WO2018069327A1 - Brennstoffzellensystem und verfahren zum betrieb eines brennstoffzellensystems - Google Patents

Brennstoffzellensystem und verfahren zum betrieb eines brennstoffzellensystems Download PDF

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    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the invention relates to a fuel cell system having a plurality of fuel cell modules and to a method for operating such a fuel cell system.
  • Fuel cells generate electrical energy from hydrogen and oxygen.
  • Oxygen is usually supplied in the form of air (in particular ambient air), and hydrogen is supplied from a reservoir or generated locally, for example from methanol.
  • the fuel cells are typically grouped together into one or more fuel cell stacks and together with numerous peripheral elements, such as fresh operating gas supply lines and cooling water, for exhausting and / or recirculating used operating gases and cooling water, sensors, valves, control devices, switches, heaters, etc ., Without the operation of the fuel cell would not be possible, a fuel cell module.
  • Some of these components are provided with protective covers, housings or sheaths, and all components or at least most of the components are as compact as possible and housed together with the fuel cells in a housing.
  • a power converter is connected between one or more fuel cell modules (which are interconnected, for example, to a fuel cell group) and the electrical load (such as an electrical load, such as an electric motor), on the one hand to the output voltage of the fuel cell or modules the load and on the other hand adjusts the load current according to load request and adjusts.
  • a typical power converter which is connected between the fuel cell module and load, such as a DC-DC converter (so-called DC / DC converter), contains switching semiconductor elements, such as power transistors, corresponding to the provision of the respective output voltage and the respective load current the load request be controlled and switched load current.
  • DC / DC converters are generally, depending on the application, relatively expensive and lossy in operation, whereby the operating costs are increased.
  • An object of the present invention is to provide a fuel cell system with at least one fuel cell module and a method for operating such a fuel cell system, in which savings in operating costs are made possible.
  • the invention relates to a fuel cell system having at least one fuel cell module and to a method for operating such a fuel cell system according to the independent patent claims.
  • Advantageous embodiments and further developments are specified in the dependent claims.
  • the invention relates to a fuel cell system having at least one fuel cell module, which has a first and second electrical supply terminal, at which during operation of the fuel cell module an electrical output voltage is applied and which are configured to be coupled to an electrical load, an air supply device, which is connected to the at least one fuel cell module for supplying air in an adjustable amount of air to the fuel cell module as one of the reactants for generating the output voltage of the fuel cell module, and a controller connected to the at least one fuel cell module and to the air supply device for controlling an output power the at least one fuel cell module at the first and second electrical supply terminals and for adjusting the Heilm supplied from the air supply device close.
  • the control device is set up to detect a load requirement of the load and, in order to control the output power of the at least one fuel cell module as a function of the detected load request, set and track the air quantity supplied by the air supply device as a function of the detected load request in a number of airways.
  • the output power of the at least one fuel cell module is controlled as a function of the detected load requirement by setting and tracking the air quantity supplied by the air supply device as a function of the detected load request.
  • the stoichiometry of the oxidant the oxygen contained in the air
  • the regulation of the air ratio is within certain limits to set and track the output voltage and thus the performance of the fuel cell system without sustained damage to the fuel cell stack occur.
  • the load can be connected directly to the fuel cell module, wherein the output power of the module is regulated by means of its air supply.
  • the invention relates to a method for operating a fuel cell system of the above type having at least one fuel cell module having a first and second electrical supply connection, in which during operation of the fuel cell module an electrical output voltage is applied and coupled to an electrical load are, the method comprising the following steps:
  • control device is set up to control the output power of the at least one fuel cell module to adjust the air quantity supplied by the air supply device in an air-number-guided manner to a specific air ratio.
  • control device is set up to set the air quantity supplied by the air supply device in an air-numbered manner with an air ratio between 1 and 2.
  • amount of air supplied by the air supply device is adjusted in an air-numbered manner with an air ratio between 1, 5 and 2.
  • output voltage of the at least one fuel cell module is adjusted in an air-number-guided manner in accordance with an air-frequency output voltage characteristic stored in a control device.
  • a Lucasiere output voltage characteristic is stored in the control device, and the control device is adapted to set the output voltage of the at least one fuel cell module air-numb according to the air-fuel ratio-voltage characteristic.
  • a first and a second air number output voltage characteristic are stored in the control device, and the control device is set up to adjust the output voltage of the at least one fuel cell module in an area between the first and the second air number output voltage characteristic.
  • the first air number output voltage characteristic is indicative of a minimum allowed variation of the load request and the second air number output voltage characteristic of a maximum allowed variation of the load request.
  • the control unit sets the air quantity supplied by the air supply device as a function of the detected load request only for load requirements greater than 10% of a maximum permissible load current of the at least one fuel cell module.
  • the air supply device has an air compressor.
  • control device described above and below can also be used analogously in the described method as respective method steps. All embodiments and examples described in this disclosure are analogously applicable to such an operating method.
  • FIG. 1 shows an exemplary embodiment of a fuel cell system according to aspects of the invention.
  • the fuel cell system 1 has at least one fuel cell module 10.
  • the fuel cell system may also include a plurality of fuel cell modules interconnected.
  • the fuel cell modules may be connected in parallel or serially, or in a combination of both, as well known to those skilled in the art.
  • the fuel cell module 10 (in the case of a plurality of interconnected fuel cell modules, the fuel cell system 1) has a first electrical supply terminal 101 and a second electrical supply terminal 102, which are configured to be connected to an electrical load 2. In the connected state, as shown in the figure, is located at the supply terminals 101 and 102 of the fuel cell module 10, an output voltage U A to supply the load 2 with a load current l L on.
  • the load 2 may generally include, for example, one or more electrical loads (such as electric motors), one or more power converters (such as a power supply or the like) associated with the load, and / or other electrical components of an electrical load circuit and is representative of electrical components operating on the consumption side are connected to the fuel cell module 10 for the decrease of a load current.
  • electrical loads such as electric motors
  • power converters such as a power supply or the like
  • no power converter e.g., DC / DC converter
  • the control device 30 and the air supply device 40 are provided between the load 2 and the at least one fuel cell module 10, which is arranged to adjust and track the output power of the at least one fuel cell module in response to a detected load request of the load 2.
  • this is accomplished instead by the inventive cooperation of the control device 30 and the air supply device 40 with the fuel cell module 10, as described in more detail below.
  • the control device 30 of the fuel cell system 1 serves to detect an operating state of the at least one fuel cell module 10 on the basis of a measured load current (output current) I L of the fuel cell module.
  • the control device 30 is connected to the fuel cell module 10 for controlling the operation of the fuel cell module 10.
  • the control device 30 is electrically connected via a control line 22 to the fuel cell module 10 and can this for the Be individually switched on in the fuel cell system 1, turn off or also individually control or regulate its electrical parameters, such as module output voltage, -ström and / or power output.
  • the person skilled in the art can use control or regulating mechanisms in interaction between the control device 30 and the fuel cell module 10, which are well known in the prior art.
  • the supply of the chemical reactants, such as hydrogen and air (oxygen) via the line 22 is set and controlled individually by the control device 30 for controlling the respective operating range (not shown in the figure).
  • a measuring device can be provided, which is connected to the fuel cell module 10 and arranged to measure a load current of the fuel cell module 10.
  • a measuring module (not shown) is provided in the control device 30, which can be realized in hardware or software, or in a combination thereof, which can measure the load current I L of the fuel cell module.
  • the control device 30 contains, for example, a microprocessor which receives the respectively required parameters via an analog / digital interface and calculates the corresponding output variables.
  • One or more parameters which are indicative of a load request (hence the requested load current) of the load 2 are transmitted via the line 23 to the control device 30.
  • an air supply device 40 is provided, which is connected to the at least one fuel cell module 10 for supplying air 51 (here ambient air) in an adjustable amount of air to the fuel cell module 10.
  • the air 51 serves to provide one of the reactants (here the oxidant oxygen 0 2nd ) of the fuel cells, which convert the chemical reaction energy of a continuously supplied fuel (here hydrogen) and an oxidant onsffens (oxygen) into electrical energy and thus generate the electrical output voltage U A of the fuel cell module 10.
  • the air 51 is introduced via an inlet 41 into the air supply device 40, for example an air compressor.
  • the air compressor 40 delivers the supplied air 51 through one or more fuel cell stacks where the contained oxygen reacts with hydrogen to produce the output voltage U A ZU in a chemical reaction.
  • the air compressor 40 is connected to the control device 30 via the line 21 and controlled by the controller 30 so that the amount of air supplied to the fuel cell module 10 air 51 can be changed individually adjustable. This is done, as explained in more detail below, air-flow-guided, wherein the control device 30 with a corresponding measuring device (not shown) is connected to measure the prevailing in the fuel cell module 10 at the corresponding fuel cell stack air ratio.
  • the stoichiometry of the oxidant oxygen is used to control the output power of the fuel cell 10 and to track the load request of the load 2.
  • the control of the air ratio is within certain limits to reduce the output voltage and thus the performance of the fuel cell system without sustained damage to the fuel cell stack occur.
  • a load-current-controlled DC / DC converter between the fuel cell module 10 and the load 2 is dispensed with, in that the load 2 is electrically connected directly to the fuel cell module 10 and the power of the fuel cell module is then regulated by means of its air supply.
  • the operating point is changed on a stoichiometric output voltage characteristic stored in the control device 30.
  • Stoichiometry is generally understood to mean the oversupply or undersupply of a reactant in a chemical reaction. It is 1, 0 when so much reactant is supplied as needed in the ratio of the chemical reaction. There is therefore an H2 stoichiometry and an O 2 stoichiometry for fuel cells. For reactors that work with atmospheric oxygen (as well as a car), the latter is also called "air ratio" ( ⁇ ) (lambda).
  • one or more air-fuel cell output voltage characteristics 13, 14 are stored in the control device 30, wherein the output voltage U A of the fuel cell module 10 is adjusted in accordance with the air number according to ⁇ in accordance with the corresponding air number-output voltage characteristic ,
  • a first and a second air number output voltage characteristics 13 and 14 are stored.
  • the first air number output voltage characteristic 13 is indicative of a minimum allowed variation of the load request and the second air number output voltage characteristic 14 of a maximum allowed variation of the load request.
  • the figure shows a relative fuel cell output voltage U R as a function of the air ratio ⁇ .
  • Range 1 1 indicates the extended operating range with relative output power changes of approximately 60% to 90% of rated power.
  • ⁇ By setting an air ratio ⁇ between 1, 0 and 1.5, the output voltage and thus the output power of the fuel cell module can be adjusted in terms of air-flow in this operating range.
  • Region 12 identifies an operating range with relative output power changes of about 10% to 15% of rated power.
  • By setting an air ratio ⁇ between 1, 5 and 2.0 the output voltage and thus the output power of the fuel cell module can be adjusted in terms of air-flow in this operating range.
  • an area 18 of approximately 10% to 100% of the output power of the fuel cell module 10 can thus be covered by an air-fed supply of air 51.
  • the control device 30 adjusts the output voltage U A of the fuel cell module 10 in an air-flow-guided manner in a working region 15 between the first and the second air ratio output voltage characteristics 13, 14.
  • an operating point 16 is set within this range 15.
  • the span 17 denotes a range of an allowable load requirement with an air ratio ⁇ of 1.0.
  • a power control via the air supply takes place advantageously instead of via a power-electronic component. like a DC / DC converter, which can thus be saved, which significantly reduces operating costs. Adjusted is the control of the air compressor 40 and thus the amount of air that is passed through the fuel cell module 10.
  • the prerequisite is that the acceptable range in terms of operating voltage of the load 2 directly corresponds to the range of supply voltage of the fuel cell module 10, since not only the regulation of the power requirement by a no longer present DC / DC converter is eliminated, but also the adjustment of the output voltage of the fuel cell module to the permissible operating voltage of the consumer.
  • the present invention is particularly applicable in applications where the voltage levels of the fuel cell module and the load / load match over the load range.
  • a maximum allowable load current is generally determined, which depends on the area-specific current density (exact values are design and operational management-dependent). However, there is also a lower limit below which the fuel cell leaves its design range for the reaction management. This is about 10% of the maximum allowable load current in the current state of the art and is the reason for the appropriate restriction described above.

Abstract

Ein Brennstoffzellensystem (1) enthält wenigstens ein Brennstoffzellenmodul (10), das einen ersten und zweiten elektrischen Versorgungsanschluss (101, 102) aufweist, an denen im Betrieb des Brennstoffzellenmoduls eine elektrische Ausgangsspannung (UA) anliegt und die dafür konfiguriert sind, mit einer elektrischen Last (2) gekoppelt zu werden, eine Luftversorgungseinrichtung (40), die mit dem wenigstens einen Brennstoffzellenmodul (10) verbunden ist zur Zuführung von Luft (51 ) in einer einstellbaren Luftmenge an das Brennstoffzellenmodul (10) als einen der Reaktionsstoffe zur Erzeugung der Ausgangsspannung (UA) des Brennstoffzellenmoduls (10), und eine Steuerungseinrichtung (30), die mit dem wenigstens einen Brennstoffzellenmodul (10) und mit der Luftversorgungseinrichtung (40) verbunden ist zur Steuerung einer Ausgangsleistung des wenigstens einen Brennstoffzellenmoduls (10) an dem ersten und zweiten elektrischen Versorgungsanschluss (101, 102) und zur Einstellung der von der Luftversorgungseinrichtung (40) zugeführten Luftmenge. Die Steuerungseinrichtung (30) ist eingerichtet, eine Lastanforderung der Last (2) zu erfassen und zur Steuerung der Ausgangsleistung des wenigstens einen Brennstoffzellenmoduls (10) in Abhängigkeit der erfassten Lastanforderung die von der Luftversorgungseinrichtung (40) zugeführte Luftmenge in Abhängigkeit der erfassten Lastanforderung luftzahlgeführt einzustellen und nachzuführen.

Description

Brennstoffzellensystem und Verfahren zum Betrieb
eines Brennstoffzellensystems
Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem mit einer Mehrzahl von Brennstoffzellenmodulen sowie ein Verfahren zum Betrieb eines solchen Brennstoffzellensystems.
Brennstoffzellen erzeugen elektrische Energie aus Wasserstoff und Sauerstoff. Sauerstoff wird in der Regel in Form von Luft (insbesondere Umgebungsluft) zugeführt, und Wasserstoff wird aus einem Vorratsbehälter zugeführt oder auch vor Ort erzeugt, beispielsweise aus Methanol. Die Brennstoffzellen sind typischerweise zu einem oder mehreren Brennstoffzellenstapeln zusammengefasst und bilden zusammen mit zahlreichen Peripherieelementen, wie Leitungen zur Zuführung von frischen Betriebsgasen und Kühlwasser, zur Abführung und / oder Rezirkulierung von gebrauchten Betriebsgasen und Kühlwasser, Sensoren, Ventilen, Steuereinrichtungen, Schaltern, Heizeinrichtungen, etc. , ohne die der Betrieb der Brennstoffzellen nicht möglich wäre, ein Brennstoffzellenmodul. Ein Teil dieser Komponenten ist mit schützenden Abdeckungen, Gehäusen oder Ummantelungen ausgestattet, und alle Komponenten oder zumindest die meisten der Komponenten sind möglichst kompakt zusammengebaut und gemeinsam mit den Brennstoffzellen in einem Gehäuse untergebracht.
In einer typischen Anwendung ist zwischen ein oder mehreren Brennstoffzellenmodulen (die etwa zu einer Brennstoffzellengruppe verschaltet sind) und der elektrischen Last (etwa ein elektrischer Verbraucher, z.B. ein elektrischer Motor) ein Stromrichter geschaltet, der zum Einen die Ausgangsspannung des oder der Brennstoffzellenmodule an die Spannung der Last und zum Anderen den Laststrom je nach Lastanforderung anpasst und einstellt. Ein typischer Stromrichter, der zwischen Brennstoffzellenmodul und Last geschaltet ist, wie z.B. ein Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler (sog. DC/DC-Wandler), enthält schaltende Halbleiterelemente, wie z.B. Leistungstransistoren, die zur Bereitstellung der jeweiligen Ausgangsspannung bzw. des jeweiligen Laststroms entsprechend der Lastanforderung laststromgeführt angesteuert und geschaltet werden. Solche DC/DC-Wandler sind im allgemeinen, je nach Anwendung, vergleichsweise teuer und im Betrieb verlustbehaftet, wodurch die Betriebskosten erhöht werden. Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Brennstoffzellensystem mit wenigstens einem Brennstoffzellenmodul sowie ein Verfahren zum Betrieb eines solchen Brennstoffzellensystems anzugeben, bei dem Einsparungen hinsichtlich Betriebskosten ermöglicht werden.
Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem mit wenigstens einem Brennstoffzellenmodul sowie ein Verfahren zum Betrieb eines solchen Brennstoffzellensystems gemäß den unabhängigen Patentansprüchen. Vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Gemäß einem ersten Aspekt betrifft die Erfindung ein Brennstoffzellensystem mit wenigstens einem Brennstoffzellenmodul, das einen ersten und zweiten elektrischen Versorgungsanschluss aufweist, an denen im Betrieb des Brennstoffzellenmoduls eine elektrische Ausgangsspannung anliegt und die dafür konfiguriert sind, mit einer elektrischen Last gekoppelt zu werden, einer Luftversorgungseinrichtung, die mit dem wenigstens einen Brennstoffzellenmodul verbunden ist zur Zuführung von Luft in einer einstellbaren Luftmenge an das Brennstoffzellenmodul als einen der Reaktionsstoffe zur Erzeugung der Ausgangsspannung des Brennstoffzellenmoduls, und einer Steuerungseinrichtung, die mit dem wenigstens einen Brennstoffzellenmodul und mit der Luftversorgungseinrichtung verbunden ist zur Steuerung einer Ausgangsleistung des wenigstens einen Brennstoffzellenmoduls an dem ersten und zweiten elektrischen Versorgungsanschluss und zur Einstellung der von der Luftversorgungseinrichtung zugeführten Luftmenge. Die Steuerungseinrichtung ist eingerichtet, eine Lastanforderung der Last zu erfassen und zur Steuerung der Ausgangsleistung des wenigstens einen Brennstoffzellenmoduls in Abhängigkeit der erfassten Lastanforderung die von der Luftversorgungseinrichtung zugeführte Luftmenge in Abhängigkeit der erfassten Lastanforderung luft- zahlgeführt nach einer bestimmten Luftzahl einzustellen und nachzuführen.
Damit ist es gemäß der Erfindung möglich, auf einen Stromrichter, wie etwa einen DC/DC-Wandler, der zwischen Brennstoffzellenmodul und Last geschaltet ist, zu verzichten. Erfindungsgemäß wird die Ausgangsleistung des wenigstens einen Brennstoffzellenmoduls in Abhängigkeit der erfassten Lastanforderung durch Einstellung und Nachführen der von der Luftversorgungseinrichtung zugeführten Luftmenge in Abhängigkeit der erfassten Lastanforderung gesteuert. Erfindungsgemäß ist insbesondere vorgesehen, als Ersatz für einen zwischengeschalteten Stromrichter die Stöchiometrie des Oxidanten (der in der Luft enthaltene Sauerstoff) heranzuziehen. Insbesondere die Regelung der Luftzahl eignet sich in gewissen Grenzen dazu, die Ausgangsspannung und damit die Leistung des Brennstoffzellensystems einzustellen und nachzuführen, ohne dass nachhaltige Schädigungen am Brennstoffzellenstapel auftreten. Damit kann die Last direkt mit dem Brennstoffzellenmodul verbunden werden, wobei die Ausgangsleistung des Moduls mittels seiner Luftversorgung geregelt wird.
Gemäß einem anderen Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems der oben genannten Art mit wenigstens einem Brennstoffzellenmodul, das einen ersten und zweiten elektrischen Versorgungsan- schluss aufweist, an denen im Betrieb des Brennstoffzellenmoduls eine elektrische Ausgangsspannung anliegt und die mit einer elektrischen Last gekoppelt sind, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:
- Zuführung von Luft durch eine Luftversorgungseinrichtung in einer einstellbaren Luftmenge an das Brennstoffzellenmodul als einen der Reaktionsstoffe zur Erzeugung der Ausgangsspannung des Brennstoffzellenmoduls,
- Erfassung einer Lastanforderung der Last und
- Steuerung einer Ausgangsleistung an dem ersten und zweiten elektrischen Ver- sorgungsanschluss des wenigstens einen Brennstoffzellenmoduls in Abhängigkeit der erfassten Lastanforderung durch luftzahlgeführte Einstellung und Nachführen der von der Luftversorgungseinrichtung zugeführten Luftmenge in Abhängigkeit der erfassten Lastanforderung.
Insbesondere ist die Steuerungseinrichtung eingerichtet, zur Steuerung der Ausgangsleistung des wenigstens einen Brennstoffzellenmoduls die von der Luftversorgungseinrichtung zugeführte Luftmenge luftzahlgeführt nach einer bestimmten Luftzahl einzustellen.
Insbesondere ist die Steuerungseinrichtung gemäß einer Ausführungsform eingerichtet, die von der Luftversorgungseinrichtung zugeführte Luftmenge luftzahlgeführt mit einer Luftzahl zwischen 1 und 2 einzustellen. Gemäß einer Ausführungsform wird die von der Luftversorgungseinrichtung zugeführte Luftmenge luftzahlgeführt mit einer Luftzahl zwischen 1 ,5 und 2 eingestellt. Gemäß einer Ausführungsform wird die Ausgangsspannung des wenigstens einen Brennstoffzellenmoduls luftzahlgeführt gemäß einer in einer Steuerungseinrichtung hinterlegten Luftzahl-Ausgangsspannungs-Charakteristik eingestellt.
Insbesondere ist in der Steuerungseinrichtung eine Luftzahl-Ausgangsspannungs- Charakteristik hinterlegt, und die Steuerungseinrichtung ist eingerichtet, die Ausgangsspannung des wenigstens einen Brennstoffzellenmoduls luftzahlgeführt gemäß der Luftzahl-Spannungs-Charakteristik einzustellen.
Gemäß einer Ausführungsform sind in der Steuerungseinrichtung eine erste und eine zweite Luftzahl-Ausgangsspannungs-Charakteristik hinterlegt, und die Steuerungseinrichtung ist eingerichtet, die Ausgangsspannung des wenigstens einen Brennstoffzellenmoduls luftzahlgeführt in einem Bereich zwischen der ersten und der zweiten Luftzahl-Ausgangsspannungs-Charakteristik einzustellen.
Beispielsweise ist die erste Luftzahl-Ausgangsspannungs-Charakteristik für eine minimal erlaubte Schwankung der Lastanforderung und die zweite Luftzahl-Aus- gangsspannungs-Charakteristik für eine maximal erlaubte Schwankung der Lastanforderung kennzeichnend.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Steuerungseinrichtung eingerichtet, zur Steuerung der Ausgangsleistung des wenigstens einen Brennstoffzellenmoduls die von der Luftversorgungseinrichtung zugeführte Luftmenge in Abhängigkeit der erfassten Lastanforderung nur für Lastanforderungen größer als 10% eines maximal zulässigen Laststromes der wenigstens einen Brennstoffzellenmoduls einzustellen.
Gemäß einer Ausführungsform weist die Luftversorgungseinrichtung einen Luftverdichter auf.
Die oben und im folgenden beschriebenen Funktionen der Steuerungseinrichtung können in analoger Weise auch bei dem beschriebenen Verfahren als jeweilige Verfahrensschritte angewandt werden. Alle in dieser Offenbarung beschriebenen Ausführungsformen und Beispiele sind analog auch auf ein derartiges Betriebsverfahren anwendbar.
Im folgenden wird die Erfindung in Form eines Ausführungsbeispiels anhand der einzigen Figur näher erläutert. Die Figur zeigt eine beispielhafte Ausführungsform eines Brennstoffzellensystems gemäß Aspekten der Erfindung.
Das Brennstoffzellensystem 1 weist wenigstens ein Brennstoffzellenmodul 10 auf. Das Brennstoffzellensystem kann auch mehrere Brennstoffzellenmodule aufweisen, die miteinander verschaltet sind. Beispielsweise können die Brennstoffzellenmodule parallel oder seriell, oder in einer Kombination aus beiden, verschaltet sein, wie dem Fachmann allgemein bekannt. Das Brennstoffzellenmodul 10 (im Fall mehrerer miteinander verschalteter Brennstoffzellenmodule, das Brennstoffzellensystem 1 ) weist einen ersten elektrischen Versorgungsanschluss 101 und einen zweiten elektrischen Versorgungsanschluss 102 auf, die dafür konfiguriert sind, an eine elektrische Last 2 angeschlossen zu werden. Im angeschlossenen Zustand, wie in der Figur gezeigt, liegt an den Versorgungsanschlüssen 101 und 102 des Brennstoffzellenmoduls 10 eine Ausgangsspannung UA zur Versorgung der Last 2 mit einem Laststrom lL an. Die Last 2 kann im allgemeinen beispielsweise einen oder mehrere elektrische Verbraucher (wie elektrische Motoren), einen oder mehrere dem Verbraucher zugeordnete Stromrichter (etwa ein Netzteil o.a.) und/oder andere elektrische Komponenten eines elektrischen Lastkreises enthalten und steht stellvertretend für elektrische Komponenten, die auf der Verbrauchsseite mit dem Brennstoffzellenmodul 10 zur Abnahme eines Laststromes verbunden sind.
Insbesondere ist zwischen die Last 2 und das wenigstens eine Brennstoffzellenmodul 10 kein Stromrichter (z.B. DC/DC-Wandler) geschaltet, der dazu vorgesehen ist, die Ausgangsleistung des wenigstens einen Brennstoffzellenmoduls in Abhängigkeit einer erfassten Lastanforderung der Last 2 einzustellen und nachzuführen. Dies wird vielmehr stattdessen durch das erfindungsgemäße Zusammenwirken der Steuerungseinrichtung 30 und der Luftversorgungseinrichtung 40 mit dem Brennstoffzellenmodul 10 bewerkstelligt, wie im folgenden näher beschrieben.
Die Steuerungseinrichtung 30 des Brennstoffzellensystems 1 dient einerseits zur Erfassung eines Betriebszustands des wenigstens einen Brennstoffzellenmoduls 10 anhand eines gemessenen Laststroms (Ausgangsstroms) lL des Brennstoffzel- lenmoduls. Andererseits ist die Steuerungseinrichtung 30 mit dem Brennstoffzellenmodul 10 verbunden zur Steuerung des Betriebs des Brennstoffzellenmoduls 10. Hierzu ist die Steuerungseinrichtung 30 über eine Steuerungsleitung 22 mit dem Brennstoffzellenmodul 10 elektrisch verbunden und kann dieses für den Be- trieb im Brennstoffzellensystem 1 individuell einschalten, ausschalten oder auch dessen elektrische Parameter, wie Modul-Ausgangsspannung, -ström und/oder Leistungsabgabe individuell steuern oder regeln. Der Fachmann kann hierzu Steuerungs- bzw. Regelungsmechanismen im Zusammenspiel zwischen der Steuerungseinrichtung 30 und dem Brennstoffzellenmodul 10 anwenden, die im Stand der Technik hinreichend bekannt sind. Beispielsweise wird von der Steuerungseinrichtung 30 zur Steuerung des jeweiligen Betriebsbereichs die Zufuhr der chemischen Reaktionsstoffe, wie Wasserstoff und Luft (Sauerstoff), über die Leitung 22 entsprechend individuell eingestellt und gesteuert (in der Figur nicht dargestellt).
Weiterhin kann eine Messeinrichtung vorgesehen sein, die mit dem Brennstoffzellenmodul 10 verbunden und eingerichtet ist, einen Laststrom des Brennstoffzellenmoduls 10 zu messen. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist in der Steuerungseinrichtung 30 ein Messmodul vorgesehen (nicht dargestellt), das in Hardware oder Software, oder in Kombination daraus, realisiert sein kann, welches den Laststrom lL des Brennstoffzellenmoduls messen kann. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel enthält die Steuerungseinrichtung 30 beispielsweise einen Mikroprozessor, der die jeweils benötigten Parameter über eine Analog/Digital-Schnittstelle empfängt und die entsprechenden Ausgangsgrößen berechnet. Ein oder mehrere Parameter, welche für eine Lastanforderung (mithin den angeforderten Laststrom) der Last 2 kennzeichnend sind, werden über die Leitung 23 an die Steuerungseinrichtung 30 übermittelt.
Weiterhin ist eine Luftversorgungseinrichtung 40 vorgesehen, die mit dem wenigstens einen Brennstoffzellenmodul 10 verbunden ist zur Zuführung von Luft 51 (hier Umgebungsluft) in einer einstellbaren Luftmenge an das Brennstoffzellenmodul 10. Die Luft 51 dient zur Bereitstellung eines der Reaktionsstoffe (hier des Oxidanten Sauerstoff 02) der Brennstoffzellen, welche die chemische Reaktionsenergie eines kontinuierlich zugeführten Brennstoffes (hier Wasserstoff) und eines Oxidati- onsmittels (Sauerstoff) in elektrische Energie wandeln und damit die elektrische Ausgangsspannung UA des Brennstoffzellenmoduls 10 erzeugen. Die Luft 51 wird über einen Einlass 41 in die Luftversorgungseinrichtung 40, beispielsweise einen Luftverdichter, eingeführt. Der Luftverdichter 40 fördert die zugeführte Luft 51 durch einen oder mehrere Brennstoffzellenstapel, wo der enthaltene Sauerstoff mit Wasserstoff reagiert, um in einer chemischen Reaktion die Ausgangsspannung UA ZU erzeugen. Über den Auslass 42 wird verbrauchte und unverbrauchte Luft 52 von den Brennstoffzellenstapeln weg- und aus dem Brennstoffzellenmodul 10 herausgeführt. Der Luftverdichter 40 ist mit der Steuerungseinrichtung 30 über die Leitung 21 verbunden und über diese von der Steuerungseinrichtung 30 so ansteuerbar, dass die Luftmenge der dem Brennstoffzellenmodul 10 zugeführten Luft 51 individuell einstellbar verändert werden kann. Dies erfolgt, wie im folgenden näher erläutert, luftzahlgeführt, wobei die Steuerungseinrichtung 30 mit einer entsprechenden Messvorrichtung (nicht dargestellt) verbunden ist, um die in dem Brennstoffzellenmodul 10 am entsprechenden Brennstoffzellenstapel vorherrschende Luftzahl zu messen.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird die Stöchiometrie des Oxidanten Sauerstoff herangezogen, um die Ausgangsleistung des Brennstoffzeilenmoduls 10 zu steuern und der Lastanforderung der Last 2 nachzuführen. Die Regelung der Luftzahl eignet sich in gewissen Grenzen dazu, die Ausgangsspannung und damit die Leistung des Brennstoffzellensystems herabzusetzen, ohne dass nachhaltige Schädigungen am Brennstoffzellenstapel auftreten. Zusammenge- fasst wird auf einen laststromgeführten DC/DC-Wandler zwischen Brennstoffzel- lenmodul 10 und der Last 2 verzichtet, indem die Last 2 direkt mit dem Brennstoffzellenmodul 10 elektrisch verbunden wird und die Leistung des Brennstoffzellenmoduls dann mittels seiner Luftversorgung geregelt wird.
Gemäß einer Ausführungsform wird der Arbeitspunkt auf einer Stöchiometrie-Aus- gangsspannungs-Kennlinie, die in der Steuerungseinrichtung 30 hinterlegt ist, verändert. Unter Stöchiometrie wird im allgemeinen das Über- oder Unterangebot eines Reaktanden in einer chemischen Reaktion verstanden. Sie liegt bei 1 ,0, wenn so viel Reaktand zugeführt wird, wie im Verhältnis der chemischen Reaktion gebraucht wird. Es gibt daher für Brennstoffzellen eine H2-Stöchiometrie und eine 02-Stöchiometrie. Bei Reaktoren, die mit Luftsauerstoff arbeiten (wie auch ein Auto), wird letztere auch„Luftzahl" (λ) (Lambda) genannt. In Brennstoffzellen üblich sind Luftzahlen zwischen 1 ,5 und 2, um annähernd 100% Leistung zu bekommen. Es wird also durch die Luftversorgungseinrichtung 40 eineinhalb- bis zweimal soviel Luft(sauerstoff) zugeführt, wie in der Reaktion eigentlich benötigt würde. Erweitert man dieses Fenster auf sehr niedrige Werte bis λ = 1 , wird die Ausgangsspannung und damit die Leistung des Brennstoffzellenmoduls im Extremfall bis auf Null absinken (siehe Figur). Durch Einstellung der Luftmenge der zugeführten Luft (und damit der Luftzahl) kann die Zellspannung der Brennstoffzellen des Brennstoffzellenmoduls erhöht oder abgesenkt werden (da die chemische Reakti- on mit Wasserstoff beeinflusst wird), was zu einem veränderlichen Stromfluss zur Last und damit zu einer indirekten Leistungsregelung führt.
Wie in der Figur schematisch dargestellt, sind in der Steuerungseinrichtung 30 eine oder mehrere Luftzahl-Ausgangsspannungs-Charakteristiken 13, 14 hinterlegt, wobei die Ausgangsspannung UA des Brennstoffzellenmoduls 10 luftzahlge- führt nach λ gemäß der entsprechenden Luftzahl-Ausgangsspannungs-Charakte- ristik eingestellt wird. Insbesondere sind in der vorliegenden Ausführungsform eine erste und eine zweite Luftzahl-Ausgangsspannungs-Charakteristik 13 bzw. 14 hinterlegt. Die erste Luftzahl-Ausgangsspannungs-Charakteristik 13 ist für eine minimal erlaubte Schwankung der Lastanforderung und die zweite Luftzahl-Ausgangs- spannungs-Charakteristik 14 für eine maximal erlaubte Schwankung der Lastanforderung kennzeichnend. Die Figur zeigt eine relative Brennstoffzellen-Ausgangsspannung UR in Abhängigkeit der Luftzahl λ. Die relative Brennstoffzellen-Ausgangsspannung UR ist bezogen auf den Spannungswert bei Nennbetrieb (= 100%) und entspricht qualitativ dem Verlauf der Ausgangsspannung UA. Der Bereich 1 1 kennzeichnet den erweiterten Betriebsbereich mit relativen Ausgangsleistungsänderungen von ca. 60% bis 90% bezogen auf die Nennleistung. Durch Einstellung einer Luftzahl λ zwischen 1 ,0 und 1 ,5 kann die Ausgangsspannung und damit die Ausgangsleistung des Brennstoffzellenmoduls luftzahlgeführt in diesem Betriebsbereich eingestellt werden. Der Bereich 12 kennzeichnet einen Betriebsbereich mit relativen Ausgangsleistungsänderungen von ca. 10% bis 15% bezogen auf die Nennleistung. Durch Einstellung einer Luftzahl λ zwischen 1 ,5 und 2,0 kann die Ausgangsspannung und damit die Ausgangsleistung des Brennstoffzellenmoduls luftzahlgeführt in diesem Betriebsbereich eingestellt werden. Insgesamt lässt sich somit ein Bereich 18 von ca. 10% bis 100% der Ausgangsleistung des Brennstoffzellenmoduls 10 durch eine luftzahlgeführte Zufuhr von Luft 51 abdecken.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel stellt die Steuerungseinrichtung 30 die Ausgangsspannung UA des Brennstoffzellenmoduls 10 luftzahlgeführt in einem Arbeitsbereich 15 zwischen der ersten und der zweiten Luftzahl-Ausgangsspan- nungs-Charakteristik 13, 14 ein. Beispielsweise wird ein Arbeitspunkt 16 innerhalb dieses Bereichs 15 eingestellt. Die Spanne 17 kennzeichnet einen Bereich einer zulässigen Lastanforderung bei einer Luftzahl λ von 1 ,0.
Erfindungsgemäß erfolgt vorteilhaft eine Leistungsregelung über die Luftversorgung (bzw. Reaktionsstöchiometrie) statt über ein leistungselektronisches Bauele- ment wie einen DC/DC-Wandler, der somit eingespart werden kann, was die Betriebskosten maßgeblich verringert. Eingestellt wird die Ansteuerung des Luftverdichters 40 und damit die Luftmenge, die durch das Brennstoffzellenmodul 10 geführt wird. Voraussetzung ist dabei, dass der verträgliche Bereich hinsichtlich Betriebsspannung der Last 2 dem Bereich der Versorgungsspannung des Brennstoffzellenmoduls 10 direkt entspricht, da nicht nur die Regelung der Leistungsanforderung durch einen nicht mehr vorhandenen DC/DC-Wandler entfällt, sondern auch die Anpassung der Ausgangsspannung des Brennstoffzellenmoduls an die zulässige Betriebsspannung des Verbrauchers. Damit ist die vorliegende Erfindung vor allem anwendbar bei Anwendungen, bei denen die Spannungslagen des Brennstoffzellenmoduls und des Verbrauchers/der Last über den Lastbereich übereinstimmen.
Es können insbesondere folgende Betriebsgrenzen festgelegt werden:
- Änderung der Luftzahl zwischen λ = 1 und 2, insbesondere 1 ,0 und 2,0.
- Gültig für Lastströme lL oberhalb 10% des maximal erlaubten Laststromes für das Brennstoffzellenmodul.
Man möge denken, dass eine Luftzahl von 1 ,0 für 100% der Brennstoffzellenleistung ausreichen müsste und nur unterhalb davon die Leistung absinkt. Aufgrund von Diffusionsverlusten muss aber in realen Brennstoffzellensystemen immer eine Luftzahl von deutlich größer 1 gefahren werden, damit die Diffusionsverluste gegen Null gehen. Bei λ = 2,0 ist dies nach gegenwärtigem Stand der Technik mit genügender Genauigkeit gegeben. Alles darunter führt zu Spannungs- und damit Leistungsverringerungen, die auch bei gegenwärtigem Stand der Technik bei λ = 1 ,0 fast 100% betragen können. Die genauen Werte sind abhängig vom detaillierten Zelldesign und der Materialauswahl der Brennstoffzellen. Diese können durch den Fachmann in geeigneter Weise für die jeweilige Anwendung und Betriebsbedingungen ausgewählt und festgelegt werden.
Für ein Brennstoffzellensystem wird im allgemeinen ein maximal zulässiger Laststrom bestimmt, der sich nach der flächenspezifischen Stromdichte richtet (genaue Werte sind design- und betriebsführungsabhängig). Es existiert jedoch auch eine Untergrenze, unterhalb derer die Brennstoffzelle ihren Auslegungsbereich für das Reaktionsmanagement verlässt. Diese liegt nach dem gegenwärtigen Stand der Technik bei ca. 10% des maximal zulässigen Laststromes und ist der Grund für die oben beschriebene zweckmäßige Einschränkung.

Claims

M20671 .9 Patentansprüche
5 1 . Brennstoffzellensystem (1 ), aufweisend:
- wenigstens ein Brennstoffzellenmodul (1 0), das einen ersten und zweiten elektrischen Versorgungsanschluss (1 01 , 1 02) aufweist, an denen im Betrieb des Brennstoffzellenmoduls eine elektrische Ausgangsspannung (UA) anliegt und die dafür konfiguriert sind, mit einer elektrischen Last (2) gekoppelt zu werden, i o - eine Luftversorgungseinrichtung (40), die mit dem wenigstens einen Brennstoffzellenmodul ( 1 0) verbunden ist zur Zuführung von Luft (51 ) in einer einstellbaren Luftmenge an das Brennstoffzellenmodul ( 1 0) als einen der Reaktionsstoffe zur Erzeugung der Ausgangsspannung (UA) des Brennstoffzellenmoduls (1 0) ,
- eine Steuerungseinrichtung (30), die mit dem wenigstens einen Brennstoffzellen- 15 modul ( 1 0) und mit der Luftversorgungseinrichtung (40) verbunden ist zur Steuerung einer Ausgangsleistung des wenigstens einen Brennstoffzellenmoduls (10) an dem ersten und zweiten elektrischen Versorgungsanschluss (101 , 1 02) und zur Einstellung der von der Luftversorgungseinrichtung (40) zugeführten Luftmenge,
- wobei die Steuerungseinrichtung (30) eingerichtet ist, eine Lastanforderung der 20 Last (2) zu erfassen und zur Steuerung der Ausgangsleistung des wenigstens einen Brennstoffzellenmoduls ( 1 0) in Abhängigkeit der erfassten Lastanforderung die von der Luftversorgungseinrichtung (40) zugeführte Luftmenge in Abhängigkeit der erfassten Lastanforderung luftzahlgeführt nach einer bestimmten Luftzahl einzustellen und nachzuführen.
25
2. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1 , wobei die Steuerungseinrichtung (30) eingerichtet ist, die von der Luftversorgungseinrichtung (40) zugeführte Luftmenge luftzahlgeführt mit einer Luftzahl zwischen 1 und 2 einzustellen.
30 3. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1 , wobei die Steuerungseinrichtung (30) eingerichtet ist, die von der Luftversorgungseinrichtung (40) zugeführte Luftmenge luftzahlgeführt mit einer Luftzahl zwischen 1 , 5 und 2 einzustellen.
4. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei in der Steue- 35 rungseinrichtung (30) eine Luftzahl-Ausgangsspannungs-Charakteristik (1 3, 14) hinterlegt ist, und die Steuerungseinrichtung (30) eingerichtet ist, die Ausgangsspannung (UA) des wenigstens einen Brennstoffzellenmoduls ( 1 0) luftzahlgeführt gemäß der Luftzahl-Ausgangsspannungs-Charakteristik ( 1 3, 14) einzustellen.
5. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei in der Steuerungseinrichtung (30) eine erste und eine zweite Luftzahl-Ausgangsspannungs- Charakteristik (13, 14) hinterlegt sind, und die Steuerungseinrichtung (30) eingerichtet ist, die Ausgangsspannung (UA) des wenigstens einen Brennstoffzellenmoduls (10) luftzahlgeführt in einem Bereich (15) zwischen der ersten und der zweiten Luftzahl-Ausgangsspannungs-Charakteristik (13, 14) einzustellen.
6. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 5, wobei die erste Luftzahl-Ausgangs- spannungs-Charakteristik (13) für eine minimal erlaubte Schwankung der Lastanforderung und die zweite Luftzahl-Ausgangsspannungs-Charakteristik (14) für eine maximal erlaubte Schwankung der Lastanforderung kennzeichnend ist.
7. Brennstoffzellen System nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Steuerungseinrichtung (30) eingerichtet ist, zur Steuerung der Ausgangsleistung des wenigstens einen Brennstoffzellenmoduls (10) die von der Luftversorgungseinrichtung (40) zugeführte Luftmenge in Abhängigkeit der erfassten Lastanforderung nur für Lastanforderungen größer als 10% eines maximal zulässigen Laststromes der wenigstens einen Brennstoffzellenmoduls (10) einzustellen.
8. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Luftversorgungseinrichtung (40) einen Luftverdichter aufweist.
9. Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems (1 ) aufweisend wenigstens ein Brennstoffzellenmodul (10), das einen ersten und zweiten elektrischen Versorgungsanschluss (101 , 102) aufweist, an denen im Betrieb des Brennstoffzellenmoduls eine elektrische Ausgangsspannung (UA) anliegt und die mit einer elektrischen Last (2) gekoppelt sind, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:
- Zuführung von Luft (51 ) durch eine Luftversorgungseinrichtung (40) in einer einstellbaren Luftmenge an das Brennstoffzellenmodul (10) als einen der Reaktionsstoffe zur Erzeugung der Ausgangsspannung (UA) des Brennstoffzellenmoduls,
- Erfassung einer Lastanforderung der Last (2) und
- Steuerung einer Ausgangsleistung an dem ersten und zweiten elektrischen Versorgungsanschluss (101 , 102) des wenigstens einen Brennstoffzellenmoduls (10) in Abhängigkeit der erfassten Lastanforderung durch luftzahlgeführte Einstellung und Nachführen der von der Luftversorgungseinrichtung (40) zugeführten Luftmenge in Abhängigkeit der erfassten Lastanforderung.
10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Ausgangsspannung (UA) des wenigstens einen Brennstoffzellenmoduls (10) luftzahlgeführt gemäß einer in einer Steuerungseinrichtung (30) hinterlegten Luftzahl-Ausgangsspannungs-Charakte- ristik (13, 14) eingestellt wird.
1 1 . Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, wobei die Ausgangsleistung luftzahlgeführt mit einer Luftzahl zwischen 1 und 2 gesteuert wird.
12. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, wobei die Ausgangsleistung luftzahlgeführt mit einer Luftzahl zwischen 1 ,5 und 2 gesteuert wird.
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