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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem und ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems.
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Stand der Technik
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Bei einem Brennstoffzellensystem, welches etwa einen Brennstoffzellenstapel aufweist, wird von außen eine Leistungsanforderung gestellt. Innerhalb des Systems wird abhängig von der gewünschten Leistung ein bestimmter Strom über einen Gleichstromwandler eingestellt, durch den sich bei der dann resultierenden Spannung in dem Brennstoffzellensystem eine entsprechende elektrische Leistung ergibt. Dabei werden die Edukte Wasserstoff und Sauerstoff in ausreichenden Mengen. Es ist bekannt, einen momentanen Betriebspunkt von Subsystemen zur Versorgung des Brennstoffzellensystems fest einzustellen. Es ist weiterhin bekannt, einen Sollstrom durch einen Regler anzupassen, sollte der Leistungsanforderung aufgrund einer veränderten Spannungs-Strom-Charakteristik nicht entsprochen werden. Eine Anpassung des Sollstroms zur Anpassung einer gelieferten Leistung ist jedoch nur in Grenzen realisierbar.
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Offenbarung der Erfindung
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Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein Brennstoffzellensystem vorzuschlagen, welches eine besonders effiziente und bedarfsgerechte Leistungsabgabe durchführt.
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Die Aufgabe wird durch ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen sind den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung zu entnehmen.
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Es wird ein Brennstoffzellensystem vorgeschlagen, aufweisend mindestens eine Brennstoffzelle, einen mit der mindestens einen Brennstoffzelle verbundenen Leistungswandler, einen Leistungsregler und eine Überwachungseinheit, wobei der Leistungswandler dazu ausgebildet ist, zur Versorgung einer externen elektrischen Komponente mit elektrischer Leistung aus der mindestens einen Brennstoffzelle eine einstellbare Spannung und/oder einen einstellbaren Strom an einem Leistungsausgang bereitzustellen, wobei der Leistungsregler dazu ausgebildet ist, in Reaktion auf eine Leistungsanforderung sowie die Spannung und den Strom an dem Leistungsausgang den Leistungswandler zumindest durch Vorgeben eines Stromsollwerts als Summe einer Stromsollwertvorgabe und einem Stromsollwertanpassungsbetrag die an dem Leistungsausgang bereitgestellte elektrische Leistung anzupassen, und wobei die Überwachungsvorrichtung dazu ausgebildet ist, den Stromsollwertanpassungsbetrag zu erfassen, mit einem vorgegebenen Grenzwert zu vergleichen und bei Erreichen des vorgegebenen Grenzwerts zumindest über eine vorgebbare Mindestdauer ein Warnsignal an einem Signalausgang auszugeben.
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Die mindestens eine Brennstoffzelle kann insbesondere in Form eines Brennstoffzellenstapels realisiert sein, bei dem mehrere Brennstoffzellen eine Reihenschaltung bilden. Dabei können die für den Betrieb der Brennstoffzellen notwendigen Edukte durch gemeinsame Strömungskanäle zu den einzelnen Brennstoffzellen durch dazwischen befindliche Bipolarplatten geleitet werden. Diese führen gleichzeitig zu einer elektrischen Reihenschaltung der einzelnen Brennstoffzellen, die zu einer an Endplatten des Brennstoffzellenstapels abnehmbaren Stapelspannung führt.
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Der Leistungswandler ist mit der mindestens einen Brennstoffzelle verknüpft und nimmt die von der mindestens einen Brennstoffzelle bereitgestellte elektrische Leistung auf. Der Leistungswandler stellt indes an einem Leistungsausgang eine elektrische Spannung bereit, welche der elektrischen Spannung der mindestens einen Brennstoffzelle entsprechen kann oder an eine bestimmte Vorgabe angepasst sein kann. Weiterhin ist der Leistungswandler dazu ausgebildet, einen von der mindestens einen Brennstoffzelle abgegebenen Strom zu steuern.
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Die Kombination aus Leistungswandler und Leistungsregler ist in der Lage, die mindestens eine Brennstoffzelle derart zu betreiben, dass zumindest ein Gleichgewicht zwischen zugeführten Edukten und entnommener Leistung vorliegt. Der Leistungswandler und der Leistungsregler sind bevorzugt derart miteinander gekoppelt sein, dass in Abhängigkeit von der Leistungsanforderung bzw. der durch den Leistungswandler entnommenen Leistung der Betrieb der Brennstoffzelle geregelt wird. Je höher die entnommene Leistung ist, desto höher sollte der zugeführte Volumenstrom an Edukten sein. Eine reine Entnahme eines elektrischen Stroms ohne Anpassung der Volumenströme ist nicht sinnvoll, da die mindestens eine Brennstoffzelle durch lokale Unterversorgung beschädigt werden könnte.
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Ein stationärer Betriebspunkt könnte durch Einstellen eines geeigneten Drucks an der Anode sowie an der Kathode sichergestellt werden. Gleichzeitig ist eine ausreichende Kühlleistung bereitzustellen. Das Vorgeben eines Stromsollwerts als Summe einer Stromsollwertvorgabe und eines Stromsollwertanpassungsbetrags kann den Leistungswandler veranlassen, eine angeforderte elektrische Leistung bereitzustellen. Die von der mindestens einen Brennstoffzelle gelieferte elektrische Spannung kann mit dem entnommenen Strom variieren und kann durch eine Vorsteuerung berücksichtigt werden. Dies könnte durch eine Kennliniensteuerung erfolgen, die anhand einer Kennlinie aus der Leistungsanforderung die Stromsollwertvorgabe generiert. Zur präzisen Anpassung des Stroms an die angeforderte Leistung kann der Leistungsregler den Stromsollwertanpassungsbetrag generieren. Dieser ist allerdings nicht unbegrenzt, da das Brennstoffzellensystem spezifische Betriebsgrenzen aufweist.
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Erfindungsgemäß ist die Überwachungsvorrichtung dazu vorgesehen, hierzu den generierten Stromsollwertanpassungsbetrag zu erfassen und mit einem vorgegebenen Grenzwert zu vergleichen. Wird über eine bestimmte, vorgegebene Mindestdauer eine Erreichung eines vorgegebenen Grenzwerts beobachtet, kann als Warnung ein Warnsignal an dem Signalausgang abgegeben werden. Das Warnsignal kann einem Benutzer angezeigt werden oder es kann für weitere Maßnahmen eingesetzt werden. Bei der Anwendung von üblichen Brennstoffzellensystemen können Edukte oftmals überstöchiometrisch bereitgestellt werden, um lokale Unterversorgungen zu vermeiden. Dies kann zu einem oftmals zumindest leicht ineffizienten Betrieb führen, da der Energieaufwand für das Bereitstellen der Edukte zu hoch ist. Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem kann allerdings durch die Regelung und Überwachung der mindestens einen Brennstoffzelle einen effizienten Betrieb gewährleisten.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Überwachungsvorrichtung dazu ausgebildet, bei Erreichen des vorgegebenen Grenzwerts einen Betriebspunkt der mindestens einen Brennstoffzelle durch Aussenden mindestens eines Steuersignals anzupassen. Die Leistungsanforderung der Brennstoffzelle des Brennstoffzellensystems kann folglich zu einer Anpassung des Betriebs des Brennstoffzellensystems führen, etwa durch eine Art Nachadaption im laufenden Betrieb des Brennstoffzellensystems, indem gezielt Betriebspunkte angepasst werden.
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Das mindestens eine Steuersignal umfasst in einer vorteilhaften Ausführungsform mindestens eines aus einer Gruppe von Steuersignalen, die Gruppe aufweisend das Erhöhen oder Senken eines Wasserstoffdrucks an der Anode, das Erhöhen oder Senken eines Oxidantdrucks an der Kathode, und das Erhöhen oder Senken einer Kühlleistung. Ein Betriebspunkt der mindestens einen Brennstoffzelle kann dadurch angepasst werden.
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In einer weiter vorteilhaften Ausführungsform ist die Überwachungsvorrichtung ferner dazu ausgebildet, den Stromsollwertanpassungsbetrag mit einem vorgegebenen Grenzbereich zu vergleichen, der sich von dem Grenzwert zu einem Produkt des Grenzwerts mit einem vorgebbaren Grenzbereichsfaktor erstreckt. Statt eines einzelnen, harten Grenzwerts kann folglich auch ein Grenzbereich eingesetzt werden. Der Grenzbereichsfaktor könnte ein Wert kleiner als 1 sein, beispielsweise 0,9, 0,8, 0,75 und dergleichen. Es ist weiterhin auch denkbar, mehrere Grenzbereiche zu definieren, die aneinander anschließen und sich bis zu dem Grenzwert erstrecken. Hierdurch könnten verschiedene Warnsignale generiert werden, die mit unterschiedlicher Kritikalität gewertet werden. Wird beispielsweise ein unterster Grenzbereich gelegentlich erreicht, hat dieses Ereignis eine deutlich geringere Kritikalität als bei dauerhaftem Erreichen des obersten Grenzbereichs oder der oben genannten Grenze, die als oberster Wert des obersten Grenzbereichs realisiert sein kann.
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Der Leistungsregler könnte bevorzugt einen geschlossenen Regelkreis mit einem Pl-Regler umfassen, wobei eine Eingangsgröße des Pl-Reglers die Differenz der angeforderten Leistung und einer gelieferten Leistung ist. Die Anpassung des Leistungswandlers kann dabei gemäß bewährter Regelungsstrategien erfolgen. Es kann eine automatische Anpassung an optimale Betriebszustände erreicht werden zur Berücksichtigung der U-I-Charakteristik der mindestens einen Brennstoffzelle.
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Der Regelkreis könnte mindestens einen Begrenzer umfassen, der den Stromsollwertanpassungsbetrag und/oder den Ausgang eines Glieds des PI-Reglers begrenzt. Beispielhaft könnte der Ausgang eines Integrator-Glieds des PI-Reglers begrenzt sein, um den Stromsollwertanpassungsbetrag nicht übermäßig ansteigen zu lassen, wenn dauerhaft eine Unterschreitung einer Leistungsanforderung besteht. Auch könnte der Ausgang des PI-Reglers an sich durch einen Begrenzer begrenzt sein. Durch eine Begrenzung des Stromsollwerts kann eine zu dynamische Beeinflussung des Leistungswandlers vermieden werden.
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Bevorzugt weist der mindestens eine Begrenzer eine von der Leistungsanforderung abhängige Stellgrenze auf. Der Stromsollwertanpassungsbetrag kann sich daher auch in seinem Maximalbetrag durch eine größere Leistungsanforderung beeinflussen lassen. Insbesondere kann die Abhängigkeit eine proportionale Abhängigkeit sein. Alternativ dazu kann auch eine Kennlinie zur Einstellung der Stellgrenze verwendet werden.
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Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann ferner der Leistungsregler mit mindestens einer Edukt-Zufuhreinrichtung gekoppelt und dazu ausgebildet sein, die mindestens eine Brennstoffzelle in einem stöchiometrischen Betriebspunkt zu betreiben. Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem ist durch die Verwendung der Überwachungseinheit in der Lage, in einem besonders effizienten Betriebspunkt zu arbeiten. Dies ist insbesondere der Fall, wenn, wie vorangehend dargelegt, die Überwachungsvorrichtung dazu ausgebildet ist, bei Erreichen des vorgegebenen Grenzwerts einen Betriebspunkt der mindestens einen Brennstoffzelle durch Aussenden mindestens eines Steuersignals anzupassen.
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Analog zu den vorangehenden Ausführungen betrifft die Erfindung ferner ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, das Brennstoffzellensystem aufweisend mindestens eine Brennstoffzelle, einen mit der mindestens einen Brennstoffzelle verbundenen Leistungswandler, einen Leistungsregler und eine Überwachungseinheit, das Verfahren aufweisend das Bereitstellen elektrischer Leistung aus der mindestens einen Brennstoffzelle mit einer einstellbaren Spannung und/oder einem einstellbaren Strom an einem Leistungsausgang zur Versorgung einer externen elektrischen Komponente mittels des Leistungswandlers, das Anpassen der an dem Leistungsausgang bereitgestellten elektrischen Leistung durch Vorgeben eines Stromsollwerts als Summe einer Stromsollwertvorgabe und eines Stromsollwertanpassungsbetrags in Reaktion auf eine Leistungsanforderung sowie die Spannung und den Strom an dem Leistungsausgang durch den Leistungsregler, und das Erfassen des Stromsollwertanpassungsbetrags und Vergleichen mit einem vorgegebenen Grenzwert und bei Erreichen des vorgegebenen Grenzwerts zumindest über eine vorgebbare Mindestdauer Ausgeben eines Warnsignal an einem Signalausgang durch die Überwachungseinheit.
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Das Verfahren könnte ferner bei Erreichen des vorgegebenen Grenzwerts das Anpassen eines Betriebspunkts der mindestens einen Brennstoffzelle durch Aussenden mindestens eines Steuersignals durch die Überwachungsvorrichtung aufweisen.
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Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Figuren näher dargestellt.
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Figurenliste
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Es zeigt:
- 1 eine Blockschaltbilddarstellung eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems,
- 2 eine Blockschaltbilddarstellung einer abgewandelten Ausführungsform des erfindungsbemäßen Brennstoffzellensystems,
- 3 einen blockbasierten Ablaufplan des erfindungsbemäßen Verfahrens, und
- 4 eine graphische Darstellung des Stromsollwertanpassungsbetrags über der Stromsollwertvorgabe.
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1 zeigt ein Brennstoffzellensystem 2 mit mindestens einer Brennstoffzelle 4, einem damit verbundenen Leistungswandler 6, einem Leistungsregler 8 sowie einer Überwachungsvorrichtung 10. Der Leistungswandler 6 ist dazu ausgebildet, eine externe elektrische Komponente 12 mit elektrischer Leistung an einem Leistungsausgang 14 zu versorgen. Der Leistungswandler 6 ist mit dem Leistungsregler 8 verbunden und erhält von diesem ein Stromsollwertsignal 16 an einem Stromsollwertsignaleingang 18. Damit kann der Leistungswandler 6 zur Versorgung der Komponente 12 mit elektrischer Leistung aus der mindestens einen Brennstoffzelle 4 eine einstellbare Spannung und/oder einen einstellbaren Strom an dem Leistungsausgang 14 bereitstellen.
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In der nachfolgenden Beschreibung wird auf Signale eingegangen, die zur Übertragung von Anforderungen, gemessenen elektrischen Größen, Vorgaben und dergleichen dienen. Diese sind in den Figuren durch gestrichelte Linien gekennzeichnet. Zur Vereinfachung der Lesbarkeit werden die Endungen „signal“ teilweise weggelassen.
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Der Stromsollwert 16 wird in dem Leistungsregler 8 gebildet. Hier liegt zunächst nur eine Leistungsanforderung 20 vor. Diese wird beispielhaft an eine erste Kennliniensteuerung 22 geleitet, um eine Stromsollwertvorgabe 24 zu ermitteln. Dies setzt eine zumindest weitgehend bekannte Strom-Spannungs-Charakteristik der mindestens einen Brennstoffzelle 4 voraus. Die Stromsollwertvorgabe 24 sollte zumindest grob dem Leistungswandler 6 ermöglichen, eine gewünschte Leistung an dem Leistungsausgang 14 bereitzustellen.
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Zur Präzisierung des Stromsollwerts 16 umfasst der Leistungsregler 8 einen geschlossenen Regelkreis auf Basis eines PI-Reglers 30. Dieser weist ein Proportional-Glied 32 und ein Integrator-Glied 34 auf, die parallelgeschaltet sind und als Eingangsgröße jeweils die Differenz der Leistungsanforderung 20 und einer aktuell an dem Leistungsausgang 14 gelieferten Leistung erhalten. Die aktuelle Leistung wird durch das Produkt aus gemessener Spannung und gemessenem Strom ermittelt. Hierzu kann der Leistungsregler 8 entsprechende Signale von dem Leistungswandler 6 erhalten, die hier mit U und I gekennzeichnet sind. Hieraus wird der Stromsollwertanpassungsbetrag 26 generiert, der zu der Stromsollwertvorgabe 24 addiert wird. Zur Begrenzung des integralen Anteils ist dem Integrator-Glied 34 ein erster Begrenzer 36 nachgeschaltet. Dieser könnte eine von einer zweiten Kennliniensteuerung 38 abhängige Begrenzung umfassen. Dem PI-Regler 30 kann ein zweiter Begrenzer 40 nachgeschaltet sein, der beispielhaft ebenso eine durch die zweite Kennliniensteuerung 38 abhängige Begrenzung durchführt. Die Dynamik der Regelung sowie die Stärke der angeforderten Änderungen des Stroms von der mindestens einen Brennstoffzelle 4 werden dadurch angepasst.
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Die Überwachungseinheit 10 erfasst nun den Stromsollwertanpassungsbetrag 26 und kann diesen mit einem Grenzwert vergleichen. Dieser Grenzwert könnte beispielsweise dem durch die zweite Kennliniensteuerung 38 bestimmten Grenzwert entsprechen und/oder der Stromsollwertvorgabe 24 aus der ersten Kennliniensteuerung 22. Die Überwachungseinheit 10 kann allerdings auch einen anderen Grenzwert definieren, mit dem der Stromsollwertanpassungsbetrag 26 verglichen wird. Wird der Grenzwert damit für eine bestimmte Zeitdauer erreicht, kann die Überwachungseinheit 10 an dem Warnsignalausgang 28 ein Warnsignal abgeben. Der Grenzwert kann zudem auch durch einen Grenzbereich dargestellt sein, der sich von einem durch einen Multiplikationsfaktor bestimmten unteren Grenzwert bis zu dem eigentlichen (oberen) Grenzwert erstreckt.
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Der Vollständigkeit halber wird auf eine Wasserstoffzufuhreinheit 42 und eine Oxidantzufuhreinheit 44 verwiesen, die die mindestens eine Brennstoffzelle 4 mit Edukten versorgen. Weiterhin ist eine Kühleinheit 46 vorgesehen, die zur Abfuhr von Wärme der mindestens einen Brennstoffzelle 4 dient.
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2 zeigt eine Abwandlung in Form eines Brennstoffzellensystems 48. Hier ist die Überwachungseinheit 10 dazu konfiguriert, ein Steuersignal 50 zu senden. Dies könnte einer Kalibrierungs- oder Optimierungseinheit 52 zugeführt werden, die beispielsweise die Wasserstoffzufuhreinheit 42 in ihrem Betrieb beeinflusst. Selbstverständlich können damit auch die Kühleinheit 46 und die Oxidantzufuhreinheit 44 angesteuert werden (hier nicht gezeigt).
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3 zeigt eine blockbasierte Ansicht eines erfindungsgemäßen Verfahrens. Das Verfahren weist das Bereitstellen 54 elektrischer Leistung aus der mindestens einen Brennstoffzelle 4 mit einer einstellbaren Spannung und/oder einem einstellbaren Strom an dem Leistungsausgang 14 zur Versorgung der externen elektrischen Komponente 12 mittels des Leistungswandlers 6 auf. Weiterhin erfolgt das Anpassen 56 der an dem Leistungsausgang bereitgestellten elektrischen Leistung durch Vorgeben eines Stromsollwerts als Summe einer Stromsollwertvorgabe und eines Stromsollwertanpassungsbetrags in Reaktion auf eine Leistungsanforderung sowie die Spannung und den Strom an dem Leistungsausgang durch den Leistungsregler 8, und das Erfassen 58 des Stromsollwertanpassungsbetrags und Vergleichen 60 mit einem vorgegebenen Grenzwert und bei Erreichen des vorgegebenen Grenzwerts zumindest über eine vorgebbare Mindestdauer Ausgeben 62 eines Warnsignal an dem Signalausgang durch die Überwachungseinheit. Das Verfahren kann ferner das Anpassen 64 eines Betriebspunkts durch Aussenden eines Steuersignals bei Erreichen des vorgegebenen Grenzwerts durch die Überwachungseinheit 10 umfassen.
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4 zeigt den Stromsollwertanpassungsbetrags 26 (y-Achse) über der Stromsollwertvorgabe 24 (x-Achse). Es sind hierbei Grenzen 66 gezeigt, an die sich jeweils ein Grenzbereich 68 anschließen. Stellt die Überwachungseinheit 10 fest, dass der Stromsollwertanpassungsbetrag 26 in einem der Grenzbereiche 68 liegt, wird ein Warnsignal generiert und ausgegeben. Dies kann zum Aussenden eines Steuersignals 50 genutzt werden.
