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Die hier offenbarte Technologie betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems.
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Bei Brennstoffzellensystemen treten verschiedene Alterungsmechanismen auf, die sich beispielsweise auf die Zellmembran oder den Katalysator der Brennstoffzelle auswirken können. Ein Alterungsmechanismus wird durch die an der Brennstoffzelle anliegende Spannung begünstigt. Im Betrieb der Brennstoffzelle sollten i.d.R. hohe Zellspannungen nahe an der Leerlaufspannung vermieden werden. Vorbekannte Lösungen sehen zur Verringerung von Zelldegradation vor, während der Kaltstartphase den Energieverbrauch bzw. die Belastung der Zellen zu steigern, beispielsweise indem elektrische Verbraucher im Kraftfahrzeug (z.B. ein Heizgerät) als elektrische Leistungssenken eingesetzt werden. Dadurch verschiebt sich der Lastpunkt auf der Polarisationskurve in Richtung höhere Stromdichten bei geringeren Zellspannungen. Dieses Vorgehen kann teilweise nicht energieeffizient oder nur eingeschränkt möglich sein.
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Es ist eine bevorzugte Aufgabe der hier offenbarten Technologie, zumindest einen Nachteil von einer vorbekannten Lösung zu verringern oder zu beheben oder eine alternative Lösung vorzuschlagen. Es ist insbesondere eine bevorzugte Aufgabe der hier offenbarten Technologie, ein Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems bereitzustellen, bei dem energieeffizient Alterungseffekte verringert werden können, wobei bevorzugt gleichzeitig auch eine thermische Sollleistung bereitgestellt werden kann. Weitere bevorzugte Aufgaben können sich aus den vorteilhaften Effekten der hier offenbarten Technologie ergeben. Die Aufgabe(n) wird/werden gelöst durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche. Die abhängigen Ansprüche stellen bevorzugte Ausgestaltungen dar.
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Die hier offenbarte Technologie betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems, wobei ein Brennstoffzellenstapel des Brennstoffzellensystems mindestens eine Brennstoffzelle umfasst; wobei ein aktueller oder prognostizierter Stapelspannungswert eine aktuelle oder prognostizierte Spannung von der mindestens einen Brennstoffzelle und/oder vom Brennstoffzellenstapel repräsentiert; und wobei ein maximaler Stapelspannungswert eine maximal zulässige Spannung der mindestens einen Brennstoffzelle und/oder vom Brennstoffzellenstapel repräsentiert; umfassend den Schritt, wonach ein stöchiometrisches Verhältnis eines Oxidationsmittels verringert wird, falls der aktuelle oder prognostizierte Stapelspannungswert den maximalen Stapelspannungswert übersteigt.
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Die hier offenbarte Technologie betrifft also ein Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems mit mindestens einer Brennstoffzelle. Das Brennstoffzellensystem ist beispielsweise für mobile Anwendungen wie Kraftfahrzeuge (z.B. Personenkraftwagen, Krafträder, Nutzfahrzeuge) 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 wird mit Brennstoff versorgt. Bevorzugte Brennstoffe sind: Wasserstoff, niedrigmolekularer Alkohol, Biokraftstoffe, oder verflüssigtes Erdgas. Die Kathode wird mit Oxidationsmittel versorgt. 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®.
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Ein Brennstoffzellensystem umfasst neben der mindestens einen Brennstoffzelle periphere Systemkomponenten (BOP-Komponenten), die beim Betrieb der mindestens einen Brennstoffzelle zum Einsatz kommen können. In der Regel sind mehrere Brennstoffzellen zu einem Brennstoffzellenstapel bzw. Stack zusammengefasst.
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Das Brennstoffzellensystem umfasst i.d.R. ein Kathodensubsystem. Das Kathodensubsystem wird aus den oxidationsmittelführenden Bauelementen gebildet. Ein Kathodensubsystem kann mindestens einen Oxidationsmittelförderer, mindestens eine zum Kathodeneinlass führende Kathodenzuleitung, mindestens eine vom Kathodenauslass wegführende Kathodenabgasleitung, einen Kathodenraum im Brennstoffzellenstapel, sowie weitere Elemente aufweisen. Hauptaufgabe des Kathodensubsystems ist die Heranführung und Verteilung von Oxidationsmittel an die elektrochemisch aktiven Flächen des Kathodenraums und die Abfuhr von unverbrauchtem Oxidationsmittel.
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Das hier offenbarte System umfasst mindestens einen Oxidationsmittelförderer. Der Oxidationsmittelförderer ist eingerichtet, das an der elektrochemischen Reaktion beteiligte Oxidationsmittel zur mindestens einen Brennstoffzelle zu fördern. Der Oxidationsmittelförderer (auch Fluidfördereinrichtung genannt) kann beispielsweise als Kompressor bzw. Verdichter ausgebildet sein, besonders bevorzugt als luftgelagerter Turbokompressor, Turboverdichter, bzw. Kreiselverdichter.
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Die Aufwärmphase ist dabei die Phase, in der das Brennstoffzellensystem auf die Betriebstemperatur (z.B. 60°C oder 70°C) erwärmt wird. Die Aufwärmphase beginnt i.d.R. mit der Aktivierung des Brennstoffzellensystems und endet mit dem Erreichen der Sollbetriebstemperatur. Während der Aufwärmphase wird das Brennstoffzellensystem derart betrieben (gesteuert bzw. geregelt), dass sich das Brennstoffzellensystem (zumindest die temperatur- bzw. frostkritischen Teile des Systems) schneller und bevorzugt effizienter erwärmen als beim Betrieb nach Abschluss der Aufwärmphase. Während der Aufwärmphase steht also nicht die optimale Bereitstellung von elektrischer Energie im Vordergrund, sondern die schnelle und gleichzeitig schonende Aufwärmung des Brennstoffzellensystems. Der Fahrbetrieb des Kraftfahrzeugs kann vom Fahrzeug bzw. von einer Steuerung während der Aufwärmphase zumindest zeitweise unterbunden werden. Die Aktivierung des Brennstoffzellensystems kann durch ein Signal des Benutzers oder durch irgendein anderes Signal (z.B. von einer Vorkonditionierung Einrichtung) erfolgen.
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Der aktuelle oder prognostizierte Stapelspannungswert repräsentiert direkt oder indirekt die aktuelle und/oder prognostizierte Spannung der mindestens einen Brennstoffzelle und/oder vom Brennstoffzellenstapel. Bevorzugt ist der aktuelle oder prognostizierte Stapelspannungswert die Spannung der mindestens einen Brennstoffzelle, die beispielsweise über ein Zellüberwachungssystem (engl. „cell voltage monitoring system“) erfasst werden kann. Ebenso ist vorstellbar, dass als aktueller oder prognostizierter Stapelspannungswert direkt oder indirekt die Gesamtspannung am Brennstoffzellenstapel ermittelt wird, die direkt mit der Spannung der mindestens einen Brennstoffzelle korreliert. Ebenso ist denkbar, dass anstatt einer Spannung andere Werte erfasst werden, die mit der Stapelspannung bzw. der Spannung der mindestens einen Brennstoffzelle korrelieren. Ein prognostizierter Stapelspannungswert kann beispielsweise mittels eines Kennfeldes (z.B. Polarisationskurven für verschiedene Betriebsparameter des Brennstoffzellensystems) bestimmt werden. Ferner können zur Prognose auch Umgebungsdaten (z.B. Wetterdaten) und/oder Navigationsdaten herangezogen werden.
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Der maximale Stapelspannungswert repräsentiert eine maximal zulässige Spannung der mindestens einen Brennstoffzelle und/oder vom Brennstoffzellenstapel. Der maximale Spannungswert kann dabei direkt die maximale Spannung sein oder aber ein anderer Wert, der indirekt indikativ für die maximale Spannung ist. Der maximale Spannungswert kann insbesondere ein Wert sein, der als obere Grenze vorgesehen ist, damit eine unerwünschte Zelldegradation stark verringert bzw. vermieden werden kann. Der maximale Stapelspannungswert kann beispielsweise direkt mit der Leerlaufspannung des Brennstoffzellensystems korrelieren. Der Stapelspannungswert kann beispielsweise zwischen 80 % und 100%, bevorzugt zwischen 85% und 95% der Leerlaufspannung betragen. Der Stapelspannungswert kann beispielsweise zwischen 0,70 V und 0,85 V, bevorzugt zwischen 0,80 V und 0,85 V betragen.
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Die hier offenbarte Technologie umfasst den Schritt, wonach ein stöchiometrische Verhältnis vom der mindestens einen Brennstoffzelle zugeführten Oxidationsmittel verringert wird, falls der aktuelle oder prognostizierte Stapelspannungswert einen maximalen Stapelspannungswert übersteigt, so dass sich (zweckmäßig bei gleichbleibenden Iststromwert) der aktuelle Stapelspannungswert reduziert bzw. reduzieren wird.
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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 m
L-tats ins Verhältnis zur mindestens notwendigen stöchiometrischen Luftmasse m
L-st, die für eine vollständige elektrochemische Reaktion in der mindestens einen Brennstoffzelle benötigt wird. Es gilt also:
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Ein elektrischer Soll-Leistungswert repräsentiert eine bereitzustellende elektrische Systemsollleistung des Brennstoffzellensystems. Ferner repräsentiert ein elektrischer Ist-Leistungswert eine bereitzustellende elektrische Ist-Leistung des Brennstoffzellensystems. Beispielsweise kann die vom Brennstoffzellenstapel bereitgestellte elektrische Leistung der elektrische Ist-Leistungswert sein. Alternativ oder zusätzlich könnte aber auch ein anderer Wert herangezogen werden, der indikativ für die elektrische Ist-Leistung des Brennstoffzellenstapels ist. Beispielsweise die Leistungsabgabe an einer in Bezug auf das Brennstoffzellensystem externen Last. Auch könnten auch Messdaten von der mindestens einen Brennstoffzelle als elektrischer Ist-Leistungswert herangezogen werden.
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Das hier offenbarte Verfahren kann den Schritt umfassen, wonach das stöchiometrische Verhältnis so bzw. solange reduziert wird, bis der Ist-Leistungswert im Wesentlichen gleich dem Soll-Leistungswert ist. Insbesondere kann hierzu das stöchiometrische Verhältnis stufenweise reduziert werden. „Im Wesentlichen gleich“ bedeutet in diesem Zusammenhang, dass der Ist-Leistungswert gleich dem Soll-Leistungswert ist oder sich von dem Soll-Leistungswert nur im vernachlässigbar geringen Maße unterscheidet, der für den Betrieb des Brennstoffzellensystems irrelevant ist.
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Das hier offenbarte Verfahren kann den Schritt umfassen, wonach zur Veränderung des stöchiometrischen Verhältnisses ein entsprechendes Steuersignal an den Oxidationsmittelförderer gesendet wird.
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Das hier offenbarte Verfahren kann den Schritt umfassen, wonach der maximale Stapelspannungswert variiert wird in Abhängigkeit vom thermischen Soll-Leistungswert. Der thermische Soll-Leistungswert repräsentiert eine bereitzustellende thermische Sollleistung, die das Brennstoffzellensystem bereitstellen soll. Beispielsweise kann die thermische Sollleistung ein Wärme(ab)strom sein, den das Brennstoffzellensystem mindestens einem externen Wärmeverbraucher bereitstellt. Beispielsweise kann das Brennstoffzellensystem zur Klimatisierung des Fahrgastinnenraums Wärme bereitstellen. Diese Wärme kann beispielsweise im Brennstoffzellenstapel und/oder durch den Oxidationsmittelförderer erzeugt werden. Gemäß dem hier offenbarten Verfahren wird insbesondere durch die Verringerung des maximalen Stapelspannungswerts indirekt bewirkt, dass bei der elektrochemischen Reaktion im Brennstoffzellenstapel mehr Wärme erzeugt wird. Die Wärme kann dann beispielsweise über geeignete Wärmetauscher im Kühlkreissystem und/oder im Brennstoffzellenabgassystem dem externen Wärmeverbraucher bereitgestellt werden.
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Bevorzugt kann insbesondere während einer Aufwärmphase des Brennstoffzellensystems der maximale Stapelspannungswert reduziert werden. Insbesondere kann während einer Aufwärmphase des Brennstoffzellensystems der maximale Stapelspannungswert einen größeren Sicherheitsabstand zur Leerlaufspannung in der Aufwärmphase aufweisen als der maximale Stapelspannungswert in einer anderen Betriebsphase, die nicht zur Aufwärmphase gehört. Der Abstand zur Leerlaufspannung kann dabei variieren mit dem bereitzustellenden thermischen Soll-Leistungswert und/oder der gewünschten Aufwärmgeschwindigkeit für das Brennstoffzellensystem.
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Zweckmäßig ist das Brennstoffzellensystem an eine externe Last angeschlossen. Die externe Last können dabei beispielsweise die elektrischen Verbraucher und elektrischen Energiespeicher eines Kraftfahrzeugs ausbilden, die nicht zum Brennstoffzellensystem gehören. Das Brennstoffzellensystem kann einen Spannungswandler umfassen, der das elektrische Koppelglied zwischen der externen Last und dem Brennstoffzellensystem ausbildet. Der Spannungswandler ist bevorzugt als Gleichspannungswandler ausgebildet, der auch als DC/DC-Wandler bezeichnet werden kann. Der Spannungswandler kann hierzu an einem elektrischen Zwischenkreis des Kraftfahrzeuges angeschlossen sein. Der Spannungswandler kann als Hochsetzsteller und/oder als Tiefsetzsteller fungieren. Der Spannungswandler kann selbst ein Steuergerät besitzen. Alternativ kann die Steuerfunktionalität auch vom Steuergerät des Brennstoffzellensystems und/oder von einem übergeordneten Steuergerät übernommen werden.
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Der Spannungswandler gibt hier die Last auf den Brennstoffzellenstapel vor. Das Brennstoffzellensystem kann in einem spannungsgeführten, einem leistungsgeführten oder einem stromgeführten Modus betreibbar sein.
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Die Belastung des Brennstoffzellenstapels, insbesondere der gezogene elektrische Strom, erfolgt über den Spannungswandler. Der Spannungswandler kann je nach Modus (Spannung/Strom/Leistung) unterschiedliche Vorgaben bekommen. Im Spannungsmodus bekommt der Spannungswandler eine Spannungsvorgabe und zieht den Strom (d.h. belastet den Brennstoffzellenstapel) bis die Sollspannung eingestellt ist. Im Strommodus wird direkt der Strom (d.h. die Brennstoffzellenstapellast) vorgegeben und reagieren über die Vorgabe auf die „Antwort des Brennstoffzellenstapels“, die Spannung bzw. Leistung. Gleichsam wird im Leistungsmodus vom Spannungswandler die elektrische Leistung vorgegeben.
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Im spannungsgeführten Modus gibt mindestens ein Steuergerät (i.d.R. vom Brennstoffzellensystem) eine Spannung vor, die der externen Last vom Brennstoffzellensystem bereitgestellt wird. Beispielsweise kann zur Vorgabe der Spannung der Spannungswandler als Stelleinrichtung eingesetzt werden. Es kann insbesondere der maximale Stapelspannungswert des Spannungswandlers vorgegeben werden. Bevorzugt kann der maximale Stapelspannungswert vom Steuergerät festgelegt werden unter Berücksichtigung vom thermischen Soll-Leistungswert und/oder der maximalen Spannung, bei der noch keine Zelldegradation auftritt.
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Insbesondere in diesem spannungsgeführten Modus kann vorgesehen sein, dass das stöchiometrische Verhältnis verändert wird, damit einerseits die Sollleistung bereitgestellt wird und gleichzeitig nicht sich ein zu hoher Stapelspannungswert einstellt.
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Im strom- und/oder leistungsgeführten Modus kann das mindestens eine Steuergerät (i.d.R. vom Brennstoffzellensystem) einen elektrischen Strom bzw. eine elektrische Leistung vorgeben, die die externe Last vom Brennstoffzellensystem zieht. Beispielsweise kann hierzu der Spannungswandler als Stelleinrichtung eingesetzt werden. Die Brennstoffzelle antwortet auf diesen Belastungsstrom, die die externe Last zieht, mit einer Stapelspannung. Zweckmäßig kann hierzu anhand eines Kennfeldes ein Sollstromwert bestimmt werden. Das Kennfeld kann insbesondere dergestalt sein, das verschiedenen Leistungsanforderungen an das Brennstoffzellensystem verschiedene Belastungsstromwerte zugeordnet sind.
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Ein Strommindestleistungswert kann eine elektrische Systemmindestleistung für den stromgeführten Modus des Brennstoffzellensystems sein. Ein bereitzustellender Soll-Leistungswert unterhalb vom Strommindestleistungswert kann bei der hier offenbarten Technologie dazu führen, dass das Brennstoffzellensystem nicht im stromgeführten Modus betrieben wird. Der Strommindestleistungswert kann beispielsweise Werte aufweisen zwischen 2% und 20%, besonders bevorzugt 5% und 10% der Nennleistung des Brennstoffzellensystems. Bevorzugt ist der Strommindestleistungswert so gewählt, dass unzulässig hohe Zellspannungen sicher vermieden werden können.
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Ein Ist-Stromwert kann den augenblicklichen Strom repräsentieren, mit dem der Brennstoffzellenstapel durch die externe Last belastet wird. Dabei ist also der Brennstoffzellenstapel passiv und reagiert auf die Vorgabe von der Stelleinrichtung (i.d.R. ein Spannungswandler).
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Das Brennstoffzellensystem kann im spannungsgeführten Modus betrieben werden,
- a) falls der elektrische Soll-Leistungswert kleiner ist als der Strommindestleistungswert; und/oder
- b) falls der prognostizierte Stapelspannungswert oberhalb vom maximalen Stapelspannungswert liegt; und/oder
- c) falls der aktuelle Stapelspannungswert oberhalb vom maximalen Stapelspannungswert liegt.
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Mit anderen Worten betrifft die hier offenbarte Technologie ein Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems, bei dem die Luftversorgung variiert wird, um zu hohe Zellspannungen zu vermeiden. Die Zellspannungen der Brennstoffzelle reagieren sehr sensitiv auf die richtige Versorgung von Oxidationsmittel (i.d.R. Luft). In der Regel wird ein Brennstoffzellenstapel mit einer Luftstöchiometrie von 1.5 bis 2.0 betrieben. Wobei für den Normalbetrieb das Optimum aus Nutzen (maximale Zellspannung) zu Aufwand (Kompressorarbeit) die Luftzahl λ definiert. Mit kleineren Luftzahlen λ sinken die Zellspannungen und auch das Streuband der Zellspannungen über den Brennstoffzellenstapel wird breiter. Dieses Verhalten kann nun genutzt werden, um nun eine Maximalspannung bei kleiner Last nicht zu überschreiten. Die Luftzahl λ kann demnach jeweils soweit verändert, insbesondere reduziert werden, dass die vorgegebene Zellspannung nicht überschritten wird. Im Falle einer kleinen Leistungsvorgabe z.B. von der Hybridstrategie an das Brennstoffzellensystem (0 bis ca. 6kW, bei begrenzter Aufnahmekapazität der HV-Batterie) kann mit der hier beschriebenen Betriebsstrategie sowohl die Dauerhaltbarkeitsanforderung der Brennstoffzelle als auch ein minimaler Wasserstoffverbrauch realisiert werden.
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Die hier offenbarte Technologie wird nun anhand der Figuren erläutert. Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung einer Polarisationskurve und einer Leistungskennlinie; und
- 2 eine schematisches Ablaufdiagramm des hier offenbarten Verfahrens.
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Die 2 zeigt ein schematisches Ablaufdiagramm des hier offenbarten Verfahrens. Im Schritt 100 wird die Leistungsanforderung bzw. der elektrische Soll-Leistungswert Psoll von einer externen Last erfasst. Die externe Last sei hier ein Zwischenspannungskreis von einem Kraftfahrzeug. Im Schritt 200 wird überprüft, ob der elektrische Soll-Leistungswert Psoll kleiner ist als der Strommindestleistungswert Pmin. Ist dies der Fall, so wird das Brennstoffzellensystem im spannungsgeführten Modus betrieben. Dazu erfolgt hier die Leistungsregelung des Brennstoffzellensystems über eine Spannungsregelung des Spannungswandlers. Hierzu wird im Schritt 320 dem Spannungswandler die Soll-Spannung U_DCDC,soll vorgegeben. Die Soll-Spannung U_DCDC,soll wird ermittelt unter Berücksichtigung des maximalen Stapelspannungswertes Umax. Der maximale Stapelspannungswert wiederum ist ein Wert, der hier von einer Wärmeanforderung (= thermische Soll-Leistung) und/oder Vorgaben zur Vermeidung von Zelldegradation abhängt. Basierend auf der elektrischen und/oder thermischen Soll-Leistung erfolgt im Schritt 330 die Leistungsregelung, die hier einen Soll-Ist-Abgleich umfasst. Daraus können Steuer bzw. Regelsignale resultieren, die eine Veränderung des Kathoden-Luftmassenstroms bewirken. Die Veränderung des Kathoden-Luftmassenstroms geht einher mit einem geänderten stöchiometrischen Verhältnis des Oxidationsmittels (z.B. Luft).
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Ist der elektrische Soll-Leistungswert Psoll nicht kleiner als der Strommindestleistungswert Pmin, so erfolgt die Leistungsregelung im Schritt 400 über eine Stromregelung des Spannungswandlers. Hierzu können Leistungskennlinien (vgl. 1) herangezogen werden, die beispielsweise während der Entwicklung eines Brennstoffzellensystems aufgenommen wurden und in der Steuerung fest hinterlegt sind. Solche Vorsteuer-Kennfelder sind dem Fachmann bekannt. Aus dem Kennfeld folgt der SollStromwert Ireq, mit dem die externe Last (DCDC) die Brennstoffzelle bzw. den Brennstoffzellenstapel belasten soll. Der elektrische Soll-Leistungswert Psoll beschreibt die Systemnettoleistung des Brennstoffzellensystems, die auf dem Hochvoltbus zum Antrieb des Fahrzeugs, zum Laden der Hochvoltbatterie oder zum Betreiben anderer Nebenaggregate benötigt wird. Der Systemleistungsregler hat hier die Aufgabe, mögliche Abweichungen des Vorsteuerkennfeldes auszugleichen. Stellgröße ist hierbei der Brennstoffzellenstapel-Strom und Regelgröße die Systemnettoleistung.
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Die 1 zeigt im oberen Teil verschiedene Polarisationskurven. Mit einer durchgehenden Linie ist die Polarisationskurve für ein stöchiometrisches Verhältnis von λ1 = 1,5 gezeigt. Gestrichelt gezeigt ist die Polarisationskurve für ein stöchiometrisches Verhältnis von λ2 = 1,3. Strichpunktiert gezeigt ist hier die Polarisationskurve für ein stöchiometrisches Verhältnis von λ3 = 1,1. Die Polarisationskurve ist dabei eine Strom-Spannungskennlinie bzw. eine Stromdichte-Spannungskennlinie für das jeweilige stöchiometrische Verhältnis λ. Die Spannung ist dabei die Spannung einer einzelnen Brennstoffzelle oder aber des Brennstoffzellenstapels. Der Strom bzw. die Stromdichte ist dabei der elektrische Strom bzw. die elektrische Stromdichte, der/die durch die mindestens eine Brennstoffzelle fließt.
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Die 1 zeigt im unteren Teil verschiedene Strom-Leistungskennlinien in Abhängigkeit vom stöchiometrischen Verhältnis λ. Mit einer durchgehenden Linie ist die Leistungskurve für ein stöchiometrisches Verhältnis von λ1 = 1,5 gezeigt. Gestrichelt gezeigt ist die Leistungskurve für ein stöchiometrisches Verhältnis von λ2 = 1,3. Strichpunktiert gezeigt ist hier die Leistungskurve für ein stöchiometrisches Verhältnis von λ3 = 1,1.
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Soll nun die elektrische Ist-Leistung Pist,1 verringert werden auf eine elektrische Soll-Leistung Psoll, die geringer ist als die Strommindestleistung, so wird das Brennstoffzellensystem spannungsgeführt betrieben. Hier beträgt beispielsweise zu einem ersten Zeitpunkt das Luftverhältnis λ1 = 1,5. Würde nun bei gleichbleibenden Luftverhältnis λ die Stromstärke I reduziert, so würde die Zellspannungen ansteigen auf einen Wert, der größer ist als die maximale Stapelspannung Umax. Um dies zu vermeiden wird der Kathoden-Luftmassenstroms im Schritt 340 so reduziert, dass die Zellspannung deutlich absinkt. Anschließend kann die Stromstärke I reduziert werden. Durch die Reduktion der Stromstärke I steigt die Zellspannung entlang der gestrichelten Linie für λ2 = 1,3 wieder an. Wird abermals die maximale Stapelspannung Umax erreicht, so wird gemäß der hier offenbarten Technologie erneut das stöchiometrische Verhältnis λ reduziert auf den Wert λ3 = 1,1, so dass die Zellspannung erneut absinkt. Dieser Vorgang wiederholt sich, bis die gewünschte elektrische Soll-Leistung Psoll erreicht ist.
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Vorteilhaft lässt sich gemäß der hier offenbarten Technologie ein Brennstoffzellensystem in einem ersten Modus wirkungsgradoptimiert betreiben. Ferner vorteilhaft lässt sich in dem spannungsgeführten Modus Zelldegradation auch bei sehr geringen Leistungsanforderungen vermeiden.
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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. Teilweise wurde vereinfachend im Figurenteil der Beschreibung direkt auf physikalische Größen wie elektrische Spannung, Stromstärke und Stromdichte abgestellt. Gleiche Zusammenhänge gelten natürlich auch für etwaige Größen, die diese physikalischen Größen direkt oder indirekt repräsentieren (z.B. thermischer bzw. elektrischer Soll-Leistungswert, thermischer bzw. elektrischer Ist-Leistungswert, Strommindestleistungswert, Stapelspannungswert, etc.)
