DE102015116952A1

DE102015116952A1 - Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellen-Fahrzeugs sowie Steuereinrichtung und Brennstoffzellen-Fahrzeug

Info

Publication number: DE102015116952A1
Application number: DE102015116952.5A
Authority: DE
Inventors: Nils Brandau; Christian Wachtel; Raphael Geieregger
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Audi AG; Volkswagen AG
Priority date: 2015-10-06
Filing date: 2015-10-06
Publication date: 2017-04-06

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellen-Fahrzeugs (200) oder ein Brennstoffzellen-Fahrzeug (200), wobei das Brennstoffzellen-Fahrzeug (200) in einem Normal-Betriebsmodus (N) betreibbar ist, in welchem eine Brennstoffzelle (10) des Brennstoffzellen-Fahrzeugs (200) mit Normalbetrieb-Spannungs-Strom-Wertepaaren (UpN, IpN) betrieben wird, und das Brennstoffzellen-Fahrzeug (200) ferner in einem Sport-Betriebsmodus (S) betreibbar ist, wobei bei einer in Bezug auf einen Betrieb des Brennstoffzellen-Fahrzeugs (200) im Normal-Betriebsmodus (N) in dem gleichen Betriebspunkt des Brennstoffzellen-Fahrzeugs (200), das Brennstoffzellen-Fahrzeug (200) mit einer vergrößerten zur Verfügung gestellten oder stellbaren elektrischen Leistung betrieben wird. Ferner betrifft die Erfindung eine elektronische Steuereinrichtung (60) für ein Brennstoffzellen-Fahrzeug (200) sowie ein Brennstoffzellen-Fahrzeug (200) mit einer elektronischen Steuereinrichtung (60), wobei die elektronische Steuereinrichtung (60) eingerichtet ist, das erfindungsgemäße Verfahren durchzuführen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellen-Fahrzeugs sowie ein Brennstoffzellen-Fahrzeug. Ferner betrifft die Erfindung eine elektronische Steuereinrichtung für ein Brennstoffzellen-Fahrzeug.
Eine Brennstoffzelle nutzt eine elektrochemische Umsetzung eines Brennstoffs mit Sauerstoff zu Wasser zur Erzeugung elektrischer Energie. Hierfür enthält die Brennstoffzelle als eine Kernkomponente wenigstens eine sogenannte Membran-Elektroden-Einheit (englisch MEA für Membrane Electrode Assembly), welche ein Gefüge aus einer ionenleitenden, oft protonenleitenden, Membran und beidseitig an der Membran angeordneten Elektroden, einer Anodenelektrode und einer Kathodenelektrode, ist. Zudem können Gasdiffusionslagen (GDL) beidseitig der Membran-Elektroden-Einheit an den der Membran abgewandten Seiten der Elektroden angeordnet sein.
In der Regel ist die Brennstoffzelle mittels einer Vielzahl von in einem Stapel (englisch Stack) angeordneter Membran-Elektroden-Einheiten ausgebildet, wobei sich deren elektrische Leistungen in einem Betrieb der Brennstoffzelle addieren. Zwischen den einzelnen Membran-Elektroden-Einheiten sind meist Bipolarplatten, auch Flussfeldplatten oder Separatorplatten genannt, angeordnet, welche eine Versorgung der Membran-Elektroden-Einheiten, also einer Versorgung der Einzelzellen der Brennstoffzelle, mit den Betriebsmedien, den sogenannten Reaktanten, sicherstellen und üblicherweise auch einer Kühlung dienen. Zudem sorgen die Bipolarplatten für einen elektrischen Kontakt zu den Membran-Elektroden-Einheiten.
In einem Betrieb der Einzelzellen der Brennstoffzelle wird der Brennstoff, ein sogenanntes Anoden-Betriebsmedium, insbesondere Wasserstoff (H₂) oder ein wasserstoffhaltiges Gasgemisch, über ein anodenseitig offenes Flussfeld der Bipolarplatten den Anodenelektroden zugeführt, wo eine elektrochemische Oxidation von H₂ zu H⁺ unter einer Abgabe von Elektronen (e^–) stattfindet (H₂ → 2H⁺ + 2e^–). Durch die Membranen beziehungsweise Elektrolyten der Membran-Elektroden-Einheiten hindurch, welche die Reaktionsräume gasdicht voneinander trennen und elektrisch isolieren, erfolgt ein wassergebundener oder wasserfreier Transport der Protonen (H⁺) von den Anodenelektroden (zusammengesetzte Anode der Brennstoffzelle) in den Anodenräumen der Einzelzellen zu den Kathodenelektroden (zusammengesetzte Kathode der Brennstoffzelle) in den Kathodenräumen der Einzelzellen. Die an der Anode bereitgestellten Elektronen werden über eine elektrische Leitung und einen elektrischen Verbraucher (Elektromotor) der Kathode zugeleitet.
Den Kathodenelektroden wird über ein kathodenseitig offenes Flussfeld der Bipolarplatten, ein sogenanntes Kathoden-Betriebsmedium, insbesondere Sauerstoff (O₂) oder ein sauerstoffhaltiges Gasgemisch, zum Beispiel Luft, zugeführt, wobei eine Reduktion von O₂ zu O^2– unter einer Aufnahme von Elektronen stattfindet (½O₂ + 2e^– → O^2–). Gleichzeitig reagieren an den Kathodenelektroden gebildete Sauerstoffanionen (O^2–) mit den durch die Membranen beziehungsweise Elektrolyten hindurch transportierten Protonen unter einer Bildung von Wasser (O^2– + 2H⁺ → H₂O).
Ein Brennstoffzellen-Fahrzeug beschreibt ein Fahrzeug, welches zu einem großen Teil durch eine elektrische Energie einer Brennstoffzelle beziehungsweise eines Brennstoffzellenstapels eines Brennstoffzellensystems des Fahrzeugs betrieben wird. Optional kann ein Energiespeicher, insbesondere eine wiederaufladbare Batterie, das Brennstoffzellensystem unterstützen, um einen Elektromotor des Fahrzeugs mit elektrischer Energie zu versorgen, welcher seinerseits ein Drehmoment für einen Antrieb des Fahrzeugs generiert.
In einem Normal-Betriebsmodus N (Bezugszeichen siehe unten und die Bezugszeichenliste) ist eine Maximalleistung des Brennstoffzellensystems durch eine definierte maximale elektrische Spannung Up_N,max und einen definierten maximalen elektrischen Strom Ip_N,max des Brennstoffzellenstapels festgelegt. Besonders ein Wirkungsgrad der Brennstoffzelle definiert diese Spannungs-Strom-Korrelation. Im Normalfahr-Betriebsmodus N ist eine maximale Leistungsabgabe P_N,max somit begrenzt durch den bei einer Entwicklung des Brennstoffzellensystems definierten Wirkungsgrad bei der Maximalleistung P_N,max des Brennstoffzellensystems.
Die DE 102 19 333 A1 offenbart ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems sowie ein Brennstoffzellensystem eines Brennstoffzellen-Fahrzeugs. Nach einem Start des Brennstoffzellensystems akquiriert eine elektronische Steuereinrichtung in einem ersten Schritt des Verfahrens einen von einem Fahrzeugführer gewählten Betriebsmodus und setzt in einem zweiten Schritt eine Leistungserzeugung einer Brennstoffzelle des Brennstoffzellensystems entsprechend diesem Betriebsmodus. Der Betriebsmodus ist klassifiziert in einen allgemeinen Modus, einen ökonomischen Modus, welcher eine Kraftstoffökonomie hoch bewertet, und einen sportlichen Modus, welcher eine Beschleunigungseffizienz höher bewertet als die Kraftstoffökonomie.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, für ein Fahrzeug mit einer Brennstoffzelle, also ein Brennstoffzellen-Fahrzeug, einen Sport-Betriebsmodus des Brennstoffzellen-Fahrzeugs anzugeben, der ein dynamisches Fahrverhalten unterstützt. Hierbei sollen Maßnahmen zur elektrischen Leistungssteigerung durch ein Brennstoffzellensystem des Brennstoffzellen-Fahrzeugs und/oder durch ein elektrisches Leistungssystem des Brennstoffzellen-Fahrzeugs, abgesehen von der Brennstoffzelle des Brennstoffzellensystems, für den Sport-Betriebsmodus nutzbar sein.
Die Aufgabe der Erfindung ist durch ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellen-Fahrzeugs, mittels eines Brennstoffzellen-Fahrzeugs und/oder mittels einer elektronischen Steuereinrichtung für ein Brennstoffzellen-Fahrzeug, gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen, zusätzliche Merkmale und/oder Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen und der folgenden Beschreibung.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist das Brennstoffzellen-Fahrzeug in einem Normal-Betriebsmodus betreibbar, in welchem eine Brennstoffzelle des Brennstoffzellen-Fahrzeugs mit Normalbetrieb-Spannungs-Strom-Wertepaaren betrieben wird, wobei das Brennstoffzellen-Fahrzeug ferner in einem Sport-Betriebsmodus betrieben wird, wobei bei einer in Bezug auf einen Betrieb des Brennstoffzellen-Fahrzeugs im Normal-Betriebsmodus in dem gleichen Betriebspunkt des Brennstoffzellen-Fahrzeugs das Brennstoffzellen-Fahrzeug mit einer vergrößerten zur Verfügung gestellten elektrischen Leistung betrieben wird.
Bei dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellen-Fahrzeug ist das Brennstoffzellen-Fahrzeug eingerichtet, in einem Normal-Betriebsmodus betrieben zu werden, in welchem eine Brennstoffzelle des Brennstoffzellen-Fahrzeugs mit Normalbetrieb-Spannungs-Strom-Wertepaaren betrieben wird, und das Brennstoffzellen-Fahrzeug ist ferner eingerichtet, in einem Sport-Betriebsmodus betrieben zu werden, wobei bei einer in Bezug auf einen Betrieb des Brennstoffzellen-Fahrzeugs im Normal-Betriebsmodus in dem gleichen Betriebspunkt des Brennstoffzellen-Fahrzeugs das Brennstoffzellen-Fahrzeug mit einer vergrößerten zur Verfügung stellbaren elektrischen Leistung betrieben wird.
Unter einem „gleichen Betriebspunkt” ist ein Zustand des Brennstoffzellen-Fahrzeugs beziehungsweise des Elektrotraktionsmotors desselben zu verstehen, welcher hinsichtlich des Lastpunkts, der beispielsweise durch Fahrzeuggeschwindigkeit und/oder Motordrehzahl definiert werden kann, übereinstimmt.
Gemäß der Erfindung ist ein einziger Sport-Betriebsmodus oder ist eine Mehrzahl solcher Sport-Betriebsmodi eingerichtet. Zwischen den verschiedenen dem Normal-Betriebsmodus und dem mindestens einen Sport-Betriebsmodus kann manuell durch den Fahrer gewählt werden (siehe unten) oder es kann in Abhängigkeit von einer aktuellen Leistungsanforderung, insbesondere bei einer durch den Fahrer angeforderten vorbestimmten Mindestbeschleunigung, automatisch von dem Normal-Betriebsmodus in den Sport-Betriebsmodus umgeschaltet werden.
In Ausführungsbeispielen des Verfahrens wird im Sport-Betriebsmodus ein Elektrotraktionsmotor eines Antriebssystems des Brennstoffzellen-Fahrzeugs gegenüber dem Normal-Betriebsmodus mit einer höheren elektrischen Leistung betrieben. Analog dazu ist das Brennstoffzellen-Fahrzeug im Sport-Betriebsmodus mit einer höheren elektrischen Leistung betreibbar. In Ausführungsbeispielen ist das Fahrzeug im Normal-Betriebsmodus verbrauchsoptimiert betreibbar. Ferner wird das Fahrzeug im Sport-Betriebsmodus leistungsoptimiert betrieben beziehungsweise das Fahrzeug ist im Sport-Betriebsmodus leistungsoptimiert betreibbar. Die Begriffe „verbrauchsoptimiert” beziehungsweise „leistungsoptimiert” sind als vergleichsweise verbrauchsverbessert beziehungsweise als vergleichsweise leistungsverbessert zu interpretieren. So ist unter einem verbrauchsoptimierten Betrieb zu verstehen, dass in einem definierten Betriebspunkt des Fahrzeugs, die Brennstoffzelle oder das Brennstoffzellensystem so betrieben wird, dass ihr beziehungsweise sein spezifischer Kraftstoffverbrauch möglichst niedrig ist – gegebenenfalls auf Kosten der Leistungsabgabe. Verglichen mit dem leistungsoptimierten Betrieb im selben Betriebspunkt weist somit der verbrauchsoptimierte Betrieb einen niedrigeren Kraftstoffverbrauch auf. Umgekehrt wird unter einem leistungsoptimiertem Betrieb verstanden, dass in einem definierten Betriebspunkt des Fahrzeugs, die Brennstoffzelle oder das Brennstoffzellensystem so betrieben wird, dass ihre beziehungsweise seine Leistungsabgabe möglichst hoch ist gegebenenfalls unter Inkaufnahme eines erhöhten Kraftstoffverbrauchs. Verglichen mit dem verbrauchsoptimierten Betrieb im selben Betriebspunkt weist somit der leistungsoptimierte Betrieb eine höhere Leistungsabgabe auf.
In Ausführungsbeispielen sind – in Bezug auf einen Betrieb des Brennstoffzellen-Fahrzeugs (200) im Normal-Betriebsmodus (N) in dem gleichen Betriebspunkt – für den Sport-Betriebsmodus Sportbetrieb-Spannungs-Strom-Wertepaare definiert, insbesondere maximale Sportbetrieb-Spannungs-Strom-Wertepaare, durch welche die Brennstoffzelle mit einer höheren elektrischen Leistung betrieben wird oder betreibbar ist. Ferner ist oder sind in Ausführungsbeispielen für den Sport-Betriebsmodus ein Betriebsdruck eines Anoden-Betriebsmediums und/oder Kathoden-Betriebsmediums gegenüber einem Betriebsdruck des Anoden-Betriebsmediums und/oder Kathoden-Betriebsmediums im Normal-Betriebsmodus erhöht. Ferner kann hierfür eine Spitzenleistung einer Batterie, insbesondere einer Traktionsbatterie (sogenannte Hybridisierungs-Batterie), angehoben werden; und/oder kann eine nominelle elektrische Leistung des Elektrotraktionsmotors auf eine elektrische Spitzenleistung angehoben werden; und/oder kann im Falle einer Spannungswandlung zwischen der Brennstoffzelle und dem Elektrotraktionsmotor ein Spannungsniveau zum Elektrotraktionsmotor hin erhöht werden. Gemäß der Erfindung kann eine oder eine Mehrzahl dieser fünf Maßnahmen für den Sport-Betriebsmodus eingerichtet werden beziehungsweise sein.
In Ausführungsbeispielen des Sport-Betriebsmodus beträgt eine vorbestimmte maximale elektrische Einzelzell-Spannung des Sportbetrieb-Spannungs-Strom-Wertepaars ca. 0,55 V bis ca. 0,65 V, insbesondere ca. 0,57 V bis 0,6 V. Ferner beträgt in Ausführungsbeispielen des Sport-Betriebsmodus eine vorbestimmte maximale elektrische Stromdichte des Sportbetrieb-Spannungs-Strom-Wertepaars ca. 1,5 A/cm² bis ca. 2,5 A/cm², insbesondere ca. 1,8 A/cm² bis ca. 2,2 A/cm² (bezogen auf die aktive Fläche der Elektroden). Hierbei handelt es sich bevorzugt um elektrische Mittelspannungen aller Einzelzellen eines Brennstoffzellenstapels oder von zu Gruppen zusammengefasster Einzelzellen sowie um mittlere elektrische Stromdichten aller oder von Gruppen von Einzelzellen des Stapels der für eine Stromerzeugung relevanten Flächen der Elektroden.
In Ausführungsbeispielen des Sport-Betriebsmodus liegt der einstellbare Betriebsdruck des Anoden-Betriebsmediums ca. 1% bis ca. 20%, insbesondere ca. 5% bis ca. 10%, über dem Betriebsdruck des Anoden-Betriebsmediums im Normal-Betriebsmodus (bezogen auf den gleichen Betriebspunkt des Fahrzeugs). Ferner liegt in Ausführungsbeispielen des Sport-Betriebsmodus der einstellbare Betriebsdruck des Kathoden-Betriebsmediums ca. 1% bis ca. 20%, insbesondere ca. 5% bis ca. 10%, über dem Betriebsdruck des Kathoden-Betriebsmediums im Normal-Betriebsmodus. Bei erhöhtem Betriebsdruck des Anoden-Betriebsmediums kann ein Massenstrom des Anoden-Betriebsmediums reduziert werden.
Darüber hinaus kann bei erhöhtem Betriebsdruck des Kathoden-Betriebsmediums ein Massenstrom des Kathoden-Betriebsmediums reduziert werden. Auf diese Weise kann eine zu starke Wasserbildung und zu intensive Befeuchtung der Membran infolge der erhöhten Betriebsdrücke verhindert werden.
In Ausführungsbeispielen wird bei dem Verfahren ein aktueller Betriebsmodus des Brennstoffzellen-Fahrzeugs durch ein Fahrerinformationssystem an einen Fahrzeugführer des Brennstoffzellen-Fahrzeugs ausgegeben. Analog dazu ist das Brennstoffzellen-Fahrzeug eingerichtet, den aktuellen Betriebsmodus an den Fahrzeugführer auszugeben. Dies kann beispielsweise mittels eines Armaturenbereichs, zum Beispiel in einer Fahrtrichtung vor dem Fahrzeugführer, eines Head-up-Displays oder integriert in einen Wählhebel erfolgen.
In Ausführungsbeispielen weist das Brennstoffzellen-Fahrzeug einen Betriebsmodus-Wahlhebel auf, mittels welchem der Sport-Betriebsmodus des Brennstoffzellen-Fahrzeugs angewählt wird oder anwählbar ist, das heißt mittels welchem der Fahrer einen von mehreren eingerichteten Betriebsmodi auswählen kann.
Die erfindungsgemäße elektronische Steuereinrichtung ist eingerichtet, das erfindungsgemäße Verfahren durchzuführen.
Die Erfindung ist im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügte schematische Zeichnung näher erläutert. Elemente, Bauteile oder Komponenten, welche eine identische, univoke oder analoge Ausbildung und/oder Funktion besitzen, sind in der Figurenbeschreibung, der Bezugszeichenliste und den Patentansprüchen mit denselben Bezugszeichen versehen und/oder in den Figuren der Zeichnung mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet. Mögliche, in der Beschreibung nicht erläuterte, in der Zeichnung nicht dargestellte und/oder nicht abschließende Alternativen, statische und/oder kinematische Umkehrungen, Kombinationen et cetera zu den erläuterten Ausführungsbeispielen der Erfindung beziehungsweise einzelnen Baugruppen, Teilen oder Abschnitten davon, können der Bezugszeichenliste entnommen werden.
Sämtliche erläuterten Merkmale, auch die der Bezugszeichenliste, sind nicht nur in der angegebenen Kombination beziehungsweise den angegebenen Kombinationen, sondern auch in einer anderen Kombination beziehungsweise anderen Kombinationen oder in Alleinstellung anwendbar. Insbesondere ist es möglich, anhand der Bezugszeichen und den diesen zugeordneten Merkmalen in der Beschreibung der Erfindung, der Figurenbeschreibung und/oder der Bezugszeichenliste, ein Merkmal oder eine Mehrzahl von Merkmalen in der Beschreibung der Erfindung und/oder der Figurenbeschreibung zu ersetzen. Ferner kann dadurch ein Merkmal oder können eine Mehrzahl von Merkmalen in den Patentansprüchen ausgelegt, näher spezifiziert und/oder substituiert werden.
In den Figuren der Zeichnung zeigen:
1 ein vereinfachtes Blockschaltbild einer bevorzugten Ausführungsform eines Brennstoffzellensystems gemäß der Erfindung;
2 ein vereinfachtes Blockschaltbild eines Brennstoffzellen-Fahrzeugs mit dem Brennstoffzellensystem aus 1 und mit elektrischen Komponenten gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung und
3 Strom-Spannungs-Kennlinien einer Brennstoffzelle des Brennstoffzellensystems aus 1 für unterschiedliche Betriebsstrategien für eine Steuerung der Brennstoffzelle.
Die Erfindung ist anhand eines Verfahrens zum Betreiben eines Brennstoffzellen-Fahrzeugs 200 sowie anhand eines Brennstoffzellen-Fahrzeugs 200 näher erläutert. Die Erfindung ist jedoch nicht auf die nachfolgend erläuterten Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern ist von grundlegenderer Natur, sodass sie auf sämtliche Brennstoffzellen-Fahrzeuge angewendet werden kann. Obwohl die Erfindung im Detail durch bevorzugte Ausführungsbeispiele näher beschrieben und illustriert ist, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Ausführungsbeispiele eingeschränkt. Andere Variationen können hieraus abgeleitet werden ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
Die 1 zeigt ein Brennstoffzellensystem 100 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung. Das Brennstoffzellensystem 100 ist bevorzugt Teil des nicht weiter dargestellten Fahrzeugs 200, insbesondere eines Elektrofahrzeugs, welches bevorzugt einen Elektrotraktionsmotor aufweist, das beziehungsweise welcher durch das Brennstoffzellensystem 100 mit elektrischer Energie versorgbar ist.
Das Brennstoffzellensystem 100 umfasst als eine Kernkomponente eine Brennstoffzelle 10 beziehungsweise einen Brennstoffzellenstapel 10, welche beziehungsweise welcher bevorzugt eine Vielzahl von in Stapelform angeordneten Einzel-Brennstoffzellen 11 – nachfolgend als Einzelzellen 11 bezeichnet – aufweist. Jede Einzelzelle 11 umfasst einen Anodenraum 12 und einen Kathodenraum 13, wobei der Anodenraum 12 und der Kathodenraum 13 von einer Membran (Teil einer Membran-Elektroden-Einheit 14, siehe unten), bevorzugt einer ionenleitfähigen Polymerelektrolyt-Membran, räumlich und elektrisch voneinander getrennt sind (siehe den Detailausschnitt in der 1). Der Brennstoffzellenstapel 10 wird auch einfach als Brennstoffzelle 10 bezeichnet.
Die Anodenräume 12 und die Kathodenräume 13 der Brennstoffzelle 10 weisen begrenzend jeweils eine katalytische Elektrode (Teil der Membran-Elektroden-Einheit 14, siehe im Folgenden), das heißt eine Anodenelektrode und eine Kathodenelektrode, auf, welche jeweils eine Teilreaktion einer Brennstoffzellen-Umsetzung katalysieren. Die Anodenelektrode und die Kathodenelektrode weisen jeweils ein katalytisches Material, beispielsweise Platin, auf, welches auf einem elektrisch leitfähigen Trägermaterial mit einer großen spezifischen Oberfläche, beispielsweise einem kohlenstoffbasierten Material, geträgert vorliegt.
Ein Gefüge aus einer Membran und den zwei dazugehörigen Elektroden wird auch als Membran-Elektroden-Einheit 14 bezeichnet. Zwischen zwei solchen Membran-Elektroden-Einheiten 14 (in der 1 ist lediglich eine einzelne Membran-Elektroden-Einheit 14 angedeutet) ist in der 1 ferner eine Bipolarplatte 15 angedeutet, welche einer Zuführung von Betriebsmedien 3, 5 in einen betreffenden Anodenraum 12 einer ersten Einzelzelle 11 und einen betreffenden Kathodenraum 13 einer direkt dazu benachbarten zweiten Einzelzelle 11 dient und darüber hinaus eine elektrische Verbindung zwischen den zwei direkt zueinander benachbarten Einzelzellen 11 realisiert.
Zwischen einer Bipolarplatte 15 und einer direkt dazu benachbarten Anodenelektrode einer Membran-Elektroden-Einheit 14 ist ein Anodenraum 12, und zwischen einer Kathodenelektrode derselben Membran-Elektroden-Einheit 14 und einer direkt dazu benachbarten zweiten Bipolarplatte 15 ist ein Kathodenraum 13 ausgebildet. Optional können Gasdiffusionslagen zwischen den Membran-Elektroden-Einheiten 14 und den Bipolarplatten 15 angeordnet sein. Im Brennstoffzellenstapel 10 beziehungsweise in der Brennstoffzelle 10 sind also Membran-Elektroden-Einheiten 14 und Bipolarplatten 15 abwechselnd angeordnet beziehungsweise gestapelt (Brennstoffzellenstapel 10).
Zur Versorgung des Brennstoffzellenstapels 10 beziehungsweise der Brennstoffzelle 10 mit den Betriebsmedien 3, 5 weist das Brennstoffzellensystem 100 einerseits eine Anodenversorgung 20 und andererseits eine Kathodenversorgung 30 auf.
Die Anodenversorgung 20 umfasst einen Anoden-Versorgungspfad 21, welcher einer Zuführung eines Anoden-Betriebsmediums 3, einem Brennstoff 3, beispielsweise Wasserstoff 3 oder einem wasserstoffhaltigen Gasgemisch 3, in die Anodenräume 12 der Brennstoffzelle 10 dient. Zu diesem Zweck verbindet der Anoden-Versorgungspfad 21 einen Brennstoffspeicher 23 oder Brennstofftank 23 mit einem Anodeneingang der Brennstoffzelle 10. Die Anodenversorgung 20 umfasst ferner einen Anoden-Abgaspfad 22, welcher ein Anoden-Abgas 4 aus den Anodenräumen 12 durch einen Anodenausgang der Brennstoffzelle 10 hindurch abführt. Ein aufgebauter Anoden-Betriebsdruck auf einer Anodenseite der Brennstoffzelle 10 ist bevorzugt mittels eines Stellmittels 24 im Anoden-Versorgungspfad 21 einstellbar.
Darüber hinaus weist die Anodenversorgung 20 bevorzugt eine Brennstoff-Rezirkulationsleitung 25 auf, welche den Anoden-Abgaspfad 22 mit dem Anoden-Versorgungspfad 21 fluidmechanisch verbindet. Eine Rezirkulation des Anoden-Betriebsmediums 3, also dem eigentlich bevorzugt zu tankenden Brennstoff 3, ist oft eingerichtet, um das zumeist überstöchiometrisch eingesetzte Anoden-Betriebsmedium 3 der Brennstoffzelle 10 zurückzuführen und zu nutzen. In der Brennstoff-Rezirkulationsleitung 25 ist bevorzugt ein weiteres Stellmittel 26 angeordnet, mittels welchem eine Rezirkulationsrate einstellbar ist. Ferner kann an/in der Brennstoff-Rezirkulationsleitung 25 ein Verdichter vorgesehen sein (nicht dargestellt).
Die Kathodenversorgung 30 umfasst einen Kathoden-Versorgungspfad 31, welcher den Kathodenräumen 13 der Brennstoffzelle 10 ein sauerstoffhaltiges Kathoden-Betriebsmedium 5, bevorzugt Luft 5, zuführt, welche insbesondere aus der Umgebung 2 angesaugt wird. Die Kathodenversorgung 30 umfasst ferner einen Kathoden-Abgaspfad 32, welcher ein Kathoden-Abgas 6, insbesondere eine Abluft 6, aus den Kathodenräumen 13 der Brennstoffzelle 10 abführt und dieses einer gegebenenfalls vorgesehenen Abgaseinrichtung (nicht dargestellt) zuführt.
Für eine Förderung und Verdichtung des Kathoden-Betriebsmediums 5 ist am/im Kathoden-Versorgungspfad 31 bevorzugt ein Kathodenverdichter 33 angeordnet. In Ausführungsbeispielen ist dieser als ein ausschließlich oder zusätzlich elektromotorisch angetriebener Kathodenverdichter 33 ausgestaltet, dessen Antrieb (auch) mittels eines Elektromotors 34 oder eines Antriebs 34 erfolgt, welcher bevorzugt mit einer entsprechenden Leistungselektronik 35 ausgestattet ist. Bevorzugt ist der Kathodenverdichter 33 als ein wenigstens elektrisch angetriebener Turbolader 33 (englisch ETC für Electric Turbo Charger) ausgebildet. Der Kathodenverdichter 33 kann ferner durch eine im Kathoden-Abgaspfad 32 angeordnete Kathodenturbine 36 mit gegebenenfalls variabler Turbinengeometrie, unterstützend mittels einer gemeinsamen Welle (nicht dargestellt) antreibbar sein. Die Kathodenturbine 36 stellt einen Expander dar, welcher eine Expansion des Kathoden-Abgases 6 und somit eine Absenkung dessen Fluiddrucks bewirkt (Steigerung eines Wirkungsgrads der Brennstoffzelle 10).
Die Kathodenversorgung 30 kann gemäß der dargestellten Ausführungsform ferner ein Wastegate 37 beziehungsweise eine Wastegate-Leitung 37 aufweisen, welches beziehungsweise welche den Kathoden-Versorgungspfad 31 beziehungsweise eine Kathoden-Versorgungsleitung mit dem Kathoden-Abgaspfad 32 beziehungsweise einer Kathoden-Abgasleitung verbindet, also einen Bypass für die Kathode darstellt. Das Wastegate 37 erlaubt es, einen Betriebsdruck des Kathoden-Betriebsmediums 5 kurzfristig in der Brennstoffzelle 10 zu reduzieren, ohne den Kathodenverdichter 33 herunterzufahren. Ein im Wastegate 37 angeordnetes Stellmittel 38 erlaubt eine Einstellung eines Volumenstroms des die Brennstoffzelle 10 gegebenenfalls umgehenden Kathoden-Betriebsmediums 5.
Sämtliche Stellmittel 24, 26, 38 des Brennstoffzellensystems 1 können als regelbare, steuerbare oder nicht regelbare Ventile, Klappen, Drosseln et cetera ausgebildet sein. Zur weiteren Isolierung der Brennstoffzelle 10 von der Umgebung 2 kann wenigstens ein weiteres entsprechendes Stellmittel (nicht dargestellt) an/in einem Anoden-Pfad 21, 22 und/oder einem Kathoden-Pfad 31, 32 beziehungsweise an/in einer Leitung des Anoden-Pfads 21, 22 und/oder einer Leitung des Kathoden-Pfads 31, 32 angeordnet sein.
Das bevorzugte Brennstoffzellensystem 1 weist ferner einen Feuchteübertrager (Befeuchter) 39 auf. Der Feuchteübertrager 39 ist einerseits derart im Kathoden-Versorgungspfad 31 angeordnet, dass er vom Kathoden-Betriebsmedium 5 durchströmbar ist. Andererseits ist der Feuchteübertrager derart im Kathoden-Abgaspfad 32 angeordnet, dass er vom Kathoden-Abgas 6 durchströmbar ist. Der Feuchteübertrager 39 ist einerseits im Kathoden-Versorgungspfad 31 bevorzugt zwischen dem Kathodenverdichter 33 und einem Kathodeneingang der Brennstoffzelle 10 und andererseits im Kathoden-Abgaspfad 32 zwischen einem Kathodenausgang der Brennstoffzelle 10 und der gegebenenfalls vorgesehenen Kathodenturbine 36 angeordnet. Ein Feuchteüberträger (nicht dargestellt) des Feuchteübertragers 39 weist bevorzugt eine Mehrzahl von Membranen auf, die oft entweder flächig oder in Form von Hohlfasern ausgebildet sind.
Verschiedene weitere Einzelheiten des Brennstoffzellensystems 1 beziehungsweise der Brennstoffzelle 10/des Brennstoffzellenstapels 10, der Anodenversorgung 20 und der Kathodenversorgung 30 sind in der 1 aus Gründen einer Übersichtlichkeit nicht dargestellt. So kann der Feuchteübertrager 39 seitens des Kathoden-Versorgungspfads 31 und/oder seitens des Kathoden-Abgaspfads 32 mittels einer Bypassleitung umgangen werden. Es kann ferner eine Turbinen-Bypassleitung seitens des Kathoden-Abgaspfads 32 vorgesehen sein, welche die Kathodenturbine 36 umgeht.
Des Weiteren kann im Anoden-Abgaspfad 22 und/oder im Kathoden-Abgaspfad 32 ein Wasserabscheider verbaut sein, mittels welchem ein aus der betreffenden Teilreaktion der Brennstoffzelle 10 entstehendes Produktwasser kondensierbar und/oder abscheidebar und gegebenenfalls in einen Wassersammler ableitbar ist. Des Weiteren kann die Anodenversorgung 20 alternativ oder zusätzlich einen zur Kathodenversorgung 30 analogen Feuchteübertrager 39 aufweisen. Ferner kann der Anoden-Abgaspfad 22 in den Kathoden-Abgaspfad 32 beziehungsweise vice versa münden, wobei das Anoden-Abgas 4 und das Kathoden-Abgas 6 gegebenenfalls über die gemeinsame Abgaseinrichtung abgeführt werden können. Darüber hinaus kann in Ausführungsbeispielen das Kathoden-Betriebsmedium 5 einen am/im Kathoden-Versorgungspfad 31 vorgesehenen Ladeluftkühler durchströmen.
Die 2 zeigt stark schematisiert ein Fahrzeug 200, insbesondere ein Brennstoffzellen-Fahrzeug 200, welches das Brennstoffzellensystem 100 aus der 1 aufweist. Ferner umfasst das Fahrzeug 200 ein elektrisches Leistungssystem 40, ein Antriebssystem 50 sowie eine elektronische Steuereinrichtung 60.
Das an die Brennstoffzelle 10 elektrisch angeschlossene Leistungssystem 40 umfasst einen Spannungssensor 41 zur Erfassung einer von der Brennstoffzelle 10 erzeugten elektrischen Spannung U sowie einen Stromsensor 42 zur Erfassung eines von der Brennstoffzelle 10 erzeugten elektrischen Stroms I. Ferner umfasst das Leistungssystem 40 einen als Traktionsbatterie dienenden Energiespeicher 44, beispielsweise eine Hochvoltbatterie 44 oder einen Kondensator 44. Der Energiespeicher 44 ist über einen Wandler 45, insbesondere einen Hochvolt-Gleichstromwandler 45, mit einem Stromnetz des Fahrzeugs verbunden. In gleicher oder ähnlicher Weise können das Brennstoffzellensystem 100 selbst, dessen elektrische Verbraucher, beispielsweise der Elektromotor 34 des Verdichters 33 (siehe 1), mit dem Stromnetz verbunden sein oder auch andere elektrische Verbraucher des Fahrzeugs 200, beispielsweise ein Kompressor für eine Klimaanlage und/oder eine andere elektrische Einrichtung.
Das Antriebssystem 50 des Fahrzeugs 200 umfasst einen Elektromotor 51, welcher als ein Traktionsmotor 51 des Fahrzeugs 200 ausgebildet ist. Hierzu treibt der Elektrotraktionsmotor 51 eine Antriebsachse 52 mit daran angeordneten Antriebsrädern 53 an. Der Elektrotraktionsmotor 51 ist über einen Wechselrichter 43 mit dem elektrischen Leistungssystem 40 des Brennstoffzellensystems 1 elektrisch verbunden und stellt einen elektrischen Hauptverbraucher des Gesamtsystems Fahrzeug 200 dar.
Die elektronische Steuereinrichtung 60 (englisch ECU für Engine Control Unit) steuert einen Betrieb des Brennstoffzellensystems 100, insbesondere seine Anodenversorgung 20 und seine Kathodenversorgung 30, das elektrische Leistungssystem 40 sowie den Elektrotraktionsmotor 51. Zu diesem Zweck erhält die Steuereinrichtung 60 verschiedene Eingangssignale, beispielsweise die mit dem Spannungssensor 41 gemessene elektrische Spannung U, den mit dem Stromsensor 42 gemessenen elektrischen Strom I, Informationen über eine Temperatur der Brennstoffzelle 10, die Betriebsdrücke p in den Anodenräumen 12 und den Kathodenräumen 12, einen Ladezustand des Energiespeichers 44, eine Drehzahl des Elektrotraktionsmotors 51 und weitere Eingangsgrößen.
Insbesondere geht als eine weitere Eingangsgröße auch eine von einem Fahrer des Fahrzeugs 200 angeforderte Fahrleistung P_W ein. Letztere Größe wird insbesondere aus einer Stärke einer Betätigung eines nicht dargestellten Fahrpedals über einen Pedalwertgeber erfasst. Ferner kann eine angeforderte Summen-Leistung P_aux der weiteren elektrischen Verbraucher des Fahrzeugs 200 in die Steuerungseinrichtung 60 eingehen.
In Abhängigkeit von den Eingangsgrößen, insbesondere aus einer Summe der angeforderten Fahrleistung P_W und der durch die weiteren elektrischen Verbraucher angeforderten Leistungen P_aux, ermittelt die Steuereinrichtung 60 eine insgesamt angeforderte Leistung P_N/P_S der Brennstoffzelle 10. Hieraus ermittelt die Steuereinrichtung 60 aus Berechnungen oder entsprechend abgespeicherten Kennfeldern die erforderlichen Massenströme ṁ und/oder oder Betriebsdrücke p des Anoden-Betriebsmediums 3 und des Kathoden-Betriebsmediums 5, und steuert den Elektromotor 34 des Verdichters 33 sowie die Stellmittel 24, 26, 38, et cetera des Brennstoffzellensystems 1 an. Zudem steuert die Steuereinrichtung 60 den Wechselrichter 43, um den Elektrotraktionsmotor 51 mit Energie zu versorgen, sowie den Wandler 45 und andere Wandler, um den Energiespeicher 44 zu laden oder zu entladen und die an das Stromnetz angeschlossenen Verbraucher mit elektrischer Energie zu versorgen.
Die 3 zeigt Strom-Spannungs-Kennlinien KL, also ein Strom-Spannungs-Kennfeld, der Brennstoffzelle 10. Dabei gibt jede Kennlinie KL den Strom-Spannungs-Verlauf für einen bestimmten unterschiedlichen Massenstrom ṁ beziehungsweise Betriebsdruck p des Anoden-Betriebsmediums 3 und des Kathoden-Betriebsmediums 5 an. Es ist zu erkennen, dass bei konstanten Massenströmen ṁ beziehungsweise konstanten Betriebsdrücken p die Spannung U mit zunehmender Stromstärke I abfällt. Zudem steigt sowohl eine Leistung der Brennstoffzelle 10 beziehungsweise deren Einzelzellen 11 (das heißt die Spannung bei konstantem Strom beziehungsweise die Stromstärke bei konstanter Spannung), wenn die Massenströme ṁ beziehungsweise die Betriebsdrücke p des Anoden-Betriebsmediums 3 und des Kathoden-Betriebsmediums 5 erhöht werden.
Über einen weiten Betriebsbereich des Fahrzeugs 200 erfolgt eine Stromentnahme aus der Brennstoffzelle 10 stromkontrolliert, wobei die zugeführten Massenströme ṁ des Anoden-Betriebsmediums 3 und des Kathoden-Betriebsmediums 5 gemäß einer vorgegebenen Stöchiometrie, das heißt eines vorgegebenen Stoffmengenverhältnisses, beibehalten oder verändert werden. Durch eine Änderung der Stöchiometrie des zugeführten Anoden-Betriebsmediums 3 und des zugeführten Kathoden-Betriebsmediums 5, insbesondere des Kathoden-Betriebsmediums 5, kann innerhalb des Strom-Spannungs-Kennfelds, in gewissen Grenzen, jeder Betriebspunkt angefahren werden.
In herkömmlichen Brennstoffzellen-Fahrzeugen erfolgt der Betrieb in einem Automatikmodus zur Vorwärtsfahrt, der hier Normal-Betriebsmodus N (oft auch als Drive-Betriebsmodus D) bezeichnet wird. Gegenstand der Erfindung ist es, zu einem Normal-Betriebsmodus N in einem Fahrzeug 200 mit einer Brennstoffzelle 10 einen leistungsgesteigerten Sport-Betriebsmodus S anzuwenden, wobei das Fahrzeug 200 vorwiegend in einem Automatikmodus zur Vorwärtsfahrt betrieben wird.
Der von einem Fahrzeugführer an einem Wählhebel des Fahrzeugs 200 auswählbare Sport-Betriebsmodus S soll bewirken, dass das Brennstoffzellensystem 100 mehr elektrische Leistung aufgrund: eines schlechteren Wirkungsgrads der Brennstoffzelle 10 (in einem Sinn von einem erhöhten Kraftstoffverbrauch des Gesamtfahrzeugs im Vergleich mit dem Normal-Betriebsmodus N), einer Maßnahme am/im elektrischen Leistungssystem des Fahrzeugs 200 und/oder einer Maßnahme am/im Antriebssystem des Fahrzeugs 200 zur Verfügung stellen kann.
Grundsätzlich lässt sich die Spannung U einer Brennstoffzelle 10 über die Massenströme ṁ und/oder die Drücke p der Betriebsmedien 3, 5 an der Anode und/oder der Kathode der Brennstoffzelle 10 steuern beziehungsweise regeln. Außerdem kann bei konstanten Massenströmen ṁ und Drücken p durch ein Variieren eines abgenommenen Stroms I die Spannung U verändert werden. Je größer der Strom I desto kleiner die Spannung U beziehungsweise vice versa (siehe auch oben). Eine Einzelzell-Spannung in der Brennstoffzelle 10 kann oft nicht individuell gesteuert beziehungsweise geregelt werden. Es gibt jedoch auch Brennstoffzellen 10 mit einer Einzelzell-/Einzelzellen-Steuerung beziehungsweise einer Einzelzell-/Einzelzellen-Regelung.
Folgende Möglichkeiten für eine Steigerung der elektrischen Leistung des Fahrzeugs 200 beziehungsweise des Brennstoffzellensystems 100, also nicht nur der Brennstoffzelle 10, im Sport-Betriebsmodus S für einen Betrieb des Fahrzeugs 200 können dabei einzeln oder in Kombination angewendet werden.
In Ausführungsbeispielen werden zusätzlich zum Normal-Betriebsmodus N, in welchem die Brennstoffzelle 10 mit Normalbetrieb-Spannungs-Strom-Wertepaaren Up_N, Ip_N betrieben wird, weitere Sportbetrieb-Spannungs-Strom-Wertepaare Up_S, Ip_S für den Sport-Betriebsmodus S definiert. Diese liefern bei vergleichbaren Fahrsituationen des Fahrzeugs 200 eine höhere elektrische Leistung durch die Brennstoffzelle 10 bei einem geringeren Systemwirkungsgrad.
Eine maximale elektrische Einzelzell-Spannung Up_S,max, also ein maximaler Sportbetrieb-Spannungs-Wert Up_S,max, liegt bevorzugt in einem Bereich von ca. 0,55 V bis ca. 0,65 V, insbesondere von 0,57 V bis 0,6 V pro Einzelzelle 11 der Brennstoffzelle 10. Dieser maximale elektrische Sportbetrieb-Spannungs-Wert Up_S,max kann mit einem maximalen Sportbetrieb-Strom-Wert Ip_S,max oder auch mit einem niedrigeren, zum Beispiel einem Normalbetrieb-Strom-Wert Ip_S, zu einem Sportbetrieb-Spannungs-Strom-Wertepaar Up_S,max, Ip_S,max/Ip_S=N gepaart sein.
Ferner liegt ein maximaler elektrischer Strom Ip_S,max, also ein maximaler Sportbetrieb-Strom-Wert Ip_S,max, in einem Bereich von ca. 1,5 A/cm² bis ca. 2,5 A/cm², insbesondere von ca. 1,8 A/cm² bis ca. 2,2 A/cm², bevorzugt bei ca. 2,0 A/cm². Dieser maximale elektrische Sportbetrieb-Strom-Wert Ip_S,max kann mit einem maximalen Sportbetrieb-Spannungs-Wert Up_S,max oder auch mit einem niedrigeren, zum Beispiel einem Normalbetrieb-Spannungs-Wert Up_N, zu einem Sportbetrieb-Spannungs-Strom-Wertepaar Up_S,max/Up_S=N, Ip_S,max gepaart sein.
Der jeweilig minimale Sportbetrieb-Spannungs-Wert Up_S,min, der jeweilig minimale Sportbetrieb-Strom-Wert Ip_S,max und/oder die jeweilig minimalen Sportbetrieb-Spannungs-Strom-Wertepaare Up_S,min, Ip_S,min können in die betreffenden Normalbetrieb-Spannungs-Strom-Werte Up_N/Ip_N und/oder Normalbetrieb-Spannungs-Strom-Wertepaare Up_N, Ip_N hineinreichen beziehungsweise mit den betreffenden minimalen Normalbetrieb-Spannungs-Strom-Wertepaaren Up_N,min, Ip_N,min übereinstimmen oder diese auch unterschreiten.
Bevorzugt sind jedoch Paarungen von maximalen Sportbetrieb-Spannungs-Werten Up_S,max mit maximalen Sportbetrieb-Strom-Werten Ip_S,max zu maximalen Sportbetrieb-Spannungs-Strom-Wertepaaren Up_S,max, Ip_S,max. Eine durchschnittliche Einzelzell-Spannung Up_S ist dabei zum Beispiel aus einem Spannungswert des Spannungssensors 41 und einer Anzahl der Einzelzellen 11 ermittelbar. Falls das Brennstoffzellensystem 100 dazu ausgerüstet ist, ist es ferner gegebenenfalls möglich, die Einzelzell-Spannungen Up_S der Einzelzellen 11 oder jeweils einer Mehrzahl von Einzelzellen 11 (Einzelzellen-Spannungen) zu bestimmen.
In Ausführungsbeispielen wird ein Betriebsdruck p des Anoden-Betriebsmediums 3 und/oder Kathoden-Betriebsmediums 5 bevorzugt über einen gesamten Leistungsbereich der Brennstoffzelle 10 hinweg gegenüber dem Normal-Betriebsmodus N angehoben. Ferner kann dabei gegebenenfalls auch ein Betriebsdruck eines Kühlmittels und/oder dessen Volumenstrom angehoben werden. Hierbei werden die Betriebsdrücke p des Anoden-Betriebsmediums 3 und/oder Kathoden-Betriebsmediums 5 bevorzugt in einem Bereich von 1% bis 20%, insbesondere in einem Bereich von 5% bis 10% angehoben. Dies führt zu einem dynamischeren Ansprechverhalten eines Antriebstrangs des Fahrzeugs 200.
Ein Anheben der Betriebsdrücke der Betriebsmedien 3, 5 kann dazu führen, dass eine Feuchte des oder der Betriebsmedien 3, 5 ansteigt. Diese mögliche Überbefeuchtung des oder der Betriebsmedien 3, 5 kann gegebenenfalls dadurch kompensiert werden, dass ein Massenstrom ṁ des Anoden-Betriebsmediums 3 und/oder Kathoden-Betriebsmediums 5 derart reduziert wird, dass die Brennstoffzelle 10 einen zum Normal-Betriebsmodus N analogen Wasserhaushalt aufweist. Vorteil diesbezüglich ist, dass eine zusätzliche Leistungsaufnahme aufgrund des Anhebens des oder der Betriebsdrücke p des Anoden-Betriebsmediums 3 und/oder Kathoden-Betriebsmediums 5 durch eine Verringerung des oder der Massenströme ṁ des Anoden-Betriebsmediums 3 und/oder Kathoden-Betriebsmediums 5 kompensiert werden kann.
Weist das Fahrzeug 200 beziehungsweise dessen elektrisches Leistungssystem 40 eine geeignete Batterie 44, insbesondere eine Traktionsbatterie 44, auf, so kann gemäß der Erfindung in Ausführungsbeispielen ein Anheben einer verfügbaren Spitzenleistung der Batterie 44 angewendet werden.
In Ausführungsbeispielen der Erfindung kann ein Anheben einer nominellen elektrischen Leistung des Elektrotraktionsmotors 51 auf eine mögliche Spitzenleistung erfolgen.
Falls eine Spannungswandlung zwischen der Brennstoffzelle 10 und dem Elektrotraktionsmotor 51 vorgesehen ist, so kann ein Spannungsniveau zum Elektrotraktionsmotor 51 hin erhöht werden.
Bezugszeichenliste

100: Brennstoffzellensystem, Brennstoffzellenaggregat, bevorzugt für ein Fahrzeug mit einem Elektromotor, insbesondere einem Elektrotraktionsmotor
200: Fahrzeug, Elektrofahrzeug, Brennstoffzellen-Fahrzeug
2: Umgebung
3: Fluid, Betriebsmedium, Reaktant, insbesondere Anoden-Betriebsmedium, eigentlicher Brennstoff, bevorzugt Wasserstoff oder wasserstoffhaltiges Gasgemisch
4: Fluid, Abgas gegebenenfalls inklusive flüssiges Wasser, insbesondere Anoden-Abgas
5: Fluid, Betriebsmedium, Reaktant, insbesondere Kathoden-Betriebsmedium, bevorzugt Luft
6: Fluid, Abgas inklusive gegebenenfalls flüssiges Wasser, insbesondere Kathoden-Abgas, bevorzugt Abluft
10: Brennstoffzelle, Brennstoffzellenstapel des Brennstoffzellensystems 1
11: Einzelzelle mit einer Anodenelektrode der Anode der Brennstoffzelle 10 und einer Kathodenelektrode der Kathode der Brennstoffzelle 10, Einzel-Brennstoffzelle
12: Anodenraum einer Einzelzelle 11
13: Kathodenraum der Einzelzelle 11
14: Membran-Elektroden-Einheit, mit bevorzugt einer Polymerelektrolyt-Membran sowie einer Anodenelektrode und einer Kathodenelektrode
15: Bipolarplatte, Flussfeldplatte, Separatorplatte
16: Stapelgehäuse der Brennstoffzelle 10
20: Brennstoffzellen-Versorgung, Anodenversorgung, Anodenkreislauf der Brennstoffzelle 10 beziehungsweise des Brennstoffzellenstapels 10
21: Pfad, Versorgungspfad, Strömungspfad, Anoden-Versorgungspfad
22: Pfad, Abgaspfad, Strömungspfad, Anoden-Abgaspfad
23: Brennstoffspeicher, Brennstofftank mit Anoden-Betriebsmedium 3
24: Stellmittel, regelbar, (an)steuerbar, nicht regelbar, insbesondere Ventil, Klappe, Drossel et cetera
25: Brennstoff-Rezirkulationsleitung
26: Stellmittel, regelbar, (an)steuerbar, nicht regelbar, insbesondere Ventil, Klappe, Drossel et cetera
27: Strahlpumpe
30: Brennstoffzellen-Versorgung, Kathodenversorgung, Kathodenkreislauf der Brennstoffzelle 10 beziehungsweise des Brennstoffzellenstapels 10
31: Pfad, Versorgungspfad, Strömungspfad, Kathoden-Versorgungspfad
32: Pfad, Abgaspfad, Strömungspfad, Kathoden-Abgaspfad
33: Verdichter, Kathodenverdichter, Kompressor, Turbolader
34: Motor, insbesondere Elektromotor oder Antrieb (gegebenenfalls inklusive Getriebe)
35: Elektronik, insbesondere Leistungselektronik für den Motor 34
36: Turbine mit gegebenenfalls variabler Turbinengeometrie, Kathodenturbine, Expander
37: Wastegate, Wastegate-Leitung
38: Stellmittel, regelbar, (an)steuerbar, nicht regelbar, insbesondere Ventil, Klappe, Drossel et cetera
39: Feuchteübertrager, Befeuchter
40: elektrisches Leistungssystem des Fahrzeugs 200
41: Spannungssensor
42: Stromsensor
43: Wechselrichter
44: Energiespeicher, zum Beispiel (Hochvolt-)Batterie, Hybridisierungs-Batterie Kondensator
45: Wandler, insbesondere Hochvolt-Gleichstromwandler
50: Antriebssystem des Fahrzeugs 200
51: (Elektro-)Traktionsmotor
52: Antriebsachse
53: Antriebsräder
60: elektronische Steuereinrichtung des Fahrzeugs 200
I: elektrischer Strom der Brennstoffzelle 10
U: elektrische Spannung der Brennstoffzelle 10
KL: Strom-Spannungs-Kennlinie der Brennstoffzelle 10 für Massenströme ṁ beziehungsweise Betriebsdrücke p des Anoden-Betriebsmediums 3 und des Kathoden-Betriebsmediums 5
p: Betriebsdruck Anoden-Betriebsmedium 3, Kathoden-Betriebsmedium 5
ṁ: Massenstrom Anoden-Betriebsmediums 3, Kathoden-Betriebsmedium 5
P_W: vom Fahrzeugführer angeforderte Fahrleistung des Fahrzeugs 200
P_aux: Summen-Leistung der weiteren elektrischen Verbraucher
N: Normal-Betriebsmodus des Fahrzeugs 200
P_N: insgesamt angeforderte Leistung des Brennstoffzellensystems 1 im Normal-Betriebsmodus N (P_W + P_aux)
Up_N: elektrische Spannung einer Einzelzelle 11 im Normal-Betriebsmodus N
Ip_N: elektrischer Strom einer Einzelzelle 11 im Normal-Betriebsmodus N
S: Sport-Betriebsmodus des Fahrzeugs 200
P_S: insgesamt angeforderte Leistung des Brennstoffzellensystems 1 im Sport-Betriebsmodus S (P_W + P_aux)
Up_S: elektrische Spannung einer Einzelzelle 11 im Sport-Betriebsmodus S
Ip_S: elektrischer Strom einer Einzelzelle 11 im Sport-Betriebsmodus S

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10219333 A1 [0008]

Claims

Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellen-Fahrzeugs (200), wobei das Brennstoffzellen-Fahrzeug (200) in einem Normal-Betriebsmodus (N) betreibbar ist, in welchem eine Brennstoffzelle (10) des Brennstoffzellen-Fahrzeugs (200) mit Normalbetrieb-Spannungs-Strom-Wertepaaren (Up_N, Ip_N) betrieben wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoffzellen-Fahrzeug (200) ferner in einem Sport-Betriebsmodus (S) betreibbar ist, wobei bei einer in Bezug auf einen Betrieb des Brennstoffzellen-Fahrzeugs (200) im Normal-Betriebsmodus (N) in dem gleichen Betriebspunkt des Brennstoffzellen-Fahrzeugs (200) das Brennstoffzellen-Fahrzeug (200) mit einer vergrößerten zur Verfügung gestellten oder stellbaren elektrischen Leistung betrieben wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Sport-Betriebsmodus (S) ein Elektrotraktionsmotor (51) eines Antriebssystems (50) des Brennstoffzellen-Fahrzeugs (200) gegenüber dem Normal-Betriebsmodus (N) mit einer höheren elektrischen Leistung betrieben wird oder betreibbar ist.
Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Fahrzeug (200) im Normal-Betriebsmodus (N) verbrauchsoptimiert betrieben wird und/oder das Fahrzeug (200) im Sport-Betriebsmodus (S) leistungsoptimiert betrieben wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass in Bezug auf einen Betrieb des Brennstoffzellen-Fahrzeugs (200) im Normal-Betriebsmodus (N) in dem gleichen Betriebspunkt für den Sport-Betriebsmodus (S): • Sportbetrieb-Spannungs-Strom-Wertepaare (Up_S, Ip_S), insbesondere maximale Sportbetrieb-Spannungs-Strom-Wertepaare (Up_Smax, Ip_Smax), definiert sind, durch welche die Brennstoffzelle (10) mit einer höheren elektrischen Leistung betrieben wird oder betreibbar ist; • ein Betriebsdruck (p) eines Anoden-Betriebsmediums (3) und/oder Kathoden-Betriebsmediums (5) gegenüber einem Betriebsdruck (p) des Anoden-Betriebsmediums (3) und/oder Kathoden-Betriebsmediums (5) im Normal-Betriebsmodus (N) erhöht wird; • eine Spitzenleistung einer Batterie (44), insbesondere einer Traktionsbatterie, angehoben wird; • eine nominelle elektrische Leistung des Elektrotraktionsmotors (51) auf eine elektrische Spitzenleistung angehoben wird; und/oder • bei einer Spannungswandlung zwischen der Brennstoffzelle (10) und dem Elektrotraktionsmotor (51) ein Spannungsniveau zum Elektrotraktionsmotor (51) hin erhöht wird.
Verfahren gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine maximale elektrische Einzelzell-Spannung (Up_S,max) des Sportbetrieb-Spannungs-Strom-Wertepaars (Up_S, Ip_S) 0,55 V bis ca. 0,65 V, insbesondere 0,57 V bis 0,6 V, beträgt und/oder ein maximaler elektrischer Strom (Ip_S,max) des Sportbetrieb-Spannungs-Strom-Wertepaars (Up_S, Ip_S) 1,5 A/cm² bis 2,5 A/cm², insbesondere 1,8 A/cm² bis 2,2 A/cm², beträgt.
Verfahren gemäß Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der einstellbare Betriebsdruck (p) des Anoden-Betriebsmediums (3) 1% bis 20%, insbesondere 5% bis 10%, über dem Betriebsdruck (p) des Anoden-Betriebsmediums (3) im Normal-Betriebsmodus (N) liegt und/oder der einstellbare Betriebsdruck (p) des Kathoden-Betriebsmediums (5) 1% bis 20%, insbesondere 5% bis 10%, über dem Betriebsdruck (p) des Kathoden-Betriebsmediums (5) im Normal-Betriebsmodus (N) liegt.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass gegenüber dem Normal-Betriebsmodus (N) im Sport-Betriebsmodus (S) bei erhöhtem Betriebsdruck (p) des Anoden-Betriebsmediums (3) ein Massenstrom (ṁ) des Anoden-Betriebsmediums (3) reduziert wird und/oder bei erhöhtem Betriebsdruck (p) des Kathoden-Betriebsmediums (3) ein Massenstrom (ṁ) des Kathoden-Betriebsmediums (3) reduziert wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein aktueller Betriebsmodus (N, S, ...) des Brennstoffzellen-Fahrzeugs (200) durch ein Fahrerinformationssystem an einen Fahrzeugführer des Brennstoffzellen-Fahrzeugs (200) ausgegeben wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoffzellen-Fahrzeug (200) einen Betriebsmodus-Wahlhebel aufweist, mittels welchem der Sport-Betriebsmodus (S) des Brennstoffzellen-Fahrzeugs (200) angewählt wird oder anwählbar ist.
Elektronische Steuereinrichtung (60) für ein Brennstoffzellen-Fahrzeug (200) oder Brennstoffzellen-Fahrzeug (200) mit einer elektronischen Steuereinrichtung (60), dadurch gekennzeichnet, dass die elektronische Steuereinrichtung (60) eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9 durchzuführen.