EP0992075A1 - Brennstoffzelle-methanolreformer mit einem energiespeicher und verfahren zur steuerung des energieflusses des systems - Google Patents
Brennstoffzelle-methanolreformer mit einem energiespeicher und verfahren zur steuerung des energieflusses des systemsInfo
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Definitions
- Fuel cell methanol reformer with an energy store and method for controlling the energy flow of the system
- the invention relates to a fuel cell with an upstream methanol reformer to which an energy store is connected in parallel and a method for controlling the energy flow of the system.
- Such fuel cells are known in particular as low-emission drives in the field of motor vehicles.
- the methanol in a tank like conventional fuel, is converted into electrical energy. This then serves to drive an electric motor.
- a large number of such fuel cells are operated in series (fuel cell stack).
- the energy storage connected in parallel, the z. B. is designed as a battery, serves as a starting aid, since the fuel cell can only be started up slowly in its operating state, and as a power buffer for providing power peaks of the drive.
- a particular disadvantage of this system is the poor efficiency with a full battery and low driving performance requirements (extreme part-load operation).
- the invention is therefore based on the technical problem of creating a fuel cell with a methanol reformer to which an energy store is connected in parallel and a method for controlling this system in order to operate the system with a higher degree of energy efficiency.
- the solution to the technical problem results from the features of claims 1 and 9.
- the state of charge of the energy store is detected by means of a state of charge sensor and fed to a control unit.
- the control unit changes the operating point of the fuel cell only if the state of charge of the energy store falls below a first threshold value or exceeds a second. This will ensures that the dynamic change in the power requirement can only be covered by the energy store, whereas the fuel cell can work statically at an operating point that is optimal for this, so that the energy efficiency of the system is considerably increased. Further advantageous embodiments of the invention result from the subclaims.
- the invention is explained in more detail below on the basis of a preferred exemplary embodiment.
- the single figure shows a block diagram of a fuel cell with a methanol reformer with an energy storage device connected in parallel for an electric lift.
- the system comprises a methanol tank 1, a fuel cell stack 2 with a methanol reformer, an energy store 3, a control device 4, a current measuring device 5, a temperature sensor 6, a step-up converter 7 and a drive control 8 for a motor 9 Methanol reformer supplied with the amount of methanol required for operation.
- the methanol is converted in the fuel cell 2 with a methanol reformer to generate electrical power.
- An energy store 3 is connected in parallel to the fuel cell 2 and is designed, for example, as a battery or supercapacitor. Because of the parallel connection, the voltages of the fuel cell 2 and the energy store 3 must be matched to one another.
- the step-up converter 7 is arranged between the fuel cell 2 and the energy store 3, by means of which the voltage of the fuel cell 2 can be adapted to that of the energy store 3.
- a current measuring device 5 is connected in series with it.
- the ammeter can, for. B. be designed as a shunt or current transformer.
- the signal outputs of the current measuring device 5 and the terminals of the energy store 3 are connected to the control device 4, which can then draw conclusions about the state of charge and load from current and voltage.
- all methods for determining the state of charge of the energy store 3 can be used for determining the state of charge. For a battery this would be e.g. B.
- the temperature sensor 6 is assigned to the energy store 3, the signal output of which is also connected to the control device 4.
- the fuel cell 2 is preferably operated statically at an operating point with good efficiency, as long as the state of charge of the energy store 3 falls below a certain threshold value.
- the drive control 8 receives a manipulated variable 10 which, for. B. is derived from the accelerator pedal position and means an increased power requirement for the engine 9, this additional power is taken exclusively from the energy store 3.
- the fuel cell 2 clearly supplies a constant base load, whereas the energy store 3 provides the peak load. If, on the other hand, the charge level of the energy store is undershot, the control device 4 starts up the fuel cell 2, ie the power output of the fuel cell 2 increases.
- the control unit 4 controls the fuel cell 2 back to the original operating point.
- the original operating point can also be the point zero fuel cell power. Since an overload of the energy store 3 can impair its functionality, when a second threshold value for the state of charge of the energy store 3 is exceeded, the fuel cell 2 is shut down or briefly switched off completely until the optimal state of charge has been restored. Possible threshold values for the state of charge are, for example, 70% for the first and 90% for the second threshold.
- the previously described control of the energy flow is independent of the control variable 10. If an upper temperature limit of the energy store is exceeded, the performance of the reformer fuel system can be reduced and, if necessary, regulated to zero.
- the control variable 10 is not completely disregarded.
- a safety reserve is necessary so that such operating states are derived from the control unit 4 from the control variable 10 and the operating point of the fuel cell 2 is raised regardless of the state of charge of the energy store 3.
- the current integral can be recorded over a certain time and, if a certain percentage of the nominal capacity of the energy store 3 is exceeded, the fuel cell 2 can be started up before the lower switch-on threshold is reached.
- the procedure described is not based on methanol Fuel cells limited but is also suitable for similar fuels or fuel cells.
Abstract
Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle (2) mit Methanolreformer mit einem Energiespeicher (3) und ein Verfahren zur Steuerung des Energieflusses dieses Systems, bei dem die Abgabeleistung der Brennstoffzelle (2) in Abhängigkeit vom Ladezustand des Energiespeichers (3) gesteuert wird.
Description
Brennstoffzelle-Methanolreformer mit einem Energiespeicher und Verfahren zur Steuerung des Energieflusses des Systems
Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle mit vorgeschaltetem Methanolreformer zu der parallel ein Energiespeicher geschaltet ist sowie ein Verfahren zur Steuerung des Energieflusses des Systems.
Derartige Brennstoffzellen sind insbesondere als emissionsarme Antriebe im Bereich der Kraftfahrzeuge bekannt. Dabei wird in der Brennstoffzelle mit Methanolreformer das wie herkömmlicher Kraftstoff in einem Tank befindliche Methanol in elektrische Energie umgesetzt. Diese dient dann zum Antrieb eines Elektromotors. Zur Erzeugung einer ausreichend großen Spannung werden eine Vielzahl derartiger Brennstoffzellen in Reihe betrieben (Brennstoffzellenstack). Der parallel geschaltete Energiespeicher, der z. B. als Batterie ausgebildet ist, dient dabei als Starthilfe, da die Brennstoffzelle nur langsam in seinen Betriebszustand hochgefahren werden kann, und als Leistungspuffer zur Bereitstellung von Leistungsspitzen des Antriebs. Nachteilig an diesem System ist insbesondere der schlechte Wirkungsgrad bei voller Batterie und geringen Fahrleistungsanforderungen (extremer Teillastbetrieb).
Der Erfindung liegt daher das technische Problem zugrunde, eine Brennstoffzelle mit Methanolreformer zu der parallel ein Energiespeicher geschaltet ist und ein Verfahren zur Steuerung dieses Systems zu schaffen, um das System mit einem höheren Energienutzungsgrad zu betreiben.
Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch die Merkmale der Patentansprüche 1 und 9. Dabei wird mittels eines Ladezustandssensors der Ladezustand des Energiespeichers erfaßt und einem Steuergerät zugeführt. Das Steuergerät ändert den Betriebspunkt der Brennstoffzelle nur dann, falls der Ladezustand des Energiespeichers einen ersten Schwellwert unterschreitet oder einen zweiten überschreitet. Dadurch wird
sichergestellt, daß die dynamische Änderung des Leistungsbedarfs nur vom Energiespeicher gedeckt werden, wohingegen die Brennstoffzelle in einem für diese optimalen Betriebspunkt statisch arbeiten kann, so daß der Energienutzungsgrad des Systems erheblich erhöht wird. Weiter vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Die einzige Figur zeigt ein Blockschaltbild einer Brennstoffzelle mit Methanolreformer mit parallel geschaltetem Energiespeicher für einen Elektroantheb.
Das System umfaßt einen Methanoltank 1, einen Brennstoffzellenstack 2 mit Methanolreformer, einen Energiespeicher 3, ein Steuergerät 4, ein Strommeßgerät 5, einen Temperatursensor 6, einen Hochsetzsteller 7 und eine Antriebssteuerung 8 für einen Motor 9. Über den Methanoltank 1 wird der Brennstoffzellenstack 2 mit Methanolreformer mit der für den Betrieb notwendigen Methanolmenge versorgt. Das Methanol wird in der Brennstoffzelle 2 mit Methanolreformer zur Erzeugung einer elektrischen Leistung umgesetzt. Parallel zur Brennstoffzelle 2 ist ein Energiespeicher 3 geschaltet, der z.B. als Batterie oder Superkondensator ausgebildet ist. Aufgrund der Parallelschaltung müssen die Spannungen der Brennstoffzelle 2 und des Energiespeichers 3 aufeinander abgestimmt sein. Um jedoch bei der Auswahl vorhandener Energiespeicher 3 einen größeren Freiheitsgrad zu erhalten, ist zwischen der Brennstoffzelle 2 und dem Energiespeicher 3 der Hochsetzsteller 7 angeordnet, mittels dessen die Spannung der Brennstoffzelle 2 an die des Energiespeichers 3 adaptiert werden kann. Um den Ladezustand des Energiespeichers 3 zu erfassen, ist zu diesem in Reihe ein Strommeßgerät 5 geschaltet . Das Strommeßgerät kann dabei z. B. als Shunt oder Stromwandler ausgebildet sein. Die Signalausgänge des Strommeßgerätes 5 und die Klemmen des Energiespeichers 3 sind mit dem Steuergerät 4 verbunden, das dann aus Strom und Spannung auf den Ladezustand und Belastung zurückschließen kann. Prinzipiell kommen für die Ladezustandsbestimmung alle Verfahren in Frage, mit denen der Ladezustand des Energiespeichers 3 erfaßbar ist. Für eine Batterie wären dies z. B. Säuredichtebestimmung, Zelldruck und Stromintegral. Des weiteren ist dem Energiespeicher 3 der Temperatursensor 6 zugeordnet, dessen Signalausgang ebenfalls mit dem Steuergerät 4 verbunden ist.
Die Brennstoffzelle 2 wird vorzugsweise in einem Betriebspunkt mit gutem Wirkungsgrad statisch betrieben, solange der Ladezustand des Energiespeichers 3 einen bestimmten Schwellwert unterschreitet. Erhält die Antriebssteuerung 8 eine Stellgröße 10, die z. B. von der Gaspedalstellung abgeleitet wird und einen erhöhten Leistungsbedarf für den Motor 9 bedeutet, so wird diese zusätzliche Leistung ausschließlich dem Energiespeicher 3 entnommen. Anschaulich liefert die Brennstoffzelle 2 eine konstante Grundlast, wohingegen der Energiespeicher 3 die Spitzenlast zur Verfügung stellt. Wird hingegen der Ladezustand des Energiespeichers unterschritten, so fährt das Steuergerät 4 die Brennstoffzelle 2 hoch, d. h. die Leistungsabgabe der Brennstoffzelle 2 erhöht sich. Erhöht sich der Ladezustand des Energiespeichers 3 derart, daß der Schwellwert wieder überschritten wird, so steuert das Steuergerät 4 die Brennstoffzelle 2 wieder in den ursprünglichen Betriebspunkt. Die Einführung einer Hysterese, um ein Schwingen um den Schwellwert herum zu vermeiden ist zweckmäßig. Der ursprüngliche Betriebspunkt kann auch der Punkt Brennstoffzellenleistung Null sein. Da eine Überladung des Energiespeichers 3 dessen Funktionalität beeinträchtigen kann, wird bei Überschreitung eines zweiten Schwellwertes für den Ladezustand des Energiespeichers 3 die Brennstoffzelle 2 heruntergefahren oder kurzzeitig ganz abgeschaltet, bis sich der optimale Ladezustand wieder eingestellt hat. Mögliche Schwellwerte für den Ladezustand sind z.B. 70 % für den ersten und 90 % für den zweiten Schwellwert. Die bisher beschriebene Steuerung des Energieflusses ist unabhängig von der Steuergröße 10. Bei Überschreiten einer oberen Temperaturgrenze des Energiespeichers kann die Leistung des Reformer-Brennstoffsystems reduziert und ggf. auf Null geregelt werden.
Um die Steuerung jedoch vorausschauender bzw. eine gewisse Sicherheitsreserve zur Verfügung zu stellen, wird die Steuergröße 10 nicht gänzlich unberücksichtigt gelassen. Insbesondere bei Beschleunigungsvorgängen oder Fahrten mit Höchstgeschwindigkeit ist eine Sicherheitsreserve notwendig, so daß solche Betriebszustände vom Steuergerät 4 aus der Steuergröße 10 abgeleitet werden und der Betriebspunkt der Brennstoffzelle 2 unabhängig vom Ladezustand des Energiespeichers 3 hochgefahren wird. Zur Erfassung solcher Betriebszustände kann dabei z.B. das Stromintegral über eine bestimmte Zeit erfaßt werden und bei Überschreitung eines gewissen Prozentsatzes der Nennkapazität des Energiespeichers 3 die Brennstoffzelle 2 hochgefahren werden bevor die untere Einschaltschwelle erreicht ist. Das beschriebene Verfahren ist nicht auf Methanol-
Brennstoffzellen beschränkt sondern ist auch für ähnliche Kraftstoffe bzw. Brennstoffzellen geeignet.
Claims
1. Brennstoffzelle mit Methanolreformer zu dessen Ausgang parallel ein elektrischer Energiespeicher geschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, daß dem elektrischen Energiespeicher (3) ein Ladezustandssensor (5) zugeordnet ist, dessen Signalausgänge mit einem Steuergerät (4) verbunden sind, das Steuergerät
(4) mit der Brennstoffzelle (2) verbunden ist und diese in Abhängigkeit vom Ladezustand des Energiespeichers (3) ansteuert.
2. Brennstoffzelle nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß der Energiespeicher
(5) als Batterie oder Superkondensator ausgebildet ist.
3. Brennstoffzelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Ladezustandssensor (5) als Strommeßgerät (5) ausgebildet ist.
4. Brennstoffzelle nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Strommeßgerät (5) als Shunt oder Stromwandler ausgebildet ist.
5. Brennstoffzelle nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß den Energiespeicher (3) ein Temperatursensor (6) zugeordnet ist, dessen Signalausgang mit den Steuergerät (4) verbunden ist.
6. Brennstoffzelle nach einem der vorangegangen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zwischen den Ausgängen der Brennstoffzelle (2) und des Energiespeichers (3) ein Hochsetzsteller (7) angeordnet ist.
7. Brennstoffzelle nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuergerät (4) mit einer Antriebsstellgröße (10) beaufschlagt wird.
8. Verwendung einer Brennstoffzelle nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffzelle (2) in einem Kraftfahrzeug mit Elektrobetrieb eingesetzt wird.
9. Verfahren zur Steuerung des Energieflusses einer Brennstoffzelle (2) mit Methanolreformer, zu dessen Ausgang parallel ein elektrischer Energiespeicher (3) geschaltet ist, mittels eines Ladezustandssensor (5) und eines Steuergerätes (4), bei dem eine zu betreibende Vorrichtung die Energie von der Brennstoffzelle (2) und/oder dem Energiespeicher (3) bezieht, umfassend folgende Verfahrensschritte:
a) mittels des Ladezustandssensor (5) wird kontinuierlich oder diskret der Ladezustand des Energiespeichers (3) erfaßt, b) der Ladezustand des Energiespeichers (3) wird dem Steuergerät (4) zugeführt, c) das Steuergerät (4) steuert in Abhängigkeit vom Ladezustand des Energiespeichers (3) den Betriebspunkt der Brennstoffzelle (2), wobei der Betriebspunkt der Brennstoffzelle (2) solange unverändert bleibt, bis der Ladezustand des Energiespeichers (3) einen ersten Schwellwert unterschreitet.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffzelle (2) bei Überschreitung eines zweiten Schwellwertes für den Ladezustand des Energiespeichers (3) durch das Steuergerät (4) abgeschaltet oder heruntergefahren wird.
11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß dem Steuergerät (4) eine Stellgröße (10) für eine Antriebssteuerung (8) zugeführt wird, aus der dieses die Fahrsituationen ableitet, bei denen unabhängig vom Ladezustand des Energiespeichers (3) die Brennstoffzelle (2) abgeschaltet oder hochgefahren wird.
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