CN107180981B - 燃料电池系统和用于运行燃料电池系统的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及燃料电池系统和用于控制这种燃料电池系统（100）的方法，该燃料电池系统具有：燃料电池堆（10），用于根据功率要求提供电功率Pstack；至少一个辅助机组（24、26、33、34、38），用于以电功率消耗Paux来运行燃料电池堆（10）；具有电功率索取Puse的至少一个耗电器（44、51）；和控制单元（60），用于提出功率要求。规定：控制单元（60）被设立用于：使燃料电池系统（100）可选地在第一运行模式下或者在第二运行模式下运行，其中燃料电池堆（10）根据运行模式在低于燃料电池系统（100）的效率最优的工作点P(ηmax)或者燃料电池堆（10）的最低工作点Pmin时被切断。尤其，在第一运行模式下，在低于效率最优的工作点P(ηmax)时也切断至少一个辅助机组（24、26、33、34、38）。

Description

燃料电池系统和用于运行燃料电池系统的方法
技术领域
本发明涉及一种燃料电池系统和一种用于运行燃料电池系统的方法。此外，本发明涉及一种具有这种燃料电池系统的车辆。
背景技术
燃料电池利用燃料与氧气的化学反应生成水，以便产生电能。为此，作为核心部件，燃料电池包含所谓的膜电极装置（MEA代表：membrane electrode assembly（膜电极组）），所述膜电极装置是由传导离子的（大多传导质子的）膜和分别一个被布置在所述膜两侧上的催化电极（阳极和阴极）构成的结构。通常，燃料电池由多个被布置成堆（stack）的MEA来形成，所述MEA的电功率相加。在各个膜电极装置之间，通常布置有双极板（也称作流动区域板或者隔离板），所述双极板保证了给单电池供应运行介质、即反应物并且通常也用于冷却。此外，所述双极板负责与膜电极装置的导电接触。
燃料电池系统可以在开始-停止模式下运行，在所述开始-停止模式中，在正常运行模式以及备用模式之间进行切换，在所述正常运行模式下运行燃料电池，用来产生电流。通常，如果不存在对燃料电池的功率要求，那么通常设定备用模式。在电动车辆的情况下，这例如是在此期间车辆停下（例如信号灯停下）时、在滑行时或者在下坡行驶时的情况。在备用模式下，部分或者完全停止将资源输送到燃料电池，并且通常使燃料电池堆的电压保持到低于每单电池0.85伏特的电压上、尤其是保持到低于每单电池0.4伏特的电压上，尤其是以便阻止燃料电池堆的损坏。
为了运行燃料电池堆，多个辅助机组是必需的。视燃料电池系统而定，所述辅助机组中的多个辅助机组都可具有空气压缩机、再循环风扇、冷水泵、阀门、传感器等等中的至少一个。这些部件的功率消耗可以被称作寄生功率消耗Paux，因为所述寄生功率消耗Paux虽然必须由燃料电池堆来提供，但是不供外部耗电器支配。因此，燃料电池系统的供外部耗电器支配的净功率Pnetto作为由所述堆产生的功率Pstack与寄生功率消耗Paux的差来得出。因为供外部耗电器（例如供电驱动装置）支配的功率按照Pnetto=Pstack-Paux减小了所述寄生功率，所以所述燃料电池系统的净功率Pnetto始终低于所述燃料电池堆的功率Pstack。
燃料电池系统的效率η描述了系统功率与堆功率之比，并且取决于所有在系统链之内的转换损耗。因此，得出燃料电池系统的有效功率为Psystem=η*Pstack。根据燃料电池系统或燃料电池车辆的运行状态，系统链可具有不同的等级，例如燃料电池堆、能量转换器、在电池组中的再充电和存储损耗、电驱动装置和/或辅助机组和耗电器。尤其是在低负载的情况下，例如由于在备用模式下的低的电流消耗，与堆功率相比，供支配的有效功率由于所运行的辅助机组而过度地降低，并且因此所述燃料电池系统的效率过度地降低。此外，适用于系统效率η=Psystem/Pstack并且其中Psystem≤Pnetto=Pstack-Paux，因此尤其是η≤1-Paux/Pstack。由此也产生：例如在达到低负载区域时，在堆功率下降的情况下效率下降，所述低负载区域可以通过Pstack<10*Paux、Pstack<5*Paux或者Pstack<2*Paux来限定。
根据现有技术，与负载有关的用于将燃料电池系统转变到备用模式的方法已经是公知的。
US 2014/0272657 A1公开了一种用于一旦功率索取低于确定的极限值就将燃料电池系统转变到备用模式的方法。在备用模式下，燃料电池堆被切断，并且阴极供应装置中的压缩机以最小速度继续运行。在此，压缩机的空转使得能够快速地重新起动系统，然而同时降低了在备用模式下可实现的效率最优化。
在按照US 8952649 B2的用于切断燃料电池系统的方法中，在低于最低功率索取时也切断燃料电池堆。被布置在阴极供应装置中的压缩机首先被置于动态的备用模式下，并且一直在空转中继续运行，直至对于空转运行所需的能量Eidle超过为了开动压缩机所需的能量Eup。也只有在那时，压缩机才被置于静态的备用模式下并且完全被切断。
在按照US 2011/0087389 A1的用于切断燃料电池系统的方法中，考虑到车辆层面和到燃料电池系统层面的准入标准。在此，到车辆层面的准入标准例如包括变速杆的位置、负载索取和电池组的充电状态。到系统层面的准入标准例如包括运行时长和燃料电池堆的温度。因此，如果燃料电池堆的重新起动在能量方面会是不利的，那么应该避免切断备用模式下的燃料电池堆。
利用从现有技术公知的用于切断燃料电池系统的方法，始终试图找到在燃料电池系统的优化的效率与优化的动态性之间的折衷。然而，尤其是在将燃料电池系统布置在车辆中时，这样复杂的控制方法常常导致不符合期望的效果和整体上降低的动态性和整体上降低的效率。
发明内容
现在，本发明所基于的任务是提出一种燃料电池系统和一种用于运行燃料电池系统的方法，其中不仅可以实现所述燃料电池系统的最优的效率并且可以实现所述燃料电池系统的最优的动态性。此外，所述运行方法应该能简单地应用到现有的燃料电池系统上并且能够实现程度高的交互。
该任务通过一种根据本发明的燃料电池系统、通过一种具有这种燃料电池系统的车辆以及通过一种根据本发明的用于运行燃料电池系统的方法来解决。
按照本发明的任务通过如下燃料电池系统来解决，所述燃料电池系统具有：用于根据功率要求提供电功率Pstack的燃料电池堆、所述燃料电池堆的具有电功率消耗Paux的至少一个辅助机组、具有电功率要求Puse的至少一个耗电器和用于提出功率要求的控制单元。按照本发明的燃料电池系统的控制单元被设立用于：使所述燃料电池系统可选地在第一运行模式下或者在第二运行模式下运行，并且在第一运行模式下一旦低于所述燃料电池系统的效率最优的工作点P(ηmax)就切断燃料电池堆，并且在第二运行模式下一旦低于所述燃料电池堆的最低工作点Pmin就切断所述燃料电池堆。
因此，按照本发明，燃料电池系统可以可选地在效率优化的第一运行模式下或者功率优化的第二运行模式下运行。在所述燃料电池系统的效率最优的工作点P(ηmax)上，比在所述燃料电池堆的最低工作点Pmin上进行燃料电池堆的更高的电流消耗。因此，所述燃料电池堆在第一运行模式下比在第二运行模式下在更高的电流消耗的情况下被切断。因此，最小负载在第一运行模式下比在第二运行模式下更高，在低于所述最小负载时切断燃料电池堆。
如开头所描述的那样，燃料电池系统在低负载区域内具有特别差的效率η。如果燃料电池堆的电流消耗降低，那么燃料电池系统增加地到达低负载区域。按照本发明，燃料电池堆在所述堆的电流消耗降低的情况下在第一运行模式下比在第二运行模式下明显更早地被切断。因此，在第一运行模式下，在燃料电池堆的运行时间上比在第二运行模式下实现更好的效率。在第二运行模式下，因为燃料电池堆在另一运行区域上保持可用，所以实现了燃料电池系统的改善的动态性。尤其是，在第二运行模式下，燃料电池堆在功率要求升高时从低负载区域出来不必首先费时地来开动。通过可选地使燃料电池系统在第一运行模式或者第二运行模式下运行，在特别高的程度上实现了分别与运行模式相关联的优点。
在一种优选的实施方式中，控制单元被设立用于使燃料电池系统自动地在第一与第二运行模式中的一个模式下运行。特别优选地，控制单元使得在确定的时间点对运行模式的选择与功率索取在该时间点之前的确定的时间间隔内的变化过程有关。如果例如在该时间间隔内功率索取已经有强烈的波动，即在过去已经索取了燃料电池系统的高动态性，那么控制单元使燃料电池系统优选地在第二运行模式下运行。而如果在该时间间隔内进行尽可能恒定的功率索取，那么控制单元使燃料电池系统优选地在第一运行模式下运行。
这里，燃料电池系统的效率最优的工作点P(ηmax)被理解为如下工作点，在所述工作点上（至少近似地）实现燃料电池系统的最大可能的系统效率η。严格来讲，同样涉及燃料电池堆的工作点，然而所述燃料电池堆的工作点根据整个燃料电池系统来确定，尤其是适用P(ηmax)=Pηmax·ηmax。如开头所描述的那样，例如，如果供支配的有效功率Psystem由于所运行的辅助机组的与堆功率Pstack相比高的功率消耗Paux而是低的，那么系统效率是低的。此外，被布置在燃料电池系统中的辅助机组的并且与所述燃料电池系统连接的耗电器的转换损耗都进入到系统效率中。尤其是，与燃料电池系统连接的蓄能器的存储损耗或者与燃料电池系统连接的电动机的效率对系统效率有影响。存储损耗与蓄能器的充电状态有关，并且电动机的效率与所述电动机的运行状态有关，因此效率最优的工作点P(ηmax)在燃料电池系统运行中波动。
燃料电池堆的最低工作点Pmin限定了所述燃料电池堆的如下工作点，燃料电池堆的功率输出不允许下降到所述工作点之下，尤其是以便阻止燃料电池堆中的损害使用寿命的过程。一般，所述燃料电池堆的最低工作点Pmin对应于比所述燃料电池系统的效率最优的工作点P(ηmax)更低的功率输出或更低的放电电流。因此，在第一运行模式下，低负载区域是对于燃料电池堆来说不能进入的区域，所述低负载区域可以被限定为在燃料电池堆的最低工作点Pmin与燃料电池系统的效率最优的工作点P(ηmax)之间的区域。在第二运行模式下，仅仅在燃料电池堆的最低工作点Pmin之下的区域对于所述燃料电池堆来说是不能进入的。
此外，在按照本发明的燃料电池系统的一种优选的实施方式中，控制单元被设立用于：在第一运行模式下，一旦低于燃料电池系统的效率最优的工作点P(ηmax)就切断所述至少一个辅助机组。因此，按照该实施方式，在所述燃料电池系统的差的效率的区域内，通过切断燃料电池堆的辅助机组来附加地节约能量。因此，所述辅助机组在第一运行模式下并且在所述燃料电池系统的效率最优的工作点P(ηmax)之下没有通过替代的能量源、尤其是没有通过蓄能器或者在发电机运行下的牵引电机来运行。因此，在第一运行模式下进一步提高了所述燃料电池系统的效率，为此容忍了由于对辅助机组的必需的重新开动而引起的动态性损失。
此外，在按照本发明的燃料电池系统的一种同样优选的实施方式中，控制单元被设立用于：确定由至少一个耗电器所索取的电功率Puse，并且只要所确定的功率索取Puse比由所述燃料电池系统提供的净功率Pstack-Paux低，就提高所述由至少一个耗电器所索取的电功率。换句话说，控制单元被设立用于：如果在任何一个时间点、尤其是第一运行模式的任何一个时间点，由所述至少一个辅助机组所消耗的电功率Paux与由所述至少一个耗电器所索取的电功率Puse之和比由所述燃料电池堆所提供的功率Pstack低，那么提高由所述至少一个耗电器所索取的电功率。特别优选地，控制单元被设立用于：在低于所述燃料电池系统的效率优化的工作点P(ηmax)时，首先提高由所述至少一个耗电器所索取的电功率Puse。
因此，在所述优选的实施方式中，对燃料电池堆的功率要求由于所述至少一个耗电器的功率索取的提高而被提高，由此重新调整或者超过了所述燃料电池系统的效率优化的工作点Pηmax。只有当控制单元确定不可能提高由所述至少一个耗电器所索取的功率Puse并且因此不可能提高对所述燃料电池堆的功率要求时，控制单元才切断燃料电池堆。此外，只要虽然可能提高由所述至少一个耗电器所索取的功率Puse，然而所述提高本身与系统效率η的恶化相关联，控制单元同样就切断所述燃料电池堆，所述系统效率η的恶化过度补偿了通过离开低负载区域的效率改善。因此，控制单元优选地被设立用于：在低于燃料电池系统的效率最优的工作点P(ηmax)时，使由所述至少一个耗电器所索取的电功率Puse的提高相对于对燃料电池堆的切断优先。换句话说，控制单元被设立用于：覆写其它的调节过程，以便首先提高对燃料电池堆的功率要求。
有利地，所述优选的实施方式能够实现：在由所述至少一个耗电器所索取的功率Puse降低时，不必降低对燃料电池堆的功率要求或不必降低由所述燃料电池堆所提供的功率Pstack。代替于此，对由所述至少一个耗电器所索取的功率Puse的由车辆的运行状态决定的降低做出反应，其方式是有针对性地提高所述至少一个耗电器的功率索取。根据所述燃料电池系统的应用，这可以以不同的方式来实现，例如其方式是：减少从其它的能量源到燃料电池系统中的能量馈送或者提高蓄能器的能量消耗。替代地，可以提高由所述至少一个耗电器所索取的功率，其方式是：将附加的耗电器与燃料电池系统连接或者提高已经与燃料电池系统连接的耗电器的附加功能。例如，可以短时间地有针对性地提高通过耗电器（如电供暖装置、空调机组和压缩机）的功率索取。因此，按照所述实施方式，避免了所述燃料电池堆的低负载区域、所述燃料电池系统的低效率和对所述燃料电池堆的切断。
在按照本发明的燃料电池系统的一种特别优选的实施方式中，所述至少一个耗电器具有蓄能器，并且控制单元还被设立用于：在第一运行模式下，只要所确定的功率索取Puse比由燃料电池堆提供的净功率Pstack-Paux低并且只要所述蓄能器的充电状态超过确定的极限值，就切断所述燃料电池堆。因此，按照所述实施方式，控制单元被设立用于：确定蓄能器的充电状态、尤其是所述蓄能器的用于容纳其它的电功率的容量。在此，如果确定所述充电状态超过确定的极限值、即用于容纳其它电功率的容量是小的，那么只要由所述至少一个耗电器所索取的功率Puse比所述燃料电池系统的净功率低，控制单元就切断燃料电池堆并且优选地切断所述至少一个辅助机组。换句话说，在低于所述燃料电池系统的效率最优的工作点P(ηmax)时，控制单元首先检查所述蓄能器的充电状态是否使得能够提高功率索取Puse。只要情况如此、也就是说所述蓄能器的充电状态低于确定的极限值，控制单元就首先提高功率索取Puse，如在上文所描述的那样。只有当控制单元确定：低于所述燃料电池系统的效率最优的工作点P(ηmax)并且所索取的功率Puse的提高由于蓄能器的充电状态而不可能或者导致系统效率η的恶化时，控制单元才切断燃料电池系统，所述系统效率η的恶化过度补偿了通过离开低负载区域的效率改善。
在按照本发明的燃料电池系统的一种同样优选的实施方式中，控制单元还被设立用于：在第一运行模式下提出对燃料电池堆的至少一个最低的功率要求。也就是说，在第一运行模式的整个持续时间期间，提出对燃料电池堆的最低的或者更高的功率要求。在此，最低的功率要求造成所述燃料电池堆提供如下电功率Pstack，所述电功率超过由所述至少一个辅助机组所消耗的电功率Paux。此外，所述最低的功率要求造成所述燃料电池系统至少近似地在效率优化的工作点上或者在所述燃料电池系统的效率最优的工作点Pηmax之上运行。有利地，所述实施方式的控制单元借助于仅仅一个调节参量、即所述最低的功率要求来保证所述燃料电池系统在第一运行模式下运行。最低的功率要求在此可以在使用Paux和Puse的确定的值的情况下从特性曲线中确定。替代地，最低的功率要求是预先设定的值。
在按照本发明的燃料电池系统的一种同样优选的实施方式中，控制单元还被设立用于：如果由所述至少一个辅助机组所消耗的电功率Paux与由所述至少一个耗电器所索取的电功率Puse之和比由所述燃料电池堆基于最低功率要求所提供的功率Pmin stack低，那么确定低于燃料电池系统的效率最优的工作点P(ηmax)。按照所述实施方式，控制单元确定由所述至少一个耗电器所索取的电功率Puse和由所述至少一个辅助机组所消耗的电功率Paux。控制单元将所述电功率之和与基于最低功率要求由燃料电池堆所提供的功率Pmin stack进行比较。如果Pmin stack低于所要期望的求和的耗电功率Puse+Paux，那么控制单元确定低于所述燃料电池系统的效率最优的工作点P(ηmax)，并且切断燃料电池堆、在一种优选的实施方式中也切断所述燃料电池堆的辅助机组。
在按照本发明的燃料电池系统的一种同样优选的实施方式中，控制单元还被设立用于：如果达到燃料电池堆的确定的极限电压Umax，那么确定达到所述燃料电池堆的最低工作点Pmin。在燃料电池堆运行时，需要避免高的电池电压，因为所述高的电池电压可能导致电池的阴极和阳极的催化材料的劣化。按照所述实施方式，控制单元有利地被设立用于：确定燃料电池堆的电池电压并且从中确定是否达到所述燃料电池堆的极限电压Umax。因此，有利地，控制单元可以动用固定的比较值，在第二运行模式下，可以在达到所述固定的比较值时切断燃料电池堆并且因此可以可靠地阻止低于Pmin。
在燃料电池系统的一种同样优选的实施方式中，在第二运行模式下，在达到极限电压Umax时也首先尝试提高所述至少一个耗电器的功率索取Puse，以便超过燃料电池堆的最低工作点Pmin并且首先避免切断所述燃料电池堆。上述针对第一运行模式的实施方案适用于使提高对燃料电池堆的功率索取优先，但具有如下区别：在第二运行模式下，即使系统效率η的恶化与提高功率索取Puse相关联，也提高所述功率索取Puse，所述系统效率η的恶化过度补偿了通过离开低负载区域的效率改善。
同样，本发明的主题是一种具有燃料电池系统的车辆，如在上文所描述的那样。
在按照本发明的车辆的一种优选的实施方式中，控制单元还被设立用于：根据驾驶员的手动输入或者借助驾驶员类型识别而使燃料电池系统或者在第一运行模式下或者在第二运行模式下运行。这使得驾驶员能够直接对燃料电池系统的运行模式施加影响。尤其是，使得驾驶员能够或可以使得驾驶员能够在消耗优化的第一运行模式（ECO模式）与功率优化的第二运行模式（SPORT模式）之间进行选择。所述选择例如可以通过调整选择杆位置来实现。因此，驾驶员可以选择：所述驾驶员是更喜欢用现有的燃料达到最大活动半径还是更喜欢动态的行车方式。同样优选地，借助驾驶员类型识别、例如通过识别特定的无线电钥匙或者通过分析在行驶期间的驾驶行为来选择运行模式。例如，可以通过识别确定的速度范围来推断出行驶环境、如城市交通或者高速公路，并且选择适合于此的运行模式。替代于此地，例如通过车辆的外部传感器可以直接识别行驶环境。附加地，同样优选地，借助过去的功率要求（例如不同的油门踏板斜度）来自动选择运行模式，如在上文所描述的那样。同样优选地，在所述第一与所述第二运行模式之间设置有其它的运行模式，所述运行模式是在第一与第二运行模式之间的中间级并且可对应于一种驾驶愿望。
同样，本发明的主题是一种用于运行燃料电池系统的方法，所述燃料电池系统具有：燃料电池堆，其用于根据功率要求提供电功率Pstack；燃料电池堆的具有电功率消耗Paux的至少一个辅助机组；具有电功率消耗Puse的至少一个耗电器；和控制单元，其用于提出功率要求。按照本发明的方法具有如下方法步骤：使燃料电池系统可选地在第一运行模式下或者在第二运行模式下运行，在第一运行模式下，一旦低于燃料电池系统的效率最优的工作点P(ηmax)，就切断燃料电池堆，并且在第二运行模式下，一旦低于所述燃料电池堆的最低工作点Pmin，就切断所述燃料电池堆。
此外，在按照本发明的方法的一种优选的实施方式中，在第一运行模式下，一旦低于燃料电池系统的效率最优的工作点P(ηmax)，就切断所述至少一个辅助机组。
此外，在按照本发明的方法的一种优选的实施方式中，在第一运行模式下，提出对燃料电池堆的至少最低功率要求，用于使燃料电池系统（至少近似地）在效率优化的工作点上或者在效率最优的工作点P(ηmax)上方运行，并且用于通过燃料电池堆来提供电功率Pstack，所述电功率Pstack超过由所述至少一个辅助机组所消耗的电功率Paux。
在按照本发明的方法的一种优选的实施方式中，如果由所述至少一个辅助机组所消耗的功率Paux与由所述至少一个耗电器所索取的电功率Puse之和比由所述燃料电池堆基于最低功率要求所提供的功率Pmin stack低，那么低于燃料电池系统的效率最优的工作点P(ηmax)。
此外，在按照本发明的方法的一种优选的实施方式中，只要所确定的功率索取Puse低于由燃料电池系统所提供的净功率Pstack-Paux，就确定由所述至少一个耗电器所索取的电功率Puse并且提高由所述至少一个耗电器所索取的电功率。在此，只有当低于燃料电池系统的效率最优的工作点P(ηmax)并且由所述至少一个耗电器所索取的电功率Puse的提高是不可能的或者导致系统效率η的恶化时，才切断燃料电池堆，所述系统效率η的恶化过度补偿了通过离开低负载区域的效率改善。
在按照本发明的方法的一种优选的实施方式中，所述至少一个耗电器具有蓄能器，并且此外在第一运行模式下，只要所确定的功率索取Puse低于由燃料电池系统所提供的净功率Pstack-Paux并且只要所述蓄能器的充电状态超过确定的极限值，就切断燃料电池堆。
在按照本发明的方法的一种优选的实施方式中，如果达到燃料电池堆的确定的极限电压Umax，那么达到所述燃料电池堆的最低工作点Pmin。在所述方法的一种同样优选的实施方式中，燃料电池系统被布置在车辆中，并且基于驾驶员的手动输入或者借助驾驶员类型识别来在第一运行模式与第二运行模式之间进行变换。同样，本发明的主题是一种具有控制单元的燃料电池系统，所述控制单元被设立用于执行按照本发明的方法。
本发明的其它优选的设计方案从其余的、在从属权利要求中提到的特征中得到。
只要不在个别情况下另外实施，本发明的在本申请中提到的不同实施方式就能够有利地彼此组合。
附图说明
随后，本发明在实施例中依据所属的附图来解释。其中：
图1示出了按照一种实施方式的燃料电池系统的示意图；
图2示出了按照一种实施方式的车辆的示意图；以及
图3示出了燃料电池堆的电流-电压特性曲线（Ustack）和燃料电池系统的效率变化过程（ηsystem）。
具体实施方式
图1示出了按照本发明的一种优选的设计方案的整体上用100来标明的燃料电池系统。燃料电池系统100是未进一步示出的车辆、尤其是电动车辆的部分，所述电动车辆具有电动牵引电机，所述电动牵引电机由相应的燃料电池系统100来供应电能。
燃料电池系统100包括燃料电池堆10作为核心部件，所述燃料电池堆10具有多个以堆形布置的单电池11，所述单电池11通过交替地堆叠的膜电极装置（MEA）14和双极板15来构造（参见细节片段）。因此，每个单电池11分别包括一个MEA 14，所述MEA 14具有一个这里未进一步示出的传导离子的聚合物电解质膜以及被布置在所述聚合物电解质膜两侧上的催化电极。这些电极对燃料转化的相应的子反应进行催化。阳极和阴极电极作为涂层被构造在膜上并且具有催化材料、例如铂，所述催化材料以被支撑的方式存在于大的特定表面的导电载体材料、例如碳基材料上。
如图1的细节图中所示，在双极板15与阳极之间构造有阳极空间12，并且在阴极与下一双极板15之间构造有阴极空间13。双极板15用于将资源输送到所述阳极和阴极空间12、13中，并且此外在各个燃料电池11之间建立电连接。可选地，在膜电极装置14与双极板15之间可布置有气体扩散层。
为了给燃料电池堆10供应资源，燃料电池系统100一方面具有阳极供应装置20并且另一方面具有阴极供应装置30。
在图1中示出的燃料电池系统100的阳极供应装置20包括阳极供应路径21，所述阳极供应路径21用于将阳极资源（燃料）、例如氢气输送到燃料电池堆10的阳极空间12中。为了该目的，阳极供应路径21将燃料存储器23与燃料电池堆10的阳极入口连接。此外，阳极供应装置20包括阳极废气路径22，所述阳极废气路径22将阳极废气从阳极空间12通过燃料电池堆10的阳极出口排出。在燃料电池堆10的阳极侧12上的阳极运行压力可通过阳极供应路径21中的第一调节装置24来调整。
此外，在图1中示出的燃料电池系统的阳极装置20具有再循环管道25，所述再循环管道25将阳极废气路径22与阳极供应路径21连接。燃料的再循环是常见的，以便将大多过度化学计量地使用的燃料送回给燃料电池堆10。在再循环管道25中，布置有再循环传送装置26、优选地再循环风扇。
在图1中示出的燃料电池系统100的阴极供应装置30包括阴极供应路径31，所述阴极供应路径31将含氧的阴极资源、尤其是从周围环境抽吸的空气输送给燃料电池堆10的阴极空间13。此外，阴极供应装置30包括阴极废气路径32，所述阴极废气路径32将阴极废气（尤其是排出的空气）从燃料电池堆10的阴极空间13排出并且必要时将所述阴极废气输送给未示出的废气设备。为了传送和压缩阴极资源，在阴极供应路径31中布置有压缩机33。在所示出的实施例中，压缩机33被设计为主要电动机式驱动的压缩机33，所述压缩机33的驱动通过装备有相应的功率电子装置35的电动机34来实现。此外，压缩机33可以由布置在阴极废气路径32中的（必要时具有可变的涡轮几何形状的）涡轮机36支持地通过共同的轴（未示出）来驱动。
此外，在图1中示出的燃料电池系统100具有加湿模块39。一方面，加湿模块39布置在阴极供应路径31中，使得阴极运行气体可流过所述加湿模块39。另一方面，所述加湿模块39布置在阴极废气路径32中，使得阴极废气可流过所述加湿模块39。典型地，加湿器39具有多个水蒸气可渗透的膜，所述多个水蒸气可渗透的膜或者平地或者以空心纤维的形式来构造。在此，相对干燥的阴极运行气体（空气）溢出所述膜的一侧，并且相对潮湿的阴极废气（废气）溢出另一侧。由阴极废气中水蒸气的更高的分压力来驱动地，发生水蒸气经由所述膜转移到阴极运行气体中，所述阴极运行气体以这种方式来加湿。此外，阴极供应装置30具有旁路管道37，所述旁路管道37将阴极供应管道31与阴极废气管道32连接。布置在旁路管道37中的调节装置38用于控制环绕燃料电池堆10的阴极资源的量。
在经简化的图1中，出于清楚的原因而未示出所述阳极和阴极供应装置20、30的不同的其它细节。因此，在阳极废气路径22和/或阴极废气路径32中可以建造有脱水机，以便冷凝并且排出由燃料电池反应形成的产物水。最后，阳极废气管道22可通到阴极废气管道32中，使得阳极废气和阴极废气通过共同的废气设备排出。
此外，燃料电池系统100具有：控制单元60，所述控制单元60提出对燃料电池堆10的功率要求；和至少一个耗电器44、51，所述至少一个耗电器44、51具有电功率索取Puse。在图2的描述中得出所述控制单元60的功能结合所述至少一个耗电器44、51的更详细的描述。
图2示出了整体上用200来标明的车辆，所述车辆具有来自图1的燃料电池系统100、包含在所述燃料电池系统100中的电子控制单元60、电功率系统40以及车辆驱动系统50。在此，由所述车辆的部件构成所述燃料电池系统的至少一个耗电器44、51。
电功率系统40包括：电压传感器41，用于检测由燃料电池堆10产生的电压；以及电流传感器42，用于检测由燃料电池堆10产生的电流。电功率系统40还包括蓄能器44、例如高压电池组或者电容器。在功率系统40中还布置有以三端口拓扑来实施的转换器45（三端口转换器）。电池组44连接到双DC/DC转换器45的第一侧上。在固定的电压电平的情况下，驱动系统50的所有牵引车载电网部件连接在转换器45的第二侧上。以相同的或者类似的方式，所述燃料电池系统本身的辅助机组、例如压缩机33的电动机34（参见图1），或者所述车辆的其它的耗电器、例如用于空调设备的压缩机等可以与车载电网连接。
驱动系统50包括电动机51，所述电动机51用作所述车辆200的牵引电机。为此，电动机51驱动驱动轴52,该驱动轴52具有被布置在其上的驱动轮53。牵引电机51通过逆变器43与所述燃料电池系统100的电子功率系统40连接并且是所述系统的主耗电器。
电子控制单元60控制燃料电池系统100的运行，尤其是所述燃料电池系统100的阳极和阴极供应装置20、30，所述燃料电池系统100的电功率系统40以及牵引电机51。为了该目的，控制单元60得到不同的输入信号，例如燃料电池10的用电压传感器41来检测的电压U、燃料电池堆10的用电流传感器42来检测的电流I、燃料电池10的从电压U和电流I得到的功率Pstack、关于燃料电池堆10的温度T的信息、在阳极空间12和/或阴极空间13中的压强p、蓄能器44的充电状态SOC、牵引电机51的转速n和其它的输入参量。替代于此地，之前提到的值中的一些、例如Pstack也可以在控制单元60本身中确定。此外，由所述车辆200的耗电器、尤其是牵引电机51和/或蓄能器44所索取的电功率Puse和由所述燃料电池堆10的辅助机组所消耗的电功率Paux都进入到控制单元60中。所索取的电功率Puse可包含由所述车辆200的驾驶员所索取的驾驶功率PW和由空调系统所索取的功率作为组成部分。尤其是，参量PW根据对这里未示出的油门踏板的操纵的强度通过踏板位置传感器来检测。在图2中所示出的控制单元60也可以在车辆200中作为分布式控制系统来存在，所述分布式控制系统例如包括用于燃料电池系统的控制子单元和用于驱动的另一控制子单元。
根据所述输入参量、尤其是根据由耗电器所索取的功率Puse和对于辅助机组所必需的功率Paux，控制单元60确定要由燃料电池系统要求的功率Psystem和据此确定要对燃料电池堆10提出的功率要求。据此，控制单元60根据计算或者相应存储的特性曲线来确定所述阳极和阴极运行介质的必要的质量流或者运行压力，并且例如通过压缩机33的电动机34以及燃料电池系统100的调节装置24、38等等来控制所述燃料电池系统的资源输送。此外，控制单元60控制逆变器43以便给牵引电机51供应能量，以及控制转换器45并且必要时控制其它转换器，以便使蓄能器44充电或者放电并且给连接到车载电网上的耗电器供应能量。
图3示出了按照本发明的燃料电池系统（100）的效率变化过程ηsystem和被布置在所述燃料电池系统（100）中的燃料电池堆（10）的电流-电压特性曲线Ustack。
从图3可见，在燃料电池系统的低负载的情况下、也就是说在燃料电池系统的低负载区域中、也就是说在低电流消耗的情况下，从燃料电池系统，通过辅助机组的相对高的消耗产生燃料电池系统的低功率输出或总系统的低效率。燃料电池堆的工作点A通过电流-电压特性曲线Ustack的一点通过PA=UA*IA明确地来确定。燃料电池系统的工作点B通过效率变化过程ηB的一点并且通过燃料电池堆在该点上的电压和电流通过P(ηB)=ηB*UB*IB明确地来确定。
此外，在图3中还绘出了上极限电压Umax，超过所述上极限电压Umax可能导致由于催化材料的劣化而损坏燃料电池并且因此可能导致电池老化。燃料电池堆在其最低工作点Pmin上达到所述上极限电压，在所述最低工作点Pmin上，燃料电池堆输出电流Imin=Pmin/Umax。此外绘出了燃料电池系统的效率最优的工作点P(ηmax)=ηmax*I(ηmax)*(ηmax)，所述效率最优的工作点对应于所述燃料电池系统的效率的局部最大值ηmax。
按照本发明，在燃料电池系统的第一运行模式下，在低于所述效率最优的工作点P(ηmax)时切断燃料电池堆，使得阴影区域（低负载区域）在第一运行模式下不供燃料电池系统和燃料电池堆支配。在按照本发明的燃料电池系统的第二运行模式下，只有在低于最低工作点Pmin时才切断燃料电池系统，以便阻止超过最大电池电压Umax。在达到最低工作点或极限电压Umax时，或者完全关断燃料电池堆或者替代地使燃料电池堆置于备用模式下。在备用模式下，燃料电池堆的辅助机组继续运行，使得所述燃料电池堆可以快速地重新从备用模式中开动。
优选地，通过如下方式转变到备用模式：在达到最低工作点时，中断到阴极空间中的空气输送并且通过与继续输送的燃料（氢气）的反应来使存在于阴极空间中的氧气反应尽。在此期间，进行从所述堆中的进一步的电功率输出，直至化学反应停止。在此，通过与电压有关的放电电流来控制放电过程。由于氧气供应不足，在恒定的电压的情况下，放电电流减小。
现在，依据在图3中所示出的效率变化过程和所示出的电流-电压特性曲线，对具有燃料电池系统100、蓄能器44和牵引电机51的车辆200的不同的运行状态进行解释。在此，尤其是探讨了如何根据燃料电池系统是在第一运行模式下还是在第二运行模式下运行来区分运行状态。控制单元60被设立用于执行在第一运行模式下和在第二运行模式下的所述运行状态。车辆200具有如下运行状态：燃料电池运行、加速运行、电池组运行和再循环运行，而不限于所述运行状态。
在燃料电池运行中，牵引电机51用于驱动车辆200，并且为此所必需的功率单独由燃料电池堆100来提供。在第一运行模式下，燃料电池堆100在效率最优的工作点P(ηmax)之上运行。只要通过牵引电机51的功率索取Puse使得燃料电池系统10能够在效率最优的工作点P(ηmax)之上运行，并且由于所述功率要求，尤其是由燃料电池堆100来提供如下电功率Pstack，所述电功率Pstack超过由所述至少一个辅助机组消耗的电功率Paux，蓄能器44就是未激活的并且所述蓄能器44既不输出功率又不消耗功率。一旦通过牵引电机51的功率索取和因此对燃料电池堆的功率要求以如此程度降低，使得所述地燃料电池堆在效率最优的工作点P(ηmax)之下运行，就索取蓄能器44的充电状态，并且只要所述充电状态不超过确定的极限值，就除了运行牵引电机51之外还给蓄能器44充电并且由此提高功率索取Puse。只有当蓄能器44的充电状态超过确定的极限值并且因此基于提高的功率索取Puse的效率收益由于在蓄能器中的效率损失（再充电损耗和存储损耗）而被过度补偿时，才切断燃料电池堆100并且单独由蓄能器44给牵引电机51馈电。在第二运行模式下，燃料电池堆100持久地在最低工作点Pmin之上运行。
在加速运行中，牵引电机51用于驱动车辆200，其中由燃料电池堆100和蓄能器44共同提供为此所需的电功率。在第一运行模式下的加速运行与在第二运行模式下的加速运行基本上没有区别。
在电池组运行中，牵引电机51用于驱动车辆200，并且由蓄能器44单独来提供为此所必需的功率。在第一运行模式下，去激活燃料电池堆100并且优选地也去激活所述燃料电池堆100的辅助机组24、26、33、34、38。在第二运行模式下，燃料电池堆100和所述燃料电池堆100的辅助机组24、26、33、34、38同样可以去激活，但是也还可以以激活的或者未激活的状态存在。同样，在第二运行模式下的并且具有激活的燃料电池堆的电池组运行中，蓄能器44负责提供驱动功率。当然，燃料电池堆100被激活并且持久地使最低功率要求Pmin供支配。例如，可以用所述功率供应附加的耗电器、诸如空调系统，或者给蓄能器44充电。此外，快速地变换到加速运行和燃料电池运行中是可能的，并且因此很高的行驶动态性是可能的。同样，在第二运行模式下的并且具有未激活的燃料电池堆100的电池组运行中，蓄能器44负责提供驱动功率。此外，所述蓄能器还给燃料电池堆100的辅助机组24、26、33、34、38供应能量，而所述燃料电池堆100被去激活。该运行状态也能够实现顺利地变换到具有激活的燃料电池的电池组运行或者加速运行中，并且因此能够实现高的行驶动态性。
在再循环运行中，牵引电机51用于给蓄能器44充电。在此，在第一运行模式下，只要由车辆200的其它耗电器、例如空调系统（未示出）引起的功率要求不能够使燃料电池系统10在效率最优的工作点P(ηmax)之上运行，就去激活燃料电池堆100并且优选地也去激活所述燃料电池堆100的辅助机组24、26、33、34、38。必要时，除了作为发电机来工作的牵引电机51之外，蓄能器44的充电控制装置也可以索取燃料电池堆100的功率并且因此使得燃料电池系统10在效率最优的工作点P(ηmax)之上运行。在第二运行模式下，燃料电池堆100和所述燃料电池堆100的辅助机组24、26、33、34、38同样可以去激活，但是也还可以以激活的或者未激活的状态存在。在此，所述燃料电池堆100在再循环运行中的激活的和未激活的状态与在电池组运行中的这些状态相同。
附图标记列表
100 燃料电池系统
200 车辆
10 燃料电池堆
11 单电池
12 阳极空间
13 阴极空间
14 聚合物电解质膜
15 双极板
20 阳极供应装置
21 阳极供应路径
22 阳极废气路径
23 燃料罐
24 调节装置
25 燃料再循环管道
26 再循环传送装置
30 阴极供应装置
31 阴极供应路径
32 阴极废气路径
33 压缩机
34 电动机
35 功率电子装置
36 涡轮机
37 废气旁通阀管道
38 调节装置
39 加湿模块
40 电功率系统
41 电压传感器
42 电流传感器
43 逆变器
44 蓄能器
45 直流转换器
50 驱动系统
51 牵引电机
52 驱动轴
53 驱动轮
60 控制单元。

Claims (10)

1.燃料电池系统（100），具有：
燃料电池堆（10），用于根据功率要求提供电功率Pstack；
至少一个辅助机组（24、26、33、34、38），用于以电功率消耗Paux来运行所述燃料电池堆；
具有电功率索取Puse的至少一个耗电器（44、51）；和
控制单元（60），用于提出功率要求，
其特征在于，所述控制单元（60）被设立用于：
使所述燃料电池系统（100）可选择地在第一运行模式下或者在第二运行模式下运行；
在所述第一运行模式下，一旦低于所述燃料电池系统（100）的效率最优的工作点P(ηmax)，就切断所述燃料电池堆（10），并且
在所述第二运行模式下，一旦低于所述燃料电池堆（10）的最低工作点Pmin，就切断所述燃料电池堆（10）。
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统（100），其特征在于，所述控制单元（60）还被设立用于：在所述第一运行模式下，一旦低于所述燃料电池系统（100）的效率最优的工作点P(ηmax)，就切断所述至少一个辅助机组（24、26、33、34、38）。
3.根据权利要求1或2所述的燃料电池系统（100），其特征在于，所述控制单元（60）还被设立用于：在所述第一运行模式下确定由所述至少一个耗电器（44、51）所索取的电功率Puse；并且只要所确定的功率索取Puse低于由所述燃料电池系统（100）所提供的净功率Pstack-Paux，就提高由所述至少一个耗电器（44、51）所索取的电功率。
4.根据权利要求3所述的燃料电池系统（100），其特征在于，所述至少一个耗电器（44、51）具有蓄能器（44），并且所述控制单元（60）还被设立用于：在第一运行模式下，只要所确定的功率索取Puse低于由所述燃料电池系统（100）所提供的净功率Pstack-Paux并且只要所述蓄能器（44）的充电状态超过确定的极限值，就切断所述燃料电池堆（10）。
5.根据权利要求1或2所述的燃料电池系统（100），其特征在于，所述控制单元（60）还被设立用于，在所述第一运行模式下提出对燃料电池堆（10）的至少一个最低功率要求，使得由所述燃料电池堆（10）所提供的电功率Pstack超过由所述至少一个辅助机组（24、26、33、34、38）所消耗的电功率Paux；并且所述燃料电池系统（100）在所述效率最优的工作点P(ηmax)之上运行。
6.根据权利要求5所述的燃料电池系统（100），其特征在于，所述控制单元（60）还被设立用于：在所述第一运行模式下，如果由所述至少一个辅助机组（24、26、33、34、38）所消耗的电功率Paux与由所述至少一个耗电器（44、51）所索取的电功率Puse之和低于由所述燃料电池堆（10）基于所述最低功率要求来提供的功率Pmin stack，那么确定低于所述燃料电池系统（100）的效率最优的工作点P(ηmax)。
7.根据权利要求1或2所述的燃料电池系统（100），其特征在于，所述控制单元（60）还被设立用于：在所述第二运行模式下，如果达到所述燃料电池堆（10）的确定的极限电压Umax，那么确定达到所述燃料电池堆（10）的最低工作点Pmin。
8.车辆（200），其具有根据权利要求1至7之一所述的燃料电池系统（100），其中所述至少一个耗电器具有牵引电机（51）。
9.根据权利要求8所述的车辆（200），其特征在于，所述控制单元（60）还被设立用于：根据驾驶员的手动输入或者借助驾驶员类型识别来使所述燃料电池系统（100）或者在所述第一运行模式下运行或者在所述第二运行模式下运行。
10.用于运行燃料电池系统（100）的方法，所述燃料电池系统具有：燃料电池堆（10），用于根据功率要求提供电功率Pstack；至少一个辅助机组（24、26、33、34、38），用于以电功率消耗Paux来运行所述燃料电池堆（10）；具有电功率索取Puse的至少一个耗电器（44、51）；和控制单元（60），用于提出功率要求；其中所述方法具有如下方法步骤：
使所述燃料电池系统（100）可选择地在第一运行模式下运行或者在第二运行模式下运行；
在第一运行模式下，一旦低于所述燃料电池系统（100）的效率最优的工作点P(ηmax)，就切断所述燃料电池堆（10），并且
在第二运行模式下，一旦达到所述燃料电池堆（10）的最低工作点Pmin，就切断所述燃料电池堆（10）。
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