DE102009056029A1

DE102009056029A1 - Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems und Brennstoffzellensystem

Info

Publication number: DE102009056029A1
Application number: DE102009056029A
Authority: DE
Inventors: Rainer Dipl.-Ing. Bauer (Fh)
Original assignee: Daimler AG; Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2009-11-27
Filing date: 2009-11-27
Publication date: 2011-06-01

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems für ein Fahrzeug, mit wenigstens zwei schaltungstechnisch parallel geschalteten Brennstoffzellenstapeln. Von den Brennstoffzellenstapeln kann zur Energieversorgung zumindest einer Fahrzeugkomponente ein erforderlicher Gesamtstrom angefordert werden. Zum Bereitstellen des Gesamtstroms stellen die Brennstoffzellenstapel jeweils Teilströme bereit. Hierbei wird zumindest bei einem Brennstoffzellenstapel zumindest beim Erzeugen des bereitzustellenden Teilstroms überwacht, ob ein erster Schwellenwert (8) der elektrischen Spannung (2) dieses Brennstoffzellenstapels unterschritten wird. Bei einem Unterschreiten des ersten Schwellenwerts (8) erfolgt das weitere Bereitstellen des Teilstroms dieses Brennstoffzellenstapels derart, dass die elektrische Spannung (2) dieses Brennstoffzellenstapels zumindest wieder auf den ersten Schwellenwert (8) erhöht wird. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Brennstoffzellensystem.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems für ein Fahrzeug, mit wenigstens zwei schaltungstechnisch parallel geschalteten Brennstoffzellenstapeln, von denen ein zur Energieversorgung zumindest einer Fahrzeugkomponente erforderlicher Gesamtstrom angefordert werden kann. Zum Bereitstellen des Gesamtstroms werden von den Brennstoffzellenstapeln jeweils Teilströme bereitgestellt. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Brennstoffzellensystem für ein Fahrzeug.
Die DE 100 10 985 A1 beschreibt ein Brennstoffzellensystem mit einem ersten Strang, in welchem mehrere Brennstoffzellenstapel schaltungstechnisch in Reihe angeordnet sind. Ein zweiter Strang des Brennstoffzellensystems ist dem ersten Strang analog aufgebaut und dem ersten Strang schaltungstechnisch parallel geschaltet. Durch Umlegen eines jeweiligen Schalters an jedem einzelnen Brennstoffzellenstapel kann der jeweilige Brennstoffzellenstapel überbrückt werden. Ist der Brennstoffzellenstapel nicht überbrückt, so kann er einen Teilstrom eines angeforderten Gesamtstroms liefern, den das die zwei Stränge aufweisende Brennstoffzellensystem bereitstellt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein besonders zuverlässiges Verfahren der eingangs genannten Art und ein besonders zuverlässiges Brennstoffzellensystem zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und durch ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Patentanspruchs 5 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems für ein Fahrzeug, mit wenigstens zwei schaltungstechnisch parallel geschalteten Brennstoffzellenstapeln, von denen ein zur Energieversorgung zumindest einer Fahrzeugkomponente erforderlicher Gesamtstrom angefordert werden kann, werden zum Bereitstellen des Gesamtstroms von den Brennstoffzellenstapeln jeweils Teilströme bereitgestellt. Hierbei wird zumindest bei einem Brennstoffzellenstapel zumindest beim Erzeugen des bereitzustellenden Teilstroms überwacht, ob ein erster Schwellenwert der elektrischen Spannung dieses Brennstoffzellenstapels unterschritten wird. Bei einem Unterschreiten des ersten Schwellenwerts erfolgt das weitere Bereitstellen des Teilstroms dieses Brennstoffzellenstapels derart, dass die elektrische Spannung dieses Brennstoffzellenstapels zumindest wieder auf den ersten Schwellenwert erhöht wird. Das Anfordern des Gesamtstroms kann über eine Steuer- oder Regeleinrichtung erfolgen, welche etwa bei Anordnung des Brennstoffzellensystems in einem Fahrzeug eine Fahrpedalstellung und/oder einen Ladezustand eines Energiespeichers für elektrische Energie berücksichtigt.
Durch das Verfahren ist erreichbar, dass das Bereitstellen des Teilstroms durch den Brennstoffzellenstapel, dessen elektrische Spannung den ersten Schwellenwert unterschreitet, allenfalls zu einem kurzfristigen Unterschreiten des Schwellenwerts der Spannung führt. Dadurch ist vermeidbar, dass durch fortgesetztes Liefern eines vergleichsweise hohen Stroms durch diesen Brennstoffzellenstapel die Spannung des Brennstoffzellenstapels auf ein unerwünscht niedriges Niveau absinkt. Während nun der Brennstoffzellenstapel, dessen Spannung wieder auf den ersten Schwellenwert erhöht ist, lediglich einen begrenzten Teilstrom bereitstellt, sorgt der schaltungstechnische parallel geschaltete Brennstoffzellenstapel dafür, dass auch ein über diesen niedrigen Teilstrom hinausgehende Anforderung des Gesamtstroms von dem Brennstoffzellensystem befriedigt werden kann. Somit kann auch in diesem Betriebszustand des einen, den Schwellenwert der elektrischen Spannung aufweisenden Brennstoffzellenstapel von dem Brennstoffzellensystem als Ganzes eine Gesamtstromanforderung gedeckt werden, wie sie etwa bei vollem Durchtreten eines Fahrpedals gegeben ist.
Hierbei wird verhindert, dass der Brennstoffzellenstapel aufgrund zu niedriger Spannung abgeschaltet wird oder in einen Zustand mit beschränkter Lastfreigabe versetzt wird, welcher nur durch ein Zurücksetzen wieder verlassen werden kann. Es ist so ein besonders zuverlässiges Betriebsverfahren für das Brennstoffzellensystem geschaffen, bei welchem in Abhängigkeit von dem Spannungszustand des Brennstoffzellenstapels die an diesen Brennstoffzellenstapel gestellte Teilstromanforderung bestimmt wird.
Als vorteilhaft hat es sich hierbei gezeigt, wenn als Schwellenwert der elektrischen Spannung ein Wert gewählt wird, welcher größer ist als eine Mindestspannung wenigstens einer Komponente des Brennstoffzellensystems. Dadurch kann verhindert werden, dass die wenigstens eine Komponente des Brennstoffzellensystems durch Unterschreiten ihrer Mindestspannung auch nur vorübergehend ausfällt. Bei der wenigstens einen Komponente des Brennstoffzellensystems kann es sich insbesondere um einen Kompressor oder dergleichen übliche Komponente eines Brennstoffzellensystems handeln.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ein besonders zuverlässiges Brennstoffzellensystem für ein Fahrzeug geschaffen, welches wenigstens zwei schaltungstechnisch parallel geschaltete Brennstoffzellenstapel aufweist, von denen ein zur Energieversorgung zumindest einer Fahrzeugkomponente erforderlicher Gesamtstrom anforderbar ist. Zum Bereitstellen des Gesamtstroms sind von den Brennstoffzellenstapeln jeweils Teilströme bereitstellbar. Es können auch mehr als zwei schaltungstechnisch parallel geschaltete Brennstoffzellenstapel vorgesehen sein. Das Brennstoffzellensystem kann des Weiteren zwei oder mehr schaltungstechnisch parallel geschaltete Stränge aufweisen, wobei in wenigstens einem solchen Strang mehrere – dann schaltungstechnisch in Reihe geschaltete – Brennstoffzellenstapel angeordnet sind. Die Brennstoffzellenstapel eines ersten Strangs sind dann schaltungstechnisch den Brennstoffzellenstapeln eines weiteren Strangs parallel geschaltet. Das Brennstoffzellensystem umfasst eine Steuer- oder Regeleinrichtung, mittels welcher zumindest bei einem Brennstoffzellenstapel zumindest beim Erzeugen des bereitstellbaren Teilstroms überwachbar ist, ob ein erster Schwellenwert der elektrischen Spannung dieses Brennstoffzellenstapels unterschritten wird. Mittels der Steuer- und Regeleinrichtung ist bei einem Unterschreiten des ersten Schwellenwerts das weitere Bereitstellen des Teilstroms dieses Brennstoffzellenstapels derart einstellbar, dass die elektrische Spannung dieses Brennstoffzellenstapels zumindest wieder auf den ersten Schwellenwert erhöht wird.
Die für das erfindungsgemäße Verfahren beschriebenen bevorzugten Vorteile und Ausführungsformen gelten auch für das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem.
Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in der Figur alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnung.
Diese zeigt ein Diagramm mit Kurven, welche den Spannungsverlauf und den Stromverlauf eines Brennstoffzellenstapels bei unterschiedlichen Fahrpedalstellungen beschreiben.
In einem in der Figur gezeigten Diagramm 1 beschreibt eine erste Kurve 2 den zeitlichen Verlauf der elektrischen Spannung eines Brennstoffzellenstapels als Funktion der Zeit, welche auf einer Zeitachse 3 des Diagramms 1 aufgetragen ist. Der Brennstoffzellenstapel ist Teil eines Brennstoffzellensystems, welches in einem Fahrzeug angeordnet ist. Entsprechend beschreibt eine zweite Kurve 4 in dem Diagramm 1 eine Stellung eines Fahrpedals des Fahrzeugs, ebenfalls als Funktion der Zeit.
Der Brennstoffzellenstapel ist in dem Brennstoffzellensystem einem zweiten Brennstoffzellenstapel schaltungstechnisch parallel geschaltet. Wenn eine Regelungseinrichtung also von dem Brennstoffzellensystem einen Gesamtstrom anfordert, so stellt jeder der zwei parallel geschalteten Brennstoffzellenstapel einen jeweiligen Teilstrom bereit, deren Summe dem angeforderten Gesamtstrom entspricht. Die Stromanforderung an den ersten Brennstoffzellenstapel als Funktion der Zeit ist in dem Diagramm 1 durch eine weitere Kurve 5 veranschaulicht.
Gemäß dem Diagramm 1 ist während eines Zeitraums 6 das Fahrpedal voll durchgetreten. Dies geht mit einer hohen Stromanforderung an den ersten Brennstoffzellenstapel einher. Jedoch unterschreitet in Folge der hohen Stromanforderung die Spannung des ersten Brennstoffzellenstapels zu einem Zeitpunkt 7 einen vorgegebenen Schwellenwert 8. Dieser Schwellenwert 8 kann beispielsweise bei einem Wert von 265 Volt liegen, wenn eine Mindestspannung von Komponenten des Brennstoffzellensystems, welche nicht unterschritten werden soll, bei 250 Volt liegt. Dann liegt nämlich der Schwellenwert 8 in einem ausreichenden Abstand zu dieser Mindestspannung, sodass selbst ein kurzfristiges und geringfügiges weiteres Unterschreiten des Schwellenwerts 8 der Spannung nicht zu einem Erreichen der Mindestspannung führt.
Die Stromanforderung an den ersten Brennstoffzellenstapel wird kontinuierlich reduziert bis sie zu einem Zeitpunkt 9 ein Niveau erreicht, bei welchem der von dem ersten Brennstoffzellenstapel gelieferte Teilstrom mit einer Spannung korrespondiert, deren Wert dem Schwellenwert 8 gleich ist. Die Stromanforderung wird bis zum Erreichen eines Zeitpunkts 10 auf diesem reduzierten Niveau gehalten. Das Fahrpedal ist weiterhin voll durchgetreten. Wenn der von dem ersten Brennstoffzellenstapel zwischen dem Zeitpunkt 9 und dem Zeitpunkt 10 gelieferte Teilstrom nicht ausreicht, um den angeforderten Gesamtstrom zu decken, liefert der parallel geschaltete Brennstoffzellenstapel den zur Deckung der Gesamtstromanforderung notwendigen Teilstrom.
Zu einem Zeitpunkt 11 überschreitet die Spannung des ersten Brennstoffzellenstapels einen zweiten Schwellenwert 12, welcher beispielsweise 275 Volt betragen kann. Sobald sich die Spannung des ersten Brennstoffzellenstapels also auf diesen höheren Schwellenwert 12 erholt hat, kann von dem ersten Brennstoffzellenstapel auch wieder ein Maximalstrom als zu liefernder Teilstrom angefordert werden.
Prinzipiell ist bei einem ersten Schwellenwert 8 von 265 Volt auch ein zweiter Schwellenwert 12 von weniger als 275 Volt vorstellbar, ab welchem das Anfordern des Maximalstroms als von dem Brennstoffzellenstapel zu liefernder Teilstrom freigegeben werden kann. Jedoch ist bei ausreichendem Abstand des zweiten Schwellenwerts 12 von dem ersten Schwellenwert 8 ein Abpuffern von kleineren Spannungseinbrüchen möglich. Zudem ist durch ausreichenden Abstand der Schwellenwerte 8, 12 voneinander sicherstellbar, dass der Brennstoffzellenstapel eine hohe Stabilität aufweist.
Vorteilhaft erfolgt eine Freigabe, gemäß welcher von dem ersten Brennstoffzellenstapel wieder ein Maximalstrom angefordert werden kann, erst dann, wenn die elektrische Spannung des ersten Brennstoffzellenstapels den vorgegebenen zweiten Schwellenwert 12 zumindest während einer vorbestimmten Mindestzeitspanne 13 überschreitet. Dadurch sind Oszillationen der Spannung und/oder der Stromanforderung besonders sicher vermeidbar.
Die Mindestzeitspanne 13 kann beispielsweise zehn Sekunden betragen. Ist der zweite Schwellenwert 12 also während dieser Mindestzeitspanne 13 dauerhaft überschritten, ist ab einem Zeitpunkt 14 das Freigeben des Anforderns des Maximalstroms besonders unkritisch. Die Regelungseinrichtung ermöglicht also, dass von dem Brennstoffzellenstapel erneut der Maximastrom angefordert werden kann und nicht nur der mit der Spannung mit dem Schwellenwert 8 korrespondierende, reduzierte Teilstrom.
Bezugszeichenliste

1: Diagramm
2: Kurve
3: Zeitachse
4: Kurve
5: Kurve
6: Zeitraum
7: Zeitpunkt
8: Schwellenwert
9: Zeitpunkt
10: Zeitpunkt
11: Zeitpunkt
12: Schwellenwert
13: Mindestzeitspanne
14: Zeitpunkt

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 10010985 A1 [0002]

Claims

Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems für ein Fahrzeug, mit wenigstens zwei schaltungstechnisch parallel geschalteten Brennstoffzellenstapeln, von denen ein zur Energieversorgung zumindest einer Fahrzeugkomponente erforderlicher Gesamtstrom angefordert werden kann, bei welchem zum Bereitstellen des Gesamtstroms von den Brennstoffzellenstapeln jeweils Teilströme bereitgestellt werden, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest bei einem Brennstoffzellenstapel zumindest beim Erzeugen des bereitzustellenden Teilstroms überwacht wird, ob ein erster Schwellenwert (8) der elektrischen Spannung (2) dieses Brennstoffzellenstapels unterschritten wird, und bei einem Unterschreiten des ersten Schwellenwerts (8) das weitere Bereitstellen des Teilstroms dieses Brennstoffzellenstapels derart erfolgt, dass die elektrische Spannung (2) dieses Brennstoffzellenstapels zumindest wieder auf den ersten Schwellenwert (8) erhöht wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Schwellenwert (8) der elektrischen Spannung (2) ein Wert gewählt wird, welcher größer ist als eine Mindestspannung wenigstens einer Komponente des Brennstoffzellensystems.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Anfordern eines Maximalstroms als von dem Brennstoffzellenstapel zu liefernder Teilstrom freigegeben wird, wenn die elektrische Spannung (2) des Brennstoffzellenstapels einen vorgegebenen zweiten Schwellenwert (12) überschreitet.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Freigeben des Anforderns erfolgt, wenn die elektrische Spannung (2) des Brennstoffzellenstapels den vorgegebenen zweiten Schwellenwert (12) über eine vorbestimmte Mindestzeitspanne (13) hinweg überschreitet.
Brennstoffzellensystem für ein Fahrzeug, mit wenigstens zwei schaltungstechnisch parallel geschalteten Brennstoffzellenstapeln, von denen ein zur Energieversorgung zumindest einer Fahrzeugkomponente erforderlicher Gesamtstrom anforderbar ist, wobei zum Bereitstellen des Gesamtstroms von den Brennstoffzellenstapeln jeweils Teilströme bereitstellbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoffzellensystem eine Steuer- oder Regeleinrichtung umfasst, mittels welcher zumindest bei einem Brennstoffzellenstapel zumindest beim Erzeugen des bereitstellbaren Teilstroms überwachbar ist, ob ein erster Schwellenwert (8) der elektrischen Spannung (2) dieses Brennstoffzellenstapels unterschritten wird, und mittels welcher bei einem Unterschreiten des ersten Schwellenwerts (8) das weitere Bereitstellen des Teilstroms dieses Brennstoffzellenstapels derart einstellbar ist, dass die elektrische Spannung (2) dieses Brennstoffzellenstapels zumindest wieder auf den ersten Schwellenwert (8) erhöht wird.