WO2023148132A1 - Method for determining the state of an energy supply device - Google Patents

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WO2023148132A1
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Jochen Wolff
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    • H01M8/04679—Failure or abnormal function of fuel cell stacks

Definitions

  • the invention relates to a method for determining the status of an energy supply device and to a computer program, a machine-readable storage medium and an electronic control unit.
  • the invention relates to a method for determining the status of an energy supply device.
  • the energy supply device provides electricity to at least one consumer and/or a power grid.
  • the energy supply device has at least one fuel cell unit for generating electricity.
  • the energy supply device converts chemical reaction energy of a continuously supplied Fuel and an oxidizing agent into electrical energy.
  • the energy supply device generates an electric current.
  • the converted electrical energy is provided as electrical current.
  • the energy supply device has at least one current control means.
  • the current control means is designed to change the current provided.
  • the process includes the process steps listed below.
  • the current provided is changed by means of the current control means.
  • At least one measured value in particular at least two measured values, in particular a voltage value and/or current value, is recorded.
  • the current provided is changed again by means of the current control means, in particular to the initial value.
  • the state of at least one of the fuel cell units is determined using the measured values recorded, in particular using the measured value recorded and at least one other measured value.
  • One of the measured values, in particular the further measured value is preferably recorded with a constant load and/or with constant operation. The further measured value is recorded before the supplied current is changed or after the original current has been restored.
  • the state of the energy supply device can advantageously be determined in a simple manner.
  • An advantageous development is characterized in that the method step of detecting is carried out at least one more time. At least one measured value, in particular the further measured value, is preferably recorded at a constant load and/or during constant operation. In particular, a further measured value is recorded (105), preferably a voltage value and/or current value.
  • An advantageous development of the invention is that during the detection at least one voltage measurement is carried out on the fuel cell unit and/or one voltage measurement is carried out across a number of fuel cell units connected in series.
  • An advantageous development is characterized in that the current provided is changed in stages. In particular, at least one measured value is recorded for each stage. The changing of the current provided and a subsequent acquisition of a measured value are preferably repeated.
  • the state of at least one of the fuel cell units is determined by means of a recorded measured value and at least one, in particular several, measured values that were recorded at an earlier point in time.
  • the current control means is a power converter, in particular a rectifier, DC voltage converter or converter, or a switch, in particular an electrical switch, preferably a semiconductor switch, or a relay.
  • a power converter in particular a rectifier, DC voltage converter or converter
  • a switch in particular an electrical switch, preferably a semiconductor switch, or a relay.
  • at least one of the fuel cell units continues to be operated unchanged despite the change in the current provided. As part of the process, there is no control intervention in the fuel cell unit and the processor units themselves.
  • the period of time between changing and changing again is less than 1 s, preferably less than 100 milliseconds, in particular less than 10 milliseconds.
  • At least one of the recorded measured values is stored in a data memory.
  • the data memory can be embodied locally, in particular as part of the electrical control unit or the machine-readable storage medium. It can also be designed remotely, in particular on a server or in the cloud.
  • At least one recorded measured value is read out from a data memory.
  • the invention also relates to a computer program that is set up to carry out all the steps of the method.
  • the invention also relates to a machine-readable storage medium on which the computer program is stored.
  • the invention also relates to an electronic control unit that is set up to carry out all the steps of the method.
  • FIG. 1 shows a schematic circuit diagram of an exemplary embodiment of a fuel cell device
  • FIG. 2 schematically shows the electrical wiring of an energy supply device
  • FIG. 3 shows the process sequence of the method
  • FIGS. 4 and 5 change the voltage and current profile over time in the case of a sudden change
  • Figure 6 and 7 change the voltage and current profile over time with a gradual change.
  • the invention relates to a method 100 for controlling an energy supply device 1.
  • the energy supply device 1 comprises at least one fuel cell device 10 and at least two fuel cell units 12.
  • FIG. 1 shows the structure of a fuel cell device 10 by way of example.
  • FIG. 2 shows the structure of an energy supply device 1 with six fuel cell units 12 as an example.
  • FIG. 2 is simplified in that only the electrical paths are shown schematically. It goes without saying that the energy supply device 1 shown in FIG. 2 also has additional processor units 14 in addition to the fuel cell units 12 .
  • the processor units 14 are described in more detail below in FIG.
  • the fuel cell units 12 and the processor units 14 can be arbitrarily combined to form the fuel cell device 10 .
  • the fuel cell device 10 includes, for example, two fuel cell units 12. In particular, more than the two fuel cell units 12 shown in FIG. 1 can be formed.
  • the fuel cell units 12 are designed as fuel cell stacks which have a multiplicity of fuel cells, in the present case solid oxide fuel cells (SOFC).
  • SOFC solid oxide fuel cells
  • the fuel cell device 10 includes a large number of processor units 14.
  • the number and scaling of the processor units 14 depends on the number of fuel cell units 12 and on the design and structure of the entire energy supply device 1 .
  • a “processor unit” 14 is to be understood in particular as a unit or component of the fuel cell device 10 or of the energy supply device 1 which is not a fuel cell unit 12 .
  • the processor units 14 are units for the chemical and/or thermal preparation and/or post-processing of at least one medium to be converted and/or converted in a fuel cell unit 12, such as an oxidation medium, in particular air and/or oxygen, and/or an exhaust gas and/or a fuel, preferably a combustible gas, in particular natural gas or hydrogen.
  • One of the processor units 14 is one in one
  • Fuel cell units 12 supplied oxidation medium, in particular oxygen-containing air L.
  • the oxidation medium in particular the air L
  • each one cathode compartment 20 of the fuel cell units 12 while each anode compartment 22 reformed fuel RB, in the present hydrogen or natural gas , is supplied.
  • the reformed fuel RB is electrochemically converted by the participation of oxygen from the air L, with the generation of electricity and heat. Electrical energy is generated.
  • the reformed fuel RB is generated by fuel B, in particular natural gas or hydrogen or methane or coal gas, being supplied to the fuel cell device 10 via a fuel supply 24, which fuel is reformed in a further processor unit 14, in the present case a reformer 26.
  • fuel B in particular natural gas or hydrogen or methane or coal gas
  • the fuel cell units 12 are connected on the exhaust gas side to a further processor unit 14 , in the present case to an afterburner 28 .
  • Exhaust gas from the fuel cell units 12 is supplied to the afterburner 28, in the present case cathode exhaust gas KA via a cathode exhaust gas duct 30 and part of the anode exhaust gas AA via an anode exhaust gas duct 32.
  • the cathode exhaust gas KA contains unused oxidation medium, in particular air L, or unused oxygen, while the anode exhaust gas AA possibly unreacted, reformed fuel RB and/or possibly non-reformed fuel B contains.
  • the anode waste gas AA or any unreacted, reformed fuel RB contained therein and/or the non-reformed fuel B contained therein, is mixed with the cathode waste gas KA, or the oxygen contained therein Oxidizing medium, in particular the air L, burned, whereby additional heat can be generated.
  • the hot exhaust gas A produced during combustion in the afterburner 28 is discharged from the afterburner 28 via an exhaust gas duct 34 via a further processor unit 14, in the present case via a heat exchanger 36 taken away.
  • the heat exchanger 36 is in turn fluidically connected to the reformer 26 so that heat is transferred from the hot exhaust gas A to the fuel B supplied to the reformer 26 . Accordingly, the heat of the hot exhaust gas A can be used for reforming the fuel B supplied in the reformer 26 .
  • a further processor unit 14, in the present case the heat exchanger 18, is located downstream of the heat exchanger 36 in the exhaust gas duct 34, so that the remaining heat of the hot exhaust gas A can be transferred to the supplied oxidation medium, in particular air L in the air supply 16.
  • the remaining heat of the hot exhaust gas can be used for preheating the supplied oxidation medium, in particular the air L in the air duct 16 .
  • the fuel cell device 10 has a return 38 by means of which part of the anode exhaust gas AA can be branched off from the anode exhaust gas line 32 and fed to an anode recirculation circuit 40 .
  • the anode waste gas AA that is branched off passes through a further processor unit 14, in the present case a further heat exchanger 39.
  • the branched-off portion of the anode waste gas AA can be returned or fed back to the respective anode space 22 of the fuel cell units 12 and/or the reformer 26, so that the unreacted, reformed fuel possibly contained in the branched-off anode waste gas AA RB can subsequently be converted in the fuel cell unit 12 and/or the non-reformed fuel B contained in the branched-off anode waste gas AA can subsequently be reformed in the reformer 26 .
  • the efficiency of the fuel cell device 10 can be further increased.
  • fresh fuel B can be admixed via the fuel feed line 24 to the anode exhaust gas AA that has been branched off and recirculated in the anode recirculation circuit 40 .
  • heat can then be transferred from the branched-off anode waste gas AA from the return line 38 to the through the admixture of the fresh fuel B resulting fuel mixture in the anode recirculation circuit 40 are transferred.
  • the supply of an oxidizing medium, in particular oxidizing media, preferably air L in the air supply 16, the supply of fuel B in the fuel supply 24 and the recirculation rate of the anode exhaust gas AA in the anode recirculation circuit 40 can be regulated and/or coordinated via compressor 42 in the respective lines become.
  • the fuel cell device preferably has a heating element 44 for, in the present case additional, heating of the oxidation medium supplied to the fuel cell units 12, in particular air L in a bypass line 46, as a result of which the operating efficiency of the fuel cell device 10 is increased.
  • the invention is not limited to solid oxide fuel cells. Rather, any fuel cells can be designed.
  • the fuel cells can also be classified as alkaline fuel cell (AFC), low temperature polymer electrolyte fuel cell (NT-PEMFC), high temperature polymer electrolyte membrane fuel cell (HT-PEMFC), direct methanol fuel cell (DMFC), phosphoric acid fuel cell (PAFC), molten carbonate Fuel cell (MCFC) be running.
  • AFC alkaline fuel cell
  • N-PEMFC low temperature polymer electrolyte fuel cell
  • HT-PEMFC high temperature polymer electrolyte membrane fuel cell
  • DMFC direct methanol fuel cell
  • PAFC phosphoric acid fuel cell
  • MCFC molten carbonate Fuel cell
  • the fuels used or the oxidizing medium differ accordingly.
  • fuels are hydrogen, alcohols (ethanol, propanol, glycerine, methanol), methane, coal gas, ammonia reformate gas, especially methanol.
  • oxidation media
  • the process units 14 are adapted depending on the fuel cell used in the fuel cell unit 12 .
  • the electrical wiring of an energy supply device 1 is shown schematically in FIG.
  • the energy supply device 1 has, for example, three strands 50, 60, 70, each with two fuel cell units 12.
  • the fuel cell units 12 of a train 50, 60, 70 are connected to one another in series here, for example.
  • a serial and parallel connection of the fuel cell units 12 in a train 50, 60, 70 is also conceivable.
  • the number of fuel cell units 12 per line can also be selected as desired. In particular, more fuel cell units 12 can also be arranged in one line.
  • the strands 50, 60, 70 are electrically connected in parallel to one another. According to the invention, any number of strands 50, 60, 70 can be selected. The number of fuel cell units 12 per strand can also be selected as desired.
  • the fuel cell units 12 of a train 50, 60, 70 form a fuel cell device 10. Accordingly, one fuel cell device 10 per train, ie three fuel cell devices 10, are shown in FIG.
  • a fuel cell device 10 can also have more or fewer than the two fuel cell units 12 indicated in FIG.
  • the processor units 14 that a fuel cell unit requires are adapted in terms of number, power and dimensions.
  • Each fuel cell unit 12 preferably requires a large number of processor units 14 as shown in FIG.
  • Individual processor units 14 can be designed and set up in such a way that they share a number of fuel cell units 12 .
  • fuel cell units 12 For example, two fuel cell units 12 and a large number of processor units 14 for supplying them are shown in FIG.
  • individual processor units 14 can supply several fuel cell units 12 at the same time.
  • a single processor unit 14 can also supply fuel cell units 12 from more than one line 50 , 60 , 70 .
  • a compressor 42 can be provided for two or more fuel cell units 12 .
  • the Air supply 16 for many, especially all, fuel cell units 12 are used.
  • the current that forms in a train depends on the internal resistance of the fuel cell units 12 of a train 50, 60, 70 from.
  • the internal resistance depends, for example, on the temperature of the fuel cell unit 12, the aging of the fuel cell unit 12, the oxidation medium supplied and the fuel supplied.
  • Current control means 80, 80', 80" are shown in FIG.
  • the current control means 80, 80', 80" are in particular power converters or switches.
  • the current control means 80 and 80' are preferably a power converter, preferably a DC/DC converter, which converts the DC voltage of the fuel cell unit 12.
  • DC-DC converters are formed as current control means at either position 80 or 80'.
  • DC-DC converters convert DC voltage into DC voltage.
  • the power converters 80 and 80' also serve in particular to control the current drawn from the fuel cell units 12.
  • the current control means 80" is a converter, preferably a converter, for example a DC/AC voltage converter, which converts the direct voltage generated by the fuel cell unit 12 or by a converter at one of the positions 80 or 80' into alternating voltage.
  • the public power grids 99 and most consumers 99 work with an AC voltage.
  • the voltage level of the fuel cell units 12 does not meet the requirements of the consumer 99 or the power grid 99.
  • a power converter, in particular a DC voltage converter 80', is preferably connected upstream of the optional current control means 80''.
  • the power converter 80' is a direct voltage converter.
  • the DC-DC converter 80' is necessary in particular because a defined minimum voltage level is always required upstream of a converter 80'', so that the converter 80'' can convert sensibly and efficiently into alternating current.
  • the DC-DC converter 80' can also be designed as a DC-DC converter 80 for each strand. If there is a DC voltage converter 80 in most, in particular all, strands, the DC voltage converter 80′ can be omitted.
  • the DC-DC converter 80' or the DC-DC converters 80 generate an intermediate circuit voltage 97 with a minimum necessary voltage level, so that the converter, in particular converter 80'', can work sensibly and/or efficiently.
  • the current control means 80, 80', 80" can alternatively or additionally be designed as an electrical switch or include such a switch.
  • the current control means 80, 80', 80'' designed as an electrical switch can be designed in particular as a thyristor, relay or semiconductor switch, in particular a transistor, preferably a field effect transistor, for example MosFets, JFet or bipolar transistor. It is also conceivable that a combination of different switches or fuses mentioned is formed. A parallel connection of several semiconductor switches, transistors, field effect transistors, MosFets, JFets or bipolar transistors is also conceivable.
  • the current control means 80, 80′, 80′′ is designed to change, in particular to reduce or increase, the current, in particular the current provided.
  • the current provided can be changed by means of a current control means 80, 80', 80''.
  • the current control means 80 can change the current provided by the fuel cell units 12 of a train.
  • the current control means 80' and 80'' can change the current summed by all strings.
  • the change includes in particular a reduction or an increase.
  • the current can be reduced to zero amperes. Changing to a current of 0 amperes is done in particular by breaking the circuit.
  • FIG. 1 A method 100 according to the invention is shown in FIG. 1
  • method 100 it is advantageous if the energy supply device 1 is operated in a stable and/or settled state.
  • method 100 is carried out when energy supply device 1 and/or fuel cell unit 12 and/or fuel cell unit 12, which are to be measured, are in constant operation, in particular with a constant load.
  • the fuel cell unit 12 acts only reactively to a change in the current through the current control means 80, 80', 80".
  • the current control means 80, 80', 80" for the measurement, in particular the detection, there is no intervention, which is part of the method 100, in the media supply of the fuel cell units 12 itself. In particular, the air supply and the fuel supply are not changed.
  • the fuel cell unit 12 is not operated in the startup or shutdown mode.
  • the method 100 is preferably carried out for each fuel cell unit 12, each fuel cell unit 12 of a train 50, 60, 70, or all fuel cell units 12 of a train.
  • the current control means 80, 80', 80" are used and adjusted accordingly.
  • the optional determination takes place as to whether the energy supply device 1 and/or the fuel cell unit 12 is in constant operation, in particular with a load.
  • a voltage value and/or a current value is recorded.
  • the current value can be determined in particular by means of a shunt resistor, the shunt resistor is formed in the current path of the fuel cell unit 12.
  • the voltage value is measured in particular via one fuel cell unit 12 or a plurality of fuel cell units 12, in particular all fuel cell units of a train 50, 60, 70.
  • the measurement time is shown with to.
  • the terminal voltage of a fuel cell unit 12 or multiple fuel cell units 12 or all fuel cell units 12 of a train is detected.
  • the measured value is recorded for one strand, preferably for several strands, for example all strands.
  • a method step 110 the current provided is changed using the current control means 80, 80', 80" (see h in FIGS. 5 and 7). If the state of an individual fuel cell unit 12 or of the fuel cell units 12 of a train 50, 60, 70 is to be determined, a change is made by the current control means 80 in whose train the fuel cell unit 12 is arranged. If the state of all fuel cell units 12 is to be determined, a change is made by the current control means 80' or 80''. In particular, the terminal voltage and/or the current of the affected fuel cell units 12 is also determined.
  • the current control means 80, 80', 80" reduces or increases the current that can be provided to a consumer 99 or power grid 99 by the energy supply device 1.
  • the current control means 80 can interrupt the circuit if it is designed as a switch. If the circuit is interrupted, the current is 0 amperes.
  • the change 110 does not take place by changing the supply of fuel and/or the oxidizing medium to the fuel cell unit 12.
  • the change 110 includes in particular only the electrical current path from the fuel cell unit 12 to the consumer 99 and/or the power grid 99 into which the electrical current is fed should be to change.
  • the change takes place, preferably reducing or increasing the provided
  • a method step 120 at least one measured value is recorded.
  • a voltage value and/or a current value is recorded.
  • the current value can be determined in particular by means of a shunt resistor that is formed in the current path of the fuel cell unit 12 .
  • the voltage value is measured in particular via a fuel cell unit 12 or a plurality of fuel cell units 12, in particular all fuel cell units of a train 50, 60, 70, in particular the state of which is to be determined.
  • the current control means 80, 80', 80'' have, in particular, a shunt resistor for detecting the current intensity.
  • each fuel cell unit 12 represents the function of a lambda probe. Based on the detected voltage, specific conclusions can be drawn about the gas composition (CO, H2, CH4) and/or the state of the cells themselves are closed. Reducing the current causes the voltage applied to one or more fuel cell assemblies 12 to increase. A corresponding representation is shown in FIGS. 4 and 6 and is explained in more detail below.
  • Method step 105 corresponds to the detection 120 at a constant load and/or constant operation.
  • step 130 the current provided is changed again using the current control means 80 (see ts in FIGS. 4 and 5; see t? in FIGS. 6 and 7).
  • the current control means 80 see ts in FIGS. 4 and 5; see t? in FIGS. 6 and 7.
  • the Initial value of the current changed In particular the value that was optionally recorded at time to.
  • the change takes place by closing the switching contacts and/or restoring an electrical connection.
  • the current draw in particular the current provided, is raised again 130 to the level which was set before the point in time, in particular before ti, the activation of the method.
  • the level is set at time to.
  • a gradual change 110 of the current can also take place (see FIGS. 6 and 7) (h, ta, ts).
  • the current reduction 110 could also take place in stages in order to obtain further measurement points (t2, , te).
  • method steps 120 and 110 are then repeated alternately. After changing 110 the current, at least one measured value is detected 120 . The current is then reduced again.
  • a graduated current reduction results.
  • the individual step heights are identical.
  • the current is changed, preferably reduced or increased, by a defined value for each execution of method step 110 .
  • method steps 110 and 120 are repeated at least once. In particular, method steps 110 and 120 are repeated several times.
  • Method step 125 does not have to take place directly after method step 120. In particular, in method step 125, several of the previously measured values can also be stored.
  • the method step 120 can preferably also be carried out several times after the change 120 and before the repeated change 110 or the renewed change 130 .
  • a measured value can then be formed from the recorded measured values, in particular by means of averaging.
  • the state of at least one of the fuel cell units 12 or the energy supply device 1 is determined by means of a recorded measured value and at least one further measured value.
  • One of the measured values is preferably recorded when no current is flowing.
  • the voltage value is recorded.
  • at least one measured value recorded at time t2 is used with a value recorded at time t0 or ts.
  • the captured measurement is used with the one or more previously captured measurements. According to FIGS. 4 and 5, the measured values at time t0/ts and t2 are used. According to FIGS. 6 and 7, the measured values at time t0 and t2 and/or t0/ts or t2 and and/or t0/ts or t2 or and ts are used.
  • Method step 105 can alternatively or additionally also be carried out at time ts.
  • a measured value in particular a current and/or voltage value, is recorded after method step 130 has been carried out.
  • a historical measured value or historical state is read out. This can in particular be the measured value determined during the last run of the method 100 . It can also be the measured value that was determined during commissioning or during one of the first runs of the method 100. This can in particular be the state determined during the last run through of the method 100 . It can also be the ascertained state that was ascertained during commissioning or during one of the first runs of the method 100 .
  • the determination takes place using a number of measured values or determined states that were recorded at an earlier point in time.
  • the current measured value t2 is compared with an earlier one Measured value at the comparable point in time t2 used. The same applies to the measured values t ⁇ te etc.
  • the measured value which was determined while no current is flowing is preferably used
  • the use, preferably the comparison, of different measured values or determined states of the same system at different points in time, in particular with different currents brings great significance with regard to cell aging behavior, fuel cell stack aging, OCV values (open circuit voltage), the state of health of the cells, defective and/or or short-circuited fuel cells, number of defective and/or short-circuited fuel cells, status of the IR-CAT.
  • OCV values open circuit voltage
  • the method 100 can even be used to draw conclusions about the performance of an upstream reformer 26 .
  • the recorded measured values can be sent to an evaluation means.
  • the evaluation means can in particular be designed centrally. It preferably enables the evaluation of measured values from a number of energy supply devices 1. In particular, it is embodied in the cloud.
  • the measured values of at least two fuel cell units 12 can preferably be compared with one another.
  • the period of time tA of the current interruption/reduction/increase, ie between method steps 110 and 130, should be selected in such a way that capacitive and inductive effects of the current change no longer play a role.
  • the time period tA extends in FIGS. 4 and 5 by way of example from h to ts and in FIGS. 6 and 7 by way of example from h to t?.
  • the period of time tA of the current interruption/reduction/increase, ie between method steps 110 and 130 should be selected in such a way that the interruption in the current draw does not disrupt the technical processes, or disrupts them only to an insignificant extent.
  • the same amount of energy is no longer drawn from the fuel, since less current is drawn.
  • the period of time tA should therefore be selected to be so short that the consequence does not have any major impact on the energy supply device 1.
  • the method 100 is carried out when the basic function of the energy supply device 1 and/or the fuel cell units 12 is not disrupted. If the energy supply device 1 in question is mains-operated, ie connected directly to the public power grid, a brief power interruption will generally not pose a problem.
  • the energy supply device 1 is operated in an electrical stand-alone operation, i.e. it is not connected to the public power grid, a check is carried out to determine whether the implementation of the method 100 poses a risk to the operation of the stand-alone power grid, to its stability and to the stability of the connected consumer represents. It should also be ensured that the method 100 is not carried out simultaneously with a plurality of energy supply devices 1 which are connected to a power grid in the immediate vicinity, or with too many fuel cell units 12 .
  • the method 100 is preferably used with a staggering in time for a plurality of fuel cell units 12 or energy supply device 1 .
  • individual fuel cell units 12 or strings with fuel cell units 12 are detected one after the other.
  • the frequency with which the method 100 is carried out depends in particular on the expected aging properties of the fuel cell unit 12. A weekly or monthly performance for each fuel cell unit 12 is advantageous and sufficient.
  • the method 100 can also be carried out in an event-triggered manner, in particular when there is abnormal behavior or when procedural parameters change in a short time frame.
  • FIG. 4 shows a diagram with a voltage curve over time.
  • FIG. 5 shows a diagram with an associated current curve over time. The x-axis forms the course of time.
  • the change 110 in the current provided occurs at time h.
  • the circuit is interrupted by the current control means 80, 80', 80". This is preferably done by means of a switch.
  • the current drops to 0 amperes. No current flows.
  • the voltage increases up to the open circuit voltage V2.
  • a measured value was recorded 120, in particular the voltage (U clamping voltage), preferably the no-load voltage (when the current was reduced to 0 amperes).
  • the current provided is changed back to the initial value. This is done in particular by closing the circuit using the current control means 80.
  • FIG. 6 shows a diagram with a voltage curve over time.
  • FIG. 7 shows a diagram with a current curve over time. The change 110 in the current provided takes place at time h.
  • the circuit is gradually reduced by means of the current control means 80 .
  • a first reduction occurs at time h.
  • Method step 110 is repeated and the current provided is changed again at time ts, in particular reduced.
  • a second measured value was recorded 120 .
  • Method step 110 is repeated and the current provided again changed, in particular reduced, at time t5.
  • time t6 a second measured value was recorded 120 .
  • a voltage corresponding to FIG. 5 is established. The voltage increases gradually until it reaches the open circuit voltage V2.
  • the state 140 is determined by means of at least two recorded measured values.
  • the measured values are recorded in method steps 105 and 120 in particular.
  • the state is determined when 110 and 120 are executed once (see FIGS. 4, 5) with the measured values that were recorded at time t o and t 2 or t 2 and t s .
  • state 140 is determined when 110 and 120 are executed multiple times (see FIGS. 6, 7) with measured values t o or ts and one of measured values t 2 , t 4 , te recorded in method step 120
  • the determination of the state 140 can preferably also take place after the detection 120 .
  • the internal resistance of the fuel cell unit 12 is preferably determined during the determination 140 . This allows conclusions to be drawn about the state of the fuel cell unit 12 .
  • the internal resistance depends, for example, on the temperature of the fuel cell unit 12, the aging of the fuel cell unit 12, the oxidation medium supplied and the fuel supplied.
  • the point in time to is preferably before the point in time ti.
  • the times to and h are preferably a maximum of 1 second, preferably 100 milliseconds, for example 10 milliseconds apart.
  • several measurements can also take place before the first change 110 and represent the measured value at time to.
  • the subsequently used measured value is determined from the individual measurements, in particular by means of averaging.
  • Method step 105 is carried out shortly before method step 110 is carried out for the first time. In this context, short is to be understood as less than 1 second, preferably less than 100 milliseconds, for example less than 10 milliseconds.
  • Method step 105 is carried out shortly after method step 110 is carried out for the first time.
  • short is to be understood as less than 1 second, preferably less than 100 milliseconds, for example less than 10 milliseconds.
  • the measured value that is recorded at time t o or t s is also referred to as a further measured value.
  • method step 105 is carried out at a constant load, in particular during constant operation.
  • One or more of the previously recorded measured values are preferably used when determining the state 140 .
  • the internal resistance is preferably determined in method step 140 .
  • the internal resistance then allows conclusions to be drawn about the condition.
  • the internal resistance is determined in particular as follows.
  • a fuel cell unit 12 represents a real voltage source.
  • a real voltage source in turn consists of an internal resistance Ri, which is connected in series with an ideal voltage source Uo.
  • the voltage between the poles of a fuel cell unit 12 or all Fuel cell units 12 of a string, in particular when the circuit is closed, is referred to as the terminal voltage U terminal voltage.
  • the current control means 80, 80', 80'' interrupts the current flow.
  • the no-load voltage V2 is set at the terminals of the string.
  • the current is 0 amperes.
  • the U clamping voltage corresponds to the no-load voltage V2.
  • the clamping voltage corresponds in particular to the phase voltage. In other words, the voltage, measured across a strand, in particular the strand in which the determination 140 takes place.
  • the internal resistance value Ri can thus be determined. Uo was recorded at time to or ts. And the clamping voltage is detected at the time when the circuit is not broken.
  • the current control means 80'' is designed as a DC/AC voltage converter
  • the instantaneous internal resistance can be determined.
  • the change in the internal resistance can then be determined by repeating the process.
  • the change in the internal resistance can be used to draw conclusions about the state of the fuel cell unit 12, in particular its aging.
  • the current measured value is compared with one or more previous measured values. In this way, the state of the fuel cell unit can be determined.
  • At least one electronic control unit for executing the method 100 is preferably provided.
  • the electronic control unit has at least one microprocessor.
  • the current causes the voltage to adjust according to the internal resistance.
  • the internal resistance depends, for example, on the temperature of the fuel cell unit 12, the aging of Fuel cell unit 12, the supplied oxidizing medium and the supplied fuel.
  • the fuel cell units 12 also do not have a linear progression. By repeatedly measuring when the provided Storm has changed

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Abstract

The invention relates to a method (100) for determining the state of an energy supply device (1), wherein the energy supply device (1) provides current to at least one consumer (99) and/or a power grid (99), and wherein the energy supply device (1) has at least one fuel cell unit (12) for generating electrical current, and wherein at least one current control means (80) is formed, and wherein the current control means (80) is formed to change the current provided, comprising the steps: • Changing (110) the provided current by means of the current control means (80); • Detecting (120) at least one measurement value, in particular a voltage value and/or a current value; • Changing (130) the provided current again by means of the current control means (80), in particular to the initial value; • Determining the state (140) of at least one of the fuel cell units (12) by means of the detected measurement values.

Description

Beschreibung Description
Titel title
Verfahren zur Ermittlung des Zustands einer Energieversorgungseinrichtung Method for determining the status of an energy supply facility
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung des Zustands einer Energieversorgungseinrichtung sowie ein Computerprogramm, ein maschinenlesbares Speichermedium und eine elektronische Steuereinheit. The invention relates to a method for determining the status of an energy supply device and to a computer program, a machine-readable storage medium and an electronic control unit.
Stand der Technik State of the art
Um größere Leistungen zu ermöglichen, ist es bekannt mehrere Brennstoffzelleneinheiten als Energieversorgungseinrichtungen zusammenzuschalten. Es ist bekannt die Brennstoffzelleneinheiten in Strängen miteinander zusammenzuschalten. Vorteilhaft ist es, wenn alle Brennstoffzelleneinheiten die gleichen Innenwiderstände aufweisen. Umwelteinflüsse und weitere Einflüsse führen jedoch dazu, dass die Brennstoffzelleneinheiten mit der Zeit von ihren ursprünglichen Spezifikationen abweichen. Die Feststellung dieser Abweichungen stellt sich bisher als sehr komplex dar. In order to enable greater power, it is known to interconnect several fuel cell units as energy supply devices. It is known to interconnect the fuel cell units in strings. It is advantageous if all fuel cell units have the same internal resistance. However, environmental influences and other influences mean that the fuel cell units deviate from their original specifications over time. The determination of these deviations has so far proved to be very complex.
Offenbarung der Erfindung Disclosure of Invention
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung des Zustands einer Energieversorgungseinrichtung. Die Energieversorgungseinrichtung stellt zumindest einem Verbraucher und/oder einem Stromnetz Strom bereit. Die Energieversorgungseinrichtung weist mindestens eine Brennstoffzelleneinheit zur Erzeugung von elektrischem Strom auf. Die Energieversorgungseinrichtung wandelt chemische Reaktionsenergie eines kontinuierlich zugeführten Brennstoffes und eines Oxidationsmittels in elektrische Energie um. Die Energieversorgungseinrichtung erzeugt einen elektrischen Strom. Die umgewandelte elektrische Energie wird als elektrischer Strom bereitgestellt. Die Energieversorgungseinrichtung weist mindestens ein Stromsteuerungsmittel auf. Das Stromsteuerungsmittel ist ausgebildet den bereitgestellten Strom zu ändern. The invention relates to a method for determining the status of an energy supply device. The energy supply device provides electricity to at least one consumer and/or a power grid. The energy supply device has at least one fuel cell unit for generating electricity. The energy supply device converts chemical reaction energy of a continuously supplied Fuel and an oxidizing agent into electrical energy. The energy supply device generates an electric current. The converted electrical energy is provided as electrical current. The energy supply device has at least one current control means. The current control means is designed to change the current provided.
Das Verfahren umfasst die im Folgenden aufgeführten Verfahrensschritte. The process includes the process steps listed below.
In einem Verfahrensschritt erfolgt das Ändern des bereitgestellten Stroms mittels dem Stromsteuerungsmittel. In a method step, the current provided is changed by means of the current control means.
In einem Verfahrensschritt erfolgt das Erfassen von zumindest einem Messwert, insbesondere zumindest zwei Messwerte, insbesondere einer Spannungswert und/oder Stromwert. In a method step, at least one measured value, in particular at least two measured values, in particular a voltage value and/or current value, is recorded.
In einem Verfahrensschritt erfolgt ein erneutes Ändern des bereitgestellten Stroms mittels dem Stromsteuerungsmittel, insbesondere auf den Ausgangswert. In a method step, the current provided is changed again by means of the current control means, in particular to the initial value.
In einem Verfahrensschritt erfolgt das Ermitteln des Zustands zumindest einer der Brennstoffzelleneinheiten, vorzugsweise mehrere Brennstoffzelleneinheiten, beispielsweise aller Brennstoffzelleneinheiten, die miteinander in Serie verschaltet sind, mittels der erfassten Messwerte, insbesondere mittels des erfassten Messwerts und mindestens einem weiteren Messwert. Vorzugsweise wird einer der Messwerte, insbesondere der weitere Messwert, bei kontanter Last und/oder bei konstantem Betrieb erfasst. Der weitere Messwert wird erfasst bevor bereitgestellte Strom geändert wird oder nachdem der ursprüngliche Strom wieder eingestellt wurde. In a method step, the state of at least one of the fuel cell units, preferably several fuel cell units, for example all fuel cell units that are connected in series, is determined using the measured values recorded, in particular using the measured value recorded and at least one other measured value. One of the measured values, in particular the further measured value, is preferably recorded with a constant load and/or with constant operation. The further measured value is recorded before the supplied current is changed or after the original current has been restored.
Vorteilhaft kann der Zustand der Energieversorgungseinrichtung auf einfach Weise ermittelt werden. The state of the energy supply device can advantageously be determined in a simple manner.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen ergeben sich vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch angegebenen Verfahrens. Eine vorteilhafte Weiterbildung zeichnet sich dadurch aus, dass der Verfahrensschritt des Erfassens mindestens ein weiteres Mal ausgeführt wird. Vorzugsweise wird zumindest ein Messwert, insbesondere der weitere Messwert, bei konstanter Last und/oder bei konstantem Betrieb erfasst Insbesondere Erfassen (105) eines weiteren Messwerts, vorzugsweise einem Spannungswert und/oder Stromwert. The measures listed in the subclaims result in advantageous developments and improvements of the method specified in the main claim. An advantageous development is characterized in that the method step of detecting is carried out at least one more time. At least one measured value, in particular the further measured value, is preferably recorded at a constant load and/or during constant operation. In particular, a further measured value is recorded (105), preferably a voltage value and/or current value.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung ist, dass bei der Erfassung zumindest eine Spannungsmessung an der Brennstoffzelleneinheit und/oder eine Spannungsmessung über mehrere seriell verschaltete Brennstoffzelleneinheiten durchgeführt wird. An advantageous development of the invention is that during the detection at least one voltage measurement is carried out on the fuel cell unit and/or one voltage measurement is carried out across a number of fuel cell units connected in series.
Eine vorteilhafte Weiterbildung ist, dass beim Ändern des bereitgestellten Stroms, der Strom erhöht oder reduziert wird, insbesondere dass der Strom auf null Ampere reduziert wird. Vorzugsweise wird bei einer Reduzierung des Stroms auf null Ampere der Stromkreis unterbrochen. An advantageous development is that when the current provided is changed, the current is increased or reduced, in particular that the current is reduced to zero amperes. Preferably, when the current is reduced to zero amps, the circuit is broken.
Eine vorteilhafte Weiterbildung zeichnet sich dadurch aus, dass das Ändern des bereitgestellten Stroms stufenweise durchgeführt wird. Insbesondere erfolgt für jede Stufe das Erfassen zumindest eines Messwerts. Vorzugsweise wird das Ändern des bereitgestellten Stroms und ein anschließendes Erfassen eines Messwerts wiederholt. An advantageous development is characterized in that the current provided is changed in stages. In particular, at least one measured value is recorded for each stage. The changing of the current provided and a subsequent acquisition of a measured value are preferably repeated.
In einer vorteilhaften Weiterbildung erfolgt das Ermitteln des Zustands zumindest einer der Brennstoffzelleneinheiten mittels eines erfassten Messwerts und mindestens einem, insbesondere mehreren, Messwerten, die zu einem früheren Zeitpunkt erfasst wurden. In an advantageous development, the state of at least one of the fuel cell units is determined by means of a recorded measured value and at least one, in particular several, measured values that were recorded at an earlier point in time.
Eine vorteilhafte Weiterbildung ist, dass es sich bei dem Stromsteuerungsmittel um einen Stromrichter, insbesondere einen Gleichrichter, Gleichspannungswandler oder Umrichter, oder um einen Schalter, insbesondere einen elektrischen Schalter, vorzugsweise einen Halbleiterschalter, oder ein Relais handelt. Eine vorteilhafte Weiterbildung ist, dass zumindest eine der Brennstoffzelleneinheiten trotz dem Ändern des bereitgestellten Stroms unverändert weiter betrieben wird. Im Rahmen des Verfahrens erfolgt kein Regeleingriff in die Brennstoffzelleneinheit und der Prozessoreinheiten selbst. An advantageous development is that the current control means is a power converter, in particular a rectifier, DC voltage converter or converter, or a switch, in particular an electrical switch, preferably a semiconductor switch, or a relay. An advantageous further development is that at least one of the fuel cell units continues to be operated unchanged despite the change in the current provided. As part of the process, there is no control intervention in the fuel cell unit and the processor units themselves.
Eine vorteilhafte Weiterbildung ist, dass der Zeitraum zwischen Ändern und erneutem Ändern weniger als 1s, vorzugsweise weniger als 100 Millisekunden, insbesondere weniger als 10 Millisekunden beträgt. An advantageous development is that the period of time between changing and changing again is less than 1 s, preferably less than 100 milliseconds, in particular less than 10 milliseconds.
Eine vorteilhafte Weiterbildung ist, dass das Verfahren regelmäßig, insbesondere monatlich, vorzugsweise wöchentlich, wiederholt wird. An advantageous development is that the method is repeated regularly, in particular monthly, preferably weekly.
Eine vorteilhafte Weiterbildung zeichnet sich durch die im Folgenden aufgeführten Verfahrensschritte aus. An advantageous development is characterized by the method steps listed below.
In einem Verfahrensschritt erfolgt das Abspeichern zumindest eines der erfassten Messwerte auf einem Datenspeicher. Der Datenspeicher kann lokal, insbesondere als Teil der elektrischen Steuereinheit oder des maschinenlesbaren Speichermediums ausgebildet sein. Er kann auch entfernt, insbesondere auf einem Server oder in der Cloud ausgebildet sein. In a method step, at least one of the recorded measured values is stored in a data memory. The data memory can be embodied locally, in particular as part of the electrical control unit or the machine-readable storage medium. It can also be designed remotely, in particular on a server or in the cloud.
Eine vorteilhafte Weiterbildung zeichnet sich durch die im Folgenden aufgeführten Verfahrensschritte aus. An advantageous development is characterized by the method steps listed below.
In einem Verfahrensschritt erfolgt das Auslesen zumindest eines erfassten Messwerts aus einem Datenspeicher. In a method step, at least one recorded measured value is read out from a data memory.
Die Erfindung betrifft auch ein Computerprogramm, welches eingerichtet ist, alle Schritte des Verfahrens auszuführen. The invention also relates to a computer program that is set up to carry out all the steps of the method.
Die Erfindung betrifft auch ein maschinenlesbares Speichermedium, auf dem das Computerprogramm gespeichert ist. Die Erfindung betrifft auch eine elektronische Steuereinheit, die eingerichtet ist, alle Schritte des Verfahrens auszuführen. The invention also relates to a machine-readable storage medium on which the computer program is stored. The invention also relates to an electronic control unit that is set up to carry out all the steps of the method.
In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele der Erfindung schematisch dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen In the drawings, exemplary embodiments of the invention are shown schematically and explained in more detail in the following description. Show it
Figur 1 ein schematisches Schaltbild eines Ausführungsbeispiels einer Brennstoffzellenvorrichtung; FIG. 1 shows a schematic circuit diagram of an exemplary embodiment of a fuel cell device;
Figur 2 schematisch die elektrische Verschaltung einer Energieversorgungseinrichtung; und FIG. 2 schematically shows the electrical wiring of an energy supply device; and
Figur 3 den Verfahrensablauf des Verfahrens; FIG. 3 shows the process sequence of the method;
Figur 4 und 5 den Spannungs- und Stromverlauf über die Zeit bei einem Sprungartigen ändern; und FIGS. 4 and 5 change the voltage and current profile over time in the case of a sudden change; and
Figur 6 und 7 den Spannungs- und Stromverlauf über die Zeit bei einem stufenweisen ändern. Figure 6 and 7 change the voltage and current profile over time with a gradual change.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren 100 zur Steuerung einer Energieversorgungseinrichtung 1. Die Energieversorgungseinrichtung 1 umfasst zumindest eine Brennstoffzellenvorrichtung 10 sowie zumindest zwei Brennstoffzelleneinheiten 12. The invention relates to a method 100 for controlling an energy supply device 1. The energy supply device 1 comprises at least one fuel cell device 10 and at least two fuel cell units 12.
In Figur 1 ist beispielhaft der Aufbau einer Brennstoffzellenvorrichtung 10 dargestellt. FIG. 1 shows the structure of a fuel cell device 10 by way of example.
In Figur 2 ist beispielhaft der Aufbau einer Energieversorgungseinrichtung 1 mit sechs Brennstoffzelleneinheiten 12 dargestellt. Die Figur 2 ist dahingehend vereinfacht, dass nur die elektrischen Pfade schematisch dargestellt sind. Es ist selbstverständlich, dass die in der Figur 2 gezeigt Energieversorgungseinrichtung 1 neben den Brennstoffzelleneinheiten 12 auch zusätzliche Prozessoreinheiten 14 aufweisen. Die Prozessoreinheiten 14 werden im Folgenden in Figur 1 näher beschrieben. Die Brennstoffzelleneinheiten 12 und die Prozessoreinheiten 14 können beliebig zu Brennstoffzellenvorrichtung 10 zusammengefasst sein. FIG. 2 shows the structure of an energy supply device 1 with six fuel cell units 12 as an example. FIG. 2 is simplified in that only the electrical paths are shown schematically. It goes without saying that the energy supply device 1 shown in FIG. 2 also has additional processor units 14 in addition to the fuel cell units 12 . The processor units 14 are described in more detail below in FIG. The fuel cell units 12 and the processor units 14 can be arbitrarily combined to form the fuel cell device 10 .
In Fig. 1 ist ein schematisches Schaltbild eines Ausführungsbeispiels einer Brennstoffzellenvorrichtung 10 gezeigt. Die Brennstoffzellenvorrichtung 10 umfasst beispielhaft zwei Brennstoffzelleneinheiten 12. Insbesondere können mehr als die zwei in Figur 1 gezeigten Brennstoffzelleneinheiten 12 ausgebildet sein. 1 shows a schematic circuit diagram of an exemplary embodiment of a fuel cell device 10 . The fuel cell device 10 includes, for example, two fuel cell units 12. In particular, more than the two fuel cell units 12 shown in FIG. 1 can be formed.
Die Brennstoffzelleneinheiten 12 sind in dem gezeigten Ausführungsbeispiel als Brennstoffzellenstack ausgeführt, welche eine Vielzahl von Brennstoffzellen, im vorliegenden Fall Festoxidbrennstoffzellen (englisch: solid oxide fuel cell, SOFC), aufweisen. In the exemplary embodiment shown, the fuel cell units 12 are designed as fuel cell stacks which have a multiplicity of fuel cells, in the present case solid oxide fuel cells (SOFC).
Des Weiteren umfasst die Brennstoffzellenvorrichtung 10 eine Vielzahl von Prozessoreinheiten 14. Die Anzahl und Skalierung der Prozessoreinheiten 14 hängt von der Anzahl der Brennstoffzelleneinheiten 12 ab sowie von dem Aufbau und der Struktur der gesamten Energieversorgungseinrichtung 1 . Furthermore, the fuel cell device 10 includes a large number of processor units 14. The number and scaling of the processor units 14 depends on the number of fuel cell units 12 and on the design and structure of the entire energy supply device 1 .
Unter einer „Prozessoreinheit“ 14 soll im Rahmen dieser Erfindung insbesondere eine Einheit oder Komponente der Brennstoffzellenvorrichtung 10, bzw. der Energieversorgungseinrichtung 1 verstanden werden, bei der es sich nicht um eine Brennstoffzelleneinheit 12 handelt. In dem vorliegenden Fall handelt es sich bei den Prozessoreinheiten 14 um Einheiten zur chemischen und/oder thermischen Vor- und/oder Nachbereitung zumindest eines in einer Brennstoffzelleneinheit 12 umzusetzenden und/oder umgesetzten Mediums, wie beispielsweise eines Oxidationsmedium, insbesondere Luft und/oder Sauerstoff, und/oder eines Abgases und/oder eines Brennstoffs, vorzugsweise eines Brenngases, insbesondere Erdgas oder Wasserstoff. In the context of this invention, a “processor unit” 14 is to be understood in particular as a unit or component of the fuel cell device 10 or of the energy supply device 1 which is not a fuel cell unit 12 . In the present case, the processor units 14 are units for the chemical and/or thermal preparation and/or post-processing of at least one medium to be converted and/or converted in a fuel cell unit 12, such as an oxidation medium, in particular air and/or oxygen, and/or an exhaust gas and/or a fuel, preferably a combustible gas, in particular natural gas or hydrogen.
Bei einer der Prozessoreinheiten 14 handelt es sich um einen in einerOne of the processor units 14 is one in one
Luftzuführung 16 angeordneten Wärmeübertrager 18 zur Erwärmung einer den Brennstoffzelleneinheiten 12 zugeführten Oxidationsmedium, insbesondere sauerstoffhaltigen Luft L. Im vorliegenden Fall wird das Oxidationsmedium, insbesondere die Luft L, beispielsweise in einem Normalbetrieb, jeweils einem Kathodenraum 20 der Brennstoffzelleneinheiten 12 zugeführt, während jeweils einem Anodenraum 22 reformierter Brennstoff RB, im vorliegenden Wasserstoff oder Erdgas, zugeführt wird. In den Brennstoffzelleneinheiten 12 wird der reformierte Brennstoff RB durch Mitwirkung von Sauerstoff aus der Luft L unter Erzeugung von Strom und Wärme elektrochemisch umgesetzt. Es wird elektrische Energie erzeugt. Air supply 16 arranged heat exchanger 18 for heating a den Fuel cell units 12 supplied oxidation medium, in particular oxygen-containing air L. In the present case, the oxidation medium, in particular the air L, for example in normal operation, each one cathode compartment 20 of the fuel cell units 12, while each anode compartment 22 reformed fuel RB, in the present hydrogen or natural gas , is supplied. In the fuel cell units 12, the reformed fuel RB is electrochemically converted by the participation of oxygen from the air L, with the generation of electricity and heat. Electrical energy is generated.
Der reformierte Brennstoff RB wird erzeugt, indem der Brennstoffzellenvorrichtung 10 über eine Brennstoffzuführung 24 Brennstoff B, insbesondere Erdgas oder Wasserstoff oder Methan oder Kohlegas, zugeführt wird, welcher in einer weiteren Prozessoreinheit 14, im vorliegenden Fall einem Reformer 26, reformiert wird. The reformed fuel RB is generated by fuel B, in particular natural gas or hydrogen or methane or coal gas, being supplied to the fuel cell device 10 via a fuel supply 24, which fuel is reformed in a further processor unit 14, in the present case a reformer 26.
Des Weiteren sind die Brennstoffzelleneinheiten 12 abgasseitig mit einer weiteren Prozessoreinheit 14, im vorliegenden Fall mit einem Nachbrenner 28, verbunden. Dem Nachbrenner 28 wird Abgas der Brennstoffzelleneinheiten 12 zugeführt, im vorliegenden Fall Kathodenabgas KA über eine Kathodenabgasführung 30 und ein Teil des Anodenabgas AA über eine Anodenabgasführung 32. Das Kathodenabgas KA enthält unverbrauchtes Oxidationsmedium, insbesondere Luft L, bzw. unverbrauchten Sauerstoff, während das Anodenabgas AA ggf. nicht-umgesetzten, reformierten Brennstoff RB und/oder ggf. nicht-reformierten Brennstoff B enthält. Mittels des Nachbrenners 28 wird das Anodenabgas AA, bzw. der ggf. darin enthaltene nicht-umgesetzte, reformierte Brennstoff RB und/oder der ggf. darin enthaltende nicht-reformierte Brennstoff B, unter Beimischung des Kathodenabgases KA, bzw. des darin enthaltenen Sauerstoffs des Oxidationsmedium, insbesondere der Luft L, verbrannt, wodurch zusätzliche Wärme erzeugt werden kann. Furthermore, the fuel cell units 12 are connected on the exhaust gas side to a further processor unit 14 , in the present case to an afterburner 28 . Exhaust gas from the fuel cell units 12 is supplied to the afterburner 28, in the present case cathode exhaust gas KA via a cathode exhaust gas duct 30 and part of the anode exhaust gas AA via an anode exhaust gas duct 32. The cathode exhaust gas KA contains unused oxidation medium, in particular air L, or unused oxygen, while the anode exhaust gas AA possibly unreacted, reformed fuel RB and/or possibly non-reformed fuel B contains. By means of the afterburner 28, the anode waste gas AA, or any unreacted, reformed fuel RB contained therein and/or the non-reformed fuel B contained therein, is mixed with the cathode waste gas KA, or the oxygen contained therein Oxidizing medium, in particular the air L, burned, whereby additional heat can be generated.
Das bei der Verbrennung im Nachbrenner 28 entstehende heiße Abgas A wird über eine Abgasführung 34 über eine weitere Prozessoreinheit 14, im vorliegenden Fall über einen Wärmeübertrager 36, vom Nachbrenner 28 abgeführt. Der Wärmeübertrager 36 ist dabei wiederum mit dem Reformer 26 strömungstechnisch verbunden, so dass Wärme von dem heißen Abgas A, auf den dem Reformer 26 zugeführten Brennstoff B übertragen wird. Entsprechend kann die Wärme des heißen Abgases A für die Reformierung des zugeführten Brennstoffs B im Reformer 26 genutzt werden. The hot exhaust gas A produced during combustion in the afterburner 28 is discharged from the afterburner 28 via an exhaust gas duct 34 via a further processor unit 14, in the present case via a heat exchanger 36 taken away. The heat exchanger 36 is in turn fluidically connected to the reformer 26 so that heat is transferred from the hot exhaust gas A to the fuel B supplied to the reformer 26 . Accordingly, the heat of the hot exhaust gas A can be used for reforming the fuel B supplied in the reformer 26 .
Stromabwärts des Wärmeübertragers 36 befindet sich eine weitere Prozessoreinheit 14, im vorliegenden Fall der Wärmeübertrager 18, in der Abgasführung 34, so dass die verbleibende Wärme des heißen Abgases A auf das zugeführte Oxidationsmedium, insbesondere Luft L in der Luftzuführung 16 übertragen werden kann. Entsprechend kann die verbleibende Wärme des heißen Abgases für ein Vorwärmen des zugeführten Oxidationsmedium, insbesondere der Luft L in der Luftführung 16 genutzt werden. A further processor unit 14, in the present case the heat exchanger 18, is located downstream of the heat exchanger 36 in the exhaust gas duct 34, so that the remaining heat of the hot exhaust gas A can be transferred to the supplied oxidation medium, in particular air L in the air supply 16. Correspondingly, the remaining heat of the hot exhaust gas can be used for preheating the supplied oxidation medium, in particular the air L in the air duct 16 .
Darüber hinaus weist die Brennstoffzellenvorrichtung 10 eine Rückführung 38 auf, mittels welcher ein Teil des Anodenabgas AA aus der Anodenabgasleitung 32 abgezweigt und einem Anodenrezirkulationskreis 40 zugeführt werden kann. Dabei passiert das abgezweigte Anodenabgas AA eine weitere Prozessoreinheit 14, im vorliegenden Fall einen weiteren Wärmeübertrager 39. In addition, the fuel cell device 10 has a return 38 by means of which part of the anode exhaust gas AA can be branched off from the anode exhaust gas line 32 and fed to an anode recirculation circuit 40 . The anode waste gas AA that is branched off passes through a further processor unit 14, in the present case a further heat exchanger 39.
Mittels des Anodenrezirkulationskreises 40 kann der abgezweigte Teil des Anodenabgas AA dem jeweiligen Anodenraum 22 der Brennstoffzelleneinheiten 12 und/oder dem Reformer 26 rückgeführt, bzw. erneut zugeführt, werden, so dass der ggf. im abgezweigten Anodenabgas AA enthaltene, nicht-umgesetzte, reformierte Brennstoff RB im Nachgang in der Brennstoffzelleneinheit 12 umgesetzt und/oder der ggf. im abgezweigten Anodenabgas AA enthaltene, nicht-reformierte Brennstoff B im Nachgang im Reformer 26 reformiert werden kann. Dadurch kann der Wirkungsgrad der Brennstoffzellenvorrichtung 10 weiter erhöht werden. Zudem kann über die Brennstoffzuführleitung 24 frischer Brennstoff B dem im Anodenrezirkulationskreis 40 rezirkuliertem, abgezweigten Anodenabgas AA beigemischt werden. Mittels des Weiteren Wärmeübertragers 39 kann dann zur thermischen Aufbereitung Wärme von dem abgezweigten Anodenabgas AA aus der Rückführleitung 38 auf das durch die Beimischung des frischen Brennstoffs B entstehende Brennstoffgemisch im Anodenrezirkulationskreis 40 übertragen werden. By means of the anode recirculation circuit 40, the branched-off portion of the anode waste gas AA can be returned or fed back to the respective anode space 22 of the fuel cell units 12 and/or the reformer 26, so that the unreacted, reformed fuel possibly contained in the branched-off anode waste gas AA RB can subsequently be converted in the fuel cell unit 12 and/or the non-reformed fuel B contained in the branched-off anode waste gas AA can subsequently be reformed in the reformer 26 . As a result, the efficiency of the fuel cell device 10 can be further increased. In addition, fresh fuel B can be admixed via the fuel feed line 24 to the anode exhaust gas AA that has been branched off and recirculated in the anode recirculation circuit 40 . By means of the additional heat exchanger 39, heat can then be transferred from the branched-off anode waste gas AA from the return line 38 to the through the admixture of the fresh fuel B resulting fuel mixture in the anode recirculation circuit 40 are transferred.
Über Verdichter 42 in den jeweiligen Leitungen, kann die Zufuhr eines Oxidationsmediums, insbesondere von Oxidationsmedien, vorzugsweise Luft L in der Luftzuführung 16, die Zufuhr von Brennstoff B in der Brennstoffzuführung 24 und die Rezirkulationsrate des Anodenabgases AA im Anodenrezirkulationskreis 40 geregelt und/oder aufeinander abgestimmt werden. The supply of an oxidizing medium, in particular oxidizing media, preferably air L in the air supply 16, the supply of fuel B in the fuel supply 24 and the recirculation rate of the anode exhaust gas AA in the anode recirculation circuit 40 can be regulated and/or coordinated via compressor 42 in the respective lines become.
Vorzugsweise weist die Brennstoffzellenvorrichtung ein Heizelement 44 zur, im vorliegenden Fall zusätzlichen, Erwärmung der den Brennstoffzelleneinheiten 12 zugeführten Oxidationsmedium, insbesondere Luft L in einer Bypassleitung 46, wodurch die Betriebseffizienz der Brennstoffzellevorrichtung 10 gesteigert wird. The fuel cell device preferably has a heating element 44 for, in the present case additional, heating of the oxidation medium supplied to the fuel cell units 12, in particular air L in a bypass line 46, as a result of which the operating efficiency of the fuel cell device 10 is increased.
Die Erfindung ist nicht auf Festoxidbrennstoffzellen beschränkt. Vielmehr können beliebige Brennstoffzellen ausgeführt sein. Beispielsweise können die Brennstoffzellen auch als alkalische Brennstoffzelle (AFC), Niedertemperatur- Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle (NT-PEMFC), Hochtemperatur- Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle (HT-PEMFC), Direktmethanol- Brennstoffzelle (DMFC), Phosphorsäure-Brennstoffzelle (PAFC), Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle (MCFC) ausgeführt sein. Entsprechend unterscheiden sich die verwendeten Brennstoffe oder das Oxidationsmedium. Beispiel für Brennstoffe sind Wasserstoff, Alkohole (Ethanol, Propanol, Glycerin, Methanol), Methan, Kohlegas, Ammoniak Reformatgas, insbesondere Methanol. Beispiels für Oxidationsmedien sind Luft, insbesondere der Luftsauerstoff der Luft, Sauerstoff, Wasserstoffperoxid, Salpertersäure oder Halogene. The invention is not limited to solid oxide fuel cells. Rather, any fuel cells can be designed. For example, the fuel cells can also be classified as alkaline fuel cell (AFC), low temperature polymer electrolyte fuel cell (NT-PEMFC), high temperature polymer electrolyte membrane fuel cell (HT-PEMFC), direct methanol fuel cell (DMFC), phosphoric acid fuel cell (PAFC), molten carbonate Fuel cell (MCFC) be running. The fuels used or the oxidizing medium differ accordingly. Examples of fuels are hydrogen, alcohols (ethanol, propanol, glycerine, methanol), methane, coal gas, ammonia reformate gas, especially methanol. Examples of oxidation media are air, in particular the atmospheric oxygen in the air, oxygen, hydrogen peroxide, nitric acid or halogens.
Abhängig von der verwendeten Brennstoffzelle der Brennstoffzelleneinheit 12 sind die Prozesseinheiten 14 angepasst. The process units 14 are adapted depending on the fuel cell used in the fuel cell unit 12 .
In Figur 2 ist schematisch die elektrische Verschaltung einer Energieversorgungseinrichtung 1 dargestellt. Die Energieversorgungseinrichtung 1 weist beispielhaft drei Stränge 50, 60, 70 mit jeweils zwei Brennstoffzelleneinheiten 12 auf. Die Brennstoffzelleneinheiten 12 eines Strangs 50, 60, 70 sind hier beispielhaft seriell miteinander verschaltet Vorzugsweise ist auch eine serielle und parallele Verschaltung der Brennstoffzelleneinheiten 12 in einem Strang 50, 60, 70 denkbar. Auch die Anzahl an Brennstoffzelleneinheiten 12 je Strang ist beliebig wählbar. So können insbesondere auch mehr Brennstoffzelleneinheiten 12 in einem Strang angeordnet sein. The electrical wiring of an energy supply device 1 is shown schematically in FIG. The energy supply device 1 has, for example, three strands 50, 60, 70, each with two fuel cell units 12. The fuel cell units 12 of a train 50, 60, 70 are connected to one another in series here, for example. Preferably, a serial and parallel connection of the fuel cell units 12 in a train 50, 60, 70 is also conceivable. The number of fuel cell units 12 per line can also be selected as desired. In particular, more fuel cell units 12 can also be arranged in one line.
Die Stränge 50, 60, 70 sind zueinander elektrisch parallel verschaltet. Erfindungsgemäß kann die Anzahl der Stränge 50, 60, 70 beliebig gewählt werden. Auch kann die Anzahl an Brennstoffzelleneinheiten 12 je Strang beliebig gewählt werden. The strands 50, 60, 70 are electrically connected in parallel to one another. According to the invention, any number of strands 50, 60, 70 can be selected. The number of fuel cell units 12 per strand can also be selected as desired.
Gemäß einer ersten Ausführungsform bilden die Brennstoffzelleneinheiten 12 eines Strangs 50, 60, 70 eine Brennstoffzellenvorrichtung 10. Entsprechend sind in Figur 2 jeweils eine Brennstoffzellenvorrichtung 10 je Strang, also drei Brennstoffzellenvorrichtungen 10 dargestellt. According to a first embodiment, the fuel cell units 12 of a train 50, 60, 70 form a fuel cell device 10. Accordingly, one fuel cell device 10 per train, ie three fuel cell devices 10, are shown in FIG.
Eine Brennstoffzellenvorrichtung 10 kann auch entgegen dem Beispiel in Figur 1 mehr oder weniger als die in Figur 1 angegebenen zwei Brennstoffzelleneinheiten 12 aufweisen. Entsprechend sind die Prozessoreinheiten 14, die eine Brennstoffzelleneinheit benötigt, in Anzahl, Leistung und Abmessung angepasst. Vorzugsweise benötigt jede Brennstoffzelleneinheit 12 eine Vielzahl von Prozessoreinheiten 14 entsprechend Figur 1. Contrary to the example in FIG. 1, a fuel cell device 10 can also have more or fewer than the two fuel cell units 12 indicated in FIG. Correspondingly, the processor units 14 that a fuel cell unit requires are adapted in terms of number, power and dimensions. Each fuel cell unit 12 preferably requires a large number of processor units 14 as shown in FIG.
Einzelne Prozessoreinheiten 14 können derart ausgebildet und eingerichtet sein, dass sie sich mehrere Brennstoffzelleneinheiten 12 teilen. Beispielsweise sind in Figur 1 zwei Brennstoffzelleneinheiten 12 sowie eine Vielzahl an Prozessoreinheiten 14 zu deren Versorgung dargestellt. Individual processor units 14 can be designed and set up in such a way that they share a number of fuel cell units 12 . For example, two fuel cell units 12 and a large number of processor units 14 for supplying them are shown in FIG.
Gemäß einer Weiterbildung können einzelne Prozessoreinheiten 14, gleichzeitig mehrere Brennstoffzelleneinheiten 12 versorgen. Eine einzelne Prozessoreinheiten 14 kann hierbei auch Brennstoffzelleneinheiten 12 von mehr als einem Strang 50, 60, 70 versorgen. Insbesondere kann ein Verdichter 42 für zwei oder mehr Brennstoffzelleneinheiten 12 vorgesehen sein. Auch kann die Luftzuführung 16 für viele, insbesondere alle, Brennstoffzelleneinheiten 12 verwendet werden. According to a further development, individual processor units 14 can supply several fuel cell units 12 at the same time. A single processor unit 14 can also supply fuel cell units 12 from more than one line 50 , 60 , 70 . In particular, a compressor 42 can be provided for two or more fuel cell units 12 . Also can the Air supply 16 for many, especially all, fuel cell units 12 are used.
Der Strom, der sich in einem Strang ausbildet, hängt von dem Innenwidersand der Brennstoffzelleneinheiten 12 eines Strangs 50, 60, 70 ab. Der Innenwiderstand hängt beispielsweise von der Temperatur der Brennstoffzelleneinheit 12, der Alterung der Brennstoffzelleneinheit 12, dem zugeführten Oxidationsmedium und dem zugeführten Brennstoff ab. The current that forms in a train depends on the internal resistance of the fuel cell units 12 of a train 50, 60, 70 from. The internal resistance depends, for example, on the temperature of the fuel cell unit 12, the aging of the fuel cell unit 12, the oxidation medium supplied and the fuel supplied.
In Figur 2 sind Stromsteuerungsmittel 80, 80‘, 80“ dargestellt. Bei den Stromsteuerungsmittels 80, 80‘, 80“ handelt es sich insbesondere um Stromrichter oder Schalter. Current control means 80, 80', 80" are shown in FIG. The current control means 80, 80', 80" are in particular power converters or switches.
Vorzugsweise handelt es sich bei dem Stromsteuerungsmittels 80 und 80‘ jeweils um einen Stromrichter, vorzugsweise um einen Gleichspannungswandler, der die Gleichspannung der Brennstoffzelleneinheit 12 umwandelt. Vorzugsweise sind Gleichspannungswandler als Stromsteuermittel entweder an der Position 80 oder 80‘ ausgebildet. Gleichspannungswandler wandeln Gleichspannung in Gleichspannung um. Die Stromrichter 80 und 80‘ dienen insbesondere auch der Steuerung der Stromentnahme aus den Brennstoffzelleneinheiten 12. The current control means 80 and 80' are preferably a power converter, preferably a DC/DC converter, which converts the DC voltage of the fuel cell unit 12. Preferably DC-DC converters are formed as current control means at either position 80 or 80'. DC-DC converters convert DC voltage into DC voltage. The power converters 80 and 80' also serve in particular to control the current drawn from the fuel cell units 12.
Insbesondere handelt es sich bei dem Stromsteuerungsmittel 80“ um einen Stromrichter, vorzugsweise einen Umrichter, beispielsweise einen DC/AC Spannungswandler, welcher die von den Brennstoffzelleneinheit 12 oder die von einem Stromrichter an einem der Positionen 80 oder 80‘ erzeugte Gleichspannung in Wechselspannung umwandelt. Insbesondere die öffentlichen Stromnetze 99 sowie die meisten Verbraucher 99 arbeiten mit einer Wechselspannung. Ferner entspricht das Spannungsniveau der Brennstoffzelleneinheiten 12 nicht den Anforderungen durch den Verbraucher 99 oder das Stromnetz 99. In particular, the current control means 80" is a converter, preferably a converter, for example a DC/AC voltage converter, which converts the direct voltage generated by the fuel cell unit 12 or by a converter at one of the positions 80 or 80' into alternating voltage. In particular, the public power grids 99 and most consumers 99 work with an AC voltage. Furthermore, the voltage level of the fuel cell units 12 does not meet the requirements of the consumer 99 or the power grid 99.
Vorzugsweise ist dem optionalen Stromsteuerungsmittel 80“ ein Stromrichter, insbesondere ein Gleichspannungswandler 80‘, vorgeschaltet. Bei dem Stromrichter 80‘ handelt sich um einen Gleichspannungswandler. Der Gleichspannungswandler 80‘ ist insbesondere notwendig, da vor einem Umrichter 80“ stets eine definierte minimale Spannungslage erforderlich ist, so dass der Umrichter 80“ vernünftig und effizient in Wechselstrom umwandeln kann. Alternativ kann der Gleichspannungswandler 80‘ auch für jeden Strang als Gleichspannungswandler 80 ausgebildet sein. Befinden sich in den meisten, insbesondere allen Strängen jeweils ein Gleichspannungswandler 80, kann der Gleichspannungswandler 80‘ entfallen. A power converter, in particular a DC voltage converter 80', is preferably connected upstream of the optional current control means 80''. The power converter 80' is a direct voltage converter. The DC-DC converter 80' is necessary in particular because a defined minimum voltage level is always required upstream of a converter 80'', so that the converter 80'' can convert sensibly and efficiently into alternating current. Alternatively, the DC-DC converter 80' can also be designed as a DC-DC converter 80 for each strand. If there is a DC voltage converter 80 in most, in particular all, strands, the DC voltage converter 80′ can be omitted.
Der Gleichspannungswandler 80‘ oder die Gleichspannungswandler 80 erzeugen eine Zwischenkreisspannung 97 mit einer minimal notwendigen Spannungslage, so dass der Stromrichter, insbesondere Umrichter 80“ vernünftig und/oder effizient arbeiten kann. The DC-DC converter 80' or the DC-DC converters 80 generate an intermediate circuit voltage 97 with a minimum necessary voltage level, so that the converter, in particular converter 80'', can work sensibly and/or efficiently.
Eine vorteilhafte Weiterbildung ist, dass die Stromrichter 80‘ und 80“ in einem Gerät kombiniert sind. Vorteilhaft erfolgt so eine Kosten- und Bauraum- Optimierung erreicht werden. Auch besteht eine geringere Ausfallwahrscheinlichkeit durch eine geringe Anzahl an Einzelkomponenten. An advantageous further development is that the power converters 80' and 80'' are combined in one device. Advantageously, cost and installation space optimization can be achieved in this way. There is also a lower probability of failure due to the small number of individual components.
Die Stromsteuerungsmittel 80, 80‘, 80“ können alternativ oder zusätzlich als elektrischer Schalter ausgebildet sein oder einen solchen umfassen. Das als elektrische Schalter ausgebildete Stromsteuerungsmittel 80, 80‘, 80“ kann insbesondere als Thyristor, Relais oder Halbleiterschalter, insbesondere Transistor, vorzugsweise Feldeffekttransistor, beispielsweise MosFets, JFet oder Bipolartransistor, ausgebildet sein. Es ist auch denkbar, dass eine Kombination aus verschiedenen dieser genannten Schalter oder Sicherungen ausgebildet ist. Auch eine Parallelschaltung von mehreren Halbleiterschaltern, Transistoren, Feldeffekttransistoren, MosFets, JFets oder Bipolartransistoren ist denkbar. The current control means 80, 80', 80" can alternatively or additionally be designed as an electrical switch or include such a switch. The current control means 80, 80', 80'' designed as an electrical switch can be designed in particular as a thyristor, relay or semiconductor switch, in particular a transistor, preferably a field effect transistor, for example MosFets, JFet or bipolar transistor. It is also conceivable that a combination of different switches or fuses mentioned is formed. A parallel connection of several semiconductor switches, transistors, field effect transistors, MosFets, JFets or bipolar transistors is also conceivable.
Das Stromsteuerungsmittel 80, 80‘, 80“ ist ausgebildet den Strom, insbesondere den bereitgestellten Strom, zu ändern, insbesondere zu reduzieren oder erhöhen. Es kann mittels einem Stromsteuerungsmittel 80, 80‘, 80“ der bereitgestellte Strom geändert werden. Insbesondere kann das Stromsteuerungsmittel 80 den von den Brennstoffzelleneinheiten 12 eines Strangs bereitgestellten Strom ändern. Die Stromsteuerungsmittel 80‘ und 80“ können den von allen Strängen summierten Strom ändern. Das Ändern umfasst insbesondere ein Reduzieren oder ein Erhöhen. Insbesondere kann der Strom auf null Amper reduziert werden. Das Ändern auf einen Strom mit 0 Amper erfolgt insbesondere durch ein Unterbrechen des Stromkreises. The current control means 80, 80′, 80″ is designed to change, in particular to reduce or increase, the current, in particular the current provided. The current provided can be changed by means of a current control means 80, 80', 80''. In particular, the current control means 80 can change the current provided by the fuel cell units 12 of a train. The current control means 80' and 80'' can change the current summed by all strings. The change includes in particular a reduction or an increase. In particular, the current can be reduced to zero amperes. Changing to a current of 0 amperes is done in particular by breaking the circuit.
In Figur 3 ist ein erfindungsgemäßes Verfahren 100 dargestellt. A method 100 according to the invention is shown in FIG.
Zur Durchführung des Verfahrens 100 ist es vorteilhaft, wenn die Energieversorgungseinrichtung 1 in einem stabilen und/oder eingeschwungenen Zustand betrieben wird. Insbesondere wird das Verfahren 100 durchgeführt, wenn sich die Energieversorgungseinrichtung 1 und/oder Brennstoffzelleneinheit 12 und/oder Brennstoffzelleneinheit 12, die gemessen werden sollen, in einem konstanten Betrieb, insbesondere mit konstanter Last befinden. To carry out the method 100, it is advantageous if the energy supply device 1 is operated in a stable and/or settled state. In particular, method 100 is carried out when energy supply device 1 and/or fuel cell unit 12 and/or fuel cell unit 12, which are to be measured, are in constant operation, in particular with a constant load.
Insbesondere wirkt die Brennstoffzelleneinheit 12 lediglich reaktiv auf eine Veränderung des Stroms durch die Stromsteuerungsmittel 80, 80‘, 80“. Es erfolgt für die Messung, insbesondere das Erfassen, kein Eingriff, der Teil des Verfahrens 100 ist, in die Medienversorgung der Brennstoffzelleneinheiten 12 selbst. Insbesondere wird die Luftzufuhr und die Brennstoffzufuhr nicht verändert. Die Brennstoffzelleneinheit 12 wird nicht im Anfahr- oder Abfahrbetrieb betrieben. In particular, the fuel cell unit 12 acts only reactively to a change in the current through the current control means 80, 80', 80". For the measurement, in particular the detection, there is no intervention, which is part of the method 100, in the media supply of the fuel cell units 12 itself. In particular, the air supply and the fuel supply are not changed. The fuel cell unit 12 is not operated in the startup or shutdown mode.
Vorzugsweise wird das Verfahren 100 für jede Brennstoffzelleinheit 12, jede Brennstoffzelleneinheit 12 eines Strangs 50, 60, 70, oder alle Brennstoffzelleneinheiten 12 eines Strangs durchgeführt. Entsprechend werden die Stromsteuerungsmittel 80, 80‘, 80“ eingesetzt und eingestellt. The method 100 is preferably carried out for each fuel cell unit 12, each fuel cell unit 12 of a train 50, 60, 70, or all fuel cell units 12 of a train. The current control means 80, 80', 80" are used and adjusted accordingly.
In einem optionalen Verfahrensschritt erfolgt das optionale ermitteln, ob sich die Energieversorgungseinrichtung 1 und/oder Brennstoffzelleneinheit 12 in konstanten Betrieb, mit insbesondere r Last befindet. In an optional method step, the optional determination takes place as to whether the energy supply device 1 and/or the fuel cell unit 12 is in constant operation, in particular with a load.
In einem Verfahrensschritt 105 erfolgt das Erfassen zumindest eines Messwerts (siehe to oder ts in Figuren 4 und 7). Insbesondere erfolgt das Erfassen eines Spannungswerts und/ oder eines Stromwerts. Der Stromwert kann insbesondere mittels eines Shunt-Widerstands ermittelt werden, wobei der Shunt-Widerstand im Strompfad der Brennstoffzelleneinheit 12 ausgebildet ist Die Messung des Spannungswerts erfolgt insbesondere über eine Brennstoffzelleneinheit 12 oder mehrere Brennstoffzelleneinheit 12, insbesondere alle Brennstoffzelleneinheiten eines Strangs 50, 60, 70. In den Figuren 4 bis 7 ist der Messzeitpunkt mit to dargestellt. Insbesondere wird die Klemmspannung einer Brennstoffzelleneinheit 12 oder mehrerer Brennstoffzelleneinheiten 12 oder aller Brennstoffzelleneinheiten 12 eines Strangs erfasst. Insbesondere erfolgt das Erfassen des Messwerts für einen Strang, vorzugsweise für mehrere, beispielsweise alle Stränge. In a method step 105, at least one measured value is recorded (see to or ts in FIGS. 4 and 7). In particular, a voltage value and/or a current value is recorded. The current value can be determined in particular by means of a shunt resistor, the shunt resistor is formed in the current path of the fuel cell unit 12. The voltage value is measured in particular via one fuel cell unit 12 or a plurality of fuel cell units 12, in particular all fuel cell units of a train 50, 60, 70. In FIGS. 4 to 7, the measurement time is shown with to. In particular, the terminal voltage of a fuel cell unit 12 or multiple fuel cell units 12 or all fuel cell units 12 of a train is detected. In particular, the measured value is recorded for one strand, preferably for several strands, for example all strands.
In einem Verfahrensschritt 110 erfolgt ein Ändern des bereitgestellten Stroms mittels dem Stromsteuerungsmittel 80, 80‘, 80“ (siehe h in Figuren 5 und 7). Soll der Zustand einer einzelnen Brennstoffzelleneinheit 12 oder der Brennstoffzelleneinheiten 12 eines Strangs 50, 60, 70 ermittelt werden, erfolgt ein Ändern durch das Stromsteuerungsmittel 80 in dessen Strang die Brennstoffzelleneinheit 12 angeordnet ist. Soll der Zustand aller Brennstoffzelleneinheiten 12 ermittelt werden, erfolgt ein Ändern durch das Stromsteuerungsmittel 80‘ oder 80“. Insbesondere wird auch von den betroffen Brennstoffzelleneinheiten 12 die Klemmspannung und/oder der Strom ermittelt. In a method step 110, the current provided is changed using the current control means 80, 80', 80" (see h in FIGS. 5 and 7). If the state of an individual fuel cell unit 12 or of the fuel cell units 12 of a train 50, 60, 70 is to be determined, a change is made by the current control means 80 in whose train the fuel cell unit 12 is arranged. If the state of all fuel cell units 12 is to be determined, a change is made by the current control means 80' or 80''. In particular, the terminal voltage and/or the current of the affected fuel cell units 12 is also determined.
Das Stromsteuerungsmittel 80, 80‘, 80“ reduziert oder erhöht beim Ändern 110 den Strom, der einem Verbraucher 99 oder Stromnetz 99 durch die Energieversorgungseinrichtung 1 bereitgestellt werden kann. Insbesondere kann das Stromsteuerungsmittel 80, wenn es als Schalter ausgebildet ist den Stromkreis unterbrechen. Bei einer Unterbrechung des Stromkreises stellt sich ein Strom mit 0 Amper ein. When changing 110, the current control means 80, 80', 80" reduces or increases the current that can be provided to a consumer 99 or power grid 99 by the energy supply device 1. In particular, the current control means 80 can interrupt the circuit if it is designed as a switch. If the circuit is interrupted, the current is 0 amperes.
Das Ändern 110 erfolgt nicht mittels Änderns der Zufuhr an Brennstoff und/oder dem Oxidationsmedium zu der Brennstoffzelleneinheit 12. Das Ändern 110 umfasst insbesondere lediglich den elektrischen Strompfad von der Brennstoffzelleneinheit 12 zum Verbraucher 99 und/oder dem Stromnetz 99, in welches der elektrische Strom eingespeist werden soll, zu ändern. Insbesondere erfolgt das Ändern, vorzugsweise reduzieren oder Erhöhen des breitgestelltenThe change 110 does not take place by changing the supply of fuel and/or the oxidizing medium to the fuel cell unit 12. The change 110 includes in particular only the electrical current path from the fuel cell unit 12 to the consumer 99 and/or the power grid 99 into which the electrical current is fed should be to change. In particular, the change takes place, preferably reducing or increasing the provided
Stroms. In einem Verfahrensschritt 120 erfolgt das Erfassen zumindest eines Messwerts. Insbesondere erfolgt das Erfassen eines Spannungswerts und/oder eines Stromwerts. Der Stromwert kann insbesondere mittels eines Shunt-Widerstands, der im Strompfad der Brennstoffzelleneinheit 12 ausgebildet ist, ermittelt werden. Die Messung des Spannungswerts erfolgt insbesondere über eine Brennstoffzelleneinheit 12 oder mehrere Brennstoffzelleneinheit 12, insbesondere alle Brennstoffzelleneinheiten eines Strangs 50, 60, 70, insbesondere deren Zustand ermittelt werden soll. electricity In a method step 120, at least one measured value is recorded. In particular, a voltage value and/or a current value is recorded. The current value can be determined in particular by means of a shunt resistor that is formed in the current path of the fuel cell unit 12 . The voltage value is measured in particular via a fuel cell unit 12 or a plurality of fuel cell units 12, in particular all fuel cell units of a train 50, 60, 70, in particular the state of which is to be determined.
Insbesondere weisen die Stromsteuerungsmittel 80, 80‘, 80“, insbesondere einen, Shuntwiderstände zur Erfassung der Stromstärke auf. In particular, the current control means 80, 80', 80'' have, in particular, a shunt resistor for detecting the current intensity.
Im Falle einer Absenkung des bereitgestellten Stroms auf 0A, insbesondere einem unterbrechen, stellt jede Brennstoffzelleneinheit 12 die Funktion einer Lambda-Sonde dar. Anhand der erfassten Spannung können konkrete Rückschlüsse auf die Gaszusammensetzung (CO, H2, CH4) und/oder auf den Zustand der Zellen selbst geschlossen werden. Das Reduzieren des Stroms bewirkt ein Erhöhen der Spannung, die an einer oder mehrere Brennstoffzelleneinheiten 12 anliegt. Eine entsprechende Darstellung ist in den Figuren 4 und 6 gezeigt und wird im Folgenden näher erläutert. In the event of a reduction in the provided current to 0A, in particular an interruption, each fuel cell unit 12 represents the function of a lambda probe. Based on the detected voltage, specific conclusions can be drawn about the gas composition (CO, H2, CH4) and/or the state of the cells themselves are closed. Reducing the current causes the voltage applied to one or more fuel cell assemblies 12 to increase. A corresponding representation is shown in FIGS. 4 and 6 and is explained in more detail below.
Es ist auch möglich, anstatt einer Stromreduzierung eine Stromerhöhung durchzuführen. Dies wäre insbesondere dann interessant, wenn die Energieversorgungseinrichtung 1 über einen langen Zeitraum nur in einem Teillastbetrieb betrieben würde. It is also possible to carry out a current increase instead of a current reduction. This would be of particular interest if the energy supply device 1 were only operated under partial load over a long period of time.
Verfahrensschritt 105 entspricht dem Erfassen 120 bei konstanter Last und/oder konstantem Betrieb. Method step 105 corresponds to the detection 120 at a constant load and/or constant operation.
In einem weiteren Verfahrensschritt 130 erfolgt das erneute Ändern des bereitgestellten Stroms mittels dem Stromsteuerungsmittels 80 (Siehe ts in Figuren 4 und 5; siehe t? in Figuren 6 und 7). Insbesondere wird auf den Ausgangswert des Stroms (siehe to) geändert Insbesondere der Wert, welcher optional zum Zeitpunkt to erfasst wurde. Insbesondere erfolgt das Ändern bei einem als Schalter ausgebildeten Stromsteuerungsmittel durch das Schließen der Schaltkontakte und/oder dem Wiederherstellen einer elektrischen Verbindung. In a further method step 130, the current provided is changed again using the current control means 80 (see ts in FIGS. 4 and 5; see t? in FIGS. 6 and 7). In particular, on the Initial value of the current (see to) changed In particular the value that was optionally recorded at time to. In particular, in the case of a current control means designed as a switch, the change takes place by closing the switching contacts and/or restoring an electrical connection.
Am Ende des Erfassens 120 wird die Stromentnahme, insbesondere der bereitgestellte Strom, wieder auf das Niveau angehoben 130, das vor dem Zeitpunkt, insbesondere vor ti, der Aktivierung des Verfahrens eingestellt war. Insbesondere wird das Niveau zum Zeitpunkt to eingestellt. At the end of the detection 120, the current draw, in particular the current provided, is raised again 130 to the level which was set before the point in time, in particular before ti, the activation of the method. In particular, the level is set at time to.
Auch kann ein stufenweises Ändern 110 des Stroms erfolgen (siehe Figur 6 und 7) (h, ta, ts). Die Stromreduzierung 110 könnte auch stufenweise geschehen, um weitere Messpunkte (t2, , te) zu erhalten. Insbesondere werden dann die Verfahrensschritte 120 und 110 abwechselnd wiederholt. Nach dem Ändern 110 des Stroms erfolgt ein Erfassen 120 zumindest eines Messwerts. Anschließen wird der Strom erneut reduziert. Es ergibt sich eine gestufte Stromreduzierung. Insbesondere sind die einzelnen Stufenhöhen identisch. Insbesondere wird der Strom um einen definierten Wert je Ausführen des Verfahrensschritts 110 geändert, vorzugsweise reduziert oder erhöht. Insbesondere werden die Verfahrensschritte 110 und 120 zumindest einmal wiederholt. Insbesondere werden die Verfahrensschritte 110 und 120 mehrmals wiederholt. A gradual change 110 of the current can also take place (see FIGS. 6 and 7) (h, ta, ts). The current reduction 110 could also take place in stages in order to obtain further measurement points (t2, , te). In particular, method steps 120 and 110 are then repeated alternately. After changing 110 the current, at least one measured value is detected 120 . The current is then reduced again. A graduated current reduction results. In particular, the individual step heights are identical. In particular, the current is changed, preferably reduced or increased, by a defined value for each execution of method step 110 . In particular, method steps 110 and 120 are repeated at least once. In particular, method steps 110 and 120 are repeated several times.
Nach dem Erfassen eines Messwerts 120 erfolgt das optionale Abspeichern 125 des Messwerts. Der Verfahrensschritt 125 muss nicht direkt nach dem Verfahrensschritt 120 erfolgen. Insbesondere kann in dem Verfahrensschritt 125 auch mehrere der zuvor gemessenen Messwerte abgespeichert werden. After a measured value 120 has been recorded, the measured value is optionally stored 125 . Method step 125 does not have to take place directly after method step 120. In particular, in method step 125, several of the previously measured values can also be stored.
Vorzugsweise kann der Verfahrensschritt 120 auch mehrmals nach dem Ändern 120 und vor dem wiederholten Ändern 110 oder dem erneuten Ändern 130 durchgeführt werden. Es kann dann ein Messwert aus den erfassten Messwerten, insbesondere mittels Mittelwertbildung, gebildet werden. The method step 120 can preferably also be carried out several times after the change 120 and before the repeated change 110 or the renewed change 130 . A measured value can then be formed from the recorded measured values, in particular by means of averaging.
Die Verfahrensschritte 130 und 140 können in der Reihenfolge vertauscht sein. In einem weiteren Verfahrensschritt 140 erfolgt das Ermitteln des Zustands zumindest einer der Brennstoffzelleneinheiten 12 oder der Energieversorgungseinrichtung 1 mittels eines erfassten Messwerts und mindestens einem weiteren Messwert. Vorzugsweise wird einer der Messwerte erfasst, wenn kein Strom fließt. Insbesondere wird der Spannungswert erfasst. Insbesondere wird zumindest einer zum Zeitpunkt t2 erfasster Messwert mit einem zum Zeitpunkt to oder ts erfassten Wert verwendet. Vorzugsweise wird der erfasste Messwert mit dem oder mehreren zuvor erfasste Messwerte verwendet. Gemäß Figuren 4 und 5 werden die Messwerte zum Zeitpunkt to / ts und t2 verwendet. Gemäß Figuren 6 und 7 werden die Messwerte zum Zeitpunkt to und t2 und/oder to/ ts odert2 und und/oder to/ ts oder t2 oder und ts verwendet. The order of the method steps 130 and 140 can be reversed. In a further method step 140, the state of at least one of the fuel cell units 12 or the energy supply device 1 is determined by means of a recorded measured value and at least one further measured value. One of the measured values is preferably recorded when no current is flowing. In particular, the voltage value is recorded. In particular, at least one measured value recorded at time t2 is used with a value recorded at time t0 or ts. Preferably, the captured measurement is used with the one or more previously captured measurements. According to FIGS. 4 and 5, the measured values at time t0/ts and t2 are used. According to FIGS. 6 and 7, the measured values at time t0 and t2 and/or t0/ts or t2 and and/or t0/ts or t2 or and ts are used.
Verfahrensschritt 105 kann alternativ oder zusätzlich auch zum Zeitpunkt ts ausgeführt werden. In Verfahrensschritt 105 erfolgt das Erfassen eines Messwerts, insbesondere eines Strom- und/oder Spannungswerts, nachdem Verfahrensschritt 130 ausgeführt wurde. Die Messungen zu den Zeitpunkten ts und to erfolgen bei konstanter Last, insbesondere konstanten Betrieb. Vorzugsweise erfolgt vor dem Ermitteln 140 das Auslesen zumindest eines zu einem früheren Zeitpunkt, oder insbesondere zuvor, erfassten Messwerts oder ermittelten Zustands aus einem Speicher. Method step 105 can alternatively or additionally also be carried out at time ts. In method step 105, a measured value, in particular a current and/or voltage value, is recorded after method step 130 has been carried out. The measurements at the times ts and to take place with a constant load, in particular constant operation. Preferably, before the determination 140, at least one measured value or state determined at an earlier point in time, or in particular previously, is read out from a memory.
Gemäß einer Weiterbildung wird ein historischer Messwert oder historischer Zustand ausgelesen. Hierbei kann es sich insbesondere um den beim letzten Durchlauf des Verfahrens 100 ermittelten Messwert handeln. Auch kann es sich um den Messwert handeln, der bei der Inbetriebnahme oder bei einem der ersten Durchläufe des Verfahrens 100 ermittelt wurde. Hierbei kann es sich insbesondere um den beim letzten Durchlauf des Verfahrens 100 ermittelten Zustand handeln. Auch kann es sich um den ermittelten Zustand handeln, der bei der Inbetriebnahme oder bei einem der ersten Durchläufe des Verfahrens 100 ermittelt wurde. According to one development, a historical measured value or historical state is read out. This can in particular be the measured value determined during the last run of the method 100 . It can also be the measured value that was determined during commissioning or during one of the first runs of the method 100. This can in particular be the state determined during the last run through of the method 100 . It can also be the ascertained state that was ascertained during commissioning or during one of the first runs of the method 100 .
Insbesondere erfolgt das Ermitteln, insbesondere der Vergleich, mit mehreren Messwerten oder ermittelten Zuständen, die zu einem früheren Zeitpunkten erfasst wurden. Insbesondere wird der aktuelle Messwert t2 mit einem früheren Messwert zum vergleichbaren Zeit punkt t2 verwendet. Gleiches gilt für die Messwerte t^ te usw. Vorzugsweise wird der Messwert verwendet, welcher ermittelt wurde, während kein Strom fließt In particular, the determination, in particular the comparison, takes place using a number of measured values or determined states that were recorded at an earlier point in time. In particular, the current measured value t2 is compared with an earlier one Measured value at the comparable point in time t2 used. The same applies to the measured values t^te etc. The measured value which was determined while no current is flowing is preferably used
Insbesondere die Verwendung, vorzugsweise der Vergleich, von unterschiedlichen Messwerte oder ermittelten Zuständen derselben Anlage zu unterschiedlichen Zeitpunkten, insbesondere bei unterschiedlichen Strömen, bringt eine große Aussagekraft bezüglich Zellalterungsverhalten, Brennstoffzellenstack Alterung, OCV Werten (Open Circuit Voltage), Gesundheitszustand der Zellen, defekter und/oder kurzgeschlossener Brennstoffzellen, Anzahl defekter und/oder kurzgeschlossener Brennstoffzellen, Zustand des IR-CATs. In particular, the use, preferably the comparison, of different measured values or determined states of the same system at different points in time, in particular with different currents, brings great significance with regard to cell aging behavior, fuel cell stack aging, OCV values (open circuit voltage), the state of health of the cells, defective and/or or short-circuited fuel cells, number of defective and/or short-circuited fuel cells, status of the IR-CAT.
Vorzugsweise lässt sich durch das Verfahren 100 sogar Rückschlüsse auf die Leistungsfähigkeit eines vorgeschalteten Reformers 26 schließen. Preferably, the method 100 can even be used to draw conclusions about the performance of an upstream reformer 26 .
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung können die erfassten Messwerte an ein Auswertemittel gesendet werden. Das Auswertemittel kann insbesondere zentral ausgebildet sein. Vorzugsweise ermöglich es die Auswertung von Messwerten mehrere Energieversorgungseinrichtung 1. Insbesondere ist es in der Cloud ausgebildet. According to an advantageous development, the recorded measured values can be sent to an evaluation means. The evaluation means can in particular be designed centrally. It preferably enables the evaluation of measured values from a number of energy supply devices 1. In particular, it is embodied in the cloud.
Vorzugsweise können die Messwerte von mindestens zwei Brennstoffzelleneinheiten 12 untereinander verglichen werden. The measured values of at least two fuel cell units 12 can preferably be compared with one another.
Die Zeitspanne tA der Stromunterbrechung/-reduzierung/-erhöhung also zwischen den Verfahrensschritten 110 und 130 ist so zu wählen, dass kapazitive und induktive Effekte der Stromänderung keine Rollen mehr spielen. Die Zeitspanne tA erstreckt sich in Figur 4 und 5 beispielhaft von h bis ts und in Figur 6 und 7 beispielhaft von h bis t?. Die Zeitspanne tA der Stromunterbrechung/- reduzierung/-erhöhung also zwischen den Verfahrensschritten 110 und 130 ist derart zu wählen, dass die Unterbrechung der Stromentnahme die verfahrenstechnischen Prozesse nicht oder nur unwesentlich stört. Während der Zeitspanne tA der Unterbrechung bzw. Reduzierung des entnehmbaren Strom, bzw. des bereitgestellten Stroms, wird nicht mehr die gleiche Energiemenge aus dem Brennstoff entnommen, da weniger Strom entnommen wird. Somit wird insbesondere mehr unverbrauchtes Brennstoff, insbesondere Gas auf der Auslassseite der Brennstoffzelleneinheit 12 ausströmen. Die Zeitspanne tA sollte also so gering gewählt werden, dass die Konsequenz keine größeren Einflüsse auf die Energieversorgungseinrichtung 1 hat. The period of time tA of the current interruption/reduction/increase, ie between method steps 110 and 130, should be selected in such a way that capacitive and inductive effects of the current change no longer play a role. The time period tA extends in FIGS. 4 and 5 by way of example from h to ts and in FIGS. 6 and 7 by way of example from h to t?. The period of time tA of the current interruption/reduction/increase, ie between method steps 110 and 130, should be selected in such a way that the interruption in the current draw does not disrupt the technical processes, or disrupts them only to an insignificant extent. During the period of time tA of the interruption or reduction in the current that can be drawn or the current that is provided, the same amount of energy is no longer drawn from the fuel, since less current is drawn. Thus, in particular more unused fuel, in particular gas, will flow out on the outlet side of the fuel cell unit 12 . The period of time tA should therefore be selected to be so short that the consequence does not have any major impact on the energy supply device 1.
Insbesondere ist ein Zeitraum tA von weniger als 1s, vorzugsweise weniger als 100 Millisekunden, insbesondere weniger als 10 Millisekunden vorteilhaft. In particular, a time period tA of less than 1 s, preferably less than 100 milliseconds, in particular less than 10 milliseconds, is advantageous.
Das Verfahren 100 wird durchgeführt, wenn die Grundfunktion der Energieversorgungseinrichtung 1 und/oder den Brennstoffzelleneinheiten 12 nicht gestört wird. Ist die betroffene Energieversorgungseinrichtung 1 Stromnetzgeführt, das bedeutet direkt mit dem öffentlichen Stromnetz verbunden, wird eine kurze Stromunterbrechung in der Regel kein Problem darstellen. The method 100 is carried out when the basic function of the energy supply device 1 and/or the fuel cell units 12 is not disrupted. If the energy supply device 1 in question is mains-operated, ie connected directly to the public power grid, a brief power interruption will generally not pose a problem.
Wird die Energieversorgungseinrichtung 1 in einem elektrischen Inselbetrieb betrieben, das bedeutet sie ist nicht an das öffentliche Stromnetz gekoppelt, dann erfolgt eine Prüfung, ob die Durchführung des Verfahrens 100 ein Risiko für den Betrieb des Insel-Stromnetztes, für dessen Stabilität und für die Stabilität der angeschlossenen Verbraucher darstellt. Auch sollte darauf geachtet werden, dass nicht bei mehreren Energieversorgungseinrichtung 1 , die in unmittelbarer Nähe an ein Stromnetz angeschlossen sind, oder zu viele Brennstoffzelleneinheiten 12 gleichzeitig das Verfahren 100 durchführen. If the energy supply device 1 is operated in an electrical stand-alone operation, i.e. it is not connected to the public power grid, a check is carried out to determine whether the implementation of the method 100 poses a risk to the operation of the stand-alone power grid, to its stability and to the stability of the connected consumer represents. It should also be ensured that the method 100 is not carried out simultaneously with a plurality of energy supply devices 1 which are connected to a power grid in the immediate vicinity, or with too many fuel cell units 12 .
Vorzugsweise wird das Verfahren 100 mit einer zeitlichen Staffelung bei mehrere Brennstoffzelleneinheiten 12 oder Energieversorgungseinrichtung 1 angewendet. Insbesondere werden einzelne Brennstoffzelleneinheiten 12 oder Stränge mit Brennstoffzelleneinheiten 12 nacheinander erfasst. Die Häufigkeit, mit der das Verfahren 100 durchgeführt wird, ist insbesondere abhängig von der zu erwartenden Alterungseigenschaften des Brennstoffzelleneinheiten 12. Eine wöchentliche oder monatliche Durchführung je Brennstoffzelleneinheit 12 ist vorteilhaft und ausreichend. Das Verfahren 100 kann jedoch auch Event-getriggert durchgeführt werden, insbesondere wenn ein auffälliges Verhalten vorliegt oder wenn sich verfahrenstechnische Parameter in einem kurzen Zeitrahmen ändern. The method 100 is preferably used with a staggering in time for a plurality of fuel cell units 12 or energy supply device 1 . In particular, individual fuel cell units 12 or strings with fuel cell units 12 are detected one after the other. The frequency with which the method 100 is carried out depends in particular on the expected aging properties of the fuel cell unit 12. A weekly or monthly performance for each fuel cell unit 12 is advantageous and sufficient. However, the method 100 can also be carried out in an event-triggered manner, in particular when there is abnormal behavior or when procedural parameters change in a short time frame.
In Figur 4 ist ein Diagramm mit einem Spannungsverlauf über die Zeit dargestellt. In Figur 5 ist ein Diagramm mit einem dazugehörigen Stromverlauf über die Zeit dargestellt. Die x-Achse bildet den Zeitverlauf. FIG. 4 shows a diagram with a voltage curve over time. FIG. 5 shows a diagram with an associated current curve over time. The x-axis forms the course of time.
Zum Zeitpunkt h erfolgt die Änderung 110 des bereitgestellten Stroms. Insbesondere wird der Stromkreis mittels dem Stromsteuerungsmittel 80, 80‘, 80“ unterbrochen. Vorzugsweise erfolgt dies mittels eines Schalters. Der Strom fällt auf 0 Amper ab. Es fließt kein Strom. Die Spannung nimmt bis zur Leerlaufspannung V2 ZU. Zum Zeitpunkt t2 erfolgte ein Erfassen 120 eines Messwerts, insbesondere der Spannung (U Klemmspannung), vorzugsweise der Leerlaufspannung (wenn der Strom auf 0 Ampere reduziert wurde). Zum Zeitpunkt t2 wird dir bereitgestellte Strom auf den Ausgangswert zurück geändert. Diese erfolgt insbesondere durch Schließen des Stromkreises durch das Stromsteuerungsmittel 80. The change 110 in the current provided occurs at time h. In particular, the circuit is interrupted by the current control means 80, 80', 80". This is preferably done by means of a switch. The current drops to 0 amperes. No current flows. The voltage increases up to the open circuit voltage V2. At time t2, a measured value was recorded 120, in particular the voltage (U clamping voltage), preferably the no-load voltage (when the current was reduced to 0 amperes). At time t2, the current provided is changed back to the initial value. This is done in particular by closing the circuit using the current control means 80.
In Figur 6 ist ein Diagramm mit einem Spannungsverlauf über die Zeit dargestellt. In Figur 7 ist ein Diagramm mit einem Stromverlauf über die Zeit dargestellt. Zum Zeitpunkt h wird erfolgt die Änderung 110 des bereitgestellten Stroms. FIG. 6 shows a diagram with a voltage curve over time. FIG. 7 shows a diagram with a current curve over time. The change 110 in the current provided takes place at time h.
Insbesondere wird der Stromkreis mittels dem Stromsteuerungsmittel 80 stufenweise reduziert. Zum Zeitpunkt h erfolgt eine erste Reduzierung. Zum Zeitpunkt t2 erfolgte ein erstes Erfassen 120 eines Messwerts, insbesondere der Spannung und/oder des Stroms. Der Verfahrensschritt 110 wird wiederholt und der bereitgestellte Strom erneut zum Zeitpunkt ts geändert, insbesondere reduziert. Zum Zeitpunkt erfolgte ein Erfassen 120 eines zweiten Messwerts. Der Verfahrensschritt 110 wird wiederholt und der bereitgestellte Strom erneut zum Zeitpunkt t5 geändert, insbesondere reduziert. Zum Zeitpunkt t6 erfolgte ein Erfassen 120 eines zweiten Messwerts. In particular, the circuit is gradually reduced by means of the current control means 80 . A first reduction occurs at time h. At time t2, a first detection 120 of a measured value, in particular the voltage and/or the current, took place. Method step 110 is repeated and the current provided is changed again at time ts, in particular reduced. At the point in time, a second measured value was recorded 120 . Method step 110 is repeated and the current provided again changed, in particular reduced, at time t5. At time t6, a second measured value was recorded 120 .
Dies kann beliebig oft wiederholt werden bis der Strom Null ist. Die Anzahl der Wiederholungen ist davon abhängig, wie groß die einzelnen Schritte sind. Es stellt sich eine Spannung entsprechend Figur 5 ein. Die Spannung erhöht sich stufenweise bis zum Erreichen der Leerlaufspannung V2. This can be repeated any number of times until the current is zero. The number of repetitions depends on the size of the individual steps. A voltage corresponding to FIG. 5 is established. The voltage increases gradually until it reaches the open circuit voltage V2.
Zum Zeitpunkt t? wird der bereitgestellte Strom auf den Ausgangswert zurück geändert. Insbesondere auf den Wert, der zum Zeitpunkt to ermittelt wurde. Dies entspricht dem Verfahrensschritt 130 „erneutes Ändern“. At time t? the provided current is changed back to the initial value. In particular, the value determined at time to. This corresponds to method step 130 “change again”.
Das Ermitteln des Zustands 140 erfolgt mittels zumindest zwei erfasster Messwert. Die Messwerte werden insbesondere in den Verfahrensschritten 105 und 120 erfasst. Insbesondere erfolgt das Ermittelten des Zustands bei einem einmaligen Ausführen von 110 und 120 (siehe Figur 4, 5) mit den Messwerten, die zum Zeitpunkt to und t2 oder t2 und ts erfasst wurden. Insbesondere erfolgt das Ermitteln des Zustands 140 bei einem mehrmaligen Ausführen von 110 und 120 (siehe Figur 6, 7) mit den Messwerten to oder ts und einem der im Verfahrensschritt 120 erfassten Messwerte t2, t4, te The state 140 is determined by means of at least two recorded measured values. The measured values are recorded in method steps 105 and 120 in particular. In particular, the state is determined when 110 and 120 are executed once (see FIGS. 4, 5) with the measured values that were recorded at time t o and t 2 or t 2 and t s . In particular, state 140 is determined when 110 and 120 are executed multiple times (see FIGS. 6, 7) with measured values t o or ts and one of measured values t 2 , t 4 , te recorded in method step 120
Vorzugsweise kann das Ermitteln des Zustands 140 auch nach dem Erfassen 120 erfolgen. The determination of the state 140 can preferably also take place after the detection 120 .
Vorzugsweise wird der Innenwiederstand der Brennstoffzelleneinheit 12 beim Ermitteln 140 ermittelt. Dieser lässt einen Rückschluss auf den Zustand der Brennstoffzelleneinheit 12 zu. Der Innenwiderstand hängt beispielsweise von der Temperatur der Brennstoffzelleneinheit 12, der Alterung der Brennstoffzelleneinheit 12, dem zugeführten Oxidationsmedium und dem zugeführten Brennstoff ab. The internal resistance of the fuel cell unit 12 is preferably determined during the determination 140 . This allows conclusions to be drawn about the state of the fuel cell unit 12 . The internal resistance depends, for example, on the temperature of the fuel cell unit 12, the aging of the fuel cell unit 12, the oxidation medium supplied and the fuel supplied.
Vorzugsweise liegt der Zeitpunkt to vor dem Zeitpunkt ti. Vorzugsweise sind die Zeitpunkte to und h maximal 1 Sekunde, vorzugsweise 100 Millisekunden, beispielsweise 10 Millisekunden entfernt. Insbesondere können auch mehrere Messungen vor dem ersten Ändern 110 erfolgen und den Messwert zum Zeitpunkt to repräsentieren. Der anschließend verwendete Messwert wird aus den einzelnen Messungen, insbesondere mittels Mittelwertbildung, bestimmt Der Verfahrensschritt 105 wird kurz vor dem erstmaligen Ausführen des Verfahrensschritts 110 ausgeführt. Kurz ist hierbei als weniger als 1 Sekunde, vorzugsweise weniger als 100 Millisekunden, beispielsweise weniger als 10 Millisekunden zu verstehen. The point in time to is preferably before the point in time ti. The times to and h are preferably a maximum of 1 second, preferably 100 milliseconds, for example 10 milliseconds apart. In particular, several measurements can also take place before the first change 110 and represent the measured value at time to. The subsequently used measured value is determined from the individual measurements, in particular by means of averaging. Method step 105 is carried out shortly before method step 110 is carried out for the first time. In this context, short is to be understood as less than 1 second, preferably less than 100 milliseconds, for example less than 10 milliseconds.
Insbesondere können auch mehrere Messungen nach dem erneuten Ändern 130 durchgeführt werden und den Messwert zum Zeitpunkt ts repräsentieren. Der anschließend verwendete Messwert wird aus den einzelnen Messungen, insbesondere mittels Mittelwertbildung, bestimmt. Der Verfahrensschritt 105 wird kurz nach dem erstmaligen Ausführen des Verfahrensschritts 110 ausgeführt. Kurz ist hierbei als weniger als 1 Sekunde, vorzugsweise weniger als 100 Millisekunden, beispielsweise weniger als 10 Millisekunden zu verstehen. In particular, several measurements can also be carried out after the renewed change 130 and represent the measured value at time ts. The measured value used subsequently is determined from the individual measurements, in particular by means of averaging. Method step 105 is carried out shortly after method step 110 is carried out for the first time. In this context, short is to be understood as less than 1 second, preferably less than 100 milliseconds, for example less than 10 milliseconds.
Insbesondere wird der Messwert, der zum Zeitpunkt to oder ts erfasst wird, auch als weiterer Messwert bezeichnet. In particular, the measured value that is recorded at time t o or t s is also referred to as a further measured value.
Insbesondere wird der Verfahrensschritt 105 bei konstanter Last, insbesondere im konstanten Betrieb durchgeführt. In particular, method step 105 is carried out at a constant load, in particular during constant operation.
Vorzugsweise werden beim Ermitteln des Zustands 140 einer oder mehrere der zuvor erfassten Messwerte verwendet. One or more of the previously recorded measured values are preferably used when determining the state 140 .
Vorzugsweise wird in Verfahrensschritt 140 der Innenwiederstand ermittelt. Der Innenwiderstand lässt dann Rückschlüsse über den Zustand zu. The internal resistance is preferably determined in method step 140 . The internal resistance then allows conclusions to be drawn about the condition.
Der Innenwiderstand wird insbesondere wie folgt ermittelt. Insbesondere stellt eine Brennstoffzelleneinheit 12 eine reale Spannungsquelle dar. Eine reale Spannungsquelle wiederum setzt sich vereinfacht aus einem Innenwiderstand Ri zusammen, der in Reihe mit einer idealen Spannungsquelle Uo geschalten ist. Die Spannung zwischen den Polen einer Brennstoffzelleneinheit 12 oder aller Brennstoffzelleneinheiten 12 eines Strangs, insbesondere bei geschlossenem Stromkreis bezeichnet man als Klemmenspannung U Klemmspannung. Es ergibt sich die Formel The internal resistance is determined in particular as follows. In particular, a fuel cell unit 12 represents a real voltage source. In simplified terms, a real voltage source in turn consists of an internal resistance Ri, which is connected in series with an ideal voltage source Uo. The voltage between the poles of a fuel cell unit 12 or all Fuel cell units 12 of a string, in particular when the circuit is closed, is referred to as the terminal voltage U terminal voltage. The formula emerges
Uo — U Klemmspannung + I Ri Uo — U clamping voltage + I Ri
Solange die reale Spannungsquelle an keinen Verbraucher verbraucher, insbesondere das Stromnetz 99 angeschlossen ist, durch den Strom fließt, ist 1= 0 Amper. Zum Zeitpunkt t2 (Figur 4 und 5) und zum Zeitpunkt te (Figur 6 und 7) unterbricht das Stromsteuerungsmittel 80, 80‘, 80“ den Stromfluss. An den Klemmen des Strangs stellt sich die Leerlaufspannung V2ein. Der Strom ist 0 Amper. Die U Klemmspannung entspricht der Leerlaufspannung V2. Die Klemmspannung entspricht insbesondere der Strangspannung. Also der Spannung, gemessen über einen Strang, insbesondere der Strang bei dem das Ermitteln 140 erfolgt. As long as the real voltage source is not connected to a consumer consumer, in particular the power grid 99, through which the current flows, 1=0 amperes. At time t2 (FIGS. 4 and 5) and at time te (FIGS. 6 and 7), the current control means 80, 80', 80'' interrupts the current flow. The no-load voltage V2 is set at the terminals of the string. The current is 0 amperes. The U clamping voltage corresponds to the no-load voltage V2. The clamping voltage corresponds in particular to the phase voltage. In other words, the voltage, measured across a strand, in particular the strand in which the determination 140 takes place.
Uo = U Klemmspannung Uo = U clamping voltage
Somit ist die Spannung der idealen Quelle bekannt. Thus the voltage of the ideal source is known.
Zu dem Zeitpunkt to (Figur 4 und 5) und zum Zeitpunkt to, t2, , (Figur 6 und 7) fließt ein Strom. Insbesondere über das Stromnetz oder den Verbraucher 99. A current flows at time t0 (FIGS. 4 and 5) and at time t0, t2, (FIGS. 6 and 7). In particular via the mains or the consumer 99.
Uo = U Klemmspannung + I Ri Uo = U clamping voltage + I Ri
Es ergibt sich: It turns out:
Ri = (Uo " U Klemmspannung)/ I Ri = (Uo " U clamping voltage)/ I
Somit kann der Innenwiederstandswert Ri ermittelt werden. Uo wurde zum Zeitpunkt to oder ts erfasst. Und die Klemmspannung wird zum Zeitpunkt erfasst, bei dem der Stromkreis nicht unterbrochen ist. Das Stromsteuerungsmittel 80“ ist DC/AC Spannungswandler ausgebildet The internal resistance value Ri can thus be determined. Uo was recorded at time to or ts. And the clamping voltage is detected at the time when the circuit is not broken. The current control means 80'' is designed as a DC/AC voltage converter
Bei einer Serienschaltung gemäß Figur 2 von zwei Brennstoffzelleneinheiten 12 in einem Strang sind vereinfacht zwei Innenwiderstände und zwei Spannungsquellen ausgebildet, wobei diese in Reihe geschaltet sind. Die Klemmspannung erstreckt sich über beide Brennstoffzelleneinheiten 12. In the case of a series connection according to FIG. 2 of two fuel cell units 12 in a string, two internal resistances and two voltage sources are formed, in simplified terms, these being connected in series. The clamping voltage extends across both fuel cell units 12.
Entsprechend ist bei einer Brennstoffzelleneinheit 12 in einem Strang vereinfacht nur ein Innenwiederstand und eine Quelle ausgebildet Correspondingly, in a fuel cell unit 12 in a train, only an internal resistance and a source are formed in a simplified manner
Ist der Strom, insbesondere die Stromdifferenz, und die Spannung, insbesondere die Spannungsdifferenz, bekannt, kann der momentane Innenwiederstand bestimmt werden. If the current, in particular the current difference, and the voltage, in particular the voltage difference, are known, the instantaneous internal resistance can be determined.
Durch das Widerholen der Verfahrens kann dann die Veränderung des Innenwiderstands ermittelt werden. Insbesondere kann anhand der Veränderung des Innenwiderstands Rückschlüsse auf den Zustand der Brennstoffzelleneinheit 12, insbesondere die Alterung geschlossen werden. The change in the internal resistance can then be determined by repeating the process. In particular, the change in the internal resistance can be used to draw conclusions about the state of the fuel cell unit 12, in particular its aging.
Gemäß einer Weiterbildung wird der aktuelle Messwert mit einem oder mehrerer vorhergehenden Messwerte verglichen. Hierdurch kann der Zustand der Brennstoffzelleneinheit ermittelt werden. According to one development, the current measured value is compared with one or more previous measured values. In this way, the state of the fuel cell unit can be determined.
Vorzugsweise ist mindestens eine elektronische Steuereinheit zur Ausführung des Verfahrens 100 vorgesehen. Die elektronische Steuereinheit weist mindestens einen Mikroprozessor auf. At least one electronic control unit for executing the method 100 is preferably provided. The electronic control unit has at least one microprocessor.
Durch das Ermitteln mittels zwei Messwerten, die innerhalb von kurzer Zeit erfasst wurden, können ungewollte physikalische Effekte ausgeschlossen werden. Insbesondere können Temperatureinflüsse oder Einflüsse durch die Zusammensetzung des Brennstoffes ausgeschlossen werden. By determining using two measured values that were recorded within a short time, unwanted physical effects can be ruled out. In particular, temperature influences or influences due to the composition of the fuel can be ruled out.
Das Ändern 120 des Stroms bewirkt, dass sich die Spannung entsprechend dem Innenwiderstand einstellt. Der Innenwiderstand hängt beispielsweise von der Temperatur der Brennstoffzelleneinheit 12, der Alterung der Brennstoffzelleneinheit 12, dem zugeführten Oxidationsmedium und dem zugeführten Brennstoff ab. Changing 120 the current causes the voltage to adjust according to the internal resistance. The internal resistance depends, for example, on the temperature of the fuel cell unit 12, the aging of Fuel cell unit 12, the supplied oxidizing medium and the supplied fuel.
Die Brennstoffzelleneinheiten 12 weisen keinen linearen Verlauf auch. Durch das wiederholte Messen bei geändertem bereitgestelltem Storm könnenThe fuel cell units 12 also do not have a linear progression. By repeatedly measuring when the provided Storm has changed
Messungenauigkeiten herausgefiltert werden. Measurement inaccuracies are filtered out.

Claims

Ansprüche Verfahren (100) zur Ermittlung des Zustands einer Energieversorgungseinrichtung (1), wobei die Energieversorgungseinrichtung (1) zumindest einem Verbraucher (99) und/oder einem Stromnetz (99) Strom bereitstellt, und wobei die Energieversorgungseinrichtung (1) mindestens eine Brennstoffzelleneinheit (12) zur Erzeugung von elektrischem Strom aufweist, und wobei mindestens ein Stromsteuerungsmittel (80) ausgebildet ist, und wobei das Stromsteuerungsmittel (80) ausgebildet ist, den bereitgestellten Strom zu ändern, umfassend die Schritte: Claims Method (100) for determining the state of an energy supply device (1), the energy supply device (1) providing electricity to at least one consumer (99) and/or a power grid (99), and the energy supply device (1) having at least one fuel cell unit (12 ) for generating electric current, and wherein at least one current control means (80) is designed, and wherein the current control means (80) is designed to change the current provided, comprising the steps:
• Ändern (110) des bereitgestellten Stroms mittels dem Stromsteuerungsmittel (80); • changing (110) the current provided by means of the current control means (80);
• Erfassen (120) von zumindest einem Messwert, insbesondere einem Spannungswert und/oder Stromwert; • detecting (120) at least one measured value, in particular a voltage value and/or current value;
• Erneutes Ändern (130) des bereitgestellten Stroms mittels dem Stromsteuerungsmittel (80), insbesondere auf den Ausgangswert; • Changing (130) the current provided again by means of the current control means (80), in particular to the initial value;
• Ermitteln des Zustands (140) zumindest einer der Brennstoffzelleneinheiten (12) mittels der erfassten Messwerte. Verfahren (100) zur Ermittlung des Zustands einer Energieversorgungseinrichtung (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Verfahrensschritt des Erfassens (120, 105) von zumindest einem Messwert mindestens zweimal durchgeführt wird. Verfahren (100) zur Ermittlung des Zustands einer Energieversorgungseinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem Erfassen (120) zumindest eine Spannungsmessung (U Klemmspannung) an der Brennstoffzelleneinheit (12) und/oder eine Spannungsmessung über mehrere seriell verschaltete Brennstoffzelleneinheiten (12) durchgeführt wird. Verfahren (100) zur Ermittlung des Zustands einer Energieversorgungseinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beim Ändern (110) des bereitgestellten Stroms, der Strom erhöht oder reduziert wird, insbesondere dass der Strom auf null Ampere reduziert wird. Verfahren (100) zur Ermittlung des Zustands einer Energieversorgungseinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Schritte: • Determining the state (140) of at least one of the fuel cell units (12) using the measured values recorded. Method (100) for determining the state of an energy supply device (1) according to the preceding claim, characterized in that the method step of detecting (120, 105) at least one measured value is carried out at least twice. Method (100) for determining the state of an energy supply device (1) according to one of the preceding claims, characterized in that during the detection (120) at least one voltage measurement (U terminal voltage) on the fuel cell unit (12) and/or one voltage measurement over a number of serial interconnected fuel cell units (12) is carried out. Method (100) for determining the state of an energy supply device (1) according to any one of the preceding claims, characterized in that when changing (110) the current provided, the current is increased or reduced, in particular that the current is reduced to zero amperes. Method (100) for determining the state of an energy supply device (1) according to one of the preceding claims, characterized by the steps:
• Ändern (110) des bereitgestellten Stroms stufenweise; und • gradually changing (110) the current provided; and
• Erfassen (120) zumindest eines Messwerts im Anschluss an das Ändern (110) des Stroms; und • acquiring (120) at least one measured value following the changing (110) of the current; and
• Ermitteln (140) des Zustands zumindest einer der Brennstoffzelleneinheiten mittels der erfassten Messwerte. Verfahren (100) zur Ermittlung des Zustands einer Energieversorgungseinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Stromsteuerungsmittel (80) um einen Stromrichter, insbesondere einen Gleichrichter, Gleichspannungswandler oder Umrichter, oder um einen Schalter, insbesondere einen elektrischen Schalter, vorzugsweise einen Halbleiterschalter, oder ein Relais handelt. Verfahren (100) zur Ermittlung des Zustands einer Energieversorgungseinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der Brennstoffzelleneinheiten (12) trotz dem Ändern des bereitgestellten Stroms unverändert weiter betrieben wird. Verfahren (100) zur Ermittlung des Zustands einer Energieversorgungseinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zeitraum zwischen Ändern (110) und erneutem Ändern (130) weniger als 1s, vorzugsweise weniger als 100 Millisekunden, insbesondere weniger als 10 Millisekunden beträgt. Verfahren (100) zur Ermittlung des Zustands einer Energieversorgungseinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren (100) regelmäßig, insbesondere monatlich, vorzugsweise wöchentlich, wiederholt wird. Verfahren (100) zur Ermittlung des Zustands einer Energieversorgungseinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Schritte: • Determining (140) the state of at least one of the fuel cell units by means of the recorded measured values. Method (100) for determining the state of an energy supply device (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the current control means (80) is a power converter, in particular a rectifier, DC-DC converter or converter, or a switch, in particular a electrical switch, preferably a semiconductor switch, or a relay is. Method (100) for determining the state of an energy supply device (1) according to one of the preceding claims, characterized in that at least one of the fuel cell units (12) continues to be operated unchanged despite the change in the current provided. Method (100) for determining the state of an energy supply device (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the period of time between changing (110) and changing again (130) is less than 1 s, preferably less than 100 milliseconds, in particular less than 10 is milliseconds. Method (100) for determining the state of an energy supply device (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the method (100) is repeated regularly, in particular monthly, preferably weekly. Method (100) for determining the state of an energy supply device (1) according to one of the preceding claims, characterized by the steps:
• Abspeichern (125) zumindest einen der erfassten Messwerte auf einem Datenspeicher. Verfahren (100) zur Ermittlung des Zustands einer Energieversorgungseinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Schritte: • Saving (125) at least one of the measured values recorded on a data memory. Method (100) for determining the state of an energy supply device (1) according to one of the preceding claims, characterized by the steps:
• Auslesen (135) zumindest eines abgespeicherten Messwerts aus einem Datenspeicher. Computerprogramm, welches eingerichtet ist, alle Schritte des Verfahrens (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche auszuführen. Maschinenlesbares Speichermedium, auf dem das Computerprogramm nach Anspruch 11 gespeichert ist. Elektronische Steuereinheit, die eingerichtet ist, alle Schritte des Verfahren (100) nach Anspruch 1 bis 10 auszuführen. • Reading out (135) at least one stored measured value from a data memory. Computer program which is set up to carry out all the steps of the method (100) according to one of the preceding claims. Machine-readable storage medium on which the computer program according to claim 11 is stored. Electronic control unit arranged to carry out all steps of the method (100) according to claims 1 to 10.
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