WO2009024199A1 - Method and apparatus for operating a fuel cell - Google Patents

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WO2009024199A1 PCT/EP2008/004225 EP2008004225W WO2009024199A1 WO 2009024199 A1 WO2009024199 A1 WO 2009024199A1 EP 2008004225 W EP2008004225 W EP 2008004225W WO 2009024199 A1 WO2009024199 A1 WO 2009024199A1
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Definitions

  • the invention relates to a method and a device for operating a fuel cell with an electric motor operated recirculation fan and an electric motor driven air compressor.
  • the gas supply for a fuel cell on the cathode side as the oxidant fresh air is first compressed in an air compressor.
  • the anode of the fuel cell is supplied with superstoichiometric hydrogen as fuel via a metering valve.
  • Unreacted hydrogen and nitrogen and water vapor transferred at the cathode are re-compressed to the pressure level of the fresh gas by means of a blower (hereinafter called recirculation blower) and fed again into the hydrogen stream.
  • the air compressor for compressing the fresh air and the recirculation fan for the return of the hydrogen are driven by an electric motor.
  • a complex power electronics is required in each case, which leads to a high production and consequent costs.
  • the invention is therefore based on the object to provide an improved method and an improved apparatus for operating a fuel cell with an electric motor driven recirculation fan and an electric motor driven air compressor.
  • the object is achieved by the features specified in claim 1.
  • the object is achieved by the features specified in claim 8.
  • the inventive method and the inventive device for operating a fuel cell with an electric motor driven recirculation fan and a e- lektromotorisch operated air compressor are characterized by the fact that an electrical supply voltage for the electromotive drives of the recirculation and the air compressor by means of a common converter from the electrical DC voltage Fuel cell is provided. From the necessity of only one inverter for operating both electric motor drives are derived advantageously a space savings, eg. B. in a fuel cell powered vehicle, and a reduced installation costs.
  • the converter To supply the electrical drives of the recirculation blower and the air compressor, the converter generates an AC voltage from the DC voltage of the fuel cell or from a constant DC voltage.
  • the constant DC voltage is applied by means of an externally arranged or in generated the inverter integrated DC-DC converter.
  • the respective electromotive drives of the recirculation blower and of the air compressor are supplied with the alternating voltage, which is generated by means of separately implemented power semiconductors integrated in the converter, frequency filters and in dependence on an electrical current.
  • the magnitude of the electric current depends on a power currently generated by the electric motor drives and is detected by means of separately performed ammeters.
  • the separately designed power semiconductors are cooled by means of a common heat sink, which leads to a reduction of the size, the assembly and manufacturing costs.
  • connection device To supply the inverter with the electrical DC voltage input side, a connection device is provided.
  • the electric drives are supplied by means of separately executed connection devices with the AC voltage.
  • the converter designed in common for the recirculation fan and the air compressor of the fuel cell enables above all a significant reduction in volume and weight as well as a reduction in assembly and production costs.
  • FIG. 1 schematically shows a block diagram of a process of generating an AC voltage from a DC voltage of a fuel cell for a recirculation blower and an air compressor
  • Fig. 2 shows schematically the structure of an inverter with an integrated rectifier.
  • FIG. 1 shows the sequence of the generation of two alternating voltages AC2, AC3 from a fluctuating DC voltage DC1 of the fuel cell 1 for the recirculation fan 2 and the air compressor 3.
  • the magnitude of the fluctuating DC voltage DCL depends, among other things, on the quality of a fuel, the fuel cell 1 itself and on a temperature and is therefore not constant.
  • the recirculation fan 2 and the air compressor 3 are operated by means of non-illustrated electric motor drives. Since both the recirculation fan 2 and the air compressor 3 operate as a function of operating states of the fuel cell 1, there is an inconstant power, and thus an inconstant power requirement of e- lektromotorischen drives.
  • an inverter 4 to generate the alternating voltages AC2 must AC3 that is to be designed for nied ⁇ membered current values at high voltage levels and high current values at low voltage values to different current and voltage levels.
  • the inverter 4 in an advantageous embodiment of the invention, a rectifier 5 is connected upstream or the rectifier 5 is in the Inverter 4 integrated.
  • This rectifier 5 generates from the fluctuating DC voltage DCL a constant DC voltage DC5, so that the inverter 4 only has to be designed for different current levels at a constant DC voltage DC5. From this constant DC voltage DC5, the converter 4 generates an AC voltage AC2 for supplying the electromotive drive of the recirculation blower 2 and a AC voltage AC3 for supplying the electromotive drive of the air compressor 3.
  • FIG. 2 shows the structure of the inverter 4 with a built-in inverter 4 rectifier 5.
  • the inverter 4 On the input side, the inverter 4 with a connection device 6, z. B. terminals, provided by means of which the inverter 4 is supplied with the fluctuating DC voltage DCl. From this fluctuating DC voltage DC1, the rectifier 5 generates the constant DC voltage DC5.
  • the power semiconductors 5.1 of the rectifier 5 are cooled by means of a heat sink 7. This heat sink is simultaneously provided for cooling power semiconductors 8.1 of an amplifier 8, power semiconductors 9.1 of an inverter 9 and power semiconductors 10.1 of a further inverter 10.
  • An amplifier 8 amplifies the constant DC voltage DC5 to a boosted DC voltage DC8. To achieve the highest possible efficiency of the inverter 4, it is necessary to set the height of the amplified DC voltage DC8 as a function of the size of a downstream electrical load, in particular to adapt to the largest electrical load.
  • the largest electrical load is the air compressor 3.
  • the belonging to the air compressor 3 inverter 9 generates from the input side amplified DC voltage DC8 AC voltage AC9, z.
  • the inverter 10 generates from the amplified DC voltage DC8 an alternating voltage AClO, which may be, for example, a three-phase AC voltage.
  • filters 11, 12 are arranged, from the generated AC voltages AC9, AClO unwanted Signa- xc, z. B. OJJC ⁇ WCXXC ⁇ in the SpännüuySv ⁇ riäüi, ⁇ ntic ⁇ Tic ⁇ .
  • Ui-i ⁇ r a connection device 13, z. B. a terminal, the AC voltage AC3 for supplying the electric motor drive of the air compressor 3 can be tapped.
  • the AC voltage AC2 for the recirculation fan 2 is provided.
  • the electric currents of the air compressor 3 and recirculation blower 2 are detected at the connecting devices 13, 14 by means of separately implemented current measuring devices 15, 16. These measured values are processed in a logic unit 17 and used to drive the rectifier 5, the amplifier 8 and the inverters 9, 10.
  • the analyzer 17.2 detects operating states of the individual components of the converter 4 in real time. These operating states are, for example, the electrical currents detected by the ammeters 15, 16, electrical voltages or temperature values. On the basis of these by the Analyzer 17.2 detected operating states controls a controller 17.3 the rectifier 5, the amplifier 8 and the inverters 9, 10 at.
  • This error memory 17.4 is in the form of a ring memory, in which the operating states of the last seconds of operation are recorded revolving. In the event of an error in the inverter 4, the recording of the operating states is stopped and these are copied to a non-volatile memory. This allows for a detailed analysis of an error and its causes at a later date.
  • the inverter 4 in addition to the operation of the recirculation fan 2 and the air compressor 3 for operating other electrical loads, eg. As a cooling water pump, air conditioning and / or a fan, usable. This results in additional volume and weight savings and a reduction in assembly and manufacturing costs.

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Abstract

The invention relates to a method and an apparatus for operating a fuel cell (1) with a recirculation fan (2) operated by an electric motor and an air compressor (3) operated by an electric motor, wherein an electrical supply voltage for the electric motor drives of the recirculation fan (2) and of the air compressor (3) is provided to the fuel cell (1) by means of a common converter (4) from an electrical DC voltage.

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Betreiben einer BrennstoffzelleMethod and device for operating a fuel cell
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betreiben einer Brennstoffzelle mit einem elektromotorisch betriebenen Rezirkulationsgebläse und einem elektromotorisch betriebenen Luftverdichter.The invention relates to a method and a device for operating a fuel cell with an electric motor operated recirculation fan and an electric motor driven air compressor.
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.Usually, in the gas supply for a fuel cell on the cathode side as the oxidant fresh air is first compressed in an air compressor. For example, the anode of the fuel cell is supplied with superstoichiometric hydrogen as fuel via a metering valve. Unreacted hydrogen and nitrogen and water vapor transferred at the cathode are re-compressed to the pressure level of the fresh gas by means of a blower (hereinafter called recirculation blower) and fed again into the hydrogen stream.
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.In general, the air compressor for compressing the fresh air and the recirculation fan for the return of the hydrogen are driven by an electric motor. To operate the electric motors, a complex power electronics is required in each case, which leads to a high production and consequent costs. The invention is therefore based on the object to provide an improved method and an improved apparatus for operating a fuel cell with an electric motor driven recirculation fan and an electric motor driven air compressor.
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.With regard to the method, the object is achieved by the features specified in claim 1. With regard to the device, the object is achieved by the features specified in claim 8.
Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche .Advantageous embodiments are the subject of the dependent claims.
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.The inventive method and the inventive device for operating a fuel cell with an electric motor driven recirculation fan and a e- lektromotorisch operated air compressor are characterized by the fact that an electrical supply voltage for the electromotive drives of the recirculation and the air compressor by means of a common converter from the electrical DC voltage Fuel cell is provided. From the necessity of only one inverter for operating both electric motor drives are derived advantageously a space savings, eg. B. in a fuel cell powered vehicle, and a reduced installation costs.
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.To supply the electrical drives of the recirculation blower and the air compressor, the converter generates an AC voltage from the DC voltage of the fuel cell or from a constant DC voltage. The constant DC voltage is applied by means of an externally arranged or in generated the inverter integrated DC-DC converter. This results in an advantageous manner that the electric booster belonging to the circulation blower and the air compressor need not be designed for different voltage levels. Thus, it is possible to produce the electrical amplifier as small as possible and space-saving and inexpensive.
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.The respective electromotive drives of the recirculation blower and of the air compressor are supplied with the alternating voltage, which is generated by means of separately implemented power semiconductors integrated in the converter, frequency filters and in dependence on an electrical current. The magnitude of the electric current depends on a power currently generated by the electric motor drives and is detected by means of separately performed ammeters. This component design, which is separate for the recirculation blower and the air compressor, leads to the advantage that the components can be designed for the respective power level of the electromotive drives and thus high efficiency and less heat development are achieved by reducing the electrical losses.
Die getrennt ausgeführten Leistungshalbleiter werden mittels eines gemeinsamen Kühlkörpers gekühlt, was zu einer Verringerung der Baugröße, der Montage- und Herstellungskosten führt.The separately designed power semiconductors are cooled by means of a common heat sink, which leads to a reduction of the size, the assembly and manufacturing costs.
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.To supply the inverter with the electrical DC voltage input side, a connection device is provided. Thus, compared to a separate embodiment of the inverter for the recirculation fan and the air compressor space and cost savings can be achieved. The electric drives are supplied by means of separately executed connection devices with the AC voltage. As a result, a simple and separate disassembly and a separate separation of the electric motor drives of the inverter are possible, for example in case of failure.
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.In summary, the converter designed in common for the recirculation fan and the air compressor of the fuel cell enables above all a significant reduction in volume and weight as well as a reduction in assembly and production costs.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.Embodiments of the invention are explained in more detail below with reference to drawings.
Dabei zeigen:Showing:
Fig. 1 schematisch ein Blockdiagramm eines Ablaufes einer Erzeugung einer Wechselspannung aus einer Gleichspannung einer Brennstoffzelle für ein Rezirkulationsgebläse und einen Luftverdichter, und1 schematically shows a block diagram of a process of generating an AC voltage from a DC voltage of a fuel cell for a recirculation blower and an air compressor, and
Fig. 2 schematisch den Aufbau eines Umrichters mit einem integrierten Gleichrichter.Fig. 2 shows schematically the structure of an inverter with an integrated rectifier.
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.Corresponding parts are provided in all figures with the same reference numerals.
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.FIG. 1 shows the sequence of the generation of two alternating voltages AC2, AC3 from a fluctuating DC voltage DC1 of the fuel cell 1 for the recirculation fan 2 and the air compressor 3. The magnitude of the fluctuating DC voltage DCL depends, among other things, on the quality of a fuel, the fuel cell 1 itself and on a temperature and is therefore not constant.
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.The recirculation fan 2 and the air compressor 3 are operated by means of non-illustrated electric motor drives. Since both the recirculation fan 2 and the air compressor 3 operate as a function of operating states of the fuel cell 1, there is an inconstant power, and thus an inconstant power requirement of e- lektromotorischen drives.
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.In a simultaneous occurrence of the fluctuating DC voltage DCL and a non-constant power demand, an inverter 4 to generate the alternating voltages AC2 must AC3 that is to be designed for nied ¬ membered current values at high voltage levels and high current values at low voltage values to different current and voltage levels. However, since the design of the converter 4 leads to different levels of power and voltage to a high cost of materials and consequent high manufacturing costs and reduced efficiency, the inverter 4 in an advantageous embodiment of the invention, a rectifier 5 is connected upstream or the rectifier 5 is in the Inverter 4 integrated.
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.This rectifier 5 generates from the fluctuating DC voltage DCL a constant DC voltage DC5, so that the inverter 4 only has to be designed for different current levels at a constant DC voltage DC5. From this constant DC voltage DC5, the converter 4 generates an AC voltage AC2 for supplying the electromotive drive of the recirculation blower 2 and a AC voltage AC3 for supplying the electromotive drive of the air compressor 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.Figure 2 shows the structure of the inverter 4 with a built-in inverter 4 rectifier 5. On the input side, the inverter 4 with a connection device 6, z. B. terminals, provided by means of which the inverter 4 is supplied with the fluctuating DC voltage DCl. From this fluctuating DC voltage DC1, the rectifier 5 generates the constant DC voltage DC5. The power semiconductors 5.1 of the rectifier 5 are cooled by means of a heat sink 7. This heat sink is simultaneously provided for cooling power semiconductors 8.1 of an amplifier 8, power semiconductors 9.1 of an inverter 9 and power semiconductors 10.1 of a further inverter 10. Thus, it is possible to achieve a volume and weight savings as well as a cost reduction.
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.An amplifier 8 amplifies the constant DC voltage DC5 to a boosted DC voltage DC8. To achieve the highest possible efficiency of the inverter 4, it is necessary to set the height of the amplified DC voltage DC8 as a function of the size of a downstream electrical load, in particular to adapt to the largest electrical load.
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.The largest electrical load is the air compressor 3. The belonging to the air compressor 3 inverter 9 generates from the input side amplified DC voltage DC8 AC voltage AC9, z. To operate the Rezirkulationsgebläses 2, the inverter 10 generates from the amplified DC voltage DC8 an alternating voltage AClO, which may be, for example, a three-phase AC voltage.
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.In the inverter 4 filters 11, 12 are arranged, from the generated AC voltages AC9, AClO unwanted Signa- xc, z. B. OJJCΓWCXXCΠ in the SpännüuySvβriäüi, βnticϊTicπ. Ui-iβr a connection device 13, z. B. a terminal, the AC voltage AC3 for supplying the electric motor drive of the air compressor 3 can be tapped. Via a further separate connection device 14, the AC voltage AC2 for the recirculation fan 2 is provided. This separate embodiment of the connection devices 13, 14, for example, in the event of a fault, a simple and separate disassembly and a separate separation of e- lektromotorischen drives of the inverter 4 allows.
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 .Furthermore, the electric currents of the air compressor 3 and recirculation blower 2 are detected at the connecting devices 13, 14 by means of separately implemented current measuring devices 15, 16. These measured values are processed in a logic unit 17 and used to drive the rectifier 5, the amplifier 8 and the inverters 9, 10. In the ser ¬ logic unit 17 is a CAN-bus connection 17.1 (CAN = Controller Area Network), an analyzer 17.2, 17.3 a control device and an error memory 17.4 are summarized.
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.By means of the CAN bus connection 17.1 networking and data exchange of the inverter 4 with other control devices, eg. B. within a vehicle. The analyzer 17.2 detects operating states of the individual components of the converter 4 in real time. These operating states are, for example, the electrical currents detected by the ammeters 15, 16, electrical voltages or temperature values. On the basis of these by the Analyzer 17.2 detected operating states controls a controller 17.3 the rectifier 5, the amplifier 8 and the inverters 9, 10 at.
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.Furthermore, the operating states detected by the analyzer 17.2 in real time are stored in an error memory 17.4. saved. This error memory 17.4 is in the form of a ring memory, in which the operating states of the last seconds of operation are recorded revolving. In the event of an error in the inverter 4, the recording of the operating states is stopped and these are copied to a non-volatile memory. This allows for a detailed analysis of an error and its causes at a later date.
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. In an advantageous embodiment of the invention, the inverter 4 in addition to the operation of the recirculation fan 2 and the air compressor 3 for operating other electrical loads, eg. As a cooling water pump, air conditioning and / or a fan, usable. This results in additional volume and weight savings and a reduction in assembly and manufacturing costs.
Bezugs zeichenlisteReference sign list
1 Brennstoffzelle1 fuel cell
2 Rezirkulationsgebläse2 recirculation fans
3 Luftverdichter3 air compressor
4 Umrichter4 inverters
5 Gleichrichter5 rectifiers
5.1 Leistungshalbleiter5.1 power semiconductors
6 Anschlussvorrichtung6 connection device
7 Kühlkörper7 heat sink
8 Verstärker8 amplifiers
8.1 Leistungshalbleiter8.1 power semiconductors
9 Wechselrichter9 inverters
9.1 Leistungshalbleiter9.1 Power semiconductors
10 Wechselrichter 10.1 Leistungshalbleiter10 inverters 10.1 power semiconductors
11 Filter11 filters
12 Filter12 filters
13 Anschlussvorrichtung13 connection device
14 Anschlussvorrichtung14 connection device
15 Strommessgerät15 ammeter
16 Strommessgerät16 ammeters
17 Logikeinheit17 logic unit
17.1 CAN-Bus-Anbindung17.1 CAN bus connection
17.2 Analyser17.2 Analyzer
17.3 Steuereinrichtung17.3 control device
17.4 Fehlerspeicher AC2 Wechselspannung17.4 Error memory AC2 AC voltage
AC3 WechselspannungAC3 AC voltage
AC9 WechselspannungAC9 AC voltage
ΛC10 W6chsθlsn3ππuππ 10C10 W6chsθls n 3ππuπ π
DCl Schwankende GleichspannungDCl fluctuating DC voltage
DC5 konstante GleichspannungDC5 constant DC voltage
DC8 Verstärkte Gleichspannung DC8 Reinforced DC voltage

Claims

Patentansprüche claims
1. Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzelle (1) mit einem elektromotorisch betriebenen Rezirkulationsgeblä- se (2) und einem elektromotorisch betriebenen Luftverdichter (3) , dadurch gekennzeichnet, dass eine elektrische Versorgungsspannung für die elektromotorischen Antriebe des Rezirkulationsgebläses (2) und des Luftverdichters (3) mittels eines gemeinsamen Umrichters (4) aus einer elektrischen Gleichspannung der Brennstoffzelle (1) bereitgestellt wird.1. A method for operating a fuel cell (1) with an electric motor operated Rezirkulationsgeblä- se (2) and an electric motor operated air compressor (3), characterized in that an electrical supply voltage for the electric motor drives the recirculation fan (2) and the air compressor (3 ) is provided by means of a common converter (4) from a direct electrical voltage of the fuel cell (1).
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass aus der elektrischen Gleichspannung der Brennstoffzelle (1) oder aus einer konstanten Gleichspannung (DC5) mittels des Umrichters (4) Wechselspannungen (AC2, AC3) als Versorgungsspannungen der elektromotorischen Antriebe generiert werden.2. The method according to claim 1, characterized in that from the electrical DC voltage of the fuel cell (1) or from a constant DC voltage (DC5) by means of the inverter (4) AC voltages (AC2, AC3) are generated as supply voltages of the electric motor drives.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die konstante Gleichspannung (DC5) aus der elektrischen Gleichspannung der Brennstoffzelle (1) mittels ei- nes extern angeordneten oder in den Umrichter (4) integrierten Gleichrichters (5) generiert wird.3. The method according to claim 2, characterized in that the constant DC voltage (DC5) from the electrical DC voltage of the fuel cell (1) by means of a nes externally arranged or in the inverter (4) integrated rectifier (5) is generated.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Wechselspannungen (Ac2, AC3) mittels in den Umrichter (4) integrierter, für die elektromotorischen Antriebe des Rezirkulationsgebläses (2) und des Luftverdichters (3) gesondert ausgeführter Leistungshalbleiter (5.1, 8.1, 9.1, 10.1) und Filter (11, 12) sowie in Abhängigkeit einer elektrischen Stromstärke erzeugt werden.4. The method according to claim 2 or 3, characterized in that the alternating voltages (Ac2, AC3) by means of the inverter (4) integrated, for the electric motor drives the recirculation fan (2) and the air compressor (3) separately executed power semiconductor (5.1, 8.1, 9.1, 10.1) and filters (11, 12) as well as in dependence on an electric current are generated.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungshalbleiter (5.1, 8.1, 9.1, 10.1) mittels eines gemeinsamen Kühlkörpers (7) gekühlt werden.5. The method according to claim 4, characterized in that the power semiconductors (5.1, 8.1, 9.1, 10.1) by means of a common heat sink (7) are cooled.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Umrichter (4) eingangsseitig mittels einer Anschlussvorrichtung (6) mit der elektrischen Gleichspannung versorgt wird.6. The method according to any one of claims 1 to 5, characterized in that the inverter (4) on the input side by means of a connecting device (6) is supplied with the electrical DC voltage.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischen Antriebe mittels getrennt ausge¬ führter Anschlussvorrichtungen (13, 14) mit der Versor¬ gungsspannung gespeist werden.7. The method according to any one of claims 1 to 6, characterized in that the electric drives are fed by means of separately executed ¬ connected terminal devices (13, 14) with the supply voltage ¬ supply.
8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der gemeinsame Umrichter (4) die Versorgungsspannung der elektromotorischen Antriebe des Rezirkulationsgeblä- ses (2) und des Luftverdichters (3) aus der elektrischen Gleichspannung der Brennstoffzelle (1) bereitstellt.8. Apparatus for carrying out the method according to one of claims 1 to 7, characterized the common converter (4) provides the supply voltage of the electromotive drives of the recirculation fan (2) and of the air compressor (3) from the direct electrical voltage of the fuel cell (1).
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Umrichter (4) die Wechselspannungen (AC2, AC3) als elektrische Versorgungsspannungen der elektromotorischen Antriebe aus der elektrischen Gleichspannung der Brennstoffzelle (1) oder aus der konstanten Gleichspannung (DC5) generiert.9. The device according to claim 8, characterized in that the converter (4) generates the AC voltages (AC2, AC3) as electrical supply voltages of the electric motor drives from the DC electrical voltage of the fuel cell (1) or from the constant DC voltage (DC5).
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Gleichrichter (5) zur Erzeugung der konstanten Gleichspannung (DC5) aus der elektrischen Gleichspannung der Brennstoffzelle (1) extern dem Umrichter (4) vorgeschaltet oder in diesen integriert ist.10. The device according to claim 9, characterized in that the rectifier (5) for generating the constant DC voltage (DC5) from the electrical DC voltage of the fuel cell (1) externally upstream of the inverter (4) or integrated in this.
11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass in den Umrichter integrierte Leistungshalbleiter (5.1, 8.1, 9.1, 10.1), Filter (11, 12) und Strommessgeräte (15, 16) zur Messung von Stromstärken der elektromotorischen Antriebe des Rezirkulationsgebläses (2) und des Luftverdichters (3) gesondert ausgeführt sind und in Abhängigkeit der gemessenen Stromstärken die Wechselspannungen (AC2, AC3) erzeugen.11. The device according to claim 9 or 10, characterized in that in the inverter integrated power semiconductor (5.1, 8.1, 9.1, 10.1), filters (11, 12) and ammeters (15, 16) for measuring current levels of the electromotive drives the recirculation fan (2) and the air compressor (3) are executed separately and generate the AC voltages (AC2, AC3) depending on the measured currents.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Leistungshalbleiter (5.1, 8.1, 9.1, 10.1) mittels eines Kühlkörpers (7) kühlbar sind.12. The device according to claim 11, characterized that a plurality of power semiconductors (5.1, 8.1, 9.1, 10.1) can be cooled by means of a heat sink (7).
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Umrichter (4) eine Anschlussvorrichtung (6) zur eingangsseitigen Versorgung mit der elektrischen Gleichspannung angeordnet ist.13. Device according to one of claims 8 to 12, characterized in that on the inverter (4) a connection device (6) is arranged for input-side supply with the electrical DC voltage.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Umrichter (4) getrennt ausgeführte Anschlussvorrichtungen (13, 14) zur Spannungsversorgung der elektrischen Antriebe angeordnet sind. 14. Device according to one of claims 8 to 13, characterized in that on the inverter (4) running separately connecting devices (13, 14) are arranged to supply power to the electric drives.
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