-
Die Erfindung betrifft Brennstoffzellensysteme, die dauerhaft bei hohen Lastpunkten betrieben werden, Verfahren zum Betreiben derartiger Brennstoffzellensysteme sowie Kraftfahrzeuge mit derartigen Brennstoffzellensystemen.
-
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.
-
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. Er beginnt üblicher Weise bei Zellspannungen von ca. 0,4 V. Je stärker die PtOx-Beladung der Kathode bzw. der Platin-Partikel, desto größer werden die Spannungsverluste.
-
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.
-
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. Hohe Lastpunkte sind aber bei einem längeren Betrieb der Brennstoffzelle in der Regel nicht durchgängig umsetzbar.
-
Die der Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe wird darin gesehen, ein Brennstoffzellensystem anzugeben, bei dem ein fortschreitender Spannungsabfall durch Degradation der Brennstoffzelle verhindert werden kann, insbesondere durch den Betrieb der Brennstoffzelle bei hohen Lastpunkten.
-
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Brennstoffzelle mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, durch eine Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Patentanspruchs 8 und durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 9. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
-
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 und eine größere elektrische Leistung erzeugt wird 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 weist zudem eine Steuervorrichtung auf, die geeignet ist, als Last eine elektrische Batterie und/oder ein elektrisches Gerät mit der Spannung zu versorgen und einen Lastpunkt für den Betrieb der Brennstoffzelle festzulegen. Hierbei ist die Steuervorrichtung geeignet, die Brennstoffzelle stets bei hohen Lastpunkten zu betreiben, vorzugsweise bei Spannungen zwischen Anode und Kathode von weniger als 0,7 V oder 0,65 V, mit der von der Brennstoffzelle erzeugten Leistung zunächst das elektrische Gerät zu betreiben und mit der überschüssigen Leistung die Batterie zu laden.
-
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 eine einzelne aus Anode, Elektrolyt und Kathode bestehende Zelle beschreiben, wobei das Brennstoffzellensystem eine Mehrzahl von derartigen zu einem Stapel/Stack verbundenen Brennstoffzellen aufweisen kann und jede dieser Brennstoffzellen wie oben und im Folgenden beschrieben ausgestaltet sein kann.
-
Die Brennstoffzelle kann im Prinzip 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.
-
Die Lastpunktsteuerung wird innerhalb des Brennstoffzellensystems mittels einer Steuervorrichtung vorgenommen, z.B. einem Computer, einer CPU, einem Prozessor oder dergleichen. Dies kann insbesondere dadurch geschehe, dass die Steuervorrichtung Strompfade von der Kathode zur Anode derart schaltet, dass verschiedene Verbraucher (z.B. auch Wiederstände oder Impedanzen) als Last zwischen die Kathode und die Anode geschalten werden.
-
Um die übermäßige Degradation der Brennstoffzelle mit der Zeit zu verhindern, stellt die Steuervorrichtung den Lastpunkt für den Betrieb der Brennstoffzelle stets auf einen hohen Wert ein, z.B. auf Lastpunkte, in denen die Spannung kleiner als 0,7 V oder 0,65 V ist.
-
Die daraus resultierenden hohen Leistungen werden primär dazu verwendet, ein elektrisches Gerät anzutreiben, für dessen Betrieb das Brennstoffzellensystem eigentlich vorgehalten wird, wie z.B. einen Elektromotor eines Fahrzeugs. Bei dem „elektrischen Gerät“ kann es sich aber z.B. auch um das öffentliche Stromnetz handeln, in das von dem Brennstoffzellensystem eine gewisse Leistung einzuspeisen ist, bzw. die an das Stromnetz angeschlossenen Verbraucher.
-
Wird die von der Brennstoffzelle bei den verwendeten hohen Lastpunkten erzeugte hohe Leistung nicht vollständig von dem elektrischen Gerät benötigt, d.h. ist die Leistungsanforderung des elektrischen Geräts kleiner als die aufgrund des hohen Lastpunktes vorhandene Leistung, wurde gemäß des Stands der Technik der Lastpunkt der Brennstoffzelle dem Leistungsbedarf des elektrischen Geräts angepasst. Die daraus resultierende hohe Spannung führt aber zu den eingangs beschriebenen Degradationseffekten.
-
Um dieses Problem zu lösen, weist das Brennstoffzellensystem Schaltungen auf, die es der Steuervorrichtung ermöglichen, alternativ oder zusätzlich zu dem elektrischen Gerät eine Batterie mit Spannung zu versorgen, um diese zu laden. Die überschüssige Leistung wird also von der Batterie aufgenommen, wodurch ein Herabsetzen des Lastpunktes und damit eine übermäßige Degradation der Brennstoffzelle verhindert werden kann.
-
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. Die Steuervorrichtung ist hierbei geeignet, eine Menge an zugeführtem Kathodengas einzustellen, einen Ladezustand der Batterie zu überwachen, das Zuführen von Kathodengas zu unterbrechen, wenn der Ladezustand der Batterie einen ersten Grenzwert überschreitet, insbesondere einen Wert zwischen 70 % und 100 % der vollen Batterieladung, und das elektrische Gerät bei nicht arbeitender Brennstoffzelle durch in der Batterie gespeicherte elektrische Energie zu betreiben.
-
Sowohl Anode als auch Kathode der Brennstoffzelle werden also 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. Die Mengen an zugeführtem Anoden- bzw. Kathodengas können hierbei von der Steuervorrichtung eingestellt bzw. bestimmt werden.
-
Wie oben dargestellt, nimmt die Batterie die aus dem steten Betrieb bei hohen Lastpunkten resultierende überschüssige Leistung auf. Um zu vermeiden, dass es zu einer Schädigung der Batterie durch Überladung kommt, überwacht die Steuervorrichtung den Ladezustand der Batterie. Überschreitet dieser einen ersten Grenzwert, der definiert, dass die Batterie (nahezu) vollständig geladen ist, also z.B. 70 %, 80%, 90%, 95% oder 99% Vollladung, so unterbricht die Steuervorrichtung die Zufuhr von Kathodengas, d.h. im Regelfall die Luftzufuhr zur Kathode. Dadurch stoppt die Stromerzeugung der Brennstoffzelle mangels Reaktionspartner an der Kathode, d.h. die Brennstoffzelle wird rasch in einen Ruhezustand versetzt, in dem keine Leistung erzeugt wird. Das bloße Fehlen von Kathodengas ist hierbei für die Brennstoffzelle unschädlich, so dass dieser Ruhezustand auch über längere Zeit gehalten werden kann, gegebenenfalls eingeschränkt durch Änderungen anderer Betriebsparameter wie der Temperatur aufgrund der unterbrochenen Reaktion.
-
Durch die Unterbrechung der Leistungserzeugung in der Brennstoffzelle wird also auch die Leistungsaufnahme in der Batterie unterbrochen und eine Überladung vermieden. Zudem kann die Batterie von der Steuervorrichtung derart mit dem elektrischen Gerät verbunden werden, dass das Gerät bei unterbrochenem Betrieb der Brennstoffzelle von der Batterie mit elektrischer Energie versorgt wird. Die Batterie wird also entladen, während die Brennstoffzelle im Ruhezustand ist.
-
Schlussendlich sinkt im Ruhezustand der Brennstoffzelle auch die Brennstoffzellenspannung auf null. Dadurch kommt es zur Regeneration von Degradationen der Brennstoffzelle, die auch bei einem Betrieb bei hohen Lastpunkten nicht vollständig vermieden werden konnten, insbesondere kann PtOx zurück zu Platin gewandelt werden.
-
Auf diese Weise ist es also möglich, die Degradation der Brennstoffzelle durch den Wechsel zwischen einem Betrieb bei hohen Lastpunkten und einer Betriebsunterbrechung gering zu halten bzw. vollständig zu regenerieren. Zudem kann bei niedrigem Leistungsbedarf die Batterie aufgrund der großen bereitgestellten Leistung relativ rasch geladen werden. Die Brennstoffzelle ist also nur kurz in Betrieb, wodurch eine eventuell dennoch stattfindende Degradation verringert wird. Insbesondere kann die Ausbildung von Tiefenoxiden verhindert werden, die zu einer erhöhten Wahrscheinlichkeit von irreversiblen Degradationen durch Auflösung/Auswaschung der betroffenen Katalysatoren führt. Durch all dies kann die mittlere System-Effizienz erhöht werden.
-
Die Steuervorrichtung kann geeignet sein, das Zuführen von Kathodengas bei nahezu voll geladener Batterie nur dann zu unterbrechen, wenn die von dem elektrischen Gerät benötigte Leistung kleiner ist, als die von der Brennstoffzelle bereitgestellte Leistung. Hierdurch kann erreicht werden, dass das elektrische Gerät möglichst lange durch die Brennstoffzelle betrieben wird, falls dies gewünscht ist.
-
Die Steuervorrichtung kann geeignet sein, das Zuführen von Kathodengas wieder aufzunehmen, wenn der Ladezustand der Batterie einen vorzugsweise von dem ersten Grenzwert verschiedenen, zweiten Grenzwert unterschreitet, insbesondere einen Wert zwischen 10 % und 30 % der vollen Batterieladung. Dadurch wird verhindert, dass die Batterie durch zu starke Entladung geschädigt wird. Durch Wiederaufnahme des Betriebs der Brennstoffzelle wird das elektrische Gerät wieder von der Brennstoffzelle mit Strom versorgt und die Batterie gegebenenfalls geladen, bis der erste Grenzwert erreicht wird.
-
Alternativ oder zusätzlich kann die Steuervorrichtung geeignet sein, das Zuführen von Kathodengas wieder aufzunehmen, wenn die Steuervorrichtung eine Leistungsanforderung durch das elektrische Gerät prognostiziert, die durch die Batterie nicht bedient werden kann. Die Steuervorrichtung ist in diesem Fall in der Lage z.B. basierend auf einer Betriebshistorie, einer Tageszeitprognose oder eines Fahrtabschnittes einer von einem Brennstoffzellenfahrzeug zurückzulegenden Strecke, einen kommenden Leistungsbedarf des elektrischen Geräts zu berechnen. Ist aufgrund der Überwachung des Ladezustands der Batterie oder aufgrund der von der Batterie abrufbaren Maximalleistung vorauszusehen, dass dieser Leistungsbedarf von der Batterie nicht gedeckt werden kann bzw. zu einer Beschädigung der Batterie führt, wird die Brennstoffzelle wieder in Betrieb genommen, um zusätzlich Leistung bereitzustellen. Dadurch kann stets genügend Leistung vorgehalten werden und eine Beschädigung der Batterie durch Überlastung verhindert werden.
-
Die Steuervorrichtung kann geeignet sein, die Brennstoffzelle direkt nach dem Aufnehmen des Zuführens von Kathodengas bei hohen Lastpunkten zu betreiben. Die Brennstoffzelle liefert also sofort nach Inbetriebnahme durch Wiederzuführen von Kathodengas wieder nahezu maximale Leistung bei möglichst geringer Spannung. Dadurch wird ebenfalls die übermäßige Degradation der Brennstoffzelle vermieden.
-
Das Brennstoffzellensystem kann des Weiteren die elektrische Batterie und das elektrische Gerät aufweisen. Dadurch ist es möglich, Brennstoffzelle, Batterie und elektrisches Gerät, z.B. einen Elektromotor, als kompakt ausgestaltete Modulkomponente bereitzustellen, die sofort nach dem Einbau betriebsbereit ist.
-
Ein Kraftfahrzeug kann ein Brennstoffzellensystem wie es zuvor beschrieben wurde aufweisen, wobei das elektrische Gerät ein Elektromotor des Kraftfahrzeugs ist. Dies erlaubt es, ein im Vergleich zu herkömmlichen Brennstoffzellen-Kraftfahrzeugen effizienteres Kraftfahrzeug zur Verfügung zu stellen. 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.
-
Ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems wie es oben beschrieben wurde umfasst: Versorgen einer elektrische Batterie und/oder eines elektrischen Geräts mit der Spannung der Brennstoffzelle; Festlegen eines Lastpunkts für den Betrieb der Brennstoffzelle derart, dass die Brennstoffzelle stets bei hohen Lastpunkten betrieben wird, vorzugsweise bei Spannungen zwischen Anode und Kathode von weniger als 0,7 V oder 0,65 V; Betreiben zunächst des elektrischen Geräts mit der von der Brennstoffzelle erzeugten Leistung; und Laden der Batterie mit der überschüssigen Leistung. Durch dieses Verfahren lassen sich die oben beschriebenen Vorteile Realisieren.
-
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;
- 2 eine schematische Darstellung eines Kraftfahrzeugs;
- 3 eine schematische Darstellung eines Verlaufs einer in einer Brennstoffzelle erzeugten Spannung;
- 4 ein schematisches Ablaufdiagram eines Verfahrens zum Betreiben einer Brennstoffzelle.
-
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.
-
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. Die gezeigte Einzelzelle kann hierbei auch zu einem Stapel/Stack von Einzelzellen erweitert werden, wobei die Steuerung aller Einzelzellen der im Folgenden beschriebenen Steuerung der gezeigten Brennstoffzelle 110 entspricht. Da der Aufbau und die Funktion derartiger Brennstoffzellen 110 einem Fachmann bekannt ist, kann auf eine detaillierte Beschreibung an dieser Stelle verzichtet werden.
-
Die Last 120 weist hierbei eine elektrische Batterie 122 und ein elektrisches Gerät 124 auf, das mittels der von der Brennstoffzelle 110 erzeugten elektrischen Energie angetrieben wird, bzw. wird durch diese konstituiert. Zum Beispiel kann es sich bei dem elektrischen Gerät 124 um einen Elektromotor handeln. Bei dem elektrischen Gerät 124 kann es sich aber auch um ein öffentliches Stromnetz bzw. die daran angeschlossenen Verbraucher handeln. Sowohl die Batterie 122 als auch das elektrische Gerät 124 können hierbei mit der Brennstoffzelle 110 eine funktionale Einheit bilden und also Teil des Brennstoffzellensystems 100 sein. Die Batterie 122 und das Gerät 124 können aber auch von dem Brennstoffzellensystem 100 separiert sein. Das Brennstoffzellensystem 100 weist dann nur Schaltverbindungen zu der Batterie 122 und dem elektrischen Gerät 124 auf.
-
Diese Schaltverbindungen werden von einer Steuervorrichtung 130 kontrolliert, die damit den Stromfluss bzw. die Leistungsaufnahme durch die Batterie 122 und das elektrische Gerät 124 steuern kann. Insbesondere ist die Steuervorrichtung 130 in der Lage, durch Einbringen entsprechender Schaltelemente oder Lasten den Arbeits- oder Lastpunkt der Brennstoffzelle 110 zu regeln. Eine Charakteristik von Brennstoffzellen ist hierbei, dass hohe Lastpunkte in einem größeren Stromfluss und einer höheren Leistungsabgabe resultieren als niedrige Lastpunkte, während die Spannung bei hohen Lastpunkten kleiner als bei niedrigen Lastpunkten ist. Durch Erhöhung der von der Brennstoffzelle 110 geforderten Leistung lässt sich also der Lastpunkt der Brennstoffzelle 110 erhöhen.
-
Das Brennstoffzellensystem 100 kann des Weiteren eine Anodengasquelle 140 aufweisen, aus der der Anode 112 das Anodengas über eine Anodenzuleitung 142 zugeführt wird. Hierbei kann es sich z.B. um einen Tank oder einen Reformationsprozess handeln. Die Menge des zugeführten Anodengases ist dabei durch eine erste Zufuhreinrichtung 144 festgelegt, die z.B. verschiedene Pumpen, Kompressoren oder Ventile aufweisen kann. Die Anodenzuleitung 142 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.
-
Ebenso wird das Kathodengas aus einer Kathodengasquelle 150, wie z.B. der Umgebungsluft oder einem Tank, über eine Kathodenzuleitung 152 auf die Kathode 114 geführt. Die Menge des Kathodengases wird durch eine zweite Zufuhreinrichtung 154 festgelegt, die ebenfalls z.B. verschiedene Pumpen, Kompressoren, oder Ventile aufweisen kann. Die Kathodenzuleitung 152 kann hierbei auch aus einem Leitungssystem bestehen. Bei dem Kathodengas handelt es sich vorzugsweise um Luft.
-
Die Mengen an Anodengas und Kathodengas, die der Brennstoffzelle 110 zugeführt werden, werden durch die Steuervorrichtung 130 gesteuert bzw. geregelt. Die Steuervorrichtung 130 steuert hierzu die Komponenten der ersten und zweiten Zufuhreinrichtung 144, 154. Hierdurch kann die Menge von Reaktanten, die die Anode 112 und/oder die Kathode 114 erreichen, zeitlich variiert und eingestellt werden.
-
Die Brennstoffzelle 110 weist Komponenten in der Anode 112, der Kathode 114 oder im Elektrolyten 116 auf, die während des Betriebs aufgrund der von der Brennstoffzelle 110 bereitgestellten Spannung chemischen Reaktionen unterliegen, die über die Zeit zu einem Abnehmen der von der Brennstoffzelle 110 erzeugbaren Spannung führen. Derartige Prozesse treten insbesondere für hohe Spannungen auf, während sie sich für niedrige Spannungen zum Teil umkehren.
-
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, die sich bei niedrigen Spannungen zum Teil oder vollständig zurück in Platin und Sauerstoff wandeln.
-
Um eine derartige Degradation der Brennstoffzelle 110 gering zu halten setzt die Steuervorrichtung 130 stets einen hohen Lastpunkt für den Betrieb der Brennstoffzelle 110 fest. Insbesondere kann die Steuervorrichtung 130 Lasten 120 derart mit der Brennstoffzelle 110 verbinden, dass die von der Brennstoffzelle 110 erzeugte Spannung einen Wert von 0,7 V, 0,65 V oder 0,5 V nicht überschreitet, da bei derart niedrigen Zellspannungen Degradationseffekte unterdrückt sind.
-
Der Betrieb der Brennstoffzelle 110 bei hohen Lastpunkten geht mit einer erhöhten Leistungsabgabe der Brennstoffzelle 110 einher. Mit der erzeugten elektrischen Energie wird zunächst der Leistungsbedarf des elektrischen Geräts 124 bedient, d.h. das elektrische Gerät wird voll mittels der von der Brennstoffzelle 110 erzeugten Leistung betrieben. Kommt es zu Situationen, in denen die Brennstoffzelle 110 über den Bedarf des elektrischen Geräts hinaus noch Leistung bereitstellen kann, wird diese Leistung zum Laden der elektrischen Batterie 122 verwendet. Dadurch wird vermieden, dass ein niedriger Energiebedarf des elektrischen Geräts 124 zu einem Betrieb der Brennstoffzelle 110 bei niedrigen Lastpunkten und damit bei hoher Spannung führt. Damit kann ein zu großer Spannungsabfall im Laufe der Zeit verhindert werden.
-
Erzeugt die Brennstoffzelle 110 über einen längeren Zeitraum mehr Energie als von dem elektrischen Gerät 124 benötigt wird, so kann dies zu einer Überladung der Batterie 122 führen. Deshalb kann die Brennstoffzelle 110 in einen Ruhezustand versetzt werden, in dem sie keine weitere Energie erzeugt, wenn die Batterie 122 nahezu voll geladen ist. Der Ruhezustand kann z.B. bei einem Wert zwischen 70% und 100% der Vollladung der Batterie 122 angenommen werden, z.B. bei 75%, 80%, 95% oder 99%.
-
Als zusätzliche Bedingung für das Annehmen des Ruhezustands kann hierbei gelten, dass die Brennstoffzelle 110 tatsächlich überschüssige Energie erzeugt. Verbraucht das elektrische Gerät 124 sämtliche von der Brennstoffzelle 110 gelieferte Energie bzw. muss Energie zusätzlich aus der Batterie 122 entnommen werden, so muss die Brennstoffzelle 110 auch bei nahezu vollständiger Ladung der Batterie 122 nicht in den Ruhezustand versetzt werden.
-
Um den Ruhezustand setzen zu können, überwacht die Steuervorrichtung 130 den Ladezustand der Batterie 122. Übersteigt dieser einen ersten Grenzwert, so unterbricht die Steuervorrichtung 130 mittels der zweiten Zufuhreinrichtung 154 die Versorgung der Kathode 114 mit Kathodengas. Die Anode 112 kann hierbei weiter mit Anodengas versorgt werden. Durch die Unterbrechung der Kathodengaszufuhr kommen die energieerzeugenden Reaktionen innerhalb der Brennstoffzelle 110 zum Erliegen. Damit wird die Energiezufuhr der Batterie 122 unterbrochen, bevor diese durch Überladen beschädigt werden kann. Zudem fällt die Spannung der Brennstoffzelle 110 auf (nahezu) null, wodurch sich reversible Degradationseffekt zurückbilden.
-
Gleichzeitig mit dem Eintreten des Ruhezustands stellt die Steuervorrichtung 130 die Stromversorgung des elektrischen Geräts 124 von der Brennstoffzelle 110 auf die Batterie 122 um. Dadurch wird zum einen sichergestellt, dass es zu keinem Ausfall des elektrischen Geräts 124 kommt. Zum anderen wird die Batterie 122 wieder entladen, um später wieder als Energiepuffer zur Verfügung zu stehen.
-
Zu diesem Zweck überwacht die Steuervorrichtung 130 weiterhin den Ladezustand der Batterie 122. Fällt dieser unter einen zweiten Grenzwert, der kleiner als der erste Grenzwert sein und z.B. zwischen 10 % und 30 % der vollen Batterieladung betragen kann, so fährt die Steuervorrichtung 130 die Kathodengaszufuhr wieder hoch und legt die Last 120 an die Brennstoffzelle 110 an. Dadurch liefert die Brennstoffzelle 110 direkt nach Beendigung des Ruhezustandes wieder Energie bei hohen Lastpunkten. Es tritt also kein Übergangsbetrieb bei hohen Spannungen auf.
-
Alternativ oder zusätzlich kann der Ruhezustand auch beendet werden, wenn die von der Batterie 122 zur Verfügung gestellte Leistung nicht ausreicht, um den Leistungsbedarf des elektrischen Geräts 124 zu decken. Zum Beispiel kann bei einer bereits merklichen Leistungsminderung des elektrischen Geräts 124, die Brennstoffzelle 110 wieder reaktiviert werden. Vorteilhafter ist es, wenn die Steuervorrichtung 130 in der Lage ist, einen zu erwartenden Leistungsbedarf des elektrischen Geräts 124 zu prognostizieren, mit der aus der Batterie 122 verfügbaren Leistung zu vergleichen und die Brennstoffzelle 110 rechtzeitig wieder zu aktivieren, um stets genügend Leistung bereitstellen zu können, wenn die aus der Batterie 122 verfügbare Leistung hierfür zu gering ist.
-
Die Bedarfsprognose kann hierbei z.B. auf Erfahrungswerten, auf Analysen vorheriger Betriebszyklen und/oder auf mathematischen Modellen beruhen. Zum Beispiel kann in einem Brennstoffzellenkraftwerk mit Pufferspeicher der Strombedarf im Tagesverlauf herangezogen werden, während in einem Brennstoffzellenfahrzeug der Energieverbrauch basierend auf der ausgewählten Strecke abgeschätzt werden kann.
-
Auch im Fall einer Reaktivierung aufgrund eines erhöhten Leistungsbedarfs werden Betriebszustände mit hohen Zellspannungen vermieden, d.h. die Brennstoffzelle 110 wird umgehend bei hohen Lastpunkten betrieben, um eine übermäßige Degradation zu vermeiden.
-
Der Ruhezustand kann also womöglich nur für kurze Zeit angenommen werden. Ebenso ist es möglich, dass die Brennstoffzelle 110 nur kurzzeitig betrieben wird, da aufgrund der großen Leistungsabgabe in den hohen Lastpunkten bei einer geringen Leistungsaufnahme durch das elektrische Gerät 124 die Batterie 122 relativ rasch geladen werden kann. Dies kann vorteilhaft sein, da durch die Vermeidung langer Haltezeiten bei einer bestimmten Spannung der Aufbau von Tiefenoxiden, insbesondere von PtOx, minimiert werden kann. Dadurch verringert sich die Gefahr irreversibler Degradationen der Brennstoffzelle 110.
-
Die 2 zeigt in schematischer Weise ein Kraftfahrzeug 200 mit einem Brennstoffzellensystem 100, wie es oben beschrieben wurde. Das Kraftfahrzeug 200 weist hierbei einen Elektromotor zum Antreiben des Kraftfahrzeugs 200 auf, der das elektrische Gerät 124 darstellt. Ebenso weist das Kraftfahrzeug 200 die Batterie 122 auf. Hierdurch werden die oben genannten Vorteile für den Betrieb von Kraftfahrzeugen 200 zugänglich. Insbesondere kann die vorzeitige Alterung des Antriebssystems des Kraftfahrzeugs 200 verhindert werden, wodurch Kosten gespart werden. Zudem bleibt die Brennstoffzelle 110 durch die Vermeidung der Degradation über längere Zeit effizient.
-
Die 3 zeigt in schematischer Form den Verlauf der Zellspannung mit der Zeit. Phasen, in denen die Brennstoffzelle 110 ruht sind mit „A“ bezeichnet, während die Brennstoffzelle 110 in den mit „B“ bezeichneten Phasen bei hohen Lastpunkten betrieben wird.
-
Wie in der 3 zu sehen, bricht die Spannung bei Unterbrechung der Kathodengaszufuhr rasch ein. Aufgrund der niedrigen Spannungen während der Ruhephasen kommt es daher zu einer Regeneration von Degradationen, die trotz des Betriebs bei hohen Lastpunkten auftreten können. Insbesondere kommt es unterhalb von 0,4 V zu einer Rückbildung von Pt aus PtOx.
-
In den mit „B“ bezeichneten Phasen wird die Brennstoffzelle 110 sofort bei hohen Lastpunkten betrieben, die Spannung steigt also steil an, bleibt aber bei relativ niedrigen Werten zwischen 0,5 V und 0,7 V. Eine Änderung des Lastpunkts in diesem Bereich ist zulässig, solange ein Wert von 0,7 V oder 0,65 V nicht überschritten wird. Auf diese Weise wird auch während des Betriebs der Brennstoffzelle 110 eine Degradation der Brennstoffzelle 110 soweit möglich minimiert.
-
Die 4 zeigt schematisch ein Ablaufdiagram eines Verfahrens zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems 100 wie es oben beschrieben wurde.
-
Bei S101 wird die elektrische Batterie 122 und/oder das elektrische Gerät 124 mit der Spannung der Brennstoffzelle 110 versorgt.
-
Bei S102 wird ein Lastpunkt für den Betrieb der Brennstoffzelle 110 derart festgelegt, dass die Brennstoffzelle 110 stets bei hohen Lastpunkten betrieben wird, vorzugsweise bei Spannungen zwischen Anode 112 und Kathode 114 von weniger als 0,7 V oder 0,65 V.
-
Bei S103 wird zunächst das elektrische Gerät 124 mit der von der Brennstoffzelle 110 erzeugten Leistung betrieben und bei S104 wird die Batterie 122 mit der überschüssigen Leistung geladen.
-
Auf diese Weise kann die Brennstoffzelle 110 stets bei hohen Lastpunkten betrieben werden, um eine übermäßige Degradation der Brennstoffzelle zu vermeiden.
