DE10240763A1 - Regelung für ein Brennstoffzellensystem - Google Patents

Regelung für ein Brennstoffzellensystem

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein System zur Regelung der Ausgangsleistung einer Brennstoffzelle mit einem Regler, einer mit dem Regler verbundenen Brennstoffzelle und einem direkt mit der Brennstoffzelle parallelgeschalteten Energiespeicher sowie ein Verfahren zum Betrieb eines solchen Systems.

Description

    Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem zur Erzeugung von Strom im Allgemeinen und insbesondere ein Verfahren zur Regelung der Ausgangsleistung einer Brennstoffzelle, so dass diese auf einen Energiespeicher abgestimmt werden kann.
  • Hintergrund der Erfindung
  • Brennstoffzellensysteme bieten gegenüber konventionellen Energiequellen viele Vorteile. In einer Brennstoffzelle wird Strom elektromechanisch über die Reaktion von Wasserstoff mit Sauerstoff erzeugt. Als Abfallprodukt entsteht lediglich Wasserdampf, das für die Umwelt im Wesentlichen unbedenklich ist. Dies steht im Gegensatz zu den konventionellen Energieerzeugungssystemen, die Schadstoffe wie z. B. Kohlenwasserstoffe, Kohlenmonoxid und andere chemische Verbindungen freisetzen.
  • Brennstoffzellensysteme, die zur Erzeugung von Strom verwendet werden, müssen so geregelt werden, dass sie den Strombedarf sowohl unter normalen als auch unter transienten Betriebsbedingungen decken. Langfristige Schwankungen im äußeren Lastkreis müssen innerhalb des Brennstoffzellensystems über eine Systemsteuerung kontrolliert werden, die die Zufuhr von Brennstoff und Oxidationsmittel steuert und die Energieabgabe.
  • Brennstoffzellensysteme zur Erzeugung von Strom sind im allgemeinen komplexe Systeme, da sie zwischen Brennstoffzelle und Energiespeicher einen Spannungswandler benötigen, der die beiden miteinander verbindet. Der Spannungswandler verändert die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle und passt sie dem Lastkreis oder einem weiteren Wandler, beispielsweise einem Wechselrichter, an. Hierdurch sinkt der Wirkungsgrad und es entstehen mit jedem weiteren Wandler zusätzliche Kosten. Daher sind diese Systeme zur Stromerzeugung im allgemeinen sehr kostspielig.
    • Zusammenfassung der Erfindung
  • Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Steuerung eines Brennstoffzellensystems zu schaffen. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Gesamtkosten eines Brennstoffzellensystems zur Erzeugung von Strom dadurch zu verringern, dass keine Mehrzahl an Wandlern benötigt wird. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Größen des Brennstoffzellensystems angepasst an die an der Brennstoffzelle anliegende Last und an den Energiespeicher einzustellen.
  • Diese und weitere Aufgaben der vorliegenden Erfindung werden dadurch gelöst, dass ein Regelungssystem und ein Verfahren geschaffen werden, mit denen Größen wie zum Beispiel der Massenfluss, der Druck, die Temperatur, das Luftfeuchtigkeit und die Verwendung von Luft und Brennstoff getrennt geregelt werden können, um so die Spannung eines Brennstoffzellenstapels einzustellen. Erfindungsgemäß wird die Brennstoffzelle direkt mit dem Energiespeicher parallelgeschaltet, ohne dass hierzu ein Wandler benötigt wird. Die Spannung der Brennstoffzelle wird so geregelt, dass sie in Abhängigkeit vom Laststrom und vom Ladezustand des Energiespeichers an die Spannungskennlinie des Energiespeichers angepasst wird.
  • Die vorliegende Erfindung kann nutzbringend in kostengünstigen, hybriden Batteriesystemen eingesetzt werden, in denen eine Brennstoffzelle mit einem Energiespeicher kombiniert wird. In derartigen Vorrichtungen deckt die Brennstoffzelle die Grundlast, während der Energiespeicher die Stromspitzen liefert und/oder aus dem Lastkreis zurückgewonnenen Strom speichert.
  • Weitere Aufgaben und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nun folgenden ausführlichen Beschreibung und aus den beigefügten Ansprüchen, wobei hierbei auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen wird.
    • Kurze Figurenbeschreibung
  • Zur weiteren Veranschaulichung der Erfindung dienen die Ausführungsbeispiele, die anhand der beigefügten Zeichnungen näher dargestellt und nachstehend beschrieben werden. Es zeigen
  • Fig. 1 eine schematische Darstellung eines bekannten Regelungssystems für Brennstoffzellen mit einem zwischen der Brennstoffzelle und dem Energiespeicher geschalteten Wandler;
  • Fig. 2 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Regelungssystems für Brennstoffzellen;
  • Fig. 3 eine Darstellung der Strom-Spannungskennlinie eines Energiespeichers;
  • Fig. 4 eine Darstellung der Strom-Spannungskennlinie einer Brennstoffzelle, die das erfindungsgemäße Regelungssystem verwendet,
  • Fig. 5 ein Flussdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens; und
  • Fig. 6 eine Darstellung der überlagerten Strom Spannungskennlinien der Brennstoffzelle und des Energiespeichers zur Darstellung des erfindungsgemäßen Regelungsverfahrens.
    • Ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele
  • Fig. 1 zeigt ein bekanntes Regelungssystem 10 für Brennstoffzellen mit einem DC/DC-Wandler 12. Die Aufgabe des Wandlers 12 besteht darin, die Brennstoffzelle 14 mit einem Energiespeicher 16 wie z. B. einer Batterie (dargestellt) oder einem Ultrakondensator (nicht dargestellt), und einem Lastkreis 18 zu koppeln. Mit dem Wandler 12 kann die Brennstoffzelle 14 auch direkt mit dem Lastkreis 18 gekoppelt werden.
  • Die vorliegende Erfindung schlägt ein System und ein Verfahren vor, mit denen eine Brennstoffzelle, die Ausgangsleistung eines Energiespeichers und der Ladezustand (SOC) des Energiespeichers so geregelt werden können, dass der Lastbedarf abgedeckt wird.
  • Fig. 2 ist ein Blockdiagramm des erfindungsgemäßen Regelungssystems für Brennstoffzellen 20. Ein Regler 22 regelt vorbestimmte Größen 21, um die Spannung einer Brennstoffzelle 24 einzustellen. Die Größen 21 umfassen unter anderem den Massendurchsatz von Luft (Ma) und von Brennstoff (Mf), den Druck von Luft (Pa) und von Brennstoff (Pf), die Temperatur der Brennstoffzelle 24 (Tc), die Feuchtigkeit von Luft und Wasserstoff und den durch die Brennstoffzelle 24 fließenden Strom (Ifc), wobei sie nicht auf diese Parameter beschränkt sind. Die vorbestimmten Größen 21 werden angepasst an den Gesamtstrom in einem Lastkreis 26 eingestellt, der der mit dem z. B. als Batterie ausgebildeten Energiespeicher 28 verbundenen Brennstoffzelle 24 entnommen wird.
  • Ein optionaler DC/DC-Wandler (in Fig. 2 nicht dargestellt) kann dazu verwendet werden, die Gleichspannung aus dem Energiespeicher in eine Gleichspannung zu wandeln, die dazu benötigt wird, einen Wechselrichter zu betreiben (nicht dargestellt) oder die zur direkten Kopplung mit dem Lastkreis 26 dient. Der DC/DC-Wandler kann die Gleichspannung in eine höhere oder in eine niedrigere Spannung umwandeln. Erfindungsgemäß kann der Wandler auch entfallen. Das Beispiel aus dem Stand der Technik, das in Fig. 1 dargestellt ist, benötigt einen Wandler zwischen der Brennstoffzelle und dem Energiespeicher.
  • In der vorliegenden Erfindung und mit Bezug auf Fig. 2 wird die Brennstoffzelle 24 so geregelt, dass sie als Ladegerät für den in Fig. 2 als Batterie dargestellten Energiespeicher 28 dient. Dieser könnte aber auch ein Ultrakondensator oder eine andere Vorrichtung sein. Die Brennstoffzelle 24 ist direkt mit dem Energiespeicher 28 parallelgeschaltet. Der Zwischenwandler im Beispiel aus dem Stand der Technik, das in Fig. 1 dargestellt ist, ist in der vorliegenden Erfindung überflüssig.
  • Weiterhin mit Bezug auf Fig. 2 kann eine Diode 30 dazu verwendet werden, einen Stromfluss vom Energiespeicher 28 in die Brennstoffzelle 24 zu vermeiden. Ein derartiger Rückstrom könnte bestimmte Arten von Brennstoffzellen beschädigen. Die Diode 30 ist optional und kann auch entfallen.
  • Die Brennstoffzelle 24 hat eine Ausgangsspannung (Vcell), die erfindungsgemäß derart geregelt wird, dass sie auf die Spannung (VBat) des Energiespeichers 28 abgestimmt ist. Die Spannung der Brennstoffzelle (Vcell) und die Spannung des Energiespeichers (VBat) werden in Abhängigkeit vom Laststrom (Iload) und vom Ladezustand des Energiespeichers 28 aufeinander abgestimmt. Der Regler 22 misst den Laststrom (Iload) am Lastkreis 26 und dieser Laststrom wird dazu verwendet, den von der Brennstoffzelle 24 zu erzeugenden Strom zu bestimmen.
  • Die Spannung der Brennstoffzelle Vcell ist eine nicht-lineare Funktion mit mehreren einstellbaren Parametern. Diese umfassen unter anderem:
    Mf = den Massendurchsatz von Brennstoff
    Ma = den Massendurchsatz von Luft
    pf = den Druck des Brennstoffs
    pa = den Luftdruck
    RHa = die Luftfeuchtigkeit
    Tc = die Temperatur der Brennstoffzelle
    Ifc = den durch Brennstoffzelle fließende Strom
  • Die Spannung des Energiespeichers VBat ist ebenfalls abhängig von mehreren Parametern, welche unter anderem folgende umfassen:
    SOC = den Ladezustand des Energiespeichers
    Ib = den in den Energiespeicher fließenden Laststrom oder den vom Energiespeicher gelieferten Strom
    Tb = die Temperatur des Energiespeichers
    Ab = das Alter des Energiespeichers.
  • Über die Bildung eines Modells und die Messung bzw. Regelung einer Untermenge aller steuerbaren Größen der Brennstoffzelle und des Energiespeichers werden die Strom-Spannungskennlinien dieser beiden Vorrichtungen aufeinander abgestimmt, um den Ladezustand des Energiespeichers regeln zu können. Durch die Regelung des Ladezustands wird die Lebensdauer des Energiespeichers verlängert und eine angemessene Energiereserve aufrechterhalten. Mit der Energiereserve können vorübergehende Hochlastbedingungen, die auf Schwankungen im äußeren Lastkreis 26 zurückzuführen sind, ausgeglichen werden.
  • Die Zellenspannung wird wie folgt ausgedrückt:


    wobei Vcell die Zellenspannung und VTh die theoretische Nernst-Spannung ist. Die Nernst-Spannung ist eine theoretisch berechnete Spannung, die die maximal erhältliche Zellenspannung im verlustfreien Fall darstellt. (p[H2O]/p[H2]) ist der Partialdruck von Wasser und Wasserstoffgas im Brennstoff, p[O2] ist der Partialdruck des Sauerstoffgases im Oxidationsmittel, R ist die Gaskonstante und T ist die Zellentemperatur.
  • Eine mittlere Zellenspannung kann unter Anwendung von Gleichung (2) berechnet werden, indem die Zellenbedingungen überwacht werden:


    wobei Vin und Vout die Nernst-Spannungen für Ein- und Ausgangswerte darstellen, α ein Gewichtungsfaktor für die Zellenspannung ist, und Reif für den effektiven Zellwiderstand bei der Temperatur T, sowie Icell für den Zellenstrom und Ilimit für den Grenzstrom stehen. Der Grenzstrom hängt vom Zellenverhalten ab, wobei jede Zelle je nach System ihren eigenen Grenzstrom hat.
  • Der effektive Zellenwiderstand, Reff, ist gegeben durch:


    wobei Ro der effektive Zellenwiderstand bei einer Referenztemperatur To ist und σt für den Temperaturkoeffizienten sowie Tcell für die mittlere Zellentemperatur stehen.
  • Fig. 3 stellt eine Strom-Spannungskennlinie 300 für den Energiespeicher und Fig. 4 eine Strom-Spannungskennlinie 400 für die Brennstoffzelle dar. Die Strom-Spannungskennlinie 300 des Energiespeichers ist eine nicht-lineare Funktion des Stroms. Die Kennlinie 302 stellt die Batterie bei niedrigem Ladezustand und die Kennlinie 304 die Batterie bei hohem Ladezustand dar.
  • In Fig. 4 wird die Kennlinie 400 der Brennstoffzelle als eine Brennstoffzellkurve 402 bei niedrigem Ladezustand und als eine Brennstoffzellkurve 404 bei hohem Ladezustand dargestellt. Der Regler stellt die Brennstoffzellkurven 402, 404 angepasst an die Laststrom(Iload )-Änderungen ein und regelt dabei den Ladezustand des Energiespeichers. Der Arbeitspunkt für einen vorgegebenen Laststrom ergibt sich aus dem Schnittpunkt der Kurven und wird nachfolgend anhand Fig. 6 erläutert, die nach der Beschreibung des erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben wird.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren 100 wird anhand Fig. 5 beschrieben. Die vorliegende Erfindung bestimmt in Schritt 102 die gewünschte Änderung des Ladezustands des Energiespeichers. Dies wird dadurch erzielt, dass ein aktueller Ladezustand mit dem angestrebten Ladezustand verglichen wird, was in Fig. 2 als Schritt 32 gezeigt wird. Der Laststrom Iload wird in Schritt 104 durch den Regler gemessen.
  • Dann bestimmt das Verfahren in Schritt 106 den erforderlichen Laststrom, der von der Brennstoffzelle geliefert werden soll, mit dem der Ladezustand des Energiespeichers nach Wunsch erhöht oder verringert werden kann. Ankauf der bei der eingangs beschriebenen dynamischen Systemmodellierung erhaltenen Spannungsgleichungen der Brennstoffzelle werden in Schritt 108 bestimmte Parameter aufgrund des gemessenen Werts des Laststroms Iload eingestellt. Die Spannung der Brennstoffzelle Vcell wird in Schritt 106 in Abhängigkeit vom Laststrom Iload geregelt. Daraufhin wird in Schritt 108 der Ladezustand des Energiespeichers in Abhängigkeit von der Spannung der Brennstoffzelle Vcell geregelt.
  • Fig. 6 zeigt ein Beispiel 600, wie das erfindungsgemäße System betrieben und das erfindungsgemäße Verfahren ausgeführt wird. Fig. 6 zeigt die Strom-Spannungskennlinien 602, 604 des Energiespeichers bezogen auf die Achse 606. Die Strom-Spannungskennlinien 608, 610 der Brennstoffzelle werden bezogen auf die Achse 612 gezeigt. Die Achse 606 und die Achse 612 sind um den Laststrom 614 zueinander versetzt. Der Abstand zwischen den beiden Achsen 606 und 612 ändert sich direkt proportional mit einer Laststromänderung.
  • Bei einem gegebenen Laststrom wird der Ladezustand des Energiespeichers wie folgt geregelt. Es wird angenommen, dass der anfängliche Ladezustand des Energiespeichers durch die Strom-Spannungskennlinie 602 gegeben ist, wobei die Kennlinie des Energiespeichers einen 20%igen Ladezustand anzeigt. Wird die Brennstoffzelle so geregelt, dass die Strom- Spannungskennlinie durch die Kurve 608 beschrieben wird, so bestimmt der Schnittpunkt der beiden Kurven 602 und 608 den Arbeitspunkt 616. Der Laststrom wird dann in einen Ladestrom für den Energiespeicher 618 und in einen Brennstoffzellenstrom 620 aufgeteilt.
  • So werden in Fällen, in denen der Ladezustand auf das vorgegebene Laststromniveau erhöht werden soll, die vorbestimmten Regelparameter der Brennstoffzelle entsprechend der eingangs beschriebenen Spannungsgleichungen der Brennstoffzelle sowie jedes beliebigen, notwendigen linearen oder nicht-linearen Systemmodells eingestellt. Die erhaltene Strom- Spannungskennlinie der Brennstoffzelle ist mit 610 bezeichnet.
  • Sobald die Regelung wie oben beschrieben eingestellt ist, überschneiden sich die Kennlinie 602 des Energiespeichers und die Kennlinie 610 der Brennstoffzelle an einem neuen Arbeitspunkt, der mit 622 bezeichnet ist. An diesem Arbeitspunkt 622 wird der Energiespeicher geladen, während der Laststrom weiter zur Verfügung steht. Während der Energiespeicher sich auf 100% auflädt, ändert sich die Strom-Spannungskennlinie, bis 100% Ladezustand erreicht worden sind. An diesem Punkt gilt die Strom- Spannungskennlinie (604) des Energiespeichers und es ergibt sich ein endgültiger Arbeitspunkt 624. Am endgültigen Arbeitspunkt 624 ist der Energiespeicher stromlos und der Laststrom wird ausschließlich von der Brennstoffzelle geliefert.
  • Durch Ändern der vorbestimmten Regelparameter können alle Ladezustände abgedeckt werden. Falls erwünscht, kann der Laststrom auch von der Brennstoffzelle und dem Energiespeicher gemeinsam geliefert werden.
  • Die Erfindung deckt alle Alternativen, Variationen und gleichwertigen Ausführungen ab, soweit diese in den Rahmen der anliegenden Ansprüche fallen.
    • Aufgabenstellung und Lösung
  • Mit dieser Erfindungsmeldung wird ein neues und innovatives Verfahren zur Regelung eines Brennstoffzellensystems offenbart. Gegenwärtig zur Stromerzeugung eingesetzte Brennstoffzellensysteme benötigen eine Regelung, um die erforderliche elektrische Leistung sowohl unter normalen als auch unter Hochlastbedingungen bereitzustellen. Auf wechselnde Bedingungen muss mittels eines Reglers reagiert werden, der die Zufuhr von Brennstoff und Oxidationsmittel zur Brennstoffzelle, deren Ausgangsleistung sowie die Leistung der Reformereinheit steuert.
  • Es wird eine Systemarchitektur für die Regelung eines Brennstoffzellensystems mit einem Energiespeicher vorgestellt. Die offenbarte Systemarchitektur stellt eine Vorrichtung zur Verfügung, mit der die Ausgangsleistungen der Brennstoffzelle und der wiederaufladbaren Batterie und der Ladezustand des Energiespeichers so geregelt werden können, dass die erforderliche Leistung im Lastkreis zur Verfügung steht. Die vorliegende Erfindung vereinfacht die Systemarchitektur. Weiterhin wird davon ausgegangen, dass die Integration der vorliegenden Erfindung in ein Brennstoffzellensystem zur Stromerzeugung die Gesamtkosten des Systems verringert, da sie die Verwendung von zwei elektrischen Wandlerstufen überflüssig macht.
  • Genaue Beschreibung der Erfindung
  • Die Erfindung besteht aus einem Regler und einem Verfahren, mit dem die Massenströme und die Drucke von Luft und Brennstoff sowie der erzielte Wirkungsgrad geregelt werden, um die Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstapels angepasst einzustellen. Die Parameter werden in Abhängigkeit von der gesamten an der Brennstoffzellen-/Energiespeicherkombination anliegenden elektrischen Last eingestellt, um den Ladezustand des parallelgeschalteten Energiespeichers zu steuern. Dabei kann der Energiespeicher eine wiederaufladbare Batterie oder ein Ultrakondensator sein. Das neue Regelungsverfahren erlaubt es, die Brennstoffzelle ohne zusätzliche elektrische Wandlerstufen direkt mit dem Energiespeicher parallel zu schalten. Dabei wird die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle so eingestellt, dass sie unabhängig vom äußeren Laststrom und vom Ladezustand des Energiespeichers stets auf die Ausgangsspannung des Energiespeichers abgestimmt ist.
  • Fig. 1 Brennstoffzellensystem mit mehreren elektrischen Wandlerstufen zum Anschluss einer Brennstoffzelle an einen Energiespeicher.
  • Fig. 2 Brennstoffzellensystem, welches mit einer elektrischen Wandlerstufe auch bei Änderungen des äußeren Laststroms sowohl den Anschluss der Brennstoffzelle an den Energiespeicher als auch die Regelung des Ladezustands des Energiespeichers erlaubt.
  • Die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle Vfc ist eine nicht-lineare Funktion verschiedener regelbarer Parameter:
    Vfc = f(Mf, Ma, Pa, Pf, Tc, Ifc)
    wobei
    Mf = Massenflussrate des Brennstoffs
    Ma = Massenflussrate der Luft
    Pf = Druck des Brennstoffs
    Pa = Druck der Luft
    Tc = Temperatur der Brennstoffzelle
    Ifc = von der Brennstoffzelle gelieferter Strom
    bedeuten.
  • Ebenso ist die Ausgangsspannung Vbat des Energiespeichers eine Funktion mehrerer Parameter:
    Vbat = f(SOC, Ib, Tb, Ab)
    wobei
    SOC = Ladezustand der wiederaufladbaren Batterie
    Ib = Ladestrom oder Entnahmestrom der wiederaufladbaren Batterie
    Tb = Temperatur der wiederaufladbaren Batterie
    Ab = Alter der wiederaufladbaren Batterie
    bedeuten.
  • Durch eine Modellbildung für diese Parameter, ihre Erfassung und die Regelung einer Teilmenge von ihnen ist es möglich, die Spannungs-Strom- Kennlinien aneinander anzupassen, so dass der Ladezustand der wiederaufladbaren Batterie gesteuert werden kann. Indem der Ladezustand des Energiespeichers gesteuert wird, kann einerseits die Lebensdauer des Energiespeichers erhöht und andererseits eine ausreichende Menge an Reserveenergie für kurzfristige Hochlastbedingungen aufrechterhalten werden.
  • Fig. 3 Überlagerung der Spannungs-Strom-Kennlinien des durch eine wiederaufladbare Batterie realisierten Energiespeichers und der Brennstoffzelle. Der Brennstoffzellenregler regelt die V-I-Kennlinie der Brennstoffzelle bei sich veränderndem Laststrom, um den Ladezustand der wiederaufladbaren Batterie zu steuern. Für einen vorgegebenen äußeren Laststrom ergibt sich der Arbeitspunkt aus dem Schnittpunkt der V-I- Kennlinien.

Claims (17)

1. System zur Regelung der Ausgangsleistung einer Brennstoffzelle, umfassend:
einen Regler,
eine mit dem Regler verbundene Brennstoffzelle,
einen direkt mit der Brennstoffzelle parallelgeschalteten Energiespeicher,
dadurch gekennzeichnet, dass der Regler eine Ausgangsspannung der Brennstoffzelle und eine Ausgangsspannung des Energiespeichers regelt.
2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Regler weiterhin eine Steuerlogik umfasst, mit der die Spannung der Brennstoffzelle in Abhängigkeit von vorbestimmten Parametern und der Ladezustand des Energiespeichers in Abhängigkeit von vorbestimmten Parametern geregelt werden.
3. System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass
die vorbestimmten Parameter des Reglers der Ausgangsspannung der Brennstoffzelle zumindest einen der Parameter "Massendurchsatz des Brennstoffs, Massendurchsatz der Luft, Druck des Brennstoffs, Luftfeuchtigkeit der Luft, Luftfeuchtigkeit des Wasserstoffs, Temperatur der Brennstoffzelle und von der Brennstoffzelle gelieferter Strom" umfassen, und
dass die vorbestimmten Parameter des Reglers der Ausgangsspannung des Energiespeichers zumindest einen der Parameter "Ladezustand des Energiespeichers, Strom durch den Energiespeicher und Alter des Energiespeichers" umfassen.
5. System nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Regler einen Laststrom verwendet, um die benötigte Leistung zu bestimmen.
4. System nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Regler eine Teilmenge der vorbestimmten Parameter der Brennstoffzelle und des Energiespeichers anhand eines Modells ermittelt, diese erfasst und regelt, um den Ladezustand des Energiespeichers zu regeln.
6. System nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Regler weiterhin eine Steuerlogik umfasst, die den Laststrom aufteilt in einen ersten Stromanteil für den Energiespeicher und einen zweiten Stromanteil für die Brennstoffzelle.
7. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiespeicher eine wiederaufladbare Batterie ist.
8. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiespeicher ein Ultrakondensator ist.
9. Verfahren zur Regelung einer Ausgangsleistung eines Brennstoffzellensystems umfassend einen Regler, eine mit dem Regler verbundene Brennstoffzelle, einen direkt mit der Brennstoffzelle parallelgeschalteten Energiespeicher und einen äußeren Lastkreis, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:
Bestimmen eines gewünschten Ladezustands des Energiespeichers, Messen eines Laststroms,
Ermittelung vorbestimmter Parameter der Brennstoffzelle und des Energiespeichers anhand eines Modells auf Basis des gewünschten Ladezustands, und
das Regeln eines Ladezustands des Energiespeichers anhand der ermittelten vorbestimmten Parameter
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt, in dem die vorbestimmten Parameter anhand eines Modells bestimmt werden, weiterhin folgendes umfasst:
Ermitteln von mindestens einem der folgenden Parameter: "Massendurchsatz von Luft, Massendurchsatz von Brennstoff, Luftdruck, Druck des Brennstoffs, Temperatur der Brennstoffzelle, Luftfeuchtigkeit, Wasserstofffeuchtigkeit und dem Strom für die Brennstoffzelle anhand des Modells und
Ermitteln von mindestens einem der folgenden Parametern: "Ladezustand des Energiespeichers, Strom durch den Energiespeicher, der Temperatur des Energiespeichers und Alter des Energiespeichers", anhand des Modells.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt, in dem der Ladezustand des Energiespeichers geregelt wird, weiterhin das Anpassen der Strom-Spannungskennlinie des Energiespeichers an die der Strom-Spannungskennlinien der Brennstoffzelle umfasst.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt, in dem die Strom-Spannungskennlinie des Energiespeichers an die Strom- Spannungskennlinie der Brennstoffzelle angepasst wird, weiterhin die folgenden Schritte umfasst:
Bestimmen eines ersten Arbeitspunktes für einen erfassten Ladezustand, wobei dieser Arbeitspunkt durch den Schnittpunkt der Strom- Spannungskennlinie der Brennstoffzelle mit der Strom- Spannungskennlinie des Energiespeichers definiert wird;
Bestimmen eines endgültigen Arbeitspunkts für einen gewünschten endgültigen Ladezustand; und
das Anpassen der vorbestimmten Parameter, um den erfassten Ladezustand an den gewünschten Ladezustand anzupassen.
13. Verfahren nach Anspruch 12, das weiterhin folgenden Schritt umfasst:
das Aufteilen des Laststroms in einen ersten, auf die Brennstoffzelle bezogenen Teil und in einen zweiten, auf den Energiespeicher bezogenen Teil,
wobei der Laststrom sowohl durch den Energiespeicher als auch durch die Brennstoffzelle geliefert wird und bei einem Ladezustand des Energiespeichers von 100% der Laststrom vollständig von der Brennstoffzelle geliefert wird.
14. Verfahren zur Regelung des Ladezustands eines Energiespeichers in einem System, welches eine Brennstoffzelle aufweist, die mit einem Regler verbunden ist und die direkt mit einem Energiespeicher und einem äußeren Lastkreis parallelgeschaltet ist, die folgenden Schritte aufweisend:
Ermitteln des aktuellen Ladezustands des Energiespeichers,
Ermitteln des gewünschten Ladezustand des Energiespeichers,
Bestimmung vorbestimmter Parameter der Brennstoffzelle anhand eines Modells,
Bestimmung vorbestimmter Parameter des Energiespeichers anhand eines Modells,
Regeln der Ausgangsspannung der Brennstoffzelle, indem die vorbestimmten Parameter eingestellt werden, wobei die Regelung der Ausgangsspannung der Brennstoffzelle dazu verwendet wird, den aktuellen Ladezustand des Energiespeichers an dessen gewünschten Ladezustand anzupassen.
15. Verfahren gemäß Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem Schritt, bei welchem
vorbestimmte Parameter der Brennstoffzelle anhand des Modells bestimmt werden, weiterhin zumindest einer der Parameter "Massendurchsatz der Luft, Massendurchsatz des Brennstoffs, Luftdruck, Druck des Brennstoffs, Temperatur der Brennstoffzelle, Luftfeuchtigkeit, Feuchtigkeit des Wasserstoffs und Strom durch die Brennstoffzelle" bestimmt wird, und bei welchem
vorbestimmte Parameter des Energiespeichers anhand des Modell bestimmt werden, weiterhin zumindest einer der Parameter "Ladezustand, Strom durch den Energiespeicher, Temperatur des Energiespeichers und Alter des Energiespeichers" bestimmt wird.
16. Verfahren gemäß Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass in einem weiteren Schritt der Laststrom anhand des Ladezustands des Energiespeichers aufgeteilt wird zwischen der Brennstoffzelle und dem Energiespeicher.
17. Verfahren gemäß Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem 100%igen Ladezustand des Energiespeichers der Laststrom vollständig von der Brennstoffzelle geliefert wird.
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