WO2020126213A1 - Verfahren zu einem betrieb einer brennstoffzellenvorrichtung - Google Patents

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WO2020126213A1
WO2020126213A1 PCT/EP2019/080810 EP2019080810W WO2020126213A1 WO 2020126213 A1 WO2020126213 A1 WO 2020126213A1 EP 2019080810 W EP2019080810 W EP 2019080810W WO 2020126213 A1 WO2020126213 A1 WO 2020126213A1
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cell device
power
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Martin Hering
Maxime Carre
Daniel Jansen
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Robert Bosch Gmbh
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Definitions

  • the invention relates to a method for operating a fuel cell device, in particular a high-temperature fuel cell device, wherein at least one performance parameter of the fuel cell device is controlled following a load in at least one method step.
  • the fuel cell device preferably comprises at least one fuel cell unit for generating electrical power.
  • the fuel cell device preferably comprises additional elements for operating the fuel cell unit, such as, for example, a fuel supply line, an oxidant supply line, an exhaust gas line, a recirculation line, a conveying element for conveying the fuel, the oxidant and / or the exhaust gas, an afterburner, a reformer, a heat exchanger for exhaust gas heat recovery, an electric starter heater and / or further additional elements that appear useful to a person skilled in the art for operating at least one fuel cell unit, in particular a high-temperature fuel cell unit.
  • the fuel cell device preferably comprises at least one control unit for controlling or regulating the operation of the fuel cell unit, in particular by means of the additional elements.
  • a “fuel cell unit” is to be understood in particular to mean at least a part, in particular a sub-assembly, of a fuel cell.
  • the fuel cell unit can also comprise the entire fuel cell, a stack of fuel cells and / or a combination of several stacks of fuel cells.
  • the fuel cell unit is preferably designed as a high-temperature fuel cell unit with at least one high-temperature fuel cell, in particular at least one solid oxide fuel cell and / or a molten carbonate fuel cell. It is also conceivable that the fuel cell device comprises several fuel cell units with fuel cells of different types.
  • the fuel cell unit is preferably provided to utilize a fuel by supplying an oxidant in an electrochemical process to generate electrical energy.
  • Provided should be understood to mean, in particular, specially designed, specially programmed, specially designed and / or specially equipped.
  • the fact that an object is provided for a specific function should in particular be understood to mean that the object fulfills and / or executes this specific function in at least one application and / or operating state.
  • the fuel cell device comprises at least one power decoupling unit for providing electrical power generated by the fuel cell unit.
  • the power decoupling unit outputs a power signal in at least one method step, in particular to record the electrical power generated by the load.
  • the power parameter of the fuel cell device preferably describes or characterizes the power signal and / or a power provided by the fuel cell unit. If a distinction is made between the power parameter for the power signal and the power parameter for the power provided by the fuel cell unit, the power Performance parameter for the power signal referred to as the signal power parameter and the power parameter for the power provided by the fuel cell unit as the total power parameter.
  • a value of the total power quantity is always larger or, in particular except for unwanted losses, is equal to a value of the signal power quantity.
  • part of the total output quantity is used for self-consumption by the fuel cell device, for example for operating a conveyor element.
  • the power parameter is preferably designed as electrical power, as a current strength, as an effective value of a current strength, as an amplitude of a current strength or the like.
  • the power decoupling unit preferably comprises at least one power control element for setting the power parameter.
  • the total power quantity is adapted simultaneously or downstream to adapt the signal power quantity.
  • the power control element is designed as an adjustable current divider or as an adjustable electrical resistance.
  • the term “load following” should be understood to mean that the load is dependent on an electrical power requirement.
  • the performance parameter is adjusted to cover the electrical power requirement of the load.
  • the load can be designed as a single consumer or as several consumers combined in a power distribution network. It is also conceivable that the power distribution network has other power generators.
  • a power requirement of the load is determined in at least one method step, for example by means of a sensor unit of the fuel cell device for measuring a voltage drop on the load or on an energy buffer of the fuel cell device.
  • a change in load is preferably monitored, in particular by means of the control unit.
  • “Load change” should preferably be understood as a short form for a change in the power requirement of the load.
  • the performance parameter is preferably set on the basis of the determined power requirement and / or the determined change in load. Ins in particular, the performance parameter is set to cover the power requirement of the load after and / or during a load change.
  • An operating state of the fuel cell device is preferably determined in at least one method step, in particular by means of the control unit.
  • an adjustment of the performance parameter depends on the determined operating state.
  • at least one operating parameter of a test group of operating parameters of the fuel cell device is preferably determined, in particular by means of the control unit. It is also conceivable that the test group includes exactly one operating parameter.
  • the test group preferably comprises at least one recovery parameter of the fuel cell unit as an operating parameter.
  • a “utilization parameter of the fuel cell unit” is to be understood in particular as a size or key figure that describes or characterizes the electrochemical utilization by the fuel cell unit. For example, a fuel utilization rate, an oxidant-fuel ratio and / or a cell voltage is determined as the recovery parameter.
  • the test group includes, as an additional operating parameter, a stack temperature of the fuel cell unit.
  • operating parameters in particular the operating parameters of the test group, are measured and / or, in particular by the control unit, derived from a mathematical model of the fuel cell device, in particular on the basis of at least one current setting of the control unit, on the basis of a logged operating course of the fuel cell device and / or on the basis of an already determined or otherwise known further operating parameter of the fuel cell device.
  • Other operating parameters include, in particular, supply and setting parameters, for example a fuel volume flow, an oxidant volume flow, a recirculation rate or the like.
  • the operating parameters of the test group are preferably compared with a respective setpoint range, in particular by means of the control unit.
  • the setpoint range can be determined by a permissible maximum value and / or permissible minimum value or by a theoretical ideal value and a permissible symmetrical or asymmetrical deviation.
  • a “regular” operating state is to be understood in particular to mean an operating state in which the value of each determined operating parameter of the test group is within of the respective setpoint range.
  • the control unit is preferably provided to maintain or achieve a regular operating state. In particular, the control unit is provided to adapt the performance characteristic in order to maintain or achieve a regular operating state.
  • the power parameter in particular the signal power parameter, is preferably controlled or regulated as a function of a power requirement of the load.
  • the determined power requirement of the load serves as a reference parameter for the power parameter, in particular the signal power parameter.
  • the control unit processes the determined power requirement to control the power parameter, in particular the signal power parameter, for example by controlling the power control element.
  • the power decoupling unit outputs a power signal that at least essentially corresponds to the power requirement of the load. “Unmodified” should in particular be understood to mean free of an intervention by the control unit that adapts a temporal value profile.
  • a temporal value profile of the power parameter in particular the signal power parameter
  • an adaptation rate of the performance parameter in particular the signal power quantity, corresponds to a load change rate. Examples of an intervention that adjusts the temporal course of values are a limitation of a maximum value, a restriction of a minimum value, a restriction of an adaptation rate, frequency filtering, in particular smoothing, formation of a moving average or the like.
  • Examples that are to be regarded as an intervention that maintains a temporal course of values include a conversion into another variable or key figure, in particular for a direct comparison with the performance parameter, a constant time delay, an inversion, a discretization, in particular digitization, a conversion into a Control variable for controlling the power control element or the like. It is conceivable that the performance parameter and / or an adaptation rate of the performance parameter are limited by absolute limit values which, in particular due to the technical components used, parasitic impedances, have a finite propagation speed of Signals and the like are given. “Essentially unmodified” is to be understood in particular to mean that the power parameter, in particular the signal power parameter, is controlled at least in time intervals in proportion to the power requirement of the load.
  • a sum of all time intervals is greater than 50%, preferably greater than 75%, particularly preferably greater than 90%, of a total duration of the regular operating state.
  • a temporal course of the value of the power parameter, in particular the signal power quantity, and a temporal course of the power requirement are proportional to each other with a time delay.
  • the configuration of the method according to the invention allows the power parameter, in particular the signal power parameter, to be adapted quickly and advantageously as a function of a power requirement of the load.
  • an energy store of the fuel cell device for buffering a load change can advantageously be avoided and / or configured with an advantageously small storage capacity.
  • the fuel cell device preferably comprises a power buffer.
  • the power buffer is preferably supplied with power generated by the fuel cell unit.
  • the power buffer is intended to convert power from the fuel cell unit.
  • the power buffer is designed as an electric heater.
  • the load is preferably supplied with power generated by the fuel cell unit in at least one process step.
  • the load and the power buffer are preferably simultaneously supplied with power generated by the fuel cell unit in at least one method step. Power is preferably redistributed between the power buffer and the load in at least one method step after and / or during a load change, in particular by means of the control unit.
  • the signal power quantity is reduced and a useful rate of the power buffer is increased, in particular by means of the control unit.
  • the signal power quantity is increased and a useful rate of the power buffer is reduced, in particular special means of the control unit.
  • the tolerance value for the useful rate of the power buffer is exceeded or exceeded, the total power size of the fuel cell unit is preferably adjusted.
  • the total power quantity is adapted to the power requirement of the load in addition to a target usage rate of the power buffer. Due to the inventive design can advantageously react quickly to a load change.
  • the signal power quantity can advantageously be adapted quickly.
  • the use of rare, toxic and / or environmentally harmful materials for an energy buffer can advantageously be kept low.
  • a fuel cell device with an advantageously large modulation range can be provided.
  • a total output size of the fuel cell unit can advantageously be kept constant over short-term and / or small fluctuations in the power requirement.
  • a target utilization rate of a power buffer of the fuel cell device is adapted in the course of a load change in at least one method step.
  • the target utilization rate of the power buffer is preferably determined by the control unit as a function of a reaction time of the fuel cell device to a change in load.
  • the target usage rate is shifted in the direction of a current usage rate of the power buffer.
  • the control unit sets the target usage rate in a lower half of an intended value range for the usage rate if the signal power quantity is set to a value in an upper half of an intended value range for the signal power quantity.
  • control unit sets the target usage rate in an upper half of the intended value range for the usage rate when the signal power quantity is set to a value in a lower half of the intended value range for the signal power quantity. It is also conceivable that the target utilization rate is matched to a maximum power requirement of the load. Preferably, a maximum value for the target utilization rate of the power buffer is less than a maximum value for the total power size of the fuel cell unit generated, in particular less than a maximum value for the power requirement of the load. Due to the configuration according to the invention, one of the Power buffer catchable fluctuation range of the power requirement of the load can advantageously be made large.
  • a grid-side energy buffer be charged or discharged in at least one method step.
  • the energy buffer is preferably arranged between the power decoupling unit and the load, in particular a power distribution network of the load.
  • the energy buffer is designed as an electrical energy buffer, for example as an accumulator, as a supercapacitor or the like. Due to the configuration according to the invention, an adaptation of the performance parameter can advantageously be carried out with a time delay.
  • the operating parameters can advantageously be adjusted slowly.
  • a complex monitoring of the operating parameters can advantageously be made low or completely avoided.
  • a load change rate can advantageously be damped before processing by the control unit.
  • the control unit advantageously determined a delayed effective load change.
  • an adjustment of the performance parameter is carried out at the latest after an essentially completed adjustment of an operating parameter of the fuel cell device.
  • at least one operating parameter of the fuel cell device that is designed as a supply and setting parameter is preferably adapted.
  • the operating parameter is adapted in order to enable a regular operating state with a performance parameter to be adapted as a function of the load change.
  • a fuel volumetric flow, an oxidant volumetric flow, a recirculation rate or the like is adapted in order to enable a regular operating state with the performance parameter to be adapted.
  • the performance parameter is preferably adjusted while the operating parameter is being adjusted.
  • an “essentially completed adjustment” of a size is to be understood as an adjustment of a value of the size, in which an absolute value of a ratio of a difference between a current value of the size and a target value for the size to a difference of the current value and one Baseline of size Immediately before the adjustment is less than 1/3, preferably less than 1, particularly preferably less than 3.
  • the signal power variable is preferably adjusted, for example by means of the power buffer, before or during the adjustment of the operating parameter.
  • the total output variable is preferably adapted during and / or at the latest after the substantially completed adjustment of the operating parameter. In particular, an adaptation of the overall performance parameter starts during and / or at the latest after the essentially completed adjustment of the operating parameter.
  • an adjustment of the signal power quantity starts before and / or during the essentially completed adjustment of the operating parameter. It is conceivable that an adaptation of the total power quantity and / or signal power quantity is only at least essentially completed at a point in time after the substantially completed adaptation of the operating parameter.
  • a system-related dead time due to a reaction time of the fuel cell device to a change in load and / or an adaptation of an operating parameter can advantageously be kept low by the configuration according to the invention.
  • a storage capacity of an energy buffer and / or a power capacity of a power buffer for bridging the dead time can advantageously be kept low.
  • an adaptation of the performance parameter depending on an adaptation of at least one determined operating parameter of the fuel cell device is controlled, in particular regulated.
  • the performance parameter is controlled as a function of an adaptation of at least one supply and setting parameter of the fuel cell device.
  • a setpoint value for the operating parameter, in particular for the supply and setting parameters is preferably determined from the determined change in load.
  • the operating parameters of the test group are monitored when the operating parameters are adjusted, in particular when the setpoint is reached.
  • An adjustment of the performance parameter is preferably controlled or regulated as a function of an operating parameter of the test group.
  • An adaptation of the performance parameter as a function of fuel use and / or an oxidant-fuel ratio of the fuel cell unit is particularly preferably controlled or regulated.
  • the performance tion parameter as a manipulated variable in order to keep the operating parameters of the test group constant up to a tolerance value when the operating parameters, in particular the supply and setting parameters, are adapted. Due to the configuration according to the invention, the fuel cell device can be kept in a regular operating state prior to geous during an entire period of adjustment of the performance characteristic and / or the operating parameter.
  • an adaptation rate of the performance parameter to a load change is limited in terms of control technology.
  • An “irregular operating state” should in particular be understood to mean an operating state in which at least one operating parameter of the test group lies outside the associated setpoint range.
  • the rate of adaptation of the total power quantity is preferably limited in terms of control technology.
  • the control unit specifies a maximum value for the absolute value of the adaptation rate. It is conceivable that an absolute value of the adaptation rate of the signal power quantity, for example by means of the power buffer, is greater than the maximum value for the absolute value of the total power quantity.
  • a limitation of the adaptation rate, in particular delayed and / or stepwise, is preferably lifted when a regular operating state is reached.
  • the inventive configuration can advantageously prevent the operating state from drifting into a region which is harmful to the fuel cell device.
  • the operating parameters of the test group can advantageously be kept close to an ideal value.
  • a maximum value of the adaptation rate of the performance parameter is smaller than a current adaptation rate of an operating parameter of the fuel cell device that corrects the irregular operating state.
  • the operating parameter which corrects the irregular operating state is preferably designed as a supply and setting parameter.
  • the test group is preferably a function of the performance parameter and at least of the operating parameter designed as a supply and setting parameter. In particular, the Test group on a net adaptation rate, which is dependent on the adaptation rate of the performance parameter and the adaptation rate of the operating parameter designed as a supply and setting parameter.
  • an adaptation rate of the performance parameter is smaller than an adaptation rate of an operating parameter
  • an adaptation rate of the performance parameter is to be understood in particular to mean that an effect of the adaptation rate of the performance parameter on the net adaptation rate of the test group is smaller than an effect of the adaptation rate of the operating parameter.
  • a temporal course of values of the test group develops towards a setpoint range due to the net adaptation rate.
  • the maximum value of the adaptation rate of the performance parameter depends on which operating parameter of the test group lies outside the respective setpoint range.
  • an operating parameter of the fuel cell device designed as fuel use, as an oxidant-fuel ratio and / or as a cell voltage is ascertained to adapt the performance parameter.
  • “Fuel use” is to be understood in particular to mean a difference between a quantity of fuel entering the fuel cell unit and a quantity of fuel emerging from the fuel cell unit, in particular in relation to the quantity of fuel entering the fuel cell unit.
  • a quantity of fuel is determined in particular in each case as a volume, volume fraction, volume flow, mass, mass fraction and / or mass flow or the like. It is also conceivable that the use of fuel is determined via a portion of a combustion product of the electrochemical utilization in an exhaust gas of the fuel cell unit.
  • an “oxidant-fuel ratio” should preferably be understood to mean the mass ratio of the fuel to the oxidant within the fuel cell unit.
  • the oxidant-fuel ratio is determined as a carbon-oxygen ratio or as a hydrogen-oxygen ratio. It is also conceivable that the oxidant-fuel ratio is determined via a portion of a combustion product of the electrochemical utilization in an exhaust gas of the fuel cell unit.
  • the cell voltage is preferably the total voltage of the fuel cell unit due to the electrochemical recycling trained. However, it is also conceivable that the voltage of individual stack assemblies, individual stacks and / or individual fuel cells of the fuel cell unit are used as cell voltage due to the electrochemical utilization.
  • the operating parameters formed as fuel use, as oxidant-fuel ratio and / or as cell voltage are monitored when the performance parameter is adjusted.
  • at least one, preferably all, of the operating parameters designed as fuel use, oxidant-fuel ratio and / or cell voltage are part of the test group. Due to the configuration according to the invention, the fuel cell device can be operated in the regular operating state with advantageously little wear. In particular, the fuel cell device can be operated in the regular operating state with an advantageously low risk of damage. In particular, the fuel cell device in the regular operating state can advantageously be operated effectively and / or efficiently.
  • the control unit comprises a storage element, on which model data about the load are stored.
  • Model data can include, for example, a mathematical model, a load profile specified by a user, a load profile recorded and / or statistically determined by the control unit, or the like.
  • the control unit evaluates the model data stored on the storage element in order to determine, in particular to predict, a point in time and / or an extent of a load change.
  • the control unit adjusts at least one operating parameter, in particular a supply and setting parameter, before the determined time of the load change.
  • the total power quantity in particular together with the target utilization rate of the power buffer, is adjusted before the determined time of the load change.
  • the configuration according to the invention advantageously allows an operating state of the fuel cell device to be preset to a change in load. In particular, a subsequent reaction of the fuel cell device to a change in load can advantageously be small.
  • a fuel cell device in particular high-temperature fuel cell device, is proposed with at least one control unit for carrying out a method according to the invention.
  • the fuel cell device preferably comprises at least the fuel cell unit for generating electrical power.
  • the fuel cell unit is preferably designed as a high-temperature fuel cell unit, in particular as a solid oxide fuel cell unit.
  • the fuel is preferably formed as hydrogen and / or natural gas.
  • the oxidant is preferably formed as ambient air.
  • the fuel cell unit preferably comprises at least one membrane electrode assembly (MEA).
  • the fuel cell unit comprises at least one oxide electrode, in particular for contact with the oxidant, a fuel electrode, in particular for contact with the fuel, and at least one electrolyte layer arranged between the fuel electrode and the oxidant electrode.
  • the membrane-electrode unit is preferably supported by metal. However, it is also conceivable for the membrane-electrode unit to be ceramic-supported, anode-based, electrolyte-based or cathode-based.
  • the fuel cell device preferably comprises at least one fuel supply line, at least one oxidant supply line, at least one exhaust gas line from the fuel electrode and / or at least one recirculation line.
  • the recirculation line is preferably designed as a fuel recirculation line.
  • the recirculation line connects the exhaust line to the fuel supply line.
  • the fuel cell device preferably comprises at least one fuel delivery element, an oxidant delivery element and / or a recirculation delivery element, in particular for setting a fuel volume flow, a fuel mass flow, an oxidant volume flow, an oxidant mass flow and / or a recirculation rate.
  • the fuel cell device comprises at least one power decoupling unit for providing electrical power generated by the fuel cell unit.
  • the power decoupling unit preferably comprises at least one power control element for setting the power parameter.
  • the power decoupling unit comprises at least one processing element for manipulating an output form of the power signal, such as an inverter, a DC voltage converter or the like.
  • the fuel cell protector preferably comprises towards at least one power buffer, especially an electric heater.
  • the fuel cell device comprises an energy buffer, in particular an accumulator, a supercapacitor or the like.
  • the control unit is provided to control or regulate the power output coupling unit, the fuel delivery element, the oxidant delivery element and / or the recirculation delivery element, in particular to maintain and / or achieve a regular operating state of the fuel cell device.
  • a fuel cell device can be provided which can advantageously react flexibly and / or advantageously quickly to a change in load.
  • a fuel cell device with an advantageously small energy buffer can be provided. It is conceivable that the fuel cell device comprises at least one sensor unit for determining at least one operating parameter.
  • the method and / or the fuel cell device according to the invention should / should not be limited to the application and embodiment described above.
  • the method according to the invention and / or the fuel cell device according to the invention can have a number that differs from a number of individual elements, components and units, as well as method steps, to fulfill a function described herein.
  • values lying within the limits mentioned are to be regarded as disclosed and used as desired.
  • Fig. 1 is a schematic representation of an inventive
  • Fig. 2 is a schematic representation of a method according to the invention.
  • FIG. 1 shows a fuel cell device 12.
  • the fuel cell device 12 comprises at least one control unit 26.
  • the control unit 26 is provided for carrying out a method 10, which is shown in particular in FIG. 2.
  • the fuel cell device 12 is preferably designed as a high-temperature fuel cell device, in particular as a solid oxide fuel cell device.
  • the fuel cell device 12 preferably comprises at least one fuel cell unit 28, in particular a high-temperature fuel cell unit, preferably a solid oxide fuel cell unit.
  • the fuel cell unit 28 preferably comprises a plurality of fuel cells, stacks or assemblies of stacks. For the sake of clarity, the fuel cell unit 28 is shown here as a single membrane electrode unit.
  • the fuel cell unit 28 comprises at least one oxide electrode 30.
  • the fuel cell unit 28 preferably comprises at least one fuel electrode 32.
  • the fuel electrode 32 and the oxidant electrode 30 are arranged separated from one another by an electrolyte layer 34.
  • the oxidant electrode 30 functions as the cathode in an operation of the fuel cell device 12.
  • the fuel electrode 32 preferably functions as an anode when the fuel cell device 12 is in operation.
  • the fuel cell device 12 preferably comprises at least one fuel supply line 36, in particular for supplying the fuel cell unit 28 with a fuel.
  • the fuel supply line 36 is fluidly connected to the fuel electrode 32.
  • a fuel delivery element 38 is preferably arranged in the fuel supply line 36, in particular for setting a fuel volume flow and / or a nes fuel mass flow to the fuel cell unit 28.
  • the fuel cell device 12 comprises a reformer 40, in particular for reforming the fuel before entering the fuel cell unit 28.
  • the reformer 40 is arranged in the fuel supply line 36.
  • the fuel cell device 12 preferably comprises at least one exhaust gas duct 42.
  • the exhaust gas duct 42 is preferably connected to the fuel electrode 32 in terms of fluid technology.
  • the fuel cell device 12 preferably comprises at least one further exhaust gas duct 44.
  • the further exhaust gas duct 44 is fluidly connected to the oxidant electrode 30.
  • the fuel cell device 12 preferably comprises at least one recirculation line 46.
  • the recirculation line 46 is provided for partially recirculating a fuel electrode exhaust gas into the fuel supply line 36, in particular into the reformer 40.
  • the fuel cell device 12 preferably comprises at least one recirculation conveyor element 48, in particular for setting a volume flow and / or a mass flow through the recirculation line 46.
  • the recirculation conveyor element 48 is provided for setting a recirculation rate.
  • the fuel cell device 12 preferably comprises at least one oxidant supply line 50, in particular for supplying the fuel cell unit 28 with an oxidant.
  • the oxidant feed line 50 is fluidly connected to the oxidant electrode 30.
  • An oxidant delivery element 52 is preferably arranged in the oxidant supply line 50, in particular for setting an oxidant volume flow and / or an oxidant mass flow to the fuel cell unit 28.
  • the fuel cell device 12 comprises at least one power decoupling unit 54 for providing electrical power generated by the fuel cell unit 28.
  • the power decoupling unit 54 is provided for electrically connecting the fuel cell device 12 to a load 14.
  • the load 14 comprises a load distribution network with several power consumers and power generators.
  • the fuel cell device 12 preferably comprises an energy buffer 60, in particular an accumulator, a super capacitor or the like.
  • the energy buffer 60 is electrically connected on the load side to the power decoupling unit 54.
  • the power decoupling unit 54 comprises at least one power control element 56, in particular for adapting a performance characteristic 22 of the fuel cell device 12.
  • the power decoupling unit 54 preferably comprises at least one conditioning element 58, in particular an inverter.
  • the fuel cell device 12 preferably comprises at least one power buffer 20, in particular an electric heater.
  • the control unit 26 is provided to control or regulate the power decoupling unit 54, the fuel delivery element 38, the oxidant delivery element 52 and / or the recirculation delivery element 48.
  • a power parameter of the fuel cell device 12 designed as a total power parameter describes a power produced by the fuel cell unit 28.
  • the power control element 56 is provided for setting the overall power parameter, in particular via an adjustable electrical resistance.
  • a power parameter of the fuel cell device 12 designed as a signal power quantity describes a portion of the power produced that is output by the power decoupling unit 54.
  • FIG. 2 shows the method 10 for operating the fuel cell device 12.
  • at least the performance parameter, in particular the signal power quantity, of the fuel cell device 12 is controlled in accordance with the load 14.
  • an at least substantially unmodified power requirement of the load 14 is used as a guide variable for adapting the performance characteristic variable 22.
  • the load change 16 is preferably intercepted by the energy buffer 60 in a buffer step 64.
  • a network-side energy buffer 60 is loaded or unloaded.
  • the energy buffer 60 is discharged when the power requirement of the load 14 increases.
  • the energy buffer 60 is loaded when the power requirement of the load 14 is reduced.
  • a power redistribution 18 is carried out within the fuel cell device 12 when the load changes 16.
  • power is redistributed between the load 14 and the power buffer 20.
  • a utilization rate of the power tion buffer 20 increases and the performance indicator decreases.
  • Unloading or charging of the energy buffer 60 by the power redistribution 18 is preferably at least slowed, preferably stopped and / or reversed.
  • the power parameter of the fuel cell device 12, which is designed as a signal power variable is controlled by means of the power buffer 20 following the load 14.
  • the energy buffer 60 is provided to bridge a redistribution time of the power redistribution 18.
  • the load change 16 is preferably determined in an operation determination step 62, for example via a voltage drop across the load 14 or at the energy buffer 60 and / or via a discrepancy between the target usage rate and the utilization rate of the power buffer 20.
  • a target value for the Total output size determined.
  • the target value for the total power quantity covers a power requirement of the load 14 plus a target usage rate for the power buffer 20.
  • the target utilization rate of the power buffer 20 of the fuel cell device 12 is adjusted in the course of the load change 16. In particular, the target usage rate is shifted in the direction of the current usage rate.
  • the operation determination step 62 it is preferably checked whether all the operating parameters of a test group are in a respective desired value range when a desired value for the total power quantity is set.
  • an operating parameter of the fuel cell device 12 designed as fuel use, as an oxidant-fuel ratio and / or as a cell voltage, is determined in order to adapt the performance parameter 22.
  • the operating parameters designed as fuel use, oxidant-fuel ratio and / or cell voltage are part of the test group.
  • an adjustment of the total power variable 66 is carried out in particular.
  • at least one essentially unmodified power requirement of the load 14 is used as a guide variable for the adaptation of the total power variable 66.
  • an optional adjustment of an operating parameter 24 can be carried out in an operation optimization step 72 after or during the adjustment of the total power variable 66.
  • an operating parameter designed as a supply and setting parameter is adapted.
  • the optional adjustment of the operating parameter 24 during the operation optimization step 72 is provided to lead an actual value of the test group from an edge section of the corresponding target value range to an average and / or ideal value of the target value range.
  • a necessary adjustment of an operating parameter 24 is preferably carried out.
  • at least one target value for an operating parameter of the fuel cell device 12, which is designed as a supply and setting parameter is determined in the operation determination step 62.
  • the setpoint for the operating parameter designed as a supply and setting parameter is determined as a function of the setpoint for the total power quantity.
  • the control unit 26 selects a setpoint value for the operating parameter designed as a supply and setting parameter, which together with the setpoint value for the total output quantity results in a regular operating state.
  • a flow generated by the fuel delivery element 38, by the Oxidans originally element 52 and / or by the recirculation delivery element 48 is adjusted in the necessary adjustment of the operating parameter 24.
  • a band control step 68 an adjustment of the performance parameter 22 is carried out at the latest after the substantially completed adjustment of the operating parameter 24 of the fuel cell device 12.
  • the total power quantity is carried out simultaneously or overlapping in time with the necessary adjustment of the operating parameter 24.
  • an adaptation of the performance parameter 22, in particular the overall performance variable is controlled, in particular regulated, as a function of the adaptation of at least one determined operating parameter 24 of the fuel cell device 12.
  • an effect of an adaptation of the operating parameter 24 on the test group is monitored.
  • the total output variable is used as a manipulated variable in order to keep the test group in the respective setpoint range.
  • the total power quantity preferably follows the load change 16 during the band control step 68 at least within the value band specified by the test group. If the total power quantity leaves the value band specified by the test group, the fuel cell device 12 changes to an irregular operating state. In at least one irregular operating state of the fuel cell device 12, an adaptation rate of the performance parameter to a load change 16 is limited in terms of control technology. In at least one irregular operating state, a maximum value of the adaptation rate of the performance characteristic is smaller than a current adaptation rate of an operating parameter of the fuel cell device 12 that corrects the irregular operating state.
  • model data of the load 14 is evaluated in a prediction step 70.
  • the control unit 26 uses the model data to determine a point in time and / or an amplitude of an expected load change 16 ′.
  • an adaptation of at least one operating parameter 24 of the fuel cell device 12 is carried out before an expected load change 16 ′.
  • at least one operating parameter is matched to the expected load change 16 ′. It is conceivable that the total power size, in particular together with the use rate of the power buffer 20, is additionally matched to the expected change in load 16 '.

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Abstract

Die Erfindung geht aus von Verfahren zu einem Betrieb einer Brennstoffzellenvorrichtung, insbesondere einer Hochtemperaturbrennstoffzellenvorrichtung, wobei in zumindest einem Verfahrensschritt zumindest eine Leistungskenngröße der Brennstoffzellenvorrichtung einer Last (14) folgend gesteuert wird. Es wird vorgeschlagen, dass in zumindest einem regulären Betriebszustand der Brennstoffzellenvorrichtung ein zumindest im Wesentlichen unmodifizierter Leistungsbedarf der Last (14) als Führungsgröße für eine Anpassung der Leistungskenngröße (22) verwendet wird.

Description

Beschreibung
Verfahren zu einem Betrieb einer Brennstoffzellenvorrichtung
Stand der Technik
Die Druckschrift US 2011/0076576 Al beschreibt bereits ein Verfahren zu einem Betrieb einer Brennstoffzellenvorrichtung, insbesondere einer Hochtemperatur brennstoffzellenvorrichtung, wobei in zumindest einem Verfahrensschritt zumin dest eine Leistungskenngröße der Brennstoffzellenvorrichtung einer Last folgend gesteuert wird.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zu einem Betrieb einer Brennstoff zellenvorrichtung, insbesondere einer Hochtemperaturbrennstoffzellenvorrich tung, wobei in zumindest einem Verfahrensschritt zumindest eine Leistungs kenngröße der Brennstoffzellenvorrichtung einer Last folgend gesteuert wird.
Es wird vorgeschlagen, dass in zumindest einem regulären Betriebszustand der Brennstoffzellenvorrichtung ein zumindest im Wesentlichen unmodifizierter Leis tungsbedarf der Last als Führungsgröße für eine Anpassung der Leistungskenn größe verwendet wird. Vorzugsweise umfasst die Brennstoffzellenvorrichtung zumindest eine Brennstoffzelleneinheit zu einer Erzeugung einer elektrischen Leistung. Vorzugsweise umfasst die Brennstoffzellenvorrichtung Zusatzelemente zu einem Betrieb der Brennstoffzelleneinheit, wie beispielsweise eine Brennstoff zufuhrleitung, eine Oxidanszufuhrleitung, eine Abgasleitung, eine Rezirkulations- leitung, ein Förderelement zu einer Förderung des Brennstoffs, des Oxidans und/oder des Abgases, einen Nachbrenner, einen Reformer, einen Wärmeüber trager zu einer Abgaswärmerückgewinnung, einen elektrischen Startheizer und/oder weitere einem Fachmann als sinnvoll erscheinende Zusatzelemente zu einem Betrieb zumindest einer Brennstoffzelleneinheit, insbesondere einer Hoch temperaturbrennstoffzelleneinheit. Vorzugsweise umfasst die Brennstoffzellen vorrichtung zumindest eine Steuereinheit zu einer Steuerung oder Regelung des Betriebs der Brennstoffzelleneinheit, insbesondere mittels der Zusatzelemente.
Unter einer„Brennstoffzelleneinheit“ soll insbesondere zumindest ein Teil, insbe sondere eine Unterbaugruppe, einer Brennstoffzelle verstanden werden. Insbe sondere kann die Brennstoffzelleneinheit auch die gesamte Brennstoffzelle, ei nen Stack aus Brennstoffzellen und/oder einen Verbund mehrerer Stacks aus Brennstoffzellen umfassen. Vorzugsweise ist die Brennstoffzelleneinheit als Hochtemperaturbrennstoffzelleneinheit mit zumindest einer Hochtemperatur brennstoffzelle, insbesondere zumindest einer Festoxidbrennstoffzelle und/oder einer Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle, ausgebildet. Es ist auch denkbar, dass die Brennstoffzellenvorrichtung mehrere Brennstoffzelleneinheiten mit Brenn stoffzellen unterschiedlichen Typs umfasst. Vorzugsweise ist die Brennstoffzel leneinheit dazu vorgesehen, einen Brennstoff unter Zuführung eines Oxidans in einem elektrochemischen Prozess zu einer elektrischen Energiegewinnung zu verwerten. Unter„vorgesehen“ soll insbesondere speziell eingerichtet, speziell programmiert, speziell ausgelegt und/oder speziell ausgestattet verstanden wer den. Darunter, dass ein Objekt zu einer bestimmten Funktion vorgesehen ist, soll insbesondere verstanden werden, dass das Objekt diese bestimmte Funktion in zumindest einem Anwendungs- und/oder Betriebszustand erfüllt und/oder aus führt.
Insbesondere umfasst die Brennstoffzellenvorrichtung zumindest eine Leistungs auskopplungseinheit zu einer Bereitstellung einer durch die Brennstoffzellenein heit erzeugten elektrischen Leistung. Insbesondere gibt die Leistungsauskopp lungseinheit in zumindest einem Verfahrensschritt ein Leistungssignal aus, ins besondere zu einer Aufnahme der erzeugten elektrischen Leistung durch die Last. Vorzugsweise beschreibt oder charakterisiert die Leistungskenngröße der Brennstoffzellenvorrichtung das Leistungssignal und/oder eine von der Brenn stoffzelleneinheit bereitgestellte Leistung. Sofern zwischen der Leistungskenn größe für das Leistungssignal und der Leistungskenngröße für die von der Brennstoffzelleneinheit bereitgestellte Leistung unterschieden wird, wird die Leis- tungskenngröße für das Leistungssignal als Signalleistungsgröße und die Leis tungskenngröße für die von der Brennstoffzelleneinheit bereitgestellte Leistung als Gesamtleistungsgröße bezeichnet. Insbesondere ist ein Wert der Gesamtleis tungsgröße stets größer oder, insbesondere bis auf ungewollte Verluste, gleich einem Wert der Signalleistungsgröße. Darüber hinaus ist es denkbar, dass ein Teil der Gesamtleistungsgröße zu einem Eigenverbrauch durch die Brennstoff zellenvorrichtung, beispielsweise zum Betrieb eines Förderelements, aufgewandt wird.
Vorzugsweise ist die Leistungskenngröße als elektrische Leistung, als Stromstär ke, als Effektivwert einer Stromstärke, als Amplitude einer Stromstärke oder der gleichen ausgebildet. Vorzugsweise umfasst die Leistungsauskopplungseinheit zumindest ein Leistungskontrollelement zu einer Einstellung der Leistungskenn größe. Insbesondere wird gleichzeitig oder nachgelagert zu einer Anpassung der Signalleistungsgröße die Gesamtleistungsgröße angepasst. Beispielsweise ist das Leistungskontrollelement als einstellbarer Stromteiler oder als einstellbarer elektrischer Widerstand ausgebildet.
Unter der„Last folgend“ soll insbesondere von einem elektrischen Leistungsbe darf der Last abhängig verstanden werden. Insbesondere wird die Leistungs kenngröße angepasst, um den elektrischen Leistungsbedarf der Last zu decken. Die Last kann als einzelner Verbraucher oder als mehrere in einem Leistungsver teilungsnetzwerk zusammengeschlossene Verbraucher ausgebildet sein. Es ist auch denkbar, dass das Leistungsverteilungsnetzwerk weitere Leistungserzeuger aufweist. Insbesondere wird in zumindest einem Verfahrensschritt ein Leistungs bedarf der Last ermittelt, beispielsweise mittels einer Sensoreinheit der Brenn stoffzellenvorrichtung zu einer Messung eines Spannungsabfalls an der Last oder an einem Energiepuffer der Brennstoffzellenvorrichtung. Vorzugsweise wird eine Laständerung überwacht, insbesondere mittels der Steuereinheit. Vorzugsweise soll„Laständerung“ als Kurzform für eine Änderung des Leistungsbedarfs der Last verstanden werden. Beispielsweise wird zu einer Ermittlung des Leistungs bedarfs der Last, insbesondere einer Laständerung, ein Spannungsabfall über der Last gemessen. Vorzugsweise wird anhand des ermittelten Leistungsbedarfs und/oder der ermittelten Laständerung die Leistungskenngröße eingestellt. Ins- besondere wird die Leistungskenngröße zu einer Deckung des Leistungsbedarfs der Last nach und/oder während einer Laständerung eingestellt.
Vorzugsweise wird in zumindest einem Verfahrensschritt ein Betriebszustand der Brennstoffzellenvorrichtung ermittelt, insbesondere mittels der Steuereinheit. Ins besondere ist eine Anpassung der Leistungskenngröße abhängig von dem ermit telten Betriebszustand. Vorzugsweise wird zu einer Ermittlung des Betriebszu stands zumindest ein Betriebsparameter einer Prüfgruppe von Betriebsparameter der Brennstoffzellenvorrichtung ermittelt, insbesondere mittels der Steuereinheit. Es ist auch denkbar, dass die Prüfgruppe genau einen Betriebsparameter um fasst. Vorzugsweise umfasst die Prüfgruppe zumindest einen Verwertungspara meter der Brennstoffzelleneinheit als Betriebsparameter. Unter einem„Verwer tungsparameter der Brennstoffzelleneinheit“ soll insbesondere eine Größe oder Kennzahl verstanden werden, die die elektrochemische Verwertung durch die Brennstoffzelleneinheit beschreibt oder charakterisiert. Beispielweise wird als Verwertungsparameter ein Brennstoffnutzungsgrad, ein Oxidans- Brennstoff- Verhältnis und/oder eine Zellspannung ermittelt. Beispielsweise umfasst die Prüfgruppe als Betriebsparameter, insbesondere zusätzlich, eine Stacktempera tur der Brennstoffzelleneinheit. Insbesondere werden Betriebsparameter, insbe sondere die Betriebsparameter der Prüfgruppe, gemessen und/oder, insbesonde re von der Steuereinheit, aus einem mathematischen Modell der Brennstoffzel lenvorrichtung abgeleitet, insbesondere anhand von zumindest einer aktuellen Einstellung der Steuereinheit, anhand von einem protokollierten Betriebsverlauf der Brennstoffzellenvorrichtung und/oder anhand von einem bereits ermittelten oder anderweitig bekannten weiteren Betriebsparameter der Brennstoffzellenvor richtung. Weitere Betriebsparameter umfassen insbesondere Versorgungs- und Einstellungsparameter, beispielsweise einen Brennstoffvolumenstrom, einen Oxidansvolumenstrom, eine Rezirkulationsrate oder dergleichen. Vorzugsweise werden die Betriebsparameter der Prüfgruppe mit einem jeweiligen Sollwertbe reich verglichen, insbesondere mittels der Steuereinheit. Insbesondere kann der Sollwertbereich durch einen zulässigen Maximalwert und/oder zulässigen Mini malwert festgelegt sein oder durch einen theoretischen Idealwert und eine zuläs sige symmetrische oder asymmetrische Abweichung. Unter einem„regulären“ Betriebszustand soll insbesondere ein Betriebszustand verstanden werden, bei welchem der Wert jedes ermittelten Betriebsparameters der Prüfgruppe innerhalb des jeweiligen Sollwertbereichs liegt. Vorzugsweise ist die Steuereinheit dazu vorgesehen, einen regulären Betriebszustand aufrecht zu erhalten oder zu errei chen. Insbesondere ist die Steuereinheit dazu vorgesehen, die Leistungskenn größe anzupassen, um einen regulären Betriebszustand aufrecht zu erhalten oder zu erreichen.
Vorzugsweise wird die Leistungskenngröße, insbesondere die Signalleistungs größe, in Abhängigkeit von einem Leistungsbedarf der Last gesteuert oder gere gelt. Insbesondere dient der ermittelte Leistungsbedarf der Last als Führungs größe für die Leistungskenngröße, insbesondere die Signalleistungsgröße. Ins besondere verarbeitet die Steuereinheit den ermittelten Leistungsbedarf zu einer Steuerung der Leistungskenngröße, insbesondere der Signalleistungsgröße, bei spielsweise über eine Steuerung des Leistungskontrollelements. Insbesondere gibt die Leistungsauskopplungseinheit ein Leistungssignal aus, das zumindest im Wesentlichen dem Leistungsbedarf der Last entspricht. Unter„unmodifizierf soll insbesondere frei von einem einen zeitlichen Werteverlauf anpassenden Eingriff der Steuereinheit verstanden werden. Insbesondere ist ein zeitlicher Werteverlauf der Leistungskenngröße, insbesondere der Signalleistungsgröße, proportional zu einem zeitlichen Werteverlauf des Leistungsbedarfs, insbesondere über einen vollständigen vorgesehenen Wertebereich für die Leistungskenngröße, insbe sondere der Signalleistungsgröße. Insbesondere entspricht eine Anpassungsrate der Leistungskenngröße, insbesondere der Signalleistungsgröße, einer Lastän derungsrate. Beispiele für einen zeitlichen Werteverlauf anpassenden Eingriff sind eine Beschränkung eines Maximalwerts, eine Beschränkung eines Minimal werts, eine Beschränkung einer Anpassungsrate, eine Frequenzfilterung, insbe sondere Glättung, eine Bildung eines gleitenden Durchschnitts oder dergleichen. Beispiele die als ein einen zeitlichen Werteverlauf erhaltenden Eingriff gelten sollen, umfassen eine Umrechnung in eine andere Größe oder Kennzahl, insbe sondere zu einem direkten Vergleich mit der Leistungskenngröße, eine konstante Zeitverzögerung, eine Invertierung, eine Diskretisierung, insbesondere Digitalisie rung, eine Umwandlung in eine Stellgröße zu einer Ansteuerung des Leistungs kontrollelements oder dergleichen. Es ist denkbar, dass die Leistungskenngröße und/oder eine Anpassungsrate der Leistungskenngröße durch absolute Grenz werte beschränkt sind, die insbesondere durch die verwendeten technischen Bauteile, parasitäre Impedanzen, eine endliche Ausbreitungsgeschwindigkeit von Signalen und dergleichen gegeben sind. Unter em Wesentlichen unmodifiziert“ soll insbesondere verstanden werden, dass die Leistungskenngröße, insbeson dere die Signalleistungsgröße, zumindest in Zeitintervallen proportional zu dem Leistungsbedarf der Last gesteuert wird. Insbesondere ist eine Summe aller Zeit intervalle größer als 50 %, vorzugsweise größer als 75 %, besonders bevorzugt größer als 90 %, einer Gesamtdauer des regulären Betriebszustands. Darüber hinaus ist es denkbar, dass ein zeitlicher Werteverlauf der Leistungskenngröße, insbesondere der Signalleistungsgröße, und ein zeitlicher Werteverlauf des Leis tungsbedarfs zeitverzögert zueinander proportional sind.
Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Verfahrens kann eine Anpas sung der Leistungskenngröße, insbesondere der Signalleistungsgröße, in Ab hängigkeit von einem Leistungsbedarf der Last vorteilhaft schnell erfolgen. Ins besondere kann ein Energiespeicher der Brennstoffzellenvorrichtung zu einer Pufferung einer Laständerung vorteilhaft vermieden werden und/oder mit einer vorteilhaft kleinen Speicherkapazität ausgestaltet werden.
Weiter wird vorgeschlagen, dass in zumindest einem Verfahrensschritt bei einer Laständerung eine Leistungsumverteilung innerhalb der Brennstoffzellenvorrich tung durchgeführt wird. Vorzugsweise umfasst die Brennstoffzellenvorrichtung einen Leistungspuffer. Vorzugsweise wird in zumindest einem Verfahrensschritt der Leistungspuffer mit von der Brennstoffzelleneinheit erzeugter Leistung ver sorgt. Insbesondere ist der Leistungspuffer dazu vorgesehen, Leistung von der Brennstoffzelleneinheit umzusetzen. Beispielsweise ist der Leistungspuffer als elektrischer Heizer ausgebildet. Vorzugsweise wird in zumindest einem Verfah rensschritt die Last mit von der Brennstoffzelleneinheit erzeugter Leistung ver sorgt. Vorzugsweise werden in zumindest einem Verfahrensschritt die Last und der Leistungspuffer gleichzeitig mit von der Brennstoffzelleneinheit erzeugter Leistung versorgt. Vorzugsweise wird in zumindest einem Verfahrensschritt nach und/oder während einer Laständerung Leistung zwischen dem Leistungspuffer und der Last umverteilt, insbesondere mittels der Steuereinheit. Insbesondere wird bei einem fallenden Leistungsbedarf der Last die Signalleistungsgröße ge senkt und eine Nutzrate des Leistungspuffers erhöht, insbesondere mittels der Steuereinheit. Insbesondere wird bei einem ansteigenden Lastbedarf die Signal leistungsgröße erhöht und eine Nutzrate des Leistungspuffers gesenkt, insbe- sondere mitels der Steuereinheit. Vorzugsweise wird bei einer Über- oder Über schreitung eines Toleranzwerts für die Nutzrate des Leistungspuffers die Ge samtleistungsgröße der Brennstoffzelleneinheit angepasst. Insbesondere wird die Gesamtleistungsgröße an den Leistungsbedarf der Last zusätzlich zu einer Soll nutzrate des Leistungspuffers angepasst. Durch die erfindungsgemäße Ausge staltung kann vorteilhaft schnell auf eine Laständerung reagiert werden. Insbe sondere kann die Signalleistungsgröße vorteilhaft schnell angepasst werden. Insbesondere kann eine Verwendung von seltenen, toxischen und/oder umwelt schädlichen Materialen für einen Energiepuffer vorteilhaft gering gehalten wer den. Insbesondere kann eine Brennstoffzellenvorrichtung mit einem vorteilhaft großen Modulationsbereich bereitgestellt werden. Insbesondere kann eine Ge samtleistungsgröße der Brennstoffzelleneinheit gegenüber kurzzeitigen und/oder kleinen Schwankungen des Leistungsbedarfs vorteilhaft konstant gehalten wer den.
Weiterhin wird vorgeschlagen, dass in zumindest einem Verfahrensschrit eine Sollnutzrate eines Leistungspuffers der Brennstoffzellenvorrichtung im Zuge einer Laständerung angepasst wird. Vorzugsweise wird die Sollnutzrate des Leis tungspuffers abhängig von einer Reaktionszeit der Brennstoffzellenvorrichtung auf eine Laständerung von der Steuereinheit festgelegt. Vorzugsweise wird, ins besondere nach einer Leistungsumverteilung, die Sollnutzrate in Richtung einer aktuellen Nutzrate des Leistungspuffers verschoben. Insbesondere stellt die Steuereinheit die Sollnutzrate in einer unteren Hälfte eines vorgesehenen Wer tebereichs für die Nutzrate ein, wenn die Signalleistungsgröße auf einen Wert in einer oberen Hälfte eines vorgesehenen Wertebereichs für die Signalleistungs größe eingestellt ist. Insbesondere stellt die Steuereinheit die Sollnutzrate in ei ner oberen Hälfte des vorgesehenen Wertebereichs für die Nutzrate ein, wenn die Signalleistungsgröße auf einen Wert in einer unteren Hälfte des vorgesehen Wertebereichs für die Signalleistungsgröße eingestellt ist. Es ist auch denkbar, dass die Sollnutzrate auf einen maximalen Leistungsbedarf der Last abgestimmt ist. Vorzugsweise ist ein Maximalwert für die Sollnutzrate des Leistungspuffers kleiner als ein Maximalwert für die erzeugte Gesamtleistungsgröße der Brenn stoffzelleneinheit, insbesondere kleiner als ein Maximalwert für den Leistungsbe darf der Last. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann eine von dem Leistungspuffer auffangbare Schwankungsbreite des Leistungsbedarfs der Last vorteilhaft groß gestaltet werden.
Weiter wird vorgeschlagen, dass in zumindest einem Verfahrensschritt ein netz seitiger Energiepuffer geladen oder entladen wird. Vorzugsweise ist der Energie puffer zwischen der Leistungsauskopplungseinheit und der Last, insbesondere einem Leistungsverteilungsnetzwerk der Last, angeordnet. Insbesondere ist der Energiepuffer als elektrischer Energiepuffer ausgebildet, beispielsweise als Ak kumulator, als Superkondensator oder dergleichen. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann eine Anpassung der Leistungskenngröße vorteilhaft zeitver zögert durchgeführt werden. Insbesondere kann eine Anpassung der Betriebspa rameter vorteilhaft langsam erfolgen. Insbesondere kann eine aufwendige Über wachung der Betriebsparameter vorteilhaft gering ausgestaltet werden oder voll ständig vermieden werden. Insbesondere kann eine Laständerungsrate vorteil haft vor einer Verarbeitung durch die Steuereinheit gedämpft werden. Insbeson dere ermittelte die Steuereinheit vorteilhaft eine verzögerte effektive Lastände rung.
Ferner wird vorgeschlagen, dass in zumindest einem Verfahrensschritt eine An passung der Leistungskenngröße spätestens nach einer im Wesentlichen abge schlossen Anpassung eines Betriebsparameters der Brennstoffzellenvorrichtung durchgeführt wird. Vorzugsweise wird bei einer Ermittlung einer Laständerung zumindest ein als Versorgungs- und Einstellungsparameter ausgebildeter Be triebsparameter der Brennstoffzellenvorrichtung angepasst. Insbesondere wird der Betriebsparameter angepasst, um einen regulären Betriebszustand mit einer in Abhängigkeit von der Laständerung anzupassenden Leistungskenngröße zu ermöglichen. Beispielsweise wird ein Brennstoffvolumenstrom, ein Oxidansvolu menstrom, eine Rezirkulationsrate oder dergleichen angepasst um einen regulä ren Betriebszustand mit der anzupassenden Leistungskenngröße zu ermögli chen. Vorzugsweise wird die Leistungskenngröße noch während der Anpassung des Betriebsparameters angepasst. Insbesondere soll unter einer„im Wesentli chen abgeschlossenen Anpassung“ einer Größe eine Anpassung eines Werts der Größe verstanden werden, bei welcher ein Absolutwert eines Verhältnisses einer Differenz eines aktuellen Werts der Größe und eines Sollwerts für die Grö ße zu einer Differenz des aktuellen Werts und eines Ausgangswerts der Größe unmitelbar vor der Anpassung kleiner als 1/3, vorzugsweise kleiner als 1, be sonders bevorzugt kleiner als 3, ist. Vorzugsweise wird die Signalleistungsgröße, beispielsweise mitels des Leistungspuffers, vor oder während der Anpassung des Betriebsparameters angepasst. Vorzugsweise wird die Gesamtleistungsgrö ße während und/oder spätestens nach der im Wesentlichen abgeschlossenen Anpassung des Betriebsparameters angepasst. Insbesondere startet eine An passung der Gesamtleistungskenngröße während und/oder spätestens nach der im Wesentlichen abgeschlossenen Anpassung des Betriebsparameters. Insbe sondere startet eine Anpassung der Signalleistungsgröße vor und/oder während der im Wesentlichen abgeschlossenen Anpassung des Betriebsparameters. Es ist denkbar, dass eine Anpassung der Gesamtleistungsgröße und/oder Signal leistungsgröße erst zu einem Zeitpunkt nach der im Wesentlichen abgeschlosse nen Anpassung des Betriebsparameters zumindest im Wesentlichen abge schlossen ist. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann eine systembe dingte Totzeit aufgrund einer Reaktionszeit der Brennstoffzellenvorrichtung auf eine Laständerung und/oder eine Anpassung eines Betriebsparameters vorteil haft gering gehalten werden. Insbesondere kann eine Speicherkapazität eines Energiepuffers und/oder eine Leistungskapazität eines Leistungspuffers zu einer Überbrückung der Totzeit vorteilhaft gering gehalten werden.
Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass in zumindest einem Verfahrensschrit eine Anpassung der Leistungskenngröße in Abhängigkeit von einer Anpassung zumindest eines ermitelten Betriebsparameters der Brennstoffzellenvorrichtung gesteuert, insbesondere geregelt, wird. Insbesondere wird die Leistungskenn größe in Abhängigkeit von einer Anpassung zumindest eines Versorgungs- und Einstellungsparameters der Brennstoffzellenvorrichtung gesteuert. Vorzugsweise wird aus der ermitelten Laständerung ein Sollwert für den Betriebsparameter, insbesondere für den Versorgungs- und Einstellungsparameter, ermitelt. Vor zugsweise werden bei einer Anpassung des Betriebsparameters, insbesondere zu einer Erreichung des Sollwerts, die Betriebsparameter der Prüfgruppe über wacht. Vorzugsweise wird eine Anpassung der Leistungskenngröße in Abhängig keit von einem Betriebsparameter der Prüfgruppe gesteuert oder geregelt. Be sonders bevorzugt wird eine Anpassung der Leistungskenngröße in Abhängigkeit von einer Brennstoffnutzung und/oder einem Oxidans- Brennstoff- Verhältnis der Brennstoffzelleneinheit gesteuert oder geregelt. Insbesondere fungiert die Leis- tungskenngröße als Stellgröße, um bei einer Anpassung des Betriebsparame ters, insbesondere des Versorgungs- und Einstellungsparameters, die Betriebs parameter der Prüfgruppe bis auf einen Toleranzwert konstant zu halten. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann die Brennstoffzellenvorrichtung vor teilhaft während einer gesamten Zeitdauer der Anpassung der Leistungskenn größe und/oder des Betriebsparameters in einem regulären Betriebszustand ge halten werden.
Darüber hinaus wird vorgeschlagen, dass in zumindest einem irregulären Be triebszustand der Brennstoffzellenvorrichtung eine Anpassungsrate der Leis tungskenngröße an eine Laständerung steuerungstechnisch begrenzt wird. Unter einem„irregulären Betriebszustand“ soll insbesondere ein Betriebszustand ver standen werden, bei dem zumindest ein Betriebsparameter der Prüfgruppe au ßerhalb des zugehörigen Sollwertbereichs liegt. Vorzugsweise wird die Anpas sungsrate der Gesamtleistungsgröße steuerungstechnisch begrenzt. Insbeson dere wird ein Absolutwert der Anpassungsrate der Gesamtleistungsgröße nach oben beschränkt. Insbesondere gibt die Steuereinheit einen Maximalwert für den Absolutwert der Anpassungsrate vor. Es ist denkbar, dass ein Absolutwert der Anpassungsrate der Signalleistungsgröße, beispielsweise mittels des Leistungs puffers, größer ist als der Maximalwert für den Absolutwert der Gesamtleistungs größe. Vorzugsweise wird eine Beschränkung der Anpassungsrate, insbesonde re zeitverzögert und/oder schrittweise, aufgehoben, wenn ein regulärer Betriebs zustand erreicht wird. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann ein Ab driften des Betriebszustandes in einen für die Brennstoffzellenvorrichtung schäd lichen Bereich vorteilhaft vermieden werden. Insbesondere können die Betriebs parameter der Prüfgruppe vorteilhaft nahe an einem Idealwert gehalten werden.
Weiter wird vorgeschlagen, dass in zumindest einem irregulären Betriebszustand ein Maximalwert der Anpassungsrate der Leistungskenngröße kleiner ist als eine aktuelle Anpassungsrate eines den irregulären Betriebszustand behebenden Betriebsparameters der Brennstoffzellenvorrichtung. Vorzugsweise ist der den irregulären Betriebszustand behebenden Betriebsparameter als Versorgungs und Einstellungsparameter ausgebildet. Vorzugsweise ist die Prüfgruppe eine Funktion der Leistungskenngröße und zumindest des als Versorgungs- und Ein stellungsparameter ausgebildeten Betriebsparameters. Insbesondere weist die Prüfgruppe eine Netoanpassungsrate auf, die abhängig ist von der Anpassungs rate der Leistungskenngröße und der Anpassungsrate des als Versorgungs- und Einstellungsparameter ausgebildeten Betriebsparameters. Darunter, dass„eine Anpassungsrate der Leistungskenngröße kleiner ist als eine Anpassungsrate eines Betriebsparameters“, soll insbesondere verstanden werden, dass ein Effekt der Anpassungsrate der Leistungskenngröße auf die Netoanpassungsrate der Prüfgruppe kleiner ist als ein Effekt der Anpassungsrate des Betriebsparameters. Insbesondere entwickelt sich ein zeitlicher Werteverlauf der Prüfgruppe aufgrund der Netoanpassungsrate auf einen Sollwertbereich zu. Es ist denkbar, dass der Maximalwert der Anpassungsrate der Leistungskenngröße abhängig davon ist, welcher Betriebsparameter der Prüfgruppe außerhalb des jeweiligen Sollwertbe reichs liegt. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann eine Anpassung der Leistungskenngröße, insbesondere der Gesamtleistungsgröße, vorteilhaft auf eine zeitliche Entwicklung des Betriebsparameters abgestimmt werden.
Weiterhin wird vorgeschlagen, dass in zumindest einem Verfahrensschrit ein als Brennstoffnutzung, als Oxidans- Brennstoff- Verhältnis und/oder als Zellspannung ausgebildeter Betriebsparameter der Brennstoffzellenvorrichtung zu einer Anpas sung der Leistungskenngröße ermitelt wird. Unter einer„Brennstoffnutzung“ soll insbesondere eine Differenz einer in die Brennstoffzelleneinheit eintretenden Brennstoffmenge und einer aus der Brennstoffzelleneinheit austretenden Brenn stoffmenge, insbesondere im Verhältnis zu der in die Brennstoffzelleneinheit ein tretenden Brennstoffmenge, verstanden werden. Eine Brennstoffmenge wird ins besondere jeweils als Volumen, Volumenanteil, Volumenstrom, Masse, Massen anteil und/oder Massenstrom oder dergleichen ermitelt. Es ist auch denkbar, dass die Brennstoffnutzung über einen Anteil eines Verbrennungsprodukts der elektrochemischen Verwertung in einem Abgas der Brennstoffzelleneinheit ermit telt wird. Vorzugsweise soll unter einem„Oxidans- Brennstoff- Verhältnis“ das Massenverhältnis von dem Brennstoff zu dem Oxidans innerhalb der Brennstoff zelleneinheit verstanden werden. Insbesondere wird das Oxidans- Brennstoff- Verhältnis als Kohlenstoff-Sauerstoff-Verhältnis oder als Wasserstoff-Sauerstoff- Verhältnis ermitelt. Es ist auch denkbar, dass das Oxidans- Brennstoff- Verhältnis über einen Anteil eines Verbrennungsprodukts der elektrochemischen Verwer tung in einem Abgas der Brennstoffzelleneinheit ermitelt wird. Vorzugsweise ist die Zellspannung als Gesamtspannung der Brennstoffzelleneinheit aufgrund der elektrochemischen Verwertung ausgebildet. Es ist aber auch denkbar, dass die Spannung einzelner Stackverbünde, einzelner Stacks und/oder einzelner Brenn stoffzellen der Brennstoffzelleneinheit aufgrund der elektrochemischen Verwer tung als Zellspannung verwendet werden. Insbesondere werden die als Brenn stoffnutzung, als Oxidans- Brennstoff- Verhältnis und/oder als Zellspannung aus gebildeten Betriebsparameter bei einer Anpassung der Leistungskenngröße überwacht. Insbesondere ist zumindest einer, vorzugweise sind alle, der als Brennstoffnutzung, als Oxidans- Brennstoff- Verhältnis und/oder als Zellspannung ausgebildete Betriebsparameter Teil der Prüfgruppe. Durch die erfindungsgemä ße Ausgestaltung kann die Brennstoffzellenvorrichtung in dem regulären Be triebszustand mit einem vorteilhaft geringen Verschleiß betrieben werden. Insbe sondere kann die Brennstoffzellevorrichtung in dem regulären Betriebszustand mit einem vorteilhaft geringen Risiko einer Beschädigung betrieben werden. Ins besondere kann die Brennstoffzellenvorrichtung in dem regulären Betriebszu stand vorteilhaft effektiv und/oder effizient betrieben werden.
Ferner wird vorgeschlagen, dass in zumindest einem Verfahrensschritt eine An passung zumindest eines Betriebsparameters der Brennstoffzellenvorrichtung vor einer erwarteten Laständerung durchgeführt wird. Insbesondere umfasst die Steuereinheit ein Speicherelement, auf welchem Modelldaten über die Last hin terlegt sind. Modeldaten können beispielsweise ein mathematisches Modell, ein durch einen Benutzer vorgegebenes Lastprofil, ein durch die Steuereinheit auf genommenes und/oder statistisch ermitteltes Lastprofil oder dergleichen umfas sen. Insbesondere wertet die Steuereinheit die auf dem Speicherelement hinter legten Modelldaten aus, um einen Zeitpunkt und/oder ein Ausmaß einer Lastän derung zu ermitteln, insbesondere vorherzusagen. Insbesondere passt die Steu ereinheit vor dem ermittelten Zeitpunkt der Laständerung zumindest einen Be triebsparameter, insbesondere einen Versorgungs- und Einstellungsparameter, an. Es ist denkbar, dass die Gesamtleistungsgröße, insbesondere zusammen mit der Sollnutzrate des Leistungspuffers, vor dem ermittelten Zeitpunkt der Lastän derung angepasst wird. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann ein Betriebszustand der Brennstoffzellenvorrichtung auf eine Laständerung vorteil haft voreingestellt werden. Insbesondere kann eine nachgeordnete Reaktion der Brennstoffzellenvorrichtung auf eine Laständerung vorteilhaft klein ausfallen. Des Weiteren wird eine Brennstoffzellenvorrichtung, insbesondere Hochtempera turbrennstoffzellenvorrichtung, mit zumindest einer Steuereinheit zu einer Durch führung eines erfindungsgemäßen Verfahrens vorgeschlagen. Vorzugsweise umfasst die Brennstoffzellenvorrichtung zumindest die Brennstoffzelleneinheit zu einer Erzeugung einer elektrischen Leistung. Vorzugsweise ist die Brennstoffzel leneinheit als Hochtemperaturbrennstoffzelleneinheit ausgebildet, insbesondere als Festoxidbrennstoffzelleneinheit. Vorzugsweise ist der Brennstoff als Wasser stoff und/oder Erdgas ausgebildet. Vorzugsweise ist das Oxidans als Umge bungsluft ausgebildet. Vorzugsweise umfasst die Brennstoffzelleneinheit zumin dest eine Membran- Elektroden- Einheit (engl.: membrane electrode assembly MEA). Insbesondere umfasst die Brennstoffzelleneinheit zumindest eine Oxi danselektrode, insbesondere zu einem Kontakt mit dem Oxidans, eine Brennstof felektrode, insbesondere zu einem Kontakt mit dem Brennstoff, und zumindest eine zwischen der Brennstoffelektrode und der Oxidanselektrode angeordnete Elektrolytschicht. Vorzugsweise ist die Membran- Elektroden- Einheit metallge stützt. Es ist aber auch denkbar, dass die Membran- Elektroden- Einheit keramik gestützt, anodengestützt, elektrolytgestützt oder kathodengestützt ausgebildet ist. Vorzugsweise umfasst die Brennstoffzellenvorrichtung zumindest eine Brenn stoffzufuhrleitung, zumindest eine Oxidanszufuhrleitung, zumindest eine Abgas leitung von der Brennstoffelektrode und/oder zumindest eine Rezirkulationslei- tung. Vorzugsweise ist die Rezirkulationsleitung als Brennstoffrezirkulationslei- tung ausgebildet. Insbesondere verbindet die Rezirkulationsleitung die Abgaslei tung mit der Brennstoffzufuhrleitung. Vorzugsweise umfasst die Brennstoffzellen vorrichtung zumindest ein Brennstoffförderelement, ein Oxidansförderelement und/oder ein Rezirkulationsförderelement, insbesondere zu einer Einstellung ei nes Brennstoffvolumenstroms, eines Brennstoffmassenstroms, eines Oxidansvo lumenstroms, eines Oxidansmassenstroms und/oder einer Rezirkulationsrate. Insbesondere umfasst die Brennstoffzellenvorrichtung zumindest eine Leistungs auskopplungseinheit zu einer Bereitstellung einer durch die Brennstoffzellenein heit erzeugte elektrische Leistung. Vorzugsweise umfasst die Leistungsauskopp lungseinheit zumindest ein Leistungskontrollelement zu einer Einstellung der Leistungskenngröße. Es ist denkbar, dass die Leistungsauskopplungseinheit zumindest ein Aufbereitungselement zu einer Manipulation einer Ausgabeform des Leistungssignals umfasst, wie etwa einen Wechselrichter, einen Gleichspan nungswandler oder dergleichen. Vorzugsweise umfasst die Brennstoffzellenvor- richtung zumindest einen Leistungspuffer, insbesondere einen Elektroheizer. Es ist denkbar, dass die Brennstoffzellenvorrichtung einen Energiepuffer, insbeson dere einen Akkumulator, einen Superkondensator oder dergleichen, umfasst. Insbesondere ist die Steuereinheit dazu vorgesehen, die Leistungsauskopp lungseinheit, das Brennstoffförderelement, das Oxidansförderelement und/oder das Rezirkulationsförderelement zu steuern oder zu regeln, insbesondere zu ei ner Aufrechterhaltung und/oder einem Erreichen eines regulären Betriebszu stands der Brennstoffzellenvorrichtung. Durch die erfindungsgemäße Ausgestal tung kann eine Brennstoffzellenvorrichtung zur Verfügung gestellt werden, die vorteilhaft flexibel und/oder vorteilhaft schnell auf eine Laständerung reagieren kann. Insbesondere kann eine Brennstoffzellenvorrichtung mit einem vorteilhaft kleinen Energiepuffer bereitgestellt werden. Es ist denkbar, dass die Brennstoff zellenvorrichtung zumindest eine Sensoreinheit zu einer Ermittlung zumindest eines Betriebsparameters umfasst.
Das erfindungsgemäße Verfahren und/oder die erfindungsgemäße Brennstoffzel lenvorrichtung sollen/soll hierbei nicht auf die oben beschriebene Anwendung und Ausführungsform beschränkt sein. Insbesondere können/kann das erfin dungsgemäße Verfahren und/oder die erfindungsgemäße Brennstoffzellenvor richtung zu einer Erfüllung einer hierin beschriebenen Funktionsweise eine von einer hierin genannten Anzahl von einzelnen Elementen, Bauteilen und Einheiten sowie Verfahrensschritten abweichende Anzahl aufweisen. Zudem sollen bei den in dieser Offenbarung angegebenen Wertebereichen auch innerhalb der genann ten Grenzen liegende Werte als offenbart und als beliebig einsetzbar gelten.
Zeichnungen
Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In den Zeichnungen ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die Zeichnungen, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merk male in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammen fassen. Es zeigen:
Fig. 1 Eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen
Brennstoffzellenvorrichtung und
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Ver fahrens.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
Figur 1 zeigt eine Brennstoffzellenvorrichtung 12. Die Brennstoffzellenvorrichtung 12 umfasst zumindest eine Steuereinheit 26. Die Steuereinheit 26 ist zu einer Durchführung eines Verfahrens 10 vorgesehen, welches insbesondere in Figur 2 dargestellt ist. Vorzugsweise ist die Brennstoffzellenvorrichtung 12 als Hochtem peraturbrennstoffzellenvorrichtung, insbesondere als Festoxidbrennstoffzellen vorrichtung, ausgebildet. Vorzugsweise umfasst die Brennstoffzellenvorrichtung 12 zumindest eine Brennstoffzelleneinheit 28, insbesondere eine Hochtempera turbrennstoffzelleneinheit, bevorzugt eine Festoxidbrennstoffzelleneinheit. Vor zugsweise umfasst die Brennstoffzelleneinheit 28 mehrere Brennstoffzellen, Stacks oder Verbünde von Stacks. Die Brennstoffzelleneinheit 28 ist hier der Übersichtlichkeit halber als einzelne Membran- Elektroden- Einheit dargestellt. Insbesondere umfasst die Brennstoffzelleneinheit 28 zumindest eine Oxi danselektrode 30. Vorzugsweise umfasst die Brennstoffzelleneinheit 28 zumin dest eine Brennstoffelektrode 32. Insbesondere sind die Brennstoffelektrode 32 und die Oxidanselektrode 30 durch eine Elektrolytschicht 34 voneinander ge trennt angeordnet. Vorzugsweise fungiert die Oxidanselektrode 30 in einem Be trieb der Brennstoffzellenvorrichtung 12 als Kathode. Vorzugsweise fungiert die Brennstoffelektrode 32 in einem Betrieb der Brennstoffzellenvorrichtung 12 als Anode. Vorzugsweise umfasst die Brennstoffzellenvorrichtung 12 zumindest eine Brennstoffzufuhrleitung 36, insbesondere zu einer Versorgung der Brennstoffzel leneinheit 28 mit einem Brennstoff. Insbesondere ist die Brennstoffzufuhrleitung 36 fluidtechnisch an der Brennstoffelektrode 32 angeschlossen. Vorzugsweise ist in der Brennstoffzufuhrleitung 36 ein Brennstoffförderelement 38 angeordnet, insbesondere zu einer Einstellung eines Brennstoffvolumenstroms und/oder ei- nes Brennstoffmassenstroms zu der Brennstoffzelleneinheit 28. Vorzugsweise umfasst die Brennstoffzellenvorrichtung 12 einen Reformer 40, insbesondere zu einer Reformierung des Brennstoffs vor einem Eintritt in die Brennstoffzellenein heit 28. Insbesondere ist der Reformer 40 in der Brennstoffzufuhrleitung 36 an geordnet. Vorzugsweise umfasst die Brennstoffzellenvorrichtung 12 zumindest einen Abgaskanal 42. Vorzugsweise ist der Abgaskanal 42 fluidtechnisch an der Brennstoffelektrode 32 angeschlossen. Vorzugweise umfasst die Brennstoffzel lenvorrichtung 12 zumindest einen weiteren Abgaskanal 44. Insbesondere ist der weitere Abgaskanal 44 fluidtechnisch an der Oxidanselektrode 30 angeschlos sen. Vorzugsweise umfasst die Brennstoffzellenvorrichtung 12 zumindest eine Rezirkulationsleitung 46. Insbesondere ist die Rezirkulationsleitung 46 zu einer teilweisen Rückführung eines Brennstoffelektrodenabgases in die Brennstoffzu fuhrleitung 36, insbesondere in den Reformer 40, vorgesehen. Vorzugsweise umfasst die Brennstoffzellenvorrichtung 12 zumindest ein Rezirkulationsför- derelement 48, insbesondere zu einer Einstellung eines Volumenstroms und/oder eines Massenstroms durch die Rezirkulationsleitung 46. Insbesondere ist das Rezirkulationsförderelement 48 zu einer Einstellung einer Rezirkulationsrate vor gesehen. Vorzugsweise umfasst die Brennstoffzellenvorrichtung 12 zumindest eine Oxidanszufuhrleitung 50, insbesondere zu einer Versorgung der Brennstoff zelleneinheit 28 mit einem Oxidans. Insbesondere ist die Oxidanszufuhrleitung 50 fluidtechnisch an der Oxidanselektrode 30 angeschlossen. Vorzugsweise ist in der Oxidanszufuhrleitung 50 ein Oxidansförderelement 52 angeordnet, insbeson dere zu einer Einstellung eines Oxidansvolumenstroms und/oder eines Oxidans massenstroms zu der Brennstoffzelleneinheit 28.
Insbesondere umfasst die Brennstoffzellenvorrichtung 12 zumindest eine Leis tungsauskopplungseinheit 54 zu einer Bereitstellung einer durch die Brennstoff zelleneinheit 28 erzeugten elektrischen Leistung. Insbesondere ist die Leistungs auskopplungseinheit 54 dazu vorgesehen, die Brennstoffzellenvorrichtung 12 elektrisch an eine Last 14 anzuschließen. Insbesondere ist es denkbar, dass die Last 14 ein Lastverteilungsnetzwerk mit mehreren Leistungsverbrauchern und Leistungserzeugern umfasst. Vorzugsweise umfasst die Brennstoffzellenvorrich tung 12 einen Energiepuffer 60, insbesondere einen Akkumulator, einen Super kondensator oder dergleichen. Insbesondere ist der Energiepuffer 60 lastseitig an der Leistungsauskopplungseinheit 54 elektrisch angeschlossen. Vorzugsweise umfasst die Leistungsauskopplungseinheit 54 zumindest ein Leistungskontrol- lelement 56, insbesondere zu einer Anpassung einer Leistungskenngröße 22 der Brennstoffzellenvorrichtung 12. Vorzugsweise umfasst die Leistungsauskopp lungseinheit 54 zumindest ein Aufbereitungselement 58, insbesondere einen Wechselrichter. Vorzugsweise umfasst die Brennstoffzellenvorrichtung 12 zumin dest einen Leistungspuffer 20, insbesondere einen Elektroheizer. Insbesondere ist die Steuereinheit 26 dazu vorgesehen, die Leistungsauskopplungseinheit 54, das Brennstoffförderelement 38, das Oxidansförderelement 52 und/oder das Re- zirkulationsförderelement 48 zu steuern oder zu regeln. Insbesondere beschreibt eine als Gesamtleistungskenngröße ausgebildete Leistungskenngröße der Brennstoffzellenvorrichtung 12 eine von der Brennstoffzelleneinheit 28 produzier te Leistung. Insbesondere ist das Leistungskontrollelement 56 dazu vorgesehen, die Gesamtleistungskenngröße einzustellen, insbesondere über einen einstellba ren elektrischen Widerstand. Vorzugsweise beschreibt eine als Signalleistungs größe ausgebildete Leistungskenngröße der Brennstoffzellenvorrichtung 12 ei nen Anteil der produzierten Leistung, der von der Leistungsauskopplungseinheit 54 ausgegeben wird.
Figur 2 zeigt das Verfahren 10 zu einem Betrieb der Brennstoffzellenvorrichtung 12. In zumindest einem Verfahrensschritt wird zumindest die Leistungskenngrö ße, insbesondere die Signalleistungsgröße, der Brennstoffzellenvorrichtung 12 der Last 14 folgend gesteuert. In zumindest einem regulären Betriebszustand der Brennstoffzellenvorrichtung 12 wird ein zumindest im Wesentlichen unmodifizier- ter Leistungsbedarf der Last 14 als Führungsgröße für eine Anpassung der Leis tungskenngröße 22 verwendet. Insbesondere ändert sich bei einer Laständerung 16 ein Leistungsbedarf der Last 14. Vorzugweise wird die Laständerung 16 in einem Pufferschritt 64 von dem Energiepuffer 60 abgefangen. In dem Puffer schritt 64 wird ein netzseitiger Energiepuffer 60 geladen oder entladen. Insbe sondere wird der Energiepuffer 60 bei einer Erhöhung des Leistungsbedarfs der Last 14 entladen. Insbesondere wird der Energiepuffer 60 bei einer Verringerung des Leistungsbedarfs der Last 14 geladen. In zumindest einem Verfahrensschritt wird bei einer Laständerung 16 eine Leistungsumverteilung 18 innerhalb der Brennstoffzellenvorrichtung 12 durchgeführt. Insbesondere wird Leistung zwi schen der Last 14 und dem Leistungspuffer 20 umverteilt. Insbesondere wird bei einer Verringerung des Leistungsbedarfs der Last 14 eine Nutzrate des Leis- tungspuffers 20 erhöht und die Leistungskenngröße verringert. Insbesondere wird bei einer Erhöhung des Leistungsbedarfs der Last 14 die Nutzrate des Leis tungspuffers 20 verringert und die Leistungskenngröße erhöht. Vorzugsweise wird ein Entladen oder Laden des Energiepuffers 60 durch die Leistungsumver teilung 18 zumindest verlangsamt, bevorzugt gestoppt und/oder rückgängig ge macht. Insbesondere wird die als Signalleistungsgröße ausgebildete Leistungs kenngröße der Brennstoffzellenvorrichtung 12 mittels des Leistungspuffers 20 der Last 14 folgend gesteuert. Insbesondere ist der Energiepuffer 60 zu einer Über brückung einer Umverteilungszeit der Leistungsumverteilung 18 vorgesehen.
Vorzugsweise wird in einem Betriebsermittlungsschritt 62 die Laständerung 16 ermittelt, beispielsweise über einen Spannungsabfall an der Last 14 oder an dem Energiepuffer 60 und/oder über eine Diskrepanz zwischen Sollnutzrate und Nutz rate des Leistungspuffers 20. Insbesondere wird in dem Betriebsermittlungs schritt 62 ein Sollwert für die Gesamtleistungsgröße ermittelt. Insbesondere deckt der Sollwert für die Gesamtleistungsgröße einen Leistungsbedarf der Last 14 zuzüglich einer Sollnutzrate für den Leistungspuffer 20 ab. Insbesondere wird in dem Betriebsermittlungsschritt 62 die Sollnutzrate des Leistungspuffers 20 der Brennstoffzellenvorrichtung 12 im Zuge der Laständerung 16 angepasst. Insbe sondere wird die Sollnutzrate in Richtung der aktuellen Nutzrate verschoben. Vorzugsweise wird in dem Betriebsermittlungsschritt 62 überprüft, ob alle Be triebsparameter einer Prüfgruppe in einem jeweiligen Sollwertbereich liegen, wenn ein Sollwert für die Gesamtleistungsgröße eingestellt wird. In dem Be triebsermittlungsschritt 62 wird ein als Brennstoffnutzung, als Oxidans- Brennstoff- Verhältnis und/oder als Zellspannung ausgebildeter Betriebsparameter der Brennstoffzellenvorrichtung 12 zu einer Anpassung der Leistungskenngröße 22 ermittelt. Insbesondere sind die als Brennstoffnutzung, als Oxidans- Brennstoff- Verhältnis und/oder als Zellspannung ausgebildete Betriebsparameter Teil der Prüfgruppe.
Erwartet die Steuereinheit 26 nach einer Überprüfung einen regulären Betriebs zustand mit dem Sollwert für die Gesamtleistungsgröße, wird insbesondere eine Anpassung der Gesamtleistungsgröße 66 durchgeführt. Insbesondere wird für die Anpassung der Gesamtleistungsgröße 66 zumindest ein im Wesentlichen unmodifizierter Leistungsbedarf der Last 14 als Führungsgröße verwendet. Ins- besondere kann in einem Betrieboptimierungsschritt 72 nach oder während der Anpassung der Gesamtleistungsgröße 66 eine optionale Anpassung eines Be triebsparameters 24 durchgeführt werden. Insbesondere wird in dem Betriebop timierungsschritt 72 ein als Versorgungs- und Einstellungsparameter ausgebilde ter Betriebsparameter angepasst. Insbesondere ist die optionale Anpassung des Betriebsparameters 24 während des Betrieboptimierungsschritts 72 dazu vorge sehen, einen Istwert der Prüfgruppe von einem Randabschnitt des entsprechen den Sollwertbereichs in einen Mittelwert und/oder Idealwert des Sollwertbereichs zu führen.
Erwartet die Steuereinheit 26 nach einer Überprüfung einen irregulären Betriebs zustand mit dem Sollwert für die Gesamtleistungsgröße, wird vorzugsweise eine notwendige Anpassung eines Betriebsparameters 24 durchgeführt. Insbesondere wird in dem Betriebsermittlungsschritt 62 zumindest ein Sollwert für einen als Versorgungs- und Einstellungsparameter ausgebildeten Betriebsparameter der Brennstoffzellenvorrichtung 12 ermittelt. Insbesondere wird der Sollwert für den als Versorgungs- und Einstellungsparameter ausgebildeten Betriebsparameter in Abhängigkeit von dem Sollwert für die Gesamtleistungsgröße ermittelt. Insbe sondere wählt die Steuereinheit 26 einen Sollwert für den als Versorgungs- und Einstellungsparameter ausgebildeten Betriebsparameter, welcher zusammen mit dem Sollwert für die Gesamtleistungsgröße einen regulären Betriebszustand ergibt. Insbesondere wird bei der notwendigen Anpassung des Betriebsparame ters 24 ein durch das Brennstoffförderelement 38, durch das Oxidansförderele ment 52 und/oder durch das Rezirkulationsförderelement 48 erzeugter Volumen strom angepasst.
Insbesondere wird in einem Bandregelschritt 68 eine Anpassung der Leistungs kenngröße 22 spätestens nach der im Wesentlichen abgeschlossen Anpassung des Betriebsparameters 24 der Brennstoffzellenvorrichtung 12 durchgeführt. Ins besondere wird in dem Bandregelschritt 68 die Gesamtleistungsgröße zeitgleich oder zeitlich überlappend mit der notwendigen Anpassung des Betriebsparame ters 24 durchgeführt. Insbesondere wird in dem Bandregelschritt 68 eine Anpas sung der Leistungskenngröße 22, insbesondere der Gesamtleistungsgröße, in Abhängigkeit von der Anpassung zumindest eines ermittelten Betriebsparame ters 24 der Brennstoffzellenvorrichtung 12 gesteuert, insbesondere geregelt. Ins- besondere wird eine Auswirkung einer Anpassung des Betriebsparameters 24 auf die Prüfgruppe überwacht. Insbesondere wird während der Anpassung des Betriebsparameters 24, die Gesamtleistungsgröße als Stellgröße verwendet um die Prüfgruppe in dem jeweiligen Sollwertbereich zu halten. Vorzugsweise folgt die Gesamtleistungsgröße während des Bandregelschritts 68 der Laständerung 16 zumindest innerhalb des durch die Prüfgruppe vorgegebenen Wertebandes. Verlässt die Gesamtleistungsgröße das durch die Prüfgruppe vorgegebene Wer teband, wechselt die Brennstoffzellenvorrichtung 12 in einen irregulären Be triebszustand. In zumindest einem irregulären Betriebszustand der Brennstoffzel lenvorrichtung 12 wird eine Anpassungsrate der Leistungskenngröße an eine Laständerung 16 steuerungstechnisch begrenzt. In zumindest einem irregulären Betriebszustand ist ein Maximalwert der Anpassungsrate der Leistungskenngrö ße kleiner als eine aktuelle Anpassungsrate eines den irregulären Betriebszu stand behebenden Betriebsparameters der Brennstoffzellenvorrichtung 12.
Insbesondere wird in einem Vorhersageschritt 70 Modeldaten der Last 14 aus gewertet. Insbesondere ermittelt die Steuereinheit 26 mit Hilfe der Modeldaten einen Zeitpunkt und/oder eine Amplitude einer erwarteten Laständerung 16’. In zumindest dem Betrieboptimierungsschritt 72 wird eine Anpassung zumindest eines Betriebsparameters 24 der Brennstoffzellenvorrichtung 12 vor einer erwar teten Laständerung 16’ durchgeführt. Insbesondere wird in dem Betrieboptimie rungsschritt 72 zumindest ein Betriebsparameter auf die erwartete Laständerung 16’ abgestimmt. Es ist denkbar, dass zusätzliche die Gesamtleistungsgröße, ins besondere zusammen mit der Nutzrate des Leistungspuffers 20, auf die erwarte te Laständerung 16’ abgestimmt wird.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zu einem Betrieb einer Brennstoffzellenvorrichtung, insbesonde re einer Hochtemperaturbrennstoffzellenvorrichtung, wobei in zumindest einem Verfahrensschritt zumindest eine Leistungskenngröße der Brenn stoffzellenvorrichtung einer Last (14) folgend gesteuert wird, dadurch gekennzeichnet, dass in zumindest einem regulären Betriebszustand der Brennstoffzellenvorrichtung ein zumindest im Wesentlichen unmodifizierter Leistungsbedarf der Last (14) als Führungsgröße für eine Anpassung der Leistungskenngröße (22) verwendet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in zumindest einem Verfahrensschritt bei einer Laständerung (16) eine Leistungsumver teilung (18) innerhalb der Brennstoffzellenvorrichtung durchgeführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in zumindest einem Verfahrensschritt eine Sollnutzrate eines Leistungspuffers (20) der Brennstoffzellenvorrichtung im Zuge einer Laständerung (16) an gepasst wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in zumindest einem Verfahrensschritt ein netzseitiger Energiepuffer (60) geladen oder entladen wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in zumindest einem Verfahrensschritt eine Anpassung der Leistungskenngröße (22) spätestens nach einer im Wesentlichen abge schlossen Anpassung eines Betriebsparameters (24) der Brennstoffzellen vorrichtung durchgeführt wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in zumindest einem Verfahrensschritt eine Anpassung der Leistungskenngröße (22) in Abhängigkeit von einer Anpassung zumindest eines ermittelten Betriebsparameters (24) der Brennstoffzellenvorrichtung gesteuert, insbesondere geregelt, wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in zumindest einem irregulären Betriebszustand der Brenn stoffzellenvorrichtung eine Anpassungsrate der Leistungskenngröße an ei ne Laständerung (16) steuerungstechnisch begrenzt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass in zumindest einem irregulären Betriebszustand ein Maximalwert der Anpassungsrate der Leistungskenngröße kleiner ist als eine aktuelle Anpassungsrate eines den irregulären Betriebszustand behebenden Betriebsparameters der Brennstoffzellenvorrichtung.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in zumindest einem Verfahrensschritt ein als Brennstoffnut zung, als Oxidans- Brennstoff- Verhältnis und/oder als Zellspannung ausge bildeter Betriebsparameter der Brennstoffzellenvorrichtung zu einer Anpas sung der Leistungskenngröße (22) ermittelt wird.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in zumindest einem Verfahrensschritt eine Anpassung zu mindest eines Betriebsparameters (24) der Brennstoffzellenvorrichtung vor einer erwarteten Laständerung (16) durchgeführt wird.
11. Brennstoffzellenvorrichtung mit zumindest einer Steuereinheit (26) zu einer Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9.
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