AT522879B1 - Betriebsvorrichtung, Brennstoffzellensystem, Brennstoffzellenfahrzeug, Verfahren und Computerprogrammprodukt zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems - Google Patents

Betriebsvorrichtung, Brennstoffzellensystem, Brennstoffzellenfahrzeug, Verfahren und Computerprogrammprodukt zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems Download PDF

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Betriebsvorrichtung (1) zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems (2), wobei das Brennstoffzellensystem (2) einen Brennstoffzellenstapel mit einer Anode, einer Kathode und einer zwischen der Anode und der Kathode angeordneten Elektrolytmembran umfasst, aufweisend ein Erfassungsmodul (3) zum Erfassen von Betriebsparametern des Brennstoffzellensystems (2), ein Ermittlungsmodul (4) zum Ermitteln von Basis- Betriebszuständen des Brennstoffzellensystems (2) auf Basis der erfassten Betriebsparameter, ein Kontrollmodul (5) zum Durchführen von verschiedenen Kontrolleingriffen zum Erzeugen eines Korrektur-Betriebszustandes ausgehend von den Basis-Betriebszuständen unter Verwendung einer Betriebsanalyse, einer THD-Analyse, einer CVM-Analyse und/oder einer Sicherheitsanalyse, und ein Priorisierungsmodul (6) zum Definieren einer Anwendungsreihenfolge für die verschiedenen Kontrolleingriffe. Ferner betrifft die Erfindung ein Brennstoffzellensystem (2) mit einer erfindungsgemäßen Betriebsvorrichtung (1), ein Brennstoffzellenfahrzeug (10) mit einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem (2), ein Verfahren zum Betreiben eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems (2) sowie ein Computerprogrammprodukt (7) zum Ausführen eines erfindungsgemäßen Verfahrens.

Description

Beschreibung
BETRIEBSVORRICHTUNG, BRENNSTOFFZELLENSYSTEM, BRENNSTOFFZELLENFAHRZEUG, VERFAHREN UND COMPUTERPROGRAMMPRODUKT ZUM BETREIBEN EINES BRENNSTOFFZELLENSYSTEMS
[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft eine Betriebsvorrichtung zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, ein Brennstoffzellensystem mit einer solchen Betriebsvorrichtung sowie ein Brennstoffzellenfahrzeug. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren sowie ein Computerprogrammprodukt zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems.
[0002] Im Stand der Technik sind Brennstoffzellensysteme bekannt, bei welchen mittels Sensoren Betriebsparameter der Brennstoffzelle, wie beispielsweise Spannung, Stromstärke, Temperatur, Feuchtigkeit und/oder Druck gemessen werden. Verlässt ein Betriebsparameter einen vorgegebenen Betriebsparameterbereich, sodass eine Betriebssicherheit des Brennstoffzellensystems gefährdet ist, muss das Brennstoffzellensystem in der Regel abgeschaltet oder zumindest heruntergeregelt werden.
[0003] Aus der EP 2 845 255 B1 ist ein Verfahren zur Bestimmung kritischer Betriebszustände an einem Brennstoffzellenstapel bekannt. Mittels einer sogenannten THD-Analyse (Total Harmonic Distortion Analysis) werden unterschiedlichen Betriebsparametern Verzerrungswerte zugeordnet, wobei die Verzerrungswerte mit steigender Abweichung vom jeweiligen Soll-Betriebsparameter steigen. Ein relativ großer Verzerrungswert entspricht hierbei einer großen Abweichung. Mittels THD-Analyse können insbesondere Abweichungen hinsichtlich einem gewünschten Feuchtigkeitszustand einer Elektrolyitmembran eines Brennstoffzellenstapels sowie einer Medienversorgung am Brennstoffzellenstapel ermittelt werden.
[0004] Ein weiteres System zur Ermittlung von Betriebszuständen in einem Brennstoffzellensystem geht aus der japanischen Patentanmeldung JP 2017 152 134 A hervor, in welcher ein Brennstoffzellensystem mit einem Brennstoffzellenstapel, der mehrere Brennstoffzellen umfasst, und eine CVM-(Cell Voltage Monitoring)-Einheit zum Ermitteln der elektrischen Spannungen der einzelnen Brennstoffzellen beschrieben werden. Mithin wird die CVM-Einheit zur Überwachung des Brennstoffzellensystems genutzt.
[0005] Aus der europäischen Patentanmeldung EP 3 276 724 A1 geht ein System für gezielte Gegenmaßnahmen basierend auf HFR-Messungen zur Erkennung einer Membranfeuchte hervor. Anhand von der erkannten Membranfeuchte sollen Betriebsparameter des Brennstoffzellensystems dahingehend kontrolliert werden, dass das Brennstoffzellensystem möglichst durchgehend sicher betrieben werden kann.
[0006] Neben der Überwachung einer Membranfeuchte und von Zellspannungen können beim Betrieb eines Brennstoffzellensystems jedoch noch zahlreiche weitere Einflussfaktoren berücksichtigt werden. Verschiedene Messungen an unterschiedlichen Funktionsbauteilen im Brennstoffzellensystem sowie daraus resultierende Kontrolleingriffe beeinflussen sich zudem gegenseitig. Eine geeignete Betriebssteuerung gestaltet sich damit schwierig. Bei gattungsgemäßen Brennstoffzellensystemen wird deshalb häufig nur die Ermittlung eines aktuellen Betriebszustandes durchgeführt, wobei ein Brennstoffzellensystem im Falle eines Uberschreitens eines vordefinierten Grenzwertes heruntergefahren wird. Der daraus resultierende Betriebsausfall kostet nicht nur Arbeitszeit, sondern kann auch zur Beschädigung und/oder Zerstörung von Funktionsbauteilen des Brennstoffzellensystems führen.
[0007] Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, der voranstehend beschriebenen Problematik zumindest teilweise Rechnung zu tragen. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Betriebsvorrichtung zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, ein Brennstoffzellensystem, ein Brennstoffzellenfahrzeug, ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems sowie ein Computerprogrammprodukt zu schaffen, welche mit einfachen Mitteln sowie auf eine kostengünstige Art und Weise einen Betrieb des Brennstoffzellensystems verbessern und eine zwangsweise Abschaltung des Brennstoffzellensystems möglichst verhindern.
[0008] Die voranstehende Aufgabe wird durch die Patentansprüche gelöst. Insbesondere wird die voranstehende Aufgabe durch die Betriebsvorrichtung gemäß Anspruch 1, das Brennstoffzellensystem gemäß Anspruch 9, das Brennstoffzellenfahrzeug gemäß Anspruch 10, das Verfahren gemäß Anspruch 11 sowie das Computerprogrammprodukt gemäß Anspruch 19 gelöst. Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit der Betriebsvorrichtung beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem, dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellenfahrzeug, dem erfindungsgemäßen Verfahren, dem erfindungsgemäßen Computerprogrammprodukt und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird oder werden kann.
[0009] Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Betriebsvorrichtung zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems zur Verfügung gestellt, wobei das Brennstoffzellensystem einen Brennstoffzellenstapel mit einer Anode, einer Kathode und einer zwischen der Anode und der Kathode angeordneten Elektrolyimembran umfasst. Die Betriebsvorrichtung weist ein Erfassungsmodul zum Erfassen von Betriebsparametern des Brennstoffzellensystems, ein Ermittlungsmodul zum Ermitteln von Basis-Betriebszuständen des Brennstoffzellensystems auf Basis der erfassten Betriebsparameter, ein Kontrollmodul zum Durchführen von verschiedenen Kontrolleingriffen zum Erzeugen eines Korrektur-Betriebszustandes ausgehend von den BasisBetriebszuständen unter Verwendung einer Betriebsanalyse, einer THD-Analyse, einer CVMAnalyse und/oder einer Sicherheitsanalyse, und ein Priorisierungsmodul zum Definieren einer Anwendungsreihenfolge für die verschiedenen Kontrolleingriffe auf.
[0010] Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wurde die große Bedeutung der Wechselwirkungen zwischen Betriebszuständen des Brennstoffzellensystems, unterschiedlichen Analyseverfahren zum Ermitteln von verschiedenen Betriebsparametern zur Erlangung der Betriebszustände und den Kontrolleingriffen erkannt. Insbesondere wurde erkannt, welche Wichtigkeit eine spezifische Reihenfolge bei der Einstellung verschiedener Betriebsparameter unter Berücksichtigung der unterschiedlichen Analyseverfahren und/oder der damit ermittelten Betriebsparameter hat. Daraufhin wurde die Betriebsvorrichtung mit dem erfindungsgemäßen Priorisierungsmodul entwickelt, durch welches eine Reihenfolge festgelegt werden kann, gemäß welcher verschiedene Kontrolleingriffe unter Berücksichtigung der unterschiedlich erfassten Betriebsparameter durchgeführt werden können. Damit lässt sich der Betrieb des Brennstoffzellensystems auf einfache Weise verbessern. Mit Hilfe des Kontrollmoduls kann unter Berücksichtigung verschiedenster Betriebsparameter gefährlichen Betriebszuständen im Brennstoffzellensystem rechtzeitig entgegengewirkt werden. Ein notwendiges Abschalten des Brennstoffzellensystems kann verhindern werden.
[0011] Die Kontrolleingriffe werden unter Verwendung der Betriebsanalyse, der THD- Analyse, der CVM-Analyse und/oder der Sicherheitsanalyse durchgeführt. D.h., die Kontrolleingriffe werden unter Verwendung von Betriebsparametern des Brennstoffzellensystems, die mit Hilfe der Betriebsanalyse, der THD-Analyse, der CVM-Analyse und/oder der Sicherheitsanalyse ermittelt werden, durchgeführt.
[0012] Die Betriebsanalyse kann zum Ermitteln eines Lastsprungs des Brennstoffzellensystems konfiguriert sein. D.h., durch die Betriebsanalyse kann herausgefunden werden, ob sich das Brennstoffzellensystem in Leerlaufbetrieb mit Minimallast oder in einem Volllastbetrieb befindet und/oder wann sich das Brennstoffzellensystem in einem Startbetrieb oder in einem Abschaltbetrieb befinden wird. Im Leerlaufbetrieb läuft das Brennstoffzellensystem üblicherweise mit einer Minimallast von beispielsweise bis zu 5 kW. Der Leerlaufbetrieb wird insbesondere durchgeführt, damit das Brennstoffzellensystem nicht ausgeschalten werden muss. Im Volllastbetrieb werden im Brennstoffzellensystem beispielsweise 100 kW umgesetzt. Zum Durchführen der BetriebsanaIyse kann die Betriebsvorrichtung eine Betriebsanalyseeinheit aufweisen.
[0013] Die THD-Analyse kann zum Ermitteln eines Feuchtigkeitszustands der Elektrolyitmembran und/oder einer Medienversorgung konfiguriert sein. D.h., mittels der THD-Analyse kann erkannt
werden, ob die Elektrolytmembran zu feucht oder zu trocken ist, oder ob eine Medien-Unterversorgung am Brennstoffzellenstapel vorliegt. Das Brennstoffzellensystem kann entsprechend eine THDA-Einheit zum Durchführen der THD-Analyse aufweisen.
[0014] Die CVM-Analyse kann zum Ermitteln von Zellspannungen in Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels konfiguriert sein. D.h., mittels der CVM-Analyse kann erkannt werden, ob wenigstens eine Zellspannung einer Brennstoffzelle zu hoch oder zu niedrig ist. Das Brennstoffzellensystem kann entsprechend eine CVM-Einheit zum Durchführen der CVM-Analyse aufweisen.
[0015] Die Sicherheitsanalyse kann zum Ermitteln von weiteren, sicherheitsrelevanten Betriebsparametern des Brennstoffzellenstapels konfiguriert sein. D.h., mittels der Sicherheitsanalyse kann erkannt werden, ob sich sicherheitsrelevante Betriebsparameter für ein sicheres und funktionsfähiges Betreiben des Brennstoffzellensystems in einem Sollwertbereich befinden oder nicht. Das Brennstoffzellensystem kann entsprechend eine Sicherheitsanalyse-Einheit zum Durchführen der Sicherheitsanalyse aufweisen.
[0016] Darunter, dass das Kontrollmodul zum Durchführen von verschiedenen Kontrolleingriffen unter Verwendung der Betriebsanalyse, der THD-Analyse, der CVM-Analyse und/oder der Sicherheitsanalyse konfiguriert ist, ist zu verstehen, dass das Kontrollmodul zum Durchführen von verschiedenen Kontrolleingriffen unter Verwendung von wenigstens der Betriebsanalyse, der THD-Analyse, der CVM- Analyse und/oder der Sicherheitsanalyse konfiguriert ist. D.h., neben der Betriebsanalyse, der THD-Analyse, der CVM-Analyse und/oder der Sicherheitsanalyse können noch weitere Analysen zur Ermittlung von Betriebsparametern und entsprechenden Betriebszuständen durchgeführt werden. Bevorzugt ist das Kontrollmodul zum Durchführen der Kontrolleingriffe unter Verwendung der Betriebsanalyse, der THD-Analyse, der CVM-Analyse und der Sicherheitsanalyse, oder zumindest zum Durchführen der Kontrolleingriffe unter Verwendung der THD-Analyse und der CVM-Analyse, konfiguriert. Damit wird ein vorteilhafter Trade-Off zwischen der Erlangung von möglichst vielen Betriebsparametern und einem überschaubaren Rechenaufwand zum Erlangen der Betriebsparameter geschaffen. Außerdem kann darunter, dass das Kontrollmodul zum Durchführen von verschiedenen Kontrolleingriffen unter Verwendung der Betriebsanalyse, der THD-Analyse, der CVM-Analyse und/oder der Sicherheitsanalyse konfiguriert ist, verstanden werden, dass die Kontrolleingriffe unter Berücksichtigung des Betriebszustandes des Brennstoffzellensystems, also ob sich das Brennstoffzellensystem beispielsweise in einem Leerlaufbetrieb oder einem Volllastbetrieb befindet, des Feuchtigkeitszustandes des Brennstoffzellenstapels, der Zellspannungen der Brennstoffzellen und/oder weiterer Sicherheitsparameter wie einer Kühlmitteltemperatur und/oder Kühlmitteldifferenztemperatur durchgeführt werden.
[0017] Das Erfassungsmodul kann zum Erfassen der Betriebsparameter eine geeignete Sensorik aufweisen. Die Sensorik kann zur Ermittlung von Betriebsparametern wie einer aktuellen Luftfeuchtigkeit, eines aktuellen Luftdrucks, eines aktuellen Massenflusses, einer aktuellen Lufttemperatur, einem aktuellen Wasserdruck, einer aktuellen Kühlmitteltemperatur, einer aktuellen Kühlmitteldifferenztemperatur, jeweils mit Bezug auf wenigstens eine Stelle im und/oder am Brennstoffzellensystem, verstanden werden. Das Ermittlungsmodul ist zum Ermitteln von Basis-Betriebszuständen über die Zeit anhand der erfassten Betriebsparameter ausgestaltet. Unter einem Basis-Betriebszustand kann ein Betriebszustand des Brennstoffzellensystems zu einem bestimmten Zeitpunkt verstanden werden, in welchem verschiedene Betriebsparameter vorliegen.
[0018] Das Priorisierungsmodul ist zum Definieren der Anwendungsreihenfolge für verschiedene, mögliche Kontrolleingriffe konfiguriert. D.h., das Priorisierungsmodul ist zum Definieren, welcher Kontrolleingriff basierend auf welcher Analyse wann durchgeführt wird, konfiguriert. Wird beispielsweise anhand der Betriebsanalyse festgestellt, dass sich das Brennstoffzellensystem aktuell in einem Leerlaufbetrieb befindet, bei welchem die Temperatur am Brennstoffzellenstapel zu niedrig ist, und wird anhand der THD-Analyse festgestellt, dass die Elektrolyitmembran eine zu niedrige Feuchtigkeit aufweist, wird die Anwendungsreihenfolge zum Durchführen der möglichen Kontrolleingriffe dahingehend definiert, dass Maßnahmen zum Erhöhen der Temperatur am Brennstoffzellenstapel eine höheren Priorität als Maßnahmen zum Erhöhen der Feuchtigkeit der Elektrolytmembran erhalten. D.h., die Anwendungsreihenfolge wird dahingehend definiert, dass
zunächst Maßnahmen zum Erhöhen der Temperatur am Brennstoffzellenstapel durchgeführt werden und erst danach, oder zumindest nach einem Beginn des Durchführens dieser Maßnahmen, Maßnahmen zum Erhöhen der Feuchtigkeit der Elektrolyitmembran ergriffen werden. Unter den Kontrolleingriffen sind vorliegend insbesondere mögliche Kontrolleingriffe zu verstehen. D.h., nicht jeder Kontrolleingriff, der aufgrund seiner Position in der Anwendungsreihenfolge an der Reihe wäre, muss auch durchgeführt werden.
[0019] Das Priorisierungsmodul kann konfiguriert sein, die Anwendungsreihenfolge anhand einer gewichteten Bewertung von möglichen Kontrolleingriffen zu definieren. D.h., liegt die Priorität zwar eigentlich bei der Einstellung der Betriebsparameter zum Start des Brennstoffellensystems, kann diese Einstellung zurückgestellt werden und die Priorität dem Einstellen der Betriebsparameter zum Erhöhen der Feuchtigkeit der Elektrolyitmembran zugeteilt werden, falls durch das Erfassungsmodul sowie das Ermittlungsmodul erkannt wird, dass ein erfasster Feuchtigkeitswert der Elektrolytmembran unter einem vordefinierten untersten Schwellenwert liegt. Das Priorisierungsmodul ist vorzugsweise zum dynamischen Definieren der Anwendungsreihenfolge konfiguriert. D.h., die Anwendungsreihenfolge kann in Echtzeit an die jeweils aktuell vorliegenden Betriebsparameter und den entsprechenden Betriebszustand adaptiert werden.
[0020] Die Betriebsvorrichtung ist vorzugsweise ausgebildet, das Brennstoffzellensystem automatisch zu betreiben, sodass das Erfassen der Betriebsparameter, das Ermitteln der Betriebszustände, das Durchführen der Kontrolleingriffe, die zugehörigen Analysen sowie das Definieren der Anwendungsreihenfolge automatisch durchführbar sind. Unter dem Kontrollmodul kann ein Modul zum Steuern und/oder Regeln der Kontrolleingriffe verstanden werden. Unter einem Kontrolleingriff kann ein Einstellen von wenigstens einem Betriebsparameter des Brennstoffzellensystems und/oder ein Steuern und/oder Regeln von wenigstens einem Stellmodul zum gewünschten Verändern des wenigstens einen Betriebsparameters verstanden werden. Unter dem Erfassen von Betriebsparametern kann auch ein Berechnen und/oder Erstellen von Betriebsparametern verstanden werden.
[0021] Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es möglich, dass bei einer Betriebsvorrichtung das Priorisierungsmodul zum Erstellen einer Anwendungsreihenfolge, bei welcher ein Kontrolleingriff unter Verwendung der Startanalyse oder ein Kontrolleingriff unter Verwendung der Ausschaltanalyse vor einem Kontrolleingriff unter Verwendung der THDAnalyse, einem Kontrolleingriff unter Verwendung der CVM-Analyse und/oder einem Kontrolleingriff unter Verwendung der Sicherheitsanalyse durchgeführt wird, konfiguriert ist. Es hat sich herausgestellt, dass Lastsprünge für eine zuverlässige und langlebige Betriebsweise des Brennstoffzellensystems von besonderer Wichtigkeit sind. Die Priorisierung von Kontrolleingriffen in die Lastsprünge des Brennstoffzellensystems führt deshalb zu einer entsprechend vorteilhaften Betriebsweise des Brennstoffzellensystems.
[0022] Ferner ist es möglich, dass bei einer erfindungsgemäßen Betriebsvorrichtung das Priorisierungsmodul zum Erstellen einer Anwendungsreihenfolge, bei welcher ein Kontrolleingriff unter Verwendung der THD-Analyse vor einem Kontrolleingriff unter Verwendung der CVM-Analyse durchgeführt wird, konfiguriert ist. Hierzu hat sich bei umfangreichen Versuchen im Rahmen der vorliegenden Erfindung überraschend ergeben, dass der durch eine THD-Analyse ermittelte Feuchtigkeitszustand mit Blick auf einen möglichst langlebigen Betrieb des Brennstoffzellensystems eine höhere Wichtigkeit als durch CVM-Analyse ermittelte Zeillspannungen hat. Durch die Priorisierung des Kontrolleingriffs auf Basis der THD-Analyse über den Kontrolleingriff auf Basis der CVM-Analyse lässt sich deshalb eine schonende Betriebsweise des Brennstoffzellensystems ermöglichen. Das Priorisierungsmodul kann zum Definieren einer Anwendungsreihenfolge konfiguriert sein, bei welcher ein Kontrolleingriff zum Erzeugen eines Korrektur-Betriebszustandes in Reaktion auf einen ermittelten Basis-Betriebszustand unter Verwendung der THD-Analyse vor einem Kontrolleingriff zum Erzeugen eines Korrektur-Betriebszustandes in Reaktion auf einen ermittelten Basis-Betriebszustand unter Verwendung der CVM-Analyse durchgeführt wird.
[0023] Außerdem ist es bei einer Betriebsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung möglich, dass das Kontrollmodul konfiguriert ist, die verschiedenen Kontrolleingriffe gemäß der definierten
Anwendungsreihenfolge wiederholend durchzuführen, wobei wenigstens ein definierbarer Kontrolleingriff, der bereits durchgeführt wurde, bei wenigstens einem erneuten Durchführen der Kontrolleingriffe ausgesetzt wird. In der Praxis bedeutet dies, dass beispielsweise ein Kontrolleingriff unter Verwendung der Betriebsanalyse nach dem Startvorgang des Brennstoffzellensystems zurückgestellt wird, sobald am und/oder im Brennstoffzellenstapel eine vordefinierte Temperatur erreicht wurde. Demnach wird der definierbare Kontrolleingriff vorzugsweise abhängig von einem ermittelten Betriebsparameter und/oder anhand eines Vergleichs zwischen dem ermittelten Betriebsparameter und einem Soll-Betriebsparameter, ausgesetzt. Damit kann eine benötigte Rechenleistung zum Erkennen der erforderlichen Kontrolleingriffe reduziert werden. Die Betriebsvorrichtung kann anschließend entsprechend performanter betrieben werden. Außerdem kann verhindert werden, dass unnötige Kontrolleingriffe durchgeführt werden. Unter einem Aussetzen des Kontrolleingriffs können ein Deaktivieren des Kontrolleingriffs und/oder ein Verhindern, dass der Kontrolleingriff durchgeführt wird, verstanden werden.
[0024] Weiterhin kann bei einer erfindungsgemäßen Betriebsvorrichtung ein Kontrolleingriff zum Kontrollieren des Betriebs des Brennstoffzellensystems unter Verwendung der Betriebsanalyse wenigstens eine der folgenden Maßnahmen umfassen:
[0025] - Erhöhen/Verringern einer Kathodenfeuchtigkeit,
[0026] - Erhöhen/Verringern eines Kathodendrucks,
[0027] - Erhöhen/Verringern eines Luftmassenflusses zur Kathode,
[0028] - Erhöhen/Verringern einer Temperatur am und/oder im Brennstoffzellenstapel.
[0029] D.h., die Kontrolleinheit kann zum Durchführen von wenigstens einem entsprechenden Kontrolleingriff konfiguriert sein. Mittels der vorstehend genannten Maßnahmen lassen sich Lastsprünge des Brennstoffzellensystems bauteilschonend, effizient und effektiv durchführen. Wenn beispielsweise anhand einer Leistungsanforderung im Brennstoffzellensystem von einem Leerlaufbetrieb bis hin zu einem maximalen Leistungsbetrieb erkannt wird, dass ein Lastsprung erfolgen soll, kann die Kontrolleinheit zum Durchführen von Kontrolleingriffen zum Verringern der Kathodenfeuchtigkeit und des Kathodendrucks sowie zum Erhöhen des Luftmassenflusses zur Kathode sowie der Temperatur am und/oder im Brennstoffzellenstapel konfiguriert sein. Wenn hingegen anhand einer Leistungsanforderung im Brennstoffzellensystem von einem Leistungsbetrieb bis hin zu einem Leerlaufbetrieb erkannt wird, dass das Brennstoffzellensystem ausgeschaltet wird oder werden soll, kann die Kontrolleinheit zum Durchführen von Kontrolleingriffen zum Erhöhen der Kathodenfeuchtigkeit und des Kathodendrucks sowie zum Verringern des Luftmassenflusses zur Kathode sowie der Temperatur am und/oder im Brennstoffzellenstapel konfiguriert sein.
[0030] Gemäß einer weiteren Ausgestaltungsvariante der vorliegenden Erfindung ist es möglich, dass ein Kontrolleingriff zum Kontrollieren des Betriebs des Brennstoffzellensystems unter Verwendung der THD-Analyse wenigstens eine der folgenden Maßnahmen umfasst:
[0031] - Erhöhen einer Temperatur am und/oder im Brennstoffzellenstapel, Erhöhen einer Abfuhr von feuchter Luft über einen Befeuchter-Bypass des Brennstoffzellensystems, Verringern eines Drucks im und/oder am Brennstoffzellenstapel, und/oder Verringern eines Stapelstroms des Brennstoffzellenstapels, für den Fall, dass mittels der THD-AnaIyse eine zu hohe Feuchtigkeit im und/oder am Brennstoffzellenstapel erkannt wird, und/oder
[0032] - Verringern einer Temperatur am und/oder im Brennstoffzellenstapel, Verringern einer Abfuhr von feuchter Luft über einen Befeuchter-Bypass des Brennstoffzellensystems, Erhöhen eines Drucks im und/oder am Brennstoffzellenstapel, und/oder Erhöhen eines Stapelstroms des Brennstoffzellenstapels, für den Fall, dass mittels der THD-Analyse eine zu niedrige Feuchtigkeit im und/oder am Brennstoffzellenstapel erkannt wird.
[0033] D.h., die Kontrolleinheit kann zum Durchführen von wenigstens einem entsprechenden Kontrolleingriff konfiguriert sein. Mittels der vorstehend genannten Maßnahmen lässt sich der
Betrieb des Brennstoffzellensystems bauteilschonend und effizient durchführen. Einem möglichen Austrockenen der Elektrolytmembran kann effektiv entgegengewirkt werden.
[0034] Darüber hinaus ist es möglich, dass bei einer Betriebsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ein Kontrolleingriff zum Kontrollieren des Betriebs des Brennstoffzellensystems unter Verwendung der CVM-Analyse wenigstens eine der folgenden Maßnahmen umfasst:
[0035] - Erhöhen/Verringern eines Zelldrucks im Brennstoffzellenstapel,
[0036] - Erhöhen/Verringern einer Zelltemperatur im Brennstoffzellenstapel,
[0037] - Erhöhen/Verringern einer Zellluftfeuchte im Brennstoffzellenstapel,
[0038] - Erhöhen/Verringern einer Anodenbetriebsmittelströmung des Brennstoffzellenstapels,
[0039] - Erhöhen/Verringern einer Kathodenbetriebsmittelströmung des Brennstoffzellenstapels.
[0040] D.h., die Kontrolleinheit kann zum Durchführen von wenigstens einem entsprechenden Kontrolleingriff konfiguriert sein. Mittels der vorstehend genannten Maßnahmen lässt sich der Betrieb des Brennstoffzellensystems ebenfalls bauteilschonend und effizient durchführen. Möglichen Uberspannungen oder zu geringen Spannungen im Brennstoffzellenstapel kann effektiv entgegengewirkt werden.
[0041] Ergänzend ist es möglich, dass bei einer erfindungsgemäßen Betriebsvorrichtung ein Kontrolleingriff zum Kontrollieren des Betriebs des Brennstoffzellensystems unter Verwendung der Sicherheitsanalyse wenigstens eine der folgenden Maßnahmen umfasst:
[0042] - Erhöhen/Verringern eines Kathodendrucks,
[0043] - Erhöhen/Verringern eines Kathodenmassenflusses,
[0044] - Erhöhen/Verringern einer Stapeltemperatur des Brennstoffzellenstapels, [0045] - Erhöhen/Verringern eines Anodendrucks,
[0046] - Erhöhen/Verringern eines Stapelstroms des Brennstoffzellenstapels.
[0047] D.h., die Kontrolleinheit kann zum Durchführen von wenigstens einem entsprechenden Kontrolleingriff konfiguriert sein. Mittels der vorstehend genannten Maßnahmen lässt sich die gewünschte effiziente Betriebsweise des Brennstoffzellensystems besonders bauteilschonend und entsprechend sicher durchführen. Wird anhand des Erfassungsmoduls und/oder des Ermittlungsmoduls beispielsweise festgestellt, dass eine Kühlmitteltemperatur im Brennstoffzellensystem zu hoch ist, kann unter anderem der Stapelstrom reduziert werden.
[0048] Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Brennstoffzellensystem zur Bereitstellung elektrischer Energie zur Verfügung gestellt. Das Brennstoffzellensystem weist eine wie vorstehend im Detail beschriebene Betriebsvorrichtung zum Betreiben des Brennstoffzellensystems auf. Damit bringt ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf die erfindungsgemäße Betriebsvorrichtung beschrieben worden sind. Das Brennstoffzellensystem ist vorzugsweise in Form eines PEMBrennstoffzellensystems ausgestaltet.
[0049] Ein weiterer Aspekt betrifft ein Brennstoffzellenfahrzeug mit einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem zur Bereitstellung elektrischer Energie und wenigstens einem Elektromotor zum Antreiben des Brennstoffzellenfahrzeugs unter zumindest teilweiser Verwendung der elektrischen Energie, die durch das Brennstoffzellensystem bereitgestellt wird. Das Brennstoffzellenfahrzeug weist damit ebenfalls die vorstehend beschriebenen Vorteile auf. Unter dem Brennstoffzellenfahrzeug kann ein Straßenfahrzeug, ein Luftfahrzeug, ein Schienenfahrzeug, ein Wasserfahrzeug oder ein Roboter, jeweils mit einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem ausgestaltet, verstanden werden.
[0050] Darüber hinaus wird gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems mit einem Brennstoffzellenstapel, der eine Anode, eine
Kathode und eine zwischen der Anode und der Kathode angeordnete Elektrolytmembran umfasst, zur Verfügung gestellt. Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf:
[0051] - Erfassen von Betriebsparametern des Brennstoffzellensystems durch ein Erfassungsmodul,
[0052] - Ermitteln von Basis-Betriebszuständen des Brennstoffzellensystems auf Basis der erfassten Betriebsparameter durch ein Ermittlungsmodul,
[0053] - Durchführen von verschiedenen Kontrolleingriffen zum Erzeugen eines Korrektur-Betriebszustandes ausgehend von den Basis-Betriebszuständen, unter Verwendung einer Lastsprunganalyse, einer Ausschaltanalyse, einer THD-Analyse, einer CVM-AnaIyse und/oder einer Sicherheitsanalyse, durch ein Kontrollmodul, und
[0054] - Definieren einer Anwendungsreihenfolge für die verschiedenen Kontrolleingriffe durch ein Priorisierungsmodul.
[0055] Damit entspricht das Verfahren mit Blick auf den beanspruchten Erfindungsgegenstand im Wesentlichen der vorstehend beschriebenen Betriebsvorrichtung. Mit Hilfe des Verfahrens lässt sich mithin ein entsprechend vorteilhafter Betrieb des Brennstoffzellensystems erzielen.
[0056] Im Rahmen des Verfahrens kann es von Vorteil sein, wenn die Anwendungsreihenfolge dahingehend definiert wird, dass ein Kontrolleingriff unter Verwendung der Lastsprunganalyse oder ein Kontrolleingriff unter Verwendung der Ausschaltanalyse vor einem Kontrolleingriff unter Verwendung der THD-Analyse, einem Kontrolleingriff unter Verwendung der CVM-Analyse und/oder einem Kontrolleingriff unter Verwendung der Sicherheitsanalyse durchgeführt wird. Die Anwendungsreihenfolge kann dahingehend definiert werden, dass ein Kontrolleingriff unter Verwendung der THD-Analyse vor einem Kontrolleingriff unter Verwendung der CVM-Analyse durchgeführt wird. Die verschiedenen Kontrolleingriffe können gemäß der definierten Anwendungsreihenfolge wiederholend durchgeführt werden, wobei wenigstens ein definierbarer Kontrolleingriff, der bereits durchgeführt wurde, bei wenigstens einem erneuten Durchführen der Kontrolleingriffe ausgesetzt wird.
[0057] Darüber hinaus kann es von Vorteil sein, wenn bei einem Kontrolleingriff zum Kontrollieren des Betriebs des Brennstoffzellensystems unter Verwendung der Betriebsanalyse wenigstens eine der folgenden Maßnahmen durchführt wird:
[0058] - Erhöhen/Verringern einer Kathodenfeuchtigkeit,
[0059] - Erhöhen/Verringern eines Kathodendrucks,
[0060] - Erhöhen/Verringern eines Luftmassenflusses zur Kathode,
[0061] - Erhöhen/Verringern einer Temperatur am und/oder im Brennstoffzellenstapel.
[0062] Außerdem ist es bei einem erfindungsgemäßen Verfahren möglich, dass bei einem Kontrolleingriff zum Kontrollieren des Betriebs des Brennstoffzellensystems unter Verwendung der THD-Analyse wenigstens eine der folgenden Maßnahmen durchführt wird:
[0063] - Erhöhen einer Temperatur am und/oder im Brennstoffzellenstapel, Erhöhen einer Abfuhr von feuchter Luft über einen Befeuchter-Bypass des Brennstoffzellensystems (2), Verringern eines Drucks im und/oder am Brennstoffzellenstapel, und/oder Verringern eines Stapelstroms des Brennstoffzellenstapels, für den Fall, dass mittels der THDAnalyse eine zu hohe Feuchtigkeit im und/oder am Brennstoffzellenstapel erkannt wird, und/oder
[0064] - Verringern einer Temperatur am und/oder im Brennstoffzellenstapel, Verringern einer Abfuhr von feuchter Luft über einen Befeuchter-Bypass des Brennstoffzellensystems, Erhöhen eines Drucks im und/oder am Brennstoffzellenstapel, und/oder Erhöhen eines Stapelstroms des Brennstoffzellenstapels, für den Fall, dass mittels der THD-Analyse eine zu niedrige Feuchtigkeit im und/oder am Brennstoffzellenstapel erkannt wird.
[0065] Bei einem Kontrolleingriff zum Kontrollieren des Betriebs des Brennstoffzellensystems
kann unter Verwendung der CVM-Analyse wenigstens eine der folgenden Maßnahmen durchführt werden:
[0066] - Erhöhen/Verringern eines Zelldrucks im Brennstoffzellenstapel,
[0067] - Erhöhen/Verringern einer Zelltemperatur im Brennstoffzellenstapel,
[0068] - Erhöhen/Verringern einer Zellluftfeuchte im Brennstoffzellenstapel,
[0069] - Erhöhen/Verringern einer Anodenbetriebsmittelströmung des Brennstoffzellenstapels,
[0070] - Erhöhen/Verringern einer Kathodenbetriebsmittelströmung des Brennstoffzellenstapels.
[0071] Darüber hinaus kann bei einem erfindungsgemäßen Kontrolleingriff zum Kontrollieren des Betriebs des Brennstoffzellensystems unter Verwendung der Sicherheitsanalyse wenigstens eine der folgenden Maßnahmen durchführt werden:
[0072] - Erhöhen/Verringern eines Kathodendrucks,
[0073] - Erhöhen/Verringern eines Kathodenmassenflusses,
[0074] - Erhöhen/Verringern einer Stapeltemperatur des Brennstoffzellenstapels, [0075] - Erhöhen/Verringern eines Anodendrucks,
[0076] - Erhöhen/Verringern eines Stapelstroms des Brennstoffzellenstapels.
[0077] Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Computerprogrammprodukt vorgeschlagen, das Befehle umfasst, die bei der Ausführung des Computerprogrammprodukts durch einen Computer diesen veranlassen, ein wie vorstehend im Detail beschriebenes Verfahren auszuführen. Damit bringt auch ein erfindungsgemäßes Computerprogrammprodukt die vorstehend beschriebenen Vorteile mit sich. Das Computerprogrammprodukt kann als computerlesbarer Anweisungscode in jeder geeigneten Programmiersprache wie beispielsweise in JAVA, C++, C# und/oder Python implementiert sein. Das Computerprogrammprodukt kann auf einem computerlesbaren Speichermedium wie einer Datendisk, einem Wechsellaufwerk, einem flüchtigen oder nichtflüchtigen Speicher, oder einem eingebauten Speicher/Prozessor abgespeichert sein. Das Computerprogrammprodukt kann sowohl mittels eines Computerprogramms, d. h. einer Software, als auch mittels einer oder mehrerer spezieller elektronischer Schaltungen, d.h. in Hardware, oder in beliebig hybrider Form, d.h. mittels Software-Komponenten und HardwareKomponenten, realisiert werden oder sein.
[0078] Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung zu verschiedenen Ausführungsbeispielen der Erfindung, welche in den Figuren schematisch dargestellt sind.
[0079] Es zeigen jeweils schematisch:
[0080] Figur 1 ein Blockschaltbild zum Darstellen eines Brennstoffzellensystems mit einer Betriebsvorrichtung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
[0081] Figur 2 ein Brennstoffzellenfahrzeug mit einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem,
[0082] Figur 3 ein Diagramm zum Erläutern des erfindungsgemäßen Grundkonzepts, und
[0083] Figur 4 ein Flussdiagramm zum Erläutern eines Verfahren gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform.
[0084] Elemente mit gleicher Funktion und Wirkungsweise sind in den Figuren jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
[0085] Fig. 1 zeigt ein Brennstoffzellensystem 2 mit einer Betriebsvorrichtung 1 zum Betreiben des Brennstoffzellensystems 2. Das Brennstoffzellensystem 2 ist in Form eines PEM-
Brennstoffzellensystems 2 mit einer Anode, einer Kathode und einer zwischen der Anode und der Kathode angeordneten Elektrolyitmembran ausgestaltet (nicht dargestellt). Die Betriebsvorrichtung 1 weist ein Erfassungsmodul 3 zum Erfassen von Betriebsparametern des Brennstoffzellensystems 2, ein Ermittlungsmodul 4 zum Ermitteln von Basis-Betriebszuständen des Brennstoffzellensystems 2 auf Basis der erfassten Betriebsparameter, ein Kontrollmodul 5 zum Durchführen von verschiedenen Kontrolleingriffen zum Erzeugen eines Korrektur-Betriebszustandes ausgehend von den Basis-Betriebszuständen unter Verwendung einer Betriebsanalyse, einer THD-Analyse, einer CVM-Analyse und einer Sicherheitsanalyse, und ein Priorisierungsmodul 6 zum Definieren einer Anwendungsreihenfolge für die verschiedenen Kontrolleingriffe, auf.
[0086] Das Priorisierungsmodul 6 ist zum Erstellen einer Anwendungsreihenfolge, bei welcher ein Kontrolleingriff unter Verwendung der Betriebsanalyse vor einem Kontrolleingriff unter Verwendung der THD-Analyse, einem Kontrolleingriff unter Verwendung der CVM-Analyse und einem Kontrolleingriff unter Verwendung der Sicherheitsanalyse durchgeführt wird, konfiguriert. AuBerdem ist das Priorisierungsmodul 6 zum Erstellen einer Anwendungsreihenfolge konfiguriert, bei welcher ein Kontrolleingriff unter Verwendung der THD-Analyse vor einem Kontrolleingriff unter Verwendung der CVM-Analyse durchgeführt wird.
[0087] Das Kontrollmodul 5 ist konfiguriert, die verschiedenen Kontrolleingriffe gemäß der definierten Anwendungsreihenfolge wiederholend durchzuführen, wobei ein Kontrolleingriff unter Verwendung der Betriebsanalyse ausgesetzt wird, sobald der Brennstoffzellenstapel eine vordefinierbare Temperatur erreicht hat. D.h., sobald die vordefinierbare Temperatur erreicht wurde, werden mögliche Kontrolleingriffe zum Betreiben des Brennstoffzellensystems 2 zumindest vorübergehend nicht mehr berücksichtigt.
[0088] Die dargestellte Betriebsvorrichtung 1 weist außerdem ein Computerprogrammprodukt 7 auf, das Befehle umfasst, die bei der Ausführung des Computerprogrammprodukts 7 durch einen Computer diesen veranlassen, ein später im Detail beschriebenes Verfahren zum Betreiben des Brennstoffzellensystems 2 auszuführen.
[0089] Fig. 2 zeigt ein Brennstoffzellenfahrzeug 10 mit einem wie in Fig. 1 dargestellten Brennstoffzellensystem 2 zur Bereitstellung elektrischer Energie und wenigstens einem Elektromotor 11 zum Antreiben des Brennstoffzellenfahrzeugs 10 unter Verwendung der elektrischen Energie, die durch das Brennstoffzellensystem 2 bereitgestellt wird.
[0090] Fig. 3 zeigt ein Diagramm, anhand von welchem die Funktionsweise der in Fig. 1 beschriebenen Betriebsvorrichtung 1 erläutert werden kann. Für das in Fig. 3 gezeigte Schaubild werden zunächst verschiedene Betriebsparameter des Brennstoffzellensystems 2 erfasst, um basierend darauf entsprechende Basis-Betriebszustände des Brennstoffzellensystems 2 zu ermitteln. Anhand der ermittelten Betriebszustände wird jeweils ein zugehöriger Parameterbedarf wie ein Kathodenfeuchtigkeitsbedarf, ein Kathodendruckbedarf, ein Kathodenmassenflussbedarf, ein Kathodentemperaturbedarf, ein Anodendruckbedarf, ein Stapeltemperaturbedarf und/oder ein Stapel-Differenztemperaturbedarf ermittelt, wobei diese Aufzählung nicht als abschließend zu betrachten ist. Insbesondere kann auch eine Kühlmitteltemperatur und/oder eine Kühlmitteldifferenztemperatur ermittelt werden.
[0091] Zur Überwachung des Betriebs werden verschiedene Analysen durchgeführt. Vorliegend sind dies Betriebsanalysen, THD-Analysen, CVM-Analysen und Sicherheitsanalysen. Anhand dieser Analysen werden verschiedene, mögliche Korrektur-Betriebszustände ermittelt. Mit Hilfe des vorstehend beschriebenen Priorisierungsmoduls 6 wird nun eine analysespezifische Reihenfolge festgelegt, gemäß welcher Betriebsparameter modifiziert, d.h., entsprechende Kontrolleingriffe durchgeführt, werden, um die gewünschten Korrektur-Betriebszustände einzustellen. Hierzu wird, wie in Fig. 3 dargestellt, zu jedem genannten Bedarfswert ein entsprechend modifizierter Bedarfswert eingestellt.
[0092] Mit Bezug auf Fig. 4 wird anschließend ein Verfahren zum Betreiben des in Fig. 1 dargestellten Brennstoffzellensystems 2 gemäß einer möglichen Ausführungsform dargestellt. In einem ersten Schritt S1 wird ein Betriebszustand des Brennstoffzellensystems 2 ermittelt. Der
Betriebszustand wird anhand von erfassten Betriebsparametern des Brennstoffzellensystems 2 ermittelt. Anschließend und/oder währenddessen wird mittels des Priorisierungsmoduls eine Reihenfolge definiert, nach welcher mögliche Kontrolleingriffe durchgeführt werden können. Gemäß dem in Fig. 4 dargestellten Flussdiagramm sind dies in einem anschließenden Schritt S2 ein Kontrolleingriff auf Basis der Betriebsanalyse während eines Starts des Brennstoffzellensystems 2, in einem daran anschließenden Schritt S3 ein Kontrolleingriff auf Basis der THD-Analyse, in einem daran anschließenden Schritt S4 ein Kontrolleingriff auf Basis der CVM-Analyse und in einem darauf folgenden Schritt S5 ein Kontrolleingriff auf Basis der Sicherheitsanalyse. In einem daran anschließenden Schritt S6 kann eine Fehlerwertberechnung durchgeführt werden.
[0093] Konkret werden gemäß dem dargestellten Beispiel in Schritt S3 die Temperatur am und/oder im Brennstoffzellenstapel erhöht, die Abfuhr von feuchter Luft über einen Befeuchter-Bypass des Brennstoffzellensystems 2 erhöht, der Drucks im und/oder am Brennstoffzellenstapel verringert, und/oder der Stapelstrom des Brennstoffzellenstapels verringert, falls mittels der THD-AnaIyse eine zu hohe Feuchtigkeit im und/oder am Brennstoffzellenstapel erkannt wird. Für den Fall, dass mittels der THD-Analyse eine zu niedrige Feuchtigkeit im und/oder am Brennstoffzellenstapel erkannt wird, werden die Temperatur am und/oder im Brennstoffzellenstapel verringert, die Abfuhr von feuchter Luft über den Befeuchter-Bypass des Brennstoffzellensystems 2 verringert, der Druck im und/oder am Brennstoffzellenstapel erhöht, und/oder der Stapelstrom des Brennstoffzellenstapels erhöht.
[0094] Im drauffolgenden Schritt S4 werden zur Korrektur von Zellspannungen im Brennstoffzellenstapel die Zelltemperatur im Brennstoffzellenstapel erhöht oder verringert, die Zellluftfeuchte im Brennstoffzellenstapel erhöht oder verringert, die Anodenbetriebsmittelströmung des Brennstoffzellenstapels erhöht oder verringert, und/oder die Kathodenbetriebsmittelströmung des Brennstoffzellenstapels erhöht oder verringert und/oder eine Kühlmitteltemperatur erhöht oder verringert und/oder eine Kühlmitteldifferenztemperatur angepasst.
[0095] Anschließend werden in Schritt S5 unter Berücksichtigung der Sicherheitsanalyse der Kathodendruck erhöht oder verringert, der Kathodenmassenfluss erhöht oder verringert, die Stapeltemperatur des Brennstoffzellenstapels erhöht oder verringert, der Anodendruck erhöht oder verringert und/oder der Stapelstroms des Brennstoffzellenstapels erhöht oder verringert. Außerdem kann eine Kühlmitteltemperatur erhöht oder verringert werden.
[0096] Die Erfindung lässt neben den dargestellten Ausführungsformen weitere Gestaltungsgrundsätze zu. D.h., die Erfindung soll nicht auf die mit Bezug auf die Figuren erläuterten Ausführungsbeispiele beschränkt betrachtet werden.
BEZUGSZEICHENLISTE
1 Betriebsvorrichtung
2 Brennstoffzellensystem
3 Erfassungsmodul
4 Ermittlungsmodul
5 Kontrollmodul
6 Priorisierungsmodul
7 Computerprogrammprodukt
10 Brennstoffzellenfahrzeug 11 Elektromotor

Claims (1)

  1. Patentansprüche
    1. Betriebsvorrichtung (1) zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems (2), wobei das Brennstoffzellensystem (2) einen Brennstoffzellenstapel mit einer Anode, einer Kathode und einer zwischen der Anode und der Kathode angeordneten Elektrolyimembran umfasst, aufweisend - ein Erfassungsmodul (3) zum Erfassen von Betriebsparametern des Brennstoffzellensys-
    tems (2),
    - ein Ermittlungsmodul (4) zum Ermitteln von Basis-Betriebszuständen des Brennstoffzellensystems (2) auf Basis der erfassten Betriebsparameter,
    - ein Kontrollmodul (5) zum Durchführen von verschiedenen Kontrolleingriffen zum Erzeugen eines Korrektur-Betriebszustandes ausgehend von den Basis-Betriebszuständen unter Verwendung einer Betriebsanalyse, einer THD-Analyse, einer CVM-Analyse und/oder einer Sicherheitsanalyse, und
    - ein Priorisierungsmodul (6) zum Definieren einer Anwendungsreihenfolge für die verschiedenen Kontrolleingriffe.
    2. Betriebsvorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Priorisierungsmodul (6) zum Erstellen einer Anwendungsreihenfolge, bei welcher ein Kontrolleingriff unter Verwendung der Betriebsanalyse vor einem Kontrolleingriff unter Verwendung der THD-Analyse, einem Kontrolleingriff unter Verwendung der CVM-Analyse und/oder einem Kontrolleingriff unter Verwendung der Sicherheitsanalyse durchgeführt wird, konfiguriert ist.
    3. Betriebsvorrichtung (1) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Priorisierungsmodul (6) zum Erstellen einer Anwendungsreihenfolge, bei welcher ein Kontrolleingriff unter Verwendung der THD-Analyse vor einem Kontrolleingriff unter Verwendung der CVM-Analyse durchgeführt wird, konfiguriert ist.
    4. Betriebsvorrichtung (1) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kontrollmodul (5) konfiguriert ist, die verschiedenen Kontrolleingriffe gemäß der definierten Anwendungsreihenfolge wiederholend durchzuführen, wobei wenigstens ein definierbarer Kontrolleingriff, der bereits durchgeführt wurde, bei wenigstens einem erneuten Durchführen der Kontrolleingriffe ausgesetzt wird.
    5. Betriebsvorrichtung (1) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kontrolleingriff zum Kontrollieren des Betriebs des Brennstoffzellensystems (2) unter Verwendung der Betriebsanalyse wenigstens eine der folgenden Maßnahmen umfasst: - Erhöhen/Verringern einer Kathodenfeuchtigkeit,
    - Erhöhen/Verringern eines Kathodendrucks, - Erhöhen/Verringern eines Luftmassenflusses zur Kathode, - Erhöhen/Verringern einer Temperatur am und/oder im Brennstoffzellenstapel.
    6. Betriebsvorrichtung (1) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kontrolleingriff zum Kontrollieren des Betriebs des Brennstoffzellensystems (2) unter Verwendung der THD-Analyse wenigstens eine der folgenden Maßnahmen umfasst: - Erhöhen einer Temperatur am und/oder im Brennstoffzellenstapel, Erhöhen einer Abfuhr von feuchter Luft über einen Befeuchter-Bypass des Brennstoffzellensystems (2), Verringern eines Drucks im und/oder am Brennstoffzellenstapel, und/oder Verringern eines Stapelstroms des Brennstoffzellenstapels, für den Fall, dass mittels der THD-Analyse eine zu hohe Feuchtigkeit im und/oder am Brennstoffzellenstapel erkannt wird, und/oder
    - Verringern einer Temperatur am und/oder im Brennstoffzellenstapel, Verringern einer Abfuhr von feuchter Luft über einen Befeuchter-Bypass des Brennstoffzellensystems (2), Erhöhen eines Drucks im und/oder am Brennstoffzellenstapel, und/oder Erhöhen eines Stapelstroms des Brennstoffzellenstapels, für den Fall, dass mittels der THD-Analyse eine zu niedrige Feuchtigkeit im und/oder am Brennstoffzellenstapel erkannt wird.
    7. Betriebsvorrichtung (1) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kontrolleingriff zum Kontrollieren des Betriebs des Brennstoffzellensystems (2)
    10.
    11.
    12.
    13.
    14.
    Ästerreichisches AT 522 879 B1 2021-03-15
    unter Verwendung der CVM-Analyse wenigstens eine der folgenden Maßnahmen umfasst: - Erhöhen/Verringern eines Zelldrucks im Brennstoffzellenstapel,
    - Erhöhen/Verringern einer Zelltemperatur im Brennstoffzellenstapel,
    - Erhöhen/Verringern einer Zellluftfeuchte im Brennstoffzellenstapel,
    - Erhöhen/Verringern einer Anodenbetriebsmittelströmung des Brennstoffzellenstapels,
    - Erhöhen/Verringern einer Kathodenbetriebsmittelströmung des Brennstoffzellenstapels.
    Betriebsvorrichtung (1) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kontrolleingriff zum Kontrollieren des Betriebs des Brennstoffzellensystems (2) unter Verwendung der Sicherheitsanalyse wenigstens eine der folgenden Maßnahmen umfasst:
    - Erhöhen/Verringern eines Kathodendrucks,
    - Erhöhen/Verringern eines Kathodenmassenflusses,
    - Erhöhen/Verringern einer Stapeltemperatur des Brennstoffzellenstapels,
    - Erhöhen/Verringern eines Anodendrucks,
    - Erhöhen/Verringern eines Stapelstroms des Brennstoffzellenstapels.
    Brennstoffzellensystem (2) zur Bereitstellung elektrischer Energie, aufweisend eine Betriebsvorrichtung (1) zum Betreiben des Brennstoffzellensystems (2), wobei die Betriebsvorrichtung (1) nach einem der voranstehenden Ansprüche ausgestaltet ist.
    Brennstoffzellenfahrzeug (10) mit einem Brennstoffzellensystem (2) nach Anspruch 9 zur Bereitstellung elektrischer Energie und wenigstens einem Elektromotor (11) zum Antreiben des Brennstoffzellenfahrzeugs (10) unter zumindest teilweiser Verwendung der elektrischen Energie, die durch das Brennstoffzellensystem (2) bereitgestellt wird.
    Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems (2) mit einem Brennstoffzellenstapel, der eine Anode, eine Kathode und eine zwischen der Anode und der Kathode angeordnete Elektrolyitmembran umfasst, aufweisend die Schritte:
    - Erfassen von Betriebsparametern des Brennstoffzellensystems (2) durch ein Erfassungsmodul (3),
    - Ermitteln von Basis-Betriebszuständen des Brennstoffzellensystems (2) auf Basis der erfassten Betriebsparameter durch ein Ermittlungsmodul (4),
    - Durchführen von verschiedenen Kontrolleingriffen zum Erzeugen eines Korrektur-Betriebszustandes ausgehend von den Basis-Betriebszuständen, unter Verwendung einer Betriebsanalyse, einer THD- Analyse, einer CVM-Analyse und/oder einer SicherheitsanaIyse, durch ein Kontrollmodul (5), und
    - Definieren einer Anwendungsreihenfolge für die verschiedenen Kontrolleingriffe durch ein Priorisierungsmodul.
    Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Anwendungsreihenfolge dahingehend definiert wird, dass ein Kontrolleingriff unter Verwendung der Betriebsanalyse vor einem Kontrolleingriff unter Verwendung der THD-Analyse, einem Kontrolleingriff unter Verwendung der CVM-Analyse und/oder einem Kontrolleingriff unter Verwendung der Sicherheitsanalyse durchgeführt wird.
    Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Anwendungsreihenfolge dahingehend definiert wird, dass ein Kontrolleingriff unter Verwendung der THD-Analyse vor einem Kontrolleingriff unter Verwendung der CVM-Analyse durchgeführt wird.
    Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die verschiedenen Kontrolleingriffe gemäß der definierten Anwendungsreihenfolge wiederholend durchgeführt werden, wobei wenigstens ein definierbarer Kontrolleingriff, der bereits durchgeführt wurde, bei wenigstens einem erneuten Durchführen der Kontrolleingriffe ausgesetzt wird.
    15. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Kontrolleingriff zum Kontrollieren des Betriebs des Brennstoffzellensystems (2) unter Verwendung der Betriebsanalyse wenigstens eine der folgenden Maßnahmen durchgeführt wird:
    - Erhöhen/Verringern einer Kathodenfeuchtigkeit,
    - Erhöhen/Verringern eines Kathodendrucks,
    - Erhöhen/Verringern eines Luftmassenflusses zur Kathode,
    - Erhöhen/Verringern einer Temperatur am und/oder im Brennstoffzellenstapel.
    16. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Kontrolleingriff zum Kontrollieren des Betriebs des Brennstoffzellensystems (2) unter Verwendung der THD-Analyse wenigstens eine der folgenden Maßnahmen durchgeführt wird: - Erhöhen einer Temperatur am und/oder im Brennstoffzellenstapel, Erhöhen einer Abfuhr von feuchter Luft über einen Befeuchter-Bypass des Brennstoffzellensystems (2), Verringern eines Drucks im und/oder am Brennstoffzellenstapel, und/oder Verringern eines Stapelstroms des Brennstoffzellenstapels, für den Fall, dass mittels der THD-Analyse eine zu hohe Feuchtigkeit im und/oder am Brennstoffzellenstapel erkannt wird, und/oder
    - Verringern einer Temperatur am und/oder im Brennstoffzellenstapel, Verringern einer Abfuhr von feuchter Luft über einen Befeuchter-Bypass des Brennstoffzellensystems (2), Erhöhen eines Drucks im und/oder am Brennstoffzellenstapel, und/oder Erhöhen eines Stapelstroms des Brennstoffzellenstapels, für den Fall, dass mittels der THD-Analyse eine zu niedrige Feuchtigkeit im und/oder am Brennstoffzellenstapel erkannt wird.
    17. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Kontrolleingriff zum Kontrollieren des Betriebs des Brennstoffzellensystems (2) unter Verwendung der CVM-Analyse wenigstens eine der folgenden Maßnahmen durchgeführt wird: - Erhöhen/Verringern eines Zelldrucks im Brennstoffzellenstapel,
    - Erhöhen/Verringern einer Zelltemperatur im Brennstoffzellenstapel,
    - Erhöhen/Verringern einer Zellluftfeuchte im Brennstoffzellenstapel,
    - Erhöhen/Verringern einer Anodenbetriebsmittelströmung des Brennstoffzellenstapels,
    - Erhöhen/Verringern einer Kathodenbetriebsmittelströmung des Brennstoffzellenstapels.
    18. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Kontrolleingriff zum Kontrollieren des Betriebs des Brennstoffzellensystems (2) unter Verwendung der Sicherheitsanalyse wenigstens eine der folgenden Maßnahmen durchgeführt wird:
    - Erhöhen/Verringern eines Kathodendrucks,
    - Erhöhen/Verringern eines Kathodenmassenflusses,
    - Erhöhen/Verringern einer Stapeltemperatur des Brennstoffzellenstapels, - Erhöhen/Verringern eines Anodendrucks,
    - Erhöhen/Verringern eines Stapelstroms des Brennstoffzellenstapels.
    19. Computerprogrammprodukt (7), umfassend Befehle, die bei der Ausführung des Computerprogrammprodukts (7) durch einen Computer diesen veranlassen, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 18 auszuführen.
    Hierzu 2 Blatt Zeichnungen
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