DE102007035217B4

DE102007035217B4 - Energieversorgungssystem und Verfahren zu dessen Betrieb

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Publication number: DE102007035217B4
Application number: DE102007035217A
Authority: DE
Inventors: Ernst-Ulrich Dipl.-Ing. Kattner (FH)
Original assignee: FutureE Fuel Cell Solutions GmbH
Current assignee: Adkor De GmbH
Priority date: 2007-07-25
Filing date: 2007-07-25
Publication date: 2011-05-26
Anticipated expiration: 2027-07-26
Also published as: DE102007035217A1

Abstract

Energieversorgungssystem (1, 100) für wenigstens eine elektrische Last (21) mit einem mehrere Polymerelektrolytbrennstoffzellen (5) umfassenden Brennstoffzellenstapel (3, 3'), der mit wasserstoffhaltigem Gas und Umgebungsluft betreibbar ist, und einem elektrischen Sekundärakkumulator (7), der durch die elektrische Energie des Brennstoffzellenstapels (3, 3') als temporärer Zwischenspeicher aufladbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoffzellenstapel (3, 3'), dessen Zellenzahl auf die Leerlaufspannung des Sekundärakkumulators (7) abgestimmt ist und sich in einem Betriebsbereich (B) mit einem Spannungsniveau befindet, und der Sekundärakkumulator (7) über einen stromsteuernden Halbleiter (43) elektrisch durchverbunden sind (9) und der Brennstoffzellenstapel (3, 3') in dem Betriebsbereich (B) die Spannung des Energieversorgungssystems (1, 100) bestimmt, sodass ein Entladen des Sekundärakkumulators (7) über den Brennstoffzellenstapel (3, 3') unmöglich ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Energieversorgungssystem auf Brennstoffzellenbasis mit einem wiederaufladbaren Akkumulator, einem sog. Sekundärakkumulator.
In den letzten Jahrzehnten sind verstärkt Brennstoffzellensysteme entwickelt worden, die insbesondere auf Basis eines Festelektrolyten, wie z. B. einer Polymerelektrolytmembran, zwei Reaktanden, z. B. Umgebungsluft und Wasserstoff, kontrolliert reagieren lassen können und den bei der Redox-Reaktion entstehenden elektrischen Strom bzw. die elektrische Spannung zur Verfügung stellen können. Neben den Systemen, die ausschließlich auf Brennstoffzellen als einzige Energieumwandlungsquelle zurückgreifen, gibt es sog. Hybridsysteme, die sich dadurch auszeichnen, dass elektrische Energie, die aus den Brennstoffzellen stammt, in einem elektrochemischen Akkumulator, insbesondere einer wiederaufladbaren Batterie, zwischengespeichert werden kann.
Die PCT-Patentanmeldung WO 01/78176 A1 (Anmelderin: Avista Laborstories, Inc., Prioritätstag: 7. April 2000), auch veröffentlicht als EP 1 273 059 A1 führt detailliert aus, wie problematisch es ist, Brennstoffzellen, insbesondere mit einer Polymerelektrolytmembran, an einen Akkumulator anzuschließen, weil das Brennstoffzellenspannungsverhalten in Abhängigkeit des gezogenen Stroms und der an die Brennstoffzelle angeschlossenen Last in weiten Teilen variabel ist. Bei hohen Lastwechseln erfährt die Brennstoffzelle unter anderem Dehydrationszustände, die dazu führen, dass die Membran irreversibel geschädigt sein kann. Daher wird in der Patentanmeldung vorgeschlagen, einen DC/DC-Wandler einzusetzen, der zahlreiche Sensoren zur Ermittlung des Systemzustandes der Energieversorgungseinheit aufweist. Die Situation wird dann noch komplizierter, wenn mehrere Brennstoffzellensysteme skaliert zu einem Brennstoffzellenfeld zusammengeschaltet werden sollen. So wird in der US 2005 0112 428 A1 (Anmelderin: Hydrogenics Corp., Prioritätstag: 23. Oktober 2003) vorgeschlagen, nicht nur jedes einzelne Brennstoffzellenmodul mit einer eigenen Steuereinheit auszustatten, sondern darüber hinaus die einzelnen Module untereinander auch noch mit einem übergeordneten, einem sog. Master-Steuer-System zusammenzuschließen, dem über zahlreiche Sensoren der Zustand der gesamten Energieversorgungseinheit zur Verfügung gestellt werden soll. Aus den Druckschriften ist eine Tendenz abzulesen, durch immer mehr Schaltungslogik die Brennstoffzellensteuerung und Brennstoffzellenüberwachung bzw. das Verschalten mehrerer einzelner Brennstoffzellen mit Akkumulatoren in den Griff zu kriegen.
Eine weitere Schaltungsvariante eines Energieversorgungssystems auf Batteriebasis kann der US 2004 016 47 02 A1 (Anmelder: D. Holmes, Anmeldetag: 20.02.2003) entnommen werden, bei der die Brennstoffzelle als Rückfalllösung dienen soll, wenn die Energieversorgung über eine Wechselstromquelle nicht mehr zur Verfügung steht. Hierzu werden einzelne Ladeströme für die Batterie überwacht.
Eine Schaltungsvariante, bei der die Anordnung zwischen elektrischem Ladespeicher, in dem Fall eine Ultrakapazität, und mehreren Brennstoffzelleneinheiten umgetauscht worden ist, kann der PCT-Anmeldung WO 2006 093 862 A2 (Anmelderin: Relion Inc., Prioritätstag 28. Februar 2005) entnommen werden. Auch hier werden die einzelnen Stromquellen über Konverterschaltungen miteinander gekoppelt. Die beiden Patentanmeldungen WO 2006 113 985 A1 (Anmelderin: Hydrogenics Corp., Prioritätstag: 27. April 2005) und DE 195 17 813 A1 (Anmelderin: Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg, Anmeldetag: 18 Mai 1995) konzentrieren sich gegenüber den zuvor benannten Druckschriften an der besseren Betriebsweise einer Brennstoffzelle, so dass die Risiken einer Schädigung möglichst gering gehalten werden sollen. Insbesondere die Idee, für Phosphorsäure-Brennstoffzellen ( DE 195 17 813 A1 ) die Vorlauftemperatur und die Rücklauftemperatur eines über einen Kühlkreislauf gekühlten Brennstoffzellenstapels zu regeln, scheint in die richtige Richtung zu gehen, wobei die vorgeschlagene Anwendung nur dann zum Einsatz kommen kann, wenn es sich um flüssig gekühlte, insbesondere durch Wasser gekühlte, Brennstoffzellensysteme handelt.
In den vier Druckschriften WO 03 107 464 A2 , DE 102 40 763 A1 , DE 102 23 117 A1 und DE 24 24 032 A sind unterschiedliche Ausgestaltungen offenbart, wie Batterien bzw. Akkumulatoren zusammen mit Brennstoffzellen verschaltet werden können. Die WO 03 107 464 A2 zeigt zahlreiche unterschiedliche direkt gekoppelte Schaltungsvarianten zwischen einer Brennstoffzelle, die als Direktmethanolbrennstoffzelle betrieben wird, und einem Stützakkumulator. Das vorrangige Ziel der Druckschrift ist es, ein System zu offenbaren, bei dem die Spannung möglichst ohne Spannungsverluste an den Anschlussklemmen zur Verfügung gestellt wird. Aus diesem Grund wird die Brennstoffzelle möglichst stabil betrieben. Ein etwas anderes Konzept ist in der DE 102 40 763 A1 zu sehen, die vorschlägt, Kennlinien der Brennstoffzelle und des Akkumulators möglichst gut aufeinander abzustimmen. Wie dies theoretisch zu bewerkstelligen ist, kann besonders leicht aus der 6 entnommen werden. Abweichend von dem Konzept der Spannungsanpassungen gibt es auch Systeme, so z. B. nach DE 102 23 117 A1 , die eine Stromregelung der Brennstoffzelle in den Vordergrund rücken. Spannungen werden maximal als Grenzwerte berücksichtigt. Um den Akkumulator nicht unnötig zu belasten, wird in der DE 24 24 032 A vorgeschlagen, nur einen gepulsten Strom aus dem Akkumulator zu beziehen.
Spannungsanpassungen können auch dadurch durchgeführt werden, dass ein spezieller Hochsetzsteller zunächst hinter der Brennstoffzelle angeordnet wird, wie z. B. in der US 6 930 897 B2 ausführlich beschrieben. Andere Systeme, die Spannungen anpassen wollen, damit diese an Motoren geliefert. werden können, lassen sich z. B. der US 5 780 980 A und WO 2007 015 146 A2 entnehmen.
Die WO 2005 004 261 A2 legt den Finger in eine besondere Wunde, die jedes Brennstoffzellensystem aufweist. Brennstoffzellen können je nach Betriebsweise einer besonderen Degradation ausgesetzt sein.
Es ist daher sinnvoll, ein Energieversorgungssystem aufbauen zu können, das möglichst langzeitstabil mit möglichst geringen Degradationseigenschaften für das Brennstoffzellensystem realisierbar ist.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird durch ein Energieversorgungssystem nach Anspruch 1 gelöst. Ein vorteilhaftes Verfahren kann dem Anspruch 26 entnommen werden.
Vorteilhafte Ausgestaltungen sind den abhängigen Ansprüchen zu entnehmen.
Die Erfindung bezieht sich auf ein Energieversorgungssystem. Das Energieversorgungssystem ist dazu bestimmt, unter anderem elektrische Energie in Form von elektrischem Strom und elektrischer Spannung für einen Verbraucher bzw. eine Last zur Verfügung zu stellen. Im Sinne der vorliegenden Erfindung werden als Last die anzuschließenden Geräte, Gegenstände und Anlagen bezeichnet, die die elektrische Energie des Energieversorgungsystems umwandeln, d. h., so zu sagen verbrauchen, weiterleiten, insbesondere verändert weiterleiten, oder in ihrer elektrischen Form anpassen. Das Energieversorgungssystem kann als Insellösung, das bedeutet, alleinstehend, genutzt werden. Daneben kann das Energieversorgungssystem noch andere Formen der Energie zur Verfügung stellen, zum Beispiel Abwärme als thermische Energie – auch als Heizenergie bezeichnet. Verschiedene einzelne Brennstoffzellen sind zu einem Brennstoffzellenstapel zusammengefasst. Durch die Membran zeichnet sich der Brennstoffzellenstapel als Polymerelektrolytmembranbrennstoffzelle in einer Ausgestaltung aus. Alternative Ausgestaltungen mit einem fixierten Elektrolyten können unter bestimmten Umständen ebenfalls aufgebaut werden. Die Brennstoffzellen werden mit Wasserstoff aus einer Wasserstoffquelle wie einem Wasserstofftank auf der Anodenseite versorgt. Auf der Kathodenseite wird die Umgebungsluft als Recktand zur Verfügung gestellt. Weiterhin hat das Energieversorgungssystem einen elektrochemischen Speicher. Es handelt sich um einen elektrischen Sekundärakkumulator, der be- und entladen werden kann. Der Sekundärakkumulator dient als elektrischer Zwischenspeicher der in dem Brennstoffzellenstapel umgesetzten Energie. Somit stellt der Brennstoffzellenstapel die primäre Quelle des elektrischen Stroms dar. Der Sekundärakkumulator ist die sekundäre Quelle des elektrischen Stroms. Je nach Betriebsweise des Energieversorgungssystems kann der abzugebende Strom aus dem Strom der Brennstoffzellen und dem Sekundärakkumulator addiert werden. Brennstoffzellenstapel und Sekundärakkumulator sind so miteinander verschaltet, dass beide auf dem gleichen Spannungsniveau liegen.
Der Brennstoffzellenstapel und der Sekundärakkumulator sind miteinander elektrisch gekoppelt. Sie stehen in direkter elektrischer Verbindung. Hierbei ist mit dem Begriff „direkte elektrische Verbindung” gemeint, dass keine galvanische Entkopplung zwischen Brennstoffzellenstapel und Sekundärakkumulator gegeben ist. Die beiden Energiequellen sind galvanisch entkopplungsfrei. Der Begriff ist hier im Sinne der elektrotechnischen Definitionenbildung zu verstehen, nämlich dass die sich bildenden zwei Stromkreise mit jeweils einer Energiequelle einen gemeinsamen Zweipol haben. Nach einer Ausgestaltung können zwar einzelne elektrische Bauteile, auch Halbleiter wie Dioden oder Mos-FETs, zwischen dem Brennstoffzellenstapel und dem Sekundärakkumulator angeordnet sein, insbesondere in einer solchen Schaltungsvariante, dass der elektrische Strom gesteuert werden kann, zum Beispiel durch eine Stromflussrichtungsbestimmung vom Brennstoffzellenstapel zu dem Sekundärakkumulator, aber die beiden Energiequellen der Energieversorgungseinheit sind immer noch direkt im Sinne einer Stromschleife miteinander verbunden.
Insbesondere durch die Betriebsweise des Brennstoffzellenstapels erspart sich die Energieversorgungseinheit der vorliegenden Erfindung das aufwändige spannungsmäßige Trennen zwischen den beiden Strom- und Spannungsquellen, Brennstoffzellenstapel und Sekundärakkumulator. Der Brennstoffzellenstapel wird so betrieben, dass er die Spannung des Systems vorgibt. Als Spannungsquelle führt der Brennstoffzellenstapel den Sekundärakkumulator.
In einer erfindungsgemäßen Schaltungsrealisierung zwischen Brennstoffzellenstapel und Sekundärakkumulator liegen beide Stromquellen auf dem gleichen Spannungsniveau. Das Spannungsniveau zwischen beiden Quellen wird durch eine direkte Verkopplung der jeweiligen positiven und negativen Seiten der Quellen hergestellt. Wenn möglichst wenige elektrische und elektronische Bauteile in dem Strompfad zwischen Brennstoffzellenstapel und Sekundärakkumulator angeordnet sind, kann das gleiche Spannungsniveau eingehalten werden, denn der Spannungsabfall über die zwischengeschalteten Bauteile ist im Vergleich zu dem Spannungsniveau des Brennstoffzellenstapels, das nach einer Ausgestaltung zwischen 36 V und 60 V variieren kann, nur gering, denn er liegt im Prozent- oder sogar nur im Promillbereich des regulären Betriebsspannungsniveaus.
Nach einer weiteren Ausgestaltung ist die elektrische Kopplung zwischen Brennstoffzellenstapel und Sekundärakkumulator so hergestellt, dass für die elektrische Übertragung der elektrischen Energie keine elektromagnetische Kopplung, wie zum Beispiel eine Trennspule, zwischengeschaltet ist. Die Verschaltung ist somit trennspulenfrei. Die Schaltung ist somit wandlerfrei. Die Verschaltung zwischen Brennstoffzellenstapel und Akkumulator ist DC/DC-wandlerfrei. Die Verschaltung der beiden Energiequellen arbeitet mit einem einzigen Spannungsbereich, was die Energieversorgungseinheit einfacher gestaltet.
In einem entsprechenden Energieversorgungssystem sind der Brennstoffzellenstapel und der Akkumulator nach einer Ausgestaltung direkt über einen Schalter miteinander gekoppelt. Ein solcher Schalter kann elektronisch, elektrisch oder mechanisch realisiert werden. Wenn der Schalter ein elektronischer Schalter ist, kann er zum Beispiel ein Mos-FET oder ein Bipolar-Transistor sein. Wenn der Schalter ein elektro-mechanischer Schalter ist, kann er zum Beispiel ein Relais, ein Bi-Metall-Schalter oder ein Kontaktschalter sein. Bei einer geeigneten Betriebsführung schaltet der Schalter den Brennstoffzellenstapel frei, wenn der Brennstoffzellenstapel in einem zuverlässigen Betriebsbereich geführt ist.
Ein weiterer Schalter lässt sich zur elektrischen Last hin in den Stromkreis einfügen. Mit dem Schalter vor der elektrischen Last kann, insbesondere durch die Berechnungseinheit, die elektrische Last verzögert und nachträglich an- und abgeschaltet werden.
Als Schalter im Sinne dieser Erfindung werden auch Doppelschalter verstanden, die sowohl die positive wie auch die negative Spannung bzw. die virtuelle Masse abkoppeln können.
Die maximale Ladespannung des Akkumulators ist bei einer günstigen Betriebsweise kleiner als der Betriebsspannungsbereich der elektrischen Last.
Das Energieversorgungssystem kann so betrieben werden, dass sich die minimale Anzahl der Brennstoffzellenelemente in dem Brennstoffzellenstapel durch den Quotienten aus der Untergrenze des Betriebsspannungsbereichs der elektrischen Last und der minimalen Betriebsspannung der Brennstoffzellenelemente bestimmt. Die minimale Betriebsspannung wird nach einem Entwurf auf z. B. 0,58 V festgesetzt. Zugleich wird der Quotient aus der Ladeendspannung des Akkumulators und der maximalen Betriebsspannung der Brennstoffzellenelemente als Obergrenze beachtet. Die Obergrenze kann zum Beispiel bei 0,85 V liegen. Die zu erwartende elektrische Last wird berücksichtigt. Die Spannung bleibt somit immer größer als die Ladeendspannung. Bei Beachtung aller Grenzen kann ein sicherer Betrieb – ein zerstörungsfreier Betrieb – sichergestellt werde. Dann ist das Energieversorgungssystem so ausgelegt, dass die maximale Anzahl der Brennstoffzellenelemente in dem Brennstoffzellenstapel den Quotienten aus der maximalen Betriebsspannung der elektrischen Last und der maximalen Betriebspannung der Brennstoffzellenelemente des Brennstoffzellenstapel (0,85 V) nicht überschreitet.
Die Anzahl der Brennstoffzellen in dem Stapel ist auf das Lastspannungsniveau abgestimmt. So kann das gesamte System für 48 V ausgelegt sein. Genauso kann das Lichtstromnetz nachgebildet werden, so dass das gesamte System für 230 V ausgelegt ist.
Die Spannungsführung des Brennstoffzellenstapels erfolgt so, dass, obwohl die Leerlaufspannung theoretisch bei einer Reaktion zwischen Wasserstoff und Sauerstoff bei 1,29 V liegt, eine obere Betriebsspannung einer Einzelzelle des Brennstoffzellenstapels nicht 0,85 V überschreitet. Die Spannung bleibt permanent unterhalb von 0,85 V. Die Einzelzellen des Brennstoffzellenstapels arbeiten bei dieser Betriebsweise immer unterhalb dieses oberen Spannungsniveaus.
Die Zellenzahl des Brennstoffzellenstapels ist auf die Leerlaufspannung des Akkumulators abgestimmt. Zwischen beiden ist ein Faktor gebildet. Der sich aus dem Faktor ergebende ganzzahlige Anteil ±2 weitere Zellen ist die Anzahl der Brennstoffzellen, die parallel zum Akkumulator geschaltet werden.
Der Brennstoffzellenstapel im Energieversorgungssystem wird vorteilhaft überstöchiometrisch geführt. Durch die Überstöchiometrie wird ein stabiles Spannungsniveau ermöglicht. Die Anode ist unter einer Versorgung mit einer Druckregelung betreibbar. Alternativ kann die Anode mit einem Wasserstoffrezirkulationskreis verbunden sein.
Auf der Kathodenseite geht in die Mengenbestimmung der durchgeleiteten Luftmenge die Spannungsänderung des Energiesystems ein. Mögliche Lastsprünge fängt der Sekundärakkumulator ab. Sinkt die Spannung, so wird nach diesem einfache zu realisierenden Verfahren der Luftmengenstrom angehoben.
Weiterhin kann in die Betriebsführung des Brennstoffzellenstapels die Temperaturentwicklung eingehen. Der Brennstoffzellenstapel ist nicht nur spannungsgeführt. Die Spannungsführung orientiert sich auch an der Temperaturführung. Die Brennstoffzellen werden so in einem vorteilhaften Temperaturbereich gehalten. Wenn die Brennstoffzellentemperatur steigt, wird mehr Luft durch den Stapel geblasen.
Die Kühlung erfolgt durch die Luft auf der Kathodenseite. Der Brennstoffzellenstapel ist kühlmittelkreislauffrei. In einer Ausgestaltung mit mehreren Brennstoffzellenstapeln ist wenigstens einer kühlmittelkreislauffrei, während wenigstens ein weiterer Brennstoffzellenstapel einen Kühlkreislauf mit einem Kühlmittel aufweist. Die Brennstoffzellen sind einfacher gestaltet. Der Brennstoffzellenstapel hat keine weiteren Lagen, die nur für die Kühlung zuständig sind.
Die Kühlung wird dadurch gefördert, dass die Luft durch ein Gebläse oder einen Ventilator beschleunigt wird. Die Energie für die Rotationsbewegung des Gebläses oder des Ventilators wird aus dem Brennstoffzellenstapel bezogen. Der Stapel sorgt somit für seine eigene Kühlung und ausreichende Versorgung mit Umgebungsluft.
Der Brennstoffzellenstapel bezieht seinen Wasserstoff aus einer Wasserstoffquelle, wobei der Wasserstoff auf einem höheren Druckniveau der Energieversorgungseinheit zur Verfügung gestellt wird und erst durch ein Druckminderventil, also druckreduziert, in die Anodenseite der Brennstoffzellen eingebracht wird.
Der Wasserstoff stammt aus einer Wasserstoffquelle und wird an den Brennstoffzellenstapel druckgesteuert herangebracht. Hierzu kann der Wasserstoff insbesondere über ein Druckminderungsventil geführt werden.
Nach einer Ausgestaltung kann das Energieversorgungssytsem aus mehreren Brennstoffzellenstapeln aufgebaut sein, die gemeinsam die elektrochemische Primärquelle darstellen. So lässt sich jeder Stapel individuell steuern. Es lässt sich nach einem Steuerungsverfahren auch nur eine gewisse Anzahl an Stapeln auf einem bestimmten Niveau betreiben. Es lassen sich Steuerungsspreizungen realisieren. Nach einer Gestaltung lässt sich durch mindestens einen Brennstoffzellenstapel von mehreren Brenstoffzellenstapeln ein Kühlkreislauf durchleiten, der eine Kühlflüssigkeit aufweist. Die flüssigkeitsgekühlten Stapel sind temperaturstabiler, während die luftgekühlten Stapel laständerungsreaktiver sind.
Alternativ lässt sich das Energieversorgungssystem für eine elektrische Last mit einem mehrere Brennstoffzellen umfassenden Brennstoffzellenstapel in direkter Kopplung mit wenigstens einem Halbleiter aufbauen. Insbesondere hat das Energieversorgungssystem eine Polymerelektrolytmembranbrennstoffzelle. Der Stapel ist mit Wasserstoff und Umgebungsluft betreibbar. Weiterhin gibt es einen elektrischen Sekundärakkumulator, der durch die elektrische Energie des Brennstoffzellenstapels als temporärer Zwischenspeicher aufladbar ist. Vorteilhaft stehen Brennstoffzellenstapel und Sekundärakkumulator über einen stromsteuernden Halbleiter, insbesondere über einen Mos-FET, miteinander in Verbindung. Der Brennstoffzellenstapel ist in einem solchen Betriebsbereich spannungsgeführt, dass ein Entladen des Sekundärakkumulators über den Brennstoffzellenstapel unterbleibt.
In die Steuerung können gemessene Stromwerte eingehen. Hierzu werden mittels Stromsensoren der Laststrom und der Akkumulatorstrom gemessen, deren Messwerte in die Steuerung des Brennstoffzellenstapels eingehen. Dazu hat das Steuergerät der Energieversorgungseinheit einen Überblick über die Stromflüsse in der Energieversorgungseinheit.
Das Energieversorgungssystem zeichnet sich durch ein weit verbreitetes einheitliches Spannungsniveau aus. So ist als einziges spannungsveränderndes Bauteil ein MOSFET zwischen Brennstoffzellenstapel und Akkumulator angeordnet. Die Spannung, die über das Bauteil abfällt, senkt die Spannung auf der Sekundärakkumulatorseite.
Durch die spannungsmäßige Führung des Brennstoffzellenstapels auf einem höheren Spannungsniveau als der Sekundärakkumulator, wenn er ohne Brennstoffzellenstapel vorhanden wäre, bestimmt der Brennstoffzellenstapel die Spannung in der Energieversorgungseinheit.
Das Energieversorgungssystem wird bevorzugt durch eine Steuerungseinheit, wie einen Mikrokontroller, gesteuert. Der Mikrokontroller bzw. die Steuerungseinheit befolgt ein bestimmtes Steuerungsverfahren. Das Verfahren zum Betreiben eines Energieversorgungssystems mit einem Brennstoffzellenstapel und einem Akkumulator, die direkt elektrisch durchverbunden sind, zeichnet sich durch die Spannungsführung des Brennstoffzellenstapels in einem solchen Betriebsbereich aus, dass ein reversibles Entladen des Sekundärakkumulators über den Brennstoffzeltenstapel unmöglich ist.
In Abhängigkeit der Temperatur des Brennstoffzellenstapels wird der Kathodenreaktand, insbesondere in Form der Umgebungsluft, überstöchiometrisch eingebracht. Das sorgt für ein stabiles Spannungsniveau.
Weiterhin kann das Verfahren so durchgeführt werden, dass die luftmäßige Überströmung der Kathoden des Brennstoffzellenstapels durch beschleunigte Luft erfolgt. Die beschleunigte Luft dient zur Versorgung und gleichzeitig zur Kühlung.
Das Verfahren dient zur Steuerung und zum Betrieb der Energieversorgungseinheit.
Die Erfindung kann noch besser an Hand von einzelnen Ausführungsbeispielen verstanden werden, wenn Bezug auf die beiliegenden Figuren genommen wird, wobei die Figuren im Einzelnen zeigen:
1 eine Kennlinienschar von Temperaturkennlinien von Stapelspannungen erfindungsgemäßer Energieversorgungssysteme,
2 eine Kennlinienschar von Wasserstoffstöchemetrien zur Stapelspannungen erfindungsgemäßer Energieversorgungssysteme,
3 eine Ausführungsform einer Energieversorgungseinheit,
4 eine weitere Ausführungsform einer Energieversorgungseinheit.
1 zeigt die Abhängigkeit eines erfindungsgemäßen Energieversorgungssystems von der Temperatur T. Auf der Abszisse des Diagrams ist ein Temperaturbereich von 0°C bis 100°C aufgetragen. Der Brennstoffzellenstapel wird idealerweise in einem Temperaturbereich betrieben, der niedriger als 100°C ist. Die Betriebstemperatur bestimmt sich von der gewählten Membran her, die bei gängigen Membranen zurzeit bei unter 100°C liegt. Zum Beispiel kann eine obere Grenztemperatur von 85°C eingestellt werden. Auf der Ordinate lässt sich die relative Stapelbetriebsspannung aufgetragen. Sie lässt sich auch als Brennstoffeinzelzellenbetriebsspannung U wiedergeben. Die unterschiedlichen Kennlinien bestimmen sich durch die Stromdichte bzw. den aus dem Brennstoffzellenstapel gezogenen Strom. Der höchste Strom, zum Beispiel 0,6 A/cm² aktiver Brennstoffzellenfläche, führt zu einer Kennlinie, die durch die unterste parabelmäßig geformte Kennlinie wiedergegeben wird. Je flacher die Kennlinien verlaufen, desto geringer ist der aus dem Brennstoffzellenstapel gezogene Strom. Bei allen Kennlinien ist zu erkennen, dass in einem mittleren Bereich, der bei ca. 40°C, bei 50°C oder auch bei 60°C liegen kann, die höchste elektrische Energieausbeute möglich ist, weil die Spannung des Brennstoffzellenstapels den höchsten Wert erreicht. Es findet eine geringere thermische Umsetzung statt. Dementsprechend wird der Brennstoffzellenstapel durch die Betriebsweise in einem mittleren Temperaturbereich gehalten. Der mittlere Temperaturbereich ist eine Betriebstemperatur, die in einer Ausgestaltung um ±10°C variiert. In niedrigeren Temperaturbereichen sackt die Stapelspannung in Abhängigkeit des gezogenen Stroms ab. Ein ähnliches Verhalten des Brennstoffzellenstapels ist bei hohen Temperaturen zu beobachten. Die elektrochemischen und physikalischen Erklärungen sind noch nicht vollständig wissenschaftlich belegt. Nach einem Erklärungsversuch kann als Erklärung für die Verringerung der elektrischen Spannung ein so genanntes „Absaufen” der Kanäle der einzelnen Brennstoffzellen bei niedrigen Temperaturen angeführt werden, weil keine ausreichende thermische Energie zur Verfügung steht, um das sich bildende Wasser auf der Kathodenseite über eine Verdampfung auszubringen. Das Absinken der Stapelspannung oberhalb eines optimalen Temperaturbetriebsbereiches kann nach einem Erklärungsversuch mit einem partiellen Austrocknen der Brennstoffzellenmembran erklärt werden.
Eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Energieversorgungssystems wird durch die Steuereinheit so gesteuert, dass der Brennstoffzellenstapel möglichst in einem optimalen Temperaturbereich gehalten wird. Hierzu kann die Steuerung den vom Brennstoffzellenstapel gezogenen Strom berücksichtigen. Idealerweise wird der Strom im Energieversorgungssystem an verschiedenen Stellen gemessen. Aus den Werten des Brennstoffzellenstroms und des Laststroms lässt sich anhand einer Summationsbildung der Akkumulatorstrom nachrechnen. Nach einer alternativen Ausführungsform werden möglichst wenige Stromsensoren verbaut, um die Anzahl der Eingänge der Steuerungs- bzw. Berechnungseinheit niedrig zu halten. Vorteilhaft ist es, wenn die Berechnungseinheit so ausgelegt ist, dass ein und die gleiche Berechnungseinheit für unterschiedliche Spannungsniveaus eingesetzt werden kann. Beispielhaft können mit der gleichen Berechnungseinheit ein 12-Volt-System realisiert werden, genauso kann die Berechnungseinheit auch in einem 48-Volt-System eingesetzt werden. Lässt sich der Strom entsprechend auch skalieren bzw. die Steuerbarkeit des Stroms anpassen, so kann ein und die gleiche Berechnungseinheit in einem 500 W-System genauso eingesetzt werden wie in einem 2 kW-System. Bei einer Brennstoffzelle mit luftgekühlter Kathode wird die Steuerung so ausgelegt, dass bei Überschreitung von gewissen Grenzwerten, wie zum Beispiel der Temperatur, mehr Umgebungsluft durch die Kathodenseite der Brennstoffzelle geleitet wird, um hierdurch die Betriebstemperatur des Brennstoffzellenstapels abzusenken. Nach dem gleichen Prinzip kann bei einer zu niedrigen Brennstoffzellenstapeltemperatur die Kühlung entweder heruntergefahren werden, indem zum Beispiel weniger Luft durchgeblasen wird, oder sogar erwärmte Abluft aus dem Energieversorgungssystemgehäuse in die Kathode wieder eingeleitet werden.
2 zeigt Kennlinien unter den ähnlichen Betriebsbedingungen, wie die Kennlinien zu 1 ermittelt worden sind, nämlich die Einstellung ausgewählter Strombetriebspunkte. Die gewählten Strombetriebspunkte sind (von der obersten zur untersten Kennlinie ermittelt) 0,05 A/cm², 0,1 A/cm², 0,2 A/cm², 0,3 A/cm² und hier abweichend von der Kennlinie aus 1 eine Stromdichte von 0,37 A/cm². In der 1 sind noch Stromdichten von 0,45 A/cm² und 0,6 A/cm² wiedergegeben. Während beim Messen der Kennlinien nach 1 die Betriebstemperatur des Brennstoffzellestapels variiert worden ist, wobei die übrigen Betriebsparameter möglichst identisch belassen worden sind, ist zur Ermittlung der Kennlinien nach 2 die Wasserstoffstöchiometrie λ im überstöchiometrischen Bereich angehoben worden. Die Kennlinien starten bei einer Stöchiometrie von 1. Das gewählte Brennstoffzellensystem im Energieversorgungssystem arbeitet mit einer Wasserstoffrezirkulation, so dass, insbesondere bei einem mobilen System, möglichst der gesamte Wasserstoff durch den Brennstoffzellenstapel umgesetzt werden kann. Ein rezirkulierender Wasserstoffkreislauf erhöht die Energieausbeute pro Normliter Wasserstoff des Systems. Erst in einem deutlich überstöchiometrischen Bereich, zum Beispiel bei einer Stöchiometrie größer 1,5, glätten sich die einzelnen Spannungskennlinien. In einem zwischenstöchiometrischen Bereich lässt die Stapelspannung nach, je kleiner die Stöchiometrie ist.
Ein Energieversorgungssystem lässt sich mit einer Steuerungs- bzw. Berechnungseinheit 29 (siehe 3 und 4) so betreiben, dass eine ausreichende Wasserstoffstöchiometrie, insbesondere im Falle einer Wasserstoffrezirkulation, vorliegt. Eine Möglichkeit besteht darin, den Wasserstoff unter Druck mit einem Druckminderventil in ausreichender Menge in den Rezirkulationskreislauf einzudosieren. Die Unterversorgung des Brennstoffzellenstapels trotz überstöchiometrischer Betriebsweise lässt sich zum Beispiel auf Stickstoffanreicherungen auf der Anodenseite der im Übrigen abgeschlossenen Brennstoffzelle zurückführen. Diffundiert Stickstoff durch die Membran einer Brennstoffzelle auf die Anodenseite durch, so ist der Stickstoff in periodischen Abständen auszublasen. Aus diesem Grund ist das Energieversorgungssystem mit einem auf- und zusteuerbaren Ablassventil zu versehen.
Eine skalierbare Berechnungseinheit, skalierbar in Bezug auf steuerbaren elektrischen Strom und skalierbar in Bezug auf das einzusetzende Spannungsniveau, kann über geeignete Schnittstellen, wie CAN-Bus, Ethernet-Bus oder RS-232, extern einmal oder mehrmals eingestellt werden, so dass die Berechnungseinheit anpassbar, insbesondere softwaremäßig anpassbar, für das Spannungsniveau programmiert wird.
3 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Energieversorgungssystems 1. 4 zeigt ein alternatives Ausführungsbeispiel eines Energieversorgungssystems 100.
Die Energieversorgungseinheit 1 setzt sich vorzugsweise in einem abgeschlossenen Gehäuse aus zahlreichen Komponenten zusammen, so zum Beispiel einem Brennstoffzellenstapel 3, der mehrere Brennstoffzellen 5 umfasst, so dass eine gewisse Anzahl n Brennstoffzellen vorhanden sind, eine allgemeine Steuerungseinheit 29 und ein Sekundärakkumulator 7, der elektrische Energie auf- und abgeben kann. Der Brennstoffzellenstapel 3 hat Brennstoffzellen 5, die Kathoden 25 und Anoden 23 aufweisen. Die Brennstoffzellen sind so zusammengeschaltet, dass durch die Anzahl n der Brennstoffzellen 5 eine höhere Betriebsspannung U_B als die Einzelzellspannung U zu erhalten ist. Die Betriebsspannung U_B stellt die Spannungsquelle über die Verbindung der positiven Spannungsseite 11 und über die Verbindung der negativen Spannungsseite 13 zum Sekundärakkumulator 7 dar. Die Brennstoffzellen 5 des Brennstoffzellenstapels 3 werden kathodenseitig mit Luft versorgt, die aus der Umgebungsluft über einen Lufteinlass 55 eingeleitet werden kann. Hinter dem Lufteinlass 55 können ein Luftfilter 57 und ein Luftförderer 31 angeordnet sein. Geeignete Luftförderer sind zum Beispiel Gebläse. Auch können Lüfter verwendet werden. Die Anodenseite des Brennstoffzellenstapels 3 wird aus einer Wasserstoffquelle, wie zum Beispiel einem Wasserstofftank 33, insbesondere über ein Druckminderventil 35 versorgt. Das Druckminderventil 35 kann als Drei-Wege-Ventil ausgestaltet sein, so dass über die Wasserstoffrezirkulationsleitung des Wasserstoffrezirkulationskreises 27 ein permanent überstöchiometrischer Betrieb solange sichergestellt wird, wie ausreichend Wasserstoff aus der Wasserstoffquelle 33 nachgeliefert werden kann. Die elektronische Steuereinheit 29, die als Berechnungseinheit gestaltet ist, kann eine Mikrokontrollereinheit sein, an die die elektrischen Steuer- und Kontrollleitungen der Energieversorgungseinheit 1 herangeführt sind. So kann die Berechnungseinheit 29 über Luftfördersteuerleitungen 59 die exakte Geschwindigkeit des Luftförderers 31 und damit die zu fördernde Luftmenge vorgeben. Genauso kann die Berechnungseinheit 29 das Druckminderventil 35 über Ventilsteuerleitungen unterschiedlich einstellen. Auch gehen Mess- und Sensorleitungen 45, 47, 49 in die Berechnungseinheit 29 hinein. Beispielhaft sind in der Energieversorgungseinheit 1 Stromsensoren an verschiedenen Stellen eingezeichnet. Die Berechnungseinheit 29 kann aber mit zusätzlichen Messaufnehmern (nicht in 3 dargestellt) ausgestattet werden. Besonders geschickt ist es, einen oder mehrere Stromsensoren 45, 47, 49 in den diversen Verbindungsleitungen, wie zum Beispiel in der Sekundärakkumulatorzuleitung als Stromsensor 45, in der Lastzuleitung als Stromsensor 47 und in der Verbindungsleitung als Stromsensor 49 anzuordnen. Die Energieversorgungseinheit 1 dient dazu, eine elektrische Last 21, die sowohl Wirk- als auch Blindanteile aufweisen kann, zu versorgen. Die elektrische Last 21 kann über eine Leistungs- und Steuereinheit 53 von dem Sekundärakkumulator abgekoppelt sein. Nach einem Aspekt zeichnet sich die vorliegende Erfindung dadurch aus, dass der Sekundärakkumulator 7 und der Brennstoffzellenstapel 3 über die Verbindungsleitung 9 direkt miteinander gekoppelt sind bzw. nur ein einzelner Schalter 15 (nicht eingezeichnet), wie der elektrische Schalter 17, zwischen den beiden Energiequelle 3, 7 geschaltet ist, während sonst die beiden Energiequelle direkt miteinander gekoppelt sind. Der Schalter, zum Beispiel der elektrische Schalter 17, kann als stromsteuernder Halbleiter 43 in Form eines MOS-FET gestaltet sein (zum Beispiel des Anreicherungstyps), so dass die Berechnungseinheit 29 dem Leistungsmodul „Elektrischer Schalter” 17 einen maximal zulässigen Strom vorgibt, der über entsprechende Sensoren 45, 47, 49 wiederum überwacht wird. Die Berechnungseinheit 29 ist an weitere Leitungen angeschlossen. Die Berechnungseinheit 29 kann beispielhaft über Ventilsteuerleitungen 37 mit einem Ventil wie einem Wasserstoffventil 35 verbunden sein. Der Brennstoffzellenstapel 3 wird in der Regel auf der Anodenseite 23 als auch auf der Kathodenseite 25 mit Reaktandenüberschuss betrieben. Weil die Kathoden mit Umgebungsluft im Überschuss betrieben wird, kann die abgereicherte, mit Wasser versetzte Luft aus dem Kathodenausbläser 51 abgelassen werden. Die Berechnungseinheit 29 betreibt den Brennstoffzellenstapel 3 in der Weise, dass zum Beispiel über den Luftförderer 31 temperaturabhängig bedarfsgerecht soviel Luft über die Brennstoffzelle geleitet wird, dass ein vorgegebenes Temperaturniveau nicht überschritten wird, dazu kann ein Temperatursensor (nicht in 3 dargestellt) an einer geeigneten Stelle, wie zum Beispiel dem Kathodenausbläser 51, angeordnet werden.
Sollte es notwendig sein, dass zum Beispiel ein größerer Strom aus dem Energiewandler Brennstoffzellenstapel 3 zur Verfügung gestellt wird, so kann ein Brennstoffzellenstapel 3 mit weiteren Brennstoffzellestapeln 3', wie in 4 als Energieversorgungssystem 100 dargestellt, elektrisch und versorgungstechnisch verschaltet werden, um ein Brennstoffzellenstapelfeld 39 zu realisieren. In 4 sind für die Energieversorgungseinheit 100 ähnliche Bauteile und Baugruppen mit den gleichen Bezugszeichen versehen worden wie in 3, damit der Überblick leichter zu erhalten ist. Bei dem Aufbau eines Brennstoffzellenstapelfeldes 39 können die Brennstoffzellenstapel 3, 3' unterschiedlich ausgeführt sein, so kann einer der Brennstoffzellenstapel 3' mit einem kühlmittelführenden Kühlkreislauf 41 gesondert ausgeführt sein, während der andere Brennstoffzellenstapel 3 (oder auch mehrere Brennstoffzellenstapel 3) keine gesonderte Kühlung aufweisen. Bei einem gesonderten Kühlkreislauf 41 erspart sich das System gegebenenfalls den Luftförderer 31, so dass Luft unmittelbar über den Lufteinlass 55 zum Brennstoffzellenstapel 3' durchgeleitet werden kann. Auch ist ein Sackanschlagssystem („dead-end-system”) für den Wasserstoff geeignet, so dass die Wasserstoffquelle 33 den Wasserstoff in den Brennstoffzellenstapel 3' einleitet und dieser vollständig in dem Brennstoffzellenstapel 3' umgesetzt wird. Anstelle eines elektrischen oder elektronischen Schalters 17 kann die Verbindung zwischen Brennstoffzellenstapel 3 und Sekundärakkumulator 7 auch über einen mechanischen Schalter 19 realisiert werden. In einem weiteren alternativen Ausführungsbeispiel, das nicht näher graphisch dargestellt ist, kann die Verbindungsleitung 9 auch ohne jeglichen elektrischen Schalter unmittelbar zwischen den gleichnamigen Polen der jeweiligen Energiequelle eine Verbindung herstellen. Die Verbindungsleitung 11 ist unterbrechungsfrei in diesem Sinne dargestellt.
Die relativ passiv betriebene Energieversorgungseinheit, die besonders kompakt ist, kann in einem einzigen Gehäuse angeordnet sein. Das Gehäuse, in der die Energieversorgungseinheit liegt, kann tragbar ausgestaltet sein. Das Gehäuse ist kompakt. Das Gehäuse ist abgeschlossen. Das Gehäuse stützt und trägt sämtliche Bauteile, Platinen und elektrischen Komponenten der Energievorsorgungseinheit. Die Energieversorgungseinheit umfasst ein sie abschließendes Gehäuse, das wenige nach außen klar definierte Schnittstellen aufweist.
Eine entsprechende Schnittstelle kann eine Bedienanzeige oder Bedienoberfläche mit optischer Rückmeldung, wie einem Display, sein, über das der Bediener den exakten Akkumulatortyp oder die exakte Brennstoffzellen- und Akkumulatoranzahl einstellen kann. Diese Werte können unmittelbar oder mittelbar über zum Beispiel solche Werte wie Leerlaufspannung, Betriebsspannung, unterstes Spannungsniveau und maximal zulässiger Laststrom bestimmt werden.
Nach einem weiteren Aspekt lässt sich bei der direkten Kopplung des Akkumulators mit dem Brennstoffzellenstapel (bzw. verbunden über einen einzigen Schalter) eine der beiden Energiequellen austauschen. Über das Display wird der neu eingesetzte Akkumulatortyp oder der neu eingesetzte Brennstoffzellenstapel eingestellt; und die Berechnungseinheit kann mit den neuen Parametern startend die optimalen Betriebsbedingungen in Bezug auf Luftmenge, Stöchiometrie, Spannung und Laststrom berechnen. Auch fördert dieses System die Betriebssicherheit. Denn sollte eine der beiden Energiequellen, Brennstoffzellenstapel oder Akkumulator, ausfallen, so kann trotzdem noch über eine bestimmte Zeit der gezogene Laststrom weiterhin zur Verfügung gestellt werden. Selbst ein Austausch im Betrieb ist möglich.

Durch ein erfindungsgemäßes Energieversorgungssystem 1, 100 werden wesentliche elektrische und elektronische Leistungsbauteile eingespart. Durch eine günstige Auslegung der Zellenzahl n, der Betriebsweise der Brennstoffzelle und der Pufferung durch den Sekundärakkumulator 7 ist eine direkte, nicht galvanisch getrennte, also trennspulenfreie, Gestaltung der Energieversorgungseinheit 1, 100 realisierbar. Im Sinne der vorliegenden Erfindung werden auch die Zuschaltbarkeit der einen oder der anderen Energiequelle wie Brennstoffzellenstapel 3, 3' und Sekundärakkumulator 7 über Schalter als trennspulenfrei interpretiert. Es findet nur eine minimale Spannungsabsenkung zwischen Brennstoffzellenstapel 3 und Sekundärakkumulator 7 durch die zusätzlich in der Verbindungsleitung 9 vorgesehenen Bauteile, wie zum Beispiel die ausgeführten Bauteile 49, 44, 43, 17, 19, statt. Nach einem Aspekt der Erfindung wird durch eine günstige Beziehung zwischen der Betriebsspannung U_B, der Ladespannung U_L am Sekundärakkumulator 7 und der möglichen, maximal zur Verfügung stehenden Lastspannung U_V die Trennspulenfreiheit zwischen Brennstoffzellenstapel 3 und Sekundärakkumulator 7 realisiert, vorrangig nach dem Prinzip U_B größer U_L größer U_V.

Bezugszeichen	Bedeutung	Darstellung
1	Energieversorgungssystem	Fig. 3
3, 3'	Brennstoffzellenstapel	Fig. 3, Fig. 4
5	Brennstoffzelle	Fig. 3, Fig. 4
7	Sekundärakkumulator	Fig. 3, Fig. 4
9	Elektrische Verbindung zwischen Brennstoffzellenstapel und Sekundärakkumulator	Fig. 3, Fig. 4
11	Positive Spannungsseite	Fig. 3, Fig. 4
13	Negative Spannungsseite	Fig. 3, Fig. 4
15	Schalter	Beschreibung
17	Elektrischer oder elektronischer Schalter	Fig. 3
19	Mechanischer Schalter	Fig. 4
21	Elektrische Last	Fig. 3, Fig. 4
23	Anode	Fig. 3, Fig. 4
25	Kathode	Fig. 3, Fig. 4
27	Wasserstoffrezirkulationskreis	Fig. 3, Fig. 4
29	Berechnungseinheit, insbesondere Mikrokontrollereinheit	Fig. 3, Fig. 4
31	Luftförderer wie Gebläse oder Lüfter	Fig. 3, Fig. 4
33	Wasserstoffquelle, insbesondere Wasserstofftank	Fig. 3, Fig. 4
35	Druckminderventil, insbesondere Wasserstoffdruckminderventil, auch als Dreiwegeventil gestaltbar	Fig. 3, Fig. 4
37	Ventilsteuerleitungen	Fig. 3, Fig. 4
39	Brennstoffzellenstapelfeld bzw. Brennstoffzellenstapelarray	Fig. 4
41	Kühlkreislauf	Fig. 4
43	Stromsteuernder Halbleiter, insbesondere MOS-Fet	Fig. 3
45	Erster Stromsensor, insbesondere in der Sekundärakkumulatorzuleitung	Fig. 3, Fig. 4
47	Zweiter Stromsensor, insbesondere in der Lastzuleitung	Fig. 3, Fig. 4
49	Dritter Stromsensor, insbesondere Verbindungsleitungsstromsensor	Fig. 3
51	Kathodenausbläser	Fig. 3, Fig. 4
53	Leistungs- und Steuereinheit	Fig. 3, Fig. 4
55	Lufteinlass	Fig. 3, Fig. 4
57	Luftfilter	Fig. 3, Fig. 4
59	Luftförderersteuerleitung	Fig. 3, Fig. 4
61	Temperatursensor	Fig. 4
63	Temperaturmessleitung	Fig. 4
100	Energieversorgungseinheit	Fig. 4
B	Betriebsbereich	Fig. 1, Fig. 2
T	Betriebstemperatur des Brennstoffzellenstapels	Fig. 1
U	Einzelspannung	Fig. 1, Fig. 2
U_B	Betriebsspannung	Fig. 3, Fig. 4
U_L	Ladespannung	Fig. 3, Fig. 4
U_V	Lastspannung	Fig. 3, Fig. 4
n	Zellenzahl des Brennstoffzellenstapels	Fig. 3, Fig. 4
λ	Wasserstoffstöchiometrie	Fig. 3, Fig. 4

Claims

Energieversorgungssystem (1, 100) für wenigstens eine elektrische Last (21) mit einem mehrere Polymerelektrolytbrennstoffzellen (5) umfassenden Brennstoffzellenstapel (3, 3'), der mit wasserstoffhaltigem Gas und Umgebungsluft betreibbar ist, und einem elektrischen Sekundärakkumulator (7), der durch die elektrische Energie des Brennstoffzellenstapels (3, 3') als temporärer Zwischenspeicher aufladbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoffzellenstapel (3, 3'), dessen Zellenzahl auf die Leerlaufspannung des Sekundärakkumulators (7) abgestimmt ist und sich in einem Betriebsbereich (B) mit einem Spannungsniveau befindet, und der Sekundärakkumulator (7) über einen stromsteuernden Halbleiter (43) elektrisch durchverbunden sind (9) und der Brennstoffzellenstapel (3, 3') in dem Betriebsbereich (B) die Spannung des Energieversorgungssystems (1, 100) bestimmt, sodass ein Entladen des Sekundärakkumulators (7) über den Brennstoffzellenstapel (3, 3') unmöglich ist.
Energieversorgungssystem (1, 100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Brennstoffzellenstapel (3, 3') und Sekundärakkumulator (7) auf dem gleichen Spannungsniveau (U_B) liegen, indem die positive Spannungsseite (11) und die negative Spannungsseite (13) des Brennstoffzellenstapels (3, 3') und des Akkumulators (7) derart direkt durchverbunden sind, dass beide auf dem gleichen Spannungsniveau liegen.
Energieversorgungssystem (1, 100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Brennstoffzellenstapel (3, 3') und Akkumulator (7), insbesondere galvanisch, miteinander gekoppelt sind, wobei insbesondere die elektrische Verschaltung (15, 17, 19, 21, 43), vorzugsweise zwischen Brennstoffzellenstapel (3, 3') und Akkumulator (7), trennspulenfrei realisiert ist.
Energieversorgungssystem (1, 100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Brennstoffzellenstapel (3, 3') und Akkumulator (7) über einen Schalter (15, 17, 19, 43) miteinander gekoppelt sind.
Energieversorgungssystem (1, 100) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Schalter (15) ein elektronischer Schalter (17, 43), wie zum Beispiel ein Mos-FET (43) oder ein Bipolar-Transistor, ist.
Energieversorgungssystem (1, 100) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Schalter (15) ein elektro-mechanischer Schalter (17, 19), wie zum Beispiel ein Relais, ein Bi-Metall-Schalter oder ein Kontaktschalter, ist.
Energieversorgungssystem (1, 100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die maximale Ladespannung (U_L) des Akkumulators (7) kleiner als der Betriebsspannungsbereich (U_V) der elektrischen Last (21) ist.
Energieversorgungssystem (1, 100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die minimale Anzahl (n) der Brennstoffzellenelemente (5) in dem Brennstoffzellenstapel (3, 3') bestimmt ist durch den Quotienten aus der Untergrenze des Betriebsspannungsbereichs (U_V) der elektrischen Last (21) und der minimalen Betriebsspannung (U_B) der Brennstoffzellenelemente (5), wobei zugleich der Quotient aus der Ladeendspannung des Akkumulators (7) und der maximalen Betriebsspannung (U_B) als Obergrenze der Brennstoffzellenelemente (5) beachtet wird.
Energieversorgungssystem (1, 100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die maximale Anzahl (n) der Brennstoffzellenelemente (5) in dem Brennstoffzellenstapel (3, 3') den Quotienten aus der maximalen Betriebsspannung (U_V) der elektrischen Last (21) und der maximalen Betriebspannung (U_B) der Brennstoffzellenelemente (5) des Brennstoffzellenstapel (3, 3') nicht überschreitet.
Energieversorgungssystem (1, 100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzellenanzahl (n) auf das Lastspannungsniveau (U_L) abgestimmt ist.
Energieversorgungssystem (1, 100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass über eine Steuereinheit (29) die Spannungsführung im Betriebsbereich (B) so gewählt ist, dass eine maximale Einzelzellspannung (U) einer Brennstoffzelle (5) von 0,85 V nicht überschritten wird.
Energieversorgungssystem (1, 100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoffzellenstapel (3, 3') durch die Steuereinheit (29) überstöchiometrisch (λ) bzgl. Wasserstoff geführt ist, wobei die Anode (23) unter einer Versorgung mit Druckregelung betreibbar ist.
Energieversorgungssystem (1, 100) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoffzellenstapel (3, 3') durch die Steuereinheit (29) überstöchiometrisch bzgl. Wasserstoff geführt ist, wobei die Anode (23) mit einem Wasserstoffrezirkulationskreis (27) verbunden ist.
Energieversorgungssystem (1, 100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in die Bestimmung des durchgeleiteten Luftmengestroms in der Steuereinheit (29) die Spannungsänderung des Energiesystems (1, 100) eingeht.
Energieversorgungssystem (1, 100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in die Bestimmung des durchgeleiteten Luftmengestroms in der Steuereinheit (29) die Temperaturentwicklung des Brennstoffzellenstapels (3, 3') eingeht.
Energieversorgungssystem (1, 100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in die Spannungsführung des Brennstoffzellenstapels (3, 3') mittels der Steuereinheit (29) auch eine Temperaturführung des Brennstoffzellenstapels (3, 3') eingeht.
Energieversorgungssystem (1, 100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoffzellenstapel (3) kühlkreislauffrei ist und insbesondere die einzige Kühlquelle des Brennstoffzellenstapels die Luft als angebotener Reaktand darstellt.
Energieversorgungssystem (1, 100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführung der Luft als Recktand aktiv beschleunigt ist, insbesondere durch einen durch das Energieversorgungssystem (1, 100) versorgten Luftförderer (31), der ein Gebläse oder ein Lüfter ist.
Energieversorgungssystem (1, 100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Energieversorgungssystem (1, 100) ein Ventil (35) ausweist, durch das der Wasserstoff aus einer Wasserstoffquelle (33) an den Brennstoffzellenstapel (3, 3') druckgesteuert, insbesondere über ein Druckminderungsventil (35) oder ein Druckregelventil, einfürbar ist.
Energieversorgungssystem (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Brennstoffzellenstapel (3, 3') gemeinsam die elektrochemische Primärquelle des elektrischen Stroms darstellen.
Energieversorgungssystem (100) nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass durch mindestens einen Brennstoffzellenstapel (3') von mehreren Brenstoffzellenstapeln (3, 3') ein Kühlkreislauf (41) durchleitbar ist, der eine Kühlflüssigkeit aufweist.
Energieversorgungssystem (1, 100) für eine elektrische Last (21) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der stromsteuernde Halbleiter (43) ein Mos-FET ist.
Energieversorgungssystem (1, 100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mittels Stromsensoren (45, 47, 49) der Laststrom und der Akkumulatorstrom gemessen werden, deren Messwerte in die Steuerung des Brennstoffzellenstapels (3, 3') eingehen.
Energieversorgungssystem (1, 100) nach einem der Ansprüche 22 oder 23, dadurch gekennzeichnet, das als einziges spannungsveränderndes Bauteil ein MOSFET (43) zwischen Brennstoffzellenstapel (3, 3') und Akkumulator (7) angeordnet ist.
Energieversorgungssystem (1, 100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Energievorsorgungssystem eine Anzeige umfasst, über die Rückmeldungen und Angaben zu Parameterwerten einer Steuer- und Berechnungseinheit (29) anzeigbar sind, sodass die Energieversorgungseinheit (1, 100) mit unterschiedlichen Brennstoffzellenstapeln (3, 3') und/oder mit unterschiedlichen Akkumulatoren (7) betreibbar ist, die im Betrieb austauschbar sind.
Verfahren zum Betreiben eines Energieversorgungssystems (1, 100) mit wenigstens einem Brennstoffzellenstapel (3, 3') und einem Akkumulator (7), die über einen stromsteuernden Halbleiter (43) elektrisch durchverbunden sind (9), dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoffzellenstapel (3, 3') in einem solchen Betriebsbereich (B) derart spannungsgeführt wird, dass das Spannungsniveau des Brennstoffzellenstapels (3, 3') die Spannung der Energieversorgungseinheit bestimmt, sodass ein Entladen des Sekundärakkumulators (7) über den Brennstoffzellenstapel (3, 3') unmöglich ist.
Verfahren nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit der Temperatur des Brennstoffzellenstapels (3, 3') der Kathodenreaktand, insbesondere in Form der Umgebungsluft, überstöchiometrisch eingebracht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 26 oder 27, dadurch gekennzeichnet, dass die luftmäßige Überströmung der Kathoden (25) des Brennstoffzellenstapels (3, 3') durch beschleunigte Luft erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 26 bis 28, das zur Steuerung eines Energieversorgungssystems (1, 100) nach einem der Ansprüche 1 bis 24 dient.