Verfahren und Vorrichtung zum Betreiben einer Brennstoffzelle

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betreiben einer Brennstoffzelle mit einem elektromotorisch betriebenen Rezirkulationsgebläse und einem elektromotorisch betriebenen Luftverdichter.

üblicherweise wird bei der Gasversorgung für eine Brennstoffzelle kathodenseitig als Oxidationsstoff Frischluft zunächst in einem Luftverdichter komprimiert. Der Anode der Brennstoffzelle wird beispielsweise über ein Dosierventil überstö- chiometrischer Wasserstoff als Brennstoff zugeführt. Nicht umgesetzter Wasserstoff und an der Kathode übergetretener Stickstoff und Wasserdampf werden mittels eines Gebläses (im Weiteren Rezirkulationsgebläse) wieder auf das Druckniveau des Frischgases verdichtet und erneut in den Wasserstoffzu- strom eingespeist.

Im Allgemeinen werden der Luftverdichter zur Komprimierung der Frischluft und das Rezirkulationsgebläse zur Rückführung des Wasserstoffs elektromotorisch angetrieben. Zum Betreiben der Elektromotoren ist jeweils eine aufwändige Leistungselektronik erforderlich, was zu einem hohen Fertigungs- und daraus folgenden Kostenaufwand führt.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren und eine verbesserte Vorrichtung zum Betreiben einer Brennstoffzelle mit einem elektromotorisch betriebenen Rezirkulationsgebläse und einem elektromotorisch betriebenen Luftverdichter anzugeben.

Hinsichtlich des Verfahrens wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Hinsichtlich der Vorrichtung wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch die im Anspruch 8 angegebenen Merkmale gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche .

Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Betreiben einer Brennstoffzelle mit einem elektromotorisch betriebenen Rezirkulationsgebläse und einem e- lektromotorisch betriebenen Luftverdichter zeichnen sich dadurch aus, dass eine elektrische Versorgungsspannung für die elektromotorischen Antriebe des Rezirkulationsgebläses und des Luftverdichters mittels eines gemeinsamen Umrichters aus der elektrischen Gleichspannung der Brennstoffzelle bereitgestellt wird. Aus der Notwendigkeit nur eines Umrichters zum Betrieb beider elektromotorischen Antriebe leiten sich in vorteilhafter Weise eine Platzersparnis, z. B. in einem brennstoffzellenbetriebenen Fahrzeug, und ein verringerter Montageaufwand ab.

Zur Versorgung der elektrischen Antriebe des Rezirkulationsgebläses und des Luftverdichters generiert der Umrichter aus der Gleichspannung der Brennstoffzelle oder aus einer konstanten Gleichspannung eine Wechselspannung. Die konstante Gleichspannung wird mittels eines extern angeordneten oder in

den Umrichter integrierten Gleichspannungswandlers erzeugt. Daraus ergibt sich in vorteilhafter Weise, dass die zum Re- zirkulationsgebläse und Luftverdichter gehörigen elektrischen Verstärker nicht auf unterschiedliche Spannungsniveaus ausgelegt werden müssen. Somit ist es möglich, die elektrischen Verstärker möglichst klein und bauraumsparend und kostengünstig herzustellen.

Die jeweiligen elektromotorischen Antriebe des Rezirkulati- onsgebläses und des Luftverdichters werden mit der Wechselspannung versorgt, die mittels getrennt ausgeführter, in den Umrichter integrierter Leistungshalbleiter, Frequenzfilter und in Abhängigkeit einer elektrischen Stromstärke erzeugt wird. Die Höhe der elektrischen Stromstärke richtet sich nach einer momentan durch die elektromotorischen Antriebe erzeugten Leistung und wird mittels getrennt ausgeführter Strommessgeräte erfasst. Diese für das Rezirkulationsgebläse und den Luftverdichter getrennte Bauteilausführung führt zu dem Vorteil, dass die Bauteile auf das jeweilige Leistungsniveau der elektromotorischen Antriebe ausgelegt werden können und somit ein hoher Wirkungsgrad und eine geringere Wärmeentwicklung durch eine Verringerung der elektrischen Verluste erzielt werden.

Die getrennt ausgeführten Leistungshalbleiter werden mittels eines gemeinsamen Kühlkörpers gekühlt, was zu einer Verringerung der Baugröße, der Montage- und Herstellungskosten führt.

Zur Versorgung des Umrichters mit der elektrischen Gleichspannung ist eingangsseitig eine Anschlussvorrichtung vorgesehen. Somit wird im Vergleich zu einer getrennten Ausführung der Umrichter für das Rezirkulationsgebläse und den Luftverdichter eine Bauraum- und Kostenersparnis erzielt.

Die elektrischen Antriebe werden mittels getrennt ausgeführter Anschlussvorrichtungen mit der Wechselspannung versorgt. Hierdurch sind beispielsweise im Fehlerfall eine einfache und getrennte Demontage sowie eine separate Trennung der elektromotorischen Antriebe von dem Umrichter möglich.

Zusammenfassend wird durch den für das Rezirkulationsgebläse und den Luftverdichter der Brennstoffzelle gemeinsam ausgeführten Umrichter vor allem eine deutliche Volumen- und Gewichtseinsparung sowie eine Verringerung der Montage- und Herstellungskosten ermöglicht.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.

Dabei zeigen:

Fig. 1 schematisch ein Blockdiagramm eines Ablaufes einer Erzeugung einer Wechselspannung aus einer Gleichspannung einer Brennstoffzelle für ein Rezirkulationsgebläse und einen Luftverdichter, und

Fig. 2 schematisch den Aufbau eines Umrichters mit einem integrierten Gleichrichter.

Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

Figur 1 stellt den Ablauf der Erzeugung von zwei Wechselspannungen AC2, AC3 aus einer schwankenden Gleichspannung DCl der Brennstoffzelle 1 für das Rezirkulationsgebläse 2 und den Luftverdichter 3 dar. Die Höhe der schwankenden Gleichspan-

nung DCl ist unter anderem von der Qualität eines Brennstoffs, der Brennstoffzelle 1 selbst und von einer Temperatur abhängig und deshalb nicht konstant.

Das Rezirkulationsgebläse 2 und der Luftverdichter 3 werden mittels nicht näher dargestellter elektromotorischer Antriebe betrieben. Da sowohl das Rezirkulationsgebläse 2 als auch der Luftverdichter 3 in Abhängigkeit von Betriebszuständen der Brennstoffzelle 1 arbeiten, kommt es zu einer inkonstanten Leistung, und somit zu einem inkonstanten Strombedarf der e- lektromotorischen Antriebe.

Bei einem gleichzeitigen Vorkommen der schwankenden Gleichspannung DCl und einem inkonstanten Strombedarf muss ein Umrichter 4 zur Erzeugung der Wechselspannungen AC2, AC3 auf unterschiedliche Strom- und Spannungsniveaus, d. h. auf nied ^¬ rige Stromwerte bei hohen Spannungswerten und auf hohe Stromwerte bei niedrigen Spannungswerten ausgelegt werden. Da die Auslegung des Umrichters 4 auf unterschiedliche Strom- und Spannungsniveaus jedoch zu einem großen Materialaufwand und daraus folgend zu hohen Herstellungskosten sowie zu einem verringerten Wirkungsgrad führt, ist dem Umrichter 4 in vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ein Gleichrichter 5 vorgeschaltet oder der Gleichrichter 5 ist in den Umrichter 4 integriert.

Dieser Gleichrichter 5 erzeugt aus der schwankenden Gleichspannung DCl eine konstante Gleichspannung DC5, so dass der Umrichter 4 lediglich für unterschiedliche Stromniveaus bei einer konstanten Gleichspannung DC5 ausgelegt werden muss. Aus dieser konstanten Gleichspannung DC5 erzeugt der Umrichter 4 eine Wechselspannung AC2 zur Versorgung des elektromotorischen Antriebs des Rezirkulationsgebläses 2 und eine

Wechselspannung AC3 zur Versorgung des elektromotorischen Antriebs des Luftverdichters 3.

Figur 2 zeigt den Aufbau des Umrichters 4 mit einem in den Umrichter 4 integrierten Gleichrichter 5. Eingangsseitig ist der Umrichter 4 mit einer Anschlussvorrichtung 6, z. B. Anschlussklemmen, versehen, mittels derer der Umrichter 4 mit der schwankenden Gleichspannung DCl versorgt wird. Aus dieser schwankenden Gleichspannung DCl erzeugt der Gleichrichter 5 die konstante Gleichspannung DC5. Die Leistungshalbleiter 5.1 des Gleichrichters 5 werden dabei mittels eines Kühlkörpers 7 gekühlt. Dieser Kühlkörper ist gleichzeitig zur Kühlung von Leistungshalbleitern 8.1 eines Verstärkers 8, Leistungshalbleitern 9.1 eines Wechselrichters 9 und Leistungshalbleitern 10.1 eines weiteren Wechselrichters 10 vorgesehen. Somit ist es möglich, eine Volumen- und Gewichtseinsparung sowie eine Kostenverringerung zu erreichen.

Ein Verstärker 8 verstärkt die konstante Gleichspannung DC5 auf eine verstärkte Gleichspannung DC8. Zur Erreichung eines möglichst hohen Wirkungsgrades des Umrichters 4 ist es erforderlich, die Höhe der verstärkten Gleichspannung DC8 in Abhängigkeit von der Größe einer nachgeschalteten elektrischen Last festzulegen, insbesondere an die größte elektrische Last anzupassen.

Bei der größten elektrischen Last handelt es sich um den Luftverdichter 3. Der zu dem Luftverdichter 3 gehörige Wechselrichter 9 erzeugt aus der eingangsseitigen verstärkten Gleichspannung DC8 eine Wechselspannung AC9, z. B. eine dreiphasige Wechselspannung, zur Versorgung des Luftverdichters 3. Zum Betrieb des Rezirkulationsgebläses 2 generiert der Wechselrichter 10 aus der verstärkten Gleichspannung DC8

eine WechselSpannung AClO, bei der es sich beispielsweise auch um eine dreiphasige WechselSpannung handeln kann.

In dem Umrichter 4 sind Filter 11, 12 angeordnet, die aus den erzeugten WechselSpannungen AC9, AClO nicht erwünschte Signa- xc, z. B. OJJCγWCXXCπ im SpännüuySvβriäüi , βnticϊTicπ. Ui-iβr eine Anschlussvorrichtung 13, z. B. eine Anschlussklemme, ist die WechselSpannung AC3 zur Versorgung des elektromotorischen Antriebs des Luftverdichters 3 abgreifbar. über eine weitere gesonderte Anschlussvorrichtung 14 wird die Wechselspannung AC2 für das Rezirkulationsgebläse 2 bereitgestellt. Durch diese getrennte Ausführung der Anschlussvorrichtungen 13, 14 werden beispielsweise im Fehlerfall eine einfache und separate Demontage sowie eine gesonderte Trennung der e- lektromotorischen Antriebe von dem Umrichter 4 ermöglicht.

Weiterhin werden an den Anschlussvorrichtungen 13, 14 mittels getrennt ausgeführter Strommessgeräte 15, 16 die elektrischen Ströme des Luftverdichters 3 und Rezirkulationsgebläses 2 er- fasst. Diese Messwerte werden in einer Logikeinheit 17 verarbeitet und zu einer Ansteuerung des Gleichrichters 5, des Verstärkers 8 und der Wechselrichter 9, 10 verwendet. In die ^¬ ser Logikeinheit 17 sind eine CAN-Bus-Anbindung 17.1 (CAN = Controller Area Network), ein Analyser 17.2, eine Steuereinrichtung 17.3 und ein Fehlerspeicher 17.4 zusammengefasst .

Mittels der CAN-Bus-Anbindung 17.1 wird eine Vernetzung und ein Datenaustausch des Umrichters 4 mit anderen Steuergeräten, z. B. innerhalb eines Fahrzeugs ermöglicht. Der Analyser 17.2 erfasst in Echtzeit Betriebszustände der einzelnen Komponenten des Umrichters 4. Bei diesen Betriebszuständen handelt es sich beispielsweise um die mittels der Strommessgeräte 15, 16 erfassten elektrischen Ströme, um elektrische Spannungen oder Temperaturwerte. Anhand von diesen durch den

Analyser 17.2 erfassten Betriebszuständen steuert eine Steuereinrichtung 17.3 den Gleichrichter 5, den Verstärker 8 und die Wechselrichter 9, 10 an.

Ferner werden die durch den Analyser 17.2 in Echtzeit erfassten Betriebszustände in einem Fehlerspeicher 17.4. gespeichert. Dieser Fehlerspeicher 17.4 ist in Form eines Ringspeichers ausgebildet, in welchem die Betriebszustände der letzten Sekunden des Betriebes revolvierend aufgezeichnet werden. Bei einem Fehlerfall des Umrichters 4 wird die Aufzeichnung der Betriebszustände angehalten und diese in einen nicht- flüchtigen Speicher kopiert. Somit werden eine detaillierte Analyse eines Fehlers und dessen Ursachen zu einem späteren Zeitpunkt ermöglicht.

In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist der Umrichter 4 zusätzlich zum Betrieb des Rezirkulationsgebläses 2 und des Luftverdichters 3 zum Betreiben weiterer elektrischer Lasten, z. B. eine Kühlwasserpumpe, eine Klimaanlage und/oder ein Gebläse, nutzbar. Hieraus resultieren zusätzliche Volumen- und Gewichtseinsparungen sowie eine Verringerung der Montage- und Herstellungskosten.

Bezugs zeichenliste

1 Brennstoffzelle

2 Rezirkulationsgebläse

3 Luftverdichter

4 Umrichter

5 Gleichrichter

5.1 Leistungshalbleiter

6 Anschlussvorrichtung

7 Kühlkörper

8 Verstärker

8.1 Leistungshalbleiter

9 Wechselrichter

9.1 Leistungshalbleiter

10 Wechselrichter 10.1 Leistungshalbleiter

11 Filter

12 Filter

13 Anschlussvorrichtung

14 Anschlussvorrichtung

15 Strommessgerät

16 Strommessgerät

17 Logikeinheit

17.1 CAN-Bus-Anbindung

17.2 Analyser

17.3 Steuereinrichtung

17.4 Fehlerspeicher

AC2 Wechselspannung

AC3 Wechselspannung

AC9 Wechselspannung

λC10 W6chsθls ⁿ 3ππuπ ^π

DCl Schwankende Gleichspannung

DC5 konstante Gleichspannung

DC8 Verstärkte Gleichspannung