DE4440357A1 - Gasverknappungs-Schutzschaltung für eine Brennstoffzellen-Energieerzeugungsanlage - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Gasverknappungs-Schutzschaltung für eine Brennstoffzellen- Energieerzeugungsanlage. Speziell geht es um eine Gasverknappungs-Schutzschaltung für eine solche Brennstoffzellen-Energieerzeugungsanlage, die auf einen konstanten Span­ nungspegel geregelt wird, wobei die Schaltung verhindert, daß es zu einer Verknappung von Brenngas in einer Brennstoffzelle deshalb kommt, weil das Brenngas-Zuführsystem nur mit Verzögerung auf eine abrupte Erhöhung der Systemlast unter Verwendung einer Überstromschutzschaltung anspricht.

Fig. 1 ist ein schematisches Blockdiagramm, welches in vereinfachter Weise eine her­ kömmliche Brennstoffzellen-Energieerzeugungsanlage mit Überstromschutzschaltung dar­ stellt. Ein Brennstoffzellenstapel 1 empfängt von einem (nicht dargestellten) Regenerator wasserstoffreiches Brenngas und von einer (nicht dargestellten) Luftzufuhr Luft als oxidierendes Gas, um durch die elektrochemische Reaktion zwischen Wasserstoff und Sau­ erstoff generierte chemische Energie umzusetzen in elektrische Energie. Der Ausgangs- Gleichstrom I_FC des Brennstoffzellenstapels 1 fließt in einen Leistungsumformer 2, zum Beispiel einen Wechselrichter, welcher den Gleichstrom in einen Wechselstrom umsetzt. Der Wechselstrom wird einer Last 9 zugeführt. Der Umformer 2 wird von einer Konstant­ spannungsregelschaltung 3 geregelt. Die Konstantspannungsregelschaltung 3 enthält eine Spannungsstelleinheit 3A, die eine Sollspannung vorgibt, einen Spannungsdetektor 3B, der die Ausgangsspannung Vo des Wechselrichters 2 erfaßt, und einen Konstantspannungsreg­ ler 3C, der eine Proportional-Integral-Regelung vornimmt. Der Konstantspannungsregler 3C gibt ein Steuersignal 3S zum Verringern einer Abweichung der erfaßten Ist-Spannung, wie sie von dem Spannungsdetektor 3B festgestellt wird, von der Soll-Spannung, damit die Ausgangsspannung Vo des Wechselrichters 2 auf einem konstanten Pegel bleibt. Eine Überstromschutzschaltung 4 enthält eine Überstromstelleinheit 4A, einen Stromdetektor 4B, der den Ausgangsstrom I_FC des Brennstoffzellenstapels 1 erfaßt, einen Proportional- Integral-Regler 5A und eine Spannungs-Sperrdiode 5B, die an den Konstantspannungsreg­ ler 3C und den Proportional-Integral-Regler 5A derart geschaltet ist, daß die Richtung von der Eingangsseite des Konstantspannungsreglers 3C zur Ausgangsseite des Proportional- Integral-Reglers 5A als Durchlaßrichtung gegeben ist.

Fig. 2 ist eine graphische Darstellung eines Überstromschutzbereichs für eine konventio­ nelle Überstromschutzschaltung. Auf der horizontalen Achse ist der Ausgangsstrom I_FC des Brennstoffzellenstapels 1 aufgetragen, während auf der vertikalen Achse eine eingestellte Stromstärke für die Überstromeinstelleinheit 4A aufgetragen ist. Bei der herkömmlichen Überstromschutzschaltung 4 wird eine Stromstärke I₁₀₀ mit Hilfe der Überstromstelleinheit 4A eingestellt. Dieser Wert I₁₀₀ entspricht 100% des Nenn-Ausgangsstroms des Brennstoff­ zellenstapels 1. Ein den Wert I₁₀₀ übersteigender Bereich, das heißt eine schraffierte Zone in Fig. 2, wird als Schutzzone definiert. Wenn der Ausgangsstrom I_FC des Brennstoffzel­ lenstapels 1 den Wert I₁₀₀ übersteigt, arbeitet die Überstromschutzschaltung so, daß sie den Überstrom auf den Nennstrom des Brennstoffzellenstapels 1 drückt.

Wenn sich die Brennstoffzellen-Energieerzeugungsanlage im stationären Betriebszustand befindet, in welchem ein vorgeschriebener mittlerer Brennstoffverbrauch (üblicherweise 75%) und Sauerstoffverbrauch (üblicherweise 75%) beibehalten werden, arbeitet die Über­ stromschutzschaltung 4 folgendermaßen: Der ermittelte Ist-Wert des Ausgangsstroms I_FC, wie er von dem Stromdetektor 4B festgestellt wird, liegt unterhalb des in der Überstrom­ stelleinheit 4A eingestellten Werts I₁₀₀. Der Ausgang des Proportional-Integral-Reglers 5A ist positiv gesättigt, so daß der Stromfluß durch die Sperrdiode 5B gesperrt wird. Die Spannungsstelleinheit 3A hält den Soll-Spannungspegel. Der Wechselrichter 2 wird von dem Konstantspannungsregler 3C auf konstante Spannung geregelt. Wenn andererseits auf­ grund einer Störung ein die Schutzzone erreichender Überstrom in dem Brennstoffzellen­ stapel 1 auftritt, beispielsweise wegen eines Kurzschlusses auf der Seite der Last, die an die Ausgangsseite des Wechselrichters 2 angeschlossen ist, oder aufgrund eines Kurz­ schlusses in einem Zweig des Wechselrichters 2, so wird der ermittelte Stromwert, der von dem Stromdetektor 4B festgestellt wird, den Einstellwert I₁₀₀, der von der Überstrom­ stelleinheit 4A vorgegeben wird, derart überschritten, daß das Ausgangssignal des Propor­ tional-Integral-Reglers 5A umgekehrt und negativ gesättigt wird. Dies macht die Sperr­ diode 5B leitend, wodurch die Soll-Spannung von der Spannungsstelleinheit 3A verringert wird, mit der Folge, daß der Konstantspannungsregler 3C ein Signal 3S dahingehend abgibt, daß der Ausgangsstrom I_FC von dem Wechselrichter 2 begrenzt wird, um dadurch die Schutzwirkung zum Senken des Überstroms des Brennstoffzellenstapels 1 zu erreichen.

Im stationären Betrieb, wenn die Brennstoffzellen-Energieerzeugungsanlage mit einer Stromstärke arbeitet, die nicht höher als der Nennstrom ist, kommt es möglicherweise vor, daß die Last 9 eine rasche Zunahme der Energieversorgung erforderlich macht, so daß der Wechselrichter 2, der auf eine konstante Spannung geregelt wird, von dem Brennstoffzel­ lenstapel 1 eine rasche Zunahme des Ausgangsstroms I_FC mit einer Ansprechgeschwindig­ keit von 2 Millisekunden anfordert. Allerdings kann der Brennstoffzellenstapel 1 einer der­ art plötzlichen Zunahme der Ausgangsleistung nicht folgen, sondern spricht statt dessen mit einer Verzögerung an, weil eine Zunahme der Energieerzeugung durch den Brennstoffzel­ lenstapel 1, das heißt eine Zunahme der Zufuhr an Brennstoffgas, die beherrscht wird durch die Ansprechgeschwindigkeit des (nicht gezeigten) Brenngas-Zuführsystems, nur mit einer gewissen Verzögerung möglich ist, so daß es zu einer vorübergehenden Gasverknap­ pung an den Brennstoffelektroden innerhalb des Brennstoffzellenstapels 1 kommt. Außer­ dem zeigt eine Brennstoffzelle ein sogenanntes Ermüdungs- oder Nachgebeverhalten. Dem­ gemäß sinkt die Ausgangsspannung einer Brennstoffzelle ab, wenn ihr Ausgangsstrom zu­ nimmt. Folglich arbeitet der auf eine konstante Spannung eingeregelte Wechselrichter 2 so, daß er den Ausgangsstrom I_FC des Brennstoffzellenstapels 1 weiter erhöht, um die Aus­ gangsspannung Vo des Wechselrichters auf einer konstanten Spannung zu halten. Dies hat zur Folge, daß die Ausgangsspannung, wie sie von der Brennstoffzelle erzeugt wird, wei­ ter abnimmt, was zu einem weiteren Aufschaukeln und schließlich zu einer Gasverknap­ pung der Brennstoffzelle führt. Die Gasverknappung hat abträglichen Einfluß auf die Brennstoffzelle insofern, als die Bauteile der Brennstoffzelle abträglich beeinflußt werden, indem die Energieerzeugungs-Leistungsfähigkeit abnimmt und die Lebensdauer der Brenn­ stoffzellen-Energieerzeugungsanlage geringer wird.

Die Brennstoffzellen-Energieerzeugungsanlage mit der herkömmlichen Überstromschutz­ schaltung 4, bei der die Überstromschutzzone eine Zone oberhalb des Nennstroms der Brennstoffzelle ist, dient in erster Linie dazu, die Brennstoffzelle gegen einen überhöhten Strom zu schützen, der in den Brennstoffzellenstapel 1 aufgrund einer Kurzschlußstörung auf der Seite der Last oder durch einen Zweig-Kurzschluß im Wechselrichter hervor­ gerufen wird. Die Schutzfunktion deckt nicht den Schutz gegenüber einem Überstrom ab, der verursacht wird durch eine plötzliche Erhöhung der Last während des stationären Betriebs der Anlage. Folglich läßt sich weder der Zustand der Brenngasverknappung in dem Brennstoffzellenstapel aufgrund eines derartigen Überstroms noch eine Beschädigung der Brennstoffzelle durch einen solchen Überstrom vermeiden. Speziell im Bereich geringer Last, in welchem der Ausgangsstrom niedrig ist, ist die Zufuhr von Brenngas gering und weicht stark von dem Schutzpegel ab, so daß eine plötzliche Erhöhung der Last in einem Bereich geringer Last zur Folge hat, daß es zu einer Gasverknappung und damit zu einem nicht wiedergutzumachenden Schaden an der Brennstoffzelle kommt.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Gasverknappungs-Schutzschaltung für eine Brennstoff­ zellen-Energieerzeugungsanlage anzugeben, die das Auftreten eines Überstroms in einer Brennstoffzelle und eine Gasverknappung aufgrund des Überstroms vermeiden kann, um Beschädigungen der Brennstoffzelle auszuschließen.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die im Anspruch 1 angegebene Erfindung. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Durch die vorliegende Erfindung wird eine Brennstoffzellen-Energieerzeugungsanlage ge­ schaffen, die mit einer speziellen Gasverknappungs-Schutzschaltung ausgerüstet ist. Die Erfindung schafft darüber hinaus ein Verfahren zum Unterbinden einer Gasverknappung in einer Brennstoffzellen-Energieerzeugungsanlage.

Die Überstrombegrenzungseinheit kann außerdem einen Proportional-Integral-Regler auf­ weisen, welcher eine Fehlerverstärkung einer Abweichung des Ausgangsstroms von dem voreingestellten Überstromwert aus der Gasverknappungs-Schutzeinheit vornimmt, wobei eine Spannungs-Sperrdiode derart angeordnet ist, daß ihre Durchlaßrichtung die Richtung von der Konstantspannungsregelschaltung zu einer Ausgangsseite des Proportional-Integral- Reglers ist.

Erfindungsgemäß ist die Gasverknappungs-Schutzeinheit derart ausgestaltet, daß sie einen Überstromwert-Berechnungsabschnitt und ein Ansprechgeschwindigkeitssteuerteil aufweist. Hierdurch kann der Überstromwert-Berechnungsabschnitt einen zulässigen Überstromwert berechnen, der einem höheren Brennstoffnutzkoeffizienten (z. B. 85%) entspricht, der um einen gewissen proportionalen Anteil höher ist als ein Ausgangsstrom der Brennstoffzelle, die mit einem Standard-Brennstoffnutzkoeffizienten (von üblicherweise 75%) arbeitet, und die ein Signal entsprechend einem solchen Wert ausgibt, während der Ansprechgeschwin­ digkeitssteuerteil, der ein Filter mit einer Ansprech-Zeitkonstanten ähnlich der der Brenn­ stoffzelle besitzt, eine vorübergehende Abweichung von dem zulässigen Überstromwert, wie er von dem Überstromwert-Berechnungsabschnitt berechnet wurde, beseitigt und ein einen solchen Wert kennzeichnendes Signal in Richtung auf die stromabwärts gelegene Überstrombegrenzungseinheit ausgibt. Als Ergebnis gibt der von der Gasverknappungs- Schutzeinheit erhaltene Überstromwert einen zulässigen Wert (Überschuß) des Überstroms in einem gewissen Verhältnis zu dem Überstrom und einen zulässigen Wert (Überschuß) des Überstrom-Brenngasnutzkoeffizienten in einem gewissen Verhältnis zu letzterem in einem Bereich von 0 bis 100% des Nennstroms der Brennstoffzelle an. Die Überstrombe­ grenzungseinheit, welche die Gasverknappungs-Schutzeinheit als Einrichtung zum Ein­ stellen eines Überstroms benutzt, gibt also ein Signal zum Verringern der in der Konstant­ spannungs-Regelschaltung voreingestellten Spannung aus, wenn der Ausgangsstrom der Brennstoffzelle den voreingestellten Überstromwert übersteigt, und bei Erhalt eines solchen Signals regelt die Konstantspannungs-Regelschaltung den Wechselrichter derart, daß der Ausgangsstrom der Brennstoffzelle verringert wird. Als Ergebnis einer Folge derartiger Aktionen erfolgen eine Schutzwirkung gegen den Überstrom der Brennstoffzelle einerseits und eine Gasverknappungs-Schutzwirkung andererseits. Dies ermöglicht es der Brennstoff­ zelle einer plötzlichen Lastzunahme zu folgen, indem ein Brennstoffnutzkoeffizient auf beispielsweise 85% gehalten wird. Die Gasknappheit, die sonst möglicherweise leicht bei einer plötzlichen Lastzunahme entsteht, läßt sich also vermeiden. Auch eine Beeinträchti­ gung der die Brennstoffzellen bildenden Materialien, die ansonsten mit einer Gasver­ knappung einhergingen, läßt sich ebenso vermeiden wie eine Verringerung der Leistungs­ fähigkeit bei der Energieerzeugung und eine Verringerung der Lebensdauer der Brennstoff­ zelle aufgrund der erwähnten Schäden.

Wenn die Überstrombegrenzungseinheit außerdem einen Proportional-Integral-Regler auf­ weist, welcher eine Fehlerverstärkung einer Abweichung des Ausgangsstroms der Brenn­ stoffzelle in bezug auf den voreingestellten Überstromwert vornimmt, und eine Sperrdiode aufweist, die so geschaltet ist, daß ihre Durchlaßrichtung die Richtung von der Konstant­ spannungs-Regelschaltung zu der Ausgangsseite des Proportional-Integral-Reglers ist, dient die Gasverknappungs-Schutzeinheit als Überstromeinstelleinheit innerhalb der Überstrom­ begrenzungseinheit, so daß die Funktion der Überstromsteuereinheit, welche die gleiche Ausgestaltung besitzt wie die herkömmliche Überstromsteuereinheit 5, derart erweitert werden kann, daß auch eine Schutzfunktion gegenüber einem Überstrom und eine Gasver­ knappungs-Schutzfunktion in Abhängigkeit einer Lastzunahme erhalten werden.

Wenn der Berechnungsabschnitt für den zulässigen Überstromwert eine Überschuß-Stell­ einheit und einen Addierer aufweist, läßt sich in einer Überschußeinstelleinheit als Über­ schuß oder Zulässigkeitswert eine Stromstärke einstellen, die einem Brennstoffnutzkoeffi­ zienten entspricht, der um ein gewisses Maß höher ist als ein Standard-Brennstoffnutzkoef­ fizient. Der Addierer besorgt eine Addition des Überschuß-Werts auf einen erfaßten Ist- Wert des Ausgangsstroms der Brennstoffzelle, um zu einem zulässigen Überstromwert zu gelangen. Damit läßt sich der zulässige Überstromwert ohne Mühe durch den Berech­ nungsabschnitt für den zulässigen Überstromwert erhalten, welcher eine vereinfachte Aus­ gestaltung besitzt. Wenn darüber hinaus ein Obergrenzensteuerabschnitt vorgesehen wird, so erreicht ein Ausgangsstromwert der Brennstoffzelle, welcher definiert ist durch eine Differenz zwischen dem Nenn-Stromwert der Brennstoffzelle und dem Überschußwert, einen Stromwert, der äquivalent dem Nennstrom ist. Damit erreicht man innerhalb einer Zone, in der der Ausgangsstrom der Brennstoffzelle ein starker Strom ist, definiert durch eine Differenz zwischen dem Nenn-Stromwert der Brennstoffzelle und dem Überschuß­ wert, eine Schutzfunktion gegen einen Kurzschlußstrom oder dergleichen innerhalb der den Nennstrom übersteigenden Zone.

Wenn die Gasverknappungs-Schutzeinheit mit einem Untergrenzen-Steuerabschnitt ver­ sehen ist, der eine Untergrenzen-Einstelleinheit aufweist, die einen zulässigen Stromwert entsprechend 50% des Nennstroms der Brennstoffzelle entspricht, und eine Sperrdiode der­ art geschaltet ist, daß ihre Durchlaßrichtung die Richtung von der Untergrenzen-Einstell­ einheit in Richtung auf den Ausgang des Berechnungsabschnitts für den zulässigen Über­ stromwert ist, so kann der Überschuß des zulässigen Überstromwerts derart erhöht wer­ den, daß die Abnahme im Ausgangsstrom der Brennstoffzelle in einem Bereich geringer Last entsprechend einem Strom versetzt wird, der 50% des Nennstroms nicht übersteigt. Wenn in dieser Zone die Menge zugeführten Brenngases auf einen Wert entsprechend 50% des Nennstroms gehalten wird und einen Überschuß sichert, läßt sich das Auftreten einer Gasverknappung verhindern, die sonst bei einer plötzlichen Lastzunahme in einem Bereich geringer Last auftritt, und die Funktion der Brennstoffzelle ist so, daß diese der Lastzunah­ me besser zu folgen vermag. Auch bei einem starken Überstrom, der den zulässigen Über­ strom übersteigt, wird der Ausgangsstrom der Brennstoffzelle durch die Schutzwirkung ge­ gen Überstrom verringert, und dadurch wird eine Gasverknappung vermieden.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockdiagramm einer herkömmlichen Brennstoffzellen-Energieerzeugungs­ anlage und einer Überstromschutzschaltung;

Fig. 2 eine graphische Darstellung einer Überstromschutzzone bei einer herkömmli­ chen Überstromschutzschaltung;

Fig. 3 ein schematisches Blockdiagramm einer Brennstoffzellen-Energieerzeugungsan­ lage und einer Gasverknappungs-Schutzschaltung gemäß einer Ausführungs­ form der Erfindung;

Fig. 4 ein schematisches Blockdiagramm einer Gasverknappungs-Schutzschaltung nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 5 eine graphische Darstellung des Verlaufs des zulässigen Überstroms der Gas­ verknappungs-Schutzschaltung nach Fig. 4;

Fig. 6 ein Blockdiagramm einer Gasverknappungs-Schutzschaltung gemäß einer noch weiteren Ausführungsform der Erfindung; und

Fig. 7 eine graphische Darstellung der Überstrom-Kennlinie der in Fig. 6 gezeigten Gasverknappungs-Schutzschaltung.

Ausführungsbeispiel 1

Fig. 3 ist ein schematisches Blockdiagramm, welches eine Brennstoffzellen-Energieerzeu­ gungsanlage und eine Gasverknappungs-Schutzschaltung nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung darstellt. In Fig. 3 sind gleiche Teile wie in Fig. 1 mit entsprechenden Bezugszeichen versehen. Ein Brennstoffzellenstapel 1 empfängt wasserstoffreiches Brenn­ gas von einem (nicht gezeigten) Regenerator und als oxidierendes Gas Luft von einer (nicht dargestellten) Luftzufuhr, um durch die elektrochemische Reaktion zwischen Was­ serstoff und Sauerstoff generierte chemische Energie umzusetzen in elektrische Energie. Der Ausgangs-Gleichstrom I_FC des Brennstoffzellenstapel 1 fließt in einen Leistungsumfor­ mer 2, zum Beispiel einen Wechselrichter, welcher den Gleichstrom in einen Wechsel­ strom umsetzt. Der Wechselstrom wird einer Last 9 zugeführt. Der Umformer 2 wird von einer Konstantspannungsregelschaltung 3 geregelt. Die Konstantspannungsregelschaltung 3 enthält eine Spannungsstelleinheit 3A in Form eines veränderlichen Widerstands, der eine Soll- oder Bezugsspannung bereitstellt, einen Spannungsdetektor 3B in Form eines Leistungswandlers, der eine Ausgangsspannung Vo des Wechselrichters 2 erfaßt, und einen Konstantspannungsregler 3C. Der Konstantspannungsregler 3C gibt ein Steuersignal 3S zum Verringern einer Abweichung der von dem Spannungsdetektor 3B erfaßten Spannung von der Soll-Spannung aus, damit die Ausgangsspannung Vo des Wechselrichters 2 auf einem konstanten Pegel bleibt.

Nach Fig. 3 enthält eine Gasverknappungs-Schutzschaltung 10 eine Gasverknappungs- Schutzeinheit 11 und eine Überstrombegrenzungseinheit 15. Die Gasverknappungs-Schutz­ schaltung 10 empfängt ein Signal 4S entsprechend einem erfaßten Ausgangsstromwert I_FC von einem Detektor 4B in der Form beispielsweise eines Stromumformers, um ein Signal 11S entsprechend einem zulässigen Standard-Überstromwert auszugeben. Die Überstrom­ begrenzungseinheit 15 empfängt den Überstromstellwert 11S und den erfaßten Ausgangs­ stromwert I_fc, um ein Sperrsignal 15S an die Spannungsstelleinheit 3A der Konstantspan­ nungsregelschaltung 3 zu geben.

Die Gasverknappungs-Schutzeinheit 11 besitzt einen Berechnungsabschnitt zum Berechnen eines zulässigen Überstromwerts, 12, und einen Ansprechgeschwindigkeitssteuerteil 13. Der Berechnungsabschnitt 12 empfängt von dem Stromdetektor 4B einen Ist-Stromwert I_fc eines Ausgangsstroms I_FC des Brennstoffzellenstapels 1, der unter Beibehaltung eines Stan­ dard-Brennstoffnutzkoeffizienten von zum Beispiel 75% des Nenn-Brennstoffnutzkoeffi­ zienten I_FC betrieben wird, berechnet einen zulässigen Überstromwert entsprechend einem Brennstoffnutzkoeffizienten von 85%, der um ein fixes Maß von zum Beispiel 10% über dem Standard-Brennstoffnutzkoeffizienten liegt, und gibt ein Signal 12S aus, welches dem berechneten höheren Brennstoffnutzkoeffizienten (85%) entspricht, und der an den An­ sprechgeschwindigkeitssteuerteil 13 gegeben wird. Der Ansprechgeschwindigkeitssteuerteil 13 besitzt ein Filter mit einer Zeitkonstanten ähnlich derjenigen des Brennstoffzellenstapels 1 und erzeugt ein Signal, welches kennzeichnend ist für einen zulässigen Strom-Sollwert, 11S, bei dem es sich um eine Differenz zwischen dem zulässigen Überstromwert 12S und einer Übergangsänderung oder Übergangsschwankung handelt, die möglicherweise in dem zulässigen Überstromwert auftritt aufgrund einer Schwankung des Ausgangsstroms I_FC, und gibt das Signal 115 an die Überstrombegrenzungseinheit 15. Die Überstrombegrenzungs­ einheit 15 enthält einen Proportional-Integral-Regler 15A und eine Spannungs-Sperrdiode 15D. Der Proportional-Integral-Regler 15A empfängt den erfaßten Stromwert I_fc und den zulässigen Überstrom-Sollwert 11S, um eine Abweichung zwischen diesen beiden Werten zu verstärken. Die Spannungs-Sperrdiode 15B ist an die Eingangsseite des Konstant­ spannungsreglers 3C und an den Ausgang des Proportional-Integral-Reglers 15A derart an­ geschlossen, daß ihre Durchlaßrichtung von der Eingangsseite des Reglers 3C in Richtung der Anfangsseite des Proportional-Integral-Reglers 15A verläuft. Wenn daher also der er­ faßte Stromwert 45 den zulässigen Überstrom-Sollwert 115 übersteigt, wird das Aus­ gangssignal des Proportional-Integral-Reglers 15A umgekehrt und gelangt in negative Sät­ tigung, so daß die Sperrdiode 15B leitend wird und dadurch die Soll-Spannung der Kon­ stantspannungsstelleinheit 3A senkt. Dies hat zur Folge, daß der Konstantspannungsregler 3C ein Steuersignal 3S ausgibt, welches das Ausgangssignal des Wechselrichters 2 be­ schränkt. Auf diese Weise wird eine Schutzwirkung zum Unterdrücken eines Überstroms innerhalb des Brennstoffzellenstapels 1 erreicht.

In einer Brennstoffzellen-Energieerzeugungsanlage mit der oben beschriebenen Gasver­ knappungs-Schutzschaltung 10 findet ein stationärer Betrieb statt, indem ein überschüssiger Brenngasanteil in einem Brenngasnutzkoeffizienten von 85%, der um 10% höher liegt als der Standard-Brennstoffnutzkoeffizient (z. B. 75%), für eine Lastzunahme innerhalb des Bereichs verbraucht wird, der unterhalb des voreingestellten Überstromwerts liegt, wäh­ rend bei einer Lastzunahme oberhalb des voreingestellten Überstromwerts eine Über­ stromschutz-Regelwirkung in Gang gesetzt wird, welche den Überstrom unter den Brenn­ stoffnutzkoeffizienten von 85% drückt und eine Steuerung ermöglicht, welche der Lastzu­ nahme folgt. Dies beseitigt einen Überstrom und eine Gasverknappung und verhindert die Beeinträchtigung der Kennwerte der Brennstoffzelle. Wenngleich der zulässige Brennstoff­ nutzkoeffizient auf 85% eingestellt wird, ist die Erfindung nicht auf diesen speziellen Wert beschränkt, sondern der Wert kann in dem Bereich ausgewählt werden, in welchem kein abträglicher Einfluß auf die Kennwerte der Brennstoffzelle zu befürchten ist.

Ausführungsbeispiel 2

Fig. 4 ist ein schematisches Blockdiagramm, welches in vereinfachter Weise eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Gasverknappungs-Schutzschaltung zeigt. Eine Gasverknappungs-Schutzeinheit 21 enthält einen Obergrenzeneinstellabschnitt 22 sowie einen Berechnungsabschnitt zum Berechnen eines zulässigen Überstroms 12. Die vorlie­ gende Ausführungsform unterscheidet sich von der Ausführungsform 1 darin, daß der Obergrenzeneinstellabschnitt 22 vorhanden ist, so daß die übrigen Teile nicht nochmal er­ läutert werden müssen. Der Berechnungsabschnitt für den zulässigen Überstromwert 12 besitzt eine Überschußeinstelleinheit 12A und einen Addierer 12B. Ein laufender Wert von ΔI_fc, der einem Überschuß von zum Beispiel 10% eines Standard-Brennstoftnutzkoeffizien­ ten von zum Beispiel 75% entspricht, wird von der Überschußeinstelleinheit 12A einge­ stellt, welche diese Daten dem Addierer 12B zuführt. Der Addierer 12B addiert den Stromwert ΔI_fc auf den erfaßten Stromwert I_fc des Ausgangsstroms I_FC und gibt ein Signal 12S entsprechend einem zulässigen Überstrom von I_fc + ΔI_fc aus, welches einem Brenn­ stoffnutzkoeffizienten von 85% entspricht. Ein Ansprechgeschwindigkeitssteuerteil 13 ent­ hält ein Filter mit einer Ansprech-Zeitkonstanten ähnlich derjenigen des Brennstoffzellen­ stapels 1 und beseitigt die Schwankung des zulässigen Überstroms 12S aufgrund einer im stationären Betrieb erfolgenden Schwankung des Ausgangsstroms I_fc, um ein Signal 13S auszugeben und an die Überstrombegrenzungseinheit 15 zu senden, welches einen Über­ stromeinstellwert angibt. Der Obergrenzensteuerabschnitt 22 enthält eine Obergrenzenein­ stelleinheit 22A in Form eines veränderlichen Widerstands und eine Spannungs-Sperrdiode 22B. Die Obergrenzeneinstelleinheit 22A wird auf einen Stromwert von I₁₀₀ eingestellt, der dem Nennstrom des Brennstoffzellenstapels 1 als der obere Grenzwert für den zulässigen Überstromwert 125 entspricht. Wenn ein Überstrom, welcher den Nenn-Ausgangsstrom übersteigt, in dem Brennstoffzellenstapel 1 auftritt, wird die Sperrdiode 22E leitend und unterdrückt den zulässigen Überstromwert 12S auf den voreingestellten oberen Grenzwert derart, daß der zulässige Überstromwert 12S sich nicht weiter erhöht und eine Schutz­ wirkung für einen Überstrom dahingehend eintritt, daß ein in die Schutzzone oberhalb des Nennstroms fallender Kurzschlußstrom unterdrückt werden kann.

Fig. 5 zeigt anhand einer graphischen Darstellung die Kennlinie des Überstroms der zwei­ ten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Gasverknappungs-Schutzschaltung. Der zu­ lässige Überstromwert 12S entsprechend einem Brennstoffnutzkoeffizienten von 85% ist ein Wert, der um einen Überschuß (ΔI_fc) höher ist als der erfaßte Stromwert (I_fc), das heißt I_fc + ΔI_fc, für einen Strombereich von 0 bis 90% des Brennstoffzellenstapels 1. Anderer­ seits arbeitet für einen Strombereich oberhalb von 90% des Nennstroms der Obergrenzen­ einstellabschnitt 22 so, daß der zulässige Überstromwert 12S auf den Wert I₁₀₀ gedrückt und damit der Überschuß ΔI_fc im wesentlichen Null (0) wird, wenn der Nennstrom in dem Brennstoffzellenstapel 1 fließt. Als Folge davon erstreckt sich die von der Gasverknap­ pungs-Schutzschaltung gemäß dieser Ausführungsform der Erfindung abgedeckte Über­ stromschutzzone zu einer Zone oberhalb des zulässigen Überstromwerts 12S, der durch eine ausgezogene Linie in Fig. 5 dargestellt ist. In diesem Fall erfolgt die Schutzwirkung gegenüber Strom und Gasverknappung unter Beibehaltung des Überschusses ΔI_FC über prak­ tisch der gesamten Zone des Ausgangsstroms I_FC des Brennstoffzellenstapels 1. Bei einer Schwankung des Ausgangsstroms I_FC innerhalb des Bereichs des Überschusses ΔI_FC wird ei­ ner Zunahme der Last dadurch entsprochen bzw. wird die Lastzunahme dadurch absol­ viert, daß eine vorübergehende Zunahme des Brennstoffverbrauchskoeffizienten innerhalb eines Bereichs von bis zu 85% erfolgt. Bei einer Zunahme der Last oberhalb des Über­ schusses von ΔI_fc hingegen gibt die Überstromschutzschaltung das Steuersignal 35 aus und sendet es über die Überstrombegrenzungseinheit 15 und den Konstantspannungsregler 3, und der Wechselrichter 2 verringert den Ausgangsstrom I_FC zu einem gewissen Ausmaß, um den Brennstoffnutzkoeffizienten auf 85% zu drücken. Damit wird das Auftreten einer Gasknappheit wirksam verhindert.

Ausführungsform 3

Fig. 6 ist ein schematisches Blockdiagramm, das in vereinfachter Weise eine dritte Aus­ führungsform der erfindungsgemäßen Gasverknappungs-Schutzschaltung zeigt. Diese Aus­ führungsform unterscheidet sich von der Ausführungsform 2 durch die Ausgestaltung der Gasverknappungs-Schutzschaltung, so daß nur die unterschiedlichen Merkmale im folgen­ den erläutert werden sollen. Die übrigen Ausgestaltungsmerkmale sind die gleichen wie bei den Ausführungsformen 1 und 2. Nach Fig. 6 enthält eine Gasverknappungs-Schutzeinheit 31 einen Untergrenzeneinstellabschnitt 32 ebenso wie einen Berechnungsabschnitt für einen zulässigen Überstromwert 12 und einen Obergrenzeneinstellabschnitt 22. Der Untergren­ zeneinstellabschnitt 32 enthält eine Untergrenzeneinstelleinheit 32A in Form eines ver­ änderlichen Widerstands und eine Spannungs-Sperrdiode 32B. Die Untergrenzeneinstell­ einheit 32A wird auf einen zulässigen Überstromwert I₅₀ eingestellt, der 50% des Nenn­ stroms des Brennstoffzellenstapels 1 entspricht. Die Sperrdiode 32B ist mit der Unter­ grenzeneinstelleinheit 32A und dem Berechnungsabschnitt 12 verbunden, so daß ihre Durchlaßrichtung die Richtung von der Untergrenzeneinstelleinheit 32A zum Ausgang des Berechnungsabschnitts 12 verläuft. Wenn bei dieser Ausgestaltung der zulässige Über­ stromwert 12S unter den Voreinstellwert I₅₀ absinkt, wie er durch die Untergrenzeneinstell­ einheit 32A vorgegeben wird, wird die Sperrdiode 32B leitend, so daß der zulässige Überstromwert 12S erhöht wird bis zu einem Pegel oberhalb des Stroms I₅₀.

Fig. 7 ist eine graphische Darstellung der Kennlinie des zulässigen Überstroms der dritten Ausführungsform der in Fig. 6 dargestellten erfindungsgemäßen Gasverknappungs-Schutz­ schaltung. Im Niedriglastbereich, in welchem der Ausgangsstrom I_FC des Brennstoffzellen­ stapels 1 auf einen Wert von unter 50% des Nennstroms abgesunken ist, wird der zulässige Überstromwert 12 durch die Wirkung des Untergrenzeneinstellabschnitts 32 auf einem konstanten Pegel I₅₀ gehalten, und man erhält eine Funktion dahingehend, daß der Über­ schuß ΔI_fc des zulässigen Überstromwerts derart erhöht wird, daß die Abnahme des Aus­ gangsstroms I_FC des Brennstoffzellenstapels 1 versetzt wird. Das Regeln des Brenngaszu­ führsystems derart, daß es Brenngas in einem Maß zu liefern vermag, welches einem kon­ stanten Pegel von 50% der Last entspricht, in einem Niedriglastbereich, in welchem die Last nicht 50% des Nennstroms übersteigt, bedeutet einen Betrieb der Brennstoffzellen- Energieerzeugungsanlage in einem stationären Betrieb mit einer Toleranz oder einem Über­ schuß in der Brennstoffzufuhr, welcher dem Überschuß ΔI_fc des zulässigen Überstromwerts entspricht. Beispielsweise kann das Brenngaszuführsystem derart gesteuert werden, daß ein Strom des Roh-Brenngases eingestellt wird, das heißt indem ein Roh-Brennstoffsteuerventil (nicht gezeigt) zwischen einer Roh-Brennstoffquelle (nicht gezeigt) und einem Regenerator (nicht gezeigt), der an die Brennstoffzelle angeschlossen ist, nach Maßgabe eines Signals geöffnet oder geschlossen wird, welches einen Aktuator betätigt, um das Roh-Brennstoff­ steuerventil seitens einer Steuerung zu betätigen, die zum Beispiel als Rechner ausgebildet ist. Wenn während des Betriebs in diesem Zustand der Wechselrichter eine plötzliche Zu­ nahme des Ausgangsstroms aus dem Brennstoffzellenstapel 1 anfordert, kann der Brenn­ stoffzellenstapel 1 auf eine solche Anforderung verzögerungsfrei und ohne Verursachung einer Gasverknappung ansprechen. Dies verhindert eine Gasverknappung und eine Abnah­ me der Leistungsfähigkeit der Brennstoffzelle, die sonst möglicherweise stattfinden würde in einem herkömmlichen Brennstoffzellen-Energieerzeugungssystem mit einer herkömmli­ chen Gasverknappungs-Schutzschaltung dann, wenn eine plötzliche Zunahme des Aus­ gangsstroms im Niedriglastbetrieb angefordert würde. Für einen Überstrom, der den zu­ lässigen Überstromwert I₅₀ übersteigt, entfaltet die erfindungsgemäße Gasverknappungs- Schutzschaltung eine Schutzwirkung gegen den Überstrom durch Verringerung des Aus­ gangsstroms der Brennstoffzelle, so daß das Auftreten einer Gasverknappung innerhalb des Brennstoffzellenstapels 1 vermieden wird.

Wie oben beschrieben, enthält die Gasverknappungs-Schutzschaltung in einer Brennstoff­ zellen-Energieerzeugungsanlage, deren Ausgang mit Hilfe einer Konstantspannungsregel­ schaltung auf eine konstante Spannung eingeregelt wird, eine Gasverknappungs-Steuerein­ heit, wobei ein Ausgangs-Überstromwert eingestellt wird, und eine Überstrombegren­ zungseinheit, die bei Erhalt eines den voreingestellten Überstromwert entsprechenden Si­ gnals arbeitet. Folglich ist es möglich, eine Schutzwirkung gegen einen Überstrom zu er­ reichen, auf der Grundlage des voreingestellten Überstromwerts, der von der Gasver­ knappungs-Schutzschaltung ausgegeben wird, ausgehend von einem Brennstoffnutzkoeffi­ zienten, der um einen gewissen fixen Betrag höher ist als ein Standardwert, und einem Ausgangsstrom der Brennstoffzelle. Folglich läßt sich ein Überstrom, der aufgrund einer plötzlichen Lastzunahme während des stationären Betriebs auftritt, auf einen Wert reduzie­ ren, der unterhalb des voreingestellten Überstromwerts liegt, und gleichzeitig läßt sich der Brennstoffnutzkoeffizient auf einen Pegel herabdrücken, der nicht höher ist als ein Wert, welcher seinerseits um einen fixen Betrag über einem Standardwert liegt, der dem vorein­ gestellten Überstromwert entspricht. Deshalb kann die erfindungsgemäße Gasverknap­ pungs-Schutzschaltung nicht nur die Gasverknappung und die Beeinträchtigung der Lei­ stungsfähigkeit der Brennstoffzelle aufgrund der Gasverknappung verhindern, die ansonsten bei der herkömmlichen Ausgestaltung aufträte, sondern es ist auch möglich, einen Beitrag zur Erhöhung der Lebensdauer der Brennstoffzelle zu leisten.

Die Schaffung eines Obergrenzeneinstellabschnitts zum Einstellen einer Obergrenze für den voreingestellten Überstrom für die Gasverknappungs-Schutzeinrichtung ermöglicht einen Schutz gegen einen Überstrom beispielsweise in Form eines Kurzschlußstroms in einem Bereich hoher Lasten. Die Schaffung einer Untergrenzeneinstelleinheit zum Einstellen einer Untergrenze für den voreingestellten Überstromwert eliminiert eine Gasverknappung, die möglicherweise bei einer plötzlichen Zunahme der Last im Niedriglastbereich auftritt, und verbessert außerdem das Folgeverhalten, mit dem die Brennstoffzelle auf eine plötzli­ che Lasterhöhung anspricht.

Claims (4)

1. Gasverknappungs-Schutzschaltung in einer Brennstoffzellen-Energieerzeu­ gungsanlage, umfassend:
eine Brennstoffzelle (1);
einen Leistungsumformer (2), der an den Ausgang der Brennstoffzelle (1) an­ geschlossen ist;
eine Konstantspannungsregelschaltung (3) mit einer Konstantspannungsstellein­ heit (3A), welche eine Spannung voreinstellt, wobei die Konstantspannungsregelschaltung (3) eine Abweichung einer Ausgangsspannung des Leistungsumformers (2) von der von der Konstantspannungsstelleinheit (3A) voreingestellten Spannung verstärkt;
eine Gasverknappungs-Schutzeinheit (11), die an die Spannungsstelleinheit (3A) angeschlossen ist und aufweist:
einen Berechnungsabschnitt für einen zulässigen Überstromwert (12), der einen zulässigen Überstromwert basierend auf einem Brennstoffnutzkoeffizienten, der um einen fixen Betrag über einem Standard-Brennstoffnutzkoeffizienten liegt, und einen Ausgangs­ strom der Brennstoffzelle (1) berechnet, um dadurch einen früheren Wert zu erneuern; und
einen Ansprechgeschwindigkeitssteuerabschnitt (13), der eine Übergangs­ schwankung aus dem von dem Berechnungsabschnitt berechneten zulässigen Überstrom­ wert beseitigt und einen voreinzustellenden Überstromwert ausgibt; und
eine Überstrombegrenzungseinheit (15), die ein Signal (15S) zum Anweisen der Verringerung der von der Konstantspannungsstelleinheit (3A) voreingestellten Span­ nung für die Konstantspannungsregelschaltung (3) ausgibt, wenn der Ausgangsstrom der Brennstoffzelle (1) den voreingestellten Überstromwert übersteigt.

2. Schaltung nach Anspruch 1, bei der die Überstrombegrenzungseinheit (15) außerdem einen Proportional-Integral-Regler (15A) aufweist, der eine Abweichung des Ausgangsstroms von dem voreingestellten Überstromwert aus der Gasverknappungs- Schutzeinheit (11) verstärkt, und eine Spannungs-Sperrdiode (15B), die derart geschaltet ist, daß ihre Durchlaßrichtung der Richtung von der Konstantspannungsregelschaltung (3) zu einem Ausgang des Proportional-Integral-Reglers (15A) entspricht.

3. Schaltung nach Anspruch 1, bei der die Gasverknappungs-Schutzeinheit auf­ weist:
einen Berechnungsabschnitt (12) für einen zulässigen Überstromwert (12), der eine Überschußeinstelleinheit (12A) und einen an die Brennstoffzelle (1) angeschlossenen Addierer (12B) aufweist, wobei der Berechnungsabschnitt (12) einen zulässigen Überstrom berechnet, bei dem es sich um die Summe eines festgestellten Werts des Ausgangsstroms der Brennstoffzelle (1) als einen Stromwert bei einem Standard-Brennstoffnutzkoeffizienten einerseits und einem fixen Stromwert entsprechend einem Überschuß eines Brennstoff­ nutzkoeffizienten andererseits handelt; und
einen Obergrenzensteuerabschnitt (22) mit einer Obergrenzeneinstelleinheit (22A), die eine Obergrenze für den zulässigen Überstromwert einstellt, und mit einer Sperrdiode (22B), wobei der Obergrenzensteuerabschnitt (22) den zulässigen Überstrom­ wert auf einen Pegel herabdrückt, welcher einen Strom, der einem Nennstrom der Brenn­ stoffzelle (1) entspricht, nicht übersteigt.

4. Schaltung nach Anspruch 3, bei der die Gasverknappungs-Schutzeinheit (15) aufweist:
einen Untergrenzensteuerabschnitt (32), der eine Untergrenze für den zulässi­ gen Überstromwert einstellt, wobei der Untergrenzensteuerabschnitt aufweist:
eine Untergrenzeneinstelleinheit (32A), die eine untere Grenze für den zulässi­ gen Stromwert entsprechend 50% des Nennstroms der Brennstoffzelle (1) entspricht; und
eine Sperrdiode (32B), welche an die Untergrenzeneinstelleinheit (32A) und an den Berechnungsabschnitt (12) für einen zulässigen Stromwert derart angeschlossen ist, daß ihre Durchlaßrichtung der Richtung von der Untergrenzeneinstelleinheit (32A) zu ei­ nem Ausgang des Berechnungsabschnitts (12) zum Berechnen eines zulässigen Überstrom­ werts entspricht.