DE102011113945A1

DE102011113945A1 - Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems

Info

Publication number: DE102011113945A1
Application number: DE102011113945A
Authority: DE
Inventors: Steffen Dehn
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Cellcentric GmbH and Co KG
Priority date: 2011-09-20
Filing date: 2011-09-20
Publication date: 2013-03-21

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems (1), mit wenigstens einer Brennstoffzelle (3), mit einem elektrischen Turbolader (10) zur Luftversorgung der Brennstoffzelle (3), wobei eine Turbine (11) des elektrischen Turboladers (10) mit einem Abgasstrom der Brennstoffzelle (3) betrieben wird, wobei in dem Abgasstrom in Strömungsrichtung vor der Turbine (11) ein Brenner (14) angeordnet ist, welcher zusätzlich mit Brennstoff versorgt werden kann, und mit einem Kühlsystem zur Abfuhr von Abwärme der Brennstoffzelle (3) mittels eines Kühlmediums. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Zufuhr von Brennstoff zu dem Brenner (14) in Abhängigkeit der Temperatur des Kühlmediums erfolgt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art. Außerdem betrifft die Erfindung die Verwendung eines solchen Verfahrens.
Brennstoffzellensysteme sind aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. In Brennstoffzellen von Brennstoffzellensystemen werden Wasserstoff und Sauerstoff oder wasserstoff- und sauerstoffhaltige Gase mit vergleichsweise hohem Wirkungsgrad in elektrische Energie umgesetzt. Ungeachtet dessen entsteht auch in einer Brennstoffzelle eine gewisse Abwärme, welche typischerweise durch ein Kühlmedium abgeführt werden muss. Bei der Verwendung von Brennstoffzellensystemen in Fahrzeugen ist es dabei allgemein bekannt und üblich, einen primären Kühler analog zur Ausbildung eines primären Kühlers bei Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor anzuordnen. Dies ist beispielsweise in der DE 196 029 084 C2 beschrieben. Der primäre Kühler ist dabei so angeordnet, dass der Staudruck des Fahrtwindes seine Durchströmung mit Umgebungsluft zur Kühlung gewährleistet. Um den Staudruck zu nutzen, lassen sich dabei im Wesentlichen nur die Frontflächen des Fahrzeuges für die Kühler nutzen. Dies bringt entsprechende Einschränkungen und Nachteile mit sich, welche nachfolgend zusammen mit anderen Problem beschrieben sind.
Die Wärmeabfuhr beim Betrieb von Brennstoffzellen-Antriebssystemen stellt für mobile Anwendungen von PEM-Brennstoffzellen ein leistungsbegrenzendes Problem dar, da der Grossteil der erzeugten Verlustwärme über das Kühlsystem bei relativ geringen Temperaturdifferenzen zur Umgebung abgeführt werden muss. Bei praxistauglichen Systemaufbauten muss als grober Anhaltspunkt damit gerechnet werden, dass ungefähr genauso viel Abwärme über das Kühlsystem abgeführt werden muss, wie elektrische Leistung in der Brennstoffzelle erzeugt wird.
Eine Verbesserung der Wärmeabfuhr des Kühlsystems kann prinzipiell durch eine Erhöhung der Kühleroberfläche, eine Verbesserung der Kühlerdurchströmung oder durch Anhebung der Kühlmitteltemperatur erreicht werden. Bisherige Kühlkonzepte gemäß dem allgemeinen Stand der Technik nutzen einen oder mehrere dieser Gesichtspunkte, sind allerdings mit den nachstehend beschriebenen Nachteilen bzw. Einschränkungen verbunden. Die maximalen Betriebstemperaturen heutiger PEM-Brennstoffzellenstacks liegen bei ca. 80–90°C. Bestrebungen zur Erhöhung der Temperatur gehen derzeit zu Lasten der Lebensdauer. Weiterhin ermöglichen wasserbasierte Kühlsysteme nur sehr begrenzte weitere Temperatursteigerungen im Kühlkreislauf, während hochtemperaturtaugliche Kühlmittel (z. B. Thermoöle) erhöhte Dichtigkeitsanforderungen, Kosten und erhöhten Handlingsaufwand implizieren. Der Erhöhung der Kühler-Frontfläche, und nur bei diesen ergibt sich der in der oben genannten DE 196 29 084 C2 Effekt hinsichtlich des Staudrucks, sind im Automobilbau enge Grenzen gesetzt. Die hauptsächlichen limitierenden Faktoren sind dabei insbesondere Package- und Designvorgaben, sowie das Bestreben, aus Gründen eines geringen Fahrzeugenergieverbrauchs einen möglichst niedrigen Luftwiderstandbeiwert (cw·A-Wert) zu erzielen. Auch eine Verbesserung der Kühlwirkung durch Einsatz leistungsstarker Gebläse bringt gravierende Nachteile. Die erforderliche Antriebsleistung für die Gebläse führt zu einer starken Steigerung der parasitären Verluste. Dadurch wird der Systemwirkungsgrad gesenkt. Ferner wird die Fahrzeugakustik negativ beeinflusst.
Aus den genannten Gründen stellt die Wärmeabfuhrkapazität des Kühlsystems einen limitierenden Faktor für die elektrische Leistung mobiler Brennstoffzellensysteme, insbesondere solchen in Fahrzeugen, dar.
Außerdem sind Aufbauten von Brennstoffzellensystemen bekannt, welche zum effizienten Umgang mit Energie einen sogenannten elektrischen Turbolader einsetzen. Dieser elektrische Turbolader weist eine Turbine auf, welche zum Antrieb einer Luftfördereinrichtung vorgesehen ist. Zusätzlich ist eine elektrische Maschine vorgesehen. Über die Turbine wird Abgasenergie, also Druck und thermische Energie, im Abgas der Brennstoffzelle genutzt. Optional kann hierfür das Gemisch der Abgase nachverbrannt werden, vorzugsweise in einem katalytischen Brenner. Außerdem besteht die Möglichkeit, diesem katalytischen Brenner zusätzlich frischen Brennstoff beziehungsweise Wasserstoff dem Bevorratungstank für die Brennstoffzelle zuzuführen. Damit lässt sich kurzzeitig ein hoher thermischer Energieinhalt erreichen, welcher für eine größere zurückgewonnene Leistung im Bereich der Turbine sorgt. Nun treibt die Turbine typischerweise die Luftfördereinrichtung an. Wenn die Leistung der Turbine zum Antrieb der Luftfördereinrichtung nicht ausreicht, was in den allgemein üblichen Betriebszuständen annähernd immer der Fall ist, dann kann über die elektrische Maschine zusätzlich elektrische Leistung bereitgestellt werden, um die Luftfördereinrichtung mit ausreichender Leistung anzutreiben. Nun ist es möglich, dem Brenner auch dann Brennstoff zuzuführen, wenn beispielsweise eine höhere elektrische Leistung benötigt wird, da bei einem Leistungsüberschuss im Bereich der Turbine die elektrische Maschine auch generatorisch betrieben werden kann. Dadurch lässt sich unmittelbar elektrische Leistung gewinnen und/oder die Luftzufuhr zur Brennstoffzelle sehr schnell erhöhen, falls eine hohe dynamische Leistungsanforderung und damit ein hoher dynamischer Luftbedarf im Bereich der Brennstoffzelle notwendig ist. Derartige Aufbauten sind beispielsweise aus der DE 10 2008 049 689 A1 und aus der DE 10 2005 061 536 A1 bekannt.
Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, die eingangs beschriebene durch die zur Verfügung gestellte Kühlfläche limitierte Leistung der Brennstoffzelle zu erhöhen, ohne hierfür weitere Kühlfläche zu benötigen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen. Außerdem ist in Patentanspruch 8 eine bevorzugte Verwendung für das erfindungsgemäße Verfahren angegeben.
Das erfindungsgemäße Verfahren sieht es vor, dass die Zufuhr von Brennstoff zu dem Brenner in Abhängigkeit der Temperatur des Kühlmediums erfolgt. Eine solche temperaturabhängige Steuerung beziehungsweise Regelung der Zufuhr von Brennstoff zu dem Brenner ermöglicht einen in Abhängigkeit der Temperatur des Kühlmediums einstellbaren thermischen Energieinhalt in dem Abgasstrom der Brennstoffzelle. Dadurch wird es möglich, die Leistung im Bereich der Turbine im Bereich des elektrischen Turboladers anhand der Temperatur des Kühlmediums zu beeinflussen. Somit kann beispielsweise eine höhere Leistung an dem elektrischen Turbolader über die Turbine bereitgestellt werden, wenn die Temperatur des Kühlmediums der Brennstoffzelle ansteigt. Dadurch lässt sich elektrische Leistung zum Antreiben der Luftfördereinrichtung durch die elektrische Maschine des elektrischen Turboladers einsparen. Die Brennstoffzelle kann dann bei gleichem Betriebspunkt und gleicher benötigter (maximaler) Kühlleistung mehr elektrische Leistung für anderweitige Verwendungen zur Verfügung stellen, da die parasitäre Leistung der Luftfördereinrichtung als primärem Nebenverbraucher des Brennstoffzellensystems entsprechend reduziert wird.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es dabei vorgesehen, dass die Zufuhr von Brennstoff zu dem Brenner in Abhängigkeit der Eintrittstemperatur des Kühlmediums in die Brennstoffzelle erfolgt. Insbesondere die Eintrittstemperatur in die Brennstoffzelle ist ein Maß dafür, wie viel Wärme über einen Kühler des Kühlkreislaufs mit dem Kühlmedium abgeführt werden konnte. Wenn der Kühler bei maximaler Leistung betrieben wird und die Temperatur des Kühlmediums am Eintritt in die Brennstoffzelle dennoch ansteigt, dann ist der Bereich der thermischen Limitierung, wie sie eingangs beschrieben worden ist, erreicht. Die entstehende Abwärme kann nicht mehr vollständig abgeführt werden. Wenn in diesem Fall nun die Zufuhr an Brennstoff zu dem Brenner erhöht wird, kann die Leistung im Bereich des elektrischen Turboladers, die hier über die Turbine erzeugt wird, erhöht werden. Die benötigte Leistung der elektrischen Maschine des Turboladers sinkt und damit lässt sich eine Verbesserung der elektrischen Leistungsfähigkeit des Gesamtsystems erreichen. Da diese Situationen typischerweise nicht ständig sondern lediglich bei ungünstigen Bedingungen und einer hohen angeforderten Last auftreten, lässt sich die benötigte Menge an zusätzlichem Brennstoff sehr gering halten, sodass die Gesamtenergiebilanz des Brennstoffzellensystems trotz deutlicher Verbesserung der Performance kaum nachteilig beeinflusst wird.
In einer weiteren sehr günstigen und vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es dabei vorgesehen, dass dem Brenner oberhalb einer vorgegebenen Grenztemperatur des Kühlmediums Brennstoff zugeführt wird. In einer vorteilhaften Weiterbildung hiervon ist es dabei vorgesehen, dass dem Brenner unterhalb der vorgegebenen Grenztemperatur kein Brennstoff zugeführt wird. Es reicht also eine einfache Steuerung einer Ventileinrichtung, welche beispielsweise als einfaches und kostengünstiges 2/2-Wegeventil oder Magnetventil ausgebildet sein kann, in Abhängigkeit der Grenztemperatur. Ist diese erreicht, wird die Ventileinrichtung geöffnet, wird diese von oben wieder erreicht, dann wird die Ventileinrichtung geschlossen. Um ein ständiges Hin- und Herschalten der Ventileinrichtung zu vermeiden, reicht die typischerweise jedem System ohnehin innewohnende Hysterese im Normalfall aus. Der Aufwand hinsichtlich der Steuerung und der eingesetzten Mittel zur Realisierung des Verfahrens hält sich dabei in Grenzen, sodass mit einem einzigen zusätzlichen einfachen Ventil und einer sehr einfachen Steuerung bereits der Vorteil der Erfindung erzielt werden kann.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems ermöglicht es also, die thermische Limitierung zumindest anzuheben, um so mehr Leistung bereitstellen zu können. Dies erfordert dabei keinerlei Einfluss auf den Kühler, sodass hier der bisherige Aufbau beibehalten werden kann. Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben des Brennstoffzellensystems eignet sich dabei vorzugsweise zum Einsatz für ein Brennstoffzellensystem in einem Fahrzeug. Ohne das der bisherige Aufbau des Fahrzeugs und insbesondere der bisherige Aufbau der Kühlfläche nennenswert verändert werden muss, lässt sich dennoch eine thermische Limitierung anheben, die Vorgaben hinsichtlich Design und Packaging werden nach wie vor erfüllt und es bedarf hier keiner konstruktiven oder gestalterischen Änderung.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben des Brennstoffzellensystems ermöglicht es so, eine vergleichsweise hohe Maximalleistung des Brennstoffzellensystems bei der zur Verfügung stehenden Fläche des Kühlers zu realisieren. Eine besonders bevorzugte Verwendung liegt daher in der Verwendung des Brennstoffzellensystems mit dem erfindungsgemäßen Betriebsverfahren zur Bereitstellung von elektrischer Antriebsleistung für das Fahrzeug.
Ein weiterer entscheidender Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens, speziell für den Einsatz in einem Fahrzeug, liegt darin, dass die Zufuhr von Brennstoff in Abhängigkeit der Temperatur des Kühlmediums erfolgt. Die Temperatur des Kühlmediums reagiert dabei auf unterschiedliche Anforderungen, beispielsweise eine hohe Leistungsanforderung bei eher geringer Durchströmung der Fahrzeugkühler, wie bei einer Bergauffahrt. Über die Steuerung der Brennstoffzufuhr anhand der Temperatur des Kühlmediums lässt sich so immer die ideale Zufuhr an Brennstoff erreichen, ohne dass zusätzliche Randbedingungen, wie beispielsweise die Leistung der Brennstoffzelle, die Durchströmung des Kühlers oder dergleichen, aufwändig erfasst werden müssten.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus den restlichen abhängigen Ansprüchen und werden aus dem Ausführungsbeispiel deutlich, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben ist.
Dabei zeigen:
1 ein prinzipmäßig angedeutetes Brennstoffzellensystem, welches zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist; und
2 ein Ablaufdiagramm zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
In der Darstellung der 1 ist ein Brennstoffzellensystem 1 prinzipmäßig angedeutet. Es ist dabei stark schematisiert dargestellt. Es sind nur die für die Durchführung der Erfindung relevanten Bauteile in dem Brennstoffzellensystem 1 eingezeichnet. Das Brennstoffzellensystem kann aber selbstverständlich über weitere Bauteile und Komponenten verfügen, wie dies bei Brennstoffzellensystemen 1 an sich bekannt und üblich ist.
Das Brennstoffzellensystem 1 soll dabei in einem Fahrzeug 2 angeordnet sein. Dieses ist durch den strichpunktierten Kasten prinzipmäßig angedeutet. Der Kern des Brennstoffzellensystems 1 ist eine Brennstoffzelle 3, welche als PEM-Brennstoffzelle ausgebildet sein soll, Die Brennstoffzelle 3 besteht im Wesentlichen aus einem Anodenraum 4, einem Kathodenraum 5 sowie einem Kühlwärmetauscher 6, welcher hier zwischen dem Kathodenraum 5 und dem Anodenraum 4 angedeutet ist. Der Aufbau der Brennstoffzelle 3 wird dabei als sogenannter Brennstoffzellenstapel oder Brennstoffzellenstack realisiert sein. Dem Anodenraum 4 der Brennstoffzelle wird Wasserstoff zugeführt, was hier lediglich durch den Pfeil 7 prinzipmäßig angedeutet ist. Wasserstoffhaltiges Abgas 8 wird entsprechend aus dem Anodenraum 4 abgeführt und kann beispielsweise im Abluftstrom aus dem Kathodenraum 5 zugeführt werden. Dies ist für die Erfindung nicht weiter relevant, sodass dies hier nicht dargestellt ist.
Dem Kathodenraum 5 der Brennstoffzeile 3 wird Luft über eine Luftfördereinrichtung 9 zugeführt. Diese Luftfördereinrichtung 9 kann beispielsweise als Strömungsverdichter ausgebildet sein. Sie soll Teil eines elektrischen Turboladers 10 sein. Sie ist dafür zusammen mit einer Turbine 11 auf einer gemeinsamen Welle 12 angeordnet. Auf dieser Welle 12 ist außerdem eine elektrische Maschine 13 angeordnet. Über die Luftfördereinrichtung 9 wird ein Zuluftstrom verdichtet und dem Kathodenraum 5 der Brennstoffzelle zugeführt. Optional können hier Ladeluftkühler, Befeuchter und dergleichen angeordnet sein, welche für die Erfindung nicht relevant und daher nicht dargestellt sind.
Abluft aus dem Kathodenraum gelangt zusammen mit Produktwasser über die Turbine 11 dann wieder an die Umgebung. Die in ihr enthaltene Druckenergie und thermische Energie wird im Bereich der Turbine 11 zumindest teilweise in mechanische Leistung umgewandelt, welche über die gemeinsame Welle 12 die Luftfördereinrichtung 9 antreibt. Im Normalfall wird die von der Turbine 11 erzeugte mechanische Leistung zum Antrieb der Luftfördereinrichtung 9 nicht ausreichen. Deshalb ist auf der gemeinsamen Welle 12 außerdem eine elektrische Maschine 13 angeordnet. Diese wird im Normalbetrieb als Elektromotor arbeiten und kann die zusätzliche benötigte Leistung zum Antrieb der Luftfördereinrichtung 9 bereitstellen. In Sonderfällen kann es auch sein, dass im Bereich der Turbine 11 mehr Leistung erzeugt wird, als von der Luftfördereinrichtung 9 benötigt wird. In diesen Fällen kann die elektrische Maschine 13 auch generatorisch betrieben werden, um ihrerseits elektrische Leistung bereitzustellen.
Im Bereich des Abluftstroms aus dem Kathodenraum 5 der Brennstoffzelle 3 ist ein Brenner 14 angeordnet. Dieser Brenner 14 ist vorzugsweise als katalytischer Brenner ausgebildet. Er wird immer von dem Abluftstrom des Kathodenraums 5 der Brennstoffzelle 3 durchströmt. Ihm kann außerdem kontinuierlich oder von Zeit zu Zeit Abgas aus dem Anodenraum 4 der Brennstoffzelle 3 zugeführt werden, sodass der in diesem Abgas enthaltene Restwasserstoff verbrennt und Wasserstoffemissionen an die Umgebung vermieden werden. Dadurch wird der Abgasstrom vor der Turbine 11 erwärmt und kann im Bereich der Turbine 11 mehr Leistung abgeben.
Nun ist es ferner so, dass dem Brenner 14 über ein Ventil 15 aus dem Bereich einer Wasserstoffversorgung 16 zusätzlicher Wasserstoff zugeführt werden kann. Die Wasserstoffversorgung 16 ist dabei insbesondere dieselbe, die auch zur Versorgung des Anodenraums 4 mit Wasserstoff genutzt wird. Die Ventileinrichtung 15 wird über ein Steuergerät 17 angesteuert. Die Ventileinrichtung 15 kann dabei beliebig konzipiert ausgebildet sein. Sie kann beispielsweise als Proportionalventil realisiert werden. Insbesondere kann die Ventileinrichtung 15 jedoch als einfaches Magnetventil realisiert sein, welches durch das Steuergerät 17 lediglich geöffnet und geschlossen wird. Dieser Aufbau ist entsprechend einfach und robust und lässt sich kostengünstig realisieren.
Der bereits erwähnte Wärmetauscher 6 der Brennstoffzelle 3 steht mit einem Kühlkreislauf 18 in Verbindung. Dieser Kühlkreislauf 18 ist in der Darstellung der 1 lediglich prinzipmäßig angedeutet. Er besteht aus einem Kühler 19, welcher typischerweise als Fahrzeugkühler in der auch von Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor an sich bekannten Art und Weise, beispielsweise an der Frontfläche des Fahrzeugs 2, ausgebildet ist. Er verfügt über einen prinzipmäßig angedeuteten Lüfter 20. Das Kühlmedium in dem Kühlkreislauf 18 wird nun durch eine hier nicht dargestellte Kühlmittelfördereinrichtung umgewälzt und strömt zumindest zwischen dem Kühlwärmetauscher 6 der Brennstoffzelle 3 und dem Kühler 19 im Kreislauf, um so die in dem Kühlwärmetauscher 6 der Brennstoffzelle 3 auf das Kühlmedium übertragene Abwärme im Bereich des Kühlers 19 an die Umgebung abzuführen. Die Strömungsrichtung des Kühlmediums ist dabei durch die Pfeile in dem Kühlkreislauf 18 entsprechend dargestellt. Die Kühlleistung des Kühlkreislaufs 18 kann beispielsweise durch die Drehzahl der Kühlmittelfördereinrichtung und/oder einen Bypass um den Kühler 19 realisiert werden.
In dem Kühlkreislauf 18 gibt es typischerweise wenigstens einen Temperatursensor. Für das hier beschriebene Verfahren ist dabei ein Temperatursensor 21 im Bereich des Eintritts des Kühlmediums in den Kühlwärmetauscher 6 der Brennstoffzelle 3 von Bedeutung. Dieser Temperatursensor 21 steht mit dem Steuergerät 17 in Verbindung. Der Temperatursensor 21 kann außerdem für anderweitige Steuerungszwecke, beispielsweise zur Steuerung der Kühlleistung in der oben beschriebenen Art, mit eingesetzt werden. Dadurch reicht ein einziger Temperatursensor 21 für mehrere Anwendungszwecke aus, sodass Bauteile und Kosten eingespart werden können.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben des Brennstoffzellensystems 1 sieht es nun vor, dass über das Steuergerät 17 in Abhängigkeit der durch den Temperatursensor 21 gemessenen Temperatur des Kühlmediums, und hier insbesondere der Temperatur des Kühlmediums am Eintritt in die Brennstoffzelle 3, die Ventileinrichtung 15 entsprechend geöffnet und geschlossen wird. Dieser Verfahrensablauf ist in der Darstellung der 2 dargestellt. In einem ersten Schritt A wird die Temperatur des Kühlmediums gemessen, insbesondere durch den Temperatursensor 21. In einem Auswahlschritt B wird die gemessene Temperatur mit einer vorgegebenen Grenztemperatur verglichen. Ist die gemessene Temperatur kleiner als die vorgegebene Grenztemperatur, so wird in einem Schritt C die Ventileinrichtung 15 geschlossen und das Verfahren startet erneut mit Schritt A. Sofern die Ventileinrichtung 15 bereits geschlossen ist, erfolgt im Schritt C keine Aktivität und es wird direkt in den Schritt A zurückgesprungen. Wird beim Abfrageschritt B festgestellt, dass die gemessene Temperatur größer als die vorgegebene Grenztemperatur ist, dann wird in einem Schritt D die Ventileinrichtung 15 geöffnet. Auch hier gilt bei der entsprechenden Abfrage, dass der Schritt auch bei bereits geöffneter Ventileinrichtung entsprechend durchlaufen wird, ohne dass dadurch eine Aktion im Bereich der Ventileinrichtung 15 erfolgt.
Diese sehr einfache und effiziente Steuerung kann vorzugsweise in dem Steuergerät 17 hinterlegt sein und eine Beeinflussung der Ventileinrichtung 15 in Abhängigkeit der Temperatur des Kühlmediums vornehmen. Kommt es nun zu einem Anstieg der Eintrittstemperatur in die Brennstoffzelle 3, dann wird dies durch den Temperatursensor 21 erfasst. Sobald die Temperatur oberhalb des vorgegebenen Grenzwerts liegt, wird die Ventileinrichtung 15 geöffnet und so lange geöffnet gehalten, bis die Temperatur wieder unterhalb des vorgegebenen Grenzwerts liegt. Dies hat zur Folge, dass in dem Brenner 14 zusätzlicher Wasserstoff aus der Wasserstoffversorgung 16 zur Verfügung steht. Dieser zusätzliche Wasserstoff wird entsprechend umgesetzt und erhöht die Temperatur des Abgases und damit die Eintrittstemperatur an der Turbine 11 des elektrischen Turboladers 10. Dadurch wird zusätzliche Leistung im Bereich der Turbine 11 frei, sodass sich die Menge an von der elektrischen Maschine 13 zugeführter elektrischer Leistung zum Antrieb der Luftfördereinrichtung 9 entsprechend reduziert. Diese elektrische Leistungsreduzierung im Bereich der elektrischen Maschine 13, welche den größten Nebenverbraucher des Brennstoffzellensystems 1 bildet, führt dazu, dass diese elektrische Leistung andersweitig verwendet werden kann, insbesondere als Fahrleistung für das Fahrzeug 2 oder die Brennstoffzelle 3 und damit das Kühlsystem entlastet. Dadurch wird zusätzliche Leistung bereitgestellt und die thermische Limitierung des Brennstoffzellensystems 1 weiter nach oben verschoben. Da die Leistungsaufnahme der elektrischen Maschine 13 entsprechend zurückgeht, wird bei unveränderter Leistungsanforderung die Folge sein, dass auch die von der Brennstoffzelle 3 bereitzustellende Leistung entsprechend zurückgeht und die Abwärme der Brennstoffzelle 3 sich reduziert. Dadurch wird die von dem Temperatursensor 21 gemessene Temperatur des Kühlmediums sich wieder reduzieren, und zwar so lange, bis sie unter die vorgegebene Grenztemperatur abfällt. Die Ventileinrichtung 15 wird dann wieder geschlossen und das Brennstoffzellensystem 1 ist wieder im regulären Betrieb.
Der Aufbau erlaubt es so, die thermische Limitierung ohne eine Änderung des konstruktiven Aufbaus des Kühlkreislaufs 18 entsprechend zu verschieben und somit länger elektrische Leistung von der Brennstoffzelle 3 im gewünschten Maße bereitstellen zu können, bevor aufgrund der thermischen Limitierung ein Abregeln der elektrischen Leistung der Brennstoffzelle 3 erfolgen muss.
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 196029084 C2 [0002]
DE 19629084 C2 [0004]
DE 102008049689 A1 [0006]
DE 102005061536 A1 [0006]

Claims

Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems (1), mit wenigstens einer Brennstoffzelle (3), mit einem elektrischen Turbolader (10) zur Luftversorgung der Brennstoffzelle (3), wobei eine Turbine (11) des elektrischen Turboladers (10) mit einem Abgasstrom der Brennstoffzelle (3) betrieben wird, wobei in dem Abgasstrom in Strömungsrichtung vor der Turbine (11) ein Brenner (14) angeordnet ist, welcher zusätzlich mit Brennstoff versorgt werden kann, und mit einem Kühlsystem zur Abfuhr von Abwärme der Brennstoffzelle (3) mittels eines Kühlmediums, dadurch gekennzeichnet, dass die Zufuhr von Brennstoff zu dem Brenner (14) in Abhängigkeit der Temperatur des Kühlmediums erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zufuhr von Brennstoff zu dem Brenner (14) in Abhängigkeit der Eintrittstemperatur des Kühlmediums in die Brennstoffzelle (3) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass dem Brenner (14) oberhalb einer vorgegebenen Grenztemperatur des Kühlmediums Brennstoff zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass dem Brenner (14) unterhalb der vorgegebenen Grenztemperatur des Kühlmediums kein Brennstoff zugeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass als Brenner (14) ein katalytischer Brenner verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Brennstoff der Brennstoff zur Brennstoffzelle (3) verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass als Brennstoff für den Brenner (14) derselbe Brennstoff verwendet wird, wie zum Betreiben der Brennstoffzelle (3).
Verwendung des Verfahrens zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, in einem Fahrzeug (2).
Verwendung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoffzellensystem (1) elektrische Antriebsleistung für das Fahrzeug (2) bereitstellt.