DE102021132603B4

DE102021132603B4 - Methods for optimizing operating parameters and arrangement

Info

Publication number: DE102021132603B4
Application number: DE102021132603.6A
Authority: DE
Inventors: Kai Müller; Moritz Mühl
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2021-12-10
Filing date: 2021-12-10
Publication date: 2026-01-15
Anticipated expiration: 2041-12-11
Also published as: DE102021132603A1

Abstract

Verfahren zur Optimierung der Betriebsparameter einer Anordnung mit einem ersten Brennstoffzellensystem und mit einem zweiten Brennstoffzellensystem, die jeweils einen Brennstoffzellenstapel aufweisen, umfassend die Schritte:
a. Betrieb der Anordnung in einem Teillastbereich (S1),
b. Bereitstellung der Leistung für den Teillastbereich durch das zweite Brennstoffzellensystem (S2),
c. Ermittlung eines ersten Leistungswert_maxη (1), bei dem der Wirkungsgrad des ersten Brennstoffzellensystems maximal ist, indem die Leistung des ersten Brennstoffzellensystems ausgehend von einer Leerlaufspannung (2) erhöht wird bis der Wirkungsgrad des ersten Brennstoffzellensystems maximal ist (S3),
d. Nutzung des so gewonnenen ersten Leistungswert_maxη (1) für die zukünftige Aufteilung der Leistung auf die Brennstoffzellensysteme (S4). Method for optimizing the operating parameters of an arrangement with a first fuel cell system and with a second fuel cell system, each having a fuel cell stack, comprising the steps:
a. Operation of the arrangement in a partial load range (S1),
b. Provision of power for the partial load range by the second fuel cell system (S2),
c. Determination of a first power value _maxη (1) at which the efficiency of the first fuel cell system is maximal by increasing the power of the first fuel cell system starting from an open-circuit voltage (2) until the efficiency of the first fuel cell system is maximal (S3),
d. Use of the first power value obtained thus _maxη (1) for the future distribution of power to the fuel cell systems (S4).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Optimierung der Betriebsparameter einer Anordnung mit einem ersten Brennstoffzellensystem und mit einem zweiten Brennstoffzellensystem, die jeweils einen Brennstoffzellenstapel ausweisen. Das Verfahren betrifft darüber hinaus eine Anordnung mit einem ersten Brennstoffzellensystem und mit mindestens einem zweiten Brennstoffzellensystem, die jeweils einen Brennstoffzellenstapel mit einer Mehrzahl von Brennstoffzellen aufweisen.The invention relates to a method for optimizing the operating parameters of an arrangement comprising a first fuel cell system and a second fuel cell system, each comprising a fuel cell stack. The method further relates to an arrangement comprising a first fuel cell system and at least one second fuel cell system, each comprising a fuel cell stack with a plurality of fuel cells.

Brennstoffzellen nutzen die chemische Umsetzung eines Brennstoffs mit Sauerstoff zu Wasser, um elektrische Energie zu erzeugen. Sie weisen eine Anode und eine Kathode auf, die durch eine Polymerelektrolytmembran oder einen Elektrolyten gasdicht voneinander getrennt und elektrisch isoliert sind. Im Betrieb wird der Anode ein Brennstoff, beispielsweise Wasserstoff, und der Kathode ein sauerstoffhaltiges Gas, beispielsweise Luft, zugeführt. An der Anode findet eine elektrochemische Oxidation des Brennstoffs, beispielsweise zu Protonen H⁺ unter Abgabe von Elektronen statt. Die Elektronen werden durch einen äußeren Stromkreis abgeleitet und fließen über einen elektrischen Verbraucher, beispielsweise einen Elektromotor, zur Kathode. An der Kathode erfolgt die Reduktion des Sauerstoffs zu O^2-. Ein bei den Brennstoffzellreaktionen erzeugtes mobiles Ion, beispielsweise H⁺, H₃O⁺ oder O^2-, diffundiert über den Elektrolyten in den benachbarten Elektrodenraum. Im Falle von mit Wasserstoff betriebenen Brennstoffzellen stellen Protonen die mobilen Ionen dar, die zur Kathode diffundieren und dort mit den Sauerstoffanionen zu Wasser reagieren. Es sind verschiedene Typen von Brennstoffzellen bekannt, die unterschiedliche Brennstoffe nutzen und sich in ihrem Aufbau unterscheiden. So nutzen beispielsweise Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen (PEMFC) und Phosphorsäure-Brennstoffzellen (PAFC) Wasserstoff, Direktmethanol-Brennstoffzellen (DMFC) Methanol und Festoxid-Brennstoffzellen (SOFC) wahlweise Wasserstoff, Methanol, Kohlenmonoxid oder Synthesegas. Bei Letzteren wird der in der Brennstoffzelle umgesetzte Brennstoff in der Regel durch einen vorgeschalteten Reformer aus Kohlenwasserstoffen, beispielsweise CNG (compressed natural gas) erzeugt.Fuel cells utilize the chemical reaction of a fuel with oxygen to produce water, thereby generating electrical energy. They consist of an anode and a cathode, which are separated and electrically insulated by a polymer electrolyte membrane or an electrolyte. During operation, a fuel, such as hydrogen, is supplied to the anode, and an oxygen-containing gas, such as air, is supplied to the cathode. At the anode, the fuel undergoes electrochemical oxidation, for example, to protons (H ⁺⁾ , releasing electrons. These electrons are conducted through an external circuit and flow to the cathode via an electrical load, such as an electric motor. At the cathode, the oxygen is reduced to ^O2- . A mobile ion generated during the fuel cell reactions, such as H ⁺ , _H3O ⁺ , or ^O2- , diffuses through the electrolyte into the adjacent electrode compartment. In the case of hydrogen-powered fuel cells, protons are the mobile ions that diffuse to the cathode and react there with the oxygen anions to form water. Several types of fuel cells exist, utilizing different fuels and differing in their design. For example, polymer electrolyte membrane fuel cells (PEMFCs) and phosphoric acid fuel cells (PAFCs) use hydrogen, direct methanol fuel cells (DMFCs) use methanol, and solid oxide fuel cells (SOFCs) can use hydrogen, methanol, carbon monoxide, or synthesis gas. In the latter, the fuel used in the fuel cell is typically produced from hydrocarbons, such as compressed natural gas (CNG), by an upstream reformer.

Brennstoffzellensysteme, insbesondere im Nutzfahrzeugbereich sind häufig als sogenannte Multisysteme ausgebildet, d. h. es werden eine Mehrzahl von Brennstoffzellensysteme parallel verschaltet. Dabei wird zu Betriebsbeginn für jedes der Brennstoffzellensysteme der Bestpunkt der Leistung, also derjenige Leistungswert, bei dem der Wirkungsgrad maximal ist, bestimmt und das Brennstoffzellensystem bei oder im Bereich dieses Punktes/Werts betrieben. Dieser Leistungswert kann sich im Laufe des Betriebs, aufgrund von Bauteilstreuung, oder Alterung ändern, so dass das Brennstoffzellensystem und damit die Anordnung ineffizienter wird. Der Bestpunkt/maximale Leistungswert kann sich dabei asynchron für jedes Brennstoffzellensystem der Anordnung ändern.Fuel cell systems, particularly in commercial vehicles, are often designed as so-called multi-systems, meaning that several fuel cell systems are connected in parallel. At the start of operation, the optimal performance point—the power output at which efficiency is maximized—is determined for each fuel cell system, and the system is operated at or near this point/value. This power output can change during operation due to component variations or aging, making the fuel cell system, and therefore the entire configuration, less efficient. The optimal performance point/maximum power output can change asynchronously for each fuel cell system in the configuration.

Die WO 2004 059 767 A2 offenbart eine Energieerzeugungs-Steuersystem einer Brennstoffzelle, welche eine Funktion zum Erlernen von Brennstoffzellenleistungscharakteristika aufweist. Auch das in der DE 10 336 743 A1 offenbarte Steuersystem offenbart ein Lernschema um systematische Fehler oder Tendenzen aufgrund von Alterung oder Fertigungsschwankungen zu kompensieren. In der DE 103 32 336 A1 ist ein Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenvorrichtung mit mehreren Brennstoffmodulen gezeigt, bei dem eine Regelungseinrichtung in Abhängigkeit des Wirkungsgrades der eine Last speisenden Brennstoffzellenmodule zumindest ein weiteres Brennstoffzellenmodul zuschaltet oder abschaltet. Die DE 10 2018 218 086 A1 offenbart ein Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenvorrichtung mit mehreren Brennstoffzellenstapel, welche selektiv aktivierbar oder deaktivierbar sind. Es werden Leistungsdaten jedes einzelnen Brennstoffzellenstapels erfasst und anhand der erfassten Leistungsdaten der Degradationsgrad bestimmt. Bei einer gesteigerten Lastanforderung wird der Brennstoffzellenstapel mit dem geringsten Degradationsgrad aktiviert. Eine Brennstoffzellenvorrichtung mit einer Mehrzahl von Brennstoffzellenstapel ist auch in der US 2008/0166604 A1 beschrieben, bei der Betriebsdaten erfasst und einem Modellrechner zur Verfügung gestellt werden, der in Echtzeit die Betriebscharakteristika modelliert und den Betrieb der Brennstoffzellenvorrichtung anpasst. Die CN 111755719 A offenbart ein Verfahren zur Leistungsverteilung bei einer Brennstoffzellencluster, wobei zunächst ein Brennstoffzellenstapel gestartet wird und bei Erreichen eines Grenzwertes für eine Lastanforderung ein weiterer Brennstoffzellenstapel gestartet wird, um die Last über alle gestarteten Brennstoffzellenstapel zu verteilen. Dieser Schritt wird bedarfsweise wiederholt. Aus der CN 108987770 A ist es bekannt, bei einer Brennstoffzellenvorrichtung mit einer Mehrzahl von Brennstoffzellenstapeln den Wirkungsgrad eines Brennstoffzellenstapels theoretisch zu bestimmen und das Verhältnis zwischen dem Wirkungsgrad und der Leistungsabgabe zu analysieren.The WO 2004 059 767 A2 reveals an energy generation control system of a fuel cell, which has a function for learning fuel cell performance characteristics. Also, the one in the DE 10 336 743 A1 The revealed control system demonstrates a learning scheme to compensate for systematic errors or tendencies due to aging or manufacturing variations. In the DE 103 32 336 A1 A method for operating a fuel cell device with multiple fuel modules is shown, in which a control device switches on or off at least one further fuel cell module depending on the efficiency of the fuel cell modules supplying a load. DE 10 2018 218 086 A1 Disclosed is a method for operating a fuel cell device with multiple fuel cell stacks, which can be selectively activated or deactivated. Performance data for each individual fuel cell stack are recorded, and the degree of degradation is determined based on this data. When the load demand increases, the fuel cell stack with the lowest degree of degradation is activated. A fuel cell device with a plurality of fuel cell stacks is also available in the US 2008/0166604 A1 described, in which operating data is recorded and made available to a model computer that models the operating characteristics in real time and adjusts the operation of the fuel cell device. CN 111755719 A Disclosing a method for power distribution in a fuel cell cluster, wherein a fuel cell stack is initially started and, upon reaching a load requirement threshold, another fuel cell stack is started to distribute the load across all started fuel cell stacks. This step is repeated as needed. From the CN 108987770 A It is known to theoretically determine the efficiency of a fuel cell stack in a fuel cell device with a plurality of fuel cell stacks and to analyze the relationship between the efficiency and the power output.

Sind die Bestpunkte für die Leistung beim maximalen Systemwirkungsgrad nicht bekannt, so führt dies zu einem höheren Brennstoffverbrauch und verschlechtert die Effektivität der Betriebsstrategie der Anordnung.If the optimal performance points for maximum system efficiency are unknown, this leads to higher fuel consumption and worsens the effectiveness of the arrangement's operating strategy.

Daher ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Optimierung der Betriebsparameter einer Anordnung sowie eine Anordnung bereitzustellen, die effektiver betrieben werden kann.Therefore, the object of the present invention is to provide a method for optimizing the operating parameters of an arrangement and an arrangement that can be operated more effectively.

Die das Verfahren betreffende Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst und die die Anordnung betreffende Aufgabe wird durch eine Anordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.The problem relating to the method is solved by a method having the features of claim 1, and the problem relating to the arrangement is solved by an arrangement having the features of claim 10. Advantageous embodiments with expedient further developments of the invention are specified in the dependent claims.

Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst insbesondere die folgenden Schritte:

a. Betrieb der Anordnung in einem Teillastbereich,
b. Bereitstellung der Leistung für den Teillastbereich, insbesondere alleine, durch das zweite Brennstoffzellensystem,
c. Ermittlung eines ersten Leistungswerts_maxη bei dem der Wirkungsgrad des ersten Brennstoffzellensystems maximal ist, indem die Leistung des ersten Brennstoffzellensystems ausgehend von einer Leerlaufspannung erhöht wird, bis der Wirkungsgrad des ersten Brennstoffzellensystems maximal ist,
d. Nutzung des so gewonnenen ersten Leistungswerts_maxη für die zukünftige Aufteilung der Leistung auf die Brennstoffzellensysteme.

The method according to the invention comprises in particular the following steps:

a. Operation of the arrangement in a partial load range,
b. Provision of power for the partial load range, in particular solely, by the second fuel cell system,
c. Determination of a first power value _maxη at which the efficiency of the first fuel cell system is at its maximum, by increasing the power of the first fuel cell system starting from an open-circuit voltage until the efficiency of the first fuel cell system is at its maximum.
d. Use of the first power value _maxη thus obtained for the future distribution of power to the fuel cell systems.

Dies ermöglicht den Bestpunkt, also den Leistungswert_maxη für das erste Brennstoffzellensystem während des Betriebs der Anordnung zu bestimmen, und damit eine Änderung des Bestpunkts des Brennstoffzellensystems zu detektieren. Ein Steuergerät kann dann diesen neuen Bestpunkt bei der Aufteilung der zukünftigen Leistung auf die Brennstoffzellensysteme nutzen, um sie bei oder im Bereich ihres maximalen Leistungswerts/Bestpunkts operieren zu lassen. Dies erhöht die Effizienz, mit der das erste Brennstoffzellensystem und damit die Anordnung betrieben werden kann. Dies führt zusätzlich zu einer Verringerung des Brennstoffverbrauchs. Das Brennstoffzellensystem kann dabei auch mehr als zwei Brennstoffzellensysteme aufweisen.This allows the optimal operating point, i.e., the maximum power value _(maxη) for the first fuel cell system to be determined during operation of the arrangement, and thus any change in the fuel cell system's optimal operating point to be detected. A control unit can then use this new optimal operating point when distributing future power among the fuel cell systems, enabling them to operate at or near their maximum power value/optimal operating point. This increases the efficiency with which the first fuel cell system, and therefore the arrangement as a whole, can be operated. This also leads to a reduction in fuel consumption. The fuel cell system can also comprise more than two fuel cell systems.

Zur weiteren Effizienzsteigerung ist insbesondere von Vorteil, wenn das Verfahren noch die zusätzlichen Schritte umfasst:

e. Bereitstellung der Leistung für den Teillastbereich, insbesondere alleine, durch das erste Brennstoffzellensystem,
f. Ermittlung eines zweiten Leistungswerts_maxη, bei dem der Wirkungsgrad des zweiten Brennstoffzellensystems maximal ist, indem die Leistung des zweiten Brennstoffzellensystems ausgehend von einer Leerlaufspannung erhöht wird, bis der Wirkungsgrad des zweiten Brennstoffzellensystems maximal ist,
g. Nutzung des so gewonnenen zweiten Leistungswerts_maxη für die zukünftige Aufteilung der Leistung auf die Brennstoffzellensysteme.

To further increase efficiency, it is particularly advantageous if the process also includes the following additional steps:

e. Provision of power for the partial load range, in particular by the first fuel cell system alone,
f. Determination of a second power value _maxη , at which the efficiency of the second fuel cell system is at its maximum, by increasing the power of the second fuel cell system starting from an open-circuit voltage until the efficiency of the second fuel cell system is at its maximum,
g. Use of the second power value _maxη thus obtained for the future distribution of power to the fuel cell systems.

Dies ermöglicht während des Betriebs der Anordnung auch den Bestpunkt, also den zweiten maximalen Leistungswert des zweiten Brennstoffzellensystems zu ermitteln und bei der Aufteilung der Leistung auch die beiden Brennstoffzellensysteme zu berücksichtigen.This also makes it possible to determine the best point, i.e., the second maximum power value of the second fuel cell system, during operation of the arrangement and to take both fuel cell systems into account when distributing the power.

Hierdurch wird eine Effizienzsteigerung der Anordnung ermöglicht, da auch asynchrone Veränderungen des Bestpunkt der verschiedenen Brennstoffzellensysteme detektiert und bei der Leistungsaufteilung berücksichtigt werden können. Dies führt zusätzlich zu einer Verringerung des Brennstoffverbrauchs.This enables an increase in the efficiency of the arrangement, as even asynchronous changes in the optimal operating point of the various fuel cell systems can be detected and taken into account when distributing power. This also leads to a reduction in fuel consumption.

Insbesondere ist es von Vorteil, wenn die Ermittlung des Leistungswerts_maxη wiederholt im Teillastbetrieb erfolgt. Das heißt es ist insbesondere bevorzugt, wenn die Ermittlung des ersten Leistungswerts_maxη und/oder des zweiten maximalen Leistungswerts in regelmäßigen Abständen erfolgt, insbesondere abwechselnd.It is particularly advantageous if the determination of the power value _maxη is carried out repeatedly under partial load. This means it is especially preferred if the determination of the first power value _maxη and/or the second maximum power value is carried out at regular intervals, particularly alternately.

Unter dem Teillastbereich wird dabei insbesondere verstanden, dass die an die Anordnung eine Lastanforderung im Bereich von 20 % bis 70 %, bevorzugt bei 30 % bis 70 % und ganz besonders bevorzugt bei 40 % bis 50 % der maximalen Lastanforderung gestellt ist.The partial load range is understood in particular to mean that the arrangement is subject to a load requirement in the range of 20% to 70%, preferably 30% to 70% and most preferably 40% to 50% of the maximum load requirement.

Im Rahmen des Verfahrens ist es von Vorteil, wenn das Steuergerät, die bei der Ermittlung des maximalen Leistungswerts des einen der Brennstoffzellensysteme erzeugte Mehrleistung mit einer Reduzierung der Leistungsanforderung an das andere der Brennstoffzellensysteme ausgleicht. Alternativ ist es auch bevorzugt, wenn das Steuergerät, die bei der Ermittlung des Leistungswerts_maxη des einen der Brennstoffzellensysteme erzeugte Mehrleistung an einen Energiespeicher abführt. In diesem Fall wird die Bereitstellung der Leistung für den Teillastbereich ausschließlich durch dasjenige Brennstoffzellensystem bereitgestellt, dessen Leistungswert_maxη nicht ermittelt wird. Die so im Energiespeicher gespeicherte Energie, kann für andere Komponenten innerhalb der Anordnung verwendet werden.Within the framework of this method, it is advantageous if the control unit compensates for the excess power generated when determining the maximum power value of one of the fuel cell systems by reducing the power demand on the other fuel cell system. Alternatively, it is also preferred if the control unit diverts the excess power generated when determining the maximum power value _(maxη) of one of the fuel cell systems to an energy storage device. In this case, the power supply for the partial load range is provided exclusively by the fuel cell system whose maximum power value _(maxη) is not being determined. The energy thus stored in the energy storage device can be used for other components within the arrangement.

Um die Anordnung besonders effizient betreiben zu können, ist es bevorzugt, wenn das Steuergerät zusätzlich die Betriebsdauer der jeweiligen Brennstoffzellensysteme bei der zukünftigen Aufteilung der Leistung auf die Brennstoffzellensysteme berücksichtigt. So kann beispielsweise dasjenige Brennstoffzellensystem, dessen Gesamtbetriebsdauer geringer ist, ein höherer Anteil der Leistung zugeordnet werden.In order to operate the arrangement particularly efficiently, it is preferable if the control unit also determines the operating time of the respective fuel cell systems in the future. The distribution of power across the fuel cell systems is taken into account. For example, a higher proportion of the power can be allocated to the fuel cell system with a shorter total operating time.

Alternativ oder zusätzlich ist es bevorzugt, wenn das Steuergerät zusätzlich die Anzahl der Luft/Luft-Starts bei der zukünftigen Aufteilung der Leistung auf die Brennstoffzellensysteme berücksichtigt. Dies bedeutet das, insbesondere dasjenige Brennstoffzellensystem, welches eine größere Anzahl an Luft/Luft-Starts und somit eine höhere Alterung aufweist, einen geringeren Anteil der Leistung durch das Steuergerät zugeordnet bekommt.Alternatively or additionally, it is preferable for the control unit to also consider the number of air-to-air starts when allocating power to the fuel cell systems in the future. This means that, in particular, the fuel cell system with a higher number of air-to-air starts and thus greater aging, will be allocated a smaller share of the power by the control unit.

Alternativ oder zusätzlich ist es vorteilhaft, wenn das Steuergerät zusätzlich die jeweiligen Abstellzeiten und/oder den Anteil im Volllastbetrieb (VLL) und/oder den Anteil im Niederlastbetrieb (LL) an der Gesamtbetriebsdauer der jeweiligen Brennstoffzellensysteme und/oder die Tankzyklen bei der zukünftigen Aufteilung der Leistung auf die Brennstoffzellensysteme berücksichtigt.Alternatively or additionally, it is advantageous if the control unit also takes into account the respective shutdown times and/or the proportion in full load operation (VLL) and/or the proportion in low load operation (LL) of the total operating time of the respective fuel cell systems and/or the refueling cycles when distributing the power to the fuel cell systems in the future.

Die erfindungsgemäße Anordnung zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass ein Steuergerät vorhanden ist, welches eingerichtet ist, das Verfahren durchzuführen. Die in Verbindung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erwähnten Vorteile, vorteilhafte Ausgestaltungen und Wirkungen gelten in gleicher Weise für die erfindungsgemäße Anordnung. Diese kann insbesondere ein Kraftfahrzeug oder einen Lastkraftwagen bilden.The arrangement according to the invention is characterized in particular by the presence of a control unit configured to carry out the method. The advantages, advantageous embodiments, and effects mentioned in connection with the method according to the invention apply equally to the arrangement according to the invention. This arrangement can, in particular, be a motor vehicle or a truck.

Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Es sind somit auch Ausführungen als von der Erfindung umfasst und offenbart anzusehen, die in der Figur nicht explizit gezeigt oder erläutert sind, jedoch durch separierte Merkmalskombinationen aus den erläuterten Ausführungen hervorgehen und erzeugbar sind.The features and combinations of features mentioned above in the description, as well as those subsequently mentioned in the figure description and/or shown in the figures alone, can be used not only in the combinations specified, but also in other combinations or on their own, without departing from the scope of the invention. Thus, embodiments that are not explicitly shown or explained in the figure, but which can be derived and generated from the explained embodiments by separate combinations of features, are also to be considered as encompassed and disclosed by the invention.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigt:

1 eine schematische Darstellung des Ablaufs des erfindungsgemäßen Verfahrens, und
2 ein schematisches Diagramm des Systemwirkungsgrads η in Abhängigkeit von der Leistung P eines der Brennstoffzellensysteme im Multisystemverbund.

Further advantages, features, and details of the invention will become apparent from the claims, the following description of preferred embodiments, and the drawings. These show:

1 a schematic representation of the process of the method according to the invention, and
2 a schematic diagram of the system efficiency η as a function of the power P of one of the fuel cell systems in the multi-system network.

1 zeigt den Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Optimierung der Betriebsparameter einer Anordnung mit einem ersten Brennstoffzellensystem und mit mindestens einem zweiten Brennstoffzellensystem, die jeweils einen Brennstoffzellenstapel aufweisen. Die Brennstoffzellensysteme operieren dabei vorzugsweise im Bereich ihres Bestpunkts, also ihres Leistungswerts_maxη 1, bei dem der Wirkungsgrad maximal ist. Dieser wird üblicherweise zu Beginn der Betriebsdauer für jedes der Brennstoffzellensysteme bestimmt. Um die Anordnung über ihre gesamte Betriebsdauer hinweg effizient betreiben zu können, überprüft ein Steuergerät mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens wiederholt diesen Bestwert, während des Betriebs der Anordnung. Dazu ordnet das Steuergerät an, wenn die Anordnung in einem Teillastbereich betrieben wird (Schritt S1), dass die Bereitstellung der Leistung für den Teillastbereich alleine durch das zweite Brennstoffzellensystem erfolgt (Schritt S2). Die Ermittlung eines ersten Leistungswerts_maxη 1, bei dem der Wirkungsgrad des ersten Brennstoffzellensystems maximal ist, erfolgt, in dem die Leistung des ersten Brennstoffzellensystems ausgehend von einer Leerlaufspannung 2 erhöht wird, bis der Wirkungsgrad des ersten Brennstoffzellensystems maximal ist (Schritt S3) und wieder abfällt, wie in 2 dargestellt. Dieser erste Leistungswert_maxη 1 wird in dem Steuergerät hinterlegt und wird von dem Steuergerät für die zukünftige Aufteilung der Leistung auf die Brennstoffzellensysteme genutzt (Schritt S4). Das heißt das Steuergerät veranlasst, dass das erste Brennstoffzellensystem an oder im Bereich seines neu gewonnene Bestwerts/ersten maximalen Leistungswerts operiert. 1 Figure 1 shows the process of the inventive method for optimizing the operating parameters of an arrangement with a first fuel cell system and at least one second fuel cell system, each comprising a fuel cell stack. The fuel cell systems preferably operate in the region of their optimal operating point, i.e., their power value _maxη1 , at which the efficiency is at its maximum. This is typically determined at the beginning of the operating period for each of the fuel cell systems. In order to operate the arrangement efficiently throughout its entire operating period, a control unit repeatedly checks this optimal value during operation of the arrangement using the inventive method. For this purpose, when the arrangement is operated in a partial load range (step S1), the control unit orders that the power for the partial load range is provided solely by the second fuel cell system (step S2). The determination of a first power value _maxη1 , at which the efficiency of the first fuel cell system is at its maximum, is carried out by increasing the power of the first fuel cell system from an open-circuit voltage 2 until the efficiency of the first fuel cell system is at its maximum (step S3) and then decreasing again, as shown in Figure 2. 2 This initial power value, _maxη 1, is stored in the control unit and used by the control unit for the future distribution of power to the fuel cell systems (step S4). This means the control unit ensures that the first fuel cell system operates at or near its newly acquired best value/initial maximum power value.

Da die Brennstoffzellensysteme asynchron altern können wird nun im Anschluss auch der Bestpunkt/ zweite Leistungswert_max 1 für das zweite Brennstoffzellensystem bestimmt. Dazu wird die Leistung für den Teillastbereich alleine durch das erste Brennstoffzellensystem bereitgestellt (Schritt S5). Die Leistung des zweiten Brennstoffzellensystems wird ausgehend von einer Leerlaufspannung 2 erhöht, bis der Wirkungsgrad des zweiten Brennstoffzellensystems maximal ist (Schritt S6) und wieder abfällt, wie in 2 dargestellt. Auch der zweite Leistungswert_max 1 wird im Steuergerät hinterlegt und für die zukünftige Aufteilung der Leistung auf die Brennstoffzellensysteme genutzt (Schritt S7).Since the fuel cell systems can age asynchronously, the optimal point/second power value _(max 1) for the second fuel cell system is then determined. For this purpose, the power for the partial load range is provided solely by the first fuel cell system (step S5). The power of the second fuel cell system is increased from an open-circuit voltage of 2 until the efficiency of the second fuel cell system is maximized (step S6) and then decreases again, as described in 2 The second power value, _max 1, is also stored in the control unit and used for the future distribution of power to the fuel cell systems (step S7).

Die Ermittlung der Leistungswertemaxη 1, also des ersten Leistungswerts_maxη 1 und des zweiten Leistungswerts_maxη 1, wird dabei, insbesondere in regelmäßigen Abständen und insbesondere abwechselnd wiederholt. Dabei wird zur Aufteilung der Leistung auf die Brennstoffzellensysteme durch das Steuergerät immer der neueste der jeweiligen Leistungswerte_maxη genutzt. Das Verfahren wird im Teillastbereich durchgeführt, wobei das Verfahren insbesondere dann durchgeführt wird, wenn der Teillastbereich 20 % bis 70 % der maximalen Lastanforderung beträgt, bevorzugt 30 % bis 70 % und besonders bevorzugt 40 % bis 50 % der maximalen Lastanforderung beträgt.The determination of the performance values maxη 1, i.e. the first performance value _maxη 1 and the second performance value _maxη 1, is carried out, in particular at regular intervals and especially The process is repeated alternately. The control unit always uses the most recent of the respective power values _(maxη) to distribute the power between the fuel cell systems. The procedure is carried out in the partial load range, and is particularly suitable when the partial load range is 20% to 70% of the maximum load requirement, preferably 30% to 70%, and most preferably 40% to 50%.

Die bei der Ermittlung des Leistungswerts_maxη 1 des einen der Brennstoffzellensysteme erzeugte Mehrleistung wird mit einer Reduzierung der Leistungsanforderung an das andere der Brennstoffzellensysteme ausgeglichen. Alternativ ist es auch möglich, dass das Steuergerät, die bei der Ermittlung des Leistungswerts_maxη 1 des einen der Brennstoffzellensysteme erzeugte Mehrleistung an einen Energiespeicher abführt. In diesem Fall wird die Leistung für den Teillastbereich ausschließlich durch dasjenige Brennstoffzellensystem bereitgestellt, dessen Bestpunkt zu diesem Zeitpunkt nicht ermittelt wird.The additional power generated during the determination of the _{maximum power value (maxη1} ) of one of the fuel cell systems is compensated for by a reduction in the power demand on the other fuel cell system. Alternatively, the control unit can also divert the additional power generated during the determination of the maximum power value _(maxη1 ) of one of the fuel cell systems to an energy storage device. In this case, the power for the partial load range is provided exclusively by the fuel cell system whose optimal operating point is not being determined at that time.

Um die Anordnung noch effizienter zu gestalten, ist es insbesondere vorgesehen, dass das Steuergerät noch weitere Faktoren bei der zukünftigen Aufteilung der Leistung auf die Brennstoffzellensysteme berücksichtigt. Insbesondere kann das Steuergerät die Betriebsdauer der jeweiligen Brennstoffzellensysteme bei der Aufteilung der Leistung auf die Brennstoffzellensysteme berücksichtigen, sodass dasjenige Brennstoffzellensystem mit der geringeren Betriebsdauer eine höhere Leistung zugeordnet wird. Auch können die Anzahl der Luft/Luft-Starts bei der zukünftigen Aufteilung der Leistung auf die Brennstoffzellensysteme berücksichtigt werden. So kann dasjenige Brennstoffzellensystem was eine geringere Anzahl an Luft/Luft-Starts aufweist, einen höheren Leistungsanteil zugeordnet werden. Darüber hinaus kann auch die Gesamtabstellzeiten und/oder der Anteil im Volllastbetrieb an einer Gesamtbetriebsdauer und/oder der Anteil im Niederlastbetrieb an der Gesamtbetriebsdauer der jeweiligen Brennstoffzellensysteme bei der zukünftigen Aufteilung der Leistung berücksichtigt werden. Dies gilt auch für die Anzahl der Tankzyklen.To make the system even more efficient, the control unit is designed to consider additional factors when distributing power between the fuel cell systems. Specifically, the control unit can take into account the operating time of each fuel cell system, allocating more power to the system with the shorter operating time. The number of air-to-air starts can also be considered, allowing the system with fewer air-to-air starts to receive a higher power share. Furthermore, the total downtime, the proportion of full-load operation, and/or the proportion of low-load operation can be considered when distributing power. The number of refueling cycles is also taken into account.

Die nicht näher dargestellte Anordnung weist ein erstes Brennstoffzellensystem und mindestens ein zweites Brennstoffzellensystem auf. Die Brennstoffzellensysteme umfassen dabei jeder mindestens einen Brennstoffzellenstapel mit einer Mehrzahl von Brennstoffzellen. Die Brennstoffzellensysteme sind parallel miteinander verschaltet. Zudem ist ein Steuergerät vorhanden, welches eingerichtet ist, das erfindungsgemäße Verfahren durchzuführen.The arrangement, not shown in detail, comprises a first fuel cell system and at least one second fuel cell system. Each fuel cell system includes at least one fuel cell stack with a plurality of fuel cells. The fuel cell systems are connected in parallel. A control unit is also provided, which is configured to carry out the method according to the invention.

BEZUGSZEICHENLISTE:REFERENCE MARK LIST:

11: Leistungswert_maxη _Maximum power value
22: LeerlaufspannungOpen circuit voltage

Claims

A method for optimizing the operating parameters of an arrangement with a first fuel cell system and a second fuel cell system, each comprising the steps of: a. operating the arrangement in a partial load range (S1), b. providing the power for the partial load range by the second fuel cell system (S2), c. determining a first power value _maxη (1) at which the efficiency of the first fuel cell system is at its maximum by increasing the power of the first fuel cell system from an open-circuit voltage (2) until the efficiency of the first fuel cell system is at its maximum (S3), d. using the first power value _maxη (1) thus obtained for the future distribution of the power between the fuel cell systems (S4).

Procedure according to Claim 1 , characterized by the following further steps: e. Provision of power for the partial load range by the first fuel cell system (S5), f. Determination of a second power value _maxη (1) at which the efficiency of the second fuel cell system is at its maximum by increasing the power of the second fuel cell system from an open-circuit voltage (2) until the efficiency of the second fuel cell system is at its maximum (S6), g. Use of the second power value _maxη (1) thus obtained for the future distribution of power between the fuel cell systems (S7).

Procedure according to Claim 1 or 2 , characterized in that the determination of the maximum power value (1) is carried out repeatedly under partial load operation.

Procedure according to one of the Claims 1 until 3 , characterized in that the method is carried out when the load requirement on the arrangement is in the range of 20% to 70%, preferably 30% to 70% and particularly preferably 40% to 50% of the maximum load requirement.

Procedure according to one of the Claims 1 until 4 , characterized in that the control unit reduces the additional power generated when determining the power value _maxη (1) of one of the fuel cell systems by reducing the power The requirement for the other fuel cell system is balanced.

Procedure according to one of the Claims 1 until 4 , characterized in that the control unit directs the excess power generated during the determination of the power value _maxη (1) of one of the fuel cell systems to an energy storage device.

Procedure according to one of the Claims 1 until 6 , characterized in that the control unit additionally takes into account the operating time of the respective fuel cell systems when allocating power to the fuel cell systems in the future.

Procedure according to one of the Claims 1 until 7 characterized in that the control unit additionally takes into account the number of air/air starts when future distribution of power to the fuel cell systems.

Procedure according to one of the Claims 1 until 8 , characterized in that the control unit additionally takes into account the respective shutdown times and/or the proportion of full load operation to the total operating time and/or the proportion of low load operation to the total operating time of the respective fuel cell systems and/or the refueling cycles when allocating power to the fuel cell systems in the future.

Arrangement comprising a first fuel cell system and at least one second fuel cell system, each comprising at least one fuel cell stack with a plurality of fuel cells and a control unit configured to execute the method according to one of the Claims 1 until 9 to carry out.