DE102015117240A1

DE102015117240A1 - Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems sowie Brennstoffzellensystem und Fahrzeug

Info

Publication number: DE102015117240A1
Application number: DE102015117240.2A
Authority: DE
Inventors: Alexander Weß; Martin ARENDT; Marc Düvel
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Audi AG; Volkswagen AG
Priority date: 2015-10-09
Filing date: 2015-10-09
Publication date: 2017-04-13

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines einen Brennstoffzellenstapel (10) umfassenden Brennstoffzellensystems (100), ein zur Ausführung des Verfahrens eingerichtetes Brennstoffzellensystem (100) sowie ein Fahrzeug (200) mit einem solchen. Das Verfahren umfasst die Schritte: – Bestimmen eines Soll-Stroms (Isoll) des Brennstoffzellenstapels (10) in Abhängigkeit von einer Zielleistung (Psoll); – Betreiben des Brennstoffzellensystems (100) so, dass ein von dem Brennstoffzellenstapel (10) erzeugter Ist-Strom (Iist) im Wesentlichen dem Soll-Strom (Isoll) entspricht; – sofern eine bei dem Soll-Strom (Isoll) von dem Brennstoffzellenstapel (10) erzeugte Ist-Spannung (Uist) eine vorbestimmte untere Grenzspannung (Umin) unterschreitet, Korrigieren des Soll-Stroms (Isoll) so, dass die untere Grenzspannung (Umin) nicht unterschritten wird; und – Speichern eines für die Korrektur des Soll-Stroms (Isoll) angewendeten Korrekturwerts (∆I).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines einen Brennstoffzellenstapel aufweisenden Brennstoffzellensystems. Die Erfindung betrifft ferner ein zur Ausführung des Verfahrens eingerichtetes Brennstoffzellensystem sowie ein Fahrzeug mit einem solchen.
Brennstoffzellen nutzen die chemische Umsetzung eines Brennstoffs mit Sauerstoff zu Wasser, um elektrische Energie zu erzeugen. Hierfür enthalten Brennstoffzellen als Kernkomponente die sogenannte Membran-Elektroden-Einheit (MEA für membrane electrode assembly), die ein Gefüge aus einer ionenleitenden (meist protonenleitenden) Membran und jeweils einer beidseitig an der Membran angeordneten katalytischen Elektrode (Anode und Kathode) ist. Letztere umfassen zumeist geträgerte Edelmetalle, insbesondere Platin. Zudem können Gasdiffusionslagen (GDL) beidseitig der Membran-Elektroden-Einheit an den der Membran abgewandten Seiten der Elektroden angeordnet sein. In der Regel wird die Brennstoffzelle durch eine Vielzahl im Stapel (stack) angeordneter MEA gebildet, deren elektrische Leistungen sich addieren. Zwischen den einzelnen Membran-Elektroden-Einheiten sind in der Regel Bipolarplatten (auch Flussfeldplatten genannt) angeordnet, welche eine Versorgung der Einzelzellen mit den Betriebsmedien, also den Reaktanten, sicherstellen und üblicherweise auch der Kühlung dienen. Zudem sorgen die Bipolarplatten für einen elektrisch leitfähigen Kontakt zu den Membran-Elektroden-Einheiten.
Im Betrieb der Brennstoffzelle wird der Brennstoff (Anodenbetriebsmedium), insbesondere Wasserstoff H₂ oder ein wasserstoffhaltiges Gasgemisch, über ein anodenseitiges offenes Flussfeld der Bipolarplatte der Anode zugeführt, wo eine elektrochemische Oxidation von H₂ zu Protonen H⁺ unter Abgabe von Elektronen stattfindet (H₂ → 2H⁺ + 2e^–). Über den Elektrolyten oder die Membran, welche die Reaktionsräume gasdicht voneinander trennt und elektrisch isoliert, erfolgt ein (wassergebundener oder wasserfreier) Transport der Protonen aus dem Anodenraum in den Kathodenraum. Die an der Anode bereitgestellten Elektronen werden über eine elektrische Leitung der Kathode zugeleitet. Der Kathode wird über ein kathodenseitiges offenes Flussfeld der Bipolarplatte Sauerstoff oder ein sauerstoffhaltiges Gasgemisch (zum Beispiel Luft) als Kathodenbetriebsmedium zugeführt, sodass eine Reduktion von O₂ zu 2O^2– unter Aufnahme der Elektronen stattfindet (½O₂ + 2e^– → O^2–). Gleichzeitig reagieren im Kathodenraum die Sauerstoffanionen mit den über die Membran transportierten Protonen unter Bildung von Wasser (O^2– + 2H⁺ → H₂O).
EP 2 787 566 A1 offenbart ein Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzelle unter Verwendung einer Strom-Spannungs- und einer Strom-Leistungs-Charakteristik. Basierend auf der Strom-Leistungs-Charakteristik wird ein Ziel-Strom als Antwort auf eine Leistungsanforderung ermittelt und eine Ziel-Spannung der Brennstoffzelle, um den Ziel-Strom basierend auf der Strom-Spannungs-Charakteristik zu liefern. Ein DC/DC-Wandler wird so geregelt, dass eine Spannung entsprechend der Ziel-Spannung eingestellt wird und die Brennstoffzelle und ein Akkumulator die angeforderte Leistung ausgeben. Wenn bei einem bestimmten elektrischen Strom die Zellspannung der Brennstoffzelle unter einen vorbestimmten Referenzwert sinkt, wird ein Degradations-Vermeidungs-Betrieb ausgeführt, bei dem die Ausgangsleistung der Brennstoffzelle auf einen vorbestimmten Grenzwert begrenzt wird. Im Speziellen begrenzt die Regelung die Spannung der Brennstoffzelle auf eine vorbestimmte Grenz-Spannung und den Strom auf einen vorbestimmten Grenz-Strom. Währenddessen kompensiert der Akkumulator ein Defizit bezüglich der angefragten Leistung.
Der Betrieb von Brennstoffzellen, insbesondere die Spannungs-Strom-Regelung derselben, erfolgt unter Verwendung von Kennlinien oder Kennfeldern, welche den Zusammenhang verschiedener Größen, beispielsweise des Stroms und der Spannung der Brennstoffzelle und gegebenenfalls in Abhängigkeit weiterer Größen, darstellen. Die Kennlinien und Kennfelder werden üblicherweise auf Prüfständen ermittelt. Es hat sich jedoch in der Praxis gezeigt, dass das Brennstoffzellensystem in einem Fahrzeug ein anderes Verhalten zeigt als auf dem Prüfstand. In Abhängigkeit verschiedener Faktoren (z.B. von Umwelteinflüssen) kommt es zu Wirkungsgrad- und Leistungsverlusten der Brennstoffzelle, die teilweise auf reversible und teilweise auf irreversible Degradationseffekte zurückzuführen sind. Die reversiblen und irreversiblen Degradationseffekte haben zur Folge, dass bei einem eingestellten Strom des Brennstoffzellenstapels die erreichte Spannung nach unten von der erwarteten Spannung abweicht. Die irreversiblen Effekte, die beispielsweise in Form von Degradationsprozessen der katalytischen Elektroden stattfinden, nehmen über einen sehr langen Zeitraum zu. Die reversiblen Wirkungsgradverluste, die beispielsweise durch extreme Lastzyklen und Temperaturwechsel hervorgerufen werden können, führen in kurzer Zeit, beispielsweise innerhalb von Minuten, zu signifikanten Spannungsverlusten. Diese können bei großen Lastsprüngen zu einer Unterschreitung von Spannungsgrenzen führen. Zwar erholt sich die Brennstoffzelle meist selbstständig aus diesen Zuständen, jedoch kann eine Unterschreitung der Spannungsgrenze für einige Bauteile schädlich sein. Insbesondere die reversiblen Effekte werden in heutigen Systemen nicht oder nicht ausreichend berücksichtigt.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, insbesondere einer Spannungs-Strom-Regelung desselben, vorzuschlagen, das die Häufigkeit des Auftretens unerwünschter Spannungsminima sowie Häufigkeit und Intensität korrigierender Reglereingriffe reduziert.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems sowie durch ein entsprechend eingerichtetes Brennstoffzellensystem und ein entsprechendes Fahrzeug mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst.
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft somit ein Verfahren zum Betreiben eines einen Brennstoffzellenstapel umfassenden Brennstoffzellensystems mit den Schritten:

– Bestimmen eines Soll-Stroms des Brennstoffzellenstapels in Abhängigkeit von einer Zielleistung;
– Betreiben des Brennstoffzellensystems so, dass ein von dem Brennstoffzellenstapel erzeugter Ist-Strom im Wesentlichen dem Soll-Strom entspricht;
– sofern eine bei dem Soll-Strom von dem Brennstoffzellenstapel erzeugte Ist-Spannung eine vorbestimmte untere Grenzspannung unterschreitet, Korrigieren des Soll-Stroms so, dass die untere Grenzspannung nicht unterschritten wird; und
– Speichern eines für die Korrektur des Soll-Stroms angewendeten Korrekturwerts.

Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass der Korrekturwert für den Soll-Strom gespeichert wird, so dass dieser in nachfolgenden Betriebszyklen zur Bestimmung des Soll-Stroms angewandt werden kann. Auf diese Weise kann das Auftreten eines unerwünschten und/oder schädigenden Ereignisses in Form der Unterschreitung der unteren Grenzspannung vermieden werden. Gleichzeitig sind die korrigierenden Reglereingriffe zur Darstellung eines gewünschten Soll-Stroms und einer gewünschten Zielspannung nicht nur seltener, sondern auch mit einer geringeren Intensität der Korrektur notwendig.
Das Speichern des für die Korrektur des Soll-Stroms angewendeten Korrekturwerts schließt einerseits die Speicherung des Korrekturwerts selbst ein, kann andererseits aber auch das Speichern eines mit diesem aktuellen Korrekturwert korrigierten, bereits früher abgespeicherten Korrekturwerts umfassen.
In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung wird der für die Korrektur des Ist-Stroms angewendete Korrekturwert (bzw. ein mit diesem korrigierter alter Korrekturwert) in einem Korrekturkennfeld gespeichert. Dies erfolgt vorzugsweise in Abhängigkeit von dem oder den gleichen Parameter/n, der/die auch in dem zum Bestimmen des Soll-Stroms verwendeten Kennfeld verwendet wird/werden. Mit anderen Worten ist das Korrekturkennfeld in Bezug auf Parameterart und Dimension eine Kopie dieses „Normal-Kennfelds“. In Ausführungsbeispielen wird der Korrekturwert in Abhängigkeit von der Zielleistung und/oder dem Soll-Strom und/oder der Soll-Spannung gespeichert. So kann in einer zukünftigen Betriebssituation, in welcher abhängig von dem Regelalgorithmus der Brennstoffzelle eine korrespondierende Zielleistung, ein korrespondierender Soll-Strom und/oder eine korrespondierende Soll-Spannung dargestellt werden soll, unmittelbar auf den entsprechenden Korrekturwert zugegriffen werden. Dies ermöglicht eine besonders präzise Strom-Spannungs-Regelung und reduziert Häufigkeit und Intensität der Reglereingriffe noch weiter.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens wird der Korrekturwert in einem Korrekturkennfeld (ggf. in weiteren Korrekturkennfeldern) in Abhängigkeit von mindestens einem weiteren, den Brennstoffzellenwirkungsgrad beeinflussenden Parameter gespeichert. Die Speicherung des Korrekturwerts nicht nur in Abhängigkeit von der Zielleistung und/oder dem Soll-Strom und/oder der Soll-Spannung, sondern auch von dem Brennstoffzellenwirkungsgrad beeinflussenden Parameter („Störparameter“) ermöglicht eine noch gezieltere Antizipation reversibler oder irreversibler Degradationseffekte der Brennstoffzelle.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung handelt es sich um den den Brennstoffzellenwirkungsgrad beeinflussenden Parameter um mindestens einen aus folgender Gruppe ausgewählten Parameter: eine aktuelle und/oder historische Temperaturinformation, eine aktuelle oder historische Lastinformation, eine aktuelle und/oder historische Spannungsinformation, ein aktueller und/oder historischer Wasserhaushalt (insbesondere ein Befeuchtungszustand der Polymerelektrolytmembran) und eine Betriebsdauer jeweils bezogen auf den Brennstoffzellenstapel. In diesem Zusammenhang wird unter „aktueller Information“ ein entsprechender zum Verfahrenszeitpunkt vorliegender Parameter verstanden. Hingegen bezieht sich eine „historische Information“ auf den in einer vorbestimmten zurückliegenden Betriebsphase vorgelegenen Parameter. Die zurückliegende Betriebsphase kann dabei eine vorbestimmte Betriebsdauer und/oder eine vorbestimmte Anzahl von Betriebszyklen bzw. Starts umfassen. In Einzelfällen kann die vorbestimmte zurückliegende Betriebsphase auch die gesamte Lebensdauer des Brennstoffzellenstapels einschließen. Der Begriffsbestandteil „Information“ umfasst in diesem Zusammenhang jegliche Größe des genannten Parameters, insbesondere seine absolute Größe, seine gemittelte Größe, seine integrierte Größe, Maximal- und/oder Minimalwert/e in der Vergangenheit, Häufigkeit des Überschreitens einer oberen Schwelle in der Vergangenheit, Häufigkeit des Unterschreitens einer unteren Schwelle in der Vergangenheit, maximale positive und/oder negative Veränderungsgeschwindigkeit in der Vergangenheit, Häufigkeit des Überschreitens einer oberen Schwelle für die positive und/oder negative Veränderungsgeschwindigkeit in der Vergangenheit, und so weiter. Die Zustandsparameter Temperatur, Last, Wasserhaushalt und Spannung (insbesondere Spannungswechsel) stellen besonders wichtige Einflussfaktoren dar, die zu einer reversiblen oder irreversiblen Wirkungsgrad- und Spannungsabnahme des Brennstoffzellenstapels führen können. Somit erlaubt die Einbeziehung dieser Größen in das abgespeicherte Korrekturkennfeld eine besonders genaue Antizipation der zu erwartenden Degradationseffekte und Spannungsabfälle und somit einer sehr hohe Reglungsgenauigkeit.
In konkreten Ausgestaltungen der Erfindung ist die aktuelle und/oder historische Temperaturinformation mindestens ein aus folgender Gruppe ausgewählter Parameter: eine aktuelle Temperatur; eine in einer zurückliegenden Betriebsphase vorgelegene mittlere Temperatur; eine in einer zurückliegenden Betriebsphase vorgelegene maximale und/oder minimale Temperatur; ein in einer zurückliegenden Betriebsphase vorgelegener maximaler und/oder minimaler Temperaturgradient; eine in einer zurückliegenden Betriebsphase vorgelegene integrale Temperaturbeanspruchung; eine Häufigkeit, mit der in einer zurückliegenden Betriebsphase eine vorbestimmte obere Temperaturschwelle überschritten und/oder eine vorbestimmte untere Temperaturschwelle unterschritten wurde; und eine Häufigkeit, mit der in einer zurückliegenden Betriebsphase eine vorbestimmte obere positive und/oder negative Temperaturgradientschwelle überschritten wurde. Dabei bezieht sich der Begriff „Temperatur“ jeweils auf die Umgebungstemperatur oder – bevorzugt – auf die Brennstoffzellenstapeltemperatur.
Beispielsweise führt eine aktuell vorliegende vergleichsweise hohe Temperatur der Brennstoffzelle zu einer aktuellen und reversiblen Spannungsabnahme. Auf der anderen Seite führt das Überschreiten bestimmter oberer Temperaturschwellen oder Temperaturgradientenschwellen zu einer hohen Temperaturwechselbeanspruchung, die zu Degradationseinbrüchen führen, die zwar reversibel, jedoch langfristiger ausfallen können.
Analog zur Temperaturinformation kann auch die aktuelle und/oder historische Spannungsinformation des Brennstoffzellenstapels ausgewählt werden. Als eine besonders signifikante Information, die durch das Korrekturkennfeld abgebildet werden kann, hat sich das Überschreiten einer vorbestimmten maximalen Spannungsschwelle in einer zurückliegenden Betriebsphase erwiesen. Bei bestimmten niedrigen Einzelzellenspannungen, beispielsweise bei Spannungen oberhalb von 0,8 Volt/Einzelzelle, kann es nämlich zu Degradationserscheinungen der katalytischen Elektroden kommen, die teilweise reversibel und teilweise irreversibel sind. Ferner stellen Spannungswechsel in der Vergangenheit, also positive und/oder negative Veränderungsgeschwindigkeiten der Spannung eine relevante, den Wirkungsgrad beeinflussenden Spannungsinformation dar.
Ebenfalls analog zur Temperaturinformation kann der Korrekturwert in Abhängigkeit von einer aktuellen oder historischen Lastinformation gespeichert werden, die aus analogen Parametern gewählt ist. Insbesondere haben sich zurückliegende Lastzyklen mit hohen Lastspitzen und schnellen Lastwechseln (also der Überschreitung oberer Lastgradientenschwellen) als Parameter erwiesen, welche einen signifikanten degradierenden Einfluss auf die Brennstoffzellenspannung haben können. Diese sind in der Regel reversibel.
In einer Ausführung der Erfindung wird der Korrekturwert permanent gespeichert, wobei es sich jedoch versteht, dass er kontinuierlich durch das erfindungsgemäße Verfahren adaptiert werden kann. In einer weiteren Ausführung wird der Korrekturwert temporär für eine vorbestimmte Anzahl von Betriebszyklen oder für eine vorbestimmte Betriebsdauer oder für die Dauer des Vorliegens einer vorbestimmten Betriebssituation gespeichert. Die temporäre Speicherung erlaubt ein automatisiertes Zurücksetzen des Korrekturwertes bzw. des Korrekturkennfelds, um einer Regeneration des Brennstoffzellenstapels Rechnung zu tragen. Auf diese Weise kann eine früher bestehende Schädigung der Brennstoffzelle und ein zugehöriger Korrekturwert gezielt „verlernt“ werden.
In besonders vorteilhafter Ausbildung des Verfahrens ist das System eingerichtet, dass der Korrekturwert wahlweise in der beschriebenen temporären Weise oder in der permanenten Weise gespeichert wird. Dabei wird zwischen dem temporären und dem permanenten Speichermodus in Abhängigkeit von der Ursache des notwendigen korrigierenden Regeleingriffs (ausgelöst durch die Unterschreitung der unteren Grenzspannung) gewählt, insbesondere von dem den Brennstoffzellenwirkungsgrad beeinflussenden Parameter. Dabei wird im Falle einer eine irreversible Wirkungsgradminderung verursachenden Ursache, beispielsweise bei früheren Überschreitungen der erwähnten Maximalzellspannung, eine permanente Speicherung des entsprechend ermittelten Korrekturwerts gewählt. Bei einer eine irreversible Wirkungsgradminderung verursachenden Ursache wird die Speicherung des Korrekturwerts für eine vorbestimmte Anzahl von Betriebszyklen und/oder für eine vorbestimmte Betriebsdauer und/oder für die Dauer des Vorliegens einer vorbestimmten Betriebssituation gewählt. Gemäß einer Weiterbildung wird die Anzahl der Betriebszyklen und/oder die vorbestimmte Betriebsdauer, für welche die Speicherung erfolgen soll, in Abhängigkeit von der erwarteten Dauer der reversiblen Degradation bestimmt werden. Bei dem temporären Speichermodus wird der Korrekturwert somit mit einer Zeitfunktion ausgestattet, deren Ablauf zum Zurücksetzen (Reset) des Korrekturwerts führt. Ebenfalls kann ein Zurücksetzen eines reversiblen Korrekturwerts erfolgen, nachdem eine gezielt herbeigeführte Maßnahme zur Wiederherstellung des Wirkungsgrads (Regenerationsmaßnahme) durchgeführt wurde.
Da nicht ausgeschlossen ist, dass gleichzeitig sowohl reversible als auch irreversible Effekte zu einer Leistungsabnahme führen, sieht eine Ausgestaltung der Erfindung vor, dass verschiedene Korrekturkennfelder erzeugt werden. Dabei werden in einem permanenten Korrekturkennfeld Korrekturwerte gespeichert, um irreversiblen Degradationserscheinungen der Brennstoffzelle Rechnung zu tragen. Mindestens ein weiteres, temporäres Korrekturkennfeld enthält temporär gespeicherte Korrekturwerte, die nach Ablauf der vorbestimmten Anzahl von Betriebszyklen oder der vorbestimmten Betriebsdauer zurückgesetzt werden, und berücksichtigt reversible Degradationseffekte.
Die vorbestimmte untere Grenzspannung, deren Unterschreitung die Korrektur des Soll-Stroms zur Folge hat, entspricht bevorzugt mindestens einer Spannung, mit der sämtliche Komponenten (elektrische Verbraucher und der Brennstoffzellenstapel selbst, ggf. Energiespeicher) sicher betrieben werden können, welche unmittelbar oder durch entsprechende Übersetzungsglieder (z.B. DC/DC-Wandler) am elektrischen Anschluss des Brennstoffzellenstapels angeschlossen sind. Insbesondere wird die untere Grenzspannung entsprechend der minimalen Arbeitsspannung derjenigen elektrischen Komponente vorgegeben, der die höchste minimale Arbeitsspannung aufweist. Auf diese Weise wird verhindert, dass es zu einem Unterschreiten der unteren Grenzspannung und der minimalen Arbeitsspannung der Komponenten und eine Verschlechterung seiner Performance kommt.
Die von dem Brennstoffzellenstapel zur Verfügung gestellte Zielleistung wird im Falle eines Brennstoffzellenfahrzeugs vorzugsweise in Abhängigkeit einer durch den Fahrer angeforderten Fahrleistung (Traktionsleistung) ermittelt. Die Fahrleistung entspricht dabei der gewünschten elektrischen Leistung eines elektrischen Traktionsmotors des Fahrzeugs. Zusätzlich kann die benötigte elektrische Leistung weiterer elektrischer Verbraucher des Brennstoffzellensystems oder außerhalb des Brennstoffzellensystems bei der Ermittlung der Zielleistung berücksichtigt werden. Hier können beispielsweise Verdichter, Gebläse, elektrische Ventile oder andere Komponenten des Brennstoffzellensystems einbezogen werden. Externe elektrische Verbraucher sind bei einem Brennstoffzellenfahrzeug beispielsweise in Form einer Klimaanlage, elektrischer Heizeinrichtungen, elektrische Fensterheber, etc. gegeben. Zusätzlich kann eine elektrische Ladeleistung eines Energiespeichers (Batterie) berücksichtig werden.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem, umfassend einen Brennstoffzellenstapel und eine Steuereinrichtung, die eingerichtet ist, das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen. Zu diesem Zweck kann die Steuereinrichtung einen computerlesbaren Programmalgorithmus aufweisen, der das Verfahren ausführt. Ferner kann die Steuereinrichtung Kennlinien und/oder Kennfelder aufweisen, aus denen in Abhängigkeit von Eingangswerten entsprechende Ausgangswerte, beispielsweise Steuerwerte zur Ansteuerung verschiedener Komponenten des Brennstoffzellensystems, ermittelt werden.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Fahrzeug mit einem solchen Brennstoffzellensystem. Vorzugsweise handelt es sich hierbei um ein Fahrzeug, in welchem durch ein Brennstoffzellensystem elektrische Energie erzeugt wird, um den elektrischen Leistungsbedarf des Fahrzeuges abzudecken. Der elektrische Leistungsbedarf kann dabei durch einen elektrischen Antriebsmotor (Traktionsmotor) und/oder elektrische Nebenverbraucher verursacht werden. Sofern das Fahrzeug einen oder mehrere Elektromotor/en als Traktionsmotor aufweist, kann dieser allein oder – in Form eines Hybridkonzepts – in Kombination mit andere Antriebsaggregaten (z.B. Verbrennungsmotor) das Fahrzeug antreiben.
Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.
Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
1 ein Blockschaltbild eines Brennstoffzellensystems gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung;
2 ein Blockschaltbild eines Fahrzeugs mit einem Brennstoffzellensystem und mit elektronischen Komponenten gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung;
3 Spannungs-Strom-Kennlinie eines nicht degradierten und eines degradierten Brennstoffzellenstapels;
4 Fließdiagramm eines Verfahrensablaufs zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung; und
5 Logikschaltbild einer Stromregelung gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung.
1 zeigt ein insgesamt mit 100 bezeichnetes Brennstoffzellensystem gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung. Das Brennstoffzellensystem 100 ist Teil eines in 2 dargestellten Fahrzeugs, insbesondere eines Elektrofahrzeugs, das einen Elektrotraktionsmotor 51 aufweist, der durch das Brennstoffzellensystem 100 mit elektrischer Energie versorgt wird.
Das Brennstoffzellensystem 100 gemäß 1 umfasst als Kernkomponente einen Brennstoffzellenstapel 10, der eine Vielzahl von in Stapelform angeordneten Einzelzellen 11 aufweist, die durch abwechselnd gestapelte Membran-Elektroden-Einheiten (MEA) 14 und Bipolarplatten 15 ausgebildet werden (siehe Detailausschnitt). Jede Einzelzelle 11 umfasst somit jeweils eine MEA 14, die eine hier nicht näher dargestellte ionenleitfähige Polymerelektrolytmembran aufweist sowie beidseits daran angeordnete katalytische Elektroden, nämlich eine Anode und eine Kathode, welche die jeweilige Teilreaktion der Brennstoffzellenumsetzung katalysieren und beispielsweise als Beschichtungen auf der Membran ausgebildet sein können. Die Anoden- und Kathodenelektrode weisen ein katalytisches Material auf, beispielsweise Platin, das auf einem elektrisch leitfähigen Trägermaterial großer spezifischer Oberfläche, beispielsweise einem kohlenstoffbasierten Material, geträgert vorliegt. Zwischen einer Bipolarplatte 15 und der Anode wird somit ein Anodenraum 12 ausgebildet und zwischen der Kathode und der nächsten Bipolarplatte 15 der Kathodenraum 13. Die Bipolarplatten 15 dienen der Zuführung der Betriebsmedien in die Anoden- und Kathodenräume 12, 13 und stellen ferner die elektrischen Verbindung zwischen den einzelnen Brennstoffzellen 11 her. Optional können Gasdiffusionslagen zwischen den Membran-Elektroden-Einheiten 14 den Bipolarplatten 15 angeordnet sein.
Um den Brennstoffzellenstapel 10 mit den Betriebsmedien zu versorgen, weist das Brennstoffzellensystem 100 einerseits eine Anodenversorgung 20 und andererseits eine Kathodenversorgung 30 auf.
Die Anodenversorgung 20 umfasst einen Anodenversorgungspfad 21, welcher der Zuführung eines Anodenbetriebsmediums (dem Brennstoff), beispielsweise Wasserstoff, in die Anodenräume 12 des Brennstoffzellenstapels 10 dient. Zu diesem Zweck verbindet der Anodenversorgungspfad 21 einen Brennstoffspeicher 23 mit einem Anodeneinlass des Brennstoffzellenstapels 10. Die Anodenversorgung 20 umfasst ferner einen Anodenabgaspfad 22, der das Anodenabgas aus den Anodenräumen 12 über einen Anodenauslass des Brennstoffzellenstapels 10 abführt. Der Anodenbetriebsdruck auf den Anodenseiten 12 des Brennstoffzellenstapels 10 ist über ein Stellmittel 24 in dem Anodenversorgungspfad 21 einstellbar. Darüber hinaus kann die Anodenversorgung 20 wie dargestellt eine Brennstoff-Rezirkulationsleitung 25 aufweisen, welche den Anodenabgaspfad 22 mit dem Anodenversorgungspfad 21 verbindet. Die Rezirkulation von Brennstoff ist üblich, um den zumeist überstöchiometrisch eingesetzten Brennstoff dem Stapel zurückzuführen und zu nutzen. In der Brennstoff-Rezirkulationsleitung 25 ist ein weiteres Stellmittel 26 angeordnet, mit welchem die Rezirkulationsrate einstellbar ist.
Die Kathodenversorgung 30 umfasst einen Kathodenversorgungspfad 31, welcher den Kathodenräumen 13 des Brennstoffzellenstapels 10 ein sauerstoffhaltiges Kathodenbetriebsmedium zuführt, insbesondere Luft, die aus der Umgebung angesaugt wird. Die Kathodenversorgung 30 umfasst ferner einen Kathodenabgaspfad 32, welcher das Kathodenabgas (insbesondere die Abluft) aus den Kathodenräumen 13 des Brennstoffzellenstapels 10 abführt und dieses gegebenenfalls einer nicht dargestellten Abgasanlage zuführt. Zur Förderung und Verdichtung des Kathodenbetriebsmediums ist in dem Kathodenversorgungspfad 31 ein Verdichter 33 angeordnet. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Verdichter 33 als ein hauptsächlich elektromotorisch angetriebener Verdichter ausgestaltet, dessen Antrieb über einen mit einer entsprechenden Leistungselektronik 35 ausgestatteten Elektromotor 34 erfolgt. Der Verdichter 33 kann ferner durch eine im Kathodenabgaspfad 32 angeordnete Turbine 36 (gegebenenfalls mit variabler Turbinengeometrie) unterstützend über eine gemeinsame Welle (nicht dargestellt) angetrieben werden.
Die Kathodenversorgung 30 kann gemäß dem dargestellten Ausführungsbeispiel ferner eine Wastegate-Leitung 37 aufweisen, welche die Kathodenversorgungsleitung 31 mit der Kathodenabgasleitung 32 verbindet, also einen Bypass des Brennstoffzellenstapels 10 darstellt. Die Wastegate-Leitung 37 erlaubt, überschüssigen Luftmassenstrom an dem Brennstoffzellenstapel 10 vorbeizuführen, ohne den Verdichter 33 herunterzufahren. Ein in der Wastegate-Leitung 37 angeordnetes Stellmittel 38 erlaubt eine Steuerung der Menge des den Brennstoffzellenstapel 10 umgehenden Kathodenbetriebsmediums. Sämtliche Stellmittel 24, 26, 38 des Brennstoffzellensystems 100 können als regelbare oder nicht regelbare Ventile oder Klappen ausgebildet sein. Entsprechende weitere Stellmittel können in den Leitungen 21, 22, 31 und 32 angeordnet sein, um den Brennstoffzellenstapel 10 von der Umgebung isolieren zu können.
Das Brennstoffzellensystem 100 kann ferner ein Befeuchtermodul 39 aufweisen. Das Befeuchtermodul 39 ist einerseits so in dem Kathodenversorgungspfad 31 angeordnet, dass er von dem Kathodenbetriebsgas durchströmbar ist. Andererseits ist es so in dem Kathodenabgaspfad 32 angeordnet, dass es von dem Kathodenabgas durchströmbar ist. Der Befeuchter 39 weist typischerweise eine Mehrzahl von wasserdampfpermeablen Membranen auf, die entweder flächig oder in Form von Hohlfasern ausgebildet sind. Dabei wird eine Seite der Membranen von dem vergleichsweise trockenen Kathodenbetriebsgas (Luft) überströmt und die andere Seite von dem vergleichsweise feuchten Kathodenabgas (Abgas). Getrieben durch den höheren Partialdruck an Wasserdampf in dem Kathodenabgas kommt es zu einem Übertritt von Wasserdampf über die Membran in das Kathodenbetriebsgas, das auf diese Weise befeuchtet wird.
Verschiedene weitere Einzelheiten der Anoden- und Kathodenversorgung 20, 30 sind in der vereinfachten 1 aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht gezeigt. So kann in dem Anoden- und/oder Kathodenabgaspfad 22, 32 ein Wasserabscheider verbaut sein, um das aus der Brennstoffzellenreaktion entstehende Produktwasser zu kondensieren und abzuleiten. Schließlich kann die Anodenabgasleitung 22 in die Kathodenabgasleitung 32 münden, sodass das Anodenabgas und das Kathodenabgas über eine gemeinsame Abgasanlage abgeführt werden.
2 zeigt ein insgesamt mit 200 bezeichnetes Fahrzeug, das das Brennstoffzellensystem 100 aus 1 (hier in vereinfachter Darstellung), ein elektrisches Leistungssystem 40, ein Fahrzeugantriebssystem 50 sowie eine elektronische Steuereinrichtung 60 aufweist.
Das elektronische Leistungssystem 40 umfasst einen Spannungssensor 41 zur Erfassung einer von dem Brennstoffzellenstapel 10 erzeugten Spannung sowie einen Stromsensor 42 zur Erfassung eines von dem Brennstoffzellenstapel 10 erzeugten Stroms. Ferner umfasst das elektronische Leistungssystem 40 einen Energiespeicher 44, beispielsweise eine Hochvoltbatterie oder einen Kondensator. Der Energiespeicher 44 ist über einen Wandler 45, insbesondere einen Hochvolt-Gleichstromwandler, mit dem Stromnetz verbunden. In gleicher oder ähnlicher Weise können das Brennstoffzellensystem selbst, dessen elektrische Verbraucher, beispielsweise der Elektromotor 34 des Verdichters 33 (siehe 1) mit dem Stromnetz verbunden sein oder andere elektrische Verbraucher des Fahrzeugs, beispielsweise ein Kompressor für eine Klimaanlage und dergleichen.
Das Antriebssystem 50 umfasst einen Elektromotor 51, der als Traktionsmotor des Fahrzeugs 200 dient. Hierzu treibt der Elektromotor 51 eine Antriebsachse 52 mit daran angeordneten Antriebsrädern 53 an. Der Traktionsmotor 51 kann über einen Wechselrichter 43 mit dem elektronischen Leistungssystem 40 des Brennstoffzellensystems 100 verbunden sein und stellt den elektrischen Hauptverbraucher des Systems dar. Vorhandene mechanische Teile, z.B. Getriebe oder Differential, sind nicht dargestellt.
Die elektronische Steuereinrichtung 60 steuert den Betrieb des Brennstoffzellensystems 100, insbesondere seine Anoden- und Kathodenversorgung 20, 30, sein elektrisches Leistungssystem 40 sowie den Traktionsmotor 51. Zu diesem Zweck erhält die Steuereinrichtung 60 verschiedene Eingangssignale, beispielsweise die mit dem Spannungssensor 41 erfasste Ist-Spannung U_ist der Brennstoffzelle 10, den mit dem Stromsensor 42 erfassten Ist-Strom I_ist der Brennstoffzelle 10, Informationen über die Temperatur T der Brennstoffzelle 10, die Drücke p im Anoden- und/oder Kathodenraum 12, 13, den Ladezustand SOC des Energiespeichers 44, die Drehzahl n des Traktionsmotors 51 und weitere Eingangsgrößen. Insbesondere geht als weitere Eingangsgröße eine von einem Fahrer des Fahrzeugs 200 angeforderte Fahrleistung P_W ein. Letztere Größe wird insbesondere aus der Stärke der Betätigung eines hier nicht dargestellten Fahrpedals über einen Pedalwertgeber erfasst. Ferner können angeforderte Leistungen P_aux der weiteren elektrischen Verbraucher des Fahrzeugs 200 in die Steuerungseinrichtung 60 eingehen.
In Abhängigkeit von den Eingangsgrößen, insbesondere aus der Summe der angeforderten Fahrleistung P_W und der durch die Nebenverbraucher angeforderten Leistungen P_aux, ermittelt die Steuereinrichtung 60 eine insgesamt angeforderte Leistung (Zielleistung) des Brennstoffzellenstapels 10. Hieraus ermittelt die Steuereinrichtung aus Berechnungen oder entsprechend abgespeicherten Kennfeldern die erforderlichen Massenströme oder Betriebsdrücke des Anoden- und Kathodenbetriebsmediums und steuert den Elektromotor 34 des Verdichters 33 sowie die Stellmittel 24, 26, 38 etc. des Brennstoffzellensystems 100 an. Zudem steuert die Steuereinrichtung 60 den Wechselrichter 43, um den Traktionsmotor 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 Energie zu versorgen.
3 zeigt eine typische Spannungs-Strom-Kennlinie (UI-Kennlinie) KL eines Brennstoffzellenstapels (10) für einen bestimmten Massenstrom und Betriebsdruck des Anoden- sowie des Kathodenbetriebsmediums, d.h. für eine bestimmte Stöchiometrie (Stoffmengenverhältnis) der Reaktanten. Es ist zu erkennen, dass bei gegebener Stöchiometrie die Zellspannung U mit zunehmender Stromstärke I fällt. In der Regel ist eine Vielzahl solcher UI-Kennlinien KL für verschiedene Stöchiometrien der Reaktanten in Form eines Spannungs-Strom-Kennfelds in der Steuereinrichtung 60 eines Brennstoffzellensystems 100 gespeichert. Über einen weiten Betriebsbereich des Fahrzeugs erfolgt die Stromentnahme in dem Brennstoffzellenstapel 10 stromkontrolliert, wobei die zugeführten Betriebsmedienströme gemäß einer vorgegebenen Stöchiometrie, also entlang einer solchen Kennlinie verändert werden. Durch eine zusätzliche Änderung der Stöchiometrie der zugeführten Betriebsmedien, insbesondere der Luft, kann innerhalb des Strom-Spannungs-Kennfelds – in gewissen Grenzen – jeder Betriebspunkt angefahren werden.
3 zeigt ferner eine Spannungs-Strom-Kennlinie einer degradierten Brennstoffzelle, die mit KL_d bezeichnet ist. Erkennbar führt die Degradation zu einem Abfall der Spannung U verglichen mit der UI-Kennlinie KL des nicht degradierten Systems. Sofern nun in Abhängigkeit von einer Zielleistung P_soll ein Soll-Strom I_soll vorgegeben wird, wird eine bestimmte Soll-Spannung U_soll entsprechend einem nicht degradierte System erwartet. Weist das System jedoch Degradationseffekte gemäß der Kennlinie KL_d auf, so wird bei dem Soll-Strom I_soll lediglich die geringere Ist-Spannung U_ist durch den Brennstoffzellenstapel 10 dargestellt. Dieses wird dann problematisch, wenn die Kennlinie so weit abfällt, dass eine vorbestimmte untere Grenzspannung U_min, die für bestimmte elektrische Verbraucher oder Bauteile kritisch sein kann, unterschritten wird.
3 zeigt ferner eine maximale Spannung U_max, die nicht überschritten werden soll, da oberhalb von U_max teilweise nicht reversible Degradationserscheinungen an den katalytischen Elektroden der Brennstoffzelle sowie an der Polymerelektrolytmembran auftreten. Die maximale Spannung U_max liegt beispielsweise bei 0,8V pro Einzelzelle des Brennstoffzellenstapels 10.
4 zeigt ein Fließdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems 100, insbesondere zur Stromregelung desselben.
Das Verfahren beginnt in S1 mit der Bestimmung einer Zielleistung P_soll. Die Zielleistung P_soll wird insbesondere in Abhängigkeit von der durch einen Fahrer gewünschten Fahrleistung (Traktionsleistung) P_w sowie der Leistungsanforderung P_aux weiterer elektrischer Verbraucher des Brennstoffzellensystems 100 oder anderer elektrischer Verbraucher des Fahrzeugs 200 und/oder der Lade bzw. Entladeleistung anderer Energiequellen (z.B. Kondensator oder Batterie) bestimmt. Insbesondere bestimmt sich die Zielleistung P_soll als Summe der gewünschten Fahrleistung P_w und der Leistung der zusätzlichen Verbraucher P_aux abzüglich der Leistung möglicher weiterer Energiequellen.
Anschließend wird in S2 ein Soll-Strom I_soll in Abhängigkeit von der zuvor ermittelten Zielleistung P_soll bestimmt. Hierfür wird eine Leistungs-Strom-Kennlinie (PI-Kennlinie), wie sie exemplarisch auf der rechten Seite dargestellt ist, oder ein Leistungs-Strom-Kennfeld verwendet. Weiterhin wird der Soll-Strom I_soll in Abhängigkeit von mindestens einem (weiter untern erläuterten) Korrekturwert bestimmt, welcher einem Korrekturkennfeld, insbesondere ebenfalls in Abhängigkeit von der Zielleistung P_soll, entnommen wird. Beispielsweise kann der Soll-Strom I_soll als Summe des aus der PI-Kennlinie ermittelten Stroms und dem mindestens einen Korrekturwert ∆I bestimmt werden.
Nachfolgend wird in S3 das Brennstoffzellensystem 100 so betrieben, dass ein von dem Brennstoffzellenstapel 10 erzeugter Ist-Strom I_ist im Wesentlichen dem Soll-Strom I_soll entspricht.
Anschließend wird in S4 die bei dem eingeregelten Soll-Strom I_soll von dem Brennstoffzellenstapel 10 erzeugte Ist-Spannung U_ist mittels des Spannungssensors 41 in 2 eingelesen. In der Abfrage S5 wird sodann überprüft, ob die aktuell vorliegende Ist-Spannung U_ist eine vorbestimmte untere Grenzspannung U_min unterschreitet. Sofern die Abfrage verneint wird, d.h. U_ist größer oder gleich U_min ist, wird das Verfahren in S6 beendet bzw. geht zum Startpunkt S1 zurück, um die Zielleistung erneut zu bestimmen.
Wird andererseits die Abfrage S5 bejaht, d.h. die aktuelle Ist-Spannung U_ist unterschreitet die Grenzspannung U_min, so geht das Verfahren zu S7 weiter, um eine Korrektur des Soll-Stroms I_soll vorzunehmen, so dass die untere Grenzspannung U_min nicht unterschritten wird. Wie in 3 erkennbar, wird zu diesem Zweck der Soll-Strom I_soll um einen Regelkorrekturwert ΔI_R verändert, in der Regel verringert. Entsprechend der degradierten Kennlinie KL_d liegt bei dem sich ergebenden neuen Soll-Strom I_{soll_neu} eine neue Ist-Spannung vor, die bei U_min liegt, oder höher ist.
Sofern die sich bei der neuen Sollspannung I_{soll_neu} ergebende Leistung P_neu kleiner ist als die Zielleistung P_soll, kann die fehlende Differenzleistung über die Traktionsbatterie 44 geliefert werden.
In S8 wird anschließend der aktuelle Regelkorrekturwert ΔI_R in einem Korrekturkennfeld gespeichert. Dies erfolgt vorzugsweise, indem ein zuvor gespeicherter Korrekturwert ΔI um den aktuellen Regelkorrekturwert ΔI_R korrigiert/adaptiert wird, etwa im Wege einfacher Mittelwertbildung oder Gewichtungsfunktionen. Vorzugsweise erfolgt die Speicherung des neuen Korrekturwerts ∆I mindestens in Abhängigkeit von der aktuellen Zielleistung P_soll.
In einem nachfolgenden Zyklus des Verfahrens wird der gespeicherte Korrekturwert ΔI für die Bestimmung des Soll-Stroms I_soll in S2 berücksichtigt. Demnach wird in S2 der Soll-Strom I_soll in Abhängigkeit von der aktuellen Zielleistung P_soll (aus dem Leistungsstromkennfeld) sowie in Abhängigkeit von dem für die entsprechende Zielleistung P_soll gespeicherten Korrekturwert ΔI ermittelt. Somit wird in nachfolgenden Betriebszyklen das Unterschreiten der unteren Grenzspannung U_min vermieden. Durch das Lernen des Korrekturwerts ΔI wird also erreicht, dass nicht erst ein schädigendes Ereignis eintreten muss, bevor daraufhin geregelt werden muss. Bei Veränderung des Systems wird durch das erfindungsgemäße Verfahren der Korrekturwert ΔI und somit das Korrekturkennfeld ständig adaptiert. Dabei wird sowohl eine weitere Degradation / Verschlechterung des Brennstoffzellenstapels 10 berücksichtigt, als auch heilende Regenerationsprozesse, die zu einer Verringerung des Korrekturwerts ΔI führen.
Optional kann das Korrekturfeld weitere Dimensionen aufweisen, indem der Korrekturwert ΔI nicht nur in Abhängigkeit von der Zielleistung P_soll gespeichert wird, sondern auch in Abhängigkeit von weiteren Parametern, die den Brennstoffzellenwirkungsgrad beeinflussen, insbesondere eine aktuelle und/oder historische Temperaturinformation, eine aktuelle oder historische Lastinformation und/oder eine aktuelle und/oder historische Spannungsinformation des Brennstoffzellenstapels 10. Auf diese Weise kann in nachfolgenden Betriebszyklen eine präzise Voraussage der tatsächlich vorliegenden UI-Kennlinie gemacht werden und Reglereingriffe reduziert werden. Zudem kann ein gezieltes Verlernen des Korrekturkennfeldes erzielt werden, indem bei solchen Brennstoffzellenwirkungsgrad-beeinflussenden Parametern, die üblicherweise nur zu einer reversiblen Degradation des Brennstoffzellenstapels 10 führen, die zugehörigen Korrekturwerte ∆I nur für eine vorbestimmte Anzahl nachfolgender Betriebszyklen, beispielsweise für 15 Zyklen, oder eine vorbestimmte Betriebsdauer gespeichert und danach zurückgesetzt werden. Insbesondere können unterschiedliche Korrekturwerte ∆I₁, ∆I₂, ... ∆I_n in unterschiedlichen Korrekturkennfeldern abgespeichert werden, beispielsweise einem permanenten Korrekturfeld für irreversible Degradationseffekte und in einem temporären Korrekturfeld für reversible Degradationseffekte. In diesem Fall werden in S2 zur Bestimmung des Soll-Stroms I_soll mehrere Korrekturwerte ∆I_i herangezogen.
5 verdeutlicht noch einmal die erfindungsgemäße Stromregelung. Die ermittelte Zielleistung P_soll geht als Eingangsgröße in ein Spannungs-Strom-Kennfeld, wie es beispielsweise in 3 dargestellt ist. Hieraus wird der Soll-Strom I_soll ermittelt. Ferner werden der durch den Stromsensor 42 gemessene Ist-Strom I_ist und die durch den Spannungssensor 41 gemessene Ist-Spannung U_ist in dem Stromregelung-Block eingelesen und verwendet, um einen aktuell erforderlichen Regelkorrekturwert ΔI_R zu ermitteln. Der Regel-Korrekturwert ΔI_R wird in dem Korrekturkennfeld als Korrekturwert ΔI gespeichert.
Ausgangsgröße der Regelung ist ein neuer Soll-Strom I_{soll_neu}, der in dem Additionsblock aus dem ursprünglichen Soll-Strom I_soll, dem aktuellen Regelkorrekturwert ΔI_R sowie dem gespeicherten Korrekturwert ΔI des Korrekturkennfelds gebildet wird. In Abweichung von dem in 5 gezeigten Diagramm können, wie oben bereits erläutert mehr als ein Korrekturkennfeld vorgesehen sein, die unterschiedliche Störparameter berücksichtigen, beispielsweise ein Korrekturkennfeld für temporäre Störparameter und ein weiteres für permanente Störparameter. Je präziser der Korrekturwert ΔI im Korrekturkennfeld bzw. in den Korrekturkennfeldern für die jeweilige Betriebssituation und das jeweilige Schädigungsmuster ermittelt werden kann, desto geringer fallen die aktuell erforderlichen Regeleingriffe ΔI_R aus.
Bezugszeichenliste

100: Brennstoffzellensystem
200: Fahrzeug
10: Brennstoffzellenstapel
11: Einzelzelle
12: Anodenraum
13: Kathodenraum
14: Polymerelektrolytmembran
15: Bipolarplatte
20: Anodenversorgung
21: Anodenversorgungspfad
22: Anodenabgaspfad
23: Brennstofftank
24: Stellmittel
25: Brennstoffrezirkulationsleitung
26: Stellmittel
30: Kathodenversorgung
31: Kathodenversorgungspfad
32: Kathodenabgaspfad
33: Verdichter
34: Elektromotor
35: Leistungselektronik
36: Turbine
37: Wastegate-Leitung
38: Stellmittel
39: Befeuchtermodul
40: elektrisches Leistungssystem
41: Spannungssensor
42: Stromsensor
43: Wechselrichter
44: Energiespeicher /Batterie
45: Gleichstromwandler
50: Antriebssystem
51: Traktionsmotor
52: Antriebsachse
53: Antriebsräder
60: Steuereinrichtung
KL: Spannungs-Strom-Kennlinie, UI-Kennlinie
KLd: Spannungs-Strom-Kennlinie einer degradierten Brennstoffzelle
I_ist: Ist-Strom
I_soll: Soll-Strom
U_ist: Ist-Spannung
U_soll: Soll-Spannung
U_min: untere Grenzspannung
U_max: maximale Spannung
∆I: gespeicherter Korrekturwert
∆IR: Regel-Korrekturwert
P_soll: Zielleistung
P_w: Fahrleitung, Traktionsleistung, Fahrerwunschleistung
P_aux: Leistung elektrischer Verbraucher

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 2787566 A1 [0004]

Claims

Verfahren zum Betreiben eines einen Brennstoffzellenstapel (10) umfassenden Brennstoffzellensystems (100) mit den Schritten: – Bestimmen eines Soll-Stroms (I_soll) des Brennstoffzellenstapels (10) in Abhängigkeit von einer Zielleistung (P_soll); – Betreiben des Brennstoffzellensystems (100) so, dass ein von dem Brennstoffzellenstapel (10) erzeugter Ist-Strom (I_ist) im Wesentlichen dem Soll-Strom (I_soll) entspricht; – sofern eine bei dem Soll-Strom (I_soll) von dem Brennstoffzellenstapel (10) erzeugte Ist-Spannung (U_ist) eine vorbestimmte untere Grenzspannung (U_min) unterschreitet, Korrigieren des Soll-Stroms (I_soll) so, dass die untere Grenzspannung (U_min) nicht unterschritten wird; und – Speichern eines für die Korrektur des Soll-Stroms (I_soll) angewendeten Korrekturwerts (∆I).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Korrekturwert (∆I) in einem Korrekturkennfeld in Abhängigkeit von der Zielleistung (P_soll) und/oder dem Soll-Strom (I_soll) und/oder einer Soll-Spannung gespeichert wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Korrekturwert (∆I) in einem Korrekturkennfeld in Abhängigkeit von mindestens einem weiteren, einen Brennstoffzellenwirkungsgrad beeinflussenden Parameter gespeichert wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der den Brennstoffzellenwirkungsgrad beeinflussende Parameter mindestens ein aus folgender Gruppe ausgewählter Parameter ist: eine aktuelle und/oder historische Temperaturinformation, eine aktuelle und/oder historische Lastinformation, eine aktuelle und/oder historische Spannungsinformation, ein aktueller und/oder historischer Wasserhaushalt und eine Betriebsdauer des Brennstoffzellenstapels (10).
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die aktuelle und/oder historische Temperaturinformation mindestens ein aus folgender Gruppe ausgewählter Parameter ist: eine aktuelle Temperatur; eine in einer zurückliegenden Betriebsphase vorgelegene mittlere Temperatur; eine in einer zurückliegenden Betriebsphase vorgelegene maximale und/oder minimale Temperatur; ein in einer zurückliegenden Betriebsphase vorgelegener maximaler und/oder minimaler Temperaturgradient; eine in einer zurückliegenden Betriebsphase vorgelegene integrale Temperaturbeanspruchung; eine Häufigkeit, mit der in einer zurückliegenden Betriebsphase eine vorbestimmte obere Temperaturschwelle überschritten und/oder eine vorbestimmte untere Temperaturschwelle unterschritten wurde; und eine Häufigkeit, mit der in einer zurückliegenden Betriebsphase eine vorbestimmte obere Temperaturgradientschwelle überschritten wurde.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Korrekturwert (∆I) in einem temporären Speichermodus für eine vorbestimmte Anzahl von Betriebszyklen oder für eine vorbestimmte Betriebsdauer oder für die Dauer des Vorliegens einer vorbestimmten Betriebssituation gespeichert wird oder in einem permanenten Speichermodus dauerhaft gespeichert wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der temporäre oder permanente Speichermodus in Abhängigkeit von der Ursache der Unterschreitung der unteren Grenzspannung (U_min) gewählt wird, wobei im Falle einer eine irreversible Wirkungsgradminderung verursachenden Ursache eine permanente Speicherung gewählt und bei einer eine irreversible Wirkungsgradminderung verursachende Ursache die Speicherung für eine vorbestimmte Anzahl von Betriebszyklen und/oder für eine vorbestimmte Betriebsdauer erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die vorbestimmte untere Grenzspannung (U_min) mindestens einer minimalen Spannung entspricht, mit der elektrische Komponenten sicher betrieben werden können, welche an einem elektrischen Anschluss des Brennstoffzellenstapels (10) angeschlossen sind (inkl. Brennstoffzellenstapel selbst).
Brennstoffzellensystem (10), umfassend einen Brennstoffzellenstapel (10) und eine Steuereinrichtung (60), die eingerichtet ist, das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8 auszuführen.
Fahrzeug (200) mit einem Brennstoffzellensystem (100) gemäß Anspruch 9.