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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum dynamischen Betreiben einer Brennstoffzelle in einem Fahrzeug nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.
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Das dynamische Betreiben von Brennstoffzellen ist insbesondere in Fahrzeugen, in welchen die Brennstoffzelle zur Bereitstellung der elektrischen Antriebsleistung eingesetzt wird, eine gewisse Herausforderung, da die dynamische Leistungsanforderung, welche in einem Fahrzeug auftritt, typischerweise eine sehr hohe Dynamik erfordert und die geforderte Leistung für den Benutzer bestenfalls unmittelbar nach der Anforderung in vollem Umfang zur Verfügung stellen sollte.
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Ein solches Leistungsprofil ist jedoch mit einer Brennstoffzelle aufgrund der in ihr ablaufenden elektrochemischen Vorgänge nicht oder nur eingeschränkt zu leisten. Bei Brennstoffzellen wird daher typischerweise eine Stromdynamik an das aktuelle Leistungsvermögen der Brennstoffzelle angepasst. Dies ist notwendig, um die geforderte Stromdynamik möglichst gut durch die Brennstoffzelle bereitstellen zu können, ohne die Brennstoffzelle zu schädigen. Bei den elektrochemischen Vorgängen in der Brennstoffzelle sind Katalysatoren beteiligt, welche in verschiedene Zustände umgewandelt werden müssen. Beispielsweise beim Einsatz von Platin findet ein Übergang von Pt2+ zu Pt4+ und umgekehrt statt. Aufgrund dieses Vorgangs, welcher eine gewisse Zeit benötigt, muss die Stromdynamikrate eingeschränkt werden, um diese Vorgänge innerhalb der Brennstoffzelle zu ermöglichen. Ist dies nicht der Fall, kommt es zu anderen Vorgängen im Bereich der Elektroden der Brennstoffzelle, welche im Allgemeinen unerwünscht sind. Beispielsweise wird Kohlenstoff aus der Kathode zu CO2 oxidiert. Hierdurch kommt es zu einem Verlust von Material der Kathode, insbesondere von Kohlenstoff, welcher als Trägermaterial für den Katalysator dient. Der verbleibende Katalysator kann dann verklumpen, sodass dessen aktive Oberfläche eingeschränkt wird und die Brennstoffzelle an Leistungsfähigkeit verliert.
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Um dieser Problematik entgegenzuwirken, ist es aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt, die Stromdynamikrate insbesondere für eine Zunahme des Stroms, anhand der Temperatur der Brennstoffzelle entsprechend zu beschränken, um so einer Schädigung der Brennstoffzelle entgegenzuwirken. Es hat sich dabei gezeigt, dass diese Einschränkung zwar im Prinzip funktioniert, häufig die Stromdynamikrate jedoch deutlich stärker beschränkt, als es notwendig wäre. Zur Schonung der Brennstoffzelle wird daher auf Leistung bzw. Dynamik in dem Brennstoffzellensystem verzichtet, welche im Prinzip bereitstehen würde, ohne dass eine Schädigung der Brennstoffzelle damit einhergeht.
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Aus der
DE 10 2010 046 149 A1 ist ein sehr komplexes Verfahren bekannt, bei dem versucht wird, Werte wie beispielsweise die Brennstoffzellenspannung im Hinblick auf den aktuellen Betriebszustand der Brennstoffzelle abzuschätzen, um so eine zumindest abgeschätzte Kennlinie bzw. Polarisationskurve der Brennstoffzelle zu erhalten und anhand dieser den von der Brennstoffzelle maximal bereitstellbaren Strom innerhalb einer Zeiteinheit entsprechend anzupassen. Das Verfahren ist dabei außerordentlich aufwändig und komplex und erlaubt durch die vergleichsweise grobe Abschätzung der Brennstoffzellenspannung auf Basis von einer Vielzahl von Werten lediglich eine grobe Begrenzung der Stromdynamikrate, sodass durch den erheblichen Mehraufwand gegenüber den oben genannten Verfahren zum Stand der Technik eine vergleichsweise geringe Verbesserung erzielt wird.
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Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, ein Verfahren zum dynamischen Betreiben einer Brennstoffzelle in einem Fahrzeug bereitzustellen, welches die genannten Nachteile vermeidet, und welcher bei maximaler Schonung der Brennstoffzelle die maximal dynamische Leistung der Brennstoffzelle ermöglicht.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch das Verfahren mit den Merkmalen im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst. Ähnlich wie im Stand der Technik wird auch beim erfindungsgemäßen Verfahren die Stromdynamikrate, welche sich aus einer Sollleitungsanforderung ergibt, an das aktuelle Leistungsvermögen der Brennstoffzelle angepasst. Die Idee des Erfinders nutzt dabei die aktuell gemessene Brennstoffzellenspannung und begrenzt die Stromdynamikrate in Abhängigkeit dieser aktuell gemessenen Spannung auf einen sich mit der Brennstoffzellenspannung verändernden Maximalwert. Diese Anpassung der Stromdynamikrate auf einen spannungsabhängigen Maximalwert als Obergrenze für die mögliche Stromdynamikrate erlaubt eine sehr einfache und effiziente Anpassung, da der Spannungswert der Brennstoffzelle, beispielsweise bei dem typischen Aufbau des Brennstoffzellenstapels, die Gesamtspannung des Brennstoffzellenstapels geteilt durch die Anzahl an Einzelzellen, ohnehin zur Steuerung des Brennstoffzellensystem und/oder des Fahrzeugs zur Verfügung steht. Ohne zusätzlichen Messaufwand ist mit der aktuellen Brennstoffzellenspannung daher ein Wert verfügbar, welcher einfach und effizient zur Begrenzung der Stromdynamikrate im Sinne der Erfindung genutzt werden kann. Die Spannung der Brennstoffzelle hängt dabei von verschiedenen Einflussgrößen ab, beispielsweise dem Alterungszustand der Brennstoffzelle, der Feuchtigkeit und dergleichen. Dies wird über den aktuell gemessenen Wert der Brennstoffzellenspannung in jedem Fall mit berücksichtigt, ohne das hierfür andere Messgrößen oder Kenngrößen verwendet werden müssen. Das Verfahren ist daher nicht nur außerordentlich einfach, sondern auch außerordentlich schnell, da es keine aufwändigen Messungen benötigt, sondern lediglich die ohnehin gemessene Spannung zur Begrenzung der Stromdynamikrate verwendet.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Idee kann es zusätzlich vorgesehen sein, dass die sich in Abhängigkeit der Brennstoffzellenspannung veränderte Stromdynamikrate zusätzlich in Abhängigkeit der Temperatur der Brennstoffzelle angepasst wird. Ergänzend kann also auch die Temperatur mit berücksichtigt werden, beispielsweise indem die Temperatur des Kühlmediums nach dem Brennstoffzellenstapel als Temperaturwert, welcher in etwa die Temperatur des Brennstoffzellenstapels wiedergibt, verwendet wird. Diese Temperatur liegt in den meisten Systemen zur Steuerung der Kühlanlage ohnehin vor, sodass ohne zusätzliche Sensorik das erfindungsgemäße Verfahren weiter optimiert werden kann.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht es nun außerdem vor, dass wenn zum Erfüllen der Sollleistungsanforderung eine Sollstromdynamikrate benötigt werden würde, welche oberhalb des Maximalwerts liegt, die Stromdynamikrate entlang ihres sich mit der Brennstoffzellenspannung ändernden Maximalwerts verändert wird, bis die Sollleistungsanforderung erfüllt oder die Sollstromdynamikrate kleiner als der Maximalwert wird. In Abhängigkeit der sich ändernden Brennstoffzellenspannung bei der Reaktion der Brennstoffzelle auf einen Leistungssprung in der Sollleistungsanforderung wird also bei dieser Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens immer entlang des spannungsabhängigen Maximalwerts der Stromdynamikrate dem geforderten Leistungssprung gefolgt. Hierdurch lässt sich trotz der typischerweise auftretenden Begrenzung gegenüber der gewünschten Dynamik die maximale Dynamik, welche ohne nachhaltige Schädigung der Brennstoffzelle möglich ist, einstellen.
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Die Brennstoffzelle kann gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung, wie bereits erwähnt, als Stapel von Einzelzellen ausgebildet sein. Als Brennstoffzellenspannung kann dann die Spannung des Brennstoffzellenstapels geteilt durch die Anzahl der Einzelzellen verwendet werden.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es nun so, dass die Stromdynamikrate innerhalb eines Spannungsbereichs von 0,55 V–0,75 V, bevorzugt 0,6 V–0,7 V maximal vorgegeben wird, und sich außerhalb dieses Bereichs verkleinert. Je nach Temperatur kann die Brennstoffzelle in einem Bereich von maximal 0,5–0,8 V je Einzelzelle ihre maximale Dynamik entfalten. Bereits im Randbereich dieses Bereichs, also in etwa oberhalb von 0,7 V und unterhalb von 0,6 V, sind bereits erste Einschränkungen bei Versuchen zu erkennen. Daher kann es entsprechend vorgesehen sein, dass die spannungsabhängige Begrenzung der Stromdynamikrate bereits in diesem Bereich startet und außerhalb dieses Bereichs eine vergleichsweise große Begrenzung sowohl beim Unterschreiten der Spannung als auch beim Überschreiten derselben bewirkt.
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Ungeachtet dieser Idee wird die Dynamik eines Brennstoffzellensystems dabei immer gegenüber der erwarteten Dynamik eingeschränkt bleiben, da eine zeitliche Verzögerung in der Bereitstellung der elektrischen Antriebsleistung unweigerlich auftritt. Dies ist jedoch auch bei herkömmlichen Antriebssystemen mit Verbrennungsmotoren der Fall. Das erfindungsgemäße Verfahren kann dieser Problematik nun zusätzlich dadurch entgegenwirken, dass, wenn die Sollstromdynamikrqate zum Erfüllen der Sollleitungsanforderung über dem Maximalwert liegt, zusätzlich Leistung aus einer alternativen Leistungsquelle, wie einer Energiespeichereinrichtung, bereitgestellt wird. Über alternative Leistungsquellen in dem Fahrzeug, beispielsweise eine Energiespeichereinrichtung mit sehr dynamisch betreibbaren Energiespeichereinheiten, beispielsweise in Form von Hochleistungskondensatoren, kann ein gewisser Ausgleich der Sollleistungsanforderung immer dann erfolgen, wenn die Brennstoffzelle aufgrund der Beschränkung der Stromdynamikrate die geforderte Sollstromdynamikrate nicht bereitstellen kann. In diesem Fall kann dann zusätzlich elektrische Leistung beispielsweise aus einer Energiespeichereinrichtung zugespeist werden. Alternativen zu einer Energiespeichereinrichtung könnten auch andersartige Speichereinrichtungen oder Energieerzeuger sein, beispielsweise eine in dem Brennstoffzellensystem angeordnete Abgasturbine, welche über zusätzliche Verbrennungsabgase in an sich bekannter Art und Weise zur Steigerung der Dynamik der elektrischen Leistung des Gesamtsystems herangezogen wird.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie ein möglicher Aufbau eines Brennstoffzellensystems zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ergibt sich aus dem Ausführungsbeispiel, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figur näher beschrieben ist.
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Die einzige beigefügte Figur zeigt dabei ein prinzipmäßig angedeutetes Brennstoffzellensystem in einem Fahrzeug.
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Die Figur zeigt ein prinzipmäßig angedeutetes Fahrzeug 1, welches über ein Brennstoffzellensystem 2 mit elektrischer Antriebsleistung versorgt wird. In dem Brennstoffzellensystem 2 sind dabei lediglich die zur Erläuterung der Erfindung wichtigen Komponenten prinzipmäßig angedeutet. Dies wäre einmal eine Brennstoffzelle 3, welche in Form eines Brennstoffzellenstapels in an sich bekannter Art und Weise aus einer Vielzahl von Einzelzellen aufgebaut ist. Die von der Brennstoffzelle 3 erzeugte elektrische Leistung gelangt über die prinzipmäßig angedeuteten Leitungen 4 in den Bereich einer Leistungselektronik 5, und von dort entsprechend zu einem elektrischen Antriebsmotor 6, welcher über eine Welle bzw. Achse 7 zwei der Räder 8 des hier prinzipmäßig angedeuteten Fahrzeugs 1 antreibt. Im Bereich der Achse 7 können dabei entsprechende Getriebe und dergleichen vorhanden sein. Dies ist für die hier vorliegende Erfindung von untergeordneter Bedeutung und wird deshalb nicht näher dargestellt.
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Einem Anodenraum 9 der Brennstoffzelle 3 wird Wasserstoff als Brennstoff aus einem Druckgasspeicher 10 zugeführt. Einem Kathodenraum 11 der Brennstoffzelle 3 wird Luft über eine Luftversorgungs- und fördereinrichtung 12 als Sauerstofflieferant zugeführt. Die Abgase aus dem Brennstoffzellenstapel 3 gelangen in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel über einen katalytischen Brenner 13 an die Umgebung. Dieser Aufbau ist rein beispielhaft zu verstehen und kann in an sich bekannter Art und Weise verändert werden. So kann beispielsweise eine Anodenrezirkulation, eine Nutzung der Abgasenergie über eine Turbine oder dergleichen mit vorgesehen sein. All dies ist aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt und für die hier vorliegende Erfindung von untergeordneter Bedeutung. Auf eine Darstellung wurde daher verzichtet.
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Ein Steuergerät 14 für das Brennstoffzellensystem 2 bzw. das Fahrzeug 1 steht nun mit der Leistungselektronik 5 in Verbindung, um die von einem Betreiber des Fahrzeugs 1 beispielsweise über eine Fahrpedalstellung, welche über ein entsprechendes Steuergerät 15 in dem Fahrzeug ausgewertet wird, an den angetriebenen Rädern 8 entsprechend bereitzustellen. Das Steuergerät 14 steht in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel außerdem mit dem Brennstoffzellenstapel 3 in Verbindung. Ihm stehen Messwerte des Brennstoffzellenstapels 3 zur Verfügung, beispielsweise die Gesamtspannung des Brennstoffzellenstapels 3 sowie eine Temperatur des Brennstoffzellenstapels, welche beispielsweise über einen Temperatursensor in einem Kühlmittelstrom von dem Brennstoffzellenstapel 3 zu einem Kühler gemessen werden kann. Bei Kenntnis der Anzahl an Einzelzellen in dem Brennstoffzellenstapel 3 kann das Steuergerät 14 dann die mittlere Brennstoffzellenspannung je Einzelzelle ermitteln. Über das Steuergerät 15 für die Fahrpedalstellung ergibt sich eine vom Fahrer des Fahrzeugs 1 geforderte Sollleistungsanforderung an das Brennstoffzellensystem 2, welche typischerweise mit der maximal möglichen Dynamik bereitgestellt werden soll, ohne jedoch die Brennstoffzelle 3 hierdurch nachhaltig zu schädigen. In dem Steuergerät 14 wird daher aus der Leistungsanforderung eine Sollstromdynamikrate ermittelt, mit welcher ein Strom von dem Brennstoffzellensystem bereitgestellt werden müsste. Diese dynamische Stromrate in A/s dient dann als Basis für die von der Brennstoffzelle 3 dynamisch bereitzustellende Leistung zum Antrieb des Fahrmotors 6.
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Um nun die elektrochemisch in der Brennstoffzelle 3 ablaufenden Vorgänge zu berücksichtigen und keine Stromdynamikrate von der Brennstoffzelle 3 zu fordern, welche die Brennstoffzelle 3 nachhaltig schädigt, wird über das Steuergerät 14 außerdem ein Maximalwert für die Stromdynamikrate festgesetzt. Dieser Maximalwert für die Stromdynamikrate ist dabei von der gemessenen Spannung der Brennstoffzelle 3, also der mittleren Spannung der Einzelzellen beziehungsweise der Gesamtspannung des Brennstoffzellenstapels 3, abhängig. Bei einer gemessenen mittleren Spannung der Einzelzellen in der Größenordnung von 0,5–0,8 V ist eine vergleichsweise große Dynamik möglich, wobei diese am Rand des Bereichs bereits eingeschränkt werden muss, um die dynamische Umwandlung der Katalysatormaterialien in der Brennstoffzelle 3 sicher und zuverlässig zu gewährleisten und die Brennstoffzelle 3 nicht durch gegebenenfalls auftretende elektrochemische Ersatzreaktionen zu schädigen, beispielsweise den Abbau von Kohlenstoff im Bereich der Kathode zu riskieren.
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Die Stromdynamikrate wird also über das Steuergerät 14 in Abhängigkeit der Brennstoffzellenspannung auf einen Maximalwert begrenzt, sodass mit dem sich mit der sich ändernden Spannung ebenfalls ändernden Maximalwert die maximal zulässige Leistungsdynamik der Brennstoffzelle 3, ohne dass diese nachhaltig geschädigt wird, durch die Brennstoffzelle 3 bereitgestellt werden kann. Dies stellt die maximale dynamische Ausnutzung der Brennstoffzelle 3 in dem Fahrzeug 1 sicher.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010046149 A1 [0005]
