenmodul (10), das einen ersten und zweiten elektrischen Versorgungsanschluss (101, 102) aufweist, an denen im Betrieb des Brennstoffzellenmoduls eine elektrische Ausgangsspannung (UA) anliegt und die dafür konfiguriert sind, mit einer elektrischen Last (2) gekoppelt zu werden, – eine Luftversorgungseinrichtung (40), die mit dem wenigstens einen Brennstoffzellenmodul (10) verbunden ist zur Zuführung von Luft (51) in einer einstellbaren Luftmenge an das Brennstoffzellenmodul (10) als einen der Reaktionsstoffe zur Erzeugung der Ausgangsspannung (UA) des Brennstoffzellenmoduls (10), – eine Steuerungseinrichtung (30), die mit dem wenigstens einen Brennstoffzellenmodul (10) und mit der Luftversorgungseinrichtung (40) verbunden ist zur Steuerung einer Ausgangsleistung des wenigstens einen Brennstoffzellenmoduls (10) an dem ersten und zweiten elektrischen Versorgungsanschluss (101, 102) und zur Einstellung der von der Luftversorgungseinrichtung (40) zugeführten Luftmenge, – wobei die Steuerungseinrichtung (30) eingerichtet ist, eine Lastanforderung der Last (2) zu erfassen und zur Steuerung der Ausgangsleistung des wenigstens einen Brennstoffzellenmoduls (10) in Abhängigkeit der erfassten Lastanforderung die von der Luftversorgungseinrichtung (40) zugeführte Luftmenge in Abhängigkeit der erfassten Lastanforderung einzustellen und nachzuführen.
  2. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei die Steuerungseinrichtung (30) eingerichtet ist, zur Steuerung der Ausgangsleistung des wenigstens einen Brennstoffzellenmoduls (10) die von der Luftversorgungseinrichtung (40) zugeführte Luftmenge luftzahlgeführt nach einer bestimmten Luftzahl einzustellen.
  3. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 2, wobei die Steuerungseinrichtung (30) eingerichtet ist, die von der Luftversorgungseinrichtung (40) zugeführte Luftmenge luftzahlgeführt mit einer Luftzahl zwischen 1 und 2 einzustellen.
  4. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 2, wobei die Steuerungseinrichtung (30) eingerichtet ist, die von der Luftversorgungseinrichtung (40) zugeführte Luftmenge luftzahlgeführt mit einer Luftzahl zwischen 1,5 und 2 einzustellen.
  5. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei in der Steuerungseinrichtung (30) eine Luftzahl-Ausgangsspannungs-Charakteristik (13, 14) hinterlegt ist, und die Steuerungseinrichtung (30) eingerichtet ist, die Ausgangsspannung (UA) des wenigstens einen Brennstoffzellenmoduls (10) luftzahlgeführt gemäß der Luftzahl-Ausgangsspannungs-Charakteristik (13, 14) einzustellen.
  6. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei in der Steuerungseinrichtung (30) eine erste und eine zweite Luftzahl-Ausgangsspannungs-Charakteristik (13, 14) hinterlegt sind, und die Steuerungseinrichtung (30) eingerichtet ist, die Ausgangsspannung (UA) des wenigstens einen Brennstoffzellenmoduls (10) luftzahlgeführt in einem Bereich (15) zwischen der ersten und der zweiten Luftzahl-Ausgangsspannungs-Charakteristik (13, 14) einzustellen.
  7. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 6, wobei die erste Luftzahl-Ausgangsspannungs-Charakteristik (13) für eine minimal erlaubte Schwankung der Lastanforderung und die zweite Luftzahl-Ausgangsspannungs-Charakteristik (14) für eine maximal erlaubte Schwankung der Lastanforderung kennzeichnend ist.
  8. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Steuerungseinrichtung (30) eingerichtet ist, zur Steuerung der Ausgangsleistung des wenigstens einen Brennstoffzellenmoduls (10) die von der Luftversorgungseinrichtung (40) zugeführte Luftmenge in Abhängigkeit der erfassten Lastanforderung nur für Lastanforderungen größer als 10% eines maximal zulässigen Laststromes der wenigstens einen Brennstoffzellenmoduls (10) einzustellen.
  9. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Luftversorgungseinrichtung (40) einen Luftverdichter aufweist.
  10. Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems (1) aufweisend wenigstens ein Brennstoffzellenmodul (10), das einen ersten und zweiten elektrischen Versorgungsanschluss (101, 102) aufweist, an denen im Betrieb des Brennstoffzellenmoduls eine elektrische Ausgangsspannung (UA) anliegt und die mit einer elektrischen Last (2) gekoppelt sind, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: – Zuführung von Luft (51) durch eine Luftversorgungseinrichtung (40) in einer einstellbaren Luftmenge an das Brennstoffzellenmodul (10) als einen der Reaktionsstoffe zur Erzeugung der Ausgangsspannung (UA) des Brennstoffzellenmoduls, – Erfassung einer Lastanforderung der Last (2) und – Steuerung einer Ausgangsleistung an dem ersten und zweiten elektrischen Versorgungsanschluss (101, 102) des wenigstens einen Brennstoffzellenmoduls (10) in Abhängigkeit der erfassten Lastanforderung durch Einstellung und Nachführen der von der Luftversorgungseinrichtung (40) zugeführten Luftmenge in Abhängigkeit der erfassten Lastanforderung.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, wobei die Ausgangsleistung des wenigstens einen Brennstoffzellenmoduls (10) in Abhängigkeit der erfassten Lastanforderung luftzahlgeführt gesteuert wird.
  12. Verfahren nach Anspruch 11, wobei die Ausgangsleistung luftzahlgeführt mit einer Luftzahl zwischen 1 und 2 gesteuert wird.
  13. Verfahren nach Anspruch 11, wobei die Ausgangsleistung luftzahlgeführt mit einer Luftzahl zwischen 1,5 und 2 gesteuert wird.
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JP2019515657A JP7126495B2 (ja) 2016-10-11 2017-10-10 燃料電池システム及び燃料電池システムの作動方法
US16/339,317 US11417898B2 (en) 2016-10-11 2017-10-10 Fuel cell system and method of operating a fuel cell system
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Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TWI735046B (zh) * 2019-10-01 2021-08-01 台灣聯合氫能股份有限公司 燃料電池複合動力控制方法及其系統

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5991670A (en) * 1995-12-29 1999-11-23 Dbb Fuel Cell Engines Gmbh Power control system for a fuel cell powered vehicle
DE112009005098T5 (de) * 2009-07-30 2012-08-09 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Brennstoffzellensystem

Family Cites Families (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2000208161A (ja) 1999-01-14 2000-07-28 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池の運転方法及び運転装置
JP2004096835A (ja) 2002-08-29 2004-03-25 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池車両の制御装置
US20040096709A1 (en) 2002-11-15 2004-05-20 Darling Robert M. Fuel cell system with a dry cathode feed
JP4734821B2 (ja) 2003-03-05 2011-07-27 日産自動車株式会社 燃料電池制御システム
KR101413534B1 (ko) 2009-09-28 2014-07-01 쿄세라 코포레이션 연료 전지 장치
JP5625469B2 (ja) 2010-05-06 2014-11-19 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム
JP5825839B2 (ja) 2011-05-12 2015-12-02 本田技研工業株式会社 燃料電池車両
KR101417345B1 (ko) 2012-09-19 2014-07-08 기아자동차주식회사 연료전지 시스템의 제어 방법
KR101745195B1 (ko) * 2015-12-04 2017-06-08 현대자동차주식회사 연료전지시스템의 출력을 제어하는 방법

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5991670A (en) * 1995-12-29 1999-11-23 Dbb Fuel Cell Engines Gmbh Power control system for a fuel cell powered vehicle
DE112009005098T5 (de) * 2009-07-30 2012-08-09 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Brennstoffzellensystem

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