DE102020204270A1 - Fuel cell system and method for operating a fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem (1) mit zumindest einer ersten Brennstoffzelle (3) und zumindest einer zweiten Brennstoffzelle (5), wobei zumindest eine erste Versorgungsvorrichtung (7) zur Versorgung der zumindest einen ersten Brennstoffzelle (3) mit einem Oxidationsmedium eingerichtet ist, wobei zumindest eine zweite Versorgungsvorrichtung (9) zur Versorgung der zumindest einen zweiten Brennstoffzelle (5) mit dem Oxidationsmedium eingerichtet ist, wobei das Brennstoffzellensystem (1) eine Steuerungsvorrichtung (15) aufweist, welche eingerichtet ist, um zumindest einen an der zumindest einen ersten Brennstoffzelle (3) anliegenden ersten Versorgungsdruck des Oxidationsmediums und zumindest einen an der zumindest einen zweiten Brennstoffzelle (5) anliegenden zweiten Versorgungsdruck des Oxidationsmediums stufenweise oder kontinuierlich zu verstellen.The invention relates to a fuel cell system (1) with at least one first fuel cell (3) and at least one second fuel cell (5), at least one first supply device (7) being set up to supply the at least one first fuel cell (3) with an oxidation medium, wherein at least one second supply device (9) is set up to supply the at least one second fuel cell (5) with the oxidation medium, the fuel cell system (1) having a control device (15) which is set up to supply at least one of the at least one first fuel cell ( 3) to adjust the applied first supply pressure of the oxidation medium and at least one second supply pressure of the oxidation medium which is applied to the at least one second fuel cell (5) in stages or continuously.
Description
Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem sowie ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems.The invention relates to a fuel cell system and a method for operating a fuel cell system.
Brennstoffzellensysteme und Verfahren der hier genannten Art sind bekannt. Dabei sind mehrere Brennstoffzellen im Sinne einer elektrischen Schaltung in Reihe und/oder parallel zueinander zu dem Brennstoffzellensystem zusammengeschaltet. Die Brennstoffzellen, welche typischerweise als Brennstoffzellenstacks mit einer Vielzahl von elementaren Brennstoffzellen ausgebildet sind, werden dabei über eine Versorgungsvorrichtung mit denen zur Reaktion und somit Stromerzeugung notwendigen Medien, insbesondere einem Oxidationsmedium und einem Brennstoff versorgt. Dabei wird typischerweise als Oxidationsmedium Sauerstoff beziehungsweise Luft und als Brennstoff Wasserstoff, Methan oder Erdgas verwendet.Fuel cell systems and methods of the type mentioned here are known. A plurality of fuel cells are connected together in series and / or parallel to one another to form the fuel cell system in the sense of an electrical circuit. The fuel cells, which are typically designed as fuel cell stacks with a large number of elementary fuel cells, are supplied with the media necessary for the reaction and thus electricity generation, in particular an oxidation medium and a fuel, via a supply device. Typically, oxygen or air is used as the oxidation medium and hydrogen, methane or natural gas as the fuel.
Sämtliche hintereinander in Reihe geschaltete Brennstoffzellen bilden dabei einen sogenannten Strang. Die an einer Lastseite des Brennstoffzellensystems abgreifbare elektrische Spannung nimmt mit der Anzahl der hintereinander in Reihe geschalteten Brennstoffzellen zu. Eine auf der Lastseite abgreifbare Ausgangsstromstärke erhöht sich hingegen durch die Parallelschaltung von Brennstoffzellen. Da eine einzelne Brennstoffzelle nur eine geringe Ausgangsleistung, insbesondere Ausgangsspannung und/oder Ausgangsstromstärke, erzeugt, kann durch die Reihen- und Parallelschaltung eine höhere, für eine Anwendung geeignete Ausgangsleistung eingestellt werden. Kommt es hierbei zu Defekten oder Ermüdungserscheinungen einzelner Brennstoffzellen, ist es mit erheblichem Aufwand verbunden, die betroffenen Brennstoffzellen auszutauschen und dadurch die ursprünglich eingestellte Ausgangsleistung wiederherzustellen. Um die Auswirkungen von entsprechenden Defekten und/oder weitergehende Zerstörungen des Brennstoffzellensystems zu vermeiden ist es bekannt, einzelne Brennstoffzellen durch Überbrückungen zu- oder abzuschalten, wodurch jedoch plötzliche Schwankungen der Ausgangsspannung und/oder der Ausgangsstromstärke verursacht werden. Insbesondere aufgrund von beabsichtigten Überbrückungen von Brennstoffzellen und/oder aufgrund von Kurzschlüssen in einem Strang des Brennstoffzellensystems kann - insbesondere bedingt durch höhere Spannungen anderer, paralleler Stränge - eine negative elektrische Spannung über den Strang verursacht werden, wodurch Rückströme innerhalb des Stranges und eine damit einhergehende Beschädigung des Brennstoffzellensystems auftreten. Damit also die Ausgangsleistung des Brennstoffzellensystems nicht zu stark schwankt und derartige Rückströme vermieden werden, ist es erforderlich, dass für jede abgeschaltete Brennstoffzelle zeitgleich eine entsprechende Brennstoffzelle zugeschaltet wird. Derartige Brennstoffzellensysteme sind insbesondere aufgrund der vielen notwendigen Überbrückungen und Schalter in ihrer Konstruktion kompliziert und daher teuer. Zudem ist der Betrieb derartiger Brennstoffzellensysteme sehr umständlich, da das Zu- und Abschalten der Brennstoffzellen jeweils synchron erfolgen muss, um Spannungssprünge der Ausgangsspannung des Brennstoffzellensystems zu vermeiden.All fuel cells connected in series form a so-called string. The electrical voltage that can be tapped off on a load side of the fuel cell system increases with the number of fuel cells connected in series. On the other hand, an output current that can be tapped on the load side increases when fuel cells are connected in parallel. Since a single fuel cell generates only a low output power, in particular output voltage and / or output current intensity, a higher output power suitable for an application can be set through the series and parallel connection. If there are defects or signs of fatigue in individual fuel cells, it is associated with considerable effort to replace the affected fuel cells and thereby restore the originally set output power. In order to avoid the effects of corresponding defects and / or further destruction of the fuel cell system, it is known to switch individual fuel cells on or off by bridging, which, however, cause sudden fluctuations in the output voltage and / or the output current strength. In particular, due to intended bridging of fuel cells and / or due to short circuits in a string of the fuel cell system - in particular due to higher voltages in other, parallel strings - a negative electrical voltage can be caused across the string, causing reverse currents within the string and associated damage of the fuel cell system occur. So that the output power of the fuel cell system does not fluctuate too much and such reverse currents are avoided, it is necessary that a corresponding fuel cell is switched on at the same time for each switched off fuel cell. Such fuel cell systems are complicated in their construction and therefore expensive, in particular because of the large number of bridges and switches required. In addition, the operation of such fuel cell systems is very cumbersome, since the switching on and off of the fuel cells must take place synchronously in order to avoid voltage jumps in the output voltage of the fuel cell system.
Da nicht nur die Brennstoffzellen sondern auch die entsprechenden Versorgungssysteme zumindest innerhalb eines Stacks analog zu den Brennstoffzellen in Reihe geschaltet sind, werden die Brennstoffzellen eines Strangs zumindest teilweise ungleichmäßig mit den zur Stromerzeugung notwendigen Medien versorgt und somit leistungstechnisch ungleichmäßig belastet. Insbesondere ist die Versorgung am Beginn des Strangs sehr zuverlässig, kann nach hinten, also zum Ende des Strangs hin, jedoch aufgrund von Leckagen oder einem zu geringen Versorgungsdruck abnehmen. Eine derart ungleichmäßige Versorgung der Brennstoffzellen führt zu einer ungleichmäßigen, leistungstechnischen Belastung der Brennstoffzellen, wodurch diese unterschiedlich schnell altern und dadurch an Effizienz verlieren.Since not only the fuel cells but also the corresponding supply systems are connected in series at least within a stack analogous to the fuel cells, the fuel cells of a string are at least partially unevenly supplied with the media necessary for power generation and are thus unevenly loaded in terms of performance. In particular, the supply at the beginning of the string is very reliable, but can decrease towards the rear, that is to say towards the end of the string, due to leaks or a supply pressure that is too low. Such an uneven supply of the fuel cells leads to an uneven, performance-related load on the fuel cells, as a result of which they age at different rates and thus lose efficiency.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Brennstoffzellensystem und ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems zu schaffen, wobei die genannten Nachteile vermieden werden.The invention is therefore based on the object of creating a fuel cell system and a method for operating a fuel cell system, the disadvantages mentioned being avoided.
Die Aufgabe wird gelöst, indem die vorliegende technische Lehre bereitgestellt wird, insbesondere die Lehre der unabhängigen Ansprüche sowie der in den abhängigen Ansprüchen und der Beschreibung offenbarten Ausführungsformen.The object is achieved in that the present technical teaching is provided, in particular the teaching of the independent claims and the embodiments disclosed in the dependent claims and the description.
Die Aufgabe wird insbesondere gelöst, indem ein Brennstoffzellensystem mit zumindest einer ersten Brennstoffzelle und zumindest einer zweiten Brennstoffzelle geschaffen wird, wobei zumindest eine erste Versorgungsvorrichtung zur Versorgung der zumindest einen ersten Brennstoffzelle mit einem Oxidationsmedium eingerichtet ist, wobei zumindest eine zweite Versorgungsvorrichtung zur Versorgung der zumindest einen zweiten Brennstoffzelle mit dem Oxidationsmedium eingerichtet ist, wobei das Brennstoffzellensystem eine Steuerungsvorrichtung aufweist, welche eingerichtet ist, um zumindest einen an der zumindest einen ersten Brennstoffzelle anliegenden ersten Versorgungsdruck des Oxidationsmediums und zumindest einen an der zumindest einen zweiten Brennstoffzelle anliegenden zweiten Versorgungsdruck des Oxidationsmediums stufenweise oder kontinuierlich zu verstellen. Hierdurch wird eine ungleichmäßige Belastung der ersten und zweiten Brennstoffzelle vermieden. Zudem sind Schwankungen der Ausgangsleistung, insbesondere Strom- und/oder Spannungssprünge, welche insbesondere durch das Zu- und Abschalten und/oder das Überbrücken, von Brennstoffzellen entstehen, zumindest reduziert und - im Falle des kontinuierlichen Verstellens - gänzlich vermieden.The object is achieved in particular by creating a fuel cell system with at least one first fuel cell and at least one second fuel cell, with at least one first supply device being set up to supply the at least one first fuel cell with an oxidation medium, with at least one second supply device for supplying the at least one second fuel cell is set up with the oxidation medium, wherein the fuel cell system has a control device which is set up to gradually or continuously at least one first supply pressure of the oxidation medium applied to the at least one first fuel cell and at least one second supply pressure of the oxidation medium applied to the at least one second fuel cell to adjust. This creates an uneven load on the first and second fuel cell avoided. In addition, fluctuations in the output power, in particular current and / or voltage jumps, which arise in particular when fuel cells are switched on and off and / or bridged, are at least reduced and - in the case of continuous adjustment - completely avoided.
Unter einer Versorgungsvorrichtung wird hier insbesondere eine Vorrichtung verstanden, welche zur Versorgung der ersten oder zweiten Brennstoffzelle mit Betriebsstoffen, insbesondere dem Oxidationsmedium und/oder einem Brennstoff, eingerichtet ist. Die Versorgungsvorrichtung ist vorzugsweise eingerichtet, um den Versorgungsdruck des Brennstoffs und/oder des Oxidationsmediums einzustellen, insbesondere zu regeln. Dabei versorgt die Versorgungsvorrichtung die erste oder zweite Brennstoffzelle nicht nur mit dem Oxidationsmedium, sondern vorzugsweise auch mit dem Brennstoff, insbesondere Wasserstoff. Alternativ ist die Versorgung mit dem Brennstoff über eine separate Versorgungsvorrichtung geschaffen.A supply device is understood here to mean, in particular, a device which is set up to supply the first or second fuel cell with operating materials, in particular the oxidation medium and / or a fuel. The supply device is preferably set up to set, in particular to regulate, the supply pressure of the fuel and / or the oxidation medium. The supply device supplies the first or second fuel cell not only with the oxidation medium, but preferably also with the fuel, in particular hydrogen. Alternatively, the fuel is supplied via a separate supply device.
Unter einem Oxidationsmedium wird hier insbesondere Sauerstoff oder ein Sauerstoffenthaltendes Gasgemisch, insbesondere Luft, verstanden.An oxidation medium is understood here to mean, in particular, oxygen or an oxygen-containing gas mixture, in particular air.
Unter einer Brennstoffzelle wird hier insbesondere eine einzelne Elementarzelle oder ein Stack, welches eine Mehrzahl derartiger Elementarzellen aufweist, verstanden.A fuel cell is understood here to mean, in particular, a single unit cell or a stack which has a plurality of such unit cells.
Die erste und zweite Versorgungsvorrichtung sind vorzugsweise separat zueinander ausgebildet und unabhängig voneinander einstellbar. Somit sind an der ersten Brennstoffzelle und an der zweiten Brennstoffzelle unabhängig voneinander verschiedene Versorgungsdrücke einstellbar.The first and second supply devices are preferably designed separately from one another and can be set independently of one another. Thus, different supply pressures can be set independently of one another on the first fuel cell and on the second fuel cell.
Alternativ oder zusätzlich ist die erste Versorgungsvorrichtung eingerichtet, um eine erste erste Brennstoffzelle der zumindest einen ersten Brennstoffzelle unabhängig von einer zweiten ersten Brennstoffzelle der zumindest einen ersten Brennstoffzelle mit dem Brennstoff und/oder dem Oxidationsmedium zu versorgen. Alternativ oder zusätzlich ist die zweite Versorgungsvorrichtung eingerichtet, um eine erste zweite Brennstoffzelle unabhängig von einer zweiten zweiten Brennstoffzelle der zumindest einen zweiten Brennstoffzelle mit dem Brennstoff und/oder dem Oxidationsmedium zu versorgen.Alternatively or additionally, the first supply device is set up to supply a first first fuel cell of the at least one first fuel cell with the fuel and / or the oxidation medium independently of a second first fuel cell of the at least one first fuel cell. Alternatively or additionally, the second supply device is set up to supply a first second fuel cell with the fuel and / or the oxidation medium independently of a second second fuel cell of the at least one second fuel cell.
Unter einem stufenweisen Verstellen wird hier insbesondere verstanden, dass mittels der ersten und/oder zweiten Versorgungsvorrichtung jeweils zumindest zwei verschiedene Versorgungsdrücke, insbesondere zumindest ein hoher und zumindest ein niedriger Versorgungsdruck, einstellbar sind und die Steuerungsvorrichtung eingerichtet ist, um den Versorgungsdruck von dem hohen auf den niedrigen zu reduzieren und/oder von dem niedrigen auf den hohen zu erhöhen, wobei vorzugsweise beide der zumindest zwei verschiedenen Versorgungsdrücke groß genug sind, um die Brennstoffzelle mit einem Überdruck insbesondere gegenüber einem Umgebungsdruck, ganz besonders Atmosphärendruck, zu beaufschlagen, der größer als 0 ist. Der hohe oder der niedrige Versorgungsdruck werden dabei nicht nur vorübergehend eingestellt, sondern zumindest bis zu einem nächsten Regelungszyklus gehalten. Mittels der ersten und/oder zweiten Versorgungsvorrichtung ist der durch den ersten und/oder zweiten Versorgungsdruck erzeugte Überdruck alternativ oder zusätzlich auch auf 0 einstellbar, sodass die erste und/oder zweite Brennstoffzelle nicht mehr mit dem Oxidationsmedium und/oder Brennstoff beaufschlagt sind.A stepwise adjustment is understood here in particular to mean that at least two different supply pressures, in particular at least one high and at least one low supply pressure, can be set by means of the first and / or second supply device and the control device is set up to increase the supply pressure from the high to the to reduce the low and / or to increase from the low to the high, wherein preferably both of the at least two different supply pressures are high enough to subject the fuel cell to an overpressure, in particular with respect to an ambient pressure, especially atmospheric pressure, which is greater than 0 . The high or the low supply pressure are not only set temporarily, but are held at least until the next control cycle. By means of the first and / or second supply device, the overpressure generated by the first and / or second supply pressure can alternatively or additionally also be set to 0, so that the first and / or second fuel cells are no longer exposed to the oxidizing medium and / or fuel.
Vorzugsweise ist der erste und/oder zweite Versorgungsdruck kontinuierlich einstellbar, da hierbei Sprünge der Ausgangsleistung einzelner Brennstoffzellen, insbesondere der ersten und zweiten Brennstoffzelle, besonders stark vermieden sind.The first and / or second supply pressure can preferably be set continuously, since jumps in the output power of individual fuel cells, in particular of the first and second fuel cells, are avoided to a particularly high degree.
Vorzugsweise wird mittels der Steuerungsvorrichtung entsprechend der Erhöhung und/oder Reduzierung des Versorgungsdrucks der Brennstoff, insbesondere Wasserstoff, in einem erhöhten beziehungsweise reduzierten Maß bereitgestellt. Besonders bevorzugt werden dabei Brennstoff und Oxidationsmedium gleichermaßen, insbesondere mit gleichen Versorgungsdrücken, bereitgestellt.The fuel, in particular hydrogen, is preferably provided in an increased or reduced amount by means of the control device in accordance with the increase and / or decrease in the supply pressure. Particularly preferably, fuel and oxidation medium are provided equally, in particular with the same supply pressures.
Die Steuerungsvorrichtung ist vorzugsweise derart zum stufenweisen oder kontinuierlichen Verstellen des ersten und zweiten Versorgungsdrucks eingerichtet, dass - in einem ersten Funktionszustand - die erste und/oder zweite Brennstoffzelle über die erste und/oder zweite Versorgungsvorrichtung mit einem mittleren Druck beaufschlagt wird, wobei - in einem zweiten Funktionszustand - die erste und/oder zweite Brennstoffzelle über die erste und/oder zweite Versorgungsvorrichtung mit einem gegenüber dem mittleren Druck reduzierten oder erhöhten Druck beaufschlagt wird.The control device is preferably set up for gradual or continuous adjustment of the first and second supply pressure in such a way that - in a first functional state - the first and / or second fuel cell is subjected to a medium pressure via the first and / or second supply device, wherein - in a second functional state - the first and / or second fuel cell is acted upon via the first and / or second supply device with a pressure that is reduced or increased compared to the mean pressure.
Besonders bevorzugt ist die Steuerungsvorrichtung eingerichtet, um in einem Bedarfsfall, in welchem eine erhöhte oder reduzierte Ausgangsleistung, insbesondere Ausgangsspannung und/oder Ausgangsstromstärke, des Brennstoffzellensystems angefordert wird, den ersten und/oder zweiten Versorgungsdruck zu reduzieren und/oder zu erhöhen. Somit ist es mittels des Brennstoffzellensystems möglich, die Ausgangsleistung anzupassen, wobei Spannungssprünge reduziert oder gänzlich vermieden sind.The control device is particularly preferably set up to reduce and / or increase the first and / or second supply pressure when an increased or reduced output power, in particular output voltage and / or output current intensity, of the fuel cell system is requested. It is thus possible by means of the fuel cell system to adapt the output power, with voltage jumps being reduced or entirely avoided.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Steuerungsvorrichtung eingerichtet ist, um einen einzustellenden Sollwert des ersten Versorgungsdrucks anhand einer Stromstärke und/oder einer Spannung der zweiten Brennstoffzelle zu ermitteln und einzustellen. Hierdurch ist es möglich, die Belastung der Brennstoffzellen aufeinander abzustimmen, insbesondere eine Gleichbelastung der Brennstoffzellen zu bewirken. Dabei sind die Effizienz des Brennstoffzellensystems und die Lebensdauer der Brennstoffzellen erhöht.According to a development of the invention, it is provided that the control device is set up to determine and set a setpoint value to be set for the first supply pressure on the basis of a current intensity and / or a voltage of the second fuel cell. This makes it possible to coordinate the loading of the fuel cells with one another, in particular to bring about an equal loading of the fuel cells. The efficiency of the fuel cell system and the service life of the fuel cells are increased.
Vorzugsweise ist die Steuerungsvorrichtung eingerichtet, um den einzustellenden Sollwert derart auszuwählen und/oder einzustellen, dass eine Belastungsdifferenz zwischen der ersten und der zweiten Brennstoffzelle reduziert wird, insbesondere eliminiert wird. Bei einer derartigen Gleichbelastung erzeugt die erste Brennstoffzelle vorzugsweise die gleiche Spannung und/oder Stromstärke wie die zweite Brennstoffzelle. Alternativ oder zusätzlich ist die Steuerungsvorrichtung eingerichtet, um eine Ungleichbelastung der ersten und zweiten Brennstoffzelle einzustellen, wobei insbesondere die erste Brennstoffzelle stärker belastet, also eine höhere Leistung erbringt und mit einem höheren Versorgungsdruck beaufschlagt ist. Dadurch wird die erste Brennstoffzelle, welche in diesem Fall bislang weniger stark gealtert ist als die zweite Brennstoffzelle, gezielt stärker belastet, um diese relativ zu der zweiten Brennstoffzelle schneller altern zu lassen. Dabei wird die zweite Brennstoffzelle geschont und die Lebensdauer des Brennstoffzellensystems erhöht, indem die erwartete, verbleibende Lebensdauer der ersten und der zweiten Brennstoffzelle aneinander angeglichen und die Ausfallwahrscheinlichkeit reduziert wird. Ferner ist die Steuerungsvorrichtung alternativ oder zusätzlich eingerichtet, um - insbesondere bei gleichem Alter der ersten und zweiten Brennstoffzelle - die Ungleichbelastung der ersten und zweiten Brennstoffzelle derart einzustellen, dass die erste oder zweite Brennstoffzelle schneller altert als die jeweils andere der ersten und zweiten Brennstoffzelle. Insbesondere ist die Steuerungsvorrichtung eingerichtet, um die erste Brennstoffzelle schneller altern zu lassen als die zweite Brennstoffzelle und/oder um die zweite Brennstoffzelle schneller altern zu lassen als die erste Brennstoffzelle. Somit wird ein gleichzeitiger, altersbedingter Ausfall von erster und zweiter Brennstoffzelle vermieden.The control device is preferably set up to select and / or set the setpoint value to be set in such a way that a load difference between the first and the second fuel cell is reduced, in particular eliminated. With such a uniform load, the first fuel cell preferably generates the same voltage and / or current intensity as the second fuel cell. As an alternative or in addition, the control device is set up to set an unequal load on the first and second fuel cells, the first fuel cell in particular being more heavily loaded, that is to say producing a higher output and being subjected to a higher supply pressure. As a result, the first fuel cell, which in this case has so far aged less severely than the second fuel cell, is deliberately more heavily loaded in order to make it age faster relative to the second fuel cell. The second fuel cell is spared and the service life of the fuel cell system is increased by aligning the expected remaining service life of the first and second fuel cells with one another and reducing the probability of failure. Furthermore, the control device is alternatively or additionally set up to set the unequal load of the first and second fuel cells - especially if the first and second fuel cells are the same age - such that the first or second fuel cell ages faster than the other of the first and second fuel cells. In particular, the control device is set up to age the first fuel cell faster than the second fuel cell and / or to age the second fuel cell faster than the first fuel cell. A simultaneous, age-related failure of the first and second fuel cells is thus avoided.
Vorzugsweise wird als Stromstärke die Stromstärke eines durch die zweite Brennstoffzelle fließenden elektrischen Stroms verwendet. Als Spannung wird vorzugsweise eine über die zweite Brennstoffzelle abfallende elektrische Spannung verwendet.The current strength of an electrical current flowing through the second fuel cell is preferably used as the current strength. An electrical voltage drop across the second fuel cell is preferably used as the voltage.
Alternativ oder zusätzlich ist die Steuerungsvorrichtung eingerichtet, um den einzustellenden Sollwert anhand einer durch die erste Brennstoffzelle fließenden elektrischen Stroms und/oder anhand einer über die erste Brennstoffzelle abfallenden elektrischen Spannung zu ermitteln und/oder einzustellen. Dabei wird vorzugsweise die Stromstärke des durch die zweite Brennstoffzelle fließenden elektrischen Stroms mit der Stromstärke des durch die erste Brennstoffzelle fließenden elektrischen Stroms und/oder die über die zweite Brennstoffzelle abfallende elektrische Spannung mit der über die erste Brennstoffzelle fallenden elektrischen Spannung verglichen. Sofern die über die erste Brennstoffzelle abfallende elektrische Spannung größer ist als die über die zweite Brennstoffzelle abfallende elektrische Spannung, ist die Steuerungsvorrichtung eingerichtet, um den zweiten Versorgungsdruck zu erhöhen. Entsprechend ist die Steuerungsvorrichtung eingerichtet, um - sofern die über die zweite Brennstoffzelle abfallende elektrische Spannung größer ist als die über die erste Brennstoffzelle abfallende elektrische Spannung - den ersten Versorgungsdruck zu erhöhen. Alternativ oder zusätzlich ist die Steuerungsvorrichtung eingerichtet, um den zweiten Versorgungsdruck zu erhöhen, wenn der durch die erste Brennstoffzelle fließende elektrische Strom größer ist als der durch die zweite Brennstoffzelle fließende elektrische Strom. Ferner ist die Steuerungsvorrichtung eingerichtet, um den ersten Versorgungsdruck zu erhöhen, wenn der durch die erste Brennstoffzelle fließende elektrische Strom niedriger ist, als der durch die zweite Brennstoffzelle fließende elektrische Strom.Alternatively or additionally, the control device is set up to determine and / or set the setpoint value to be set using an electrical current flowing through the first fuel cell and / or using an electrical voltage dropping across the first fuel cell. The amperage of the electrical current flowing through the second fuel cell is preferably compared with the amperage of the electrical current flowing through the first fuel cell and / or the electrical voltage falling across the second fuel cell is compared with the electrical voltage falling across the first fuel cell. If the electrical voltage drop across the first fuel cell is greater than the electrical voltage drop across the second fuel cell, the control device is set up to increase the second supply pressure. Correspondingly, the control device is set up to increase the first supply pressure - provided the electrical voltage drop across the second fuel cell is greater than the electrical voltage drop across the first fuel cell. Alternatively or additionally, the control device is set up to increase the second supply pressure if the electrical current flowing through the first fuel cell is greater than the electrical current flowing through the second fuel cell. Furthermore, the control device is configured to increase the first supply pressure when the electrical current flowing through the first fuel cell is lower than the electrical current flowing through the second fuel cell.
Unter einer Erhöhung des ersten und/oder zweiten Versorgungsdrucks wird hier insbesondere eine relative Erhöhung gegenüber des jeweils anderen Versorgungsdrucks verstanden. Somit kann die Erhöhung des ersten beziehungsweise zweiten Versorgungsdrucks auch durch eine Reduktion des zweiten beziehungsweise ersten Versorgungsdrucks bewirkt werden.An increase in the first and / or second supply pressure is understood here to mean, in particular, a relative increase compared to the respective other supply pressure. The increase in the first or second supply pressure can thus also be brought about by reducing the second or first supply pressure.
Ferner ist die Steuerungsvorrichtung bevorzugt eingerichtet, um einen zweiten einzustellenden Soll-Wert des zweiten Versorgungsdrucks anhand der Stromstärke und/oder der Spannung der ersten und/oder zweiten Brennstoffzelle zu ermitteln und einzustellen. Somit ist eine beliebige Belastungsverteilung der Brennstoffzellen einstellbar. Besonders bevorzugt ist die Steuerungsvorrichtung eingerichtet, um durch Einstellen des ersten und/oder zweiten Versorgungsdrucks eine Gleichbelastung der ersten und zweiten Brennstoffzelle einzustellen, wobei vorzugsweise die Spannung und/oder die Stromstärke der ersten Brennstoffzelle mit der Spannung und/oder der Stromstärke der zweiten Brennstoffzelle in Übereinstimmung gebracht wird.Furthermore, the control device is preferably set up to determine and set a second setpoint value to be set for the second supply pressure on the basis of the current intensity and / or the voltage of the first and / or second fuel cell. Any load distribution of the fuel cells can thus be set. Particularly preferably, the control device is set up to set an equal load on the first and second fuel cells by setting the first and / or second supply pressure, the voltage and / or the current intensity of the first fuel cell preferably also being included the voltage and / or the current intensity of the second fuel cell is brought into agreement.
Gemäß einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass das Brennstoffzellensystem zumindest eine Erfassungsvorrichtung aufweist, welche zur Erfassung der Spannung und/oder der Stromstärke eingerichtet ist. Hierdurch ist es möglich, die erfasste Spannung und/oder die erfasste Stromstärke beim Einstellen des ersten und/oder zweiten Versorgungsdrucks zu berücksichtigen, wobei vorzugsweise der erste Versorgungsdruck reduziert wird, wenn die erfasste Spannung und/oder Stromstärke über die erste Brennstoffzelle zu hoch ist und/oder wobei der Versorgungsdruck erhöht wird, wenn die Spannung über die erste Brennstoffzelle und/oder die Stromstärke durch die erste Brennstoffzelle zu niedrig ist.According to a further development, it is provided that the fuel cell system has at least one detection device which is set up to detect the voltage and / or the current intensity. This makes it possible to take into account the detected voltage and / or the detected current intensity when setting the first and / or second supply pressure, the first supply pressure preferably being reduced if the detected voltage and / or current intensity via the first fuel cell is too high and / or wherein the supply pressure is increased if the voltage across the first fuel cell and / or the current intensity through the first fuel cell is too low.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die zumindest eine erste Brennstoffzelle in einem ersten Strang und die zumindest eine zweite Brennstoffzelle, insbesondere eine erste zweite Brennstoffzelle, in einem zweiten Strang angeordnet ist, wobei der zweite Strang bezüglich eines Stromkreises parallel zu dem ersten Strang geschaltet ist. Somit ist es möglich, eine angestrebte Leistungsverteilung, insbesondere Stromverteilung, der beiden Stränge einzustellen. Insbesondere können hierdurch die beiden Stränge gleichmäßig belastet werden. Ferner sind dadurch Spannungssprünge aufgrund einer geringeren Leistung eines einzelnen Strangs vermieden, da die verringerte Leistung des einzelnen Strangs durch den jeweils anderen Strang ausgeglichen werden kann. Somit sind die Brennstoffzellen des Brennstoffzellensystems sehr langlebig.According to a development of the invention it is provided that the at least one first fuel cell is arranged in a first line and the at least one second fuel cell, in particular a first second fuel cell, is arranged in a second line, the second line being parallel to the first line with respect to a circuit is switched. It is thus possible to set a desired power distribution, in particular power distribution, of the two strings. In particular, the two strands can be evenly loaded as a result. Furthermore, this avoids voltage jumps due to a lower output of an individual strand, since the reduced output of the individual strand can be compensated for by the respective other strand. Thus, the fuel cells of the fuel cell system have a very long service life.
Vorzugsweise sind neben dem ersten und/oder zweiten Strang weitere Stränge aus der zumindest einen ersten und/oder der zumindest einen zweiten und/oder aus weiteren Brennstoffzellen geschaffen.In addition to the first and / or second line, further lines are preferably created from the at least one first and / or the at least one second and / or from further fuel cells.
Ferner bevorzugt sind in jedem Strang, also in dem ersten Strang, dem zweiten Strang und/oder in den weiteren Strängen, jeweils gleich viele Brennstoffzellen angeordnet und/oder jeweils so viele Brennstoffzellen angeordnet, dass eine mittlere Ausgangsspannung für alle Stränge gleich ist.Furthermore, the same number of fuel cells and / or so many fuel cells are preferably arranged in each strand, that is in the first strand, the second strand and / or in the further strands, that an average output voltage is the same for all strands.
Der erste Strang, der zweite Strang und/oder die weiteren Stränge weisen vorzugsweise zumindest eine jeweils als Erfassungsvorrichtung eine Stromerfassungsvorrichtung auf, welche zur Erfassung eines durch den jeweiligen Strang fließenden Stroms ausgebildet ist. Besonders bevorzugt weist der erste Strang eine erste Stromerfassungsvorrichtung und der zweite Strang eine zweite Stromerfassungsvorrichtung auf. Somit ist ist die Stromstärke des ersten Strangs mit der Stromstärke des zweiten Strangs vergleichbar und eine Gesamtstromstärke ist bestimmbar. Dadurch ist es überprüfbar, ob die Gesamtstromstärke gleichmäßig auf den ersten und den zweiten Strang verteilt ist.The first strand, the second strand and / or the further strands preferably each have at least one current detection device as a detection device, which is designed to detect a current flowing through the respective strand. Particularly preferably, the first strand has a first current detection device and the second strand has a second current detection device. The current strength of the first strand is thus comparable to the current strength of the second strand and a total current strength can be determined. This makes it possible to check whether the total amperage is evenly distributed between the first and the second strand.
Vorzugsweise sind der erste und/oder der zweite Strang mittels einer Schaltervorrichtung zu- und/oder abschaltbar. Hierdurch kann der erste und/oder zweite Strang komplett aus dem Stromkreis entnommen werden. Dabei ist die Steuerungsvorrichtung vorzugsweise eingerichtet, um während eines Abschaltvorgangs des zweiten Strangs, den ersten Versorgungsdruck insbesondere kontinuierlich zu erhöhen. Die Erhöhung des ersten Versorgungsdrucks wird dabei vorzugsweise derart gewählt, dass eine mit der Erhöhung des Versorgungsdrucks einhergehende Leistungserhöhung der ersten Brennstoffzelle eine Leistungsreduktion der zweiten Brennstoffzelle, insbesondere des zweiten Strangs, zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig kompensiert. Hierdurch ist die zweite Brennstoffzelle, insbesondere der zweite Strang, vollständig abschaltbar, wobei die Ausgangsleistung des Brennstoffzellensystems vorzugsweise konstant gehalten wird und Spannungssprünge des gesamten Brennstoffzellensystems und Spannungssprünge von einzelnen Brennstoffzellen vermieden sind.The first and / or the second strand can preferably be switched on and / or off by means of a switch device. As a result, the first and / or second strand can be completely removed from the circuit. In this case, the control device is preferably set up to, in particular continuously, increase the first supply pressure during a shutdown process of the second line. The increase in the first supply pressure is preferably selected such that an increase in the power of the first fuel cell associated with the increase in the supply pressure at least partially, preferably completely compensates for a power reduction in the second fuel cell, in particular the second line. As a result, the second fuel cell, in particular the second line, can be completely switched off, the output power of the fuel cell system preferably being kept constant and voltage jumps in the entire fuel cell system and voltage jumps in individual fuel cells being avoided.
Unter einer Schaltervorrichtung wird dabei insbesondere ein mechanischer Schalter und/oder ein elektronischer Schalter, insbesondere ein Relaisschalter, Halbleiterschalter, intelligenter FET und/oder MOSFET, verstanden.A switch device is understood to mean in particular a mechanical switch and / or an electronic switch, in particular a relay switch, semiconductor switch, intelligent FET and / or MOSFET.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die zumindest eine zweite Brennstoffzelle, insbesondere eine zweite zweite Brennstoffzelle, bezüglich des Stromkreises in Reihe mit der zumindest einen ersten Brennstoffzelle geschaltet ist. Somit ist mittels des Brennstoffzellensystems eine gewünschte Leistungsverteilung, insbesondere Spannungsverteilung, innerhalb eines Strangs, insbesondere eine Gleichbelastung von mehreren Brennstoffzellen innerhalb eines Strangs, einstellbar. Hierdurch ist die Lebensdauer der ersten und/oder zweiten Brennstoffzelle sowie des Brennstoffzellensystems erhöht.According to a development of the invention, it is provided that the at least one second fuel cell, in particular a second second fuel cell, is connected in series with the at least one first fuel cell with respect to the electrical circuit. Thus, the fuel cell system can be used to set a desired power distribution, in particular voltage distribution, within a string, in particular a uniform load on a plurality of fuel cells within a string. This increases the service life of the first and / or second fuel cell and of the fuel cell system.
Vorzugsweise ist - insbesondere bei in Reihe geschalteten Brennstoffzellen - jeder Brennstoffzelle der Reihenschaltung als Erfassungsvorrichtung eine jeweilige Spannungserfassungsvorrichtung zugeordnet, welche zur Erfassung der Spannung über die ihr zugeordnete Brennstoffzelle eingerichtet ist. Insbesondere ist also der ersten Brennstoffzelle eine erste Spannungserfassungsvorrichtung und der zweiten Brennstoffzelle eine zweite Spannungserfassungsvorrichtung zugeordnet. Die erste Spannungserfassungsvorrichtung ist dabei eingerichtet, um eine Spannung über die erste Brennstoffzelle zu messen. Die zweite Spannungserfassungsvorrichtung ist dabei eingerichtet, um eine Spannung über die zweite Brennstoffzelle zu messen. Somit ist die über die gesamte Reihenschaltung abfallende Spannung auf die einzelnen Brennstoffzellen der Reihenschaltung, insbesondere die erste und die zweite Brennstoffzelle, kontrolliert aufteilbar. Auch ist es dadurch möglich zu detektieren, ob die über die gesamte Reihenschaltung abfallende Spannung ungleichmäßig über die einzelnen Brennstoffzellen abfällt.Preferably, in particular in the case of fuel cells connected in series, each fuel cell of the series circuit is assigned a respective voltage detection device as a detection device, which is set up to detect the voltage across the fuel cell assigned to it. In particular, a first voltage detection device is assigned to the first fuel cell and a second voltage detection device is assigned to the second fuel cell. The first voltage detection device is set up to measure a voltage across the first fuel cell. The second voltage detection device is set up to measure a voltage across the second fuel cell. Thus, the voltage drop across the entire series connection to the individual fuel cells of the series connection, in particular the first and second fuel cells, can be divided up in a controlled manner. This also makes it possible to detect whether the voltage dropping over the entire series circuit drops unevenly over the individual fuel cells.
Vorzugsweise ist die Steuerungsvorrichtung insbesondere durch signaltechnische Verbindungen mit der ersten und zweiten Spannungserfassungsvorrichtung eingerichtet, um den Spannungsabfall über die erste Brennstoffzelle und den Spannungsabfall über die zweite Brennstoffzelle, insbesondere die zweite zweite Brennstoffzelle, zu erfassen und den ersten und/oder zweiten Versorgungsdruck derart einzustellen, dass der Spannungsabfall über die erste Brennstoffzelle dem Spannungsabfall über die zweite Brennstoffzelle, insbesondere die zweite zweite Brennstoffzelle, angeglichen wird. Hierzu wird vorzugsweise der Versorgungsdruck der Brennstoffzelle, an welcher der geringere Spannungsabfall gemessen wurde, erhöht und/oder der Versorgungsdruck der Brennstoffzelle, an welcher der höhere Spannungsabfall gemessen wurde, reduziert.The control device is preferably set up, in particular by means of signaling connections to the first and second voltage detection device, in order to detect the voltage drop across the first fuel cell and the voltage drop across the second fuel cell, in particular the second second fuel cell, and to set the first and / or second supply pressure in such a way that that the voltage drop across the first fuel cell is matched to the voltage drop across the second fuel cell, in particular the second second fuel cell. For this purpose, the supply pressure of the fuel cell, at which the lower voltage drop was measured, is increased and / or the supply pressure of the fuel cell, at which the higher voltage drop was measured, is reduced.
Die Aufgabe wird insbesondere auch gelöst, indem ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, insbesondere gemäß einem der vorhergehenden Ausführungsbeispiele, geschaffen wird, wobei zumindest eine erste und zumindest eine zweite Brennstoffzelle insbesondere über eine erste und zweite Versorgungsvorrichtung mit einem Oxidationsmedium versorgt werden, wobei ein an der ersten Brennstoffzelle anliegender erster Versorgungsdruck und ein an der zweiten Brennstoffzelle anliegender zweiter Versorgungsdruck stufenweise oder kontinuierlich verstellt werden. Hierdurch werden beim Betrieb des Brennstoffzellensystems Spannungssprünge vermieden. Zudem ist mittels des Verfahrens eine Ausgangsleistung des Brennstoffzellensystems einstellbar, ohne dass Brennstoffzellen zu- oder abgeschaltet werden müssen. Außerdem ist die Lebensdauer der Brennstoffzellen erhöht.The object is also achieved in particular by creating a method for operating a fuel cell system, in particular in accordance with one of the preceding exemplary embodiments, wherein at least one first and at least one second fuel cell are supplied with an oxidation medium, in particular via a first and second supply device, with a the first supply pressure applied to the first fuel cell and a second supply pressure applied to the second fuel cell can be adjusted in steps or continuously. This avoids voltage jumps during operation of the fuel cell system. In addition, the method can be used to set an output power of the fuel cell system without fuel cells having to be switched on or off. In addition, the service life of the fuel cells is increased.
Unter einer Verstellung des Versorgungsdrucks wird hier insbesondere eine Erhöhung und/oder eine Reduktion des Versorgungsdrucks verstanden. Vorzugsweise wird der erste und/oder zweite Versorgungsdruck zumindest zwischen einem hohen Versorgungsdruck und einem niedrigen Versorgungsdruck, also über zumindest zwei Stufen, verstellt. Dabei werden der hohe Versorgungsdruck und der niedrige Versorgungsdruck vorzugsweise derart eingestellt, dass die zu versorgende Brennstoffzelle mit einem Überdruck insbesondere gegenüber einem Umgebungsdruck, ganz besonders Atmosphärendruck, beaufschlagt wird.An adjustment of the supply pressure is understood here to mean, in particular, an increase and / or a reduction in the supply pressure. The first and / or second supply pressure is preferably adjusted at least between a high supply pressure and a low supply pressure, that is to say over at least two stages. The high supply pressure and the low supply pressure are preferably set in such a way that the fuel cell to be supplied is subjected to an overpressure, in particular compared to an ambient pressure, very particularly atmospheric pressure.
Vorzugsweise wird der Versorgungsdruck entsprechend einer Soll-Ausgangsleistung des Brennstoffzellensystems und/oder der ersten und/oder zweiten Brennstoffzelle eingestellt. Dabei wird der Versorgungsdruck der ersten und/oder zweiten Brennstoffzelle erhöht, wenn eine Erhöhung der Ausgangsleistung des Brennstoffzellensystems und/oder der ersten und/oder zweiten Brennstoffzelle erreicht werden soll. Hingegen wird der Versorgungsdruck reduziert, wenn die Ausgangsleistung des Brennstoffzellensystems und/oder der ersten und/oder zweiten Brennstoffzelle reduziert werden soll.The supply pressure is preferably set in accordance with a setpoint output power of the fuel cell system and / or of the first and / or second fuel cell. The supply pressure of the first and / or second fuel cell is increased if an increase in the output power of the fuel cell system and / or of the first and / or second fuel cell is to be achieved. In contrast, the supply pressure is reduced when the output power of the fuel cell system and / or the first and / or second fuel cell is to be reduced.
Besonders bevorzugt werden zur Erhöhung der Ausgangsleistung der erste und der zweite Versorgungsdruck erhöht. Dadurch kann die erhöhte Ausgangsleistung schnell bereitgestellt werden.In order to increase the output power, the first and the second supply pressure are particularly preferably increased. As a result, the increased output power can be made available quickly.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass ein einzustellender Sollwert des ersten Versorgungsdrucks der ersten Brennstoffzelle anhand einer Stromstärke und/oder einer Spannung der zweiten Brennstoffzelle ermittelt wird, wobei die erste Brennstoffzelle mit dem dem Sollwert entsprechenden Versorgungsdruck beaufschlagt wird. Hierdurch ist eine Belastung der ersten Brennstoffzelle relativ zu einer Belastung der zweiten Brennstoffzelle einstellbar. Insbesondere ist hierdurch eine leistungstechnische Gleichbelastung der Brennstoffzellen ermöglicht.According to a further development of the invention, it is provided that a setpoint value to be set for the first supply pressure of the first fuel cell is determined on the basis of a current intensity and / or a voltage of the second fuel cell, the first fuel cell being subjected to the supply pressure corresponding to the setpoint value. As a result, a load on the first fuel cell can be set relative to a load on the second fuel cell. In particular, this enables an equal load on the fuel cells in terms of performance.
Vorzugsweise wird der Sollwert derart ermittelt, dass ein insbesondere alterungsbedingter Leistungsabfall oder eine Leistungserhöhung der zweiten Brennstoffzelle mittels der ersten Brennstoffzelle kompensiert wird, ohne dass ein Abschalten oder Zuschalten von Brennstoffzellen erforderlich ist. Zudem wird dabei vorzugsweise die Gesamtleistung des Brennstoffzellensystems konstant gehalten, sodass Spannungs- und Stromschwankungen vermieden sind.The setpoint is preferably determined in such a way that a particularly aging-related drop in performance or an increase in performance of the second fuel cell is compensated for by means of the first fuel cell without the need to switch off or switch on fuel cells. In addition, the total output of the fuel cell system is preferably kept constant, so that voltage and current fluctuations are avoided.
Alternativ oder zusätzlich wird der zweite Versorgungsdruck der zweiten Brennstoffzelle zur Abschaltung der zweiten Brennstoffzelle reduziert, wobei der erste Versorgungsdruck entsprechend erhöht wird. In diesem Fall wird der zweite Versorgungsdruck soweit reduziert, bis kein Überdruck mehr an der zweiten Brennstoffzelle anliegt und diese somit nicht mehr mit dem Oxidationsmedium und/oder Brennstoff beaufschlagt wird. Anschließend wird vorzugsweise die zweite Brennstoffzelle schaltungstechnisch insbesondere durch Öffnen einer Schaltervorrichtung aus dem Stromkreis entfernt. Dabei wird die Gesamtleistung des Brennstoffzellensystems durch Erhöhung des ersten Versorgungsdrucks durchgehend konstant gehalten.Alternatively or additionally, the second supply pressure of the second fuel cell is reduced to switch off the second fuel cell, the first supply pressure being increased accordingly. In this case, the second supply pressure is reduced until there is no longer any excess pressure on the second fuel cell and the oxidizing medium and / or fuel is no longer applied to it. The second fuel cell is then preferably removed from the circuit in terms of circuitry, in particular by opening a switch device. The total output of the fuel cell system is kept constant throughout by increasing the first supply pressure.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die zumindest eine erste Brennstoffzelle parallel zu der zumindest einen zweiten Brennstoffzelle, insbesondere einer ersten zweiten Brennstoffzelle, geschaltet ist und als Stromstärke die Stromstärke eines Stroms durch die zumindest eine zweite Brennstoffzelle erfasst wird. Dabei ist - insbesondere durch zusätzliche Messung einer Stromstärke durch die erste Brennstoffzelle und/oder durch Messung der Ausgangsleistung des Brennstoffzellensystems - die Leistung und damit die Belastung von parallel geschalteten Brennstoffzellen aufeinander abstimmbar. Insbesondere ist es hierdurch möglich, die parallel geschalteten Brennstoffzellen, nämlich die erste und zweite Brennstoffzelle, leistungstechnisch gleich zu belasten.According to a development of the invention, it is provided that the at least one first fuel cell is connected in parallel to the at least one second fuel cell, in particular a first second fuel cell, and as a current intensity the amperage of a current through the at least one second fuel cell is detected. In this case - in particular by additionally measuring a current intensity through the first fuel cell and / or by measuring the output power of the fuel cell system - the power and thus the load of fuel cells connected in parallel can be matched to one another. In particular, this makes it possible to load the fuel cells connected in parallel, namely the first and second fuel cells, in the same way in terms of performance.
Vorzugsweise ist die zumindest eine erste Brennstoffzelle in einem ersten Strang angeordnet und die zumindest eine zweite Brennstoffzelle in einem zweiten Strang angeordnet. Dabei sind der erste und der zweite Strang parallel zueinander geschaltet. Ferner wird dabei bevorzugt eine leistungstechnische Gleichbelastung des ersten und zweiten Strangs angestrebt, wobei der erste Versorgungsdruck erhöht wird, wenn eine in dem ersten Strang gemessene, erste Stromstärke einen Sollwert unterschreitet und/oder wenn eine in dem zweiten Strang gemessene, zweite Stromstärke einen Sollwert überschreitet und/oder wenn die erste Stromstärke niedriger ist als die zweite Stromstärke. Somit wird eine übermäßige Belastung der ersten und/oder zweiten Brennstoffzelle vermieden. Auch ist hierdurch die Lebensdauer der ersten und/oder zweiten Brennstoffzelle erhöht.The at least one first fuel cell is preferably arranged in a first line and the at least one second fuel cell is arranged in a second line. The first and the second strand are connected in parallel to one another. Furthermore, an equal load on the first and second line in terms of performance is preferred, the first supply pressure being increased if a first current intensity measured in the first line falls below a setpoint value and / or if a second current intensity measured in the second line exceeds a setpoint value and / or when the first current intensity is lower than the second current intensity. This avoids excessive loading of the first and / or second fuel cell. This also increases the service life of the first and / or second fuel cell.
Ferner wird vorzugsweise der erste Strang durch Öffnen einer ersten Schaltervorrichtung des ersten Strangs vom Stromkreis getrennt, wenn in dem ersten Strang ein Rückstrom detektiert wird, insbesondere wenn die erste Stromstärke negativ ist. Ebenso wird vorzugsweise der zweite Strang durch Öffnen einer zweiten Schaltervorrichtung des zweiten Strangs vom Stromkreis getrennt, wenn in dem zweiten Strang ein Rückstrom detektiert wird, insbesondere wenn die zweite Stromstärke negativ ist. Somit werden Schäden an dem Brennstoffzellensystem vermieden.Furthermore, the first strand is preferably disconnected from the circuit by opening a first switch device of the first strand if a reverse current is detected in the first strand, in particular if the first current intensity is negative. Likewise, the second strand is preferably disconnected from the circuit by opening a second switch device of the second strand if a reverse current is detected in the second strand, in particular if the second current intensity is negative. Damage to the fuel cell system is thus avoided.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die zumindest eine zweite Brennstoffzelle, insbesondere eine zweite zweite Brennstoffzelle, in Reihe mit der zumindest einen ersten Brennstoffzelle geschaltet ist, wobei als Spannung ein Spannungsabfall über die zumindest eine zweite Brennstoffzelle erfasst wird. Somit ist bei in Reihe geschalteten Brennstoffzellen, insbesondere innerhalb eines Strangs, eine beliebige Belastungsverteilung der Brennstoffzellen einstellbar. Hierdurch ist die Lebensdauer der ersten und/oder zweiten Brennstoffzelle erhöht.According to a development of the invention, it is provided that the at least one second fuel cell, in particular a second second fuel cell, is connected in series with the at least one first fuel cell, with a voltage drop across the at least one second fuel cell being detected as the voltage. In the case of fuel cells connected in series, in particular within a string, any load distribution of the fuel cells can thus be set. This increases the service life of the first and / or second fuel cell.
Vorzugsweise wird zusätzlich ein Spannungsabfall über die erste Brennstoffzelle erfasst und der Versorgungsdruck der ersten Brennstoffzelle erhöht und/oder der Versorgungsdruck der zweiten Brennstoffzelle reduziert, wenn der Spannungsabfall über die zweite Brennstoffzelle größer ist als der Spannungsabfall über die erste Brennstoffzelle. Alternativ oder zusätzlich wird der erste Versorgungsdruck reduziert und/oder der zweite Versorgungsdruck erhöht, wenn der Spannungsabfall über die zweite Brennstoffzelle kleiner ist als der Spannungsabfall über die erste Brennstoffzelle. Somit wird insgesamt ein gleicher Spannungsabfall an allen Brennstoffzellen eines Strangs geschaffen, und die Lebensdauer der Brennstoffzellen ist erhöht. Alternativ zur Messung des Spannungsabfalls über die erste Brennstoffzelle wird ein gesamter Spannungsabfall über die erste Brennstoffzelle und die zweite Brennstoffzelle, insbesondere die zweite zweite Brennstoffzelle, gemessen. Aus dem gesamten Spannungsabfall wird vorzugsweise der Spannungsabfall über die erste Brennstoffzelle ermittelt.Preferably, a voltage drop across the first fuel cell is additionally detected and the supply pressure of the first fuel cell is increased and / or the supply pressure of the second fuel cell is reduced if the voltage drop across the second fuel cell is greater than the voltage drop across the first fuel cell. Alternatively or additionally, the first supply pressure is reduced and / or the second supply pressure is increased if the voltage drop across the second fuel cell is smaller than the voltage drop across the first fuel cell. Overall, the same voltage drop is thus created across all fuel cells in a string, and the service life of the fuel cells is increased. As an alternative to measuring the voltage drop across the first fuel cell, a total voltage drop across the first fuel cell and the second fuel cell, in particular the second, second fuel cell, is measured. The voltage drop across the first fuel cell is preferably determined from the total voltage drop.
Ferner wird bevorzugt bei Reihenschaltung von erster Brennstoffzelle und zweiter Brennstoffzelle, insbesondere zweiter zweiter Brennstoffzelle, durch Öffnen einer Schaltervorrichtung der Reihenschaltung die erste und zweite Brennstoffzelle vom Stromkreis getrennt, wenn der Spannungsabfall über die erste und/oder über die zweite Brennstoffzelle einen Schwellwert unterschreitet. Hierdurch werden Kurzschlüsse in der Reihenschaltung und damit Schäden am Brennstoffzellensystem vermieden.Furthermore, when the first fuel cell and second fuel cell, in particular the second second fuel cell, are connected in series, the first and second fuel cells are disconnected from the circuit by opening a switch device of the series connection if the voltage drop across the first and / or across the second fuel cell falls below a threshold value. This avoids short circuits in the series connection and thus damage to the fuel cell system.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass überwacht wird, ob der erste und/oder zweite Versorgungsdruck einen zulässigen Maximaldruck überschreitet, wobei - bei Überschreiten des Maximaldrucks - der erste und/oder zweite Versorgungsdruck reduziert wird. Hierdurch werden übermäßig belastete Brennstoffzellen geschont, wodurch deren Lebensdauer erhöht ist.According to a further development of the invention, it is provided that it is monitored whether the first and / or second supply pressure exceeds a permissible maximum pressure, the first and / or second supply pressure being reduced if the maximum pressure is exceeded. As a result, excessively loaded fuel cells are spared, which increases their service life.
Vorzugsweise werden zusätzlich sämtliche weiteren Versorgungsdrücke von weiteren Brennstoffzellen, welche in demselben Strang die erste und/oder zweite Brennstoffzelle, welchen den Maximaldruck überschritten hat, angeordnet sind, reduziert. Hierdurch wird zum einen die Überbelastung der ersten und/oder zweiten Brennstoffzelle vermieden und zum anderen eine ungleiche Leistungsverteilung innerhalb des Strangs vermieden.Preferably, all further supply pressures from further fuel cells, which are arranged in the same line as the first and / or second fuel cell, which has exceeded the maximum pressure, are also reduced. In this way, on the one hand, overloading the first and / or second fuel cell is avoided and, on the other hand, an uneven power distribution within the string is avoided.
Die Beschreibungen des Verfahrens und des Brennstoffzellensystems sind komplementär zueinander zu verstehen. Insbesondere sind Merkmale des Brennstoffzellensystems, die explizit oder implizit im Zusammenhang mit dem Verfahren beschrieben wurden, bevorzugt einzeln oder miteinander kombiniert Merkmale des Brennstoffzellensystems. Bevorzugt ist das Brennstoffzellensystem zur Durchführung wenigstens eines der im Zusammenhang mit dem Verfahren beschriebenen Verfahrensschritte ausgebildet. Verfahrensschritte, die explizit oder implizit im Zusammenhang mit dem Brennstoffzellensystem beschrieben wurden, sind bevorzugt einzeln oder in Kombination mit einem der Schritte einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens. Insbesondere ist im Rahmen des Verfahrens bevorzugt wenigstens ein Schritt vorgesehen, der sich aus wenigstens einem Merkmal des Brennstoffzellensystems ergibt.The descriptions of the method and the fuel cell system are to be understood as complementary to one another. In particular, features of the fuel cell system that have been explicitly or implicitly described in connection with the method are preferably individually or combined features of the fuel cell system. The fuel cell system is preferably designed to carry out at least one of the method steps described in connection with the method. Process steps that are explicit or have been implicitly described in connection with the fuel cell system are preferably individually or in combination with one of the steps of a preferred embodiment of the method. In particular, in the context of the method, at least one step is preferably provided that results from at least one feature of the fuel cell system.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:
-
1 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems sowie ein Verfahren zum Betreiben des Brennstoffzellensystems, und -
2 ein Ablaufdiagramm des Verfahrens.
-
1 a schematic representation of a fuel cell system and a method for operating the fuel cell system, and -
2 a flow chart of the process.
Darüber hinaus weist das Brennstoffzellensystem
Insbesondere wird dabei eine Gleichbelastung aller Brennstoffzellen
Die Steuerungsvorrichtung
Die erste Brennstoffzelle
Dem Steuerrechner
Der erste Steuerrechner
Vorzugsweise wird vor Einstellen des ersten Versorgungsdrucks und/oder des zweiten zweiten Versorgungsdruck und/oder vor Einstellen des ersten zweiten und/oder dritten zweiten Versorgungsdrucks überprüft, ob das Einstellen umsetzbar ist. Hierzu wird von dem ersten Steuerrechner ein erster Status des ersten Strangs
Wird dagegen in spannungstechnischer Hinsicht festgestellt, dass die erste Spannung U1 über die erste Brennstoffzelle
Somit wird eine gleichmäßige Belastung der ersten Brennstoffzelle
Vorzugsweise wird - für den Fall, dass einer der beiden Stränge
Zudem wird vorzugsweise überwacht, ob der erste Versorgungsdruck und/oder einer der zweiten Versorgungsdrücke einen zulässigen Maximaldruck überschreitet, wobei - bei Überschreiten des Maximaldrucks - der entsprechende den Maximaldruck überschreitende Versorgungsdruck reduziert wird. Vorzugsweise werden zusätzlich auch die Versorgungsdrücke der anderen Brennstoffzellen desselben Strangs reduziert. Besonders bevorzugt werden auch die Versorgungsdrücke in zumindest einem parallelen Strang reduziert. Hierdurch wird vermieden, dass der Versorgungsdruck an einer Brennstoffzelle
Alternativ wird bei Überschreiten des Maximaldrucks durch insbesondere den ersten Versorgungsdruck der erste Versorgungsdruck reduziert und die anderen Versorgungsdrücke derart erhöht, dass eine Ausgangsleistung des Brennstoffzellensystems konstant gehalten wird, die erste Stromstärke I1 des ersten Strangs
Das Verfahren wird im Folgenden anhand von
Vorzugsweise wird dem Zentralrechner
Ferner wird dem Zentralrechner
Aus der gesamten Soll-Leistung PSoll, der gesamten Ist-Leistung PIst, der ersten Ist-Leistung PIst1, der zweiten Ist-Leistung PIst2, der Alterungsinformation
Gut erkennbar ist in
Die nun folgende Verarbeitung der Leistungsinformationen 35,37 in den Steuerrechnern 19,21 ist der Übersicht halber nur für den ersten Steuerrechner
Der erste Steuerrechner
Der erste Steuerrechner
Zusätzlich wird durch den ersten Steuerrechner
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DE102020204270.5A DE102020204270A1 (en) | 2020-04-01 | 2020-04-01 | Fuel cell system and method for operating a fuel cell system |
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
R012 | Request for examination validly filed | ||
R002 | Refusal decision in examination/registration proceedings | ||
R003 | Refusal decision now final | ||
R081 | Change of applicant/patentee |
Owner name: ROLLS-ROYCE SOLUTIONS GMBH, DE Free format text: FORMER OWNER: MTU FRIEDRICHSHAFEN GMBH, 88045 FRIEDRICHSHAFEN, DE |