WO2020216534A1 - Vorrichtung mit wenigstens einer brennstoffzelle - Google Patents

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Definitions

  • the invention relates to a device with at least one fuel cell.
  • a DC / DC converter can be assigned to the fuel cell, which converts a variable voltage that is generated in the fuel cell into a direct voltage that is generally supplied to a system to be supplied with such a direct voltage.
  • Fuel cells are becoming increasingly important in carbon-reduced and carbon-free energy supplies. This applies to both mobile and stationary applications.
  • the mobile applications range from classic automobiles to various types of commercial vehicles to mobile work machines and ships.
  • the stationary applications primarily concern the generation of electrical power as an island grid or for feeding into public grids.
  • An essential aspect for the economical use of fuel cells is the usage costs per operating hour and the associated service life of a fuel cell.
  • the service life of fuel cells is often undesirably limited.
  • the polymer membrane functioning as an electrolyte is a significant factor limiting the service life.
  • the polymer membrane yields at weak points under mechanical stress, which produces a pinhole. This is followed by chemical decomposition as a result of the gas flow through the defect.
  • the chemically induced weakening of the polymer makes the membrane more vulnerable for mechanical stress, the defects become larger and thus the chemical degradation is accelerated. Both effects thus reinforce each other. If there is sufficient gas flow, thermal decomposition can finally set in (combustion), so that the fuel cell is destroyed.
  • the invention is based on the object of providing a device of the type mentioned above, which has a high level of functionality with little structural effort.
  • the invention relates to a device with at least one fuel cell and a DC / DC converter assigned to it.
  • a variable voltage generated in the fuel cell is converted by means of the DC / DC converter into a direct voltage for a system to be supplied.
  • the DC / DC converter is designed to record internal parameters of the fuel cell. Operating states of the fuel cell are recorded and / or controlled as a function of these parameters.
  • the function of the device according to the invention is increased by the fact that the DC / DC converter not only generates a stable direct voltage from the variable voltage of the fuel cell, which can be used to supply an external system.
  • characteristics of the fuel cell are recorded with the DC / DC converter, this recording advantageously taking place continuously and also with a resolution.
  • information is obtained about the current operating status of the fuel cell, which enables comprehensive control of the fuel cell.
  • control processes can be carried out as a function of the recorded parameters, which are adapted to the current operating state of the fuel cell or can also optimize the operating states of the fuel cell.
  • Suitable sensors which are integrated in the DC / DC converter or assigned to it, can be provided for the detection of parameters.
  • the acquisition of data is generally not limited to the direct measurement of parameters by the DC / DC converter. Rather, if available, data present in the fuel cell can be read out by the DC / DC converter.
  • the state of wear, wear factors and / or the remaining service life of the fuel cell are determined.
  • the aforementioned information obtained is used according to the invention for controlling the operation of the fuel cell, the control being advantageously carried out in such a way that the service life of the fuel cell is increased, as a result of which the functionality of the device according to the invention is considerably increased.
  • the current and voltage of the fuel cell are advantageously determined as parameters.
  • mass flows and the operating temperature of the fuel cell are determined as additional parameters.
  • the acquisition of these parameters is advantageously time-resolved.
  • the operating state of the fuel cell can be fully recorded using these parameters.
  • the operating characteristic of the fuel cell can be recorded.
  • the operating characteristic of the fuel cell indicates the voltage as a function of the current in relation to defined mass flows of the operating materials in the fuel cell and their operating temperature.
  • the state of wear of the fuel cell can be determined particularly well on the basis of this operating characteristic. Further evaluations can also be carried out on the basis of the operating characteristic.
  • a modulation of the current of the fuel cell is carried out to determine Tunzu states by means of the DC / DC converter.
  • the voltage of the fuel cell is determined synchronously with this.
  • the modulation of the withdrawal flow occurs periodically with a small amplitude and with a suitably selected frequency.
  • the dependence of the voltage on the current is determined synchronously with the modulation, namely in amplitude and phase. From these measurements, conclusions can be drawn about the operating condition and aging condition of the fuel cell.
  • the measurement of a frequency-dependent impedance generates additional relevant information about the condition of the fuel cell.
  • the current is drawn in the form of an average value (direct current) on which an additional alternating current (sinusoidal, adjustable frequency) is superimposed.
  • the amplitude of the alternating current component is considerably lower than the value of the direct current.
  • the mass flow of the fuel cell is modulated by means of the DC / DC converter to determine parameters.
  • the mass flow i.e. the mass flow in the fuel cell
  • the mass flow is also modulated at a frequency in which the fuel cell can follow the modulation, the modulation being so low that that system to be supplied is not impaired.
  • a classification of operating states is particularly advantageous.
  • measured variables recorded in the DC / DC converter can be read out to an external computer unit.
  • the computer unit is designed to evaluate the measurement data.
  • the computer unit can be part of a cloud.
  • the coupling to the computer unit can take place with a contactless data transmission link, with radio signals in particular being used for data transmission. This enables flexible evaluation of the fuel cell data that is spatially completely decoupled from the device.
  • calculation models for the wear calculation or optimization of the operation of the fuel cell can be determined in the computer unit and / or in the DC / DC converter as a function of measurement data from the fuel cell. Furthermore, depending on the measurement data of the fuel cell, a log of the operating state of the fuel cell and / or data for the further development of the fuel cell and / or maintenance data are generated in the computer unit.
  • the operating characteristic of the fuel cell recorded in the DC / DC converter is particularly suitable as measurement data that is evaluated for this purpose.
  • the DC / DC converter and / or a control unit is assigned to control the operation of the fuel cell.
  • the device according to the invention can be particularly advantageously expanded to the effect that it has an energy store that is included in the control of the fuel cell.
  • the energy store is a battery or a capacitor.
  • the additional energy storage means that the fuel cell can be controlled more flexibly, in particular to optimize its operation.
  • the additional energy store enables flexibility in the operation of the fuel cell in such a way that power is not continuously drawn from the fuel cell. Rather, power can also be alternately drawn from the energy store.
  • the device can also be operated in such a way that power is drawn from the energy store and the fuel cell at the same time. This enables flexible operation of the device, which optimizes the operation of the fuel cell, in particular also an increase in the service life of the fuel cell.
  • start-stop cycles of the fuel cell can be recorded as an essential factor for its aging during operation of the fuel cell.
  • the number of start-stop cycles of the fuel cell is advantageously reduced with the inclusion of the energy store and thus its service life is increased.
  • idling times of the fuel cell can be reduced by including the energy store in the control of the device.
  • the fuel cell is idling, a high voltage is applied when the current is low, which is harmful to the fuel cell, in particular its membrane.
  • the device has at least one further fuel cell with an assigned DC / DC converter, which is included in the control of the first fuel cell.
  • the withdrawal flow of at least one fuel cell is modulated in such a way that a regenerative operating state is maintained in this fuel cell.
  • the withdrawal flows of both fuel cells are advantageously modulated in such a way that an at least approximately constant power output is ensured with these fuel cells.
  • a regenerative operating state of the fuel cell is particularly advantageously obtained in that it is operated briefly with excessive current and thus reduced voltage.
  • the regenerative operating state is maintained by the fact that the fuel cell is temporarily operated in an operating state that is otherwise forbidden, namely in operation with excessive current and thus reduced voltage on the fuel cell. This works with a very low efficiency and thus becomes warmer. Due to the higher temperature, the membrane ages more, hence the time limitation. However, due to the higher temperature on the catalytic converter, pollutants, in particular nitrogen oxides, are converted into a higher oxidation state, as a result of which they escape in gaseous form. This regenerates the catalytic converter and the fuel cell delivers higher output again and has improved efficiency.
  • Such a regeneration can require operating states which can impair the function of the higher-level system to be supplied.
  • This problem can be solved in that at least two fuel cells are suitably coupled in a system network via the two DC / DC converters and the modulations are carried out in such a way that the total power fed into the system from both fuel cells is a first approximation can be kept constant.
  • an energy storage device in the system is used.
  • a combination of a fuel cell and an energy store is provided, the current drawn from the fuel cell being modulated into measured values and this power being fed into the energy store so that a modulation of the current is generated in the energy store, and as measured variables the current and voltage of the energy store can be determined.
  • the current consumption from the fuel cell is modulated for measurement purposes (direct current and superimposed alternating current) and this power is fed into a connected battery and at the same time it is ensured that other devices do not draw any relevant power from the battery, then there is also a modulation (direct current and alternating current) in the battery.
  • the current and voltage are measured on this side so that the battery can also be measured parallel to the fuel cell.
  • Figure 1 First embodiment of the device according to the invention.
  • FIG. 2 Example of an operating characteristic of a fuel cell for the device according to FIG. 1.
  • Figure 3 Second embodiment of the device according to the invention.
  • Figure 4 Third embodiment of the device according to the invention.
  • FIG. 1 shows a first exemplary embodiment of the device 1 according to the invention.
  • the device 1 has a fuel cell 2 which is connected via a DC / DC converter 3 to a system 4 to be supplied.
  • the fuel cell 2 is designed in the form of a PEM (Proton Exchange Membrane) fuel cell 2 operated with hydrogen.
  • a variable voltage generated in the fuel cell 2 is converted into a direct voltage that is used to supply the system 4 with energy.
  • a computer unit 6 is connected to the DC / DC converter 3 via a data transmission path 5 as an optional additional device.
  • a bi-directional data exchange is possible via the data transmission link 5, in particular via radio signals.
  • the computer unit 6 can be a cloud computer in a cloud.
  • the DC / DC converter 3 is also used to record parameters of the fuel cell 2, the DC / DC converter 3 being able to name the parameters or to read them from the fuel cell 2.
  • Suitable sensors can be provided for this, which are integrated in the DC / DC converter or assigned to it.
  • the current and voltage of the fuel cell can be determined as parameters.
  • mass flows and the operating temperature of the fuel cell can be determined as additional parameters.
  • FIG. 2 An example of such an operating characteristic is shown in FIG. 2. There, the voltage of a fuel cell 2 is plotted in volts as a function of the current density in A / qcm.
  • the solid line shows an operating characteristic of a brand-new fuel cell 2.
  • the dashed line shows the state of the fuel cell 2 after a few thousand hours of operation.
  • different areas A, B, C are drawn in, which have the following meanings.
  • A The area in which, as a result of aging, the undesired passage of hydrogen through the membrane occurs, which means that the voltage drops even with low current densities.
  • a modulation of the current of the fuel cell is carried out in particular, the voltage of the fuel cell being determined synchronously with this.
  • the amplitude of the modulation is so low that the direct voltage generated by the fuel cell and the DC / DC converter remains unaffected.
  • the current that is to say the withdrawal current and the mass flow in the fuel cell 2
  • the current can be modulated to detect the aging condition.
  • An evaluation of measurement data determined with the DC / DC converter 3 is expediently carried out in the computer unit 6. There, the operating states of the fuel cell 2 can be classified using the determined parameters.
  • calculation models for the wear calculation or optimization of the operation of the fuel cell 2 can be determined in the computer unit 6 and / or in the DC / DC converter 3 as a function of measurement data from the fuel cell 2.
  • a log about the operating state of the fuel cell 2 and / or data for the further development of the fuel cell 2 and / or maintenance data can be generated in the computer unit 6 as a function of measurement data from the fuel cell 2.
  • the DC / DC converter 3 can also be used to control the operation of the fuel cell 2.
  • FIG. 1 A device 1 particularly suitable for this is shown in FIG. 1
  • an energy store is connected to the system 4 to be supplied via a further DC / DC converter 3, which is designed in the form of a battery 7.
  • a capacitor can be used as an energy store.
  • Both DC / DC converters 3 are connected to a control unit 8.
  • the control unit 8 and / or the DC / DC converter 3 assigned to the fuel cell 2 control the operation of the fuel cell 2, in particular in such a way that its service life is increased.
  • the control of the fuel cell 2 is designed such that start-stop cycles of the fuel cell 2 are minimized, and / or that idle times of the fuel cell 2 are minimized, and / or that current changes in the fuel cell 2 are minimized. This control takes place as a function of the determined parameters.
  • FIG. 4 shows a further exemplary embodiment of the device 1 according to the invention. This is expanded compared to the device 1 according to FIG. 2 in that two fuel cells 2 are each connected to the system 4 to be supplied via a DC / DC converter 3. Both DC / DC converters 3 are connected to a control unit 8.
  • the device 1 according to FIG. 4 can be expanded in such a way that an energy store is connected to the system 4 to be supplied via a further DC / DC converter 3.
  • the extraction flows of the fuel cell 2 are modulated via the fuel cell 2 in such a way that a regenerative operating status is obtained for them.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1) mit wenigstens einer Brennstoffzelle (2) und einem dieser zugeordneten DC/DC-Wandler (3). Eine in der Brennstoffzelle (2) erzeugte variable Spannung ist mittels des DC/DC-Wandlers (3) in eine Gleichspannung für ein zu versorgendes System (4) gewandelt. Der DC/DC- Wandler (3) ist zur Erfassung interner Kenngrößen der Brennstoffzelle (2) ausgebildet. In Abhängigkeit dieser Kenngrößen werden Betriebszustände der Brennstoffzelle (2) erfasst und/oder gesteuert.

Description

Vorrichtung mit wenigstens einer Brennstoffzelle Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung mit wenigstens einer Brennstoffzelle.
Bei einer derartigen Vorrichtung kann der Brennstoffzelle ein DC/DC-Wandler zugeordnet sein, der eine variable Spannung, die in der Brennstoffzelle erzeugt wird, in eine Gleichspannung umwandelt, die allgemein einem mit einer derar tigen Gleichspannung zu versorgendem System zugeführt wird. Brennstoffzellen erlangen in der carbonreduzierten und carbonfreien Energie versorgung eine steigende Bedeutung. Dies gilt sowohl für mobile Anwendun gen als auch für stationäre Anwendungen. Die mobilen Anwendungen reichen vom klassischen Automobil über verschiedene Arten von Nutzfahrzeugen bis zu mobilen Arbeitsmaschinen und Schiffen. Die stationären Anwendungen betref- fen vor allem die Erzeugung von elektrischem Strom als Inselnetz oder zur Ein speisung in öffentliche Netze.
Ein wesentlicher Aspekt für eine wirtschaftliche Nutzung von Brennstoffzellen sind die Gebrauchskosten je Betriebs stunde und damit verbunden die Lebens dauer einer Brennstoffzelle. Die Lebensdauer von Brennstoffzellen ist jedoch oft unerwünscht begrenzt. Für Wasserstoff-Brennstoffzellen beispielsweise ist die als Elektrolyt fungierende Polymermembran ein wesentlicher Lebensdauer begrenzender Faktor.
Im Betrieb der Brennstoffzelle gibt die Polymermembran unter mechanischer Belastung an Schwachstellen nach, was ein Nadelloch produziert. Darauf folgt die chemische Zersetzung infolge des Gasdurchflusses durch den Defekt. Die chemisch induzierte Schwächung des Polymers macht die Membran anfälliger für mechanische Belastung, die Defekte werden größer und somit wird die che mische Degradation beschleunigt. Beide Effekte verstärken sich damit gegensei tig. Bei genügendem Gasdurchfluss kann schließlich thermische Zersetzung ein- setzen (Verbrennung), so dass die Brennstoffzelle zerstört wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs ge nannten Art bereitzustellen, welcher bei geringem konstruktiven Aufwand eine hohe Funktionalität aufweist.
Zur Lösung dieser Aufgabe sind die Merkmale des Anspruchs 1 vorgesehen. Vorteilhafte Ausführungsformen und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfin dung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung mit wenigstens einer Brennstoffzelle und einem dieser zugeordneten DC/DC-Wandler. Eine in der Brennstoffzelle er zeugte variable Spannung ist mittels des DC/DC-Wandlers in eine Gleichspan nung für ein zu versorgendes System gewandelt. Der DC/DC-Wandler ist zur Erfassung interner Kenngrößen der Brennstoffzelle ausgebildet. In Abhängigkeit dieser Kenngrößen werden Betriebszustände der Brennstoffzelle erfasst und/ oder gesteuert.
Die Funktion der erfmdungsgemäßen Vorrichtung ist dadurch erhöht, dass mit dem DC/DC-Wandler nicht nur eine stabile Gleichspannung aus der variablen Spannung der Brennstoffzelle generiert wird, welche zur Versorgung eines ex ternen Systems genutzt werden kann.
Vielmehr werden erfmdungsgemäß mit dem DC/DC-Wandler Kenngrößen der Brennstoffzelle erfasst, wobei diese Erfassung vorteilhaft fortlaufend und auch zeitaufgelöst erfolgt. Durch die Erfassung dieser Kenngrößen werden Informa tionen über die aktuellen Betriebszustände der Brennstoffzelle gewonnen, wodurch eine umfassende Kontrolle der Brennstoffzelle ermöglicht wird. Erfin- dungsgemäß ist nicht nur eine Kontrolle im Sinne eines Monitorings der Brenn stoffzelle möglich. Vielmehr können abhängig von den erfassten Kenngrößen Steuervorgänge durchgeführt werden, die an den aktuellen Betriebszustand der Brennstoffzelle angepasst sind oder auch die Betriebszustände der Brennstoff- zelle optimieren können.
Zur Erfassung von Kenngrößen können geeignete Sensoren vorgesehen sein, die im DC/DC-Wandler integriert oder diesem zugeordnet sind.
Die Datengewinnung ist generell nicht auf die direkte Messung von Kenngrößen durch den DC/DC-Wandler beschränkt. Vielmehr können, falls vorhanden, vom DC/DC-Wandler in der Brennstoffzelle vorhandene Daten ausgelesen werden.
Besonders vorteilhaft werden aus den Kenngrößen Informationen über den ak tuellen Verschleiß der Brennstoffzelle gewonnen.
Insbesondere werden der Verschleißzustand, Verschleißfaktoren und/oder die Restlebensdauer der Brennstoffzelle ermittelt. Die vorgenannten gewonnenen Informationen werden erfindungsgemäß für die Steuerung des Betriebs der Brennstoffzelle genutzt, wobei die Steuerung vorteil haft derart erfolgt, dass die Lebensdauer der Brennstoffzelle erhöht wird, wodurch die Funktionalität der erfindungsgemäßen Vorrichtung erheblich er höht wird. Vorteilhaft werden als Kenngrößen Strom und Spannung der Brennstoffzelle er mittelt.
Weiterhin werden als zusätzliche Kenngrößen Massenströme und die Betriebs temperatur der Brennstoffzelle ermittelt. Die Erfassung dieser Kenngrößen erfolgt vorteilhaft zeitaufgelöst. Anhand die ser Kenngrößen kann der Betriebszustand der Brennstoffzelle vollständig erfasst werden.
Insbesondere kann die Betriebskennlinie der Brennstoffzelle erfasst werden.
Die Betriebskennlinie der Brennstoffzelle gibt die Spannung in Abhängigkeit des Stroms in Bezug auf definierte Massenströme der Betriebsstoffe der Brenn stoffzelle und deren Betriebstemperatur an.
Anhand dieser Betriebskennlinie kann besonders gut der Verschleißzustand der Brennstoffzelle ermittelt werden. Auch können anhand der Betriebskennlinie weitere Auswertungen durchgeführt werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung wird zur Ermittlung von Betriebszu ständen mittels des DC/DC-Wandlers eine Modulation des Stroms der Brenn stoffzelle durchgeführt. Synchron hierzu wird die Spannung der Brennstoffzelle bestimmt.
Wesentlich hierbei ist, dass die Amplitude der Modulation so gering ist, dass die mit der Brennstoffzelle und dem DC/DC-Wandler generierte Gleichspannung unbeeinträchtigt bleibt.
Bei ansonsten gleichen Betriebsdaten der Brennstoffzelle, wie insbesondere dem Massenfluss in der Brennstoffzelle, erfolgt die Modulation des Entnahmestroms periodisch in kleiner Amplitude und in geeignet gewählter Frequenz. Dabei wer den Strom und Spannung der Brennstoffzelle in Echtzeit gemessen, wobei die Abhängigkeit der Spannung vom Strom synchron zur Modulation und zwar in Amplitude und Phase ermittelt wird. Aus diesen Messungen können Rück schlüsse auf den Betriebszustand und Alterungszustand der Brennstoffzelle ge zogen werden. Die Messung einer frequenzabhängigen Impedanz erzeugt zusätzliche relevante Informationen über den Zustand der Brennstoffzelle. Hierzu erfolgt die Stromentnahme in Form eines Mittelwerts (Gleichstrom), welcher ein zusätzli cher Wechselstrom (sinusförmig, einstellbare Frequenz) überlagert ist. Die Amplitude des Wechselstromanteils ist dabei erheblich geringer als der Wert des Gleichstroms. Durch die vorgeschlagene Anordnung lassen sich mittels des DC/DC-Wandlers Frequenzen von weit unter 1 Hz bis in den Bereich kHz er zeugen.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung wird zur Ermittlung von Kenngrößen mittels des DC/DC-Wandlers der Massenstrom der Brennstoffzelle moduliert.
In diesem Fall wird neben dem Strom, das heißt Entnahmestrom der Brennstoff zelle auch der Massenstrom, das heißt der Massenfluss in der Brennstoffzelle moduliert und zwar in einer Frequenz, in der die Brennstoffzelle der Modulation folgen kann, wobei die Modulation so gering ist, dass das zu versorgende System nicht beeinträchtigt wird. Auch diese Messungen erlauben Rückschlüsse auf den Betriebszustand, insbesondere den Alterungs-, das heißt Verschleißzustand der Brennstoffzelle.
Besonders Vorteilhaft ist eine Klassierung von Betriebszuständen durchgeführt.
Generell erfolgt auch eine Klassierung der bei der Erfassung der Kenngrößen anfallenden Daten.
Dadurch erfolgt eine Reduzierung des anfallenden Datenvolumens bei der Aus wertung.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform sind in dem DC/DC-Wandler er fasste Messgrößen an eine externe Rechnereinheit auslesbar. Die Rechnereinheit ist zur Auswertung der Messdaten ausgebildet. Insbesondere kann die Rechnereinheit Bestandteil einer Cloud sein.
Die Ankopplung an die Rechnereinheit kann mit einer berührungslos arbeiten den Datenübertragungsstrecke erfolgen, wobei insbesondere Funksignale zur Datenübertragung verwendet werden. Damit ist eine flexible, räumlich von der Vorrichtung völlig entkoppelte Aus wertung der Daten der Brennstoffzelle möglich.
Insbesondere können in der Rechnereinheit und/oder im DC/DC-Wandler ab hängig von Messdaten der Brennstoffzelle Rechenmodelle für die Verschleißbe rechnung oder Optimierung des Betriebs der Brennstoffzelle ermittelt werden. Weiterhin werden in der Rechnereinheit abhängig von Messdaten der Brenn stoffzelle ein Protokoll über den Betriebszustand der Brennstoffzelle und/oder Daten für die Weiterentwicklung der Brennstoffzelle und/oder Wartungsdaten generiert.
Als Messdaten, die hierzu ausgewertet werden, eignet sich insbesondere die im DC/DC-Wandler erfasste Betriebskennlinie der Brennstoffzelle.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der DC/DC-Wandler und/oder eine Steuereinheit zur Steuerung des Betriebs der Brennstoffzelle zu geordnet.
Dadurch, dass wahlweise in dem DC/DC-Wandler oder in der Steuereinheit der Betrieb der Brennstoffzelle gesteuert werden kann, wird eine hohe Flexibilität der erfindungsgemäßen Vorrichtung erhalten.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann besonders vorteilhaft dahingehend er weitert sein, dass diese einen Energiespeicher aufweist, der in die Steuerung der Brennstoffzelle einbezogen ist. Insbesondere ist der Energiespeicher eine Batterie oder ein Kondensator.
Durch den zusätzlichen Energiespeicher kann eine erweiterte und flexiblere Steuerung der Brennstoffzelle erfolgen, insbesondere um deren Betrieb zu opti mieren. Der zusätzliche Energiespeicher ermöglicht eine Flexibilität des Be triebs der Brennstoffzelle derart, dass aus der Brennstoffzelle nicht fortlaufend Leistung entnommen wird. Vielmehr kann wechselweise auch aus dem Energie speicher Leistung entnommen werden. Weiterhin ist auch ein Betrieb der Vor richtung derart möglich, dass gleichzeitig aus dem Energiespeicher und der Brennstoffzelle Leistung entnommen wird. Damit wird ein flexibler Betrieb der Vorrichtung ermöglicht, der eine Optimierung des Betriebs der Brennstoffzelle gestaltet, insbesondere auch eine Erhöhung der Lebensdauer der Brennstoffzelle.
Insbesondere können während des Betriebs der Brennstoffzelle als wesentlicher Faktor für deren Alterung die Start-Stopp-Zyklen der Brennstoffzelle erfasst werden. Vorteilhaft wird unter Einbeziehung des Energiespeichers die Anzahl der Start-Stopp-Zyklen der Brennstoffzelle reduziert und damit deren Lebens dauer erhöht.
Weiterhin können durch Einbeziehung des Energiespeichers in die Steuerung der Vorrichtung Leerlaufzeiten der Brennstoffzelle reduziert werden. Im Leer lauf der Brennstoffzelle liegt bei geringem Strom eine hohe Spannung an, was für die Brennstoffzelle, insbesondere deren Membran schädlich ist.
Weiterhin können durch Einbeziehung des Energiespeichers in die Steuerung Stromänderungen in der Brennstoffzelle minimiert werden, das heißt rasche Stromänderungen oder auch Belastungsspitzen, die zu einem erhöhten Ver schleiß der Brennstoffzelle führen, können weitgehend vermieden werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung weist die Vorrichtung wenigstens eine weitere Brennstoffzelle mit einem zugeordneten DC/DC-Wandler auf, welche in die Steuerung der ersten Brennstoffzelle einbezogen sind. In diesem Fall ist der Entnahmestrom wenigstens einer Brennstoffzelle derart moduliert, dass in dieser Brennstoffzelle ein regenerativer Betriebszustand er halten wird.
Vorteilhaft sind die Entnahmeströme beider Brennstoffzellen derart moduliert, dass mit diesen Brennstoffzellen eine zumindest näherungsweise konstante Leis tungsabgabe gewährleistet ist.
Besonders vorteilhaft wird ein regenerativer Betriebszustand der Brennstoffzelle dadurch erhalten, dass diese kurzzeitig bei überhöhtem Strom und damit redu zierten Spannung betrieben wird. Der regenerative Betriebszustand wird dadurch erhalten, dass die Brennstoffzelle zeitlich befristet in einem sonst ver botenen Betriebszustand betrieben wird und zwar in einem Betrieb mit überhöh tem Strom und damit reduzierter Spannung an der Brennstoffzelle. Diese arbeitet damit in sehr niedrigem Wirkungsgrad und wird damit wärmer. Durch die hö here Temperatur altert zwar die Membrane stärker, daher die zeitliche Befris tung. Jedoch werden durch die höhere Temperatur am Katalysator angelagerte Schadstoffe, insbesondere Stickoxide in einen höheren Oxidationszustand über führt, wodurch diese gasförmig entweichen. Damit regeneriert sich der Kataly sator und die Brennstoffzelle liefert wieder höhere Leistung und hat rückverbes serten Wirkungsgrad.
Eine solche Regeneration kann Betriebszustände erfordern, welche das überge ordnete zu versorgende System in seiner Funktion beeinträchtigen können. Die ses Problem kann dadurch gelöst werden, dass sich wenigstens zwei Brennstoff zellen in einem Systemverbund über die beiden DC/DC-Wandler geeignet ge koppelt werden und die Modulationen so erfolgen, dass die in Summe aus beiden Brennstoffzellen in das System gespeiste Leistung in erster Näherung konstant gehalten werden kann. Alternativ wird hierzu ein im System vorhandener Ener giespeicher genutzt. Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform ist eine Kombination einer Brenn stoffzelle und einem Energiespeicher vorgesehen, wobei die Stromentnahme aus der Brennstoffzelle zu Messwerten moduliert wird und diese Leistung in den Energiespeicher eingespeist wird, so dass eine Modulation des Stroms im Ener- giespeicher generiert wird, und als Messgrößen der Strom und die Spannung des Energiespeichers bestimmt werden.
Wird die Stromentnahme aus der Brennstoffzelle zu messtechnischen Zwecken moduliert (Gleichstrom sowie überlagerter Wechselstrom) und diese Leistung in eine angeschlossene Batterie eingespeist und zugleich dafür gesorgt, dass andere Geräte aus der Batterie keine relevante Leistung entnehmen, dann liegt zugleich eine Modulation (Gleichstrom und Wechselstrom) in der Batterie vor. Auf dieser Seite wird der Strom und Spannung gemessen, so dass parallel zur Brennstoff zelle auch die Batterie ausgemessen werden kann.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
Figur 1 : Erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Figur 2: Beispiel einer Betriebskennlinie einer Brennstoffzelle für die Vor richtung gemäß Figur 1.
Figur 3 : Zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Figur 4: Drittes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Figur 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrich tung 1. Die Vorrichtung 1 weist eine Brennstoffzelle 2 auf, die über einen DC/DC-Wandler 3 an ein zu versorgendes System 4 angeschlossen ist.
Bei diesem und den folgenden Beispielen ist die Brennstoffzelle 2 in Form einer mit Wasserstoff betriebenen PEM (Proton Exchange Membrane) -Brennstoff- zelle 2 ausgebildet. Mit dem DC/DC-Wandler 3 wird eine in der Brennstoffzelle 2 generierte vari able Spannung in eine Gleichspannung gewandelt, die zur Energieversorgung des Systems 4 genutzt wird.
Als optionale Zusatzeinrichtung ist an den DC/DC-Wandler 3 über eine Daten- übertragungsstrecke 5 eine Rechnereinheit 6 angeschlossen. Über die Daten übertragungsstrecke 5 ist ein birektionaler Datenaustausch möglich, insbeson dere über Funksignale. Die Rechnereinheit 6 kann ein Cloud-Rechner einer Cloud sein.
Erfindungsgemäß wird der DC/DC-Wandler 3 zusätzlich zur Erfassung von Kenngrößen der Brennstoffzelle 2 eingesetzt, wobei der DC/DC-Wandler 3 die Kenngrößen nennen kann oder aus der Brennstoffzelle 2 auslesen kann.
Hierfür können geeignete Sensoren vorgesehen sein, die im DC/DC-Wandler integriert sind oder diesem zugeordnet sind.
Dabei können als Kenngrößen Strom und Spannung der Brennstoffzelle ermittelt werden.
Weiterhin können als zusätzliche Kenngrößen Massenströme und die Betriebs temperatur der Brennstoffzelle ermittelt werden.
Schließlich kann die Betriebskennlinie der Brennstoffzelle erfasst werden.
Ein Beispiel einer solchen Betriebskennlinie zeigt Figur 2. Dort ist die Spannung einer Brennstoffzelle 2 in Volt in Abhängigkeit von der Stromdichte in A/qcm aufgetragen.
Dabei ist mit der durchgezogenen Linie eine Betriebskennlinie einer fabrikneuen Brennstoffzelle 2 dargestellt. Die gestrichelte Linie zeigt den Zustand der Brenn stoffzelle 2 nach einigen Tausend Betriebs stunden. Im Diagramm gemäß Figur 2 sind unterschiedliche Bereiche A, B, C eingezeich net, die folgende Bedeutungen haben.
A: Der Bereich in welchem sich durch Alterung ein unerwünschter Durchtritt des Wasserstoffs durch die Membran einstellt und dadurch die Spannung auch bei kleinen Stromdichten Sinkt.
B: Der Bereich in welchem sich der Verlust von aktiver Katalysatorenfläche zeigt.
C: Der Bereich in welchem sich die Erhöhung des Widerstands des Mas sestroms oder dessen Wirkung zeigt. Wie Figur 2 zeigt, können durch eine vorzugsweise fortlaufende und zeitabhän gige Bestimmung der Betriebskennlinie Informationen über den Alterungszu stand ermittelt werden, wobei insbesondere der Verschleißzustand, die Restle bensdauer und auch Verschleißfaktoren im DC/DC-Wandler 3 bestimmt wer den. Dasselbe gilt für die Erfassung der anderen genannten Kenngrößen. Zur Erfassung des Verschleißzustands der Brennstoffzelle 2, ist insbesondere ein Mikromodulationsverfahren durchführbar.
Zur Ermittlung von Betriebszuständen mittels des DC/DC-Wandlers wird insbe sondere eine Modulation des Stroms der Brennstoffzelle durchgeführt, wobei synchron hierzu die Spannung der Brennstoffzelle bestimmt wird. Dabei ist die Amplitude der Modulation so gering, dass die mit der Brennstoff zelle und dem DC/DC-Wandler generierte Gleichspannung unbeeinträchtigt bleibt.
Bei dieser Modulation bleiben andere Einflussgrößen, wie zum Beispiel der Massenfluss, in der Brennstoffzelle 2 konstant. Alternativ kann zur Erfassung des Alterungszustands der Strom, das heißt der Entnahmestrom und der Massenfluss in der Brennstoffzelle 2 moduliert werden.
Eine Auswertung von mit dem DC/DC-Wandler 3 ermittelten Messdaten erfolgt zweckmäßig in der Rechnereinheit 6. Dort kann anhand der ermittelten Kenn- großen eine Klassierung von Betriebszuständen der Brennstoffzelle 2 erfolgen.
Weiterhin können in der Rechnereinheit 6 und/oder im DC/DC-Wandler 3 ab hängig von Messdaten der Brennstoffzelle 2 Rechenmodelle für die Verschleiß berechnung oder Optimierung des Betriebs der Brennstoffzelle 2 ermittelt wer den. Schließlich können in der Rechnereinheit 6 abhängig von Messdaten der Brenn stoffzelle 2 ein Protokoll über den Betriebszustand der Brennstoffzelle 2 und/ oder Daten für die Weiterentwicklung der Brennstoffzelle 2 und/oder Wartungs daten generiert werden.
Erfindungsgemäß kann der DC/DC-Wandler 3 auch zur Steuerung des Betriebs der Brennstoffzelle 2 eingesetzt werden.
Eine hierzu besonders geeignete Vorrichtung 1 zeigt Figur 3.
Diese ist gegenüber der Vorrichtung 1 gemäß Figur 2 dadurch erweitert, dass ein Energiespeicher über einem weiteren DC/DC-Wandler 3 an das zu versorgende System 4 angeschlossen ist, der in Form einer Batterie 7 ausgebildet ist. Alter- nativ kann ein Kondensator als Energiespeicher eingesetzt werden.
Beide DC/DC-Wandler 3 sind an eine Steuereinheit 8 angeschlossen.
Die Steuereinheit 8 und/oder der der Brennstoffzelle 2 zugeordnete DC/DC- Wandler 3 steuern den Betrieb der Brennstoffzelle 2 und zwar insbesondere der art, dass deren Lebensdauer erhöht wird. Insbesondere ist die Steuerung der Brennstoffzelle 2 derart ausgebildet, dass Start-Stopp-Zyklen der Brennstoffzelle 2 minimiert sind, und/oder dass Leer laufzeiten der Brennstoffzelle 2 minimiert sind, und/oder dass Stromänderungen der Brennstoffzelle 2 minimiert sind. Diese Steuerung erfolgt in Abhängigkeit der ermittelten Kenngrößen.
Figur 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrich tung 1. Diese ist gegenüber der Vorrichtung 1 gemäß Figur 2 dahingehend er weitert, dass zwei Brennstoffzellen 2 jeweils über einen DC/DC-Wandler 3 an das zu versorgende System 4 angeschlossen sind. Beide DC/DC-Wandler 3 sind an eine Steuereinheit 8 angeschlossen.
Die Vorrichtung 1 gemäß Figur 4 kann dahingehend erweitert sein, dass ein Energiespeicher über einen weiteren DC/DC-Wandler 3 an das zu versorgende System 4 angeschlossen ist.
In diesem Fall werden die Entnahmeströme der Brennstoffzelle 2 über die Brennstoffzelle 2 derart moduliert, dass für diese ein regenerativer Betriebszu stand erhalten wird.
Vorteilhaft sind die Entnahmeströme beider Brennstoffzellen 2 derart moduliert, dass mit diesen Brennstoffzellen 2 eine zumindest näherungsweise konstante Leistungsabgabe gewährleistet ist. Bezugszeichenliste
(1) Vorrichtung
(2) Brennstoffzelle
(3) DC/DC-Wandler
(4) zu versorgendes System (5) Datenübertragungsstrecke
(6) Rechnereinheit
(7) Batterie
(8) Steuereinheit

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung (1) mit wenigstens einer Brennstoffzelle (2) und einem dieser zugeordneten DC/DC-Wandler (3), wobei eine in der Brennstoffzelle (2) erzeugte variable Spannung mittels des DC/DC-Wandlers (3) in eine Gleichspannung für ein zu versorgendes System (4) gewandelt ist, dadurch gekennzeichnet, dass der DC/DC-Wandler (3) zur Erfassung in terner Kenngrößen der Brennstoffzelle (2) ausgebildet ist, wobei in Ab hängigkeit dieser Kenngrößen Betriebszustände der Brennstoffzelle (2) er fasst und/oder gesteuert werden.
2. Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Kenn- großen Strom und Spannung der Brennstoffzelle (2) ermittelt werden, und/oder als zusätzliche Kenngrößen Massenströme und die Betriebstem peratur der Brennstoffzelle (2) ermittelt werden.
3. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeich net, dass die Betriebskennlinie der Brennstoffzelle (2) erfasst wird.
4. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 - 3, dadurch gekennzeichnet, dass Sensoren zur Erfassung von Kenngrößen vorgesehen sind, die im DC/DC-Wandler (3) integriert oder diesem zugeordnet sind, und/oder dass zur Ermittlung von Betriebszuständen mittels des DC/DC-Wandlers (3) eine Modulation des Stroms der Brennstoffzelle (2) durchgeführt wird, und dass synchron hierzu die Spannung der Brennstoffzelle (2) bestimmt wird.
5. Vorrichtung (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Amplitude der Modulation so gering ist, dass die mit der Brennstoffzelle (2) und dem DC/DC-Wandler (3) generierte Gleichspannung unbeein trächtigt bleibt.
6 Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeich net, dass zur Ermittlung von Kenngrößen mittels des DC/DC-Wandlers (3) der Massenstrom der Brennstoffzelle (2) moduliert wird.
7. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 - 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Verschleißzustand, Verschleißfaktoren und/oder die Restlebens dauer der Brennstoffzelle (2) ermittelt werden, und/oder dass eine Klassie rung von Betriebszuständen durchgeführt ist.
8 Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 - 7, dadurch gekennzeichnet, dass in dem DC/DC-Wandler (3) erfasste Messgrößen an eine externe Rechnereinheit (6) auslesbar sind, wobei die Rechnereinheit (6) zur Aus wertung der Messdaten ausgebildet ist, und/oder Bestandteil einer Cloud ist.
9. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeich net, dass in der Rechnereinheit (6) und/oder im DC/DC-Wandler (3) ab hängig von Messdaten der Brennstoffzelle (2) Rechenmodelle für die Ver schleißberechnung oder Optimierung des Betriebs der Brennstoffzelle (2) ermittelt werden.
10 Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 7- 9, dadurch gekennzeichnet, dass in der Rechnereinheit (6) abhängig von Messdaten der Brennstoff zelle (2) ein Protokoll über den Betriebszustand der Brennstoffzelle (2) und/oder Daten für die Weiterentwicklung der Brennstoffzelle (2) und/o der Wartungsdaten generiert werden.
11 Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 - 10, dadurch gekennzeich net, dass der DC/DC-Wandler (3) und/oder eine Steuereinheit (8) zur Steu erung des Betriebs der Brennstoffzelle (2) zugeordnet ist.
12 Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 - 11, dadurch gekennzeich net, dass diese einen Energiespeicher aufweist, der in die Steuerung der Brennstoffzelle (2) einbezogen ist, wobei der Energiespeicher insbeson dere eine Batterie (7) oder ein Kondensator ist.
13. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekenn zeichnet, dass die Steuerung der Brennstoffzelle (2) derart ausgebildet ist, dass Start-Stopp-Zyklen der Brennstoffzelle (2) minimiert sind, und/oder dass Leerlaufzeiten der Brennstoffzelle (2) minimiert sind, und/oder dass Stromänderungen der Brennstoffzelle (2) minimiert sind.
14. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 - 13, dadurch gekennzeich net, dass ein regenerativer Betriebszustand der Brennstoffzelle (2) dadurch erhalten wird, dass diese kurzzeitig bei überhöhtem Strom und damit re duzierter Spannung betrieben wird.
15. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 - 14, dadurch gekennzeich net, dass eine Kombination einer Brennstoffzelle (2) und einem Energie speicher vorgesehen ist, wobei die Stromentnahme aus der Brennstoffzelle (2) zu Messwerten moduliert wird und diese Leistung in den Energiespei cher eingespeist wird, so dass eine Modulation des Stroms im Energiespei cher generiert wird, und als Messgrößen der Strom und die Spannung des Energiespeichers bestimmt werden.
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