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AT510803A1 - Vorrichtung und verfahren zur steuerung, regelung und überwachung von betriebsparametern von brennstoffzellensystemen - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zur steuerung, regelung und überwachung von betriebsparametern von brennstoffzellensystemen Download PDF

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AT510803A1
AT510803A1 ATA1632/2008A AT16322008A AT510803A1 AT 510803 A1 AT510803 A1 AT 510803A1 AT 16322008 A AT16322008 A AT 16322008A AT 510803 A1 AT510803 A1 AT 510803A1
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AT
Austria
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control
fuel cell
regulating
measuring
monitoring
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Peter Dipl Ing Fh Bernhard
Uz Dipl Ing Baumgart
Juergen Mag Schodl
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Cardec Hydrogen Storage Gmbh
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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Mess-, Steuer-, Regel- und Überwachungseinheit (Zeichnung) zum zuverlässigen Betrieb eines Brennstoffzellensystems. Es handelt sich hierbei um eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Messung, Steuerung, Regelung und Überwachung eines Brennstoffzellensystems, welches mit Hilfe von Brennstoffund Oxidator chemische Energie in elektrische Energie umwandelt, wobei die zum Betrieb des Brennstoffzellensystems wichtigen Hauptparameter von einer zentralen Mess-, Steuer-, Regel- und Überwachungseinheit (1) erfasst werden und die daraus resultierenden wichtigen Zuführungsparameter aktiv gesteuert, geregelt und überwacht werden. Außerdem werden die übrigen brennstoffzellen- und/oder lastspezifischen Nebenparameter (7;8;9) an untergeordnete Mess-, Steuer-, Regel- und Überwachungseinheiten (3;4;5) weitergeleitet.

Description

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Anmelder
Cardec Hydrogen Storage GmbH Viktor Kaplan Str.2 2700 Wiener Neustadt
Erfinder
Dipl. Ing, (FH) Peter Bernhard Dipl. Ing. Uz Baumgart Mag. Jürgen Schodl
Beschreibung:
Die Erfindung bezieht sich auf eine Mess-, Steuer-, Regel- und Überwachungseinheit zum zuverlässigen Betrieb eines Brennstoffzcllensystcms, Es handelt sich hierbei um eine:
Vorrichtung und Verfahren zur Messung, Steuerung, Regelung und Überwachung eines Brennstoffzellensystems, welches mit Hilfe von Brennstoff und Oxidator chemische Energie in elektrische Energie umwandelt, dadurch gekennzeichnet, dass die zum Betrieb des Brennstoffzellensystems wichtigen Hauptparameter von einer zentralen Mess-, Steuer-, Regel- und Überwachungseinheit erfasst werden und die daraus resultierenden wichtigen Zuführungsparameter aktiv gesteuert, geregelt und überwacht sowie die übrigen brennstoffzcllen- und/oder lastspezifischen Nebenparameter an untergeordnete Mess-, Steuer-, Regel- und Überwachungseinheiten weitergeleitet werden.
Stand der Technik
Brennstoffzellen wandeln chemische Energie in elektrische Energie um, indem ein Brennstoff, vornehmlich Wasserstoff ensprechende, und ein Oxidator, vornehmlich Luftsauerstoff, eine Elektronenaustauschreaktion an einer Membran durchführen, Brennstoffzellenpatente gibt es zum Beispiel von J. Eberspächer GmbH & Co. KG als Europäisches Patent mit der Nummer EP l 906 478 Al. Derzeit werden Brennstoffzellensysteme mit fest vorgegebenen Betriebsparamelem betrieben. Diese Vorgehensweise ist zum Beispiel in der Offenlegungsschrift DE 101 27 600 Al vom Deutschen Zentrum für Luft- Raumfahrt e.V. zu sehen. Die Parameter des Brennstoffzellensystems sind in diesem Fall für Volllast eingestellt und führen daher bei einer geringeren Last zu einer Verringerung des Wirkungsgrades sowie zu einer Verkürzung der Lebensdauer der Brennstoffzelle.
Aufgabenstellung
Es ist die Aufgabe dieser Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren zu entwickeln, die die Betriebsparameter je nach Laslbereich des Brennstoffzellensystems steuert bzw. regelt. Durch eine aktive Regelung wird die Brennstoffzelle in jedem Betriebszustand immer unter optimalen Bedingungen betrieben. Dieses aktive Regelungsverfahren hat, besonders auf die Lebensdauer der Brennstoffzelle, positive Auswirkungen. Außerdem sollen durch den Einsatz eines Hauptmikrocontrollers, der die Hauptparameter erfasst und die wichtigsten Zuführungsparameter selbst regelt, ein optimaler Betrieb der Brennstoffzelle in allen möglichen Lastfällen gewährleistet werden. Mit Hifle von nachgeordneten Mikrocontrollern sollen die übrigen Parameter des Brennstoffzellensystems gesteuert bzw, geregelt werden. Durch das positionieren der Mikrocontroller direkt an den zu messenden Signalen soll der Messaufwand und somit auch der Messfehler, welcher durch lange Leitungen entsteht oder durch andere äußere Einwirkungen wie z.B. elektromagnetischen Störungen, verringert werden.
Ausführungsbeispiel
Das gezeigte Ausführungsbeispiel zeigt eine Möglichkeit der Umsetzung der Erfindung.
Auf der Zeichnung sieht man ein Modular aufgebautes Mess-, Steuer-, Regel- und Überwachungssystem schematisch dargestellt. 1
Mikrocontrollerregelung (1) zeigt die zentrale Mess-, Steuer-, Regel- und Überwachungseinheit, welche die zum Betrieb des Brennstoffzellensystems wichtigen Hauptparameter erfasst, die wichtigsten Zuführungsparame-ter selbst regelt und weitere untergeordnete Parameter an die nachgeordneten Mikrocontroller weiterleitet.
Mikrocontrollerzentralsteuerung (2) zeigt eine übergeordnete Steuereinheit, die als Schnittstelle zwischen Benutzer und Brennstoffzellensystem dient. Sie schaltet Uber die Steuerleitung “Brennstoffzelle AN/AUS” (10) die Mikrocontrollerregelung (1) und somit das komplette Brennstoffzellcnsystem ein oder aus.
Mikrocontrollerregelung für Luftversorgung (3) zeigt eine Regelungseinheit, die mit Hilfe des Sollwerts “Volumen Luft” (7) von der Mikrocontrollerregelung (1) und mit gegebenenfalls noch anderen selbst gemessenen Parametern die Luftversorgung der Brennstoffzelle regelt.
Mikrocontrollerregelung für Klima (4) zeigt eine Regelungseinheit, die mit Hilfe des Sollwerts “Kühlung” (8) von der Mikrocontrollerregelung (1) und mit gegebenenfalls noch anderen selbst gemessenen Parametern die Kühlung der Brennstoffzelle regelt.
Mikrocontrollerregelung für Energiemanagement (5) zeigt eine Regelungseinheit, die mit Hilfe des Wertes “Last AN/AUS” (9) von der Mikrocontrollerregelung (1) und mit gegebenenfalls noch anderen selbst gemessenen Parametern die Last der Brennstoffzelle bzw. andere Energiespeicher schaltet b2W. regelt.
Bussystem zeigt einen “Bus” (6) der alle Mikrocontroller verbindet und dadurch bewirkt, dass Datenkommunikation zwischen den Kontrollern staufinden kann. 2

Claims (13)

  1. Patentansprüche: Aus obiger Erfindung ergeben sich folgende Patentansprüche: 1. Vorrichtung und Verfahren zur Messung, Steuerung, Regelung und Überwachung eines Brennstoffzellensystems, welches mil Hilfe von Brennstoff und Oxidator chemische Energie in elektrische Energie umwandelt, dadurch gekennzeichnet, dass die zum Betrieb des Brennstoffzellensystcms wichtigen Hauptparameter von einer zentralen Mess-, Steuer-, Regel- und Überwachungseinheit erfasst werden und die daraus resultierenden wichtigen Zuführungsparameter aktiv gesteuert, geregelt und überwacht sowie die übrigen brennstoffzellen- und/oder lastspezifischen Nebenparameter an untergeordnete Mess-, Steuer-, Regel- und Überwachungseinheiten weitergeleitet werden.
  2. 2. Vorrichtung und Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zentrale Mess-, Steuer-, Regel- und Überwachungseinrichtung örtlich möglichst nah an den zu messenden Hauptparametern positioniert ist.
  3. 3. Vorrichtung und Verfahren nach Anspruch 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zu messenden wichtigen Hauptparameter folgende sind: zugeführte Menge Brennstoff, zugeführte Menge Oxidator, Feuchte Oxidator /(Brennstoff), Temperatur Brennstoffzelle, Spannung und Strom der Brennstoffzelle.
  4. 4. Vorrichtung und Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die aktiv geregelten wichtigen Zuführungsparameter der zentralen Mess-, Steuer-, Regel- und Überwachungseinrichtung folgende sind: Zuführung des Brennstoffes, Zuführung des Oxidators.
  5. 5. Vorrichtung und Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die brennstoffzellen-und/oder lastspezifischen Nebenparameter folgende sind: Sollwert “Volumen Luft”, Sollwert “Kühlung” und evtl. “Last AN/AUS”, Sollwert Feuchte.
  6. 6. Vorrichtung und Verfahren nach Anspruch 1 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass die zentrale Mess-, Steuer-, Regel- und Überwachungseinrichtung die Sollgrößen der Nebenparameter digital an die untergeordneten Mess-, Steuer-, Regel- und Überwachungseinheiten sendet.
  7. 7. Vorrichtung und Verfahren nach Anspruch 1 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass die zentrale Mess-, Steuer-, Regel- und Überwachungseinrichtung mittels eines Mikrocontrollers modular realisiert wird.
  8. 8. Vorrichtung und Verfahren nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die untergeordneten Mess-, Steuer-, Regel- und Überwachungseinheiten mittels Mikrocontrollem modular realisiert werden.
  9. 9. Vorrichtung und Verfahren nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die untergeordnete Mess-, Steuer-, Regel- und Überwachungseinheiten örtlich möglichst nah an den zu messenden Nebenparametem positioniert sind.
  10. 10. Vorrichtung und Verfahren nach Anspruch ! bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die zentrale Mess-, Steuer-, Regel- und Überwachungseinrichtung mittels einer übergeordneten modulare aufgebauten Kommunikation sei nheit gesteuert wird.
  11. 11. Vorrichtung und Verfahren nach Anspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass mit Hilfe der übergeordnete modular aufgebaute Kommunikationseinheit mehrere Brennstoffzellensysteme gleichzeitig gesteuert bzw. geregelt werden können.
  12. 12. Vorrichtung und Verfahren nach Anspruch 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die übergeordnete modulare aufgebaute Kommunikationseinheit ebenfalls aus Mikrocontrollern modular aufgebaut ist.
  13. 13. Vorrichtung und Verfahren nach Anspruch 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass alle Mikrocontroller über ein Bussystem miteinander verbunden sind und so eine logische Topologie bilden. 4
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