DE102016207806A1 - Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems - Google Patents

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Abstract

Die hier offenbarte Technologie betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems. Das Oxidationsmittel wird durch mindestens einen Oxidationsmittelförderer zu mindestens einer Brennstoffzelle gefördert und das stöchiometrische Verhältnis λ des Oxidationsmittels wird basierend auf der Förderrate des Oxidationsmittelförderers verändert.

Description

  • Die hier offenbarte Technologie betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems.
  • Brennstoffzellensysteme werden in der Regel mit einer annähernd konstanten Luftzahl λ betrieben. Die 1 zeigt den Zusammenhang zwischen dem Luftmassenstrom m . eines Kompressors eines Brennstoffzellensystems und der Brennstoffzellensystemlast. Auf der Abszisse ist der Strom I aufgetragen, mit dem mindestens eine Brennstoffzelle belastet wird. Auf der Ordinate ist die Förderrate an Oxidationsmittel aufgetragen, die der Kompressor des Brennstoffzellensystems dem Brennstoffzellensystem zur Verfügung stellt, damit das Brennstoffzellensystem den bereitzustellenden Strom I bzw. Leistung P dem Kraftfahrzeug/Verbraucher bereitstellen kann. I. d. R. weist der Kompressor eine Mindestdrehzahl auf. Die Mindestdrehzahl geht einher mit einer Mindest-Oxidationsmittelförderrate m .min die im ersten „geringen” Lastanforderungsbereich A konstant ist. Im zweiten Lastanforderungsbereich B, dessen bereitzustellende Ströme I bzw. Leistungen P höher sind als die des ersten Lastanforderungsbereiches A, ergibt sich mit der vorgegebenen Luftzahl λ eine Förderrate, die proportional mit den bereitzustellenden Strömen I bzw. Leistungen P zunimmt. Die Steigung der schematisch gezeigten Funktion repräsentiert hier die Luftzahl λ. Die Luftzahl λ ist hier annähernd konstant. Ein dritter Lastanforderungsbereich C (Funktion punktiert gezeigt) weist höhere bereitzustellende Ströme I bzw. Leistungen P auf als der zweite Lastanforderungsbereich B. Die angeforderte Last der Lastanforderungsbereiche A, B, C ist zweckmäßig ein Strom I und/oder eine Leistung P, die die mindestens eine Brennstoffzelle bereitstellen soll bzw. mit dem/der die mindestens eine Brennstoffzelle belastet wird. Auch im dritten Lastanforderungsbereich C ist die Luftzahl λ annähernd konstant. Soll das Brennstoffzellensystem einen sehr großen Strom I bzw. eine sehr große Leistung P innerhalb des dritten Lastanforderungsbereichs C liefern, so wird der maximale Luftmassenstrom m .max überschritten, den der Kompressor dauerhaft liefern kann. Der Kompressor muss also im Überlastbereich Üb betrieben werden, um die Lastanforderung zu erfüllen. Bei höheren Systemlasten kann, je nach Auslegung des Kompressors, zum Komponentenschutz eine zeitliche Begrenzung der Kompressorlasten vorgegeben sein. Ein Betrieb des Kompressors oberhalb der maximalen Überlast-Oxidationsmittelförderrate m .üb ist auch kurzfristig nicht zugelassen bzw. nicht möglich. Somit sind auch die bereitzustellenden Ströme I hier auf Iüb (und letztendlich auch die bereitzustellende Leistung P) begrenzt. Durch die Kompressorausgestaltung ist daher die Performance und Dauerlastfähigkeit des gesamten Brennstoffzellensystems beschränkt.
  • Die Kompressoren müssen, je nach Systemkonfiguration, 1 bis ca. 3 bar Verdichterdruck erzeugen und vergleichsweise hohe Volumenströme fördern. Der Luftkompressor ist im Brennstoffzellensystem der größte Systemnebenverbraucher und beeinflusst wesentlich den Systemwirkungsgrad und die gesamte Systemleistung des Brennstoffzellensystems. Auch sind die eingesetzten Kompressoren vergleichsweise teurer, auch wenn die Komponenten für den Einsatz in einem Brennstoffzellensystem weitgehend optimiert wurden. Die optimale Auslegung des Wirkungsgradkennfeldes und der Maximalleistung des Kompressors auf das definierte Lastprofil des Systems ist daher essentiell.
  • Es ist eine bevorzugte Aufgabe der hier offenbarten Technologie, die Nachteile der vorbekannten Lösungen zu verringern oder zu beheben. Insbesondere ist es eine bevorzugte Aufgabe, ein Brennstoffzellensystem vorzuschlagen, bei dem mit vergleichbaren Herstellkosten und vergleichbaren Platzbedarf mehr Leistung abgegeben bzw. höhere Ströme dem Kraftfahrzeug/Verbraucher bereitgestellt werden können. Weitere bevorzugte Aufgaben ergeben sich aus den vorteilhaften Effekten der hier offenbarten Technologie. Die Aufgabe(n) wird/werden gelöst durch den Gegenstand des Patentanspruchs 1. Die abhängigen Ansprüche stellen bevorzugte Ausgestaltungen dar.
  • Die hier offenbarte Technologie betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems. Ein solches Brennstoffzellensystem umfasst mindestens eine Brennstoffzelle. Das Brennstoffzellensystem ist beispielsweise für mobile Anwendungen wie Kraftfahrzeuge gedacht, insbesondere zur Bereitstellung der Energie für mindestens eine Antriebsmaschine zur Fortbewegung des Kraftfahrzeugs. In ihrer einfachsten Form ist eine Brennstoffzelle ein elektrochemischer Energiewandler, der Brennstoff und Oxidationsmittel in Reaktionsprodukte umwandelt und dabei Elektrizität und Wärme produziert. Die Brennstoffzelle umfasst eine Anode und eine Kathode, die durch einen ionenselektiven bzw. ionenpermeablen Separator getrennt sind. Die Anode weist eine Zufuhr für einen Brennstoff zur Anode auf. Bevorzugte Brennstoffe sind: Wasserstoff, niedrigmolekularer Alkohol, Biokraftstoffe, oder verflüssigtes Erdgas. Die Kathode weist beispielsweise eine Zufuhr für Oxidationsmittel auf. Bevorzugte Oxidationsmittel sind bspw. Luft, Sauerstoff und Peroxide. Der ionenselektive Separator kann bspw. als Protonenaustauschmembran (proton exchange membrane, PEM) ausgebildet sein. Bevorzugt kommt eine kationenselektive Polymerelektrolytmembran zum Einsatz. Materialien für eine solche Membran sind beispielsweise: Nafion®, Flemion® und Aciplex®. Ein Brennstoffzellensystem umfasst mindestens eine Brennstoffzelle sowie periphere Systemkomponenten (BOP-Komponenten), die beim Betrieb mindestens einer Brennstoffzelle zum Einsatz kommen können. In der Regel sind mehrere Brennstoffzellen zu einem Brennstoffzellenstapel bzw. Stack zusammengefasst.
  • Gemäß dem hier offenbarten Verfahren wird das Oxidationsmittel durch mindestens einen Oxidationsmittelförderer zu mindestens einer Brennstoffzelle gefördert. Der Oxidationsmittelförderer kann beispielsweise als Kompressor bzw. Verdichter ausgebildet sein, besonders bevorzugt als luftgelagerter Turbokompressor, Turboverdichter, bzw. Kreiselverdichter. Bevorzugt weist der Oxidationsmittelförderer einen Arbeits-Drehzahlbereich von ca. 15.000 U/min bis ca. 170.000 U/min, und besonders bevorzugt von ca. 25.000 U/min bis ca. 130.000 U/min auf. Der Oxidationsmittelförderer ist fluidverbunden mit der Kathode der mindestens einen Brennstoffzelle.
  • Gemäß dem hier offenbarten Verfahren wird das stöchiometrische Verhältnis λ des Oxidationsmittels verändert, wodurch vorteilhaft der Oxidationsmittelförderer geschont bzw. geschützt wird.
  • Das stöchiometrische Verhältnis λ des Oxidationsmittels gibt an, um welchen Faktor mehr Oxidationsmittel bereitgestellt wird, als tatsächlich für die Reaktion an der Kathode notwendig ist. Wird Luft als Oxidationsmittel eingesetzt, kann dieses auch als Luftverhältnis λ bzw. als Luftzahl λ bezeichnet werden. Das Luftverhältnis λ setzt die tatsächlich für die elektrochemische Reaktion in der mindestens einen Brennstoffzelle zur Verfügung stehende Luftmasse mL-tats ins Verhältnis zur mindestens notwendigen stöchiometrischen Luftmasse mL-st, die für eine vollständige elektrochemische Reaktion in der mindestens einen Brennstoffzelle benötigt wird. Es gilt also:
    Figure DE102016207806A1_0002
  • Das stöchiometrische Verhältnis λ des Brennstoffzellensystems wird also geändert, damit der Kompressor nicht beschädigt wird. Vorbekannte Systeme sehen indes kein Betriebsverfahren für ein Brennstoffzellensystem vor, bei dem die Oxidationsmittelstöchiometrie zu diesem Zweck verändert wird. Vielmehr ist das stöchiometrische Verhältnis λ über den kompletten Lastanforderungsbereich vorbekannter Brennstoffzellensysteme oftmals konstant (vgl. 1).
  • Der bereitzustellende Strom I bzw. bereitzustellende Brennstoffzellenstrom I des Brennstoffzellensystems (es sind diese Begriffe als Synonyme anzusehen) ist dabei der Strom I, mit dem die mindestens eine Brennstoffzelle bzw. der Brennstoffzellenstapel des Brennstoffzellensystems durch Verbraucher (des Kraftfahrzeuges) belastet wird. Beispielsweise kann dieser Strom I von mindestens einem Verbraucher auf dem Hochvolt-Bus des Antriebssystems angefordert werden. Analog ist die bereitzustellende Leistung P bzw. Brennstoffzellenleistung P (diese Begriffe werden hier ebenfalls als Synonyme verwendet) die Leistung P, die die mindestens eine Brennstoffzelle des Brennstoffzellensystems mindestens einem Verbraucher bereitstellen muss, i. d. R. einem Verbraucher des Hochvolt-Bussystems.
  • Mindestens eine Steuervorrichtung kann dabei ein entsprechendes Steuersignal für das Brennstoffzellensystem generieren. Die Brennstoffzellenleistung P ergibt sich aus dem Brennstoffzellenstrom I und der Spannung der mindestens einen Brennstoffzelle.
  • Je nach Konzept sind etwaige Verbraucher des Brennstoffzellensystems selbst (z. B. der Oxidationsmittelförderer) zu den Verbrauchern des Hochvolt-Bussystems oder zu internen Verbrauchern des Brennstoffzellensystems zu zählen. Solche internen Verbraucher wären dann beim bereitzustellenden Brennstoffzellenstrom I bzw. bei der bereitzustellenden Brennstoffzellenleistung P zu berücksichtigen.
  • Die hier offenbarte Technologie betrifft ein Verfahren, wonach das stöchiometrische Verhältnis λ des Oxidationsmittels verändert wird, wenn der Oxidationsmittelförderer mindestens 80% oder mindestens 90% oder ca. 100% seiner maximalen Förderrate m .max für den Dauerbetrieb des Oxidationsmittelförderers erreicht hat. Die Förderrate m . gibt an, wieviel Oxidationsmittel pro Zeiteinheit vom Oxidationsmittelförderer gefördert wird. Beispielsweise kann dazu der Volumenstrom und/oder der Massenstrom an Oxidationsmittel herangezogen werden. Ist Luft das Oxidationsmittel, wird bevorzugt der Luftmassenstrom m ., also die in einer Zeiteinheit geförderte Luftmasse, verwendet. Oxidationsmittelförderer weisen in der Regel eine max. Förderrate auf, mit der sie dauerhaft, also ohne zeitliche Einschränkung, Oxidationsmittel fördern können, ohne dass der Oxidationsmittelförderer, insbesondere dessen Antriebsmotor beschädigt wird. Diese maximale Förderrate ist die maximale Förderrate für den Dauerbetrieb. Bei diesem Dauerbetrieb werden die Komponenten des Oxidationsmittelförderer (z. B. Elektromotor, Umrichter, etc.) thermisch nicht überlastet. Die maximale Förderrate für den Dauerbetrieb wird vom Hersteller der Oxidationsmittelförderer vorgegeben oder durch Versuche ermittelt.
  • Die Oxidationsmittelförderer sind i. d. R. ausgelegt, kurzzeitig Förderraten zu fördern, die höher sind als die max. Förderrate für den Dauerbetrieb. Müsste der Oxidationsmittelförderer dauerhaft solche Überlast-Förderraten fördern, so würden dessen Komponenten (z. B. Elektromotor, Umrichter, etc.) thermisch überlastet und letztendlich beschädigt. Diese Überlastfähigkeit des Oxidationsmittelförderers ist zeitlich begrenzt und hängt ab von der Höhe, der Dauer und der Häufigkeit der Überlast-Beanspruchung.
  • Die hier offenbarte Technologie betrifft ein Verfahren, wonach zum Schutz des Oxidationsmittelförderers das stöchiometrische Verhältnis λ derart verringert wird, dass mindestens eine Brennstoffzelle des Brennstoffzellensystem eine bereitzustellende Brennstoffzellenleistung P und/oder einen bereitzustellenden Brennstoffzellenstrom 1 bereitstellt, ohne dass der Oxidationsmittelförderer Oxidationsmittel mit einer Förderrate oberhalb der maximalen Förderrate fördert bzw. fördern muss.
  • Die hier offenbarte Technologie betrifft ein Verfahren, wonach der Oxidationsmittelförderer Oxidationsmittel mit einer Förderrate oberhalb der maximalen Förderrate fördert, wenn der Wert für das stöchiometrische Verhältnis λ des Oxidationsmittels einen unteren Grenzwert für das stöchiometrische Verhältnis λgrenz erreicht bzw. unterschritten hat und der Oxidationsmittelförderer bereits mit max. Förderrate Oxidationsmittel fördert. Die hier offenbarte Technologie betrifft insbesondere ein Verfahren, wonach der Oxidationsmittelförderer Oxidationsmittel mit einer Förderrate oberhalb der maximalen Förderrate nur eine Zeitspanne fördert, die kürzer ist als eine maximal zulässige Zeitspanne für den Oxidationsmittelförderer. Die maximal zulässige Zeitspanne ist dabei zweckmäßig die Zeitspanne, die vom Hersteller für Überlastbetrieb erlaubt ist.
  • In der Regel kann ein Brennstoffzellensystem in einem systemspezifischen Bereich für das stöchiometrische Verhältnis λ betrieben werden. Beispielsweise kann das System ausgelegt sein für den Betrieb mit einem stöchiometrischen Verhältnis λ von ca. 1,2 bis 2,0, bevorzugt zwischen 1,5 und 1,7. Wird nun ein unterer Grenzwert für das stöchiometrische Verhältnis λgrenz erreicht bzw. unterschritten – beispielsweise weil ein weiter erhöhter Strom I bzw. eine weiter erhöhte bereitzustellende Leistung Pl eine weitere Verringerung des stöchiometrischen Verhältnisses λ erfordern würde, damit die max. Förderrate m .max des Oxidationsmittelförderers bei Dauerbetrieb nicht überschritten würde –, kann vorgesehen sein, dass die Steuervorrichtung kurzzeitig doch einen Überlastbetrieb des Oxidationsmittelförderers zulässt, damit letztendlich das Brennstoffzellensystem weiterhin innerhalb der systemspezifischen Bereich für das stöchiometrische Verhältnis λ betrieben werden kann.
  • Die hier offenbarte Technologie betrifft ferner Steuervorrichtung zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems, wobei die Steuervorrichtung ausgebildet ist, eins oder mehrere der hier offenbarten Verfahren auszuführen. Die Steuervorrichtung kann eingerichtet sein, Oxidationsmittel durch mindestens einen Oxidationsmittelförderer zu mindestens einer Brennstoffzelle zu fördern. Ferner kann die Steuervorrichtung eingerichtet sein, das stöchiometrische Verhältnis (λ) des Oxidationsmittels zu ändern, wenn der Oxidationsmittelförderer mindestens 80% oder mindestens 90% oder mindestens 100% seiner maximalen Förderrate (m .max) bei Dauerbetrieb erreicht hat.
  • Mit anderen Worten wird bei der hier offenbarten Technologie die Dauerlastfähigkeit des Oxidationsmittelförderers mit berücksichtigt. In der Betriebsstrategie des Brennstoffzellensystems wird jedoch für einen bestimmten Bereich, insbesondere abhängig von Brennstoffzellenspannung und dem Systemwirkungsgrad, bei der Laststeigerung eine entsprechend reduzierte Luftzahl λ berücksichtigt. Durch diese Anpassung der Betriebsstrategie bleibt der Luftmassenstrom auf konstantem Niveau (entsprechend der Dauerlastfähigkeit des Kompressors) obwohl die Brennstoffzellensystemlast weiter ansteigt. Die Absenkung der Luftzahl λ bewirkt in der Regel eine Abnahme der Brennstoffzellenspannung und damit einer Abnahme der Systemeffizienz. Eine Steigerung der Systemlast ist dennoch durch diese Maßnahme möglich.
  • Die hier offenbarte Technologie wird nun anhand der schematischen 2 erläutert. Im zweiten Lastanforderungsbereich B wird, wie bei der 1, das Brennstoffzellensystem mit konstantem bzw. annähernd konstantem stöchiometrischen Verhältnis λB betrieben. Mit steigenden von der mindestens einen Brennstoffzelle bereitzustellenden Brennstoffzellenstrom I nimmt ebenfalls die Förderrate des Oxidationsmittelförderers zu bis der Oxidationsmittelförderer mit maximaler Förderrate m .max betrieben wird. Steigt nun der von den Brennstoffzellen bereitzustellende Strom I auf einen Wert oberhalb von Imax an, so greift die Steuervorrichtung dergestalt ein, dass das stöchiometrische Verhältnis λ verringert wird. Dies ist in der 2 der Bereich B', in dem das stöchiometrische Verhältnis λ hier linear abnimmt, ausgehend von dem stöchiometrischen Verhältnis λB im zweiten Lastanforderungsbereich B bis ein unterer Grenzwert λgrenz für das stöchiometrische Verhältnis erreicht ist. Dieser untere Grenzwert λgrenz ist so gewählt, dass das Brennstoffzellensystem bei einem stöchiometrischen Verhältnis oberhalb des Grenzwertes λgrenz noch sicher und effizient betrieben werden kann.
  • Der Wirkungsgrad der mindestens einen Brennstoffzelle könnte in diesem Bereich B' geringer sein als der Wirkungsgrad der Brennstoffzelle bei dem stöchiometrischen Verhältnis λB im zweiten Lastanforderungsbereich B. Dieser schlechtere Wirkungsgrad würde jedoch in Kauf genommen für einen sicheren Dauerlastbetrieb des Oxidationsmittelförderers bei höheren Lastpunkten.
  • Zweckmäßig wird der Überlast-Betrieb des Oxidationsmittelförderers in 2 verschoben zu höheren Lastanforderungsbereichen. Sofern in den Beispielen gemäß 1 und 2 dieselben Oxidationsmittelförderer eingesetzt werden, kann im Beispiel der 2 vorteilhaft der Überlastbereich Üb (= Betrieb des Oxidationsmittelförderers mit Überlast) bis zur max. bereitzustellende Brennstoffzellenleistung Imax' hinausgezögert werden. Es ist also möglich, aus einem System mit gegebenen Oxidationsmittelförderer mehr Brennstoffzellenleistung bereitzustellen.
  • In den 1 und 2 wird die hier offenbarte Technologie anhand des von der mindestens einen Brennstoffzelle bereitzustellenden Brennstoffzellenstroms I beschrieben. Gleichsam gelten die zum Brennstoffzellenstrom I angeführten Sachverhalte auch für die von der mindestens einen Brennstoffzelle bereitzustellenden Brennstoffzellenleistung P.
  • Die vorhergehende Beschreibung der vorliegenden Erfindung dient nur zu illustrativen Zwecken und nicht zum Zwecke der Beschränkung der Erfindung. Im Rahmen der Erfindung sind verschiedene Änderungen und Modifikationen möglich, ohne den Umfang der Erfindung sowie ihrer Äquivalente zu verlassen.
  • Bezugszeichenliste
    • Üb
      Überlastbereich
      m .übmax.
      Überlast-Oxidationsmittelförderrate
      A
      erster Lastanforderungsbereich
      B
      zweiterLastanforderungsbereich
      C
      dritter Lastanforderungsbereich
      I
      von den Brennstoffzellen bereitzustellender Strom
      Imax, Imax'
      max. bereitzustellender Strom
      m .max
      max. Förderrate bei Dauerbetrieb
      m .min
      Mindest-Oxidationsmittelförderrate
      λ
      stöchiometrisches Verhältnis
      λB
      stöchiometrisches Verhältnis Lastanforderungsbereich B
      λgrenz
      unterer Grenzwert für das stöchiometrische Verhältnis

Claims (8)

  1. Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems, wobei Oxidationsmittel durch mindestens einen Oxidationsmittelförderer zu mindestens einer Brennstoffzelle gefördert wird, und wobei das stöchiometrische Verhältnis (λ) des Oxidationsmittels verändert wird, wenn der Oxidationsmittelförderer mindestens 80% oder mindestens 90% oder mindestens 100% seiner maximalen Förderrate (m .max) bei Dauerbetrieb erreicht hat.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das stöchiometrische Verhältnis (λ) derart verringert wird, dass die mindestens eine Brennstoffzelle des Brennstoffzellensystems einen bereitzustellenden Brennstoffzellenstrom (I) und/oder eine bereitzustellende Brennstoffzellenleistung (P) bereitstellt, ohne dass der Oxidationsmittelförderer Oxidationsmittel mit einer Förderrate oberhalb der maximalen Förderrate (m .max) fördert.
  3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei der Oxidationsmittelförderer Oxidationsmittel mit einer Förderrate oberhalb der maximalen Förderrate (m .max) fördert, wenn der Wert für das stöchiometrische Verhältnis (λ) des Oxidationsmittels einen unteren Grenzwert für das stöchiometrische Verhältnis (λgrenz) erreicht bzw. überschritten hat.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei der Oxidationsmittelförderer Oxidationsmittel mit einer Förderrate oberhalb der maximalen Förderrate (m .max nur eine Zeitspanne fördert, die kürzer ist als eine maximal zulässige Zeitspanne für den Oxidationsmittelförderer.
  5. Steuervorrichtung zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems, wobei die Steuervorrichtung eingerichtet ist, Oxidationsmittel durch mindestens einen Oxidationsmittelförderer zu mindestens einer Brennstoffzelle zu fördern, und wobei die Steuervorrichtung eingerichtet ist, das stöchiometrische Verhältnis (λ) des Oxidationsmittels zu ändern, wenn der Oxidationsmittelförderer mindestens 80% oder mindestens 90% oder mindestens 100% seiner maximalen Förderrate (m .max) bei Dauerbetrieb erreicht hat.
  6. Steuervorrichtung nach Anspruch 5, wobei die Steuervorrichtung eingerichtet ist, das stöchiometrische Verhältnis (λ) derart zu verringern, dass die mindestens eine Brennstoffzelle des Brennstoffzellensystems einen bereitzustellenden Brennstoffzellenstrom (I) und/oder eine bereitzustellende Brennstoffzellenleistung (P) bereitstellt, ohne dass der Oxidationsmittelförderer Oxidationsmittel mit einer Förderrate oberhalb der maximalen Förderrate (m .max) fördert.
  7. Steuervorrichtung nach einem der Ansprüche 5 oder 6, wobei die Steuervorrichtung den Oxidationsmittelförderer derart steuert bzw. regelt, dass das Oxidationsmittel mit einer Förderrate oberhalb der maximalen Förderrate (m .max) gefördert wird, wenn der Wert für das stöchiometrische Verhältnis (λ) des Oxidationsmittels einen unteren Grenzwert für das stöchiometrische Verhältnis (λgrenz) erreicht bzw. überschritten hat.
  8. Steuervorrichtung nach Anspruch 7, wobei die Steuervorrichtung den Oxidationsmittelförderer derart steuert und/oder regelt, dass das Oxidationsmittel mit einer Förderrate oberhalb der maximalen Förderrate (m .max) nur eine Zeitspanne gefördert wird, die kürzer ist als eine maximal zulässige Zeitspanne für den Oxidationsmittelförderer.
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PCT/EP2017/058022 WO2017190904A1 (de) 2016-05-04 2017-04-04 Verfahren zum betrieb eines brennstoffzellensystems
CN201780016171.5A CN108780904B (zh) 2016-05-04 2017-04-04 用于运行燃料电池系统的方法
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2023152049A1 (de) * 2022-02-10 2023-08-17 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Verfahren und vorrichtung zur ermittlung des oxidationsmittel-massenstroms in einen elektrochemischen energiewandler

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112659928B (zh) * 2020-12-25 2022-05-13 中通客车股份有限公司 车载质子交换膜燃料电池动态加减载控制方法及系统

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19640808C1 (de) * 1996-10-02 1997-11-27 Siemens Ag Verfahren zum Betreiben einer PEM-Brennstoffzellenanlage
DE19701390C1 (de) * 1997-01-16 1998-04-09 Siemens Ag Verfahren zum Betreiben einer PEM-Brennstoffzellenanlage und PEM-Brennstoffzellenanlage
DE112008002749T5 (de) * 2007-10-16 2010-08-19 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha, Toyota-shi Brennstoffzellensystem und Verfahren zum Steuern einer Kompressordrehzahl
DE112009005098T5 (de) * 2009-07-30 2012-08-09 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Brennstoffzellensystem
DE112010005520T5 (de) * 2010-04-27 2013-02-21 Toyota Jidosha K.K. Brennstoffzellensystem
DE102015103981A1 (de) * 2014-04-03 2015-10-08 Ford Global Technologies, Llc Steuerung eines Brennstoffzellensystems unter Verwendung eines abgeleiteten Luftmassenflusses

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6461751B1 (en) * 1999-12-06 2002-10-08 Ballard Power Systems Inc. Method and apparatus for operating a fuel cell
US20050233182A1 (en) * 2004-04-20 2005-10-20 Fuss Robert L Method for real-time monitoring and control of cathode stoichiometry in fuel cell system
DE102007028297A1 (de) * 2007-06-20 2008-12-24 Daimler Ag Vorrichtung und Verfahren zur Versorgung einer Brennstoffzelle mit Oxidationsmittel
JP2009259758A (ja) * 2008-03-26 2009-11-05 Toyota Motor Corp 燃料電池システム及び燃料電池の運転方法

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19640808C1 (de) * 1996-10-02 1997-11-27 Siemens Ag Verfahren zum Betreiben einer PEM-Brennstoffzellenanlage
DE19701390C1 (de) * 1997-01-16 1998-04-09 Siemens Ag Verfahren zum Betreiben einer PEM-Brennstoffzellenanlage und PEM-Brennstoffzellenanlage
DE112008002749T5 (de) * 2007-10-16 2010-08-19 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha, Toyota-shi Brennstoffzellensystem und Verfahren zum Steuern einer Kompressordrehzahl
DE112009005098T5 (de) * 2009-07-30 2012-08-09 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Brennstoffzellensystem
DE112010005520T5 (de) * 2010-04-27 2013-02-21 Toyota Jidosha K.K. Brennstoffzellensystem
DE102015103981A1 (de) * 2014-04-03 2015-10-08 Ford Global Technologies, Llc Steuerung eines Brennstoffzellensystems unter Verwendung eines abgeleiteten Luftmassenflusses

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2023152049A1 (de) * 2022-02-10 2023-08-17 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Verfahren und vorrichtung zur ermittlung des oxidationsmittel-massenstroms in einen elektrochemischen energiewandler

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