DE102015215927A1

DE102015215927A1 - Brennstoffzellensystem sowie Verfahren zum Betreiben eines solchen

Info

Publication number: DE102015215927A1
Application number: DE102015215927.2A
Authority: DE
Inventors: Matthias Rothschuh
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Audi AG; Volkswagen AG
Priority date: 2015-08-20
Filing date: 2015-08-20
Publication date: 2017-02-23
Also published as: US10290887B2; US20170054166A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem (100), umfassend
– eine Brennstoffzelle (10) mit einem Kathodeneingang (25) und einem Kathodenausgang (27),
– einen stromauf des Kathodeneingangs (25) angeordneten und damit verbundenen Kathodenversorgungspfad (24),
– einen stromab des Kathodenausgangs (27) angeordneten und damit verbundenen Kathodenabgaspfad (26),
– ein im Kathodenversorgungspfad (24) angeordnetes Fördermittel (32) zur Förderung eines Kathodengasstroms (GS_K) in den Kathodeneingang (25) und/oder ein im Kathodenabgaspfad (26) angeordnetes, verstellbares Abgas-Drosselmittel (36) zur Beeinflussung eines Strömungswiderstands des Kathodenabgaspfads (26), und
– eine Regeleinrichtung (46), eingerichtet zur Regelung des Kathodengasstroms (GS_K) und/oder eines Kathodendrucks (p_K).
Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren (999) zum Betreiben eines solchen Brennstoffzellensystems (100).

Description

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem, umfassend eine Brennstoffzelle mit einem Kathodeneingang und einem Kathodenausgang, einen stromauf des Kathodeneingangs angeordneten und damit verbundenen Kathodenversorgungspfad, einen stromab des Kathodenausgangs angeordneten und damit verbundenen Kathodenabgaspfad, ein im Kathodenversorgungspfad angeordnetes Fördermittel zur Förderung eines Kathodengasstroms in den Kathodeneingang und/oder ein im Kathodenabgaspfad angeordnetes, verstellbares Abgas-Drosselmittel zur Beeinflussung eines Strömungswiderstands des Kathodenabgaspfads, und eine Regeleinrichtung, eingerichtet zur Regelung des Kathodengasstroms und/oder eines Kathodendrucks. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Brennstoffzellensystems.
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 Flussfeld- oder Separatorplatten 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 (H₂2H⁺ + 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).
Um einen Brennstoffzellenstapel mit seinen Betriebsmedien, also den Reaktanten zu versorgen, weist dieser einerseits eine Anodenversorgung und andererseits eine Kathodenversorgung auf. Die Anodenversorgung umfasst einen Anodenversorgungspfad zur Zuführung eines Anodenbetriebsgases in die Anodenräume und einen Anodenabgaspfad zur Abführung eines Anodenabgases aus den Anodenräumen. Desgleichen umfasst die Kathodenversorgung einen Kathodenversorgungspfad zur Zuführung eines Kathodenbetriebsgases in die Kathodenräume und einen Kathodenabgaspfad zur Abführung eines Kathodenabgases aus den Kathodenräumen des Brennstoffzellenstapels.
Zum Betrieb eines Brennstoffzellenstapels ist eine Reihe von Peripheriekomponenten (Nebenaggregaten) notwendig. Zu nennen sind hier unter anderem Luftfördermittel zum Fördern eines Kathodengasstroms in die Kathode (zum Beispiel einen Luftverdichter), Rezirkulationsgebläse, Kühlwasserpumpe, Drosselmittel zur Beeinflussung von Strömungswiderständen (zum Beispiel Ventile), Sensoren etc. Die Leistungsaufnahme dieser Komponenten wird als parasitärer Verbrauch bezeichnet, da diese Energie zwar durch den Brennstoffzellenstapel bereitgestellt werden muss, jedoch nicht für externe Verbraucher zur Verfügung steht. Da sich der für externe Verbraucher zur Verfügung stehende Strom um den parasitären Strom reduziert, liegt der Gesamtwirkungsgrad des Brennstoffzellensystems η_Sys stets unterhalb des Wirkungsgrads des Brennstoffzellenstapels η_FC.
Beim Betrieb einer Brennstoffzelle erfolgt eine lastabhängige Regelung eines Luftverhältnisses Lambda (auch Kathodenlambda genannt), welches mit einem (Luft-)Massenstrom in die Kathode (auch Kathodenmassenstrom genannt) korreliert, und eines Ladedrucks einer Brennstoffzelle (auch Kathodendruck genannt). Der Ladedruck ist dabei jener Druck, mit welchem der Luftverdichter das Kathodenbetriebsgas der Kathode zuführt.
DE 11 2005 000 767 T5 beschreibt ein weiteres Brennstoffzellensystem mit einem stromauf der Kathode angeordneten Luftverdichter, welcher von einem Motor angetrieben wird, sodass die Luft entsprechend der Drehzahl des Motors eingeleitet wird. Ferner umfasst das Brennstoffzellensystem ein stromab der Kathode angeordnetes Druckregelventil, welches so gesteuert wird, dass der Druck der Luft angepasst wird, die dem Brennstoffzellenstapel zuzuführen ist. Ferner weist das Brennstoffzellensystem ein Umwälzventil auf, welches eine Verbindung von Kathodenleitungen stromauf des Luftverdichters und stromab des Druckregelventils herstellt. Über das Umwälzventil wird eine Menge der dem Brennstoffzellenstapel zugeführten befeuchteten Luft gesteuert. Wenn während des Betriebs des Brennstoffzellensystems festgestellt wird, dass die Stromerzeugungsmenge des Brennstoffzellenstapels erhöht worden ist, wird die Luftzufuhrmenge mittels Erhöhung der Drehzahl des Motors des Luftverdichters erhöht. Durch die Erhöhung der Drehzahl erhöht sich die Durchflussmenge der zugeführten Luft, und es nehmen auch die Drücke innerhalb des Brennstoffzellenstapels zu. Ein Drucksensor erfasst diesen erhöhten Druck. Darauf basierend erfolgt eine Steuerung zur Verringerung des Druckes, indem ein Öffnungsgrad des Druckregelventils erhöht wird, um den Druck innerhalb des Brennstoffzellenstapels konstant zu halten. Wenn festgestellt wird, dass während des Betriebs des Brennstoffzellensystems der vom Brennstoffzellenstapel erzeugte elektrische Strom verringert worden ist, wird die Drehzahl des Motors des Luftverdichters verringert. Mit abnehmender Drehzahl des Luftverdichters nimmt der Druck ab. Auf Basis des Druckwerts des Drucksensors wird die Steuerung zur Erhöhung des Druckwerts ausgeführt.
Arendt, M; Regelungstechnische Optimierung der Steuerung eines Brennstoffzellensystems im dynamischen Betrieb, Dissertation, Logos Verlag Berlin, 2012 offenbart ein Brennstoffzellensystem mit einem Brennstoffzellenstapel. Ferner umfasst das Brennstoffzellensystem einen Kathodenversorgungspfad und einen Kathodenabgaspfad. Der Kathodenversorgungspfad weist einen elektrischen Verdichter, einen stromauf des Verdichters angeordneten Massenstromsensor und einen Drucksensor an einem Eintritt des Brennstoffzellenstapels auf. Der Kathodenabgaspfad, also eine Abgasstrecke des Brennstoffzellensystems, weist ein verstellbares Drosselelement (eine Drosselklappe) auf. Ferner weist das Brennstoffzellensystem einen Wastepfad (auch Wastestrecke genannt) auf. Der Wastepfad verbindet den Kathodenversorgungspfad stromab des Fördermittels mit dem Kathodenabgaspfad stromab des Abgas-Drosselmittels und weist ein weiteres verstellbares Drosselelement (eine Wasteklappe) auf. Ferner weist der Wastepfad einen Massenstromsensor auf. Zur Regelung eines Luftmassenstroms durch den Brennstoffzellenstapel und eines Luftmassenstroms durch den Verdichter (Regelgrößen) dienen als Stellgrößen eine Öffnung des Drosselelements im Wastepfad und eine Drehzahl des Fördermittels (Luftverdichters). Zur Regelung des Luftdrucks am Kathodeneintritt (also des Kathodendrucks) wird vorgeschlagen, als Stellgröße eine Öffnung des Drosselelements im Kathodenabgaspfad zu verwenden.
Einen ähnlichen Systemaufbau offenbart DE 10 2008 039 407 A1 . Ihr Brennstoffzellensystem unterscheidet sich vom oben stehenden Brennstoffzellensystem darin, dass das Brennstoffzellensystem einen Verdichterbypass aufweist, welcher im Kathodenversorgungspfad stromab des elektrisch betreibbaren Verdichters abzweigt und stromauf des Verdichters in den Kathodenversorgungspfad (in eine Verdichteransaugung) mündet. Der Verdichterbypass führt somit nicht in die Umgebung. Auch im Verdichterbypass kann ein Massenstromsensor vorhanden sein. Ferner weist der Verdichterbypass ein Ventilelement auf. Zur Einstellung der Luftmenge dienen als Stellgrößen eine Öffnung des Ventilelements im Verdichterbypass und eine Drehzahl des elektrisch betreibbaren Verdichters. Um ein Druckniveau im System variieren zu können, ist auch hier eine Drosselklappe im Kathodenabgaspfad vorgesehen. Auf diese Weise kann das Druckniveau in der Brennstoffzelle durch Änderung eines Strömungswiderstandes mithilfe der Drosselklappe zusätzlich beeinflusst werden.
Sollwerte für den Ladedruck und das Kathodenlambda (also den Kathodenmassenstrom) werden im Allgemeinen lastabhängig, also abhängig von einer Last der Brennstoffzelle, vorgegeben. Die Sollwerte können zum Beispiel aus Kennlinien bestimmt werden. Typischerweise steigen jedoch der Kathodendruck und –massenstrom mit zunehmender Lastanforderung an. Dabei ist ein Sollladedruck an einen Anodendruck (innerhalb der Anode der Brennstoffzelle) gekoppelt. Der Anodendruck kann üblicherweise aufgrund einer hohen Dynamik eines entsprechenden Bauteils dynamisch eingeregelt werden.
In niedrigen Lastbereichen oder im transienten Betrieb, zum Beispiel abwärtstransient aufgrund der Kopplung von Anoden- und Kathodendruck, kann es vorkommen, dass die Systemkennlinie der Brennstoffzelle außerhalb oder in der Nähe einer Pumpgrenze des Verdichters liegt. Dies ist insbesondere bei Turboverdichtern von Bedeutung. Bei Überschreiten der Pumpgrenze kann ein Verdichterpumpen eintreten, welches eine Beschädigung des Verdichters verursachen kann, und dementsprechend zu vermeiden ist. In kritischen Betriebszuständen wird daher der (Soll-)Luftmassenstrom durch den Verdichter erhöht und dadurch der Betriebspunkt des Verdichters in stabile Bereiche verschoben. Um eine Sollwertabfolge zu gewährleisten (zum Beispiel wegen eines Feuchtemanagements im Stapel etc.), wird der zusätzliche Luftmassenstrom je nach Brennstoffzellensystem über den Wastepfad in den Kathodenabgaspfad oder über den Bypasspfad in die Verdichteransaugung abgeblasen.
Ein transienter Betrieb bezeichnet dabei eine Änderung des Betriebspunktes des Brennstoffzellensystems. Ein aufwärtstransienter Betrieb bezeichnet somit eine Erhöhung einer Lastanforderung an die Brennstoffzelle und eine einhergehende Steigerung des Kathodenmassenstroms und des Kathodendrucks. Ein abwärtstransienter Betrieb bezeichnet entsprechend eine Verringerung einer Lastanforderung an die Brennstoffzelle und eine einhergehende Verringerung des Kathodenmassenstroms und des Kathodendrucks.
Aus dem bekannten Stand der Technik ergeben sich nun zahlreiche Nachteile. Der elektrische Verdichter stellt innerhalb eines Brennstoffzellensystems üblicherweise den größten Nebenverbraucher dar, weshalb es sich anbietet, die Leistungsaufnahme des elektrischen Verdichters zu minimieren. Die Leistungsaufnahme kann reduziert werden, indem ein möglichst geringer Massenstrom über den Wastepfad abgeführt wird. Dies muss bei gleichzeitiger Einhaltung eines vorgegebenen Kathodenmassenstroms und Kathodendrucks erfolgen, um einen guten Stapelwirkungsgrad sowie eine ausreichende Lebensdauer (Stichwort Feuchtemanagement), beziehungsweise nur geringe Degradation der Brennstoffzelle sicherzustellen.
Eine Regelung mit der oben stehenden Zuordnung der Stellgrößen zu den Regelgrößen neigt dazu, instabil zu werden, da kleine Änderungen der Drehzahl des Verdichters im betrachteten Betriebsbereich große Massenstromänderungen bewirken.
Ferner kommen als Luftmassenmesser üblicherweise Heißfilmluftmassenmesser (HFM) zum Einsatz. Bei einer oben beschriebenen Verwendung der Verdichterdrehzahl als Stellgröße zur Regelung des Kathodenmassenstroms führt ein Messrauschen des Heißfilmluftmassenmessers zu einem Schwingen der Stromaufnahme des Verdichters. Dies wiederum führt zu Problemen bei der Leistungselektronik des Verdichters.
Ferner ist bekannt, dass sich bei manchen Verdichtern bei einem konstanten Druckverhältnis und einer konstanter Drehzahl des Verdichters zwei mögliche Massenströme unterschiedlicher Größe durch den Verdichter einstellen können. Dies führt dazu, dass es keine eindeutige Möglichkeit gibt, den Massenstrom in Abhängigkeit der Turboladerdrehzahl und des Druckverhältnisses (gebildet aus Verdichtereingangs- und Verdichterausgangsdruck) einzuregeln.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Brennstoffzellensystem und ein Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzelle vorzuschlagen, welches wenigstens einen Nachteil des Stands der Technik behebt.
Diese Aufgabe wird durch ein Brennstoffzellensystem und ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst.
Das Brennstoffzellensystem gemäß der Erfindung umfasst

– eine Brennstoffzelle mit einem Kathodeneingang und einem Kathodenausgang,
– einen stromauf des Kathodeneingangs angeordneten und damit verbundenen Kathodenversorgungspfad,
– einen stromab des Kathodenausgangs angeordneten und damit verbundenen Kathodenabgaspfad,
– ein im Kathodenversorgungspfad angeordnetes Fördermittel zur Förderung eines Kathodengasstroms in den Kathodeneingang und/oder ein im Kathodenabgaspfad angeordnetes, verstellbares Abgas-Drosselmittel zur Beeinflussung eines Strömungswiderstands des Kathodenabgaspfads, und
– eine Regeleinrichtung, eingerichtet zur Regelung eines Kathodengasstroms und/oder eines Kathodendrucks.

Kennzeichnend ist vorgesehen, dass die Regeleinrichtung dazu eingerichtet ist, dass wenigstens bei einem stationären und/oder aufwärtstransienten Betrieb der Brennstoffzelle

– eine Stellung des Abgas-Drosselmittels eine Stellgröße der Regeleinrichtung bei der Regelung des Kathodengasstroms ist; und/oder
– eine Drehzahl des Fördermittels eine Stellgröße der Regeleinrichtung bei der Regelung des Kathodendrucks ist.

Der Erfindung liegt eine bei einer Systemanalyse eines Brennstoffzellensystems gefundene Erkenntnis zugrunde, wonach für ein gegebenes Brennstoffzellensystem (ein gegebenes Systemlayout) eine Wechselwirkung zwischen dem Kathodengasstrom und dem Abgas-Drosselmittel sowie zwischen dem Kathodendruck und der Drehzahl des Fördermittels am stärksten ist. Durch ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem wird somit eine besonders robuste Regelung des Kathodengasstroms und/oder des Kathodendrucks erreicht.
Dadurch kann zumindest im stationären und/oder aufwärtstransienten Betrieb des Brennstoffzellensystems eine verglichen mit der Drehzahl des Fördermittels relativ hohe Dynamik einer Verstellung des Abgas-Drosselmittels genutzt werden, ohne eine Pumpgrenze des Fördermittels zu überschreiten.
Verglichen mit dem Stand der Technik ist die Regelung nun deutlich stabiler, da besonders bei kleinen Druckverhältnissen (gebildet aus dem Verhältnis eines Verdichterausgangsdrucks zu einem Verdichtereingangsdruck) kleine Änderungen der Drehzahl des Fördermittels nur geringe Änderungen des Druckverhältnisses bewirken.
Ein bevorzugter Drucksensor, welcher insbesondere zwischen dem Fördermittel und dem Kathodeneingang im Kathodenversorgungspfad (vorzugsweise am Kathodeneingang) angeordnet ist, weist üblicherweise ein geringeres Messrauschen als Heißfilmmassenmesser auf. Somit können Schwingungen in der Stromaufnahme des Verdichters im stationären Betrieb verringert werden. Dadurch kann eine aufwendige Signalfilterung entfallen, woraus eine Vereinfachung und Verbesserung der Dynamik erfolgt. Außerdem sind eine Verwendung einfacher PID-Standardregler (Proportional-Integral-Differential-Regler) und eine Vereinfachung einer Vorsteuerung möglich, sowie eine höhere Reglerverstärkung erzielbar.
Ferner kann bei einem vorbestimmten Massenstrom durch den Verdichter das Druckverhältnis nun eindeutig über die Drehzahl des Fördermittels eingestellt werden.
Die Brennstoffzelle umfasst insbesondere mindestens eine Einzelzelle, welche einen Anodenraum und einen Kathodenraum aufweist. Der Anodenraum und der Kathodenraum sind vorzugsweise mittels einer Membran (insbesondere eine Polymer-Elektrolyt-Membran, kurz PEM) voneinander getrennt. Bevorzugt ist die Brennstoffzelle ein Brennstoffzellenstapel. Derartige Brennstoffzellenstapel umfassen eine Vielzahl an Einzelzellen.
Typischerweise stellt der Kathodeneingang eine Verbindung eines Kathodenraums der Brennstoffzelle mit stromauf angeordneten Komponenten des Kathodenversorgungspfads her. Der Kathodenausgang stellt typischerweise eine Verbindung eines Kathodenraums der Brennstoffzelle mit stromab angeordneten Komponenten eines Kathodenabgaspfads (einer Kathodenabgasanlage) des Brennstoffzellensystems her.
Der Kathodenversorgungspfad und der Kathodenabgaspfad können als Leitungen, zum Beispiel Rohre oder Schläuche, ausgeführt sein. Der Kathodenversorgungspfad ist typischerweise strömungstechnisch (fluidleitend) mit dem Kathodeneingang verbunden, während der Kathodenabgaspfad typischerweise strömungstechnisch mit dem Kathodenausgang verbunden ist.
Das Fördermittel zur Förderung des Kathodengasstroms in den Kathodeneingang ist insbesondere ein Verdichter, bevorzugt ein Turboverdichter. Der Turboverdichter kann Teil eines Turboladers sein. Ferner kann im Kathodenabgaspfad eine Turbine, insbesondere eine variable Turbine mit einer variablen Turbinengeometrie (VTG) vorgesehen sein, welche insbesondere Teil des Turboladers ist. Bevorzugt ist das Fördermittel elektrisch angetrieben, wodurch die Drehzahl des Fördermittels leicht eingestellt werden kann.
Die Regeleinrichtung umfasst insbesondere wenigstens einen Regler. Ferner kann die Regeleinrichtung auch je einen Regler zur Regelung des Kathodengasstroms und des Kathodendrucks umfassen. Die Regeleinrichtung ist insbesondere für eine Regelungsaufgabe mit einem Mehrgrößensystem (MIMO – Multiple Input, Multiple Output) mit starken Kopplungen untereinander ausgebildet.
Gemäß dem erfindungsgemäßem System ist mit anderen Worten wenigstens bei einem stationären und/oder aufwärtstransienten Betrieb der Brennstoffzelle das Abgas-Drosselmittel ein Stellglied der Regeleinrichtung bei der Regelung eines Kathodengasstroms und/oder das Fördermittel ein Stellglied der Regeleinrichtung bei der Regelung des Kathodendrucks.
Ein transienter Betrieb bezeichnet dabei eine Änderung des Betriebspunktes der Brennstoffzelle und somit des Brennstoffzellensystems. Ein aufwärtstransienter Betrieb bezeichnet also eine Erhöhung einer Lastanforderung an die Brennstoffzelle (oder einer Last der Brennstoffzelle) und insbesondere eine einhergehende Steigerung des Kathodengasstroms und des Kathodendrucks. Ein abwärtstransienter Betrieb bezeichnet somit eine Verringerung einer Lastanforderung an die Brennstoffzelle und insbesondere eine einhergehende Verringerung des Kathodengasstroms und des Kathodendrucks. Ein stationärer Betrieb bezeichnet eine gleichbleibende Lastanforderung an die Brennstoffzelle.
Der Kathodengasstrom kann ein Kathodengasvolumenstrom (insbesondere ein Kathodenluftvolumenstrom, also ein Luftvolumenstrom) und/oder ein Kathodengasmassenstrom (insbesondere ein Kathodenluftmassenstrom, also ein Luftmassenstrom) sein.
Gemäß der Erfindung wird somit im stationären oder aufwärtstransienten Betrieb die Stellung des Abgas-Drosselmittels als eine Stellgröße für die Regelung des Kathodengasstroms (welcher eine Sollgröße darstellt) und/oder die Drehzahl des Fördermittels als eine Stellgröße für die Regelung des Kathodendrucks (welcher eine weitere Sollgröße darstellt) zugeordnet.
Diese Zuordnung der Stellgrößen zur Regelung des Kathodengasstroms oder des Kathodendrucks kann auch für einen abwärtstransienten Betrieb dienen. Bevorzugt ist jedoch vorgesehen, dass die Regeleinrichtung dazu eingerichtet ist, dass bei einem abwärtstransienten Betrieb der Brennstoffzelle

– die Drehzahl des Fördermittels eine Stellgröße der Regeleinrichtung bei der Regelung des Kathodengasstroms ist; und/oder
– die Stellung des Abgas-Drosselmittels eine Stellgröße der Regeleinrichtung bei der Regelung des Kathodendrucks ist.

Somit ist mit anderen Worten bei einem abwärtstransienten Betrieb der Brennstoffzelle das Fördermittel ein Stellglied der Regeleinrichtung bei Regelung eines Kathodengasstroms und/oder das Abgas-Drosselmittel ein Stellglied der Regeleinrichtung bei der Regelung des Kathodendrucks. Durch diese Zuordnung ergeben sich im abwärtstransienten Betrieb Vorteile durch die Ausnutzung von Vorteilen der jeweiligen Systemkomponente (Fördermittel und Abgas-Drosselmittel). Die Vorteile ergeben sich insbesondere aus der relativ hohen Dynamik des Abgas-Drosselmittels im Vergleich zum Fördermittel. Folglich wird im abwärtstransienten Betrieb die Drehzahl des Fördermittels als Stellgröße für die Regelung des Kathodengasstroms (welcher eine Sollgröße darstellt) und/oder die Stellung des Abgas-Drosselmittels als Stellgröße für die Regelung des Kathodendrucks (welcher eine weitere Sollgröße darstellt) zugeordnet.
Eine Unterscheidung des Lastfalles (stationär, aufwärtstransient oder abwärtstransient) wird bevorzugt über eine Logik überprüft, welche in einer Steuerung des Brennstoffzellensystems integriert sein kann. Grenzwerte, bei deren Überschreitung ein aufwärtstransienter oder abwärtstransienter Betrieb anstatt eines stationären Betriebs vorliegt, sind insbesondere in einem Speicher der Steuerung hinterlegt.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass das Brennstoffzellensystem einen Wastepfad aufweist, welcher den Kathodenversorgungspfad stromab des Fördermittels mit dem Kathodenabgaspfad stromab des Abgas-Drosselmittels verbindet und ein verstellbares Waste-Drosselmittel zur Beeinflussung eines Strömungswiderstands des Wastepfades aufweist. Die Regeleinrichtung ist vorzugsweise dazu eingerichtet, dass eine Stellung des Waste-Drosselmittels eine weitere Stellgröße der Regeleinrichtung bei der Regelung des Kathodengasstroms ist. Zudem oder alternativ kann vorgesehen sein, dass das Brennstoffzellensystem einen Bypasspfad aufweist, welcher den Kathodenversorgungspfad stromab des Fördermittels mit dem Kathodenversorgungspfad stromauf des Fördermittels verbindet und ein verstellbares Bypass-Drosselmittel zur Beeinflussung eines Strömungswiderstands des Bypasspfades aufweist. Vorzugsweise ist die Regeleinrichtung dazu eingerichtet, dass eine Stellung des Bypass-Drosselmittels eine weitere Stellgröße der Regeleinrichtung bei der Regelung des Kathodengasstroms ist. Mit anderen Worten ist das Waste-Drosselmittel und/oder das Bypass-Drosselmittel jeweils ein weiteres Stellglied bei der Regelung des Kathodengasstroms. Somit dienen die Stellung des Waste-Drosselmittels und/oder die Stellung des Bypass-Drosselmittels als jeweils eine weitere Stellgröße der Regeleinrichtung zur Regelung des Kathodengasstroms. Dadurch kann das Fördermittel zur Erzielung eines vorbestimmten Druckverhältnisses mit einem höheren Gasstrom durch das Fördermittel (Durchsatz) betrieben werden, ohne dass dadurch der Kathodengasstrom ansteigt. Dies ist möglich, da jener Teil des Gasstroms durch das Fördermittel, welches nicht in die Brennstoffzelle geleitet wird, durch den Wastepfad oder den Bypasspfad strömt. Somit wird trotz eines erhöhten Gasstroms durch das Fördermittel einer Austrocknung der Brennstoffzelle vorgebeugt. Im aufwärtstransienten, abwärtstransienten und/oder stationären Betrieb sind die Stellung des Waste-Drosselmittels und/oder des Bypass-Drosselmittels als je eine weitere Stellgröße für die Regelung des Kathodengasstroms (welcher eine Sollgröße darstellt) zugeordnet. Abhängig von der Regelung des Kathodengasstroms ergibt sich somit für die Regelung eines Wastegasstroms (als Sollgröße) durch den Wastepfad die Stellung des Waste-Drosselmittels als Stellgröße. Gleichlautend ergibt sich abhängig von der Regelung des Kathodengasstroms somit für die Regelung eines Bypassgasstroms (als Sollgröße) durch den Bypasspfad die Stellung des Bypass-Drosselmittels als Stellgröße.
Das Abgas-, Waste-, und/oder Bypass-Drosselmittel ist insbesondere eine Drosselklappe oder ein Ventil, wodurch die Beeinflussung des Strömungswiderstands des jeweiligen Pfads leicht möglich ist. Die Stellung eines Drosselmittels kann somit ein Öffnungswinkel der jeweiligen Drosselklappe sein.
Insbesondere umfasst das Brennstoffzellensystem einen Ladeluftkühler, einen Befeuchter, einen Feuchteübertrager, eine Befeuchterbypassklappe, insbesondere mit einem verstellbaren Drosselelement (Bypassklappe) und/oder einen Sensor zur Messung der Feuchte am Kathodeneingang (Stapeleintritt).
Ferner wird ein Fahrzeug mit einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem zur Verfügung gestellt. Das Fahrzeug zeichnet sich wie auch das Brennstoffzellensystem durch eine erhöhte Lebensdauer aus.
Zudem wird ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems zur Verfügung gestellt, wobei das Brennstoffzellensystem umfasst:

– eine Brennstoffzelle mit einem Kathodeneingang und einem Kathodenausgang,
– einen stromauf des Kathodeneingangs angeordneten und damit verbundenen Kathodenversorgungspfad,
– einen stromab des Kathodenausgangs angeordneten und damit verbundenen Kathodenabgaspfad,
– ein im Kathodenversorgungspfad angeordnetes Fördermittel zur Förderung eines Kathodengasstroms in den Kathodeneingang und/oder ein im Kathodenabgaspfad angeordnetes, verstellbares Abgas-Drosselmittel zur Beeinflussung eines Strömungswiderstands des Kathodenabgaspfads, und
– eine Regeleinrichtung, eingerichtet zur Regelung des Kathodengasstroms und/oder eines Kathodendrucks, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren wenigstens bei einem stationären und/oder aufwärtstransienten Betrieb der Brennstoffzelle folgende Schritte umfasst:
– Regeln eines Kathodengasstroms mittels Veränderns einer Stellung des Abgas-Drosselmittels und/oder
– Regeln eines Kathodendrucks mittels Veränderns einer Drehzahl des Fördermittels.

Dadurch, dass die Stellung des Abgas-Drosselmittels verändert wird, verändert sich der Strömungswiderstand im Kathodenabgaspfad. Ein Verkleinern eines Strömungswiderstands in einem Pfad (Abgas-, Waste- und/oder Bypasspfad) kann insbesondere bewirkt werden, indem ein Strömungsquerschnitt im Pfad vergrößert wird. Dies wiederum kann durch ein Öffnen des Drosselmittels (zum Beispiel eine Drosselklappe) erfolgen. Umgekehrt wird eine Vergrößerung des Strömungswiderstands insbesondere dadurch bewirkt, dass der Strömungsquerschnitt mittels Schließens des Drosselmittels verkleinert wird.
Vorzugsweise ist zur Realisierung eines Regelkreises vorgesehen, dass das Regeln des Kathodengasstroms einen Schritt des Ermittelns eines momentanen Kathodengasstroms umfasst und das Regeln des Kathodengasstroms in Abhängigkeit des ermittelten Kathodengasstroms erfolgt. Insbesondere erfolgt das Regeln in Abhängigkeit des ermittelten, momentanen Kathodengasstroms und eines Soll-Kathodengasstroms. Das Regeln kann dann in Abhängigkeit einer Differenz der beiden Kathodengasströme erfolgen. Das Ermitteln des Kathodengasstroms kann insbesondere mit einem Luftmassenmesser erfolgen, welcher vorzugsweise stromauf des Fördermittels angeordnet ist.
Ferner bevorzugt ist zur Realisierung eines Regelkreises vorgesehen, dass das Regeln des Kathodendrucks einen Schritt des Ermittelns eines momentanen Kathodendrucks umfasst und das Regeln des Kathodendrucks in Abhängigkeit des ermittelten Kathodendrucks erfolgt. Insbesondere erfolgt das Regeln in Abhängigkeit des ermittelten momentanen Kathodendrucks und eines Soll-Kathodendrucks. Das Regeln kann dann in Abhängigkeit einer Differenz der beiden Kathodendrücke erfolgen. Das Ermitteln des Kathodendrucks kann insbesondere mit einem Drucksensor erfolgen, welcher vorzugsweise zwischen dem Fördermittel und dem Kathodeneingang, besonders bevorzugt am Kathodeneingang angeordnet ist.
Bevorzugt erfolgt eine Umgebungstemperatur- und/oder Umgebungsdruckkompensation der genannten Sollwerte. Somit werden Einflüsse der Umgebungstemperatur und/oder des Umgebungsdrucks auf den Kathodengasstrom und/oder den Kathodendruck ausgeglichen.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass bei dem aufwärtstransienten Betrieb der Brennstoffzelle eine Erhöhung des Kathodengasstroms erfolgt. Dadurch steht für eine Brennstoffzellenreaktion mehr Sauerstoff zur Verfügung. Insbesondere umfasst das Verfahren zur Erhöhung des Kathodengasstroms einen Schritt des zumindest zeitweisen Verkleinerns des Strömungswiderstands des Kathodenabgaspfads mittels Veränderns der Stellung des Abgas-Drosselmittels. Somit wird das Abgas-Drosselmittel insbesondere geöffnet, um einen Strömungsquerschnitt zu vergrößern. Durch die erfindungsgemäße Zuordnung der Stellung des Abgas-Drosselmittels als Stellgröße zur Regelung des Kathodengasstroms wird nun der Strömungswiderstand verkleinert, um den Kathodengasstrom zu erhöhen. Dadurch, dass die Stellung des Abgas-Drosselmittels verglichen mit der Drehzahl des Fördermittels relativ schnell verändert werden kann, steigt der Gasstrom auch relativ schnell an, sodass sich ein momentaner Betriebspunkt von der Pumpgrenze entfernt.
Ferner bevorzugt ist vorgesehen, dass bei dem aufwärtstransienten Betrieb der Brennstoffzelle eine Erhöhung des Kathodendrucks erfolgt. Dadurch kann auch ein Anodendruck höher gewählt, also der Anodenraum mit mehr Anodengas beaufschlagt werden, ohne dass eine maximal zulässige Druckdifferenz zwischen beiden Seiten einer Membran der Brennstoffzelle überschritten wird. Insbesondere weist das Verfahren zur Erhöhung des Kathodendrucks einen Schritt des Erhöhens der Drehzahl des Fördermittels auf. Durch das Erhöhen der Drehzahl steigen der Ladedruck des Fördermittels und somit auch der Kathodendruck. Dadurch, dass die Drehzahl des Fördermittels verglichen mit der Stellung des Abgas-Drosselmittels relativ träge ist, wird ein derart schneller Druckanstieg, dass eine Pumpgrenze überschritten wird, vermieden.
Besonders vorteilhaft ist dies, wenn bei einem aufwärtstransienten Betrieb gleichzeitig der Kathodengasstrom und auch der Kathodendruck erhöht werden sollen und somit gleichzeitig der Strömungswiderstand reduziert und die Drehzahl erhöht werden. Da das Abgas-Drosselmittel dynamischer reagiert als das Fördermittel, steigt der Kathodengasstrom schneller als der Kathodendruck. Da das Abgas-Drosselmittel also bereits geöffnet ist, wenn das Fördermittel noch beschleunigt, wird die Gefahr des Verdichterpumpens unterbunden. Ferner wird das Erhöhen der Drehzahl des Fördermittels auf eine Solldrehzahl durch den verringerten Strömungswiderstand beschleunigt. Ferner bevorzugt kann vorgesehen sein, dass der Strömungswiderstand bereits reduziert wird, bevor die Drehzahl erhöht wird, sodass ein Anstieg des Kathodendrucks bevor der Kathodengasstrom ansteigt unterbunden wird.
Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass der Schritt des zumindest zeitweisen Verkleinerns des Strömungswiderstands des Kathodenabgaspfads zu Beginn einer Zeitspanne des Schritts des Erhöhens der Drehzahl des Fördermittels erfolgt. Somit wird bereits zu Beginn des Erhöhens der Drehzahl des Fördermittels der Kathodengasstrom erhöht. Dadurch kann ein Betriebspunkt bei niedriger Last, welcher einen Start-Betriebspunkt des aufwärtstransienten Betriebs darstellt, nahe an die Pumpgrenze gelegt werden, ohne dass eine Gefahr des Überschreitens der Pumpgrenze besteht. Es wird somit ein verbesserter Wirkungsgrad des Brennstoffzellensystems ermöglicht, da ein Wirkungsgrad des Fördermittels 32 üblicherweise im Bereich der Pumpgrenze PG maximal ist.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Verfahren nach dem Schritt des zumindest zeitweisen Verkleinerns des Strömungswiderstands des Kathodenabgaspfads mittels Veränderns der Stellung des Abgas-Drosselmittels einen Schritt des Vergrößerns des Strömungswiderstands des Kathodenabgaspfads mittels Veränderns der Stellung des Abgas-Drosselmittels aufweist. Somit wird das Abgas-Drosselmittel zumindest teilweise geschlossen. Dadurch kann, nachdem das Fördermittel seine Solldrehzahl erreicht hat, insbesondere schon während des Erhöhens der Drehzahl, der Kathodengasstrom auf einen (maximalen) Sollwert begrenzt werden.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass das Verfahren bei einem abwärtstransienten Betrieb folgende Schritte aufweist:

– Regeln des Kathodengasstroms mittels Veränderns der Drehzahl des Fördermittels und/oder
– Regeln des Kathodendrucks mittels Veränderns der Stellung des Abgas-Drosselmittels.

Dadurch werden im abwärtstransienten Betrieb ähnliche Vorteile, wie bei der umgekehrten Zuordnung der Stellgrößen zu den Sollgrößen im aufwärtstransienten Betrieb erreicht.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass bei dem abwärtstransienten Betrieb der Brennstoffzelle

– eine Verringerung des Kathodengasstroms erfolgt und das Verfahren zur Verringerung des Kathodengasstroms einen Schritt des Verringerns der Drehzahl aufweist, und/oder
– eine Verringerung des Kathodendrucks erfolgt und das Verfahren einen Schritt des zumindest zeitweisen Verkleinerns des Strömungswiderstands des Kathodenabgaspfads mittels Veränderns der Stellung des Abgas-Drosselmittels umfasst.

Durch die höhere Dynamik des Abgas-Drosselmittels verglichen mit der Dynamik des Fördermittels wird somit ein Überschreiten der Pumpgrenze verhindert.
Bevorzugt ist auch im abwärtstransienten Betrieb vorgesehen, dass das zumindest zeitweise Verkleinern des Strömungswiderstands des Kathodenabgaspfads zu Beginn einer Zeitspanne des Verringerns der Drehzahl des Fördermittels erfolgt. Somit wird bereits zu Beginn des Verringerns der Drehzahl des Fördermittels der Kathodengasstrom erhöht. Dadurch kann ein Betriebspunkt bei hoher Last, welcher einen Start-Betriebspunkt des abwärtstransienten Betriebs darstellt, nahe an die Pumpgrenze gelegt werden, ohne dass eine Gefahr des Überschreitens der Pumpgrenze besteht. Dadurch wird ein verbesserter Wirkungsgrad des Brennstoffzellensystems ermöglicht.
Sowohl aufwärts- als auch abwärtstransient erfolgt somit ein bevorzugtes Verkleinern des Strömungswiderstands des Kathodenabgaspfads.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Verfahren nach dem Schritt des zumindest zeitweisen Verkleinerns des Strömungswiderstands des Kathodenabgaspfads mittels Veränderns der Stellung des Abgas-Drosselmittels einen Schritt des Vergrößerns des Strömungswiderstands des Kathodenabgaspfads mittels Veränderns der Stellung des Abgas-Drosselmittels aufweist. Somit wird das Abgas-Drosselmittel zumindest teilweise geschlossen. Dadurch kann, nachdem das Fördermittel seine Solldrehzahl erreicht hat, insbesondere schon während des Verringerns der Drehzahl, der Kathodendruck auf einen (minimalen) Sollwert begrenzt werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Brennstoffzellensystem

– einen Wastepfad aufweist, welcher den Kathodenversorgungspfad stromab des Fördermittels mit dem Kathodenabgaspfad stromab des Abgas-Drosselmittels verbindet und ein verstellbares Waste-Drosselmittel zur Beeinflussung eines Strömungswiderstands des Wastepfades aufweist, und das Verfahren einen Schritt des Regelns des Kathodengasstroms mittels Veränderns einer Stellung des Waste-Drosselmittels aufweist und/oder
– einen Bypasspfad aufweist, welcher den Kathodenversorgungspfad stromab des Fördermittels mit dem Kathodenversorgungspfad stromauf des Fördermittels verbindet und ein verstellbares Bypass-Drosselmittel zur Beeinflussung eines Strömungswiderstands des Bypasspfades aufweist, und das Verfahren einen Schritt des Regelns des Kathodengasstroms mittels Veränderns einer Stellung des Bypass-Drosselmittels aufweist.

Somit besteht eine weitere Möglichkeit, insbesondere bei niedrigen Lasten der Brennstoffzelle und somit niedrigen Kathodendrücken, einen ausreichenden Kathodengasstrom sicherzustellen, um die Pumpgrenze des Fördermittels nicht zu überschreiten. Zudem kann beim abwärtstransienten Betrieb der Brennstoffzelle ein zu großer Kathodengasstrom verhindert werden, welcher ansonsten durch das relativ langsame Absinken der Drehzahl des Fördermittels entstehen würde.
Insbesondere kann beim stationären, aufwärtstransienten und/oder abwärtstransienten Betrieb das Regeln des Kathodengasstroms und/oder des Kathodendrucks in Abhängigkeit einer maximal zulässigen Druckdifferenz zwischen dem Kathodendruck und einem Anodendruck erfolgen, damit eine Membran der Brennstoffzelle nicht beschädigt wird. Ferner bevorzugt erfolgt insbesondere das Verändern der Stellung des Abgas-Drosselmittels oder der Drosselmittel in Abhängigkeit der Druckdifferenz. Dadurch werden trotz der relativ hohen Dynamik der Drosselmittel Beschädigungen der Membran verhindert.
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;
2 ein Kennfeld eines bevorzugten Fördermittels bei einem aufwärtstransienten Betrieb;
3 eine schematische Darstellung der Stellgrößen bei dem aufwärtstransienten Betrieb;
4 ein Kennfeld eines bevorzugten Fördermittels bei einem abwärtstransienten Betrieb;
5 eine schematische Darstellung der Stellgrößen bei einem aufwärtstransienten Betrieb; und
6 einen schematischen Ablauf eines bevorzugten Verfahrens.
1 zeigt ein insgesamt mit 100 bezeichnetes Brennstoffzellensystem gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung. Das Brennstoffzellensystem 100 ist Teil eines nicht weiter dargestellten Fahrzeugs, insbesondere eines Elektrofahrzeugs, das einen Elektrotraktionsmotor aufweist, der durch das Brennstoffzellensystem 100 mit elektrischer Energie versorgt wird.
Das Brennstoffzellensystem 100 umfasst als Kernkomponente eine Brennstoffzelle 10 in Form eines Brennstoffzellenstapels 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 insbesondere 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 eine elektrische Verbindung zwischen den einzelnen Brennstoffzellen 11 her. Optional können Gasdiffusionslagen zwischen den Membran-Elektroden-Einheiten 14 und den Bipolarplatten 15 angeordnet sein.
Durch einen Anodenversorgungspfad 20 des Brennstoffzellensystems 100 wird die Brennstoffzelle 10 (im Speziellen deren Anodenräume 12) mit Anodengas (insbesondere Wasserstoff) versorgt. Der Anodenversorgungspfad 20 ist mit einem Anodeneingang 21 der Brennstoffzelle 10 verbunden. Mit einem Anodenausgang 23 der Brennstoffzelle 10 ist ein Anodenabgaspfad 22 des Brennstoffzellensystems 100 verbunden. Im Betrieb des Brennstoffzellensystems 100 wird über den Anodenabgaspfad 22 nicht abreagiertes Anodengas abtransportiert und anschließend über ein nicht dargestelltes Rezirkulationssystem des Brennstoffzellensystems 100 dem Anodenversorgungspfad 20 wieder zugeführt.
Durch einen Kathodenversorgungspfad 24 des Brennstoffzellensystems 100 wird die Brennstoffzelle 10 (im Speziellen deren Kathodenräume 13) mit einem Kathodengas (insbesondere Luft) versorgt. Der Kathodenversorgungspfad 24 ist mit einem Kathodeneingang 25 der Brennstoffzelle 10 verbunden. Mit einem Kathodenausgang 27 der Brennstoffzelle 10 ist ein Kathodenabgaspfad 26 des Brennstoffzellensystems 100 verbunden. Im Betrieb werden über den Kathodenabgaspfad 26 nicht abreagiertes Kathodengas und Reaktionsprodukte (insbesondere Wasser) abtransportiert und in die Umgebung des Brennstoffzellensystems 100 entlassen.
Im Kathodenversorgungspfad 24 und Kathodenabgaspfad 26 kann ein Feuchteübertrager 28 (auch Befeuchter genannt) des Brennstoffzellensystems 100 angeordnet sein, welcher Wasser aus dem Kathodenabgaspfad 26 in den Kathodenversorgungspfad 24 überträgt. Zur Umgehung des Feuchteübertragers 28 kann eine Befeuchterbypassklappe 29 in einem Befeuchterbypass-Pfad 31 vorgesehen sein. Zwischen dem Wastepfad 38 und dem Befeuchterbypasspfad 31 kann im Kathodenversorgungspfad 24 zudem ein Ladeluftkühler (ein nicht eingezeichneter Wärmeübertrager) vorgesehen sein.
Ferner kann im Kathodenversorgungspfad 24 ein Luftfilter 30 angeordnet sein, um Partikel aus dem Kathodengas zu filtern. Der Luftfilter 30 ist vorteilhafterweise stromauf eines ebenfalls im Kathodenversorgungspfad 24 angeordneten Fördermittels 32 des Brennstoffzellensystems 100 zur Förderung des Kathodengases in die Brennstoffzelle 10 angeordnet. Das Fördermittel 32 kann zum Beispiel ein Verdichter 32 oder ein Kompressor sein, im vorliegenden Fall handelt es sich bei dem Verdichter 32 um einen Turboverdichter 32, also um eine Strömungsmaschine. Der vorliegende Turboverdichter 32 wird im Betrieb elektrisch angetrieben und umfasst dazu einen Elektromotor 34.
Das Brennstoffzellensystem 100 umfasst zudem ein verstellbares Abgas-Drosselmittel 36 zur Beeinflussung eines Strömungswiderstands des Kathodenabgaspfads 26. Das Abgas-Drosselmittel 36 ist im Kathodenabgaspfad 26 angeordnet. Wie in 1 ersichtlich ist, kann das Abgas-Drosselmittel 36 stromab des Feuchteübertragers 28 angeordnet sein.
Zudem kann das Brennstoffzellensystem 100 einen Wastepfad 38 aufweisen. Der Wastepfad 38 verbindet den Kathodenversorgungspfad 24 stromab des Fördermittels 32 mit dem Kathodenabgaspfad 26 stromab des Abgas-Drosselmittels und weist ein verstellbares Waste-Drosselmittel 40 zur Beeinflussung eines Strömungswiderstands des Wastepfads 38 auf.
Zusätzlich oder alternativ zum Wastepfad 38 kann das Brennstoffzellensystem 100 einen Bypasspfad 42 aufweisen. Der Bypasspfad 42 verbindet den Kathodenversorgungspfad 24 stromab des Fördermittels 32 mit dem Kathodenversorgungspfad 24 stromauf des Fördermittels 32 und weist ein verstellbares Bypass-Drosselmittel 44 zur Beeinflussung eines Strömungswiderstands des Bypasspfades 42 auf.
Die Drosselmittel 36, 40, 44 beeinflussen den Strömungswiderstand insbesondere über eine Beeinflussung eines (freien) Strömungsquerschnitts des jeweiligen Pfades 26, 38, 42. Bei den vorliegenden Drosselmitteln 36, 40, 44 handelt es sich um Drosselklappen.
Das Brennstoffzellensystem 100 umfasst ferner eine Regeleinrichtung 46, welche zur Regelung eines Kathodengasstroms GS_K und/oder eines Kathodendrucks p_K eingerichtet ist. Der Kathodengasstrom GS_K ist typischerweise ein Kathodengasmassenstrom, also ein Massenstrom (typischerweise ein Luftmassenstrom), welcher im Betrieb der Brennstoffzelle 10 in die Kathode, also die Kathodenräume 13, der Brennstoffzelle 10 einströmt. Der Kathodendruck p_K ist der Druck des Kathodengases in den Kathodenräumen 13 der Brennstoffzelle. Die Regeleinrichtung 46 ist derart mit dem Fördermittel 32, dem Abgas-Drosselmittel 36, dem Waste-Drosselmittel 40 und dem Bypass-Drosselmittel 44 verbunden, dass die Regeleinrichtung 46 im Betrieb des Brennstoffzellensystems 100 eine Drehzahl n (siehe 2 bis 5) des Fördermittels 32 und eine Stellung S (siehe ebenfalls 2 bis 5) der Drosselmittel 36, 40 und 44 verändern kann.
Zur Messung des Kathodengasstroms GS_K weist das Brennstoffzellensystem 100 einen Luftmassenmesser 48, zum Beispiel einen Heißfilmluftmassenmesser, auf. Zur Messung des Kathodendrucks p_K umfasst das Brennstoffzellensystem 100 einen Drucksensor 50. Ferner kann das Brennstoffzellensystem auch nicht dargestellte, weitere Luftmassenmesser im Wastepfad 38 und im Bypasspfad 42 umfassen. Der Drucksensor 50, der Luftmassenmesser 48 und gegebenenfalls auch die weiteren Luftmassenmesser sind so mit der Regeleinrichtung 46 verbunden, dass Messwerte vom Drucksensor 50 und den Luftmassenmessern an die Regeleinrichtung 46 übertragbar sind.
Das Brennstoffzellensystem 100 umfasst ferner eine Steuerung 52, welche zur Lastregelung der Brennstoffzelle 10 zuständig ist. Die Steuerung 52 kann zudem eine Logik aufweisen, welche in der Lage ist, einen Lastfall zu bestimmen. Somit kann die Steuerung 52 eine Information an die Regeleinrichtung 46 ausgeben, ob es sich um einen stationären, einen aufwärtstransienten oder einen abwärtstransienten Betrieb der Brennstoffzelle 10 handelt.
Bei einem stationären oder aufwärtstransienten Betrieb der Brennstoffzelle 10, das heißt bei gleichbleibender oder zunehmender Lastanforderung an die Brennstoffzelle 10, ist eine Stellung S des Abgas-Drosselmittels 36 eine Stellgröße der Regeleinrichtung 46 bei der Regelung des Kathodengasstroms GS_K, also zum Beispiel des Kathodengasmassenstroms (oft auch Kathodenmassenstrom genannt). Das bedeutet, dass das Abgas-Drosselmittel 36 als Stellglied bei der Regelung des Kathodengasstroms GS_K wirkt. Zudem ist eine Drehzahl n des Fördermittels 32 eine Stellgröße der Regeleinrichtung 46 bei der Regelung des Kathodendrucks p_K. Das bedeutet, dass das Fördermittel 32 als Stellglied bei der Regelung des Kathodendrucks p_K wirkt.
Bei einem abwärtstransienten Betrieb der Brennstoffzelle 10, das heißt bei abnehmender Lastanforderung an die Brennstoffzelle 10, ist es hingegen von Vorteil, wenn die Drehzahl n des Fördermittels 32 eine Stellgröße der Regeleinrichtung 46 bei der Regelung des Kathodengasstroms GS_K (also zum Beispiel des Kathodenmassenstroms) ist und somit das Fördermittel 32 als Stellglied bei der Regelung des Kathodengasmassenstroms wirkt. Ferner kann im abwärtstransienten Betrieb eine Stellung S des Abgas-Drosselmittels 36 eine Stellgröße der Regeleinrichtung 46 zur Regelung des Kathodendrucks p_K sein. Somit wirkt das Abgas-Drosselmittel 36 als Stellglied bei der Regelung des Kathodendrucks p_K.
Sowohl stationär, aufwärtstransient als auch abwärtstransient können eine Stellung des Waste-Drosselmittels und/oder eine Stellung des Bypass-Drosselmittels weitere Stellgrößen der Regeleinrichtung bei der Regelung des Kathodengasstroms GS_K sein.
2 zeigt ein Diagramm eines Fördermittels 32, im dargelegten Fall ein Verdichterdiagramm eines Turboverdichters 32. In 2 sind somit Linien konstanter Drehzahl n (in kUpM also tausend Umdrehungen pro Minute) des Fördermittels 32 dargestellt. Nur zum Vergleich sind in 2 ferner Linien 54 konstanter Drehzahl n eines Schraubenverdichters dargestellt. Ferner sind in 2 ein Druckverhältnis p_a/p_e aus einem Verdichterausgangsdruck p_a zu einem Verdichtereingangsdruck p_e und ein Durchsatz D (in kg/h, also Kilogramm pro Stunde) durch den Verdichter 32, im dargestellten Fall ein Massenstrom, dargestellt. Eine Pumpgrenze PG bildet wie bekannt eine Grenze zwischen einem Bereich, in welchem das Fördermittel 32 (dauerhaft) betreibbar ist und einem Bereich, in welchem es zu einem Rückfluss durch das Fördermittel 32 kommt. Wird ausgehend von der Pumpgrenze PG das Druckverhältnis p_a/p_e erhöht und/oder der Durchsatz D reduziert, so wird die Pumpgrenze PG überschritten. Wenn ausgehend von der Pumpgrenze PG das Druckverhältnis p_a/p_e verringert und/oder der Durchsatz D erhöht wird, so befindet sich das Fördermittel 32 in einem stabilen Betriebsbereich.
In 2 ist ferner eine Betriebskennlinie B der Brennstoffzelle 100 dargestellt. Die Betriebskennlinie B gibt ein notwendiges oder gewünschtes Druckverhältnis p_a/p_e bei einem vorbestimmten Durchsatz D an. Der Durchsatz D (als Massenstrom) entspricht bei einem nicht vorhandenen Massenstrom durch den Bypass- und Wastepfad 42, 38 und einer Vernachlässigung von im Feuchteübertrager 28 übertragenen Wasser dem Kathodengasstrom GS_K. Das Druckverhältnis p_a/p_e ist dabei proportional dem Kathodendruck p_K.
Ferner sind zwei Transienten bei einem aufwärtstransienten Betrieb der Brennstoffzelle 10 von einer relativ niedrigen Last L_n zu einer relativ hohen Last L_h dargestellt. Eine instabile Transiente L_is bei überschrittener Pumpgrenze ist gestrichelt dargestellt. Eine solche Transiente kann sich bei einer Regelung gemäß dem Stand der Technik einstellen, wenn eine Drehzahl des Fördermittels 32 als eine Stellgröße bei der Regelung des Kathodengasstroms und eine Stellung S des Abgas-Drosselmittels 36 eine Stellgröße bei der Regelung des Kathodendrucks p_K ist. Soll nämlich plötzlich von der niedrigen Last L_n zu der hohen Last L_{_h} gewechselt werden, so wird mittels des Abgas-Drosselmittels 36 der Strömungswiderstand erhöht, um den Kathodendruck p_K zu erhöhen. Die Abgas-Drosselklappe 36 schließt also. Zudem wird die Drehzahl n des Fördermittels 32 erhöht, um den Kathodengasstrom GS_K zu erhöhen. Da jedoch die Stellung S des Abgas-Drosselmittels 36 wesentlich rascher verstellbar ist als die Drehzahl n des Fördermittels 32, steigt der Kathodendruck p_K schneller als der Kathodenmassenstrom – die Pumpgrenze PG wird überschritten.
Gemäß der Erfindung wird dies verhindert, indem im aufwärtstransienten und/oder im stationären Betrieb der Brennstoffzelle die Stellung S des Abgas-Drosselmittels 36 eine Stellgröße bei der Regelung des Kathodengasstroms GS_K ist und die Drehzahl n des Fördermittels 32 eine Stellgröße bei der Regelung des Kathodendrucks p_K ist.
In 3 sind dabei schematisch Verläufe der Drehzahl n des Fördermittels 32 und der Stellung S des Abgas-Drosselmittels 36 jeweils über der Zeit t dargestellt. Zu einem Startzeitpunkt t_s teilt die Steuerung 52 der Regeleinrichtung 46 mit, dass eine Lasterhöhung der Brennstoffzelle 10 stattfinden soll. Die Steuerung 52 und die Regeleinrichtung 46 können dabei zu einer einzigen Vorrichtung zusammengefasst sein. Zur Lasterhöhung soll nun ausgehend vom Startzeitpunkt t_s möglichst rasch die Last von der niedrigen Last L_n (bei einem relativ geringen Kathodengasstrom GS_K und einem relativ geringen Kathodendruck p_K) zu der hohen Last L_h (bei einem relativ hohem Kathodengasstrom GS_K und einem relativ hohen Kathodendruck p_K) erhöht werden. Zum Endzeitpunkt t_e ist dies abgeschlossen.
Um den Kathodendruck p_K zu erhöhen führt die Regeleinrichtung 46 ein Regeln des Kathodengasstroms GS_K mittels Veränderns der Stellung S des Abgas-Drosselmittels 36 durch, während die Regeleinrichtung 46 ein Regeln des Kathodendrucks p_K mittels Veränderns der Drehzahl n des Fördermittels 32 durchführt.
Das Regeln des Kathodengasstroms GS_K erfolgt sowohl bei einem stationären, aufwärtstransienten, als auch abwärtstransienten Betrieb auf Basis eines Messwertes des Luftmassenmessers 48, welcher der Regeleinrichtung 46 einen momentanen Istwert für den Kathodengasstrom GS_K liefert und auf Basis eines Sollwerts für die Stellung S, also eine Endstellung S_e. Das Regeln des Kathodengasdrucks erfolgt auf Basis eines Messwerts des Drucksensors 50, welcher der Regeleinrichtung 46 einen momentanen Istwert für den Kathodendruck p_K liefert und auf Basis eines Sollwerts für die Drehzahl n, also eine Enddrehzahl n_e. Das Regeln erfolgt ausgehend von einer Startdrehzahl n_s.
In 3 symbolisiert eine Stellung von 0 % eine Stellung S, in welcher das Abgas-Drosselmittel 36 den geringsten Strömungswiderstand, also den größten freien Strömungsquerschnitt, aufweist. Ferner symbolisiert eine Stellung von 100 % eine Stellung S mit dem höchsten Strömungswiderstand, also dem größten freien Strömungsquerschnitt.
Zur Regelung des Kathodendrucks p_K erfolgt nun ein Erhöhen der Drehzahl n des Fördermittels 32. Gleichzeitig erfolgt zur Erhöhung des Kathodengasstroms GS_K ein Verkleinern des Strömungswiderstands des Kathodenabgaspfads 26 mittels Veränderns der Stellung S des Abgas-Drosselmittels 36.
Da sich die Stellung S des Drosselmittels 36 wesentlich dynamischer verändern lässt als die Drehzahl n des Fördermittels, erfolgt das Verkleinern des Strömungswiderstands des Kathodenabgaspfads 26 bereits zu Beginn einer Zeitspanne (t_s bis t_e) des Erhöhens der Drehzahl n des Fördermittels 32. Dadurch kommt es nicht zu einer Erhöhung des Druckverhältnisses p_a/p_e, sondern zu einer Verringerung des Druckverhältnisses p_a/p_e. Das Druckverhältnis kann zu Beginn der Regelung auch weitestgehend konstant bleiben (siehe Transiente T in 2). Mit zunehmender Drehzahl n des Fördermittels 32 steigt der Kathodendruck p_K und es wird auch die Stellung S des Abgas-Drosselmittels 36 nachgeregelt, damit der Kathodengasstrom GS_K nicht zu hoch wird. In Abhängigkeit der Ausgestaltung des Brennstoffzellensystems kann zum Endzeitpunkt t_e, also bei einem Erreichen der Enddrehzahl n_e eine Endstellung S_e des Abgas-Drosselelements 36 vorliegen, welche einen höheren oder geringeren Strömungswiderstand als eine Startstellung S_s des Abgas-Drosselmittels 36 aufweist. Im gezeigten Beispiel weist die Endstellung S_e einen höheren Strömungswiderstand als die Startstellung S_s auf. Somit erfolgt nach dem Verkleinern des Strömungswiderstands des Kathodenabgaspfads 26 ein Schritt des Vergrößerns des Strömungswiderstands des Kathodenabgaspfads 26 mittels Veränderns der Stellung S des Abgas-Drosselmittels 36.
Durch dieses Regeln des Kathodengasstroms GS_K und des Kathodendrucks p_K wird die Last von der niedrigen Last L_n zu der hohen Last L_h erhöht, ohne dass die Pumpgrenze PG überschritten wird. Vielmehr entfernt sich die Transiente T von der Pumpgrenze PG, wodurch ein sicherer Betrieb des Fördermittels 32 sichergestellt ist.
4 unterscheidet sich von 2 nun dadurch, dass ein abwärtstransienter Betrieb des Brennstoffzellensystems 100 dargestellt ist. Bei dem abwärtstransienten Betrieb verringert sich eine Anforderung des Kathodengasstroms GS_K und parallel dazu des Kathodendrucks p_K. Wäre nun die Stellung S des Abgas-Drosselmittels eine Stellgröße bei der Regelung des Kathodengasstroms GS_K und die Drehzahl n des Fördermittels 32 eine Stellgröße bei der Regelung des Kathodendrucks p_K, so würde die Pumpgrenze PG verletzt werden (siehe Transiente T_is), da sich der Durchsatz (Massenstrom) bei einem hohen Druckniveau relativ schnell reduziert. Dies folgt daraus, da das Abgas-Drosselmittel 36 schneller den Strömungswiderstand erhöhen (also zum Beispiel die Abgas-Drosselklappe 36 schließt) als der Turbolader die Drehzahl n verringern kann.
Eine ideale Lösung auf diese Gegebenheit wurde darin gefunden, indem beim abwärtstransienten Betrieb ein Regeln des Kathodengasstroms GS_K mittels Veränderns der Drehzahl n des Fördermittels 32 und ein Regeln des Kathodendrucks p_K mittels Veränderns der Stellung S des Abgas-Drosselmittels 36 erfolgt. Dadurch, dass im abwärtstransienten Betrieb das Abgas-Drosselmittel 36 den Kathodendruck p_K (das Druckniveau) einregelt und das Fördermittel 32 den Kathodengasstrom GS_K, verringert sich der Strömungswiderstand schneller, also das Abgas-Drosselmittel 36 öffnet schneller, als sich die Drehzahl n des Fördermittels 32 verringert, also das Fördermittel 36 verzögert. Dadurch wird das Druckverhältnis p_a/p_e reduziert und ein sicherer Abstand zur Pumpgrenze PG gewährleistet – siehe Transiente T.
Dieser Zusammenhang zwischen der Drehzahl n des Fördermittels 32 und der Stellung S des Abgas-Drosselmittels 36 ist in 5 dargestellt. Daraus ist auch ersichtlich, wie schon zu Beginn der Verringerung der Drehzahl n das Abgas-Drosselmittel 36, also nach dem Startzeitpunkt t_s, den Strömungswiderstand im Kathodenabgaspfad 26 verringert – das Abgas-Drosselmittel 36 öffnet sich also. Anschließend kann das Abgas-Drosselmittel 36 von der Regeleinrichtung wieder zumindest teilweise geschlossen, also der Strömungswiderstand erhöht werden, damit sich zum Endzeitpunkt t_e ein gewünschter Kathodendruck p_K einstellt.
Eine durch die Verringerung des Strömungswiderstands bewirkte Erhöhung des Durchsatzes D (und somit ohne weitere Maßnahmen auch des Kathodenmassenstroms) kann durch ein Verringern des Strömungswiderstands im Wastepfad 38 oder Bypasspfad 42 verhindert werden. Somit erfolgt ein Regeln des Kathodengasstroms GS_K zudem mittels Veränderns einer Stellung des Waste-Drosselmittels 40 und/oder des Bypass-Drosselmittels 44. Eine ansonsten eintretende Erhöhung des Kathodengasstroms GS_K kann also beispielsweise durch ein zusätzliches Öffnen des Waste-Drosselmittels 40 (Wastegate) und/oder des Bypass-Drosselmittels 44 kompensiert werden, sodass eine gute Sollwertfolge des Kathodengasstroms GS_K gewährleistet ist. Dies erfolgt insbesondere während einer Zeitspanne (t_s–t_e) des Verringerns der Drehzahl n des Fördermittels 32.
Der Kathodengasstrom GS_K ergibt sich aus einer Differenz des Durchsatzes des Fördermittels 32 und einem Wastegasstrom GS_W, welcher über den Wastepfad 38 abgeführt wird und/oder einem Bypassgasstrom GS_B welcher über den Bypasspfad 42 abgeführt wird. Zur Bestimmung des Kathodengasstroms GS_K kann somit eine Differenz von Messwerten aus dem Massenstromsensor 48 und den Massenstromsensoren in dem Wastepfad 38 und/oder dem Bypasspfad 42 gebildet werden. Zudem oder alternativ kann der Kathodengasstrom GS_K auch mithilfe eines (Rechen-) Modells und des Messwerts stromauf des Fördermittels 32 (an einem Verdichtereintritt) berechnet werden.
Von besonderem Vorteil ist es, wenn auf einen Verdichterbypass, also den Wastepfad 38 oder den Bypasspfad 42 komplett verzichtet werden kann. Dies ist dann möglich, wenn der Durchsatz D bei dem jeweiligen Druckverhältnis p_a/p_e bereits einem gewünschten Kathodengasstrom GS_K (Massenstrom) durch die Brennstoffzelle 10 entspricht. Dies kann beispielsweise über eine Anpassung des Verdichterkennfelds oder eine Anpassung der Sollwertvorgaben der Brennstoffzelle 10 erreicht werden. Daraus ergeben sich Vorteile bezüglich einer verringerten Komplexität, also einer Vereinfachung des Brennstoffzellensystems 100, der Regelung, der Steuerung 32 und schlussendlich der Kosten.
6 zeigt einen schematischen Ablauf eines Verfahrens 999 nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung. Demnach kann zunächst in einer Abfrage 1000 eine Bestimmung eines Betriebszustands der Brennstoffzelle 10 (zum Beispiel mittels einer Logik der Steuerung 52) erfolgen. Wenn sich das Brennstoffzellensystem 100 in einem stationären oder aufwärtstransienten Betriebszustand 1001 befindet, so folgt in einem Schritt 1003 das Regeln eines Kathodengasstroms GS_K mittels Veränderns der Stellung S des Abgas-Drosselmittels 36 als eine Stellgröße. Parallel dazu, also gleichzeitig erfolgt in einem Schritt 1004 das Regeln des Kathodendrucks p_K mittels Veränderns einer Drehzahl n des Fördermittels 32 als eine Stellgröße. Dabei wird die Drehzahl n des Fördermittels 32 in einem Schritt 1010 erhöht. Die genannten Abläufe sind in 3 dargestellt. Das Waste-Drosselmittel 40 und das Bypass-Drosselmittel 44 können dabei geschlossen bleiben.
Stellt sich bei der Abfrage 1000 heraus, dass sich die Brennstoffzelle 10 in einem abwärtstransienten Betriebszustand 1002 befindet, so folgt in einem Schritt 1005 das Regeln des Kathodengasstroms GS_K mittels Veränderns der Drehzahl n des Fördermittels 32 als eine Stellgröße. Dabei wird die Drehzahl n des Fördermittels 32 in einem Schritt 1011 verringert (siehe 5). Gleichzeitig erfolgt in einem Schritt 1006 das Regeln des Kathodendrucks p_K mittels Veränderns der Stellung S des Abgas-Drosselmittels 36 als eine Stellgröße. Ebenfalls gleichzeitig kann in einem Schritt 1007 das Regeln des Kathodengasstroms GS_K mittels Veränderns einer Stellung des Waste-Drosselmittels 40 als eine Stellgröße und/oder in einem Schritt 1008 das Regeln des Kathodengasstroms GS_K mittels Veränderns einer Stellung des Bypass-Drosselmittels 44 als eine Stellgröße erfolgen.
Nach einer Durchführung der Schritte 1003 bis 1008 wird erneut die Abfrage 1001 durchgeführt. Um auf kurzfristige Änderungen einer Sollwertvorgabe des Drucks und der Temperatur reagieren zu können, kann die Abfrage 1001 bereits dann ausgeführt werden, wenn die Sollwertvorgaben der vorangegangenen Abfrage 1001 noch nicht erreicht wurden, also noch vor dem Endzeitpunkt t_e.
Sowohl stationär, abwärtstransient als auch aufwärtstransient erfolgt zunächst ein Schritt 1009 des Verkleinerns des Strömungswiderstands, gefolgt von einem Schritt 1012 des Erhöhens des Strömungswiderstands.
Bezugszeichenliste

100: Brennstoffzellensystem
10: Brennstoffzelle/Brennstoffzellenstapel
11: Einzelzelle
12: Anodenraum
13: Kathodenraum
14: Membran-Elektroden-Einheit (MEA)
15: Bipolarplatte (Separatorplatte, Flussfeldplatte)
20: Anodenversorgungspfad
21: Anodeneingang
22: Anodenabgaspfad
23: Anodenausgang
24: Kathodenversorgungspfad
25: Kathodeneingang
26: Kathodengaspfad
27: Kathodenausgang
28: Feuchteübertrager
29: Befeuchterbypassklappe
30: Luftfilter
32: Fördermittel/Verdichter/Turboverdichter
34: Elektromotor
36: Abgas-Drosselmittel/Abgas-Drosselklappe
38: Wastepfad
40: Waste-Drosselmittel/Waste-Drosselklappe/Wastegate
42: Bypasspfad
44: Bypass-Drosselmittel/Bypass-Drosselklappe
46: Regeleinrichtung
48: Luftmassenmesser
50: Drucksensor
52: Steuerung
54: Linien konstanter Drehzahl eines Schraubenverdichters
GS_K: Kathodengasstrom
p_K: Kathodendruck
GS_W: Wastegasstrom
GS_B: Bypassgasstrom
p_e: Verdichtereingangsdruck
p_a: Verdichterausgangsdruck
p_e/p_a: Druckverhältnis
D: Durchsatz
B: Betriebskennlinie der Brennstoffzelle
n: Drehzahl
PG: Pumpgrenze
L_h: hohe Last
L_n: niedrige Last
S S: tellung Abgas-Drosselelement
t Z: eit
t_s: Startzeitpunkt
t_e: Endzeitpunkt
n_s: Startdrehzahl
n_e: Enddrehzahl
S_s: Startstellung
S_e: Endstellung
999: Verfahren
1000: Abfrage eines Betriebszustands
1001: stationärer oder aufwärtstransienter Betriebszustand
1002: abwärtstransienter Betriebszustand
1003: Schritt des Regelns des Kathodengasstroms mittels des Abgas-Drosselmittels
1004: Schritt des Regelns des Kathodendrucks mittels des Fördermittels
1005: Schritt des Regelns des Kathodengasstroms mittels des Fördermittels
1006: Schritt des Regelns des Kathodendrucks mittels des Abgas-Drosselmittels
1007: Schritt des Regelns des Kathodengasstroms mittels des Waste-Drosselmittels
1008: Schritt des Regelns des Kathodengasstroms mittels des Bypass-Drosselmittels
1009: Schritt des zumindest zeitweisen Verkleinerns des Strömungswiderstands
1010: Schritt des Erhöhens der Drehzahl des Fördermittels
1011: Schritt des Verringerns der Drehzahl des Fördermittels
1012: Schritt des Erhöhens des Strömungswiderstands

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 112005000767 T5 [0007]
DE 102008039407 A1 [0009]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Arendt, M; Regelungstechnische Optimierung der Steuerung eines Brennstoffzellensystems im dynamischen Betrieb, Dissertation, Logos Verlag Berlin, 2012 [0008]

Claims

Brennstoffzellensystem (100), umfassend – eine Brennstoffzelle (10) mit einem Kathodeneingang (25) und einem Kathodenausgang (27), – einen stromauf des Kathodeneingangs (25) angeordneten und damit verbundenen Kathodenversorgungspfad (24), – einen stromab des Kathodenausgangs (27) angeordneten und damit verbundenen Kathodenabgaspfad (26), – ein im Kathodenversorgungspfad (24) angeordnetes Fördermittel (32) zur Förderung eines Kathodengasstroms (GS_K) in den Kathodeneingang (25) und/oder ein im Kathodenabgaspfad (26) angeordnetes, verstellbares Abgas-Drosselmittel (36) zur Beeinflussung eines Strömungswiderstands des Kathodenabgaspfads (26), und – eine Regeleinrichtung (46), eingerichtet zur Regelung des Kathodengasstroms (GS_K) und/oder eines Kathodendrucks (p_K), dadurch gekennzeichnet, dass die Regeleinrichtung (46) dazu eingerichtet ist, dass wenigstens bei einem stationären und/oder aufwärtstransienten Betrieb der Brennstoffzelle (10) – eine Stellung (S) des Abgas-Drosselmittels (36) eine Stellgröße der Regeleinrichtung (46) bei der Regelung des Kathodengasstroms (GS_K) ist; und/oder – eine Drehzahl (n) des Fördermittels (32) eine Stellgröße der Regeleinrichtung (46) bei der Regelung des Kathodendrucks (p_K) ist.
Brennstoffzellensystem (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Regeleinrichtung (46) dazu eingerichtet ist, dass bei einem abwärtstransienten Betrieb der Brennstoffzelle (10) – die Drehzahl (n) des Fördermittels (32) eine Stellgröße der Regeleinrichtung (46) bei der Regelung des Kathodengasstroms (GS_K) ist; und/oder – die Stellung (S) des Abgas-Drosselmittels (36) eine Stellgröße der Regeleinrichtung (46) bei der Regelung des Kathodendrucks (p_K) ist.
Brennstoffzellensystem (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoffzellensystem (100) – einen Wastepfad (38) aufweist, welcher den Kathodenversorgungspfad (24) stromab des Fördermittels (32) mit dem Kathodenabgaspfad (26) stromab des Abgas-Drosselmittels (36) verbindet und ein verstellbares Waste-Drosselmittel (40) zur Beeinflussung eines Strömungswiderstands des Wastepfades (38) aufweist, und die Regeleinrichtung (46) dazu eingerichtet ist, dass eine Stellung des Waste-Drosselmittels (36) eine weitere Stellgröße der Regeleinrichtung (46) bei der Regelung des Kathodengasstroms (GS_K) ist; und/oder – einen Bypasspfad (42) aufweist, welcher den Kathodenversorgungspfad (42) stromab des Fördermittels (32) mit dem Kathodenversorgungspfad (24) stromauf des Fördermittels (32) verbindet und ein verstellbares Bypass-Drosselmittel (44) zur Beeinflussung eines Strömungswiderstands des Bypasspfades (42) aufweist, und die Regeleinrichtung (46) dazu eingerichtet ist, dass eine Stellung des Bypass-Drosselmittels (44) eine weitere Stellgröße der Regeleinrichtung (46) bei der Regelung des Kathodengasstroms (GS_K) ist.
Verfahren (999) zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems (100), umfassend – eine Brennstoffzelle (10) mit einem Kathodeneingang (25) und einem Kathodenausgang (27), – einen stromauf des Kathodeneingangs (25) angeordneten und damit verbundenen Kathodenversorgungspfad (24), – einen stromab des Kathodenausgangs (27) angeordneten und damit verbundenen Kathodenabgaspfad (26), – ein im Kathodenversorgungspfad (24) angeordnetes Fördermittel (32) zur Förderung eines Kathodengasstroms (GS_K) in den Kathodeneingang (25) und/oder ein im Kathodenabgaspfad (26) angeordnetes, verstellbares Abgas-Drosselmittel (36) zur Beeinflussung eines Strömungswiderstands des Kathodenabgaspfads (26), und – eine Regeleinrichtung (46), eingerichtet zur Regelung des Kathodengasstroms (GS_K) und/oder eines Kathodendrucks (p_K), dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren wenigstens bei einem stationären und/oder aufwärtstransienten Betrieb (1001) der Brennstoffzelle (10) folgende Schritte umfasst: – Regeln (1003) des Kathodengasstroms (GS_K) mittels Veränderns einer Stellung (S) des Abgas-Drosselmittels (36) und/oder – Regeln (1004) eines Kathodendrucks (p_K) mittels Veränderns einer Drehzahl (n) des Fördermittels (32).
Verfahren (999) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem aufwärtstransienten Betrieb (1001) der Brennstoffzelle (10) eine Erhöhung des Kathodengasstroms (GS_K) erfolgt und das Verfahren (999) zur Erhöhung des Kathodengasstroms (GS_K) einen Schritt des zumindest zeitweisen Verkleinerns (1009) des Strömungswiderstands des Kathodenabgaspfads (26) mittels Veränderns der Stellung (S) des Abgas-Drosselmittels (36) umfasst.
Verfahren (999) nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem aufwärtstransienten Betrieb (1001) der Brennstoffzelle (10) eine Erhöhung des Kathodendrucks (p_K) erfolgt und das Verfahren (999) zur Erhöhung des Kathodendrucks (p_K) einen Schritt (1010) des Erhöhens der Drehzahl (n) des Fördermittels (32) aufweist.
Verfahren (999) nach den Ansprüchen 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt (1009) des zumindest zeitweisen Verkleinerns des Strömungswiderstands des Kathodenabgaspfads (26) zu Beginn einer Zeitspanne (t_e–t_s) des Schritts (1010) des Erhöhens der Drehzahl (n) des Fördermittels (32) erfolgt.
Verfahren (999) nach einem Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren (999) bei einem abwärtstransienten Betrieb (1002) folgende Schritte aufweist: – Regeln (1005) des Kathodengasstroms (GS_K) mittels Veränderns der Drehzahl (n) des Fördermittels (32) und/oder – Regeln (1006) des Kathodendrucks (p_K) mittels Veränderns der Stellung (S) des Abgas-Drosselmittels (36).
Verfahren (999) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem abwärtstransienten Betrieb (1002) der Brennstoffzelle (10) – eine Verringerung des Kathodengasstroms (GS_K) erfolgt und das Verfahren (999) zur Verringerung des Kathodengasstroms einen Schritt (1011) des Verringerns der Drehzahl (n) aufweist, und/oder – eine Verringerung des Kathodendrucks (p_K) erfolgt und das Verfahren (999), insbesondere zu Beginn einer Zeitspanne (t_e–t_s) des Schritts (1011) des Verringerns der Drehzahl (n) des Fördermittels (32), einen Schritt (1009) des zumindest zeitweisen Verkleinerns des Strömungswiderstands des Kathodenabgaspfads (26) mittels Veränderns der Stellung (S) des Abgas-Drosselmittels (36) umfasst.
Verfahren (999) nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoffzellensystem (10) – einen Wastepfad (38) aufweist, welcher den Kathodenversorgungspfad (24) stromab des Fördermittels (32) mit dem Kathodenabgaspfad (26) stromab des Abgas-Drosselmittels (36) verbindet und ein verstellbares Waste-Drosselmittel (40) zur Beeinflussung eines Strömungswiderstands des Wastepfades (38) aufweist, und das Verfahren einen Schritt (1007) des Regelns des Kathodengasstroms (GS_K) mittels Veränderns einer Stellung des Waste-Drosselmittels (40) aufweist und/oder – einen Bypasspfad (42) aufweist, welcher den Kathodenversorgungspfad (24) stromab des Fördermittels (32) mit dem Kathodenversorgungspfad (24) stromauf des Fördermittels (32) verbindet und ein verstellbares Bypass-Drosselmittel (44) zur Beeinflussung eines Strömungswiderstands des Bypasspfades (42) aufweist, und das Verfahren einen Schritt (1008) des Regelns des Kathodengasstroms (GS_K) mittels Veränderns einer Stellung des Bypass-Drosselmittels (44) aufweist.