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Die Erfindung betrifft Brennstoffzellensysteme, die leistungsmoduliert und überstöchiometrisch betrieben werden, sowie Kraftfahrzeuge mit derartigen Brennstoffzellensystemen.
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Aus dem Stand der Technik ist bekannt, dass in Brennstoffzellen bei gleichem Soll-Strom ein Spannungsabfall über die Zeit auftritt. Grund hierfür sind verschiedene chemische Reaktionen, die unter anderem zu einer temporären, reversiblen Degradation der in der Brennstoffzelle verwendeten Materialien und insbesondere der verwendeten Katalysatorstoffe führen. Diese Degradationseffekte sind typischer Weise spannungsabhängig, d.h. sie verstärken sich zusehends bei hohen Spannungen, während sie sich für geringere Spannungen wieder zurückbilden können.
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Ein Beispiel hierfür sind Platin-Partikel, die als Katalysatoren auf der Kathode der Brennstoffzelle angebracht sind. Hier bilden sich im Betrieb auf der Kathode spannungsgetrieben Platin-Oxid-Spezies (PtOx), deren Auf- und Abbau eine Funktion der Kathoden-Halbzellspannung und somit eine Funktion der Zellspannung ist. Dieser Aufbauprozess kann nicht verhindert werden und ist Teil des gewöhnlichen Betriebs. Je stärker die PtOx-Beladung der Kathode bzw. der Platin-Partikel, desto größer werden die Spannungsverluste.
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Die Spannungsverluste verhalten sich hierbei entsprechend der Logarithmusfunktion, d.h. die größte Änderung der Spannung erfolgt in den ersten Sekunden, danach ändert sich die Spannung nur noch langsam und schleichend. Durch Änderung des Lastpunktes, d.h. des der Brennstoffzelle entnommenen Stroms, stellt sich eine neue Zellspannung ein und es finden PtOx-Umbauprozesse statt. Ein Wechsel auf eine höhere Spannung baut mehr PtOx auf, ein Wechsel zu einer niedrigeren Spannung baut PtOx teilweise ab. Der Auf- und Abbau-Prozess ist dabei nie abgeschlossen, sondern strebt logarithmisch hin zu einem neuen elektrochemischen Gleichgewicht. Ein Wechsel zu einem hohen Lastpunkt und folglich einer niedrigeren Stapelspannung kann damit auch als Regeneration interpretiert werden, da ein Teil der unerwünschten Beladung abgebaut wird.
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Die Kenntnis derartiger Degradationseffekte und die regenerative Wirkung durch Lastwechsel führen zu dem Schluss, dass ein höherer Lastpunkt prinzipiell günstiger ist, insbesondere bei Verwendung der Brennstoffzelle in einem Fahrzeug. Da jedoch höhere Lastpunkte nicht immer durchgängig umsetzbar sind und zudem auch in diesen Lastpunkten langsame Degradation stattfindet, kann z.B. der Leistungs-Sollwert derart moduliert werden, dass im Mittel die gewünschte Leistung bei einem steten Auf- und Abbau der Degradation erreicht wird.
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Hierdurch entsteht jedoch das Problem, dass die Leistungsmodulation auch zu einer hohen Sollwert-Dynamik aller anderen Komponenten des Brennstoffzellensystems führen kann. Insbesondere die Druckregelung der Gaszufuhr der Anode und Kathode und somit alle Aktoren dafür können großen Schwankungen ausgesetzt sein. Hierbei kann speziell der Verdichter zur Versorgung der Kathode in Abhängigkeit von der jeweilige Modulation große Drehzahlbereiche durchlaufen und ist somit hohen Drehmomenten ausgesetzt. Dadurch kann es zu übermäßigem Verschleiß und vorzeitiger Alterung der gasfördernden Komponenten des Brennstoffzellensystems kommen, was in verkürzten Wartungsintervallen und erhöhten Betriebskosten resultiert.
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Die der Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe wird darin gesehen, ein Brennstoffzellensystem anzugeben, mit dem ein fortschreitender Spannungsabfall durch Degradation der Brennstoffzelle verhindert werden kann, ohne eine vorzeitige Alterung der übrigen Komponenten des Brennstoffzellensystems durch übermäßigen Verschleiß herbeizuführen.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch eine Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Patentanspruchs 8. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
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Ein Brennstoffzellensystem kann eine Brennstoffzelle mit einer Anode und einer Kathode aufweisen, die geeignet ist, unter Zuführung von Anodengas, insbesondere von Wasserstoff, zur Anode und Kathodengas, insbesondere Luft, zur Kathode eine elektrische Spannung zu erzeugen und eine zwischen Anode und Kathode geschaltete elektrische Last bei einem Lastpunkt mit elektrischem Strom zu versorgen, wobei bei einem hohen Lastpunkt ein größerer elektrischer Strom über die Last von der Kathode zur Anode fließt als bei einem niedrigen Lastpunkt und wobei bei einem hohen Lastpunkt die von der Brennstoffzelle erzeugte elektrische Spannung niedriger ist als bei einem niedrigen Lastpunkt. Das Brennstoffzellensystem kann des Weiteren eine Anodenzuleitung zum Zuführen von Anodengas aus einer Anodengasquelle auf die Anode und eine Kathodenzuleitung zum Zuführen von Kathodengas aus einer Kathodengasquelle auf die Kathode aufweisen. Zudem kann das Brennstoffzellensystem eine Steuervorrichtung aufweisen, die geeignet ist, eine Menge an zugeführtem Anodengas und eine Menge an zugeführtem Kathodengas derart einzustellen, dass an der Anode und an der Kathode stattfindende Reaktionen überstöchiometrisch ablaufen, und gleichzeitig den Lastpunkt des Brennstoffzellensystems zu variieren.
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Das Brennstoffzellensystem weist also eine im Prinzip aus dem Stand der Technik bekannte Brennstoffzelle auf, wie etwa eine Polymerelektrolytbrennstoffzelle, eine Direktmethanolbrennstoffzelle, eine alkalische Brennstoffzelle oder eine Festoxidbrennstoffzelle. Der Ausdruck „Brennstoffzelle“ soll hierbei sowohl eine einzelne aus Anode, Elektrolyt und Kathode bestehende Zelle als auch einen Stapel/Stack mehrerer derartiger Zellen beschreiben.
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Sowohl Anode als auch Kathode der Brennstoffzelle werden von entsprechenden Anoden- bzw. Kathodenzuleitungen mit den für die Reaktion in der Brennstoffzelle notwendigen Gasen versorgt. Dabei handelt es ich vorzugsweise um Wasserstoff als Anodengas und Luft als Kathodengas. Der Wasserstoff wird hierbei aus einem Tank oder einem Reformationsprozess gewonnen, während die Kathode mit (gegebenenfalls komprimierter) Umgebungsluft versorgt werden kann. Sowohl die Anodenzuleitung als auch die Kathodenzuleitung weisen die üblichen Einheiten zur Förderung des Gases zur Anode und Kathode auf, wie z.B. Pumpen, Kompressoren, Ventile und dergleichen, die einem Fachmann bekannt sind und die deshalb hier nicht weiter beschrieben werden müssen.
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Die Brennstoffzelle kann bei verschiedenen Lastpunkten betrieben werden, d.h. Strom und Spannung der Zelle können gemäß einer Strom-Spannungs-Charakteristik der Brennstoffzelle festgesetzt werden. Als „hoher Lastpunkt“ wird im Folgenden ein Betrieb bei vergleichsweise großem Stromfluss und vergleichsweise geringer Spannung bezeichnet. Dementsprechend wird als „niedriger Lastpunkt“ ein Betrieb bei geringem Stromfluss und großer Spannung verstanden. Die Brennstoffzelle kann dabei derart betrieben werden, dass eine Erhöhung des Stromes auch zu einer Steigerung der entnommenen Leistung führt. Ein höherer Lastpunkt generiert somit auch eine größere Leistung .
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Das Brennstoffzellensystem führt mittels einer Steuervorrichtung, z.B. einem Computer, einer CPU, einem Prozessor oder dergleichen, eine Variation des Lastpunktes durch, z.B. durch eine Sinusmodulation des Leistungs-Sollwerts der Brennstoffzelle, um durch stetige Spannungsvariation die Auswirkungen der reversiblen Degradation zu minimieren und somit den zusätzlichen Spannungsabfall zu begrenzen. Die Steuervorrichtung kann hierzu z.B. auf elektronische Weise Wiederstände oder andere Energieabnehmer zwischen Anode und Kathode schalten.
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Gleichzeitig gewährleistet die Steuervorrichtung durch entsprechende Steuerung der Gaszufuhrkomponenten des Brennstoffzellensystems, dass die zugeführten Mengen von Anoden- und Kathodengas groß genug sind, um einen überstöchiometrischen Betrieb der Brennstoffzelle sicherzustellen. Der Begriff „überstöchiometrisch“ bezieht sich hierbei auf die Menge an Gas, die notwendig ist, die für den entsprechenden Lastpunkt notwendige Anzahl von stromführenden Elektronen zu erzeugen. Ein stöchiometrischer Betrieb wäre also gegeben, wenn die für den elektrischen Strom bei entsprechendem Lastpunkt notwendigen Elektronen gerade durch die im zugeführten Gas vorhandenen Reaktanten erzeugt werden können. Sind mehr Reaktaten als hierfür notwendig im Gasstrom vorhanden, ist der Betrieb überstöchiometrisch. Hierzu sei auch beispielhaft auf die
US 2003/0022043 A1 , die
US 2008/0131743 A1 und die
WO 2014/174301 A2 verwiesen.
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Das Brennstoffzellensystem gewährleistet, dass während der Lastpunktvariation für die Reaktionen an Anode und Kathode eine ausreichend große Gasmenge vorhanden ist, um diese überstöchiometrisch betreiben zu können. Durch diese neue Betriebsführung wird die Gaszufuhr auf ein hinreichend hohes, überstöchiometrisches Niveau eingestellt (fiktiver Einstellungspunkt), um die Brennstoffzelle auch für maximalen Stromverbrauch noch überstöchiometrischen betreiben zu können. Starke Schwankungen in der Gaszufuhr und damit einhergehende große Änderungen in Betriebsparametern der Komponenten der Gaszufuhr, wie z.B. Drehzahlen, Kompressionsdrücke oder dergleichen, werden damit unterbunden.
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Damit wird ein übermäßiger Verschleiß dieser Komponenten vermieden. Aufgrund der ebenfalls vorgenommenen Lastpunktvariation kann aber auch ein Spannungsabfall der Brennstoffzelle über die Zeit vermieden werden.
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Die Steuervorrichtung kann hierbei geeignet sein, die Mengen von zugeführtem Anodengas und zugeführtem Kathodengas derart auf erste konstante Werte einzustellen, dass während des Betriebs des Brennstoffzellensystems bei hohen Lastpunkten an der Anode und an der Kathode stattfindende Reaktionen überstöchiometrisch ablaufen. Die Steuervorrichtung stellt die Gaszufuhr also nicht nur auf einen überstöchiometrischen Betrieb ein, sie tut dies auch derart, dass die Mengen an zugeführtem Gas konstant bleiben. Zusätzlicher Verschleiß durch sich ändernde Gasmengen ist damit ausgeschlossen, wodurch die Lebensdauer der Gaszufuhrkomponenten weiter erhöht wird.
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Die Mengen von zugeführtem Anodengas und zugeführtem Kathodengas können hierbei zu einem Verhältnis von zugeführten Reaktanten zu für eine stöchiometrische Reaktion notwendigen Reaktanten führen, dass für hohe Lastpunkte kleiner ist als für niedrige Lastpunkte. Es wird also für hohe Lastpunkte, d.h. für hohe Stromflüsse eine Menge an Gas bereitgestellt, die über der Menge liegt, die notwendig wäre, sämtliche Elektronen des Stromflusses zu erzeugen. Dies ist auch für niedrige Lastpunkte der Fall. Aufgrund der niedrigeren Stromflüsse und der konstanten Gaszufuhr liegt das Verhältnis für niedrige Lastpunkte höher als für hohe Lastpunkte. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass Leistungsspitzen bei hohen Lastpunkten aufgefangen werden können und dass der Gasstrom ausreichend stark ist, um Reaktionsprodukte, wie z.B. Wasser, aus der Brennstoffzelle abzuführen. Andererseits soll die Überstöchiometrie derart eingestellt werden, dass durch Purge-Verluste nicht zu viel Anodengas verloren geht oder dass zu viele Gasverunreinigungen (wie z.B. Luftstickstoff) durch den hohen Gasstrom in die Brennstoffzelle gelangen. Zudem soll durch die Überstöchiometrie der Gasdruck in den Leistungssystemen nicht auf Werte steigen, die eine übermäßige Belastung hervorrufen.
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Die Steuervorrichtung kann zusätzlich oder alternativ geeignet sein, die Mengen von zugeführtem Anodengas und zugeführtem Kathodengas derart auf zweite konstante Werte einzustellen, dass die Mengen für die an der Anode und an der Kathode stattfindenden Reaktionen im zeitlichen Mittel stöchiometrisch sind. Auch in diesem alternativen Betriebsmodus wird die Gaszufuhr also konstant gehalten. Ausschlaggebend ist aber nicht mehr eine dauerhafte Überstöchiometrie, sondern dass Phasen des überstöchiometrischen Betriebs ausreichend zahlreich sind und in derart hochfrequenter Abfolge auftreten, dass der über ein vorgegebenes Zeitintervall genutzte Strom durch die in dieser Zeit insgesamt zugeführten Gasmengen stöchiometrisch erzeugt werden kann. Auch in diesem Fall wird der Materialverschleiß durch die konstante Gaszufuhr verringert, während durch die Lastpunktvariation dem Spannungsabfall über die Zeit entgegengewirkt wird.
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Die Steuervorrichtung kann zusätzlich oder alternativ geeignet sein, die Mengen von zugeführtem Anodengas und zugeführtem Kathodengas im zeitlichen Verlauf entsprechend der Modulation des Lastpunkts des Brennstoffzellensystems zu modulieren, wobei eine Abweichung der Mengen von einem Mittelwert maximal 10%, bevorzugt maximal 5%, weiter bevorzugt maximal 3% beträgt. Bei ständig überstöchiometrischem Betrieb wird zwar eine Variation der Gaszufuhr erlaubt, diese ist jedoch im Vergleich zur durch die Lastpunktvariation hervorgerufenen Änderung der Stromwerte abgemildert. Materialverschleiß kann auch bei einer derart milden Variation der Gaszufuhr verringert werden, da sich die Betriebsparameter weniger stark ändern. Zudem kann die Menge an zugeführtem Gas im Vergleich zu einem Betrieb mit konstanter Gaszufuhr verringert werden, da insbesondere bei einem Betrieb bei geringen Lastpunkten weniger Gas zugeführt werden muss. Dadurch kann der Gasverbrauch, insbesondere von Anodengas, verringert werden.
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Das Brennstoffzellensystem kann des Weiteren einen Energiespeicher für elektrische Energie aufweisen, vorzugsweise ein Batteriesystem, wobei die Steuervorrichtung geeignet ist, den Lastpunkt des Brennstoffzellensystems durch Variation der Stromzuführung in den Energiespeicher zu variieren. Derartige Energiespeicher können z.B. als Puffer von Leistungsspitzen oder für die Bereitstellung von Start-Energie in Fahrzeugen dienen. Das Laden dieser Energiespeicher erfolgt typischer Weise mit einer konstanten, regelbaren Soll-Leistung, die von der Brennstoffzelle geliefert wird. Dieser Soll-Leistung lässt sich aber die Variation des Lastpunktes aufmodulieren, z.B. durch Änderung der Stromzuführung, wodurch eine Änderung der Leistungsaufnahme erfolgt. Auf diese Weise kann die Lastpunktvariation in einfacher Weise mittels Komponenten erfolgen, die für den Betrieb des Brennstoffzellensystems ohnehin notwendig sind.
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Die Kathode kann Platin-Partikel aufweisen, die bei niedrigen Lastpunkten mit Sauerstoff zu Platin-Oxid-Spezies reagieren, wobei die Platin-Oxid-Spezies bei hohen Lastpunkten zurück zu Platin und Sauerstoff reagieren. Die Lastpunktvariation dient in diesem Fall also dazu, durch beständigen Auf- und Abbau von PtOx den Spannungsabfall in der Brennstoffzelle gering zu halten.
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Ein Kraftfahrzeug kann ein Brennstoffzellensystem aufweisen, wie es vorher beschrieben wurde. Durch die Verringerung des Verschleißes der Gaszufuhrkomponenten der oben beschriebenen Brennstoffzelle wird ein mit einer solchen Zelle ausgestattetes Kraftfahrzeug weniger wartungsanfällig. Neben einem Kraftfahrzeug kann das Brennstoffzellensystem mit ähnlichen Vorteilen auch in beliebigen anderen Fahrzeugen, wie Flugzeugen, Schiffen oder U-Booten, oder auch in stationären Stromerzeugungsanlagen verwendet werden.
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Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die Figuren. Dabei zeigt:
- 1 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems;
- 2A und 2B einen schematischen Vergleich von Variationen einer Gaszufuhr; und
- 3 eine schematische Darstellung eines Kraftfahrzeugs mit einem Brennstoffzellensystem.
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Die 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems 100. Die Anordnung sämtlicher Komponenten des Brennstoffzellensystems 100 ist hier rein symbolisch und soll insbesondere die räumliche Lage der einzelnen Komponenten nicht einschränken, außer dies ist explizit erwähnt.
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Das Brennstoffzellensystem 100 der 1 weist eine Brennstoffzelle 110 auf. Die Brennstoffzelle 110 weist einen typischen, dem Fachmann bekannten Aufbau aus einer Anode 112, einer Kathode 114 und einem dazwischenliegenden Elektrolyten 116 auf. Durch Zuführung von Anodengas auf die Anode 112 und Kathodengas auf die Kathode 114 kann die Brennstoffzelle 110 eine Spannung und einen entsprechenden Laststrom erzeugen, der durch eine Last 120 fließt. Der Begriff „Brennstoffzelle“ soll hier neben der in der 1 aus Gründen der Übersichtlichkeit gezeigten Einzelzelle auch einen Stapel/Stack von Einzelzellen umfassen. Da der Aufbau und die Funktion derartiger Brennstoffzellen 110 einem Fachmann bekannt ist, kann auf eine detaillierte Beschreibung an dieser Stelle verzichtet werden.
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Das Anodengas wird der Anode 112 hierbei aus einer Anodengasquelle 130, wie z.B. einem Tank oder einem Reformationsprozess, über eine Anodenzuleitung 132 zugeführt. Die Menge des zugeführten Anodengases ist dabei durch eine erste Zufuhreinrichtung 134 festgelegt, die z.B. verschiedene Pumpen, Kompressoren oder Ventile aufweisen kann. Die Anodenzuleitung 132 kann hierbei auch aus einem Leitungssystem bestehen, das z.B. auch eine Anodengasrezirkulation oder eine Ablassleitung für Anodengas umfasst. Bei dem Anodengas handelt es sich vorzugsweise um Wasserstoff.
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Ebenso wird das Kathodengas aus einer Kathodengasquelle 140, wie z.B. der Umgebungsluft oder einem Tank, über eine Kathodenzuleitung 142 auf die Kathode 114 geführt. Die Menge des Kathodengases wird durch eine zweite Zufuhreinrichtung 144 festgelegt, die ebenfalls z.B. verschiedene Pumpen, Kompressoren, oder Ventile aufweisen kann. Die Kathodenzuleitung 142 kann hierbei auch aus einem Leitungssystem bestehen. Bei dem Kathodengas handelt es sich vorzugsweise um Luft.
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Die Mengen an Anodengas und Kathodengas, die der Brennstoffzelle 110 zugeführt werden, werden durch eine Steuereinheit 150 gesteuert bzw. geregelt. Die Steuereinheit 150 steuert hierzu die Komponenten der ersten und zweiten Zufuhreinrichtung 134, 144. Hierdurch kann die Menge von Reaktanten, die die Anode 112 und/oder die Kathode 114 erreichen, zeitlich variiert und eingestellt werden.
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Die Brennstoffzelle 100 weist Komponenten in der Anode 112, der Kathode 114 oder im Elektrolyten 116 auf, die während des Betriebs aufgrund der von der Brennstoffzelle 100 bereitgestellten Spannung chemischen Reaktionen unterliegen, die über die Zeit zu einem Abnehmen der von der Brennstoffzelle 100 erzeugbaren Spannung führen. Derartige Prozesse treten insbesondere für hohe Spannungen auf, während sie sich für niedrige Spannungen zum Teil umkehren.
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Eine derartige Komponente können Platinpartikel sein, die als Katalysatoren auf der Kathode 114 abgeschieden sind und die durch das Erzeugen einer hohen Spannung zwischen Anode 112 und Kathode 114 mit Sauerstoff zu Platin-Oxid-Spezies PtOx reagieren, das sich bei niedrigen Spannungen zum Teil oder vollständig zurück in Platin und Sauerstoff wandelt.
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Um einen zu großen Spannungsabfall im Laufe der Zeit zu verhindern, variiert die Steuervorrichtung 150 einen Lastpunkt des Brennstoffzellensystems 110 derart, dass Phasen hohen Stromflusses/hoher Leistung und niedriger Spannung (hoher Lastpunkt) und Phasen niedrigen Stromflusses/niedriger Leistung und hoher Spannung einander abwechseln. Dies kann z.B. dadurch geschehen, dass die Steuervorrichtung 150 den Strompfad von Kathode 114 zu Anode 112 durch Zuschalten von elektronischen Komponenten, wie z.B. Impedanzen oder Widerständen, verändert. Ebenso kann die Steuervorrichtung 150 die Lastaufnahme in der Last 120 oder den Stromdurchfluss durch die Last 120 verändern.
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Insbesondere kann es sich bei der Last 120 um einen Energiespeicher wie etwa ein Batteriesystem handeln, in den die von der Brennstoffzelle 110 erzeugte Energie ganz oder teilweise gespeichert wird. Dies kann insbesondere bei der Verwendung des Brennstoffzellensystems 100 in einem Fahrzeug von Vorteil sein, dass für den Start unmittelbar auf elektrische Energie zurückgreifen können muss. Die Veränderung des Lastpunktes kann hierbei z.B. durch Modulation eines Sinus auf den Leistungs-Sollwert des Energiespeichers bewirkt werden.
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Hierbei kann die Gaszufuhr durch Anodenzuleitung 132 und Kathodenzuleitung 142 der Änderung des Lastpunktes folgen. Dies ist äußerst schematisch in der 2A gezeigt. Hier stellt die Kurve A eine Variation des Lastpunktes dar, der eine Variation des Laststroms entspricht. Die Kurve B zeigt die Menge an zugeführtem Gas und soll symbolisieren, dass die prozentuale Variation in der Gaszufuhr ähnlich stark ist wie die prozentuale Änderung des Laststroms. Hierdurch werden Betriebsparameter, wie z.B. Drehmomente oder Kompressionsdrücke, der ersten und zweiten Zufuhreinrichtungen 134, 144 starken Schwankungen ausgesetzt, die zu einer starken mechanischen Belastung der Komponenten der Zufuhreinrichtungen 134, 144 führen. Dies resultiert in übermäßigem Verschleiß und einer verkürzten Lebensdauer dieser Komponenten.
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Um dieses Problem zu beseitigen, steuert die Steuervorrichtung 150 die Zufuhreinrichtungen 134, 144 derart, dass stets überstöchiometrische Bedingungen an der Anode 112 und der Kathode 114 herrschen, bzw. lässt solche überstöchiometrischen Bedingungen zu.
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Der Begriff überstöchiometrisch bezieht sich hier auf das Verhältnis der Menge der tatsächlich vorhandenen Reaktanten und der Menge an Reaktanten, die notwendig ist, einen bestimmten Stromfluss zu erzeugen.
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Betrachtet man z.B. die Teilgleichungen der Anode und Kathode für einen sauren Elektrolyten
2 H2 + 4 H2O → 4 H3O+ + 4 e- (Anode)
O2 + 4 H3O+ + 4 e- → 6 H2O (Kathode)
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So ist bei einem Strom von 4 Elektronen pro Zeiteinheit die Reaktion an der Anode 112 überstöchiometrisch, wenn mehr als 2 Wasserstoffmoleküle in dieser Zeiteinheit zugeführt werden. An der Kathode 114 ist die Reaktion bei diesem Strom überstöchiometrisch, wenn mehr als ein Sauerstoffmolekül pro Zeiteinheit zugeführt wird.
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Durch das Zulassen bzw. Setzen von überstöchiometrischen Reaktionsbedingungen gerade in Phasen mit niedrigem Lastpunkt, d.h. niedrigem Laststrom, kann die Schwankung der Betriebsparameter der Zufuhreinrichtungen 134, 144 derart reduziert werden, dass übermäßiger Verschleiß ihrer Komponenten verhindert wird.
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Hier kann es sich insbesondere anbieten jegliche Variation der Betriebsparameter der Zufuhreinrichtungen 134, 144 zu unterbinden, indem die zugeführte Menge an Anodengas und/oder Kathodengas auf einen konstanten Wert eingestellt wird. Dies kann für die gesamte Betriebsdauer des Brennstoffzellensystems 100 geschehen oder zumindest solange eine gleichbleibende Leistung aus der Brennstoffzelle 110 gewonnen wird. Dadurch erfolgt eine möglichst geringe Änderung der Betriebsparameter der Zufuhreinrichtungen 134, 144, die naturgemäß besonders schonend für deren Komponenten ist.
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Die konstanten Werte für Anodengas- und Kathodengasmenge können hierbei auf ein erstes Wertepaar eingestellt werden, dass einen überstöchiometrischen Betrieb in jedem Fall erlaubt, d.h. insbesondere für hohe Lastpunkte. Die Menge an Anoden- und Kathodengas kann hierbei basierend auf der maximalen Stromstärke festgesetzt werden, die während der Variation des Lastpunktes auftreten kann. Die Überstöchiometrie ist hierbei das Verhältnis der tatsächlich pro Zeiteinheit vorhandenen Reaktanten zu den für den derzeitigen Strombedarf stöchiometrisch notwendigen Reaktanten. Aus den obigen Teilgleichungen folgt z.B. dass einer Überstöchiometrie von 1,5 drei Wasserstoffmolekülen pro 4 erzeugter Elektronen entsprechen.
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In einem alternativen Betriebsmodus kann die Steuervorrichtung 150 die Anodengas- und die Kathodengasmenge auf ein zweites Wertepaar derart einstellen, dass eine konstante Gasmenge zugeführt wird, die im zeitlichen Mittel zu einem stöchiometrischen Betrieb der Brennstoffzelle 110 führt.
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Dadurch kann die Gasmenge im Vergleich zu einem auch im Falle des maximalen Strombedarfs überstöchiometrischen Betrieb verringert werden, wodurch insbesondere der Verbrauch von Anodengas verringert werden kann. Die Gasmengen können hierbei, z.B. von der Steuervorrichtung 150, basierend auf einem Modell des Betriebs bei einer bestimmten Lastpunktvariation bestimmt werden.
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Als weiterer alternativer Betriebsmodus kann eine Variation der Gasmengenzufuhr von der Steuervorrichtung 150 gestattet werden, die derart schwach ausgeprägt ist, dass es zu keiner Schädigung und/oder zu keinem übermäßigen Verschleiß der Komponenten der Zufuhreinrichtungen 134, 144 kommt. Die Variation der Gasmengen folgt dabei (gegebenenfalls mit einem leichten zeitlichen Versatz aufgrund der Trägheit der Gasflusssteuerung) der Variation des Lastpunktes bzw. der Variation des Stromflusses. Im Gegensatz zu dem in der 2A gezeigten Fall wird hierbei aber, wie durch die Kurve C in der 2B symbolhaft dargestellt, die Stärke der Variation stark reduziert. Zum Beispiel kann die maximale Abweichung von einem Mittelwert der Gaszufuhrmenge 10%, 5%, 3% oder auch nur 1% betragen. Die Menge an zugeführtem Anoden- bzw. Kathodengas soll hierbei aber stets ausreichend sein, um einen überstöchiometrischen Betrieb garantieren zu können.
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Auch hier wird im Vergleich zu einem Betrieb mit konstanten Gasmengen, der ausreicht, auch für maximale Lastpunkte Überstöchiometrie zu gewährleisten, insbesondere Anodengas eingespart, da die während niedriger Lastpunkte zugeführte Menge reduziert werden kann. Um die Gaszufuhrkomponenten zu schonen, wird diese Reduktion jedoch nicht voll ausgeschöpft, wodurch der gedämpfte Variationsverlauf resultiert.
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Bei sämtlichen der oben aufgezählten Betriebsmodi wird also trotz stattfindender Lastpunktvariation ein übermäßiger Verschleiß von Gaszufuhrkomponenten vermieden und hierdurch die Gesamtlebensdauer des Brennstoffzellensystems 100 verlängert.
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Wie in der 3 gezeigt kann das oben beschriebene Brennstoffzellensystem 100 bevorzugt in Kraftfahrzeugen 200 eingesetzt werden. Die oben genannten Vorteile können also auch für den Antrieb von Kraftfahrzeugen 200 mit Brennstoffzellen genutzt werden. Zudem weisen derartige Kraftfahrzeuge 200 eine geringere Lärmemission auf, da der durch starkes Auf- und Abregeln der Gaszufuhrkomponenten erzeugte Lärm wegfällt. Mit dem oben beschriebenen Brennstoffzellensystem 100 betriebene Kraftfahrzeuge 200 können also auch einen Beitrag zur Verringerung der Lärmbelästigung durch den Verkehr leisten.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2003/0022043 A1 [0014]
- US 2008/0131743 A1 [0014]
- WO 2014/174301 A2 [0014]
