DE102012018710A1 - Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems mit wenigstens einer Brennstoffzelle (2) und wenigstens einer elektrischen Energiespeichereinrichtung (4), zum Bereitstellen einer benötigten elektrischen Leistung, wobei die aktuell benötigte Leistung erfasst wird. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass im Falle einer aktuell benötigten Leistung unterhalb einer charakteristischen Leistung (PC) die Brennstoffzelle (2) unter Erzeugung der charakteristischen Leistung (PC) betrieben wird, wobei die Differenz zwischen der charakteristischen Leistung (PC) und der aktuell benötigten Leistung in der Energiespeichereinrichtung (4) gespeichert wird. Die Verwendung des Verfahrens ist in einem Brennstoffzellenfahrzeug vorgesehen.

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 derartigen Verfahrens in einem Brennstoffzellenfahrzeug.
  • Brennstoffzellensysteme mit einer Brennstoffzelle und einer elektrischen Energiespeichereinrichtung, welche typischerweise als Batterie oder als Kombination von Batterie und Kondensator aufgebaut ist, ist aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Beispielhaft wird hierzu auf das deutsche Patent DE 101 25 106 B4 verwiesen. Neben dem Brennstoffzellensystem ist in dieser Patentschrift außerdem ein Verfahren beschrieben, um durch Einschalten und Ausschalten der Verbindung zwischen der Brennstoffzelle und dem Rest des elektrischen Systems die Betriebsspannung der Brennstoffzelle in etwa konstant zu halten.
  • Hintergrund dieses Verfahrens sowie weiterer aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannter Verfahren, welche die Brennstoffzelle fortwährend ein- und ausschalten, ist es dabei, dass bei geringen Systemlasten der Wirkungsgrad eines Brennstoffzellensystems sinkt, weil der Verbrauch der Nebenaggregate zur Versorgung der Brennstoffzelle, beispielsweise der elektrische Verbrauch einer Luftversorgungseinrichtung, weniger stark abnimmt als die von der Brennstoffzelle erzeugte Leistung. Durch ein Ein- und Ausschalten der Brennstoffzelle kann dieser Problematik in bestimmten Betriebssituationen bis zu einem gewissen Grad entgegengewirkt werden. So ist es beispielsweise aus der DE 10 2010 047 527 A1 bekannt, das Brennstoffzellensystem in bestimmten Situationen samt seiner Peripherie abzustellen, um keinen erhöhten Energiebedarf beispielsweise durch die Luftfördereinrichtung zu verursachen. Ein häufiges Abstellen und Wiederstarten des Brennstoffzellensystems wirkt sich jedoch nachteilig auf dessen Lebensdauer aus. insbesondere bei einem Abschalten der Luftversorgung, und dies ist typischerweise der größte elektrische Verbraucher in der Peripherie der Brennstoffzelle, kann es zu Unterversorgungszuständen kommen, welche zu einer Schädigung der Brennstoffzelle führen können. Dadurch sinkt die Lebensdauer der Brennstoffzelle stark ab.
  • Aus dem weiteren Stand der Technik in Form der US 2008/0182144 A1 ist es bekannt, bei einer Verringerung der Leistung der Brennstoffzelle diese Verringerung nicht sprunghaft, sondern entlang einer Rampe vorzunehmen, da dies eher dem Charakter beispielsweise der Luftversorgungseinrichtung entspricht, welche nicht schlagartig heruntergefahren werden kann. Mit der ohnehin geförderten Luft wird dann elektrische Leistung erzeugt, welche in eine Batterie eingespeist wird, während die Leistung entlang einer vorgegebenen Rampe langsam auf die neue untere Zielleistung fährt. Bei einer erneuten Leistungserhöhung wird dann ein Teil der Leistung aus der Batterie verwendet, wodurch der Wirkungsgrad des Gesamtsystems gesteigert werden kann. Diese Idee löst jedoch nicht die Problematik einer eventuellen Unterversorgung der Brennstoffzelle beim Abstellen, beispielsweise im Stopp-Modus eines mit dem Brennstoffzellensystem ausgestatteten Fahrzeugs.
  • Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht daher darin, ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems anzugeben, welches die genannten Nachteile vermeidet und einen Betreib des Brennstoffzellensystems mit hohem Wirkungsgrad und hoher Lebensdauer der Brennstoffzelle gewährleistet.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus den abhängigen Unteransprüchen. Eine bevorzugte Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist im Anspruch 8 angegeben. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Verwendung ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es vorgesehen, dass die Brennstoffzelle nur in bestimmten Sondersituationen gänzlich abgestellt wird, während sie, wenn die aktuelle benötigte elektrische Leistung von dem Brennstoffzellensystem unter eine charakteristische Leistung sinkt, konstant mit dem Wert der charakteristischen Leistung weiter betrieben wird, wobei die Differenz zwischen der charakteristischen Leistung und der aktuell benötigten Leistung in der elektrischen Energiespeichereinrichtung des Brennstoffzellensystems gespeichert wird. Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird in Situationen, in denen lediglich eine geringe elektrische Leistung benötigt wird, ein unnötig häufiges Abstellen der Brennstoffzelle in dem Brennstoffzellensystem verhindert. Vielmehr wird die Brennstoffzelle auf einer konstanten charakteristischen Leistung weiter betrieben, welche idealerweise so ausgewählt werden kann, dass durch ein günstiges Verhältnis der in der Brennstoffzelle erzeugten Leistung und der von den Komponenten in der Peripherie der Brennstoffzelle benötigten Leistung vorherrscht. Hierdurch wird ein guter Wirkungsgrad gewährleistet. Die erzeugte Leistung, welche nicht benötigt wird, wird dann in einer Energiespeichereinrichtung eingespeichert und kann später wieder zur Ergänzung der benötigten elektrischen Leistung zur Verfügung gestellt werden.
  • Dementsprechend ist es in einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen, dass im Falle einer aktuell benötigten Leistung oberhalb der charakteristischen Leistung die aktuell benötigte Leistung teilweise durch die Energiespeichereinrichtung bereitgestellt wird. Hierdurch wird die zuvor eingespeicherte Leistung durch die Energiespeichereinrichtung wieder abgegeben, wodurch die Brennstoffzelle auf einem geringeren Leistungsniveau betrieben werden muss. Dies mildert dynamische Leistungssprünge beim Betrieb der Brennstoffzelle ab. Dies hat Vorteile hinsichtlich der Lebensdauer der Brennstoffzelle. Außerdem kann durch das Einspeichern von Überschussleistung und die Abgabe dieser Überschussleistung bei Bedarf der Gesamtwirkungsgrad des Systems entsprechend gesteigert werden, da die von der Energiespeichereinrichtung abgegebene Leistung aktuell nicht durch die Brennstoffzelle erzeugt werden muss und zuvor bei günstigem Wirkungsgrad des Gesamtsystems erzeugt worden ist. Lediglich der Wirkungsgrad für das Laden und Entladen der Energiespeichereinrichtung geht hier verloren. Bei einem geeigneten Aufbau der Energiespeichereinrichtung beispielsweise aus Hochleistungskondensatoren zum Zwischenspeichern von großen dynamisch auftretenden Leistungen in Kombination mit einer Hochleistungsbatterie, beispielsweise einer Lithium-Ionen-Batterie, zur Speicherung der elektrischen Leistung über einen längeren Zeitraum, lassen sich die Verluste beim Laden und Entladen einer derartigen elektrischen Energiespeichereinrichtung jedoch minimieren.
  • Insgesamt führt diese Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens daher zu einer Erhöhung des Gesamtwirkungsgrads des Brennstoffzellensystems, zu einer Erhöhung der Lebensdauer der Brennstoffzelle und aufgrund der Tatsache, dass über die Energiespeichereinrichtung, insbesondere wenn diese in Form von oder vorzugsweise mit Hochleistungskondensatoren ausgebildet ist, sehr schnell Energie bereitgestellt werden kann, zu einer Verbesserung der Dynamik in der Bereitstellung der aktuell benötigten Leistung.
  • In einer besonders günstigen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann es dabei ferner vorgesehen sein, dass die charakteristische Leistung in Abhängigkeit des Ladezustands der Energiespeichereinrichtung und/oder des Betriebszustands des Brennstoffzellensystems vorgegeben wird. Die charakteristische Leistung kann sich also durchaus an Betriebssituationen anpassen. Dies kann beispielsweise durch die Vorgabe der charakteristischen Leistung aufgrund einer Simulationsrechnung erfolgen, welche aktuelle Parameter berücksichtigt. Genauso gut ist es denkbar, dass für verschiedene Ladezustände und/oder Betriebszustände des Brennstoffzellensystems geeignete charakteristische Leistungen, welche beispielsweise durch Simulation und/oder Versuche ermittelt worden sind, in einem entsprechenden Kennfeld abgelegt werden, um bei Bedarf von einer Steuerung des Brennstoffzellensystems aufgerufen und verwendet zu werden.
  • In einer weiteren sehr günstigen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann es ferner vorgesehen sein, dass ein Verhältnis von durch die Brennstoffzelle und durch die Energiespeichereinrichtung bereitgestellter Leistung in Abhängigkeit der aktuell benötigten Leistung, des Betriebszustands des Brennstoffzellensystems und/oder des Ladezustands der Energiespeichereinrichtung vorgegeben wird. Diese Verhältnis, wie viel Leistung bei einem Leistungsbedarf oberhalb der charakteristischen Leistung aus der Brennstoffzelle stammt und wie viel aus der Energiespeichereinrichtung verwendet wird, kann ebenfalls in Abhängigkeit derartiger Größen vorgegeben werden. Auch hier ist wieder eine rechnerische Vorgabe, ein Kennfeld oder dergleichen denkbar. Beispielsweise ist es dabei sinnvoll, wenn bei sehr stark geladener Energiespeichereinrichtung ein größerer Anteil der Leistung aus der Energiespeicherkeinrichtung kommt, als wenn diese einen entsprechend geringen Ladezustand aufweist. Hierdurch wird dafür gesorgt, dass die Energiespeichereinrichtung für einen eventuellen Ladevorgang aufgrund einer geringeren aktuell benötigten Leistung als der charakteristischen Leistung wiederum über ausreichende Kapazität verfügt, sodass diese Energie auch sicher und zuverlässig eingespeichert werden kann. Außerdem kann es sinnvoll sein, alternativ oder ergänzend hierzu die aktuell benötigte elektrische Leistung zu berücksichtigen, da beispielsweise bei einer sehr schnell ansteigenden Leistung zuerst ein größer Anteil der elektrischen Leistung aus der elektrischen Energiespeichereinrichtung, insbesondere wenn diese über Kondensatoren verfügt, sinnvoll ist, bis die Brennstoffzelle entsprechend hochgefahren ist. Danach kann sich das Verhältnis entsprechend anpassen. Die Anpassung muss also nicht statisch erfolgen, sondern kann je nach Anforderungen auch während des Betriebs dynamisch vorgenommen werden. Hierfür kann neben der Dynamik der aktuell benötigten Leistung selbstverständlich auch alternativ oder ergänzend der Betriebszustand des Brennstoffzellensystems berücksichtigt werden, sodass eine dynamische Anpassung der aktuell benötigten Leistung zuerst über die Energiespeichereinrichtung erfolgt, um das Brennstoffzellensystem nicht schlagartig von einer Leistung auf eine andere Leistung hochfahren bzw. herunterfahren zu müssen.
  • Neben den beschriebenen Einflussfaktoren aufgrund von Randbedingungen des Brennstoffzellensystems oder seinen Betriebsbedingungen ist es darüber hinaus ergänzend oder alternativ möglich, dass die charakteristische Leistung und/oder das Verhältnis von durch die Brennstoffzelle und durch die elektrische Energiespeichereinrichtung bereitgestellter Leistung in Abhängigkeit einer manuellen Einstellung erfolgt. Solche manuellen Einstellungen können beispielsweise dazu genutzt werden, in Notsituationen ein Maximum an Leistung zu Verfügung zu stellen, auch wenn dies in dieser Situation durch die Steuerung des Systems nicht gewährleistet wäre. Beim Einsatz in einem Fahrzeug können die manuellen Einstellungen beispielsweise durch den Fahrer vorgenommene Einstellungen umfassen, welche beispielsweise zwischen einem ökonomischen Fahren und einem sportlichen Fahren entsprechend dem Fahrerwunsch unterscheiden.
  • Wie bereits erwähnt, ermöglicht das Verfahren einen Betrieb des Brennstoffzellensystems so, dass dieses nicht oder nicht so häufig gänzlich abgestellt und wieder angestellt werden muss. Nun gibt es jedoch selbstverständlich auch bei diesem Verfahren Situationen, in denen ein weiterer Betrieb der Brennstoffzelle auf der konstanten charakteristischen Leistung, auch wenn eine geringere aktuell benötigte Leistung vorliegt, nicht oder nur bedingt sinnvoll ist. In einer solchen Situation kann auch hier das Brennstoffzellensystem gänzlich abgestellt werden. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es daher vorgesehen, dass oberhalb eines vorgegebenen Maximalwerts des Ladezustands der elektrischen Energiespeichereinrichtung die Brennstoffzelle und ihre Medienversorgung abgestellt wird. In einer solchen Situation muss davon ausgegangen werden, dass die Leistungsdifferenz zwischen der charakteristischen Leistung und der aktuell benötigten niedrigeren elektrischen Leistung nicht oder nicht vollständig in die Energiespeichereinrichtung eingespeichert werden kann. Entsprechend dem Ladezustand der elektrischen Energiespeichereinrichtung wird daher das Brennstoffzellensystem in derartigen Situationen so gesteuert, dass die Brennstoffzelle abgestellt wird. Die elektrische Leistung stammt danach vollständig aus der Energiespeichereinrichtung. Diese Situation wird bei einer vernünftigen Auswahl der charakteristischen Leistung und/oder des Verhältnisses von durch die Brennstoffzelle und die elektrische Energiespeichereinrichtung bereitgestellter Leistung im normalen Betrieb jedoch nicht oder bei weitem nicht so häufig auftreten, wie bei den Systemen gemäß dem Stand der Technik. Das Abstellen der Brennstoffzelle innerhalb des Brennstoffzellensystems erfolgt daher im zeitlichen Mittel sehr viel weniger häufig, wodurch eine deutliche Verbesserung in der Lebensdauer der Brennstoffzelle gegenüber herkömmlichen Verfahren zum Steuern eines Brennstoffzellensystems erzielt werden kann.
  • Eine besonders günstige Verwendung für das erfindungsgemäße Verfahren ist die Anwendung in einem Brennstoffzellensystem zur Bereitstellung von elektrischer Leistung für ein Fahrzeug. Ein solches mit einem Brennstoffzellensystem ausgebildetes Fahrzeug oder auch Brennstoffzellenfahrzeug ist im Prinzip aus dem Stand der Technik bekannt. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht bei einem solchen Fahrzeug eine Verbesserung der Lebensdauer der Brennstoffzelle, eine verbesserte Dynamik der bereitgestellten benötigten Antriebsleistung sowie eine Verbesserung des Gesamtwirkungsgrads des Brennstoffzellensystems und damit einhergehend eine Verminderung des Kraftstoffverbrauchs des Fahrzeugs. Dies ist insbesondere bei der Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens in einem Fahrzeug möglich, da in Fahrzeugen sehr häufig hochdynamische Wechsel in der Leistung erfolgen. So ist es bei Fahrzeugen häufig üblich, dass diese im Teillastbereich betrieben werden oder beispielsweise beim Rollen, bei einer Bergabfahrt, beim Ausrollen an einer Ampel oder dergleichen, mit sehr geringen elektrischen Leistungsanforderungen auskommen. Wird in dieser Situation die Brennstoffzelle gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren weiter betrieben und die Überschussleistung wird in der elektrischen Energiespeichereinrichtung eingespeichert, dann kann beispielsweise beim Wiederanfahren nach der Ampel bei einer anschließen Bergauffahrt oder dergleichen ein Teil der Leistung aus der Batterie verwendet werden, wodurch die Brennstoffzelle in diesen Betriebssituationen sehr viel weniger Leistung bereitstellen muss. Außerdem kann eine Verbesserung der Dynamik erzielt werden, da bei langsamer Fahrt die elektrische Energiespeichereinrichtung entsprechend geladen wird und bei einem anschließenden schnellen Beschleunigen Leistung aus der Energiespeichereinrichtung zur Verfügung steht.
  • Wie bei Fahrzeugen mit elektrischen Antriebsmaschinen allgemein bekannt und üblich, kann beim Abbremsen des Fahrzeugs der Antriebsmotor generatorisch betrieben werden, um die benötigte Bremsleistung aufzubringen und gleichzeitig elektrische Leistung bereitzustellen und zu speichern. Bei der Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es vorgesehen, in einem solchen sogenannten Rekuperationsbetrieb des Fahrzeugs, die elektrische Leistung in der Energiespeichereinrichtung des Brennstoffzellensystems gespeichert wird, wobei oberhalb eines vorgegebenen Grenzwerts der durch die Rekuperation erzeugten Leistung die Brennstoffzelle abgestellt wird. Bei einem verringerten Leistungsbedarf des Brennstoffzellenfahrzeugs ist es nun so, dass häufig das Fahrzeug abgebremst wird. In diesen Situationen wird die elektrische Energiespeichereinrichtung mit Leistung aus der Rekuperation versorgt und andererseits mit Überschussleistung der mit der charakteristischen Leistung weiter betriebenen Brennstoffzelle. Die Überschussleistung und die rekuperierte Leistung steht dann zu einem späteren Zeitpunkt wieder zur Verfügung. Dies gilt insbesondere dann, wenn die Speicherkapazität der elektrischen Energiespeichereinrichtung die Aufnahme dieser Energie zulässt. Wie bereits beim Verfahren oben ausgeführt, kann es in Abhängigkeit des Ladezustands der elektrischen Energiespeichereinrichtung dann gegebenenfalls sinnvoll sein, die Brennstoffzelle gänzlich abzuschalten, wenn keine Möglichkeit zum Einspeichern der anfallenden elektrischen Überschussleistung mehr gegeben ist. Vergleichbares kann nun auch während des Rekuperationsbetriebs des Fahrzeugs sinnvoll und notwendig sein. Steigt die durch Rekuperation anfallende elektrische Leistung über einen Grenzwert an, dann besteht die Gefahr, dass diese Leistung oder zumindest ein Teil dieser Leistung nicht mehr eingespeichert werden kann und beispielsweise an einem elektrischen Widerstand in Wärme umgewandelt werden muss. In dieser Situation gleichzeitig elektrische Leistung über die Brennstoffzelle zu erzeugen, wäre wenig effizient, sodass alternativ oder ergänzend zu einem Abstellen der Brennstoffzelle aufgrund eines vorgegebenen Maximalwerts des Ladezustands der elektrischen Energiespeichereinrichtung ferner ein Abstellen der Brennstoffzelle und ihrer Medienversorgung oberhalb eines Grenzwerts der durch Rekuperation erzeugten Leistung erfolgt. Hierdurch wird garantiert, dass der größte Teil der durch Rekuperation erzeugten Leistung auch tatsächlich eingespeichert werden kann, und dass dies nicht durch elektrische Leistung, welche durch die Brennstoffzelle erzeugt werden muss, behindert wird.
  • Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie seiner Verwendung ergeben sich aus den restlichen abhängigen Unteransprüchen und werden ferner aus dem Ausführungsbeispiel deutlich, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben wird.
  • Dabei zeigen:
  • 1 eine Prinzipdarstellung eines Fahrzeugs mit einem Brennstoffzellensystem;
  • 2 ein Diagramm des Wirkungsgrads des Brennstoffzellensystems über der Antriebsleistung;
  • 3 ein Diagramm der erzeugten Leistung über der benötigten elektrischen Antriebsleistung; und
  • 4 ein Diagramm analog 3 mit einer Variation verschiedener Größen.
  • In der Darstellung der 1 ist ein Fahrzeug 1 mit einem in seiner Gesamtheit nicht dargestellten Brennstoffzellensystem in einer Prinzipdarstellung zu erkennen. Das in dem Fahrzeug 1 dargestellte Brennstoffzellensystem umfasst im Wesentlichen eine Brennstoffzelle 2 sowie parasitäre Verbraucher des Brennstoffzellensystems, wie beispielsweise eine Kathodenluftversorgung, welche durch die mit 3 bezeichnete Box angedeutet sind. Das Brennstoffzellensystem in dem Fahrzeug 1 umfasst außerdem eine elektrische Energiespeichereinrichtung 4, welche vorzugsweise als Kombination aus einer Batterie sowie einem oder mehreren Hochleistungskondensatoren, sogenannten Super-Caps, aufgebaut ist. Die elektrische Energiespeichereinrichtung 4 dient zum Speichern und Abgeben von elektrischer Energie. Das Brennstoffzellensystem in dem Fahrzeug 1 dient nun im Wesentlichen dazu, elektrische Antriebsleistung für einen Fahrmotor 5 des Fahrzeugs 1 bereitzustellen. Um Aufbau und Funktionalität des Fahrzeugs 1 bzw. des darin enthaltenen Brennstoffzellensystems näher zu beschreiben, sind zwischen den einzelnen Komponenten 2, 3, 4, 5 die Leistungsflüsse entsprechend angedeutet. Die Brennstoffzelle 2 dient zur Erzeugung von elektrischer Leistung. Über eine ihr zugeordnete Stelleinheit 7 kann diese mit dem Bezugszeichen 6 versehene von der Brennstoffzelle 2 erzeugte elektrische Leistung einerseits den parasitären Verbrauchern 3 der Brennstoffzelle 2 zugeführt werden, wofür in Richtung des Leistungsfluss vor den parasitären Verbrauchern eine weitere Stelleinheit 9 angedeutet ist. Die Leistung zu den parasitären Verbrauchern trägt das Bezugszeichen 8. Andererseits wird die Leistung 6, welche von der Brennstoffzelle 2 erzeugt worden ist, entsprechend dem mit 10 bezeichneten Leistungspfeil dem elektrischen Antriebsmotor 5 zugeführt. Eventuelle Überschussleistung gelangt entsprechend dem mit 11 bezeichneten Leistungspfeil über eine weitere Stelleinheit 12 in die elektrische Energiespeichereinrichtung 4 und wird dort zwischengespeichert. Für den Fall, dass das Fahrzeug 1 abbremst, kann beim Abbremsen der elektrische Fahrmotor 5 generatorisch betrieben werden. Hierdurch wird ein entsprechendes Bremsmoment aufgebaut und Bremsenergie wird in elektrische Leistung umgewandelt. Dieser Vorgang wird im Allgemeinen auch als Rekuperation bezeichnet. Die über Rekuperation anfallende Leistung, welche im Leistungsfluss mit dem mit 13 bezeichneten Pfeil angedeutet ist, kann ebenfalls ergänzend oder alternativ zu Leistung 6 aus der Brennstoffzelle 2 in der elektrischen Energiespeichereinrichtung 4 eingespeichert werden. Letztlich kann außerdem, wie es durch den Leistungspfeil 14 bezeichnet ist, elektrische Leistung aus der Energiespeichereinrichtung 4 beispielsweise zum Betrieb der parasitären Verbraucher 3 der Brennstoffzelle 2 und/oder des elektrischen Fahrmotors 5 aus der elektrischen Energiespeichereinrichtung 4 entnommen werden.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben des Brennstoffzellensystems ist es nun so, dass bei einer angeforderten bzw. benötigten elektrischen Antriebsleistung unterhalb einer charakteristischen Leistung PC die Brennstoffzelle 2 weiterhin auf einem konstanten Leistungsniveau betrieben wird. Die Brennstoffzelle 2 erzeugt damit einen Leistungsüberschuss, da die durch den Fahrmotor 5 benötigte Antriebsleistung kleiner ist als die von der Brennstoffzelle 2 erzeugte charakteristische Leistung PC. Dieser Leistungsüberschuss wird in der elektrischen Energiespeichereinrichtung 4 eingespeichert. Steigt anschließend die benötigte Leistung durch den Fahrmotor 5 über die charakteristische Leistung PC an, dann wird die benötigte Leistung nicht ausschließlich durch die Brennstoffzelle 2 bereitgestellt, sondern teilweise auch aus der elektrischen Energiespeichereinrichtung 4. Insgesamt werden damit ungünstige Betriebszustände der Brennstoffzelle 2 vermieden, ein häufiges Ab- und wieder Anschalten der Brennstoffzelle, welches deren Lebensdauer schädigt, verhindert und letztlich der Gesamtwirkungsgrad des Brennstoffzellensystems in dem Fahrzeug 1 entsprechend gesteigert.
  • In der Darstellung der 2 ist ein Diagramm zu erkennen, in welchem der Wirkungsgrad η über der Antriebsleistung PA aufgetragen ist. Die mit 15 bezeichnete durchgehende schwarze Linie stellt dabei den Wirkungsgrad des Brennstoffzellensystems 1 im herkömmlichen Betrieb dar. Aufgrund der Tatsache, dass bei sehr geringen Antriebsleistungen PA des Brennstoffzellensystems der Energiebedarf der parasitären Verbraucher 3 stärker ansteigt, als die Leistungsabgabe durch die Brennstoffzelle 2 abfällt, liegt bei kleinen elektrischen Antriebsleistungen PA ein sehr schlechter Wirkungsgrad bei einem herkömmlichen Brennstoffzellensystem vor. Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird dies entsprechend ausgeglichen und es ergibt sich die mit dünner Linie dargestellte Fortsetzung der Wirkungsgradkennlinie 15, welche mit dem Bezugszeichen 16 bezeichnet ist, und zwar unterhalb der in punktierter Linie senkrecht eingezeichneten charakteristischen Leistung bzw. charakteristischen Antriebsleistung PC. Der Wirkungsgrad des gesamten Brennstoffzellensystems, wenn dieses gemäß der Erfindung betrieben wird, verläuft also unterhalb der charakteristischen Leistung PC entlang der mit 16 bezeichneten Linie und erst oberhalb der charakteristischen Leistung PC entlang der üblich mit 15 bezeichneten Linie.
  • Der leichte Abfall des Wirkungsgrads gegenüber einer Waagrechten im Bereich des Wirkungsgradsverlaufs 16 resultiert dabei aus dem Speicherwirkungsgrad der elektrischen Energiespeichereinrichtung 4, also der beim Laden und Entladen der elektrischen Energiespeichereinrichtung 4 anfallenden Verlustleistung.
  • In der Darstellung des Diagramms der 3, welches die Antriebsleistung PA auf der X-Achse und die aktuell anfallenden Leistungen P auf der Y-Achse aufzeigt, lässt sich dieses Verhalten nochmals näher beschreiben und nachvollziehen. Mit punktierter senkrechter Linie ist wiederum die charakteristische Leistung PC eingezeichnet. Die durchgezogene Linie zeigt die von der Brennstoffzelle erzeugte Leistung 6 entsprechend dem Leistungsfluss in der Darstellung der 1. Die tatsächlich benötigte Leistung ist zur Vereinfachung der Darstellung als Gerade eingezeichnet und mit dem Bezugszeichen 17 versehen. Unterhalb der charakteristischen Leistung PC ist es nun so, dass die Brennstoffzelle 2 erfindungsgemäß auf einem konstanten Leistungsniveau weiter betrieben wird. Es entsteht ein Leistungsüberschuss gegenüber der tatsächlich benötigten Leistung, welcher in dem Diagramm der 3 mit dem Bezugszeichen 18 gekennzeichnet ist. Dieser Leistungsüberschuss 18 ist im Bereich der charakteristischen Antriebsleistung PC minimal und wird mit absinkender Antriebsleistung immer größer. Dieser hier mit 18 bezeichnete Teil wird gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren immer dann, wenn die Brennstoffzelle 2 mit der charakteristischen Leistung PC weiter betrieben wird, in der elektrischen Energiespeichereinrichtung 4 eingespeichert. Ist die aktuell benötigte Leistung größer als die charakteristische Leistung PC, dann muss die Brennstoffzelle 3 nicht wie bei den bisherigen Ausführungen gemäß dem Stand der Technik mit eben dieser aktuell benötigten Leistung betrieben werden, sondern kann beispielsweise entlang der Geraden 6 rechts der charakteristischen Leistung PC in der Darstellung der 3 betrieben werden. Eine mit dem Bezugszeichen 19 gekennzeichnete Differenz zwischen der von der Brennstoffzelle 2 erzeugten elektrischen Leistung und der aktuell benötigten Leistung 17 wird dabei durch die elektrische Energiespeichereinrichtung 4 bereitgestellt, sodass das Brennstoffzellensystem insgesamt immer genau die benötigte Leistung 17 an den elektrischen Fahrmotor 5 abgibt.
  • Nun ist es selbstverständlich möglich, zur Optimierung des Systems sowohl die charakteristische Leistung PC als auch ein Verhältnis der abgegebenen Leistung der Brennstoffzelle 2 zur abgegebenen Leistung der Energiespeichereinrichtung 4 bei einer aktuell benötigten Leistung 17 oberhalb der charakteristischen Leistung PC entsprechend zu variieren. Wie eingangs bereits erläutert, gibt es verschiedene Möglichkeiten für eine solche Variation, beispielsweise in Abhängigkeit des Ladezustands der elektrischen Energiespeichereinrichtung 4, in Abhängigkeit des Betriebszustands der Brennstoffzelle 2 bzw. des Brennstoffzellensystems und/oder in Abhängigkeit der Antriebsleistung PA. Ferner ist es möglich, dass Anforderungen wie eine manuelle Einstellung durch den Fahrer mit berücksichtigt werden, beispielsweise das Fahren in einem ökonomischen Modus, in einem Sportmodus, in einer Notlaufsituation oder dergleichen.
  • In einem Diagramm analog zur Darstellung in 3 ist in der 4 eine solche Variation dargestellt. Beispielhaft sind zwei unterschiedliche charakteristische Leistungen PC1 und PC2 dargestellt. Die Verschiebung zwischen diesen beiden charakteristischen Leistungen, welche in verschiedenen Situationen, beispielsweise bei verschiedenen Ladezuständen der elektrischen Energiespeichereinrichtung 4 angewandt werden, ist in der Darstellung der 4 mit dem Bezugszeichen 20 versehen. Oberhalb der zweiten charakteristischen Leistung PC2 ist in der Darstellung der 4 die von der Brennstoffzelle erzeugte Leistung wiederum mit dem Bezugszeichen 6 versehen. Es ist zu erkennen, dass diese verschiedene Steigungen aufweist, sodass sich der Anteil der durch die elektrische Energiespeichereinrichtung 4 zu ergänzenden Leistung 19 entsprechend verändert, beispielsweise in Abhängigkeit des Ladezustands der Energiespeichereinrichtung 4, des Betriebszustands des Brennstoffzellensystems, der benötigten elektrischen Leistung zum Antrieb des Fahrmotors 5 oder dergleichen.
  • Im Wesentlichen erreicht das erfindungsgemäße Verfahren, insbesondere eine Verlängerung der Lebensdauer der Brennstoffzelle sowie eine Steigerung des Wirkungsgrads des Brennstoffzellensystems im Bereich kleiner Lasten. Die Brennstoffzelle 2 selbst wird nur noch in einzelnen Situationen abgeschaltet und bei weitem nicht mehr so oft wie bei Verfahren gemäß dem Stand der Technik. Nach wie vor gibt es jedoch, wie es eingangs auch beschrieben worden ist, Situationen, in denen ein Abschalten der Brennstoffzelle 2 sinnvoll ist. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn die elektrische Energiespeichereinrichtung 4 so weit geladen ist, dass kaum noch eine Möglichkeit besteht, die von der Brennstoffzelle 2 erzeugte Überschussleistung 18 aufzunehmen. In dieser Situation kann in Abhängigkeit eines Maximalwerts der Ladung der Energiespeichereinrichtung 4 ein Abstellen der Brennstoffzelle 2 vorgesehen sein. Vergleichbares gilt dann, wenn die über Rekuperation erzeugte Leistung einen entsprechenden Grenzwert erreicht, sodass die durch Rekuperation erzeugte Leistung so hoch ist, dass diese vorzugsweise alleine energieeffizient in der elektrischen Energiespeichereinrichtung 4 eingespeichert werden kann, da eine zusätzliche Leistungserzeugung durch die Brennstoffzelle 2 die elektrische Energiespeichereinrichtung so weit belasten würde, dass der Ladewirkungsgrad aufgrund der hohen Leistung entsprechend sinkt und die Verluste überproportional zunehmen. Auch in dieser Situation kann ein Abstellen der Brennstoffzelle 2 sinnvoll und erwünscht sein. Selbstverständlich lassen sich diese Mechanismen untereinander kombiniert anwenden.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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    • DE 102010047527 A1 [0003]
    • US 2008/0182144 A1 [0004]

Claims (10)

  1. Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems mit wenigstens einer Brennstoffzelle (2) und wenigstens einer elektrischen Energiespeichereinrichtung (4), zum Bereitstellen einer benötigten elektrischen Leistung, wobei die aktuell benötigte Leistung erfasst wird, dadurch gekennzeichnet, dass im Falle einer aktuell benötigten Leistung unterhalb einer charakteristischen Leistung (PC) die Brennstoffzelle (2) unter Erzeugung der charakteristischen Leistung (PC) betrieben wird, wobei die Differenz zwischen der charakteristischen Leistung (PC) und der aktuell benötigten Leistung in der Energiespeichereinrichtung (4) gespeichert wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Falle einer aktuell benötigten Leistung oberhalb der charakteristischen Leistung (PC) die aktuell benötigte Leistung teilweise durch die elektrische Energiespeichereinrichtung (4) bereitgestellt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die charakteristische Leistung (PC) in Abhängigkeit eines Ladezustands der elektrischen Energiespeichereinrichtung (4) und/oder eines Betriebszustands des Brennstoffzellensystems vorgegeben wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verhältnis von durch die Brennstoffzelle (2) und durch die Energiespeichereinrichtung (4) bereitgestellter Leistung in Abhängigkeit der aktuell benötigten Leistung, des Betriebszustands des Brennstoffzellensystems und/oder des Ladezustands der elektrischen Energiespeichereinrichtung (4) vorgegeben wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die charakteristische Leistung (PC) und/oder ein Verhältnis von durch die Brennstoffzelle (2) und durch die elektrische Energiespeichereinrichtung (4) bereitgestellter Leistung in Abhängigkeit einer manuellen Einstellung vorgegeben wird.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass oberhalb eines vorgegebenen Maximalwerts eines Ladezustands der elektrischen Energiespeichereinrichtung (4) die Brennstoffzelle (2) und ihre Medienversorgung abgestellt wird.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass als Energiespeichereinrichtung (4) eine Kombination aus Batterie und Kondensatoren verwendet wird.
  8. Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7 zur Bereitstellung von elektrischer Antriebsleistung in einem mit einem Brennstoffzellensystem ausgebildeten Fahrzeug (1).
  9. Verwendung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Rekuperationsbetrieb des Fahrzeugs (1) elektrische Leistung in die Energiespeichereinrichtung (4) des Brennstoffzellensystems gespeichert wird, wobei oberhalb eines vorgegebenen Grenzwerts der durch Rekuperation erzeugten elektrischen Leistung die Brennstoffzelle (2) und ihre Medienversorgung abgestellt wird.
  10. Verwendung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Fahrer des Fahrzeugs (1) manuelle Einstellungen vornehmen kann, welche die charakteristische Leistung (PC) und/oder das Verhältnis von durch die Brennstoffzelle (2) und durch die elektrische Energiespeichereinrichtung (4) bereitgestellter Leistung beeinflussen.
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