DE102020202435A1 - Vorrichtung zur elektrischen Belastung eines Brennstoffzellen-Stacks - Google Patents

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Abstract

Es wird eine Vorrichtung zur elektrischen Belastung eines Brennstoffzellen-Stacks beschrieben mit einer elektrochemischen Vorrichtung zum Generieren von Wasserstoff; und einem Spannungswandler, dessen elektrischer Eingangsanschluss eingerichtet ist, mit dem elektrischen Ausgang des Brennstoffzellen-Stacks elektrisch gekoppelt zu werden und eingerichtet ist, der elektrochemischen Vorrichtung elektrische Energie des Brennstoffzellen-Stacks mit einer höheren Spannung zuzuführen, als einer Spannung am Ausgang des Brennstoffzellen-Stack.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur elektrischen Belastung eines Brennstoffzellen-Stacks, die eine elektrochemische Vorrichtung zum Generieren von Wasserstoff aufweist.
  • Stand der Technik
  • Wasserstoffbasierte Brennstoffzellen gelten als Mobilitätskonzept der Zukunft, da sie nur gasförmiges Wasser emittieren und schnelle Betankungszeiten ermöglichen. PEM-Brennstoffzellen (PEM engl.: „proton-exchange-membran‟; Protonen-Austausch-Membran) können mit an einer Kathode der Brennstoffzelle zugeführten Luft als Oxidationsmittel und mit an einer Anode der Brennstoffzelle zugeführtem Wasserstoff als Brennstoff betrieben werden, um elektrische Energie mit einem hohen Wirkungsgrad bereitzustellen. Im Fertigungsprozess eines mit Wasserstoff betriebenen Brennstoffzellen-Stack wird der Brennstoffzellen-Stack auch betrieben. Dies erfolgt unter anderem bei der Endprüfung und ggf. in einem vorgelagerten separaten Konditionierprozess. Dabei wird das Membransystem des Brennstoffzellen-Stack für den Betrieb aktiviert bzw. konditioniert.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Für die Konditionierung von Brennstoffzellen-Stacks werden Betriebsstoffe vorwiegend gasförmig und teilweise befeuchtet dem jeweiligen Brennstoffzellen-Stack zugeführt. Dann wird dem Brennstoffzellen-Stack definiert elektrische Energie entsprechend einem vorgegebenen Muster entnommen. In der Endprüfung wird der Brennstoffzellen-Stack betrieben, um Fertigungsfehler zu entdecken, wobei Leistung dem Brennstoffzellen-Stack entnommen und die entsprechenden Betriebsstoffe zugeführt werden.
  • Insbesondere der Konditionierungsprozess kann über Stunden erfolgen indem dem Brennstoffzellen-Stack, beispielsweise die Reaktionsgasen Sauerstoff, bzw. Luft und Wasserstoff zugeführt und elektrische Energie abgeführt wird. Dabei wird die entnommene elektrische Leistung über den entnommenen Strom geregelt, wobei sich die Spannung des Brennstoffzellen-Stack am entsprechenden Betriebspunkt, gemäß einer Kennlinie für den Betrieb des Brennstoffzellen-Stack, einstellt.
    Bei dem Konditionieren wird das Membransystem aktiviert, wozu definiert Betriebsgase dem Brennstoffzellen-Stack zugeführt werden und auch die entnommene elektrische Energie geregelt wird. Bei der anschließenden Endprüfung erfolgt eine Vermessung der Leistungsparameter des Brennstoffzellen-Stacks ebenfalls durch definiertes Zuführen von Gas und eine definierte Entnahme der elektrischen Energie.
  • Für die Konditionierung und die End-Prüfung erfolgt die Zuführung von Wasserstoff typischerweise aus Drucktanks. Dabei wird der Wasserstoff in der Regel aus stationären Großtanks, Flaschenbündel oder Druckgasflaschen bereitgestellt. Der Wasserstoff kann auch durch sogenannte Elektrolyseure d.h. mittels Elektrolyse direkt vor Ort erzeugt werden.
  • Die Stromentnahme und damit die elektrische Leistungsentnahme erfolgt in fertigungstechnischen Anlagen in der Regel mittels speziellen elektrischen Umrichtern bzw. sogenannten Stromsenken bzw. elektrische Lasten. Die von diesen Geräten aufgenommene Leistung wird dabei entweder in Wärme umgesetzt und in die Luft bzw. in einen Wasserkühlkreislauf abgegeben oder, sofern dies an dem entsprechenden Fertigungsstandort für Brennstoffzellen-Stacks möglich ist, in das elektrische Stromnetz, über eine kostenintensive Rückspeiseelektronik, eingespeist, sodass zumindest ein Teil der anfallenden Energie weiterverwendet werden kann.
  • Erfindungsgemäß wird eine Vorrichtung zur elektrischen Belastung eines Brennstoffzellen-Stacks und eine Verwendung der Vorrichtung entsprechend den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche angegeben, die zumindest zum Teil die beschriebenen Aufgaben lösen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
  • Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass die Belastung eines Brennstoffzellen-Stacks durch eine elektrochemische Vorrichtung erfolgen kann, die mit dem Brennstoffzellen-Stack elektrisch gekoppelt ist, sodass die notwendige elektrische Belastung des Brennstoffzellen-Stacks ein Generieren von Wasserstoff zur Folge hat, der dem Brennstoffzellen-Stack wieder zugeführt werden kann.
  • Entsprechend einem Aspekt wird eine Vorrichtung zur elektrischen Belastung eines Brennstoffzellen-Stacks vorgeschlagen, die eine elektrochemische Vorrichtung zum Generieren von Wasserstoff und einen Spannungswandler aufweist. Dabei ist der elektrische Eingangsanschluss des Spannungswandlers eingerichtet mit einem elektrischen Ausgang des Brennstoffzellen-Stacks elektrisch gekoppelt zu werden. Weiterhin ist der Spannungswandler eingerichtet, der elektrochemischen Vorrichtung elektrische Energie des Brennstoffzellen-Stacks mit einer höheren Spannung zuzuführen, als eine Spannung, die am Ausgang des Brennstoffzellen-Stack anliegt.
  • Ein solcher Spannungswandler kann auf unterschiedliche Arten realisiert werden und ist insbesondere eingerichtet eine Eingangsspannung, die von einem Brennstoffzellen-Stack generiert und an einem elektrischen Ausgangsanschluss des Brennstoffzellen-Stacks bereitgestellt wird, soweit zu erhöhen und an seinem Ausgangsanschluss bereitzustellen, dass die elektrochemische Vorrichtung auf einer höheren Betriebsspannung betrieben werden kann. Beispielsweise kann eine solche elektrochemische Vorrichtung ein Elektrolyseur sein, der durch Elektrolyse von Wasser mittels der zugeführten elektrischen Energie Wasserstoff erzeugt. Insbesondere kann ein so erzeugter Wasserstoff dem Brennstoffzellen-Stack wieder zugeführt werden.
  • Die elektrische Belastung des Brennstoffzellen-Stack erfolgt somit durch die elektrische Last, die durch die elektrochemische Vorrichtung bereitgestellt wird. Durch diese Vorrichtung wird vorteilhafterweise eine Trennung zwischen der Bereitstellung von Betriebsgasen des Brennstoffzellen-Stacks in der Fertigung, d.h. Wasserstoffgas aus Druckbehältern, die angeliefert werden müssen, oder Vor-Ort Erzeugung und der elektrischen Energieentnahme nach der Energiewandlung in der Brennstoffzelle aufgehoben. Vorteilhafterweise entfällt durch diese Vorrichtung die Notwendigkeit, mittels einer kostspieligen Rückspeiseelektronik als Last die von dem Brennstoffzellen-Stack erzeugte elektrische Energie in ein Stromnetz einspeisen zu müssen, um die erzeugte Energie nutzen zu können. Dies ist insbesondere deshalb vorteilhaft, da eine solche Rückspeiseeinrichtung erhebliche Wirkungsgradverluste aufweist. Somit kann vorteilhafterweise die generierte elektrische Energie in Form von generiertem Wasserstoff direkt innerhalb des Prüfstandes für die Konditionierung des Brennstoffzellen-Stacks verwendet werden. Dieser Vorteil ist insbesondere dort hervorzuheben, wo der Produktionsstandort für die Brennstoffzellen-Stacks eine elektrische Einspeisung ins Stromnetz rechtlich nicht zulässt. Vorteilhafterweise entfallen so auch die Kosten bzw. Aufwände, die gegebenenfalls beispielsweise für die Kühlung von z.B. Hallen oder einem Kühlwasserkreislauf anfallen würden, wenn man die elektrische Energie in Wärme wandelt.
  • Eine typische Anwendung dieser Vorrichtung ist die Fertigung eines Brennstoffzellen-Stacks mit z.B. Spannungen von 500V bei 300A. Der zu prüfende Brennstoffzellen-Stack wandelt die Prozessgase der Betriebsmittel in elektrische Energie, die mit dieser Vorrichtung in Wasserstoffgas gewandelt werden kann. Mit diesem Wasserstoffgas kann dann wieder ein Brennstoffzellen-Stack betrieben werden, um einen energetischen Kreislauf aufzubauen. Idealerweise wird dabei der Fertigungseinrichtung von außen weder Gas noch elektrische Energie zugeführt. Real müssen allerdings Verluste ausgeglichen werden, zusätzlich muss für die Elektrolyse Wasser als Betriebsstoff zugeführt werden. Somit kann ein Fertigungsprüfstand dann nahezu autark arbeiten. Es fällt somit energetisch nahezu die gleiche Gasenergie an wie elektrische Energie der Brennstoffzelle entnommen wird. Allerdings technisch bedingt deutlich weniger als der primär zugeführte Wasserstoff. Somit kann eine externe Gasbereitstellung in der Regel entfallen und auftretenden Verluste durch von außen zugeführte elektrische Energie für die Erzeugung der notwendigen restlichen Gasmenge verwendet werden. Wenn beispielsweise in einer typischen Fertigung etwa 200 solche Vorrichtungen verwendet werden und eine Netzrückspeisung nicht möglich ist, so vereinfacht dieses Konzept die Fertigung erheblich und macht gegebenenfalls eine Großserienfertigung erst möglich. Dabei ist eine solche Vorrichtung weitgehend wartungsfrei und kann kostengünstig hergestellt werden. Daraus folgt, dass die Verluste minimiert werden können und somit die Produktionskosten niedrig gehalten werden können.
  • Entsprechend einem Aspekt wird vorgeschlagen, dass die Vorrichtung eingerichtet ist, den von der elektrochemischen Vorrichtung generierten Wasserstoff dem Brennstoffzellen-Stack zuzuführen.
  • Vorteilhafterweise kann dadurch der von der elektrochemischen Vorrichtung generierte Wasserstoff als Betriebsmittel für den Brennstoffzellen-Stack genutzt werden. Die Menge des generierten Wasserstoffs von der elektrochemischen Vorrichtung kann somit den jeweiligen Brennstoffzellen-Stack versorgen und die Infrastruktur des Produktionsortes des Brennstoffzellen-Stack wird vereinfacht, da entweder kein Wasserstoff oder eine geringere Menge von Wasserstoff an den Produktionsort transportiert werden muss.
  • Entsprechend einem Aspekt wird vorgeschlagen, dass der Spannungswandler eingerichtet ist, mit einer Mehrzahl von Brennstoffzellen-Stacks elektrisch gekoppelt zu werden, und eingerichtet ist, die Spannung am Ausgang jedes Brennstoffzellen-Stacks der Mehrzahl der Brennstoffzellen-Stacks unabhängig voneinander für die Zuführung zur elektrochemischen Vorrichtung zu erhöhen.
    Dadurch, dass eine Mehrzahl von Brennstoffzellen-Stacks mittels eines entsprechend eingerichteten Spannungswandlers mit einer elektrochemischen Vorrichtung elektrisch gekoppelt werden können, verteilen sich die wirtschaftlichen Aufwände für die elektrochemische Vorrichtung, wie beispielsweise einen Elektrolyseur, wodurch ein entsprechender Konditionierungs-Platz für eine Mehrzahl von Brennstoffzellen-Stacks wirtschaftlich aufgebaut werden kann.
  • Dies gilt insbesondere, da die Brennstoffzellen-Stacks bei der Konditionierung ein Lastprofil vorgegeben bekommen, das zeitlich gesehen oft unterhalb der Volllast liegt. Bei geeigneter Verschaltung der Brennstoffzellen-Stacks mit der elektrochemischen Vorrichtung als Last kann somit die elektrochemische Vorrichtung wirtschaftlicher genutzt werden.
  • Entsprechend einem Aspekt wird vorgeschlagen, dass die Vorrichtung eine Steuereinrichtung aufweist, die eingerichtet ist, die Belastung des jeweiligen Brennstoffzellen-Stacks der Mehrzahl der Brennstoffzellen-Stacks so zu steuern, dass durch zeitversetzte Teilbelastung und Vollbelastung des jeweiligen Brennstoffzellen-Stacks eine Auslastung der elektrochemischen Vorrichtung zeitlich ausgeglichener wird.
    Wie schon vorher ausgeführt wurde, wird beim Konditionieren von Brennstoffzellen-Stacks typischerweise ein elektrisches Lastprofil verwendet, welches zwischen Volllast und Teillast wechselt. Werden nun in einer Fertigungseinrichtung zwei oder mehr Brennstoffzellen-Stacks betrieben und die Lastprofile leicht zeitversetzt betrieben, kann eine Fertigungseinrichtung oder einer Gruppe von Fertigungseinrichtungen eine relativ gleichmäßige Lastsituation mit gleichmäßiger Generierung von Wasserstoff und einer relativ konstanten Generierung von elektrische Energie für diese Gruppe erreichen.
  • Entsprechend einem Aspekt wird vorgeschlagen, dass der Spannungswandler eine Hochsetzsteller-Schaltung aufweist, um die Spannung am Ausgang des Brennstoffzellen-Stack zu erhöhen.
    Eine Hochsetzsteller-Schaltung ist ein sehr einfach aufgebauter elektrischer Schaltkreis, der einem Elektrolyseur elektrische Leistung zuführen kann, der dadurch Wasserstoff generiert, welcher in einem Kreislauf für die Versorgung von Brennstoffzellen-Stacks in dem Produktionsprozess verwendet werden kann. D. h. mit dieser Hochsetzsteller-Schaltung kann, durch entsprechende Taktung eines typischerweise elektronischen Schalters wie IGBT, MOSFET Transistor o.ä. der jeweiligen Hochsetzsteller-Schaltung, ein Entnahmestrom an einem jeweiligen Brennstoffzellen-Stack unabhängig von der Belastung eines anderen Brennstoffzellen-Stacks eingestellt werden und die jeweilige Spannung des entsprechenden Brennstoffzellen-Stack von einem Ausgangsanschluss der Hochsetzsteller-Schaltung mit einem höheren Spannungsniveau an die elektrochemische Vorrichtung übertragen werden. Mit anderen Worten kann durch die Erhöhung der Spannung des jeweiligen Brennstoffzellen-Stacks der Ausgangsanschluss der Hochsetzsteller-Schaltung mit dem Elektrolyseur elektrisch gekoppelt werden und dem Elektrolyseur eine Spannung bereitgestellt werden, die über einer Zersetzungsspannung des Wassers des Elektrolyseurs liegt.
  • Entsprechend einem Aspekt wird vorgeschlagen, dass die Hochsetzsteller-Schaltung, zum Minimieren von Ansteuerverlusten der elektrochemischen Vorrichtung, einen elektrischen Widerstand aufweist.
    Der elektrische Widerstand der Hochsetzsteller-Schaltung kann in Reihe mit der elektrochemischen Vorrichtung geschaltet sein und die Größe des elektrischen Widerstands kann so eingerichtet sein, dass in elektrischen Zyklen, die durch die Hochsetzsteller-Schaltung entstehen, ein Kondensator der Hochsitzsteller-Schaltung in einem solchen elektrischen Zyklus nicht vollständig entladen wird. Mit anderen Worten bedeutet das, dass die Größe des elektrischen Widerstandes in der Vorrichtung zur elektrischen Belastung eines Brennstoffzellen-Stacks optimiert gewählt wird, um der elektrochemischen Vorrichtung eine wenig variierende Spannung bereitzustellen.
  • Entsprechend einem Aspekt wird vorgeschlagen, dass die elektrochemische Vorrichtung eingerichtet ist, eine Betriebs-Spannung aufzuweisen, die oberhalb der maximal bereitgestellten Spannung des Brennstoffzellen-Stack ist. Vorteilhafterweise ergibt sich dadurch die Möglichkeit einen Arbeitspunkt einer Betriebs-Spannung der elektrochemischen Vorrichtung so einzustellen, dass mittels der Hochsetzsteller-Schaltung sowohl die Belastung des jeweiligen Brennstoffzellen-Stack als auch die Ausgangsspannung der Hochsetzsteller-Schaltung entsprechend den jeweiligen Anforderungen eingestellt werden kann.
  • Entsprechend einem Aspekt wird vorgeschlagen, dass die elektrochemische Vorrichtung mit einer pH-Regeleinrichtung eingerichtet ist, die Betriebs-Spannung auf einen Arbeitspunkt einzustellen.
    Mit einer solchen pH-Regeleinrichtung kann durch die Zuführung von Wasser oder einem pH-Wert beeinflussenden Stoff, wie eine Säure oder eine Lauge, durch einen entsprechend aufgebauten Regelkreis, mittels des so geregelten pH-Wertes der elektrochemischen Vorrichtung, der Arbeitspunkt der Betriebsspannung der elektrochemischen Vorrichtung eingestellt werden. Dadurch kann erreicht werden, dass der Arbeitspunkt der Betriebsspannung der elektrochemischen Vorrichtung oberhalb der von dem jeweiligen elektrochemischen-Stack erzeugten Spannung liegt. Das Wasser der elektrochemischen Vorrichtung kann beispielsweise in Form von deionisiertem Wasser zugeführt werden, das beispielsweise mittels eines Ionenaustauscher bereitgestellt wird.
  • Entsprechend einem Aspekt wird vorgeschlagen, dass die pH-Regeleinrichtung eine pH-Messeinrichtung für die elektrochemische Vorrichtung aufweist.
    Mit einer solchen pH-Messeinrichtung kann ein pH-Wert der elektrochemischen Vorrichtung bestimmt werden, um einen Regelkreis zum Festlegen eines pH-Wertes für die Festlegung eines Arbeitspunktes der Betriebsspannung der elektrochemischen Vorrichtung aufzubauen.
  • Entsprechend einem Aspekt wird vorgeschlagen, dass die pH-Regeleinrichtung eine Elektrolyt-Pegel-Messeinrichtung für die elektrochemische Vorrichtung aufweist, um den pH-Wert einzustellen.
    Da bei der Elektrolyse in der elektrochemischen Vorrichtung Wasser zersetzt wird, um Wasserstoff zu generieren, ist es notwendig Wasser für die elektrochemische Vorrichtung nachzuführen, und um dies in einem Regelkreis für einen Pegel eines Elektrolytstandes in der elektrochemischen Vorrichtung aufbauen zu können, kann die Elektrolyt-Pegel-Messeinrichtung den jeweiligen Istwert des Pegels des Elektrolyts angeben. Dazu kann die elektrochemische Vorrichtung auch eine Zufuhrvorrichtung für eine geregelte Zufuhr von Wasser aufweisen.
  • Entsprechend einem Aspekt wird vorgeschlagen, dass die pH-Regeleinrichtung eine Zufuhrvorrichtung für einen pH-Wert beeinflussenden Stoff aufweist, um den Arbeitspunkt der Betriebs-Spannung einzustellen.
    Ein pH-Wert beeinflussender Stoff kann beispielsweise eine Säure oder eine Lauge bzw. Base sein, die dem Elektrolyt der elektrochemischen Vorrichtung geregelt oder gesteuert zugegeben wird, um den Arbeitspunkt für die Betriebs-Spannung der elektrochemischen Vorrichtung festzulegen.
  • Entsprechend einem Aspekt wird vorgeschlagen, dass die Vorrichtung eingerichtet ist, von einem gesteuerten Netzgleichrichter elektrische Energie zugeführt zu bekommen, um eine zusätzliche Menge von Wasserstoff zu erzeugen.
    Ein solcher gesteuerte Netzgleichrichter kann beispielsweise in Form einer einfachen Umrichter-Schaltung aus einem elektrischen Stromnetz elektrische Energie der elektrochemischen Vorrichtung zuführen, indem die elektrochemische Vorrichtung mit dem gesteuerten Netzgleichrichter elektrisch gekoppelt ist. Unvermeidbare Verluste, die bei der Generierung von Wasserstoff durch den von dem Brennstoffzellen-Stack generierten elektrischen Strom entstehen, kann durch die Zuführung von elektrischer Energie mittels des gesteuerten Netzgleichrichters zur elektrochemischen Vorrichtung ausgeglichen werden. Vorteilhafterweise kann dann auf eine Zuführung von Wasserstoff zum Produktionsort verzichtet werden, da der notwendige Wasserstoff entweder durch die Zuführung von elektrischer Energie des jeweiligen Brennstoffzellen-Stack zur elektrochemischen Vorrichtung oder durch die zusätzliche Zuführung von elektrischer Energie aus einer Stromversorgung zur elektrochemischen Vorrichtung generiert wird.
  • Auf ein externes Wasserstoff-Gassystem kann somit verzichtet werden. Ein so mit der Vorrichtung zur elektrischen Belastung des Brennstoffzellen-Stacks ausgestatteten Produktionsort kann auf eine Zuführung von Wasserstoff von außen gänzlich verzichten, so dass ein externes Gassystem unnötig wird und der Produktionsort bzw. der Prüfstand für den Brennstoffzellen-Stack bezüglich einer Versorgung von Wasserstoff eigenversorgt wird. Dies vereinfacht die Infrastruktur des Produktionsortes. Mit anderen Worten wird durch die Zuführung von elektrischer Energie aus einer Stromversorgung zusätzlicher Wasserstoff generiert, um einen Mehrbedarf von Wasserstoff auszugleichen, der auf Verluste bei der Generierung von Wasserstoff aus der elektrischen Energie des Brennstoffzellen-Stack zurückzuführen ist. Der Netzgleichrichter kann in Form einer elektrischen Vollbrücke zur Gleichrichtung der Netzspannung ausgestattet sein oder auch eine andere Brückenschaltung aufweisen. Um die entsprechende Gleichspannung für die elektrochemische Vorrichtung aus der Netzspannung durch den gesteuerten Netzgleichrichter bereitzustellen, kann der Netzgleichrichter auch auf eine gewisse Sollspannung geregelt werden.
  • Entsprechend einem Aspekt wird vorgeschlagen, dass ein Arbeitspunkt einer Betriebs-Spannung der elektrochemischen Vorrichtung oberhalb einer gleichgerichteten Netzscheitelspannung liegt.
    Wenn die Vorrichtung zur elektrochemischen Belastung so ausgelegt wird, kann eine elektrische Schaltung für den Spannungswandler und für den Netzgleichrichter besonders einfach aufgebaut werden, da ein Stromfluss über parasitäre Dioden von elektrischen Schaltern des Spannungswandlers dadurch vermieden wird und so die Zufuhr von elektrische Energie durch den Spannungswandler und den Netzgleichrichter geregelt erfolgen kann.
  • Es wird die Verwendung der oben beschriebenen Vorrichtung zum Konditionieren von Brennstoffzellen-Stacks vorgeschlagen. Dadurch ergeben sich die oben aufgeführten Vorteile bei der Produktion von Brennstoffzellen-Stacks und insbesondere die Möglichkeit ohne eine externe Zufuhr von Wasserstoff an den Produktionsort auszukommen.
  • Ausführungsbeispiele
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den 1 bis 4 sowie in den folgenden Ausführungen dargestellt und werden im Folgenden näher erläutert. Es zeigt die
    • 1 eine Vorrichtung zur elektrischen Belastung eines Brennstoffzellen-Stacks;
    • 2 eine Vorrichtung zur elektrischen Belastung einer Mehrzahl von Brennstoffzellen-Stacks;
    • 3 eine Vorrichtung zur elektrischen Belastung einer Mehrzahl von Brennstoffzellen-Stacks mit gesteuertem Netzgleichrichter; und
    • 4 eine elektrochemische Vorrichtung mit einer pH-Regeleinrichtung, pH-Messeinrichtung, Elektrolyt-Pegel-Messeinrichtung und Zufuhrvorrichtung für einen pH-Wert beeinflussenden Stoff.
  • Die 1 zeigt schematisch die Vorrichtung 100 mit einem Spannungswandler in Form eines Hochsetzstellers zur elektrischen Belastung eines Brennstoffzellen-Stacks. Wird der elektronische Schalter VI 122 geschlossen, fließt durch die Spule LGD 120 elektrischer Strom IFC, der von einem an den Anschlüssen 100 a und 100 b angeschlossenen Brennstoffzellen-Stack mit einer Spannung UFC bereitgestellt wird. Wenn ein gewünschter Wert des Stroms IFC erreicht ist, wird der Schalter VI 122 geöffnet und der Strom fließt über die Diode D1 124 in den Kondensator C 126, der sich dadurch auflädt und dabei die Spannung, die an dem Kondensator C 126 anliegt, ansteigt. Mit einer entsprechenden Taktung des Öffnens und Schließens des Schalters VI 122 kann eine Entnahme von Strom aus dem an der Vorrichtung 100 angeschlossenen Brennstoffzellen-Stack weitgehend konstant gehalten werden, wodurch sich an dem angeschlossenen Brennstoffzellen-Stack eine Spannung UFC einstellt, die auf eine Kennlinie des Brennstoffzellen-Stack zurückgeführt werden kann. Durch das Öffnen des Schalters VI 122 wird der Strom IFC kleiner, sodass der Schalter VI 122 dann wieder geschlossen wird, um den Strom ansteigen zu lassen. Dieses Öffnen und Schließen des Schalters VI 122 wird zyklisch wiederholt. Dabei ist eine entstehende Welligkeit des Stroms abhängig von der Schaltfrequenz von Schalter VI 122. Auf diese Weise kann eine konstante Stromentnahme unabhängig von der Brennstoffzellenspannung eingestellt werden. Mithilfe von einem hier nicht gezeigten Widerstand kann die Ladung des Kondensators C 126, entsprechend einer typischen Hochsetzsteller-Schaltung, optimiert werden.
  • Die elektrochemische Vorrichtung in Form eines im Stand der Technik bekannten Elektrolyseurs 110 ist parallel zum Kondensator 126 geschaltet und besteht im Wesentlichen aus einer Anreihung von Elektroden in einem Elektrolyten, die paarweise in Einzelzellen mit elektrischer Spannung beaufschlagt werden. Bis zum Erreichen einer sogenannten Zersetzungsspannung der Einzelzelle des Elektrolyseurs 110 bleibt der Elektrolyseur hochohmig und nimmt praktisch keinen Strom auf. Die Einzelzellen sind seriell verschaltet, wodurch sich für eine Anzahl von N Einzelzellen eine resultierende Zersetzungsspannung UZ des Elektrolyseurs 110 von N multipliziert mit der Zersetzungsspannung der Einzelzellen ergibt. Im Weiteren wird auf diese gesamte Zersetzungsspannung UZ Bezug genommen. Sobald die angelegte Spannung an den Elektrolyseur 110 ausreichend hoch ist, um die Zersetzungsspannung UZ zu erreichen, wird der Elektrolyseur 110 niederohmig und der zugeführte Strom führt zu einer Elektrolyse des Wassers im Elektrolyt und die Ausgasung von Wasserstoff bzw. Sauerstoff beginnt an den entsprechenden Elektroden und kann dort gesammelt werden.
  • Der Sauerstoff kann dabei typischerweise verworfen werden, da nur der Wasserstoff für den Brennstoffzellen-Stack mit zugeführter Luft an der Katode des Brennstoffzellen-Stack benötigt wird. Sind die Platten der Elektroden des Elektrolyseurs 110 ausreichend groß dimensioniert, bleibt die Spannung am Elektrolyseur 110 nahezu konstant und entspricht dabei in etwa der Zersetzungsspannung UZ. Dies führt dazu, dass ab Erreichen der Zersetzungsspannung UZ am Kondensator C 126 ein Stromfluss in den Elektrolyseur 110 erfolgt, und die Spannung an Kondensator C 126 nicht mehr weiter ansteigt. Mit einem in Reihe mit dem Elektrolyseur 110 geschalteten elektrischen Widerstand R 128 kann eine Welligkeit des elektrischen Stroms durch den Elektrolyseur 110 reduziert und eine gleichmäßigerer Gasstrom erreicht werden. Dieser Widerstand R 128 kann so bemessen werden, dass der Strom am Kondensator eine kleine Welligkeit aufweist, während trotz Stromwelligkeit der Strom durch den Elektrolyseur 110 konstant bleibt. Der Widerstand R 128 ist für die Funktion der Vorrichtung zur elektrischen Belastung eines Brennstoffzellen-Stack nicht notwendig und kann typischerweise durch eine Zuführungsleitung zum Elektrolyseur 110 realisiert werden.
  • Wie schon oben ausgeführt wurde, ist für eine einwandfreie Funktion der Vorrichtung zur elektrischen Belastung eines Brennstoffzellen-Stacks gefordert, dass der Elektrolyseur 110 eingerichtet ist, eine Zersetzungspannung UZ oberhalb der maximal möglichen Spannung des angeschlossenen Brennstoffzellen-Stack UFC aufzuweisen, da ansonsten ein Stromfluss über die Diode D1 124 unabhängig von der Stellung des Schalters VI 122 erfolgen würde. Dieser Stromfluss kann unter bestimmten Bedingungen unkontrolliert hoch werden, so dass eine Beschädigung oder ein Versagen der elektrischen Schaltung des Spannungswandlers und/oder des Elektrolyseurs resultieren würde. Insbesondere ist es dann nicht möglich einen Brennstoffzellenstrom IFC einzustellen, um eine entsprechendes Lastprofil für die Konditionierung des jeweiligen Brennstoffzellen-Stacks zu.
  • Mit anderen Worten stellt der Hochsetzsteller über den Schalter VI 122 einen gewünschten Entladestrom IFC eines jeweiligen angeschlossenen Brennstoffzellen-Stacks ein, wobei der Entladestrom IFC dabei unabhängig von der Brennstoffzellenspannung UFC ist, die sich über die entsprechende Kennlinie des Brennstoffzellen-Stack einstellt. Der Entladestrom des Brennstoffzellen-Stack wird dem Elektrolyseur 110 zugeführt. An diesem stellt sich eine Gasung von Wasserstoff und Sauerstoff an den entsprechenden Elektroden ein. Dabei ist die Spannung UZ am Elektrolyseur 110 die Zersetzungsspannung. Eine Gasungsleistung des Elektrolyseurs 110 entspricht dabei der elektrischen Leistung, welche dem Brennstoffzellen-Stack entnommen wird und ist ansonsten unabhängig vom Lastpunkt des angeschlossenen Brennstoffzellen-Stacks. Es muss nur sichergestellt werden, dass die Zersetzungsspannung UZ größer als die resultierende Spannung des angeschlossenen Brennstoffzellen-Stack ist.
  • Die 2 skizziert eine Modifikation der Vorrichtung 200 zur elektrischen Belastung eines Brennstoffzellen-Stacks an den zwei Brennstoffzellen-Stacks angeschlossen werden können, um mit dem daraus entnommenen Strom einen Elektrolyseur 110 zu betreiben. Dabei kann der entnommene Strom IFC1 eines ersten angeschlossenen Brennstoffzellen-Stacks unabhängig von dem entnommenen Strom IFC2 eines zweiten angeschlossenen Brennstoffzellen-Stacks eingestellt werden.
  • Dazu wird ein Teil der oben beschriebenen Hochsetzsteller-Schaltung für jeden an die Vorrichtung 200 angeschlossenen Brennstoffzellen-Stack bereitgestellt. Wie aus der 2 zu entnehmen ist, werden für jeden angeschlossenen Brennstoffzellen-Stack eine Spule 120, 120' eine Diode 124, 124' und ein Schalter V1 bzw. V2 vorgesehen, um von dem jeweils angeschlossenen Brennstoffzellen-Stack mittels der jeweiligen unabhängigen Taktung der Schalter V1 bzw. V2 dem gemeinsamen Kondensator C 126 elektrische Energie von den angeschlossenen Brennstoffzellen-Stacks zuzuführen. Auf die gleiche Weise können weitere Brennstoffzellen-Stacks an die Vorrichtung 200 elektrisch gekoppelt werden. Der Rest der Beschaltung der Vorrichtung 200 entspricht der Vorrichtung 100 wie in Bezug auf die 2 beschrieben wurde. Dabei ergibt sich, dass bei geeigneten Lastprofilen, die für die jeweiligen angeschlossenen Brennstoffzellen-Stacks eingestellt werden sollen, so wie diese typischerweise beim Konditionieren Anwendung finden, der Elektrolyseur gleichmäßiger beaufschlagt und damit ausgenützt werden kann. Denn beim Konditionieren von Brennstoffzellen-Stacks erfolgt die Ansteuerung typischerweise im zeitlichen Wechsel von einer elektrischen Belastung von 60% - 30% - 0% - 60% - 30% - 0%, ... usw. Wird ein zweiter angeschlossener Brennstoffzellen-Stack zeitversetzt angesteuert und beginnt somit mit einer Pause auf die dann die elektrische Belastung von 60% - 30% - 0 - ...folgt, so kann der Elektrolyseur besser ausgenutzt werden.
  • Die 3 skizziert eine gegenüber der Vorrichtung 200 modifizierten Vorrichtung 300 zur elektrischen Belastung von Brennstoffzellen-Stacks, die mit einem gesteuerten Netzgleichrichter 310 eingerichtet ist, elektrische Energie von einem elektrischen Stromnetz zugeführt zu bekommen, um eine zusätzliche Menge von Wasserstoff zu erzeugen. Dazu ist der gesteuerte Netzgleichrichter 310 parallel zu dem Kondensator 126 geschaltet, um elektrische Energie dem Kondensator 126 bereitzustellen, die dann wie vorher beschrieben den Elektrolyseur 110 betreibt.
    Der gesteuerte Netzgleichrichter 310 wird an einem dreiphasigen Stromnetz über LL1, LL2, LL3 betrieben und mittels der 6-pulsigen Vollbrückenschaltung, die die gesteuerten Schaltern VL1A, VL2A, VL3A ,VL1B, VL2B, VL3B aufweist, gleichgerichtet. Dabei wird die Zersetzungsspannung UZ des Elektrolyseurs 110 so eingestellt, dass sie größer ist als die Netzscheitelspannung ist, um die oben beschrieben Spannungen und Ströme der Vorrichtung 300 steuern zu können.
    Somit wird erreicht, dass der durch die Verluste bedingte Mehrbedarf von Wasserstoff für den Betrieb der Brennstoffzellen-Stacks, als durch die Nutzung der elektrisch erzeugten Energie erzeugt werden kann, durch die Zuführung von weiterer elektrische Energie gedeckt werden kann. Damit ist die entsprechende Fertigungseinrichtung von Brennstoffzellen-Stacks nicht auf Gaszuführung von außen angewiesen.
  • Die 4 skizziert wie die elektrochemische Vorrichtung in Form eines Elektrolyseurs 400 eingerichtet ist, die Zersetzungsspannung UZ einzustellen. Da die Zersetzungsspannung UZ von Wasser bzw. des Elektrolyts des Elektrolyseurs 400 unter anderem vom pH-Wert des Elektrolyts anhängig ist, kann über die Einstellung bzw. Regelung des pH-Wertes die Zersetzungsspannung UZ eingestellt werden. Dazu weist der Elektrolyseur 400 eine Vorrichtung zur Zuführung von dem demineralisierten Wasser auf, in dem das Wasser 422 über einen Deionisierer (Ionenaustauscher) 420 geführt wird und an einer Zuführung 430 einem Reaktionsbehälter 110 des Elektrolyseurs 400 zugeführt werden kann. Dabei wird von einer Regelschaltung 410 die Zuführung des Wassers gesteuert. Diese Regelschaltung 410 für die Zuführung von Wasser zu dem Reaktionsbehälter 110 des Elektrolyseurs erhält über einen Anschluss 414 von einer Elektrolyt-Pegel-Messeinrichtung P den aktuellen Pegelwert des Elektrolyten.
    Weiterhin ist die Regelschaltung 410 eingerichtet, abhängig von einem pH-Eingangswert, der von einer pH-Messeinrichtung den aktuellen pH-Wert des Elektrolyseurs bestimmt die Zufuhr eines pH-Wert beeinflussenden Stoffes, wie beispielsweise einer Säure oder einer Base, mittels einer Zuführung 416 über den Anschluss 430 an dem Reaktionsbehälter 110 des Elektrolyseurs 400 zuzuführen.
    Durch ein Spülen des Reaktionsbehälters 110 kann die Zersetzungspannung Uz nach oben begrenzt werden. Der bei der Zersetzung von Wasser entstehende Wasserstoff bzw. Sauerstoff kann dem Elektrolyseur 400 entnommen und gespeichert werden. Für die Zuführung von elektrischer Energie weist der Elektrolyseur 400 die Anschlüsse 110 a und 110 b auf.

Claims (14)

  1. Vorrichtung (100, 200, 300) zur elektrischen Belastung eines Brennstoffzellen-Stacks aufweisend eine elektrochemische Vorrichtung (110) zum Generieren von Wasserstoff; und einen Spannungswandler, dessen elektrischer Eingangsanschluss (100a, 100 b) eingerichtet ist, mit einem elektrischen Ausgang des Brennstoffzellen-Stacks elektrisch gekoppelt zu werden und eingerichtet ist, der elektrochemischen Vorrichtung (110) elektrische Energie des Brennstoffzellen-Stacks mit einer höheren Spannung zuzuführen, als einer Spannung am Ausgang des Brennstoffzellen-Stack.
  2. Vorrichtung (100, 200, 300) gemäß Anspruch 1, die eingerichtet ist, den von der elektrochemischen Vorrichtung (110) generierten Wasserstoff dem Brennstoffzellen-Stack zuzuführen.
  3. Vorrichtung (100, 200, 300) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Spannungswandler eingerichtet ist, mit einer Mehrzahl von Brennstoffzellen-Stacks elektrisch gekoppelt zu werden, und eingerichtet ist die Spannung am Ausgang jedes Brennstoffzellen-Stacks der Mehrzahl der Brennstoffzellen-Stacks unabhängig voneinander für die Zuführung zur elektrochemischen Vorrichtung (110) zu erhöhen.
  4. Vorrichtung (100, 200, 300) gemäß Anspruch 3, die eine Steuereinrichtung aufweist, die eingerichtet ist, die Belastung des jeweiligen Brennstoffzellen-Stacks der Mehrzahl der Brennstoffzellen-Stacks so zu steuern, dass durch zeitversetzte Teilbelastung und Vollbelastung des jeweiligen Brennstoffzellen-Stacks eine Auslastung der elektrochemischen Vorrichtung (110) zeitlich ausgeglichener wird.
  5. Vorrichtung (100, 200, 300) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Spannungswandler eine Hochsetzsteller- Schaltung aufweist, um die Spannung am Ausgang des Brennstoffzellen-Stack zu erhöhen.
  6. Vorrichtung (100, 200, 300) gemäß Anspruch 5, wobei die Hochsetzsteller-Schaltung, zum Minimieren von Ansteuerverlusten der elektrochemischen Vorrichtung (110), einen elektrischen Widerstand (128) aufweist.
  7. Vorrichtung (100, 200, 300) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die elektrochemische Vorrichtung (110) eingerichtet ist, eine Betriebs-Spannung aufzuweisen, die oberhalb der maximal bereitgestellten Spannung des Brennstoffzellen-Stack ist.
  8. Vorrichtung (100, 200, 300) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die elektrochemische Vorrichtung (110) mit einer pH-Regeleinrichtung (410) eingerichtet ist, die Betriebs-Spannung auf einen Arbeitspunkt einzustellen.
  9. Vorrichtung (100, 200, 300) gemäß Anspruch 8, wobei die pH-Regeleinrichtung (410) eine pH-Messeinrichtung für die elektrochemische Vorrichtung (110) aufweist.
  10. Vorrichtung (100, 200, 300) gemäß Anspruch 8 oder 9, wobei die pH-Regeleinrichtung (410) eine Elektrolyt-Pegel-Messeinrichtung für die elektrochemische Vorrichtung (110) aufweist, um den pH-Wert einzustellen.
  11. Vorrichtung (100, 200, 300) gemäß einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei die pH-Regeleinrichtung (410) eine Zufuhrvorrichtung (416) für einen pH-Wert beeinflussenden Stoff aufweist, um den Arbeitspunkt der Betriebs-Spannung der elektrochemischen Vorrichtung (110) einzustellen.
  12. Vorrichtung (100, 200, 300) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, die eingerichtet ist, von einem gesteuerten Netzgleichrichter (310) elektrische Energie zugeführt zu bekommen, um eine zusätzliche Menge von Wasserstoff zu erzeugen.
  13. Vorrichtung (100, 200, 300) gemäß Anspruch 12, wobei ein Arbeitspunkt einer Betriebs-Spannung der elektrochemischen Vorrichtung (110) oberhalb einer gleichgerichteten Netzscheitelspannung liegt.
  14. Verwendung der Vorrichtung (100, 200, 300) gemäß Anspruch 1 bis 13 zum Konditionieren von Brennstoffzellen-Stacks.
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