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Die Erfindung betrifft Brennstoffzellensysteme, die für unterschiedliche Last- bzw. Lastpunktregimes unterschiedliche Verfahren zur Revidierung bzw. Regeneration von Degradationseffekten verwenden 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. 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.
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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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Prinzipiell stehen verschiedene Verfahren zur Regeneration des Brennstoffzellensystems zur Verfügung, vgl. z.B. die
WO 2007/024390 A1 ,
US 2011/0236773 A1 , oder
DE 10 2015 207 600 A1 . Nicht alle Regenerationsverfahren sind jedoch gleich wirksam oder können in allen Betriebssituationen eingesetzt werden. Sie führen deshalb nicht immer zu den erhofften Resultaten hinsichtlich der Regeneration bzw. der Revidierung von Degradationseffekten.
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Die der Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe wird darin gesehen, ein Brennstoffzellensystem anzugeben, mit dem für alle Betriebssituationen eine effektive Regeneration von Degradationen erreicht werden kann.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und durch ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9. 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 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. Des Weiteren kann das Brennstoffzellensystem eine Steuervorrichtung aufweisen, die geeignet ist, als Last eine elektrische Batterie und/oder ein elektrisches Gerät mit der Spannung zu versorgen, einen Lastpunkt für den Betrieb der Brennstoffzelle festzulegen, und die Zuführung von Anodengas und Kathodengas zur Brennstoffzelle einzustellen. Bei einer von der elektrischen Brennstoffzelle erzeugten Spannung von mehr als einem Grenzwert, insbesondere von mehr als 0,4 V, setzen bei dieser Degradationseffekte ein, die zu einem Abfall der erzeugten Spannung über die Zeit führen. Hierbei ist die Steuervorrichtung geeignet, für verschiedene Lastpunkte verschiedene Steuerprozesse vorzunehmen, um diese Degradationseffekte zu revidieren.
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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 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.
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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.
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Die Lastpunktsteuerung wird innerhalb des Brennstoffzellensystems mittels einer Steuervorrichtung vorgenommen, z.B. einem Computer, einer CPU, einem Prozessor oder dergleichen. Dies kann insbesondere dadurch geschehen, 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.
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Wie eingangs beschrieben setzen bei Spannungen von mehr als 0,4 V Degradationsprozesse ein, die bei einem beibehaltenen Lastpunkt zu einem kontinuierlichen Spannungsabfall über die Zeit führen. Insbesondere kann es bei der Verwendung von Platin-Katalysatoren zu einer Umwandlung von Pt zu PtOx kommen.
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Um dies zu verhindern setzt die Steuervorrichtung verschiedene Steuerprozesse um, mit denen diese Degradationen wieder abgebaut werden. Um hierbei ein optimales Ergebnis zu erzielen, können für verschiede Lastpunkte oder Leistungsabfragen verschiedene solcher Steuerprozesse verwendet werden, die an den jeweiligen derzeit verwendeten Lastpunkt angepasst sind. Hierdurch wird erreicht, dass sich für jede an der Brennstoffzelle anliegende Last Zustände mit minimaler oder sogar ganz ohne Degradation herstellen lassen, sodass kaum oder sogar keine Degradationshistorie entsteht, in der sich verschiedene Degradationseffekte kumulieren. Hierdurch kann, insbesondere für PtOx-Bildung, vermieden werden, dass Tiefen-Degradationen auftreten, die zu einer vorzeitigen Alterung der Zellen führen können. Es werden durch die adaptive Anpassung der jeweiligen Regenerationsstrategie reversible Degradationen minimiert und dadurch eine langfristig höhere mittlere System effizienz erzielt.
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Die Steuervorrichtung kann geeignet sein, zumindest zwei Lastpunktregimes zu unterscheiden und die zur Revidierung der Degradationseffekte vorgenommenen Steuerprozesse aus für jedes Lastpunktregime unterschiedlichen Listen von Steuerprozessen auszuwählen. Der Steuervorrichtung steht also für jedes Lastpunktregime eine unterschiedliche Auswahl von möglichen Regenerationsprozessen zur Verfügung, die zum Teil auch identisch sein können. Es existieren für bestimmte Lastpunktregime aber Steuerprozesse, die in einem anderen Lastpunktregime nicht verwendet werden, da dort ihre Regenerationseffektivität zu gering ist, sie den Betrieb der Brennstoffzelle übermäßig beeinträchtigen oder diese schädigen würden. Damit ist zum einen sichergestellt, dass die zur Auswahl stehenden Steuerprozesse an die jeweils herrschenden Betriebscharakteristiken angepasst werden können. Zum anderen ist aber auch gewährleistet, dass innerhalb eines Lastpunktregimes zwischen verschiedenen Regenerationsverfahren gewechselt werden kann, falls dies die Effektivität der Regeneration vergrößert.
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Die Steuervorrichtung kann für niedrige Lastpunkte, die einer Leistungsabnahme von bis zu 1/3 einer Volllast entsprechen, geeignet sein, die Steuerprozesse, vorzugsweise auch kumulativ, aus der folgenden Liste auszuwählen:
- - Sleep: Unterbrechen der Zuführung des Kathodengases unter Beibehaltung der Zuführung des Anodengases ohne Leistungsabnahme von der Brennstoffzelle für einen beliebigen Zeitraum;
- - Air-Starve: Unterbrechen der Zuführung des Kathodengases unter Beibehaltung der Zuführung des Anodengases bei weiterer Leistungsabnahme von der Brennstoffzelle für einen vorgegebenen Zeitraum, vorzugsweise für 2 bis 3 Sekunden;
- - Modulation: Modulation der Leistungsabnahme, vorzugsweise sinusförmig, in einem vorgegebenen Leistungsbereich um den eingestellten Lastpunkt.
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Die oben genannten Prozesse eignen sich besonders für niedrige Lastpunkte. Bei einem „Sleep“-Prozess wird die Zuführung von Kathodengas gestoppt, die Versorgung mit Anodengas aber fortgeführt. Infolge der Kathodengas-Unterversorgung bricht die Zellspannung der Brennstoffzelle ein, wobei die Zellspannung unter die Degradationsschwelle fällt, für PtOx z.B. unter ca. 0.4 V. Da während des Sleep-Prozesses keine Leistung vom Brennstoffzellensystem gezogen wird, kann der Zustand beliebig lange gehalten werden, was ihn als flexibles Leistungs-Management-Tool qualifiziert.
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Insbesondere kann ein Sleep-Prozess bei niedriger Leistungsabnahme auch dazu genutzt werden, einen niedrigen Lastpunkt zu verlassen, um die Brennstoffzelle bei einem höheren Lastpunkt zu betreiben, z.B. mit einer Spannung von weniger als 0,7 V. Überschüssige Energie kann dann in einer Batterie gespeichert werden und während des Sleep-Prozesses verbraucht werden. Der Sleep-Prozess eignet sich also (gegebenenfalls ergänzt durch die Energiespeicherung in einer Batterie) für die Regeneration von Degradationen im niedrigen Lastpunktregime.
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Bei einem „Air-Starve“-Prozesse wird ähnlich zum Sleep-Prozess die Reaktanten-Zufuhr der Kathode kurzzeitig unterbunden, dies jedoch im laufenden Betrieb unter aktivem Stromfluss, d.h. bei weiterer Leistungsabnahme von der Brennstoffzelle. Infolge der fortgesetzten elektrischen Belastungen bricht die Spannung der Brennstoffzelle schneller ein als bei einem Sleep-Prozess. Der Air-Starve-Zustand kann im Gegensatz zum Sleep nur für eine begrenzte Zeit (z.B. zwischen 1 und 3 s) aufrechterhalten werden. Während eines „Air-Starve“-Prozesses wird das Brennstoffzellensystem mit einem schlechten Wirkungsgrad betrieben. Deshalb ist ein zu kurzes Air-Starve-Intervall für niedrige Lastpunkte energetisch wenig sinnvoll und beansprucht zudem Komponenten der Kathodenversorgung stark. Deshalb wird für niedrige Lastpunkte vorzugsweise ein längeres Zeitintervall verwendet, z.B. von 3 s.
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In einem Modulations-Prozess wird auf den eigentlich angestrebten Leistungssollwert ein kontinuierlicher und periodischer Wechsel moduliert, sodass sich im zeitlichen Mittel der angestrebte Sollwert ergibt. Durch den Leistungswechsel ergibt sich ein stetiger Wechsel der Degradation, der im zeitlichen Mittel zu einer Verringerung des Spannungsabfalls führt. Vorzugsweise wird hier ein Sinus aufmoduliert. Ein Modulations-Prozess bietet für niedrige Lastpunkte den Vorteil einer kontinuierlichen Regeneration mit über Frequenz und Amplitude anpassbarer Wirkung. Außerdem kann dieser Prozess bei jedem geregelten Brennstoffzellensystem angewendet werden, ohne zusätzliche Anforderungen an das System zu stellen. Ist ein niedriger Lastpunkt unvermeidlich und die Anwendung eines Sleep- oder Air-Starve-Prozesses nicht möglich oder sinnvoll, kann mittels eines Modulations-Prozesses stets zumindest eine Teil-Regeration erreicht werden, die irreversible Degradationen verhindert, bis mittels eines anderen Steuerprozesses eine VollRegeneration erreicht werden kann. Hierdurch trägt auch der Modulations-Prozess zur Verbesserung der System-Effizienz bei.
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Es stehen also für niedrige Lastpunkte bzw. für niedrige Leistungsabnahmen verschiedene Prozesse zur Verfügung, mit denen der bei niedrigen Lastpunkten besonders stark stattfindenden Degradation begegnet werden kann.
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Die Steuervorrichtung kann geeignet sein für mittlere Lastpunkte, die einer Leistungsabnahme von 1/3 bis zu 2/3 einer Volllast entsprechen, die Steuerprozesse, vorzugsweise auch kumulativ, aus der folgenden Liste auszuwählen:
- - Sleep: Unterbrechen der Zuführung des Kathodengases unter Beibehaltung der Zuführung des Anodengases ohne Leistungsabnahme von der Brennstoffzelle für einen beliebigen Zeitraum;
- - Air-Starve: Unterbrechen der Zuführung des Kathodengases unter Beibehaltung der Zuführung des Anodengases bei weiterer Leistungsabnahme von der Brennstoffzelle für einen vorgegebenen Zeitraum;
- - Modulation: Modulation der Leistungsabnahme, vorzugsweise sinusförmig, in einem vorgegebenen Leistungsbereich um den eingestellten Lastpunkt;
- - Grenzstromsprung: Erhöhen des Stromflusses durch die Last für einen vorgegebenen Zeitpunkt, vorzugsweise mehrfach, bei gleichzeitiger Absenkung der Spannung, vorzugsweise auf weniger als 0,4 V.
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Die Brennstoffzelle kann bei mittleren Lastpunkten wesentlich länger betrieben werden, ohne einer massiven Degradation zu unterliegen. Die Unterbrechungszeiten im Sleep- und Air-Starve-Prozessen können also je nach Lastpunkthöhe kürzer sein also für niedrige Lastpunkte. Ebenso kann eine Batterie vor Eintreten eines Sleep-Prozesses länger mit weniger Energie geladen werden, da auch mehr Leistung abgefragt wird. Im mittleren Lastpunktregime wird der Sleep-Prozess vorzugsweise eingesetzt, um einen Übergang zu einem niedrigeren Lastpunkt zu vermeiden.
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Neben den derart modifizierten auch für niedrige Lastpunkte verwendbaren Prozessen, kann im mittleren Lastpunktregime auch ein „Grenzstromsprung“-Prozess durchgeführt werden. Hier wird der von der Brennstoffzelle zu liefernde Strom sprungartig angehoben, was ebenfalls zu einem Spannungseinbruch von unter 0,4 V und dadurch zu einer Zellregeneration führt. Der Spannungseinbruch kann dabei im Millisekundenbereich liegen. Dementsprechend wird die Anodengasversorgung während des Grenzstromsprung-Prozesses erhöht, um eine Unterversorgung mit Anodengas aufgrund der hohen Stromerzeugung zu vermeiden. Auch ist darauf zu achten, dass die Elektronik des Brennstoffzellensystems den angeforderten Strom schadlos aufnehmen kann und der Stromfluss entsprechend einzuschränken. Im mittleren Lastpunktregime können vorzugsweise mehrere schnelle Grenzstromsprung-Prozesse in Folge ausgeführt werden, da hierdurch eine vollständige Regeneration der zuvor stattgefundenen Degradationen erreicht werden kann.
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Die Steuervorrichtung kann für hohe Lastpunkte, die einer Leistungsabnahme von 2/3 einer Volllast bis zur Volllast entsprechen, geeignet sein, die Steuerprozesse, vorzugsweise auch kumulativ, aus der folgenden Liste auszuwählen:
- - Modulation: Modulation der Leistungsabnahme, vorzugsweise sinusförmig, in einem vorgegebenen Leistungsbereich um den eingestellten Lastpunkt;
- - Grenzstromsprung: Erhöhen des Stromflusses durch die Last für einen vorgegebenen Zeitpunkt für eine Zeit im Millisekundenbereich, bei gleichzeitiger Absenkung der Spannung, vorzugsweise auf weniger als 0,4 V.
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Im hohen Lastpunktregime ist ein Air-Starve-Prozess nicht möglich, da eine kontrollierte Kathodenverarmung in dieser Leistungsregion mit entsprechenden Stoffumsätzen nicht mehr möglich ist. Ein vorgelagerter Lastwechsel zu einem niedrigeren Lastpunkt wäre denkbar, sollte aber in Anbetracht des hohen Kurzzeit-Wirkungsgrad-Verlustes nicht eingesetzt werden. Auch ein Sleep-Prozess wäre nur indirekt über einen Wechsel in einen niedrigeren Lastpunkt möglich, und kann deshalb für den hohen Energiebedarf im hohen Lastpunktregime nur ermöglicht werden, wenn eine leistungsstarke Batterie für die Stromversorgung während des Sleep-Prozesses zur Verfügung steht.
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Im hohen Lastpunktregime wird deshalb (bis auf Fälle, in denen eine ausreichend große Batterie vorhanden ist) mit dem Modulations- und/oder dem Grenzstromsprung-Verfahren gearbeitet. Die Modulation erfolgt hierbei aufgrund der hohen Leistungsanforderung nur schwach, d.h. mit geringer Amplitude und/oder Frequenz. Ein Grenzstromsprung kann bereits bei einer Dauer von wenigen Millisekunden Länge eine Regeneration der aufgebauten Degradationen erreichen.
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Aufgrund der für hohe Lastpunkte anliegenden niedrigen Spannung können diese Lastpunkte relativ lange gehalten werden, ohne einen die Degradation reduzierenden Prozess ausführen zu müssen.
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Die Brennstoffzelle kann geeignet sein, als Last eine Batterie zu versorgen, um in dieser elektrische Energie zu speichern. Die Steuervorrichtung kann geeignet sein, ein elektrisches Gerät, das ansonsten von der Brennstoffzelle versorgt wird, während eines Sleep-Prozesses mit in der Batterie gespeicherter elektrischer Energie zu versorgen und die Liste von Steuerprozessen für hohe Lastpunkte kann zusätzlich einen Sleep-Prozess aufweisen. Wie oben dargestellt kann mittels einer zur Zwischenspeicherung von überschüssiger Energie geeigneten Batterie die Effektivität des Sleep-Prozesses dahingehend verbessert werden, dass von niedrigen Lastpunkten zu höheren Lastpunkten gewechselt werden kann und die dadurch überschüssig vorhandene Leistung einen Abnehmer findet. Dies erlaubt dann, die Dauer des Sleep-Prozesses zu verlängern, wodurch die Regeneration von Degradationen verbessert wird. Zudem erlaubt das Vorhandensein einer (ausreichend leistungsstarken) Batterie den Sleep-Prozess auch bei hohen Lastpunkten anzuwenden, was in diesem Lastpunktregime die Flexibilität für die Regeneration erhöht.
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Die Steuervorrichtung kann geeignet sein, bei einem Übergang von einem niedrigen oder einem mittleren Lastpunkt in einen höheren Lastpunkt vor dem Einstellen dieses Lastpunkt einen noch höheren Lastpunkt einzustellen. Hierdurch wird eine kurzzeitige, sehr starke Regeneration ausgelöst, die erlaubt, im eigentlich angestrebten Lastpunkt die volle nominelle Spannung abrufen zu können. Der höhere Lastpunkt sollte hierbei eine um mindestens 50 mV kleinere Spannung aufweisen und der höhere Lastpunkt sollte zwischen 5 s und 10 s beibehalten werden. Vorzugsweise ist auch eine ausreichend leistungsstarke Batterie vorhanden bzw. die durch den überhöhten Lastpunkt hervorgerufenen Leistungsspitzen können anderweitig genutzt werden.
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Die Steuervorrichtung kann geeignet sein, niedrige Lastpunkte nicht länger als 30 s und mittlere Lastpunkte nicht länger als 5 Minuten beizubehalten, ohne einen Steuerprozess zur Revidierung der Degradationseffekte auszuführen. Dies stellt sicher, dass die stattfindende Degradation reversibel bleibt und keine Degradationshistorie aufgebaut wird. Insbesondere wird die Bildung von Tiefen-Degradationen verhindert.
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Ein Kraftfahrzeug kann ein Brennstoffzellensystem wie es oben beschrieben wurde aufweisen, vorzugsweise zum Antreiben des Kraftfahrzeugs. 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.
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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; und
- 2 eine schematische Darstellung eines Kraftfahrzeugs.
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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. 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.
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Die Last 120 kann hierbei eine elektrische Batterie 122 und ein elektrisches Gerät 124 aufweisen, 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.
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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 110 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.
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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.
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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.
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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.
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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, insbesondere für Spannungen von mehr als 0,4 V, 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, die sich bei niedrigen Spannungen zum Teil oder vollständig zurück in Platin und Sauerstoff wandeln.
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Derartige Degradationen lassen sich während des Betriebs der Brennstoffzelle 110 nicht vollständig verhindern. Es ist jedoch möglich, sie durch Herabsetzen der Spannung umzukehren und dadurch zu revidieren. Um das Ausbilden einer Degradations-Historie zu verhindern, die aus einer Vielzahl von hintereinander stattfindenden Degradations-Prozessen besteht, ist es wünschenswert, einen Degradations-Prozess so vollständig wie möglich zurückzubilden.
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Zu diesem Zweck ist die Steuervorrichtung 130 geeignet, verschiedene Steuerprozesse auszuführen, die zu einer Regeneration von Degradationen führen. Diese können eine Veränderung im elektrischen Leitungspfad, wie eine Änderung des Lastpunktes oder des Stromflusses, und/oder Änderungen der Anoden- oder Kathodengaszufuhr beinhalten. Je nach von der Brennstoffzelle 110 zu erbringender Leistung bzw. je nach einem anliegenden Lastpunkt kann die Steuervorrichtung 130 verschiedene dieser Prozesskomponenten für verschieden lange Zeiträume kombiniert oder getrennt einsetzen, um eine für die momentane Last optimale Regeneration zu erzielen.
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Es wird also nicht für alle anliegenden Lasten bzw. eingestellten Lastpunkte mit der gleichen Regenerationsstrategie gearbeitet. Diese wird der aktuellen Situation vielmehr jeweils angepasst, um ein optimales Regenerationsergebnis zu erzielen. Auf diese Weise kann die Revidierung von Degradationseffekten verbessert werden, wodurch sich eine langfristig höhere mittlere System-Effizienz ergibt.
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Die Steuervorrichtung 130 kann insbesondere auf verschiedene Listen von vorgegebenen Steuerprozessen zur Degradationsregeneration zurückgreifen, die für verschiedene Last- oder Lastpunktregimes verwendet werden können. Dies erlaubt es bereits im Voraus bestimmte Strategien festzulegen, die verwendet werden können, um eine Vollregeneration von Degradationen zu erreichen.
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Die Unterteilung des gesamten Lastspektrums in verschiedene Steuerprozess-Abschnitte kann hierbei je nach den technischen Anforderungen beliebig ausgeführt werden. So können bereits zwei oder drei Lastbereiche mit unterschiedlichen, erlaubten Steuerprozessen ausreichend sein, um eine verbesserte Regeneration zu erreichen. Es können aber auch weit feinere Unterteilungen vorgenommen werden. Die Aufteilung muss hierbei nicht äquidistant sein. Es ist. z.B. möglich in einem Lastbereich eine feine Unterteilung vorzunehmen, während andere Lastbereiche nur grob oder gar nicht unterteilt sind.
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Die von der Steuervorrichtung 130 verwendeten Listen weisen hierbei zumindest einen Steuerprozess auf. Ein Steuerprozess kann dabei auch in mehreren Listen verwendet werden. Die erlaubten Steuerprozesse in benachbarten Last-/Lastpunktbereichen unterscheiden sich jedoch zumindest hinsichtlich eines Steuerprozesses. So können in einem Bereich erlaubte Steuerprozesse im Nachbarbereich vollkommen fehlen. Die Ausführung kann aber auch hinsichtlich der zeitlichen Abfolge und Dauer von Prozessschritten modifiziert sein. Auch können zu über- oder unterschreitende Grenzwerte für das Einsetzen eines Prozesses sich unterscheiden.
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Auf diese Weise ist es möglich, die Steuervorrichtung 130 für verschiedene Lastpunktregimes verschiedene Steuerprozesse zur Revidierung von Degradationseffekten ausführen zu lassen, ohne die Steuervorrichtung 130 mit dem Entwurf dieser Steuerprozesse zu belasten. Die Steuerprozesse können vielmehr anhand der z.B. in Abruftabellenform gespeicherten Listen abgearbeitet oder aufgerufen werden. Hierdurch kann eine adaptive Regenerationsstrategie in einfacher Weise erreicht werden.
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Alternativ kann die Steuervorrichtung 130 auch in der Lage sein, selbständig Steuerprozesse für den jeweiligen Lastbereich zu generieren, z.B. basierend auf einer Datenbank mit Betriebshistorien verschiedener Brennstoffzellensysteme und einem Algorithmus für maschinelles Lernen. Dies kann die Regenerationseffizienz weiter erhöhen, führt aber zu einem größeren Aufwand bei der Datenverarbeitung.
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Bereits eine Dreiteilung des Lastpunktregimes und eine Zuordnung von spezifischen Steuerprozessen zu den einzelnen Regimes kann eine Verbesserung der Regeneration von Degradationseffekten bewirken. So können z.B. niedrige Lastpunkte in einem Regime bis zu 1/3 der Volllast, mittlere Lastpunkte in einem Regime von 1/3 bis 2/3 der Volllast und hohe Lastpunkte von 2/3 der Volllast bis zur Volllast unterschiedlich behandelt werden.
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Niedrige Lastpunkte sollten im Betrieb der Brennstoffzelle 110 wenn möglich vermieden werden. Eine Haltezeit eines Lastpunkts in diesem Bereich sollte auf unter 30 Sekunden begrenzt werden. Um dies zu erreichen, kann das Brennstoffzellensystem 100 entgegen der niedrigen Lastanforderung temporär in einem höheren Lastpunkt (mit einer Zellspannung von vorzugsweise weniger als 0.7 V) betrieben werden. Dies erfordert, die überschüssige Energie in der Batterie 122 zu speichern und das System regelmäßig mittels des oben beschriebenen Sleep-Prozesses in den Ruhezustand zu versetzen (Start-Stopp-Strategie mit Recovery-Wirkung).
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Alternativ kann bei niedrigen Lastpunkten auch ein intervallbasierter Einsatz des oben beschriebenen Air-Starve-Prozesses (Intervall-Recovery) verwendet werden. Da während des Air-Starve-Prozesses das Brennstoffzellensystem 100 mit einem schlechten Wirkungsgrad betrieben wird, ist hierbei ein zu kurzes Air-Starve-Intervall zu vermeiden, auch da es die Komponenten der Luftseite stark beanspruchen würde. Deshalb wird ein längeres Intervall verwendet.
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Ein Grenzstromsprung-Prozess wie er oben beschrieben wurde, kann in diesem Lastbereich hingegen nicht verwendet werden.
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Alternativ oder zusätzlich zu den zuvor beschriebenen Optionen kann auch ein Modulations-Prozess (vorzugsweise eine Sinus-Modulation) wie er oben beschrieben wurde, bei niedrigen Lastpunkten verwendet werden. Dadurch kann eine kontinuierliche Regeneration erreicht werden, deren Wirkung über die Modulations-Frequenz und/oder Amplitude anpassbar ist. Der Modulations-Prozess kann zudem bei jedem geregelten Brennstoffzellensystem 100 angewendet werden, ohne zusätzliche Anforderungen an das System zu stellen. Sollte ein niedriger Lastpunkt unvermeidlich und die Anwendung eines Sleep- oder Air-Starve-Prozesses nicht sinnvoll, nicht möglich oder nicht gewünscht sein, kann die Lastpunktanforderung immer mittels des Modulations-Prozesses modifiziert und somit die System-Effizienz verbessert werden.
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Sprünge zu einem höheren Lastpunkt sollten hierbei immer einen überhöhten Last-Zwischenschritt oder einen Voll-Regenerations-Schritt enthalten, d.h. der höhere Lastpunkt sollte nicht direkt angesteuert werden, sondern es sollte zunächst immer ein Sprung in einen noch (deutlich) höheren Lastpunkt (z.B. mindestens 50 mV tiefere Zellspannung, vorzugsweise Volllast) oder ein Voll-Regenerations-Verfahren ausgeführt werden. Dann erst sollte, z.B. nach vorzugsweise 5-10 Sekunden, der Wechsel in den eigentlichen Ziellastpunkt erfolgen. Hierbei kann eine robuste d.h. große Batterie 122 oder eine prädiktive Hybrid-Strategie von Vorteil sein.
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Bei mittleren Lasten bzw. Lastpunkten kann eine ähnliche Strategie-Kombination verwendet werden, wie bei niedrigen Lastpunkten. Hier können allerdings Haltzeiten von mehr als 30 s verwendet werden, ohne Degradationen massiv voranzutreiben. Realistisch umsetzbare Haltezeiten können hier in der Größenordnung von 1 bis 5 Minuten liegen. Eine feinere Aufteilung des Lastbereiches kann für eine feinere Verteilung der erlaubten Haltezeiten verwendet werden.
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Zusätzlich zu den oben beschriebenen Steuerprozessen für niedrige Lastpunkte, kann im mittleren Lastbereich ein kontrollierten Kurzzeit-Überlasten des Systems mittels eines Grenzstromsprung-Prozesses genutzt werden, sodass die Brennstoffzelle 110 bzw. alle Zellen eines Stapels im Millisekundenbereich unterhalb von 0,4 V liegen. Sollte dies nicht sofort zu einer vollständigen Regeneration von Degradationen führen, können auch mehrere schnelle Grenzstromsprung-Prozesse in Folge ausgeführt werden.
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Lastsprünge zu höheren Lastpunkten sollten nach dem gleichen Prinzip durchgeführt werden, wie es oben für niedrige Lastpunkte beschrieben wurde. Anstatt Lastsprüngen zu niedrigen Lastpunkten sollten Sleep-Prozesse verwendet werden, die ebenfalls zu einer Reduktion der abgegeben Leistung führen.
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Hohe Lastpunkte (bis hin zu Volllast) sollten bevorzugt genutzt werden, da hier wesentlich geringere Degradationseffekte auftreten, sodass die resultierenden Spannungsverluste deutlich kleiner sind.
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Die Möglichkeit von direkten Air-Starve-Prozessen entfällt für hohe Lastpunkte, da eine kontrollierte Kathodenverarmung in dieser Leistungsregion mit den entsprechenden Stoffumsätzen nicht mehr möglich ist. Ein vorgelagerter Lastwechsel zu einem niedrigeren Lastpunkt könnte vorgenommen werden, führt aber zu hohen Kurzzeit-Wirkungsgrad-Verlustes.
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Auch ein Sleep-Prozess ist nur indirekt über den Wechsel in einen niedrigeren Lastpunkt möglich, womit auch diese Option bei hohen Lastanforderungen und kleiner Batterie 122 nur eingeschränkt sinnvoll ist. Bei Systemen mit großer Batterie 122, kann ein kurzer Sleep-Prozess jedoch auch bei hohen Lastpunkten verwendet werden.
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Bei hinsichtlich der Belastbarkeit gegen hohen Stromfluss entsprechend gut ausgelegtem System kann zudem ein Grenzstromstromsprung im Millisekunden-Bereich verwendet werden. Ebenso kann bei hohen Lastpunkten ein Modulations-Prozess, z.B. mit einer schwachen Sinusmodulation eingesetzt werden.
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Generell halten sich die Verluste in hohen Lastpunkten aber in begrenztem Rahmen und der Regenerationsbedarf kann hier hohen Lastanforderung untergeordnet werden. Lastsprünge aus dieser Region speziell aus dem Vollastbereich sind aus Leistungssicht unproblematisch.
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Durch den Einsatz von Systemprozessen wie sie oben beschrieben wurden für die verschiedenen Last- bzw. Lastpunktbereiche kann der Aufbau einer Degradations-Historie vermieden werden und es kann für jedes Lastpunktregime regelmäßig ein voll regenerierter Zustand erreicht werden.
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Durch Strategie-Kombinationen wie sie oben beschrieben wurden kann stets erreicht werden, dass nur wenige Degradationen und speziell wenige Tiefen-Degradationen entstehen, die gleichzeitig so oft es geht durch Regeneration minimiert werden können. Der geringere Aufbau von Tiefen-Degradationen minimiert überdies die Wahrscheinlichkeit von Auflösung/Auswaschung der degradierenden Materialien, wie etwa von Platin, und reduziert so die Alterung der Zellen. Das oben beschriebene, von der Steuervorrichtung 130 ausführbare Verfahren minimiert somit die reversiblen Verluste aufgrund von Degradationen und stellt langfristig eine höhere mittlere System-Effizienz bereit.
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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. Überdies kann durch die an die jeweiligen Lastpunkte angepasste Regenerationsstrategie erreicht werden, dass die Regenerationsprozesse ausgeführt werden können, ohne das Fahrerlebnis mit dem Kraftfahrzeug, z.B. aufgrund unerwünschter Leistungsabnahme, negativ zu beeinflussen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2007/024390 A1 [0005]
- US 2011/0236773 A1 [0005]
- DE 102015207600 A1 [0005]
