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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem, insbesondere eines Kraftfahrzeugs. Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zum Betreiben eines derartigen Brennstoffzellensystems.
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Brennstoffzellen sind galvanische Zellen, die eine bei einer chemischen Reaktion entstandene chemische Energie in elektrische Energie umwandeln und diese innerhalb eines Brennstoffzellensystems insbesondere für elektrische Verbraucher zur Verfügung stellen. Eine Brennstoffzelle umfasst daher zwei Elektroden, die Anode und die Kathode, die durch einen Elektrolyten voneinander getrennt sind. Als Edukte kommen als Anodengas insbesondere Wasserstoff und Kohlenwasserstoffe, und als Kathodengas insbesondere Sauerstoff bzw. ein sauerstoffhaltiges Gas, insbesondere Luft, zum Einsatz. Bei der chemischen Reaktion der Edukte in der Brennstoffzelle entsteht Wasser als Hauptabfallprodukt, weshalb Brennstoffzellen als eine saubere Energieerzeugungsart gelten. Brennstoffzellen können in einem Brennstoffzellensystem kombiniert werden, das im großen Maß skalierbar ist und deshalb zahlreiche Anwendungen, sowohl im stationären als auch im mobilen Bereich, insbesondere in einem Kraftfahrzeug, findet. Das Brennstoffzellensystem kann insbesondere Gaszufuhreinrichtungen zur Versorgung der Elektroden mit den jeweiligen Edukten ausweisen. Werden zur Anodengasversorgung Kohlenwasserstoffe verwendet, so können diese innerhalb des Brennstoffzellensystems insbesondere durch einen Reformer vorbehandelt werden. Auch kann das Brennstoffzellensystem insbesondere zur Effizienzsteigerung des Brennstoffzellensystems eine Rezirkulation des Anodenabgases aufweisen.
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Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, für ein Brennstoffzellensystem der eingangs genannten Art, eine verbesserte oder zumindest alternative Ausführungsform anzugeben, die sich insbesondere durch eine vereinfachte Handhabung auszeichnet.
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Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, bei einem Brennstoffzellensystem, insbesondere eines Kraftfahrzeuges, mit wenigstens einer Brennstoffzelle, die zumindest zwei Elektroden zum Anschließen wenigstens eines elektrischen Verbrauchers aufweist, eine Spannungsmessvorrichtung zum Messen einer elektrischen Spannung an den Elektroden vorzusehen und eine Steuerung so einzusetzen, dass diese die Zuführung wenigstens eines Eduktes zur Brennstoffzelle in Abhängigkeit der gemessenen Spannung steuert. Insbesondere kann also die Steuerung eine Anodengaszuführeinrichtung zur Versorgung der Brennstoffzelle mit Anodengas abhängig von der gemessen Spannung ansteuern. Dabei kann die Spannungsmessvorrichtung sowohl vor als auch nach mindestens einem Verbraucher oder parallel dazu platziert sein.
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Die Steuerung der Eduktversorgung der Brennstoffzelle hat unmittelbare Folgen auf die von der Brennstoffzelle abziehbare elektrische Leistung. Eine Variation der gemessenen Brennstoffzellenspannung stammt beispielsweise von einer Änderung des elektrischen Leistungsbedarfs der daran angeschlossenen Verbraucher. So resultiert ein Spannungsabfall an den Elektroden aus einem Leistungsbedarfsanstieg der Verbraucher, während ein Spannungsanstieg an den Elektroden aus einer Leistungsbedarfreduzierung der Verbraucher resultiert. Das Steuern der Eduktversorgung abhängig von der gemessenen Spannung stellt daher eine besonders einfache, weil von nur einer Messgröße abhängige, Variation und Anpassung der Brennstoffzellenleistung dar.
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In einer möglichen Ausführungsform ist die Steuerung zum Abrufen der gemessenen Spannung durch eine Abrufverbindung mit der Spannungsmessvorrichtung verbunden und zum Steuern der Anodengaszuführeinrichtung durch eine Steuerverbindung mit der Anodengaszuführeinrichtung verbunden. Dabei wird abhängig von der gemessenen Spannung insbesondere die Leistung der Anodengaszuführeinrichtung und somit ein erzeugter Anodengasvolumenstrom variiert. Dies kann insbesondere durch die Variation der Förderleistung einer Fördereinrichtung, beispielsweise einer Pumpe, erreicht werden.
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Bei einer weiteren Ausführungsform des Brennstoffzellensystems weist die Anodengaszuführeinrichtung zumindest einen Reformer auf. Der Reformer dient dabei insbesondere dem Erzeugen des Anodengases bzw. des Anodengasvolumenstroms. Die Steuerung ist nun durch eine Steuerverbindung mit dem Reformer verbunden und verändert abhängig von der gemessenen Spannung die Leistung des Reformers und somit insbesondere den Anodengasvolumenstrom. Optional kann die Anodengaszuführeinrichtung, insbesondere der Reformer, eine Oxidatorgaszuführeinrichtung aufweisen. Die Steuerung kann in dem Fall durch die zuvor genannte oder eine weitere Steuerverbindung mit der Oxidatorgaszuführeinrichtung verbunden sein und die geförderte Oxidatorgasmenge abhängig von der gemessenen Spannung ändern, um insbesondere den Anodengasvolumenstrom zu variieren. Dies kann insbesondere durch das Ansteuern einer Fördereinrichtung, insbesondere einer Pumpe, erreicht werden. Zusätzlich oder alternativ kann die Anodengaszuführeinrichtung zudem eine Brennstoffzuführeinrichtung, insbesondere zum Reformer aufweisen, wobei als Brennstoff insbesondere Kohlenwasserstoffe zu erwähnen sind. In diesem Fall kann die Steuerung durch eine der zuvor genannten oder einer weitere Steuerverbindung mit der Brennstoffzuführeinrichtung verbunden sein und die geförderte Brennstoffmenge abhängig von der gemessenen Spannung verändern, um insbesondere den Anodengasvolumenstrom zu variieren. Wird der Brennstoff in einem Behälter, insbesondere einem Tank, aufbewahrt, so kann das Fördern der Brennstoffmenge insbesondere durch eine Pumpe realisiert werden. Die Steuerung kann in diesem Fall die Leistung der Pumpe variieren. Wird der Brennstoff in einem Druckbehälter, insbesondere einer Gasflasche aufbewahrt, so kann die geförderte Gasmenge durch einen steuerbaren Durchlass, insbesondere durch ein Ventil bzw. Druckventil, reguliert werden. Die Steuerung variiert in dem Fall die durch den Durchlass durchgelassene Brennstoffmenge. Auch diese Ausführungsformen sowie Kombinationen daraus stellen eine besonders einfache Steuerung des Brennstoffzellensystems dar, da diese von nur einer Messgröße abhängt. Sie erlauben zudem insbesondere auch eine einfache Einflussnahme auf die Vorgänge innerhalb des Reformers.
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Entsprechend einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform, umfasst die Anodengaszuführeinrichtung eine teilweise oder gänzliche Rezirkulation von Anodenabgas, insbesondere zum Reformer. Die Steuerung weist nun zusätzlich eine Steuerverbindung zu einer Rezirkulationseinrichtung auf, um die Rezirkulation von Anodenabgas abhängig von der gemessenen Spannung zu ändern, um insbesondere den Anodengasvolumenstrom zu variieren. Dabei ist zu beachten, dass sowohl eine Erhöhung als auch eine Reduzierung der Rezirkulation des Anodenabgases, abhängig von Betriebsparametern der Brennstoffzelle, den Anodengasvolumenstrom erhöhen oder reduzieren. Dies ist bei zu erzielenden Änderungen des Anodengasvolumenstroms entsprechend zu berücksichtigen. Die Änderungen der Rezirkulation des Anodenabgases können durch eine Fördereinrichtung, insbesondere eine Pumpe, realisiert sein, wobei die Steuerung hier die Leistung der Fördereinrichtung variiert. Die Rezirkulationseinrichtung kann außerdem einen Wärmetauscher zur Regulierung der Thermik aufweisen, beispielsweise um das dem Reformer zugeführte Oxidatorgas und/oder das der Brennstoffzelle zugeführte Kathodengas vorzuwärmen und/oder das Anodenabgas abzukühlen
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Es sei darauf hingewiesen, dass die Abfrage- und Steuerverbindungen der Steuerung nicht zwingend aus einem elektrischen Leiter bestehen. Vorstellbar ist auch insbesondere eine kabellose Übertragung der entsprechenden Signale. Es sei ferner erwähnt, dass die einzelnen Verbindungen der Steuerung auch einen Rückkanal, insbesondere zum Abfragen der Werte der einzelnen gesteuerten Elemente des Brennstoffsystems, aufweisen können.
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Es versteht sich, dass die Variation des Anodengasvolumenstroms entsprechend und analog auf die einen Kathodengasvolumenstrom zur Versorgung der Brennstoffzelle mit Kathodengas übertragbar ist. Dies ist beispielsweise durch eine Variation einer Fördereinrichtung einer Kathodengaszuführeinrichtung zu erreichen. Dabei dient die Änderung des Kathodengasvolumenstroms insbesondere dem Zweck, die Kathode bei den entsprechenden Betriebspunkten der Brennstoffzelle sauerstoffreich zu betreiben.
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile beziehen.
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Es zeigen, jeweils schematisch
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1 eine stark vereinfachte, schaltplanartige, mögliche Ausführungsform eines Brennstoffzellensystems,
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2 einen Flussdiagramm zur Erläuterung eines Steuervorgangs.
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Gemäß 1 umfasst ein Brennstoffzellensystem 1 zumindest eine Brennstoffzelle 2, die zumindest zwei Elektroden 3, nämlich eine Anode 3a und einer Kathode 3b aufweist, die durch einen Elektrolyten E getrennt sind, wobei die Elektroden 3 den Anschluss zumindest eines elektrischen Verbrauchers 4 erlauben. Ferner kann mittels einer Spannungsmessvorrichtung 5 eine an den Elektroden 3 herrschende elektrische Spannung gemessen werden. Das Brennstoffzellensystem 1 weist weiter eine Anodengaszuführeinrichtung 6 zur Versorgung der Brennstoffzelle 2 mit einem Anodengas und eine Kathodengaszuführeinrichtung 7 zur Versorgung der Brennstoffzelle 2 mit einem Kathodengas auf. Die Anodengaszuführeinrichtung 6 weist dabei einen Reformer 8 auf, wobei der Reformer 8 eine Brennstoffzuführeinrichtung 9 zur Versorgung des Reformers 8 mit einem Brennstoff aus einem Brennstoffbehälter oder Tank 10 aufweist. Der Reformer 8 verfügt zusätzlich über eine Oxidatorgaszuführeinrichtung 11. Das Brennstoffzellensystem 1 weist außerdem eine Rezirkulationseinrichtung 12 auf, mit der Anodenabgas zum Reformer 8 rückführbar ist. Die Kathodengaszuführeinrichtung 7, die Brennstoffzuführeinrichtung 9 zum Reformer 8, die Oxidatorgaszuführeinrichtung 11 zum Reformer 8 sowie die Rezirkulationseinrichtung 12 weisen darüber hinaus Fördereinrichtungen 13 auf, beispielsweise in Form von Pumpen oder Gebläsen oder Verdichtern.
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In der in 1 gezeigten Ausführungsform ist die Spannungsmessvorrichtung 5 vor dem Verbraucher 4 platziert und durch eine Abrufverbindung 14 mit einer Steuerung 15 verbunden. Die Steuerung 15 ist ferner mittels Steuerverbindungen 16 mit den Fördereinrichtungen 13 der Brennstoffzuführeinrichtung 9 zum Reformer 8, der Oxidatorgaszuführeinrichtung 11 zum Reformer 8 sowie der Rezirkulationseinrichtung 12 verbunden.
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Die Steuerung 15 ist nun so programmiert bzw. ausgestattet, dass sie abhängig von der mit Hilfe der Spannungsmessvorrichtung 5 gemessenen Spannung, einen Anodengasvolumenstrom mittels Variation von Förderleistungen der einzelnen Fördereinrichtungen 13 der Brennstoffzuführeinrichtung 9, der Oxidatorgaszuführeinrichtung 11 und der Rezirkulationseinrichtung 12 jeweils einzeln oder zusammen oder in beliebiger Kombination, variieren kann. Die jeweiligen Fördereinrichtungen 13 können dabei jeweils unabhängig voneinander oder gemeinsam oder in beliebiger Kombination oder gekoppelt angesteuert werden.
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Die Steuerung 15 kann nun entsprechend einer vorteilhaften Verwendung des vorgestellten Brennstoffzellensystems 1 und der beispielhaft aufgezeigten Ausführungsform so programmiert sein, dass sie das im Folgenden beschriebene Betriebsverfahren realisieren kann.
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2 zeigt den Ablauf für ein Verfahren des Brennstoffzellensystems 1 abhängig von der gemessenen Spannung. Hier wird von einem Ausgangspunkt 17 aus zunächst in einem ersten Vergleichsabschnitt 18 die gemessene Spannung mit einer vorgegebenen Minimalspannung verglichen. Ist die gemessene Spannung kleiner als die Minimalspannung, so folgt das Verfahren einem Pfad 19 und der Anodengasvolumenstrom wird in einem Operationsschritt 20 erhöht. Anschließend kehrt das Verfahren über einen Pfad 21 zum Ausgangspunkt 17 zurück. Die Erhöhung des Anodengasvolumenstroms wird dabei stufenlos oder gestuft durchgeführt und die Operation 20 wird dann solange wiederholt, bis die gemessene Spannung oberhalb der Minimalspannung liegt.
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Ist die gemessene Spannung im Vergleichsabschnitt 18 dagegen größer als die Minimalspannung, so folgt das Verfahren einem Pfad 22 und in einem weiteren Vergleichsschritt 23 wird die gemessene Spannung mit einer vorgegebenen Maximalspannung verglichen. Ist die gemessene Spannung größer als die Maximalspannung, so folgt das Verfahren einem Pfad 24 und der Anodengasvolumenstrom wird in einem Operationsschritt 25 reduziert. Anschließend kehrt das Verfahren über einen Pfad 26 zum Pfad 22 oder über einen Pfad 28 zum Ausgangspunk 17 zurück. Die Reduzierung des Anodengasvolumenstroms wird dabei stufenlos oder gestuft durchgeführt und die Operation 25 wird solange wiederholt, bis die gemessene Spannung unterhalb der Maximalspannung liegt. Liegt die gemessene Spannung unterhalb der Maximalspannung, so kehrt das Verfahren über einen Pfad 27 zum Ausgangspunkt 17 zurück und das Verfahren wird wiederholt.
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In Verbindung mit 1 lässt sich das Verfahren auch wie folgt darstellen. Vom Ausgangspunkt 17 aus, wird zunächst im Vergleichsabschnitt 18 die gemessene Spannung mit der vorgegebenen Minimalspannung verglichen. Die Minimalspannung kann dabei insbesondere dadurch gekennzeichnet sein, dass sie einen steigenden Leistungsbedarf der angeschlossenen Verbraucher 4 widerspiegelt. Wird festgestellt, dass die gemessene Spannung niedriger als die Minimalspannung ist, so wird im Operationsschritt 20 der Anodengasvolumenstrom erhöht. Diese Erhöhung des Anodengasvolumenstroms dient insbesondere dem Zweck, die Leistung der Brennstoffzelle 2 zu erhöhen. Eine Erhöhung des Anodengasvolumenstroms kann insbesondere durch Erhöhung der Leistung des Reformers 8 erreicht werden, welche insbesondere durch die Erhöhung der Förderleistung der Brennstoffzuführeinrichtung 9 und/oder der Oxidatorgaszuführeinrichtung 11 und/oder durch die Variation der der Förderleistung der Rezirkulationseinrichtung 12, insbesondere der entsprechenden Fördereinrichtungen 13, erzielt werden kann. Die innerhalb des Operationsschrittes 20 erwähnten Steuermaßnahmen können sowohl gleichzeitig, als auch unabhängig voneinander erfolgen. Sie sind außerdem beliebig kombinierbar. Die Erhöhungen des Anodengasvolumenstroms kann dabei in einer vorgegeben Änderungsstufe, insbesondere der Leistung der einzelnen Fördereinrichtungen 13, erfolgen. Nach der entsprechenden Änderungsstufe innerhalb des Operationsschrittes 20, kehrt das Verfahren zum Ausgangspunkt 17 zurück, wobei oben genannte Schritte wiederholt werden, bis die gemessene Spannung oberhalb der Minimalspannung liegt. Dabei können die bei den einzelnen Durchgängen angewendeten Änderungsstufen, insbesondere der Leistungen der einzelnen Fördereinrichtungen 13, und somit die Änderungsstufen des Anodengasvolumenstroms, variieren. Die einzelnen Änderungsstufen können in dem Fall insbesondere von der Differenz der gemessenen Spannung zur Minimalspannung abhängen. Es ist zudem auch eine stufenlose Änderung des Anodengasvolumenstroms vorstellbar, bis die gemessene Spannung oberhalb der Minimalspannung liegt.
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Ist die gemessene Spannung im Vergleichsschritt 18 größer als die Minimalspannung, so wird im Vergleichabschnitt 23 die gemessene Spannung mit einer vorgegebenen Maximalspannung verglichen. Die Maximalspannung kann dabei insbesondere dadurch gekennzeichnet sein, dass sie einen sinkenden Leistungsbedarf der angeschlossenen Verbraucher 4 widerspiegelt. Ist eine höhere gemessene Spannung als die Maximalspannung festgestellt, so wird in einem Operationsschritt 25 der Anodengasvolumenstrom reduziert. Diese Reduzierung des Anodengasvolumenstroms dient insbesondere dem Zweck, die Leistung der Brennstoffzelle 2 zu reduzieren. Eine Reduzierung des Anodengasvolumenstroms kann insbesondere durch Reduzierung der Leistung des Reformers 8 erreicht werden, welche insbesondere durch die Reduzierung der Förderleistung der Brennstoffzuführeinrichtung 9 und/oder der Oxidatorgaszuführeinrichtung 11 und/oder durch die Variation der Förderleistung der Rezirkulationseinrichtung 12, insbesondere der entsprechenden Fördereinrichtungen 13, erzielt werden kann. Die innerhalb des Operationsschrittes 25 erwähnten Steuermaßnahmen können sowohl gleichzeitig, als auch unabhängig voneinander erfolgen. Sie sind außerdem beliebig kombinierbar. Die Reduzierung des Anodengasvolumenstroms kann dabei in einer vorgegeben Änderungsstufe, insbesondere der Leistung der einzelnen Fördereinrichtungen 13, erfolgen. Nach der entsprechenden Änderungsstufe innerhalb des Operationsschrittes 25, kehrt das Verfahren zum Vergleichsschritt 23 zurück, wobei oben genannte Schritte wiederholt werden, bis die gemessene Spannung unterhalb der Maximalspannung liegt. Dabei können die bei den einzelnen Durchgängen angewendeten Änderungsstufen, insbesondere der Leistungen der einzelnen Fördereinrichtungen 13, und somit die Änderungsstufen des Anodengasvolumenstroms, variieren. Die einzelnen Änderungsstufen können in dem Fall insbesondere von der Differenz der gemessenen Spannung zur Maximalspannung abhängen. Es ist zudem auch eine stufenlose Änderung des Anodengasvolumenstroms vorstellbar, bis die gemessene Spannung unterhalb der Maximalspannung liegt.
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Zur Vermeidung eines oszillierenden Verhaltens bzw. einer Hysterese, kann bei dem Verfahren insbesondere eine Minimalsolispannung oberhalb der Minimalspannung und unterhalb der Maximalspannung und/oder eine Maximalsollspannung unterhalb der Maximalspannung und oberhalb der Minimalspannung festgelegt werden. Sind sowohl Minimalsollspannung als auch Maximalsollspannung vorgesehen, so ist die Minimalsollspannung zweckmäßig kleiner als die Maximalsollspannung zu wählen. Alternativ können Minimalsollspannung und Maximalsollspannung auch gleich groß sein bzw. zusammenfallen. Die Steuerung kann nun derart programmiert sein, dass die Operationsschritte 20 und/oder 25 stufenlos oder gestuft erfolgen, bis die Minimalsollspannung bzw. entsprechend die Maximalsollspannung erreicht wird.
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Die oben erwähnten Minimalspannung und/oder Maximalspannung und/oder Minimalsollspannung und/oder Maximalsollspannung können eine Abhängigkeit von äußeren Parametern, beispielsweise der Temperatur, aufweisen. Diese Abhängigkeiten können, insbesondere in Form von Kennlinien und/oder Kennfeldern, in der Steuerung 15 integriert sein und diese beeinflussen. Sie können aber auch beliebig verändert werden.
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Es wird darauf hingewiesen, dass ein Austausch der Vergleichsschritte 18 und 23 und die damit verbundenen Operationsschritte zum gleichen Ergebnis führen und sich daher nicht von dem oben beispielhaft beschriebenen Verfahren unterscheiden.
