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DE102004001424A1 - Brennstoffzellenanlage mit einer Kontrolleinheit - Google Patents

Brennstoffzellenanlage mit einer Kontrolleinheit Download PDF

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Abstract

Es wird eine Brennstoffzellenanlage mit einer Kontrolleinheit (3) zum Steuern und/oder Regeln wenigstens einer Brennstoffzelleneinheit (1), wobei die Brennstoffzelleneinheit (1) wenigstens eine von der Kontrolleinheit (3) überwachte Membran umfasst und eine elektrische Last (4) vorgesehen ist, insbesondere ein elektrischer Antriebsmotor und/oder wenigstens ein Bordnetzverbraucher eines Fahrzeugs, vorgeschlagen, wobei die Befeuchtung der Brennstoffzellenmembran verbessert wird. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass die Kontrolleinheit (3) wenigstens eine elektrische Zusatzlast (5, 7) zur zusätzlichen, zumindest von der Befeuchtung der Membran abhängigen Leistungsentnahme von der Brennstoffzelleneinheit (1) aufweist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenanlage mit einer Kontrolleinheit zum Steuern und/oder Regeln wenigstens einer Brennstoffzelleneinheit nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • Als zukünftige Antriebsoptionen und/oder für die Bordnetzversorgung von Fahrzeugen wird vor allem Brennstoffzellen eine große Bedeutung zugesprochen. Die hierbei am häufigsten diskutierte Brennstoffzellenart ist die sogenannte Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle (PEM-BZ), die bei Temperaturen unterhalb von 100° Celsius arbeitet. Darüber hinaus sind auch andere Brennstoffzellenarten gebräuchlich.
  • Zum Beispiel ist der Stromfluss bei PEM-Brennstoffzellen an eine ausreichende Befeuchtung der Membran gebunden. Eine unzureichende Befeuchtung durch ungünstige Betriebsbedingungen führt unweigerlich zu erhöhten Widerständen in der Zelle und kann bei längerer Dauer auch zur Zerstörung der Zelle führen. Die Aufrechterhaltung einer ausreichenden Feuchte in allen Betriebszuständen ist unerlässlich für den effizienten und sicheren Betrieb von Brennstoffzellen.
    •
  • Aufgabe und Vorteile der Erfindung
  • Aufgabe der Erfindung ist es, eine Brennstoffzellenanlage mit einer Brennstoffzelleneinheit vorzuschlagen, bei der die Befeuchtung der Brennstoffzellenmembran verbessert ist.
  • Diese Aufgabe wird, ausgehend von einer Brennstoffzellenanlage der einleitend genannten Art, durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
  • Durch die in den Unteransprüchen genannten Maßnahmen sind vorteilhafte Ausführungen und Weiterbildungen der Erfindung möglich.
  • Dementsprechend zeichnet sich eine erfindungsgemäße Brennstoffzellenanlage dadurch aus, dass die Kontrolleinheit wenigstens eine elektrische Zusatzlast zur zusätzlichen, zumindest von der Befeuchtung der Membran abhängigen Leistungsentnahme bzw. Leistungsabnahme von der Brennstoffzelleneinheit auf weist. Kern des erfindungsgemäßen Gedankens ist es, sich die Erkenntnis in eleganter weise zum Nutzen zu machen, dass die in der Brennstoffzelle stattfindende Wasserproduktion durch die entsprechende elektrochemische Reaktion der Edukte von der tatsächlichen Leistungsabgabe bzw. Leistungsentnahme beeinflusst wird bzw. abhängt. Vorteilhafterweise ist der Betriebspunkt der Brennstoffzelleneinheit mit Hilfe der erfindungsgemäßen elektrischen Zusatzlast verschiebbar, so dass der Hydratisierungszustand der Membran in vorteilhafter Weise aufrechterhalten wird.
  • Generell kann die Befeuchtung der Brennstoffzellenmembran auch mittels der in die Brennstoffzelle einströmenden Edukte beeinflusst werden. Dies kann z.B. in Kombination zur erfindungsgemäßen Verwendung der elektrischen Zusatzlast vorgesehen werden. Die Veränderung des Feuchtegrades der Membran mit Hilfe der elektrischen Zusatzlast gemäß der Erfindung ist im Vergleich zur Beeinflussung des Feuchtegrades der Membran durch eine Veränderung der Wasserzufuhr mit Hilfe der Edukte entscheidend schneller und effizienter. Dies ist gerade bei hohen dynamischen Veränderungen bzw. Anforderungen an die Brennstoffzelleneinheit wie beispielweise bei Fahrzeuganwendungen oder dergleichen ganz besonders von Vorteil.
  • Vorteilhafterweise wird bei einer unzureichenden Befeuchtung der Brennstoffzellenmembran gemäß der Erfindung mit Hilfe der elektrischen Zusatzlast die Brennstoffzelleneinheit mit vergleichsweise hohen elektrischen Leistungs- bzw. Stromdichten betrieben. Aufgrund des Zusammenhangs der Brennstoffzellenspannung mit der Stromdichte wird die Erhöhung der Leistungsdichte vor allem durch die Entnahme eines vergleichsweise großen Stromes realisiert. Das heißt, dass der Betriebspunkt der Brennstoffzelleneinheit vor allem durch eine Verschiebung bzw. Erhöhung der Stromdichte der Brennstoffzelleneinheit verändert wird.
  • Beispielweise wird beim Feststellen eines vergleichsweise schlechten Hydratisierungsgrades der Membran, z.B. über eine Zellüberwachung, Impedanzmessung oder dergleichen, der Wasserhaushalt der Membran dadurch verbessert, dass gegebenenfalls kurzzeitig ein erhöhter elektrischer Strom der Brennstoffzelleneinheit entnommen und somit intern eine vorteilhaft erhöhte Menge an Wasser gebildet wird.
  • Vorzugsweise werden in diesem Fall auch die entsprechenden Medienströme der Edukte bzw. Produkte der erhöhten Lastanforderung unter anderem mit Hilfe der Kontrolleinheit angepasst. Diese Anpassung ist jedoch vergleichsweise einfach zu realisieren.
  • Möglicherweise kann die zusätzliche Lastentnahme aus der Brennstoffzelleneinheit durch die elektrische Zusatzlast im wesentlichen direkt verbraucht bzw. umgesetzt werden. Beispielsweise kann die Leistungsabnahme unmittelbar in Wärmeenergie und/oder eine andere Energieform umgesetzt werden. Diese Wärmeenergie kann gegebenenfalls zum Heizen einzelner Komponenten der Brennstoffzellenanlage und/oder zum Heizen des Fahrzeuginnenraums oder dergleichen verwendet werden.
  • Darüber hinaus ist denkbar, dass vor allem in dem Fall, bei dem gerade keine Wärmeenergie vom Gesamtsystem benötigt wird, mit Hilfe einer vorteilhaften Kühlvorrichtung oder dergleichen die Wärmeenergie an die Umgebung abgegeben wird.
  • Vorzugsweise ist eine Zwischenspeicherung der zusätzlichen Leistungsentnahme von der Brennstoffzelleneinheit vorgesehen. Beispielsweise umfasst die Zusatzlast wenigstens einen Zwischenspeicher zur Zwischenspeicherung der zusätzlichen Leistungsentnahme von der Brennstoffzelleneinheit. Einerseits kann es sich hierbei um einen thermischen Zwischenspeicher und/oder andererseits um einen elektrischen Zwischenspeicher zur Zwischenspeicherung von elektrischer Energie handeln. Bei der zuletzt genannten Variante der Erfindung ist in vorteilhafter Weise der Zwischenspeicher als elektrischer Akkumulator, elektrische Batterie und/oder elektrische Kondensatoreinheit, insbesondere als sogenannte Superkondensatoreinheit, ausgebildet. Hierbei kann in vorteilhafter Weise auf bereits handelsübliche Zwischenspeicher zurückgegriffen werden, was insbesondere eine wirtschaftlich besonders günstige Realisierung der erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanlage zur Folge haben kann.
  • In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist die Kontrolleinheit wenigstens eine elektrische Wandlervorrichtung zur Änderung der Leistungsentnahme von der Brennstoffzelleneinheit auf. Mit Hilfe dieser Maßnahme kann eine vorteilhafte Änderung der Leistungsentnahme in Abhängigkeit der erforderlichen bzw. veränderlichen Wassererzeugung an der Membran umgesetzt werden. Beispielsweise kann für die Dauer des Zuschaltens der elektrischen Zusatzlast ein veränderbarer, erhöhter Strom im Brennstoffzellenstack fließen. Hiermit kann der Hydratisierungsgrad der Membran an unterschiedlichste Betriebszustände vorteilhaft angepasst werden.
  • In einer besonderen Weiterbildung der Erfindung ist die Wandlervorrichtung als DC/DC-Wandler ausgebildet. Mit Hilfe eines entsprechenden DC/DC-Wandlers wird beispielsweise die Abnahme unterschiedlicher Leistungen in vorteilhafter Weise erreichbar, z.B. durch eine Variierung der Impulsbreite und/oder der Periodendauer des entsprechenden Signals. Im erstgenannten Fall wird im Allgemeinen von einer sogenannten Pulsbreitenmodulation (PWM) und im zweitgenannten Fall von einer sogenannten Frequenzmodulation (FM) in Fachkreisen gesprochen. In beiden Fällen wird durch die entsprechende Variierung eine Änderung des Mittel- wie auch des Effektivwertes des entsprechenden Signals erreicht, was gemäß der Erfindung zur Veränderung der Leistungsabgabe aus der Brennstoffzelleneinheit verwendet wird. Möglicherweise kann auf bereits handelsübliche DC/DC-Wandler zurückgegriffen werden, was eine wirtschaftlich besonders günstige Realisierung der Erfindung ermöglicht.
  • Alternativ oder in Kombination zur zuvor genannten Variante mit einem DC/DC-Wandler kann die Zusatzlast wenigstens einen elektrischen Widerstand umfassen. Beispielsweise kann ein entsprechender widerstand mit Hilfe eines vorteilhaften, insbesondere durch die Kontrolleinheit ansteuerbaren elektrischen Schalters angesteuert werden. Möglicherweise kann ein kontrolliert veränderbarer, elektrischer Widerstand verwendet werden. Dies sind konstruktiv besonders einfache Ausführungsformen der Erfindung, um der Brennstoffzelleneinheit eine größere Leistung bzw. einen größeren Strom zu entziehen.
  • Generell ist festzustellen, dass gemäß der Erfindung mit Hilfe der elektrischen Zusatzlast eine Leistung der Brennstoffzelleneinheit entnommen wird, die im Allgemeinen über der im jeweiligen Betriebszustand der Anlage tatsächlich benötigten Leistung liegt.
  • Vorzugsweise wird die überschüssige, von der Brennstoffzelleneinheit zusätzlich erzeugte Leistung in sinnvoller Weise im System eingesetzt. Beispielsweise wird diese elektrische Leistung bzw. Energie mittels vorteilhafter Vorrichtungen zwischengespeichert. Gerade durch die Zwischenspeicherung kann in besonderen Betriebszuständen des Gesamtsystems, insbesondere bei Spitzenlastanforderungen oder dergleichen, zusätzliche Energie aus dem Zwischenspeicher in vorteilhafter Weise freigesetzt bzw. verwendet werden, so dass eine vorteilhafte, möglicherweise kleinere Dimensionierung einzelner Komponenten des Systems realisierbar ist. Dies kann dazu führen, dass Spitzenlastanforderungen insbesondere an die Brennstoffzelleneinheit entsprechend vorteilhaft abgepuffert werden können.
  • Vorzugweise ist zwischen der elektrischen Last und dem Zwischenspeicher wenigstens eine Zufuhrleitung zur Zuführung der zwischengespeicherten Energie zur Last angeordnet. Hiermit wird in bestimmten Betriebszuständen mit vergleichsweise hoher Lastanforderung die zwischengespeicherte Energie der elektrischen Last besonders einfach zuführbar.
    •
  • Ausführungsbeispiel
  • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird anhand der Figuren nachfolgend näher erläutert.
  • Im Einzelnen zeigt:
  • 1 ein schematisches Blockschaltbild einer ersten Variante der Erfindung,
  • 2 ein schematisches Blockschaltbild einer zweiten Variante der Erfindung und
  • 3 eine schematische Stromdichte-Spannungs-Kennlinie einer Brennstoffzelleneinheit.
  • In 1 und 2 ist jeweils schematisch ein Ausschnitt einer Brennstoffzellenanlage in Blockschaltbilddarstellung aufgeführt. Eine Brennstoffzelle 1 wird von einer Überwachung 2 überwacht. Die Überwachung 2, insbesondere eine Impedanzspektroskopieanlage, eine Diagnoseeinheit, die z.B. nach dem State of Function-Prinzip arbeitet, oder dergleichen, übermittelt einem Steuergerät 3 den Zustand der Brennstoffzelle 1 bzw. vorteilhafte Parameter der Brennstoffzelle 1, wie z.B. den Hydratisierungsgrad einer Membran der Brennstoffzelleneinheit 1. Die Sensierung des Zustands fehlenden Wassers in der Brennstoffzelle 1 kann unter anderem bei ausgewählten Lastzuständen beispielsweise durch Abgleich mit hinterlegten Kennlinien oder durch Ermittlung des Hochfrequenzwiderstandes erfolgen. Hierzu sind gemäß dem Stand der Technik bereits vielfältigste Methoden bzw. Strategien bekannt.
  • Bei der ersten Variante der Erfindung gemäß 1 führt die Brennstoffzelle 1 ihre Leistung an eine elektrische Last 4 über einen DC/DC-Wandler 5 ab. Über eine Verzweigung 6, die zwischen der Brennstoffzelle 1 bzw. dem DC/DC-Wandler 5 und der elektrischen Last 4 angeordnet ist, ist die Brennstoffzelle 1 zudem auch mit einer Batterie 7 verbunden.
  • In 2 ist eine zweite Variante der Erfindung dargestellt, wobei die Brennstoffzelle 1 über die Verzweigung 6 und einem ansteuerbaren Schalter 8 sowie einem elektrischen Widerstand 9 mit der Batterie 7 verbunden ist.
  • Das Steuergerät 3 ist gemäß 1 mit dem DC/DC-Wandler 5 und gemäß 2 mit dem Schalter 8 derart verbunden, dass dieses 3 die entsprechende Komponenten 5, 8 beeinflussen bzw. kontrollieren kann.
  • In 3 ist schematische ein Diagramm abgebildet, wobei eine Spannung U der Brennstoffzelle 1 in Abhängigkeit einer elektrischen Stromdichte [A/cm–2] (Strom pro Fläche) dargestellt ist. Ein erster Betriebspunkt 12 der Brennstoffzelle 1 befindet sich in einem Bereich 10, bei dem vergleichsweise wenig Wasser intern produziert wird. Ein zweiter Betriebspunkt 13 befindet sich in einem zweiten Bereich 11, bei dem vergleichsweise viel Wasser intern produziert wird. Die Erfindung macht sich in eleganter Weise mit Hilfe der Zusatzlast zunutze, dass beispielsweise durch die Verschiebung des Betriebspunkts vom Punkt 12 zum Punkt 13 die interne Wasserproduktion der Brennstoffzelle 1 kurzfristig deutlich erhöht werden kann. Dies führt zu einer besonders schnellen bzw. ausgiebigen Befeuchtung der Membran.
  • Die Erhöhung der internen Wasserproduktion der Brennstoffzelle 1 erfolgt bei der Variante gemäß 1 derart, dass das Steuergerät den DC/DC-Wandler 5 so ansteuert, dass dieser die Leistungsentnahme aus der Brennstoffzelle 1 erhöht. Dies erfolgt beispielsweise durch eine Veränderung der Impulsbreite und/oder der Periodendauer des elektrischen Parameters. Das heißt, einerseits durch eine sogenannte Pulsbreitenmodulation (PPM) und andererseits durch eine sogenannte Frequenzmodulation (FM). Die überschüssige, abfließende elektrische Leistung, die von der elektrischen Last 4 nicht benötigt wird, wird gemäß 1 der Batterie 7 zur Zwischenspeicherung zugeführt.
  • Entsprechend der Variante gemäß 1 ist bei der Variante gemäß 2 vorgesehen, dass das Steuergerät 3 den Schalter 8 schließen kann, so dass über den Widerstand 9 elektrischer Strom bzw. Leistung der Batterie 7 zugeführt wird. Dies führt gemäß der Erfindung zu einer erhöhten Leistungsentnahme aus der Brennstoffzelle 1.
  • In den zuvor genannten Varianten ist die von der Brennstoffzelle 1 abfließende elektrische Leistung, z.B. im Betriebspunkt 13, größer als die in dem jeweiligen Betriebszustand, z.B. Betriebspunkt 12, der Anlage tatsächlich benötigte Leistung. Das Problem, dass die Membran teilweise austrocknen bzw. ein zu geringer Hydratisierungsgrad der Membran entstehen kann, ist beispielsweise bei längerem Kleinst- bzw. Teillastbetrieb möglich, wie dies der Betriebspunkt 12 symbolisieren soll.
  • Generell kann ein vorteilhafter Wasserhaushalt der Brennstoffzelleneinheit 1 gemäß der Erfindung für beliebige Betriebszustände bzw. Betriebsmodi garantiert werden.
  • Grundsätzlich kann eine Brennstoffzellenanlage gemäß der Erfindung sowohl für Fahrzeuge aller Art, insbesondere für Personen- oder Nutzkraftwagen, als auch für stationäre Anlagen wie Energiezentralen oder dergleichen verwendet werden.
    • 1
    Brennstoffzelle
    2
    Überwachung
    3
    Steuergerät
    4
    Last
    5
    DC/DC-Wandler
    6
    Verzweigung
    7
    Batterie
    8
    Schalter
    9
    Widerstand
    10
    Bereich
    11
    Bereich
    12
    Betriebspunkt
    13
    Betriebspunkt
    F
    Fläche
    I
    Strom
    U
    Spannung

Claims (10)

  1. Brennstoffzellenanlage mit einer Kontrolleinheit (3) zum Steuern und/oder Regeln wenigstens einer Brennstoffzelleneinheit (1), wobei die Brennstoffzelleneinheit (1) wenigstens eine von der Kontrolleinheit (3) überwachte Membran umfasst und eine elektrische Last (4) vorgesehen ist, insbesondere ein elektrischer Antriebsmotor und/oder wenigstens ein Bordnetzverbraucher eines Fahrzeugs, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontrolleinheit (3) wenigstens eine elektrische Zusatzlast (5, 7, 9) zur zusätzlichen, zumindest von einer Befeuchtung der Membran abhängigen Leistungsentnahme von der Brennstoffzelleneinheit (1) aufweist.
  2. Brennstoffzellenanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusatzlast (5, 7, 9) wenigstens einen Zwischenspeicher (7) zur Zwischenspeicherung der zusätzlichen Leistungsentnahme von der Brennstoffzelleneinheit (1) umfasst.
  3. Brennstoffzellenanlage nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zwischenspeicher (7) als elektrischer Akkumulator (7), elektrische Batterie (7) und/oder Kondensatoreinheit ausgebildet ist.
  4. Brennstoffzellenanlage nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontrolleinheit (3) wenigstens eine elektrische Wandlervorrichtung (5, 9) zur Änderung der Leistungsentnahme von der Brennstoffzelleneinheit aufweist.
  5. Brennstoffzellenanlage nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandlervorrichtung (5, 9) als DC/DC-Wandler (5) ausgebildet ist.
  6. Brennstoffzellenanlage nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusatzlast (5, 7, 9) wenigstens einen elektrischen Widerstand (9) umfasst.
  7. Brennstoffzellenanlage nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der elektrischen Last (4) und dem Zwischenspeicher (7) wenigstens eine Zufuhrleitung (6) zum Zuführen der zwischengespeicherten Energie zur Last (4) angeordnet ist.
  8. Brennstoffzellenanlage nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontrolleinheit (3) derart ausgebildet ist, dass die Zuführung der zwischengespeicherten Energie vom Zwischenspeicher (7) zur Last (4) in Abhängigkeit der Befeuchtung der Membran erfolgt.
  9. Fahrzeug, insbesondere Pkw oder Nkw, mit einer Brennstoffzellenanlage, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzellenanlage nach einem der vorgenannten Ansprüche ausgebildet ist.
  10. Energiezentrale, insbesondere BHKW, mit einer Brennstoffzellenanlage, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzellenanlage nach einem der vorgenannten Ansprüche ausgebildet ist.
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