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Die Erfindung betrifft ein Verfahren
zur Regelung der Brennstoffzufuhr zu einem Brennstoffzellensystem,
nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art. Des weiteren
betrifft die Erfindung eine Verwendung des oben genannten Verfahrens.
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Ein gattungsgemäßes Brennstoffzellensystem
wird durch die
DE
100 56 429 A1 beschrieben. Bei diesen Brennstoffzellensystemen
erfolgt die Entnahme von elektrischer Leistung aus der Brennstoffzelle
jeweils getaktet, wobei durch die Taktung auf das Vorhandensein
bzw. Fehlen von Brennstoff in der Brennstoffzelle, insbesondere
in deren Anodenbereich, im Bezug auf die jeweils von der Brennstoffzelle
geforderte Leitung reagiert wird. Als Kenngröße für das Angebot an Brennstoff
in der Brennstoffzelle kann beispielsweise der Druck im Bereich
der Brennstoffzelle bzw. im Anodenbereich der Brennstoffzelle genutzt
werden.
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Aus der
DE 197 32 117 A1 ist ein
Energieversorgungssystem bekannt, welches einen Brennstoffzellenstapel
und eine Batterie umfasst. Die Zufuhr der erforderlichen Gasmengen
an die Brennstoffzelle erfolgt dabei über eine Steuerungs- bzw. Regelungselektronik.
Diese muss zum Ermitteln der erforderlichen Gasmengen ein Vielzahl
von Daten zahlreicher Sensoren bzw. Einrichtungen auswerten. Als
Beispiel seien hier lediglich einige der Sensoren, wie z.B. eine Erfassungseinrichtung der
Restladung der Batterie, eine Brennstoffmengenzufuhr-Erfassungseinrichtung,
eine Belastungsgrößen-Erfassungseinrichtung, Ladezustands-Schätzeinrichtung
und dergleichen, genannt.
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In dieser Vielzahl von Sensoren ist
sicherlich ein Nachteil zu sehen. So verursachen die Sensoren einen
großen
Kostenaufwand und benötigen
einen entsprechenden Bauraum. Neben der in der Vielzahl der Daten
begründeten
Komplexität
der Regelung/Steuerung bzw. Abschätzung ist auch die Erfassung
jedes einzelnen Wertes mit Fehlern behaftet. Diese Fehler summieren
sich in der Anlage auf, welche dadurch sehr anfällig gegenüber Störungen wird. Einige der Sensoren,
z.B. die Brennstoffmengenzufuhr-Erfassungseinrichtung, sind darüber hinaus
in ihrem Aufbau bzw. ihrer Funktionsweise entsprechende komplex
und aufwändig
sowie dadurch letztendlich auch sehr teuer. Derartige Sensoren neigen außerdem eher
als einfache Sensoren zu Fehlfunktionen. Sie vergrößern dadurch
zusätzlich
die Störanfälligkeit
und die Regelungsungenauigkeit des Gesamtsystems.
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Aufgrund der Vielzahl an Sensoren
ist ausserdem eine recht aufwändige
Berechnung notwenig, um aus den Messwerten den tatsächlichen
Bedarf an Brennstoff zu ermitteln. Neben dem Nachteil, dass diese
Berechnung Kapazität
und Rechenleistung in einer Steuerungselektronik benötigt, besteht ausserdem
das Risiko der Ungenauigkeit der Berechung. Des weiteren können in
nachteiliger Weise Fälle
auftreten, welche von dem Berechungsverfahren nicht abgedeckt sind.
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Es ist daher die Aufgabe der oben
genannten Erfindung ein Verfahren zur Regelung der Brennstoffzufuhr
zu einem Brennstoffzellensystem, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs
1 zu schaffen, welches, mit einem minimalen Aufwand hinsichtlich
der Komplexität
und Anzahl der benötigten
Sensoren, robust und zuverlässig
die Regelung der Menge an zugeführtem
Brennstoff erlaubt.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die
im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 genannten Merkmale gelöst.
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Damit wird also die Brennstoffmenge
so geregelt, das sich für
das Pausen- zu Einschaltverhältnis
ausgehend von dem zu jeweiligen Zeitpunkt aktuell vorliegenden Istwert
wieder ein vorgegebener Sollwert einstellt.
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Prinzipiell wird dabei immer versucht,
das Brennstoffzellensystem mit einem vorgegebenen Pausen- zu Einschaltverhältnis, als
beispielhafter Wert sei hier 5%/95% genannt, zu betreiben. Ändert sich
nun die Leistungsanforderung an die Brennstoffzelle, so kommt es
zu einem Brennstoffdefizit, welches, wie durch die
DE 100 56 429 A1 beschreiben, zu
einer Steigerung des Pausen- zu Einschaltverhältnisses, z.B, auf 7%/93%,
führt.
Diese Steigerung dient nun als "Anlass" die Menge an zugeführtem Brennstoff
zu erhöhen,
und zwar in der Art, dass die Menge so geregelt wird, dass sich
der Istwert des Pausen- zu
Einschaltverhältnisses
wieder dem Sollwert annähert.
Bei einer Verminderung der Leistungsanforderung erfolgt die Regelung
analog, jedoch in reziproker Richtung, also Verbunden mit einer
Erniedrigung des Pausen- zu Einschaltverhältnisses, z.B. auf 3%/97%,
und einer Erniedringung der Brennstoffmenge, bis das vorgegebene
Pausen- zu Einschaltverhältnis
wieder erreicht ist.
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Das Pausen- zu Einschaltverhältnis stellt
dabei eine Größe dar,
welche sich bei gattungsgemäßen Brennstoffzellensystemen
zwangsläufig
ergibt, da sie letztendlich die Leistungsregelung darstellt. Diese
Größe kann
nun erfindungsgemäß dazu verwendet
werden, die Menge an Brennstoff zu variieren. Das erfindungsgemäße Verfahren
hierzu in besonders vorteilhafter Weise auf diese vorhandene und
darüber
hinaus sehr einfach und zuverlässig
ermittelbare Größe zurück, um die
Menge an Brennstoff zu beeinflussen. Insbesondere kann dabei auf aufwändige und
daher prinzipbedingt immer mit einem Risiko von Fehlfunktionen behaftete
Berechnungsverfahren von Brennstoffmengen aus zahlreichen Sensordaten
etc. verzichtet werden.
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Neben der Einsparung von Sensorik,
Rechenaufwand und kapazität
erlaubt es das erfindungsgemäße Verfahren
ausserdem, alle denkbaren Zustände
bei der Belastung der Brennstoffzelle zu berücksichtigen, was bei Verfahren
gemäß den Stand
der Technik fast nicht, oder nur mit erheblichem Aufwand möglich war.
Insbesondere bedeutet dies, das die aufwändige Entwicklung bei der Implementierung
eines Regelmechanismus entfallen kann, da das Pausen- und Einschaltverhältnis sich
direkt aus den Eigenschaften der Brennstoffzelle selbst ergibt.
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Gemäß einer besonders günstigen
Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird die Menge an zugeführtem
Brennstoff so gewählt,
dass die der Brennstoffzelle angebotene Menge an Brennstoff oder
an aus dem Brennstoff erzeugtem wasserstoffhaltigem Gas immer kleiner
ist, als die Menge an Brennstoff oder an aus dem Brennstoff erzeugtem wasserstoffhaltigem
Gas, welche von der Brennstoffzelle umgesetzt werden kann.
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Dadurch, dass bei dieser Ausgestaltungsvariante
des Verfahrens immer weniger Brennstoff angeboten wird, als die
Brennstoffzelle umsetzen kann, kann das Entstehen eines Brennstoffüberschusses, wie
dies bei Anlagen gemäß dem Stand
der Technik häufig
der Fall ist, vermieden werden. Es wird dadurch Möglich auf
sogenannte Purge-Vorgänge
zu verzichten, bei welchen überschüssiger Brennstoff aus
dem Bereich der Brennstoffzelle abgeblasen wird. Die mit einem solchen
Abblasen von Brennstoff immer verbundenen Energieverluste, welche
letztendlich eine Verschlechterung des Wirkungsgrads des Brennstoffzellensystems
bewirken, werden so vermieden.
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Grundsätzlich ist das erfindungsgemäße Verfahren
mit jeder Form eines Brennstoffzellensystems sinnvoll einsetzbar.
Es spielt dabei keine Rolle, ob das Brennstoffzellensystem als stationäres oder mobiles
Brennstoffzellensystem betrieben wird, und ob dieses unmittelbar
mit dem Brennstoff oder mit einem in einer Gaserzeugungseinrichtung
aus dem Brennstoff erzeugten wasserstoffhaltigen Gas betrieben wird.
Es ist jedoch besonders vorteilhaft, ein derartiges System in einem
mobilen Brennstoffzellensystem mit einem Gaserzeugungssystem, insbesondere
in einem Kraftfahrzeug, zu verwenden.
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Derartige Systeme, welche in Kraftfahrzeugen
oder andersartigen Fahrzeugen zu Wasser, zu Lande oder in der Luft
eingesetzt werden, können
dabei der Bordstromversorgung eines solchen Fahrzeugs dienen. Sie
werden dann im allgemeinen als Hilfsenergieerzeuger oder APU (Auxiliary
Power Unit) bezeichnet. In diesen Systemen, jedoch auch in Brennstoffzellensystemen,
welche für
den Antrieb des mobilen Systems ausgelegt sind, kann das erfindungsgemäße Verfahren
besonders günstig
verwendet werden. Der besondere Vorteil bei derartigen Systemen
in mobilen Einrichtungen liegt dabei darin, dass hier sehr häufig hochdynamische
Anforderungen an die von der Brennstoffzelle, welche üblicherweise
als ein Stapel von mehreren Brennstoffzellen, einem sogenannten
Brennstoffzellenstack, besteht, bereitzustellende Leistung geknüpft sind.
Das erfindungsgemäße Verfahren
bietet dabei die Möglichkeit,
in besonders vorteilhafter Weise durch eine einfache, effiziente
und sichere Regelung der Menge an zuzuführendem Brennstoff schnell
auf diese dynamischen Leistungsanforderungen an die Brennstoffzelle
zu reagieren.
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Weitere besonders günstige Ausgestaltungsvarianten
der Erfindung ergeben sich aus den restlichen Unteransprüchen und
werden anhand des Ausführungsbeispiels,
welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren eingehend erläutert wird,
deutlich.
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Dabei zeigen:
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1 ein
Prinzipschaltbild eines Brennstoffzellensystems unter Verwendung
des erfindungsgemäßen Verfahrens;
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2 die
Strom-Spannungs-Kennlinie einer Brennstoffzelle und des die Brennstoffzelle
belastenden Verbrauchers; und
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3 einen
beispielhaften zeitlichen Verlauf der für das erfindungsgemäße Verfahren
relevanten Größen.
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In 1 ist
ein Brennstoffzellensystems 1 prinzipmäßig dargestellt. Neben einer
Brennstoffzelle 2, welche z.B. als Brennstoffzellenstack
mit Membranelektrolyten (PEM) ausgebildet sein kann, und einem die
Brennstoffzelle 2 als elektrischer Verbraucher 3 belastenden
Stromnetz, weist das hier dargestellte Brennstoffzellensystem 1
außerdem
ein Gaserzeugungssystem 4 auf. In diesem Gaserzeugungssystem 4 wird
in an sich bekannter Weise aus Kohlenstoff und Wasserstoff aufweisenden
Einsatzstoffen, z.B. Alkohole, Kohlenwasserstoffe, wie Benzin, Diesel,
oder dergleichen, ein wasserstoffreiches Gas erzeugt, z.B. durch
Reformierung und anschließende
Reinigung des Reformats.
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Für
die Funktionsweise des nachfolgend erläuterten Verfahrens ist dieser
Aufbau des Brennstoffzellensystems 1 mit dem Gaserzeugungssystem 4 jedoch
nicht zwingend erforderlich. Anstelle des Gaserzeugungssystems 4 könnte auch
ein Zwischenspeicher für
den der Brennstoffzelle 2 zugeführten Brennstoff, beispielsweise
Wasserstoff, oder im Falle einer Direkt-Methanol-Brennstoffzelle
auch ein Wasser-Methanol-Gemisch
angeordnet sein.
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Die Brennstoffzufuhr 5,
egal ob sie, wie hier dargestellt, zu dem Gaserzeugungssystem 4 oder
zu der Brennstoffzelle 2 bzw. einem Zwischenspeicher erfolgt,
muss hinsichtlich der zugeführten
Menge an Brennstoff so beeinflusst werden, dass die Brennstoffzelle 2 ausreichend
Brennstoff bzw. in dem Gaser zeugungssystem 4 daraus erzeugten
Wasserstoff zugeführt
bekommen kann.
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Entsprechend den Eingangs gemachten Ausführungen
wird die von der Brennstoffzelle
2 zu dem Verbraucher
3 gelangende
elektrische Leistung durch Ein- und Ausschalten einer elektrischen
Verbindung
6 zwischen der Brennstoffzelle
2 und
dem Verbraucher
3 mittels eines Schalters
7 getaktet.
Der Schalter
7 ist dabei in seinem Grundprinzip, ebenso wie
die mit ihm verbundene Leistungsregelung, aus der eingangs bereits
genannten Schrift
DE
100 56 429 A1 bekannt . Der Schalter
7 wird dabei
insbesondere als elektronischer Schalter, z.B. als MOSFET oder dergleichen,
ausgebildet sein. Die Regelung der Leistung, welche zwischen der
Brennstoffzelle
2 und dem elektrischen Verbraucher
3 fließt, wird
entsprechend dem in der oben genannten Schrift erläuterten Verfahren
in Abhängigkeit
des zum Zeitpunkt der Leistungsanforderung jeweils aktuell unmittelbar
an der Brennstoffzelle
2 bzw. ihrem Anodenbereich vorliegenden
bzw. verfügbaren
Brennstoffs durchgeführt.
Dabei kann sowohl von der Brennstoffzelle
2 allein, als
auch von der Brennstoffzelle
2 in Kombination mit einer
Energiespeichereinrichtung, wie z.B. einer Batterie, einem Supercap
oder Kombinationen hiervon, ausgegangen werden.
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Des weiteren ist in dem Brennstoffzellensystem
der 1 ein Verfahren
zur Beeinflussung der Brennstoffzufuhr 5 implementiert,
wie es nachfolgend noch ausführlich
erläutert
werden wird. Dieses Verfahren ist in 1 durch
eine das Pausen- zu
Einschaltverhältnis
(P/E) des Schalters 7 symbolisierende Box 8a sowie
eine von diesem Pausen- zu Einschaltverhältnis P/E ausgehende gestrichelt
dargestellt Rückkopplung 8b auf
die Brennstoffzufuhr 5 symbolisch angedeutet.
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In 2 ist
nun in einem Strom(I)-Spannungs(U)-Diagramm eine Kennlinie 9 der
Brennstoffzelle 2 zusammen mit einer Kennlinie 10 des
elektrischen Verbrauchers 3 dargestellt. Die Kennlinie 9 der Brennstoffzelle 2 unterteilt
sich in zwei verschiedene Bereiche, wobei in dem ersten mit 11 bezeichneten Abschnitt
die Kennlinie der Brennstoffzelle 2 bei stationär begrenzter
Versorgung mit Brennstoff dargestellt ist. Der gestrichelte Bereich
der Kennlinie 9 im Abschnitt 12 würde die
prinzipiell auftretende Kennlinie 9 bei höherer Versorgung
mit Brennstoff darstellen. In diesem Bereich der Kennlinie 9 ergibt
sich außerdem
der Betriebspunkt 13 als Schnittpunkt zwischen den Kennlinien 9 und 10.
Der gestrichelte Bereich der Kennlinie 9 im Abschnitt 12 zwischen
dem Betriebspunkt 13 und dem Abschnitt 11 der
Kennlinie 9 der Brennstoffzelle 2 symbolisiert
den Betriebszustand, in welchem die Brennstoffzelle durch ein Öffnen des
Schalters 7 von dem Verbraucher 3 getrennt ist,
also den Zustand, welcher als Pause (P) bei dem getakteten Schalten
der Verbindung 6 zwischen Brennstoffzelle 2 und
Verbraucher 3 bezeichnet wird. Der oben bereits beschriebene
Abschnitt 11 beschreibt dagegen den geschlossenen Zustand
des Schalters 7, also den Einschaltzustand (E) der Brennstoffzelle 2,
aus Sicht des elektrischen Verbrauchers 3.
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Der Schnittpunkt der Kennlinie 9 mit
der Spannungsachse U liefert den Punkt 14, welcher den ausgeschalteten
Zustand der Brennstoffzelle 2 symbolisiert. Im Betrieb
der Brennstoffzelle 2 wird diese jeweils zwischen diesem
Punkt 14, in welchem die Brennstoffzelle 2 ausgeschaltet
ist, und dem Betriebspunkt 13, der sich nach dem Einschalten
der Brennstoffzelle 2 einstellen wird bzw. würde, hin-
und hergeschaltet. Im zeitlichen Mittel wird dabei ein Strom bereitgestellt
und kann von dem Verbraucher 3 verbraucht werden, welcher
in etwa dem mit dem Bezugszeichen 15 bezeichneten Bereich
auf der Stromachse I in dem Strom-Spannungs-Diagramm entspricht.
Der Abschnitt 12, welcher zwischen diesem Bereich 15 und
dem Betriebspunkt 13 liegt, gibt praktisch den fehlenden
Strom und damit letztendlich auch die Menge an fehlendem Brennstoff
in dem Brennstoffzellensystem 1 an. Dieser fehlende Strom im
Verhältnis
zum im Mittel erzeugten elektrischen Strom spiegeln sich dabei auch
in dem Pausen- bzw. zu Einschaltverhält nis (P/E) des Schalters 7 bzw.
der Brennstoffzelle 2 wieder. Er kann damit in idealer Weise
verwendet werden, um die Brennstoffzufuhr 5 zu regeln.
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Diese Regelung der Brennstoffzufuhr 5,
welche im Bereich der 1 bereits
symbolisch dargestellt wurde, wird nachfolgend anhand der beispielhaften
Darstellungen der 3 näher erläutert. In 3 sind verschiedene für das Verfahren
relevante Größen über der
Zeit t aufgetragen.
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In einem ersten Diagramm ist dabei
eine zeitlicher Verlauf 16 eines von dem Verbraucher 3 vorgegebnen
Leistungsbedarfs bzw. einer Leistungsanforderung Pel zu
erkennen. Das darunter angeordnete Diagramm zeigt bei analog verlaufenden
Zeitachse t einen zeitlichen Verlauf 17 des Pausen- zu
Einschaltverhältnisses
(P/E) der Verbindung 6 zwischen der Brennstoffzelle 2 und
dem Verbraucher 3, während
in dem dritten dargestellten Diagramm ein analoger zeitlicher Verlauf 18 der
Menge Q an im Bereich der Brennstoffzufuhr 5 dosiertem
Brennstoff dargestellt ist.
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Zum Zeitpunkt t
1 kommt
es zu einer Erhöhung
der aktuellen Leistungsanforderung P
el.
Prinzipbedingt wird damit schlagartig im Bereich der Brennstoffzelle
2 zusätzlicher
Brennstoff, z.B. Wasserstoff, benötigt. Da zu diesem Zeitpunkt
jedoch weiterhin die selbe Wasserstoffmenge wie zuvor produziert
wird, kann auf den erhöhten
Leistungsbedarf aufgrund des mangelnden Wasserstoffs nur reagiert
werden, indem die Brennstoffzelle häufiger ein- und ausgeschaltet
wird, sich das Pausen- zu Einschaltverhältnis (P/E) der Brennstoffzelle
2 also
erhöht.
Die damit verbundenen Vorgänge
sind in der oben bereits genannten
DE 100 56 429 A1 eingehend beschrieben.
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Diese sich in einem gattungsgemäßen Brennstoffzellensystem 1 also
zwangsläufig,
aufgrund des fehlenden Brennstoffs bzw. Wasserstoffs im Bereich
der Brennstoffzelle 2 zum Zeitpunkt t1 der gestiegenen
Leistungsanforderung Pel, ergebende Ände rung
des Pausen- zu Einschaltverhältnisses (P/E)
dient nun als Grundlage für
das hier beschriebene Verfahren zur Regelung der Brennstoffzufuhr 5.
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Dabei wird die Menge Q an Brennstoff
im Bereich der Brennstoffzufuhr 5 in Abhängigkeit
des Pausen- zu Einschaltverhältnisses
(P/E) der getakteten Verbindung 6 der Brennstoffzelle 2 mit
dem Verbraucher 3 so geregelt, dass sich ausgehend von
einem jeweils aktuell vorliegenden Istwert (P/E)ist des
Pausen- zu Einschaltverhältnisses
(P/E) – entsprechend der
jeweiligen Zeitpunkte durch den Verlauf 17 dargestellt – wieder
ein vorgegebener Sollwert ((P/E)soll) des
Pausen- zu Einschaltverhältnisses
(P/E) einstellt.
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Das Brennstoffzellensystem 1 wird
dabei nach Möglichkeit
immer mit einem vorgegebenen Pausen- zu Einschaltverhältnis P/E,
welches gleichzeitig den Sollwert (P/E)soll des
Pausen- zu Einschaltverhältnisses
P/E entspricht betrieben, als beispielhafter Wert kann hier z.B.
P/E = 5%/95% genannt werden. Ändert
sich nun, wie in 3 zum
Zeitpunkt t1, die Leistungsanforderung Pel an die Brennstoffzelle 2, so
kommt es zu einem Brennstoffdefizit, welches, wie oben beschreiben
bei einem gattungsgemäßen Brennstoffzellensystem 1 zwangläufig zu
einer Steigerung des Pausen- zu Einschaltverhältnisses P/E, z.B. auf 10%/90%,
führt.
Das Pausen- zu Einschaltverhältnis
P/E weist nun die im Verlauf 17 dargestellten Istwerte
(P/E)ist auf, welche zum Zeitpunkt t1 und zu den unmittelbar folgenden Zeiträumen von
dem vorgegebenen Sollwert (P/E)soll abweichen.
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Auf die von dem Sollwert (P/E)soll abweichenden aktuellen Istwerte (P/E)ist des Pausen- zu Einschaltverhältnisses
P/E wird nun entsprechend des hier beschriebenen Verfahrens mit
einer Veränderung,
im hier dargestellten Falle zum Zeitpunkt t1 und unmittelbar
Folgende, mit einer Erhöhung,
der Menge Q an dosiertem Brennstoff im Bereich der Brennstoffzufuhr 5 reagiert,
wie es im Verlauf 18 der Menge Q über der Zeit t er kennbar ist.
Mit steigender bereitgestellter Menge Q an Brennstoff im Bereich
der Brennstoffzufuhr 5 wird sich, mit kurzer zeitlicher
Verzögerung,
auch die Menge an Brennstoff bzw. Wasserstoff im Bereich der Brennstoffzelle 2 erhöhen. Entsprechend
der bereits oben erläuterten
Zusammenhänge
bewirkt dies ein Sinken des Pausen- zu Einschaltverhältnisses
P/E, so dass sich der Istwert (P/E)ist des
Pausen- zu Einschaltverhältnisses
dem Sollwert (P/E)soll annähert. Dabei
wird die Veränderung,
hier also die Erhöhung,
der Menge Q an Brennstoff im Bereich der Brennstoffzufuhr 5 in
der Art geregelt, dass sich der Istwert (P/E)ist des
Pausen- zu Einschaltverhältnisses
P/E, insbesondere möglichst schnell
und ohne überzuschwingen,
wieder auf den Sollwert (P/E)soll einstellt.
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Bei einer Verminderung der Leistungsanforderung
Pel erfolgt die Regelung analog, jedoch
in reziproker Richtung, also Verbunden mit einer Erniedrigung des
Pausen- zu Einschaltverhältnisses
P/E, z.B. auf 4%/96%, und einer Erniedringung der Brennstoffmenge
Q, bis das vorgegebene Pausen- zu Einschaltverhältnis, also der Sollwert (P/E)soll, wieder erreicht ist. Ein entsprechender
Ablauf ist in 3 ab dem
Zeitpunkt t2 exemplarisch dargestellt. Übliche Werte
für die
Istwerte (P/E)ist hängen dabei von dem eingesetzten
Brennstoffzellensystem 1 selbst, insbesondere vom eventuellen
Vorhandensein eines Energiespeichers elektrisch parallel zur Brennstoffzelle 2, ab. Üblicherweise
werden die Istwerte (P/E)ist jedoch Werte
des Pausen- zu Einschaltverhältnisses
von ca. 30%/70% selten Überschreiten.
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Zur Regelung der Menge Q an Brennstoff
im Bereich der Brennstoffzufuhr 5 auf den Sollwert (P/E)soll der Pausen- zu Einschaltverhältnisses
P/E kann in besonders günstiger
Weise eine übliche
und gebräuchliche
PID-Regelung, realisiert werden. Bei der Entstehung der Erfindung
hat sich dem Erfinder in zahlreichen Versuchen jedoch gezeigt, dass
mit der PID-Regelung
ein vergleichsweise großes
Aufschwingen des Systems auftreten kann, und dass die PID-Regelung
vergleichsweise viel Speicher- und Rechenkapazität benötigt.
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Gemäß einer Weiterbildung kann
die Veränderung
der Menge Q an zugeführtem
Brennstoff daher auch so erfolgen, dass sich eine neue Brennstoffmenge
Qneu aus dem Produkt der bisherigen Brennstoffmenge
Qalt, einem Korrekturfaktor sowie ggf. einem
Dämpfungsfaktor
FD ermittelt. Der Dämpfungsfaktor FD wird
dabei zwischen 0,1 und 1 in an sich bekannter Weise vorgegeben,
wobei der Dämpfungsfaktor
FD bei einem kleinen Istwert (P/E)ist, z.B. kleiner als 10%/90%, des Pausen-
zu Einschaltverhältnisses P/E
deutlich kleiner vorgegeben wird als bei einem größeren Istwert
(P/E)ist des Pausen- zu Einschaltverhältnisses
P/E. Der Dämpfungsfaktor
FD ändert sich
also analog zu der Größe des Pausen-
zu Einschaltverhältnisses
P/E, die Dämpfung
selbst umgekehrt dazu, so dass immer ausreichend, bei großen benötigten Änderungen
jedoch nicht übermäßig, gedämpft wird.
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Der Korrekturfaktor ermittelt sich
aus der Summe des Werts eins und der Differenz des Sollwerts (P/E)soll und des Istwerts (P/E)ist des
Pausen- zu Einschaltverhältnisses
P/E. Die neue Menge an Brennstoff ergibt sich in idealer Weise also
nach Anweisung Qneu = Qalt·FD·(1
+ ((P/E)soll – (P/E)ist).
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Mit einer derartigen, sehr einfachen
Berechnung der neuen Brennstoffmenge Qneu lässt sich
eine sehr effiziente und wie sich in Versuchen gezeigt hat praktisch
ohne Aufschwingen arbeitende Regelung realisieren.
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Zusätzlich sollte darauf geachtet
werden, dass die Regelung der Menge Q an zugeführtem Brennstoff so ausgebildet
wird, dass das Pausen- zu Einschaltverhältnis P/E jeweils möglichst
klein wird. Insbesondere sollte dieses Pausen- zu Einschaltverhältnis P/E
so liegen, dass es in der Größe der Regelgenauigkeit
des Gaserzeugungssystems liegt, so dass der Storm, welcher in dem
Diagramm gemäß 2 mit 15 bezeichneten
Be reich zuzuordnen ist trotz sämtlicher
Regelabweichungen, die auftreten können, zumindest im zeitlichen
Mittel jeweils kleiner oder gleich dem im Betriebspunkt 13 vorliegenden Strom
ist. Damit kann verhindert werden, dass überschüssiger Wasserstoff produziert
wird, welchen die Brennstoffzelle 2 nicht umsetzen kann.
Ein derartiger überschüssiger Wasserstoff
müsste,
vergleichbar einem bei einem (Über-)Schwingen
der Regelung anfallenden Wasserstoffüberschuss über ein Abblasen und ggf. eine
Verbrennung oder dergleichen aus dem Brennstoffzellensystem 1 entfernt
werden. Ein derartiger, im allgemeinen als Purging bezeichneter
Vorgang wäre
aber immer mit einem Verlust an Brennstoff und damit auch mit einem
Verlust an Energie und demzufolge mit Wirkungsgradeinbußen verbunden.
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Eine zuverlässig den oben angeführten Gesichtspunkten
gehorchende Regelung stellt also sicher, dass, obwohl sämtliche
Teile des Systems mit Regelungenauigkeiten behaftet sein können, immer garantiert
ist, dass die erzeugte Menge an Brennstoff kleiner oder maximal
gleich der Menge an Brennstoff ist, welche in der Brennstoffzelle 2 auch
umgesetzt werden kann.