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Stand der Technik
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Brennstoffzellensysteme wie Polymerelektrolytbrennstoffzellensysteme (im Englischen Proton Exchange Membrane Fuel Cell, kurz PEMFC) für bspw. Transportanwendungen (z. B. Fahrzeuganwendungen) erfordern in der Regel elektrische Energie aus einer zusätzlichen Energiequelle (z. B. Hochvolt-Batterie), während des Startens bzw. Anfahrens von Systemperipherie, wie z.B. eines Luftkompressors, einer Kühlmittelpumpe oder einer Startheizung, bevor das Brennstoffzellensystem selbst nutzbare Energie für das Fahrzeug erzeugt. Daher ist die Nettoleistung des Systems während des Starts bzw. Systemstarts negativ. Dies bedeutet, dass die entsprechende mit dem Brennstoffzellensystem betriebene Vorrichtung, beispielsweise ein Kraftfahrzeug, während des Starts einen Teil seiner verfügbaren Antriebsenergie bereitstellen muss, bis das Brennstoffzellensystem vollständig gestartet ist.
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Insbesondere Fahrzeuge mit einem hohen Bedarf an Traktionsenergie, wie Lastkraftwagen und andere Schwerlastanwendungen, können mehr als ein Brennstoffzellensystem aufweisen (z. B. 100 kW netto Leistungsbereitstellung pro Brennstoffzellensystem), um den erforderlichen Leistungsbedarf von den Brennstoffzellensystemen beziehen zu können. Bei einem Leistungsbedarf von bspw. 300 kW insgesamt, sind bspw. drei Brennstoffzellensysteme mit je 100 kW netto Leistungsbereitstellung pro Brennstoffzellensystem erforderlich.
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Wenn mehrere Brennstoffzellensysteme in einer Vorrichtung, bspw. in einem Fahrzeug, gleichzeitig gestartet werden, kann die Batterie aufgrund des hohen Energieverbrauchs während dieser Startphase ihre Leistungsgrenze erreichen. Verschärft wird diese Situation bei Betriebsbedingungen mit tiefen Temperaturen (bspw. im Winter), bei denen die verfügbare Leistung der Batterie begrenzt ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Starten von mehreren Brennstoffzellensystemen in einer Vorrichtung und eine Vorrichtung mit mehreren Brennstoffzellensystemen.
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Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung und umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.
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Demgemäß betrifft die Erfindung gemäß einem ersten Aspekt ein Verfahren zum Starten von mehreren Brennstoffzellensystemen in einer Vorrichtung, wobei das Verfahren die Schritte aufweist:
- (a) Starten zumindest eines ersten Brennstoffzellensystems der Vorrichtung mit Energie aus einer Batterie der Vorrichtung, und
- (b) Starten zumindest eines zweiten Brennstoffzellensystems der Vorrichtung mit von dem zumindest einen ersten Brennstoffzellensystem produzierter Energie.
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Demgemäß stellt die Erfindung ein Betriebsverfahren zum Minimieren des Leistungsbedarfs der mehreren Brennstoffzellensysteme von der Batterie, insbesondere einer Hochvolt-Batterie, während des Startens der Vorrichtung bzw. der mehreren Brennstoffzellensysteme bereit. Dadurch wird eine schnellere Nutzbarkeit der Vorrichtung erzielt, weil die Energie der Batterie für die Vorrichtung verfügbar wird, statt diese für ein simultanes Starten aller Brennstoffzellensysteme der Vorrichtung zu verwenden. Bei einem Kraftfahrzeug als Vorrichtung kann das Kraftfahrzeug beispielsweise schneller aus dem Stand abfahren.
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Anstatt also die Brennstoffzellensysteme gleichzeitig zu starten, werden die Brennstoffzellensysteme, insbesondere einzeln oder in Gruppen, wie später erläutert wird, sequentiell gestartet. Die Energie aus der Batterie wird also nur zum Starten des zumindest einen ersten Brennstoffzellensystems und nicht für alle der mehreren Brennstoffzellensysteme verwendet. Da das zumindest eine erste Brennstoffzellensystem schließlich nach seinem Start elektrische Energie produziert, kann diese Energie von dem folgenden zumindest einen zweiten Brennstoffzellensystem in der Startsequenz für seine Inbetriebnahme usw. verwendet werden.
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Dabei ist die Vorrichtung selbstverständlich nicht auf Kraftfahrzeuge begrenzt. Insbesondere Vorrichtungen mit mehreren Brennstoffzellensystemen können andere Anwendungsgebiete aufweisen. Je mehr Brennstoffzellensysteme eine Vorrichtung aufweist, desto vorteilhafter kann der Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens für die Vorrichtung sein. So kann die Vorrichtung bspw. ein Schiff, ein Flugzeug, ein Triebfahrzeug, ein Kraftwerk oder dergleichen sein, welche typischerweise einen wesentlich höheren Leistungsbedarf als Kraftfahrzeuge aufweisen.
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Es kann vorgesehen sein, dass das zumindest eine zweite Brennstoffzellensystem eine Gruppe von zumindest zwei Brennstoffzellensystemen ist, welche simultan gestartet werden. Diese zweite Gruppe kann auch mehr als zwei, bspw. drei, vier, fünf oder mehr, zweite Brennstoffzellensysteme umfassen. Nach dem Start des zumindest einen ersten Brennstoffzellensystems kann also die Energie dieses zumindest einen ersten Brennstoffzellensystems vorteilhafterweise für den simultanen Start mehrerer nachfolgender Brennstoffzellensysteme genutzt werden. Bei einer Vorrichtung mit besonders vielen Brennstoffzellensysteme, bspw. zehn oder mehr, kann die Startzeit bzw. Anfahrzeit der Vorrichtung entsprechend geringgehalten werden und dennoch können die erfindungsgemäßen Vorteile erzielt werden.
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Selbstverständlich ist es auch möglich, dass das zumindest eine erste Brennstoffzellensystem eine Gruppe von zumindest zwei Brennstoffzellensystemen ist, welche simultan gestartet werden. Diese erste Gruppe kann auch mehr als zwei, bspw. drei, vier, fünf oder mehr, erste Brennstoffzellensysteme umfassen. Dadurch wird zwar mehr Energie aus der Batterie zum Starten der zwei oder mehr ersten Brennstoffzellensysteme notwendig. Im Gegenzug kann aber die Energie dieser zwei oder mehr ersten Brennstoffzellensystem für ein schnelleres Starten des Weiteren zumindest einen zweiten Brennstoffzellensystems, insbesondere der Gruppe zweiter Brennstoffzellensysteme, genutzt werden.
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Es kann auch vorgesehen sein, dass das Verfahren ferner den Schritt aufweist: Starten zumindest eines dritten Brennstoffzellensystems der Vorrichtung mit von dem zumindest einen ersten Brennstoffzellensystem und/oder dem zumindest einen zweiten Brennstoffzellensystem produzierter Energie. Dieses zumindest eine dritte Brennstoffzellensystem kann insbesondere nach dem Starten des zumindest einen ersten Brennstoffzellensystems und nach dem Starten des zumindest einen zweiten Brennstoffzellensystems erfolgen. Entsprechend können selbstverständlich auch zumindest ein viertes, zumindest ein fünftes usw. bis zumindest ein n-tes Brennstoffzellensystem sequentiell bzw. hintereinander gestartet werden, wobei jeweils produzierte Energie aus den zuvor gestarteten Brennstoffzellensystemen zum Starten genutzt wird.
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Auch hierbei kann vorgesehen sein, dass das zumindest eine dritte Brennstoffzellensystem eine Gruppe von zumindest zwei Brennstoffzellensystemen ist, welche simultan gestartet werden. Selbstverständlich ist es auch möglich, dass das zumindest eine dritte Brennstoffzellensystem eine dritte Gruppe von zumindest zwei Brennstoffzellensystemen ist, welche simultan gestartet werden. Diese dritte Gruppe kann auch mehr als zwei, bspw. drei, vier, fünf oder mehr, dritte Brennstoffzellensysteme umfassen. Man kann in diesem Zusammenhang auch von einem sequentiellen Starten von Gruppen von Brennstoffzellensystemen sprechen.
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Es kann ferner vorgesehen sein, dass eine Abwärme des zumindest einen ersten Brennstoffzellensystems dem zumindest einen zweiten Brennstoffzellensystem vor dem Starten des zumindest einen zweiten Brennstoffzellensystems zugeführt wird. Selbstverständlich kann auch bei weiteren sequentiell gestarteten Brennstoffzellensystemen, also etwa zumindest einem dritten bis n-ten Brennstoffzellensystem vorgesehen sein, dass die Abwärme der zuvor gestarteten Brennstoffzellensysteme diesen Brennstoffzellensystemen vor dem Starten zugeführt wird. Dadurch kann eine Betriebstemperatur der sequentiell gestarteten Brennstoffzellensysteme auf Basis der erzeugten Abwärme der zuvor gestarteten Brennstoffzellensysteme erhöht werden.
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Hierzu kann vorgesehen sein, dass die Abwärme mittels eines Kühlkreislaufs zugeführt wird. Der Kühlkreislauf kann bspw. das zumindest eine erste Brennstoffzellensystem mit dem zumindest einen zweiten Brennstoffzellensystem verbinden. Der Kühlkreislauf kann auch weitere Brennstoffzellensysteme der Vorrichtung miteinander verbinden. Insoweit kann die Systemperipherie der Brennstoffzellensysteme der Vorrichtung miteinander mittels des Kühlkreislaufs verbunden sein. Dies ist eine einfache und effektive Möglichkeit, die Abwärme der gestarteten Brennstoffzellensysteme auf die sequentiell nachfolgend zu startenden Brennstoffzellensysteme zu übertragen.
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Außerdem kann vorgesehen sein, dass die Temperatur des zumindest einen zweiten Brennstoffzellensystems überwacht wird und das zumindest eine zweite Brennstoffzellensystem erst nach dem Erreichen einer Temperatur von wenigstens 0 °C gestartet wird. Selbstverständlich kann auch die Temperatur des zumindest einen dritten bis n-ten Brennstoffzellensystems überwacht werden und dieses erst nach dem Erreichen einer Temperatur von wenigstens 0 °C gestartet werden. Dadurch wird erreicht, dass ein Gefrierstart des zumindest einen zweiten bis n-ten Brennstoffzellensysteme in der Vorrichtung vermieden werden. Entsprechend können solche Brennstoffzellensysteme sicher betrieben werden. Auch ist es nicht erforderlich, entsprechende energieintensive Verfahren zur Ermöglichung von Gefrierstarts mit ihrer notwendigen Apparatur, bspw. einer Startheizung, in den Brennstoffzellensystemen zu betreiben. Dies macht die Vorrichtung günstiger und erlaubt auch eine Reduktion von Gewicht.
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Zudem kann vorgesehen sein, dass das zumindest eine zweite Brennstoffzellensystem erst nach dem Erreichen einer Temperatur von wenigstens 20 °C, insbesondere wenigstens 40 °C und ferner insbesondere wenigstens 60 °C gestartet wird. Selbstverständlich kann auch vorgesehen sein, dass das zumindest eine dritte bis n-te Brennstoffzellensystem erst nach dem Erreichen einer Temperatur von wenigstens 20 °C, insbesondere wenigstens 40 °C und ferner insbesondere wenigstens 60 °C gestartet wird. Dadurch kann sichergestellt werden, dass die jeweiligen Brennstoffzellensysteme, die gestartet werden, nahe der Betriebstemperatur oder auf Betriebstemperatur vorgewärmt worden sind, um einen besonders energiesparsamen Start der Brennstoffzellensysteme zu ermöglichen, was eine schnelle Bereitstellung der Nennleistungen der Brennstoffzellensysteme erlaubt.
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Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung eine Vorrichtung mit mehreren Brennstoffzellensystemen und einer Batterie, wobei die Vorrichtung ein Steuergerät aufweist, welches zur Durchführung des Verfahrens nach dem ersten Aspekt der Erfindung eingerichtet ist.
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Es kann vorgesehen sein, dass die Vorrichtung wenigstens 10, insbesondere wenigstens 20 oder wenigstens 50 Brennstoffzellensysteme aufweist. Es kann sich bei der Vorrichtung bspw. um ein Kraftfahrzeug, ein Flugzeug, ein Schiff, ein Triebfahrzeug, ein Kraftwerk oder dergleichen handeln.
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Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung zu verschiedenen Ausführungsbeispielen der Erfindung, welche in den Figuren schematisch dargestellt sind. Sämtliche aus den Ansprüchen, der Beschreibung oder den Figuren hervorgehende Merkmale und/oder Vorteile, einschließlich konstruktiver Einzelheiten und räumlicher Anordnungen können sowohl für sich als auch in den verschiedenen Kombinationen erfindungswesentlich sein.
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Anhand der beigefügten Zeichnungen wird die Erfindung nachfolgend näher erläutert. Dabei zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, und
- 2 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Elemente mit gleicher Funktion und Wirkungsweise sind in den 1 und 2 jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt eine Vorrichtung 1 in einer rein schematischen Darstellung. Die Vorrichtung 1 kann bspw. ein Kraftfahrzeug, ein Schiff, ein Flugzeug, ein Kraftwerk oder dergleichen sein, welche mit mehreren Brennstoffzellensystemen 2.1, 2.2 ... 2.n ausgestattet ist. Bspw. kann die Anzahl von Brennstoffzellensysteme 2.1, 2.2 ... 2.n wenigstens zehn, wenigstens zwanzig oder wenigstens fünfzig betragen.
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Jedes der Brennstoffzellensysteme 2.1, 2.2 ... 2.n weist zumindest einen Brennstoffzellenstack 3.1, 3.2 ... 3.n auf. Selbstverständlich kann jedes der Brennstoffzellensysteme 2.1, 2.2 ... 2.n auch mehrere, insbesondere miteinander verschaltete, Brennstoffzellenstacks 3.1, 3.2 ... 3.n aufweisen.
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Ferner weist jedes der Brennstoffzellensysteme 2.1, 2.2 ... 2.n entsprechende Systemperipherie 4.1, 4.2 ... 4.n zum Betreiben der Brennstoffzellenstacks 3.1, 3.2 ... 3.n auf. Dabei kann es sich bspw. um einen Luftkompressor, eine Kühlmittelpumpe und/oder eine Startheizung sowie ggf. Steuergeräte und dergleichen handeln.
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Die Vorrichtung 1 weist ferner eine Batterie 5, insbesondere eine Hochvolt-Batterie 5, auf, die mittels eines entsprechenden Stromnetzes mit den Brennstoffzellensystemen 2.1, 2.2 ... 2.n verbunden ist. Die Brennstoffzellensysteme 2.1, 2.2 ... 2.n sind ferner mittels dieses Stromnetzes auch miteinander verbunden, sodass produzierter Strom bzw. produzierte Energie eines der Brennstoffzellensysteme 2.1, 2.2 ... 2.n an die anderen Brennstoffzellensysteme 2.1, 2.2 ... 2.n weitergeleitet werden kann.
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An das Stromnetz angeschlossen ist ferner eine Last 6, die bei einem Kraftfahrzeug als Vorrichtung 1 bspw. ein Elektromotor sein kann. Mittels des von den Brennstoffzellensystemen 2.1, 2.2 ... 2.n produzierten Stroms wird die Last 6 versorgt bzw. angetrieben. Selbstverständlich kann die Vorrichtung 1 auch mehrere Lasten 6 umfassen, die an das Stromnetz angeschlossen sind.
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2 zeigt rein schematisch die Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens 7 mit entsprechenden Verfahrensschritten 8.1, 8.2, 8.3 ... 8.n zur Durchführung in der Vorrichtung 1 aus 1.
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In einem ersten Verfahrensschritt 8.1 wird Energie bzw. Strom aus der Batterie 5 zu dem ersten Brennstoffzellensystem 2.1, welches hierzu schematisch neben dem den Verfahrensschritt 8.1 symbolisierenden Kasten abgebildet ist, geleitet, damit das erste Brennstoffzellensystem 2.1 gestartet werden kann. Denn die Systemperipherie 4.1, bspw. eine Startheizung beim Gefrierstart, bzw. das Brennstoffzellensystem 2.1 insgesamt muss zunächst gestartet bzw. angefahren werden, bis das Brennstoffzellensystem 2.1 auf Betriebstemperatur kommt und selbst Energie bzw. Strom produziert.
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Dieser Vorgang verbraucht bereits eine große Menge Energie aus der begrenzten Batterie 5. Eine größere Batterie 5 benötigt viel Bauraum und hat ein hohes Gewicht, sodass vorliegend mit einer möglichst kleinen Batterie 5 gearbeitet werden soll. Um den von der Batterie 5 gedeckten Leistungsbedarf der Vorrichtung 1 bei ihrem Starten zu reduzieren, wird nun nicht jede der Brennstoffzellensysteme 2.1, 2.2 ... 2.n simultan gestartet.
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Stattdessen werden in dem zweiten Verfahrensschritt 8.2 zweite Brennstoffzellensysteme 2.2, 2.3 mit der nach dem Starten des ersten Brennstoffzellensystems 2.1 von dem ersten Brennstoffzellensystem 2.1 produzierten Energie gestartet. Dazu wird die produzierte Energie des ersten Brennstoffzellensystems 2.1 unmittelbar den zweiten Brennstoffzellensystemen 2.2, 2.3 zugeführt (das zweite Brennstoffzellensystem 2.3 ist nur in 2 explizit gezeigt). Energie aus der Batterie 5 kann, muss aber nicht mehr zum Starten der weiteren Brennstoffzellensysteme 2.2 ... 2.n verwendet werden.
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Statt zwei zweiten Brennstoffzellensystemen 2.2, 2.3 können selbstverständlich in dem zweiten Verfahrensschritt 8.2 auch nur eine oder mehr als zwei zweite Brennstoffzellensysteme 2.2, 2.3 mit der Energie aus dem ersten Brennstoffzellensystem 2.1 gestartet werden. Ebenso ist es möglich, dass mehr als nur ein erstes Brennstoffzellensystem 2.1 mit der Energie aus der Batterie 5 im ersten Verfahrensschritt 8.1 gestartet wird.
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Wenn die Vorrichtung weitere Brennstoffzellensysteme 2.4, 2.5 ... 2.n aufweist, kann diese Form des sequentiellen Startens der Brennstoffzellensysteme 2.4, 2.5 ... 2.n mit der produzierten Energie der zuvor gestarteten Brennstoffzellensysteme 2.1, 2.2, 2.3 fortgesetzt werden. Diese Fortsetzung ist durch den Verfahrensschritt 8.n für das Brennstoffzellensystem 2.n angedeutet.
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Ferner ist hier beispielhaft ein dritter Verfahrensschritt 8.3 gezeigt, in dem beispielhaft zwei dritte Brennstoffzellensysteme 2.4, 2.5, obwohl dies auch mehr oder weniger sein können, nach dem Starten der beiden zweiten Brennstoffzellensysteme 2.2, 2.3 mit der produzierten Energie aus dem ersten Brennstoffzellensystem 2.1 und/oder den beiden zweiten Brennstoffzellensystemen 2.2, 2.3 versorgt werden, um zu starten.
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Zur Durchführung des Verfahrens 7 weist die Vorrichtung 1 dabei ein Steuergerät 9 auf, wie es der 1 entnehmbar ist. Die Brennstoffzellensysteme 2.1, 2.2 ... 2.n und die Batterie 5 sind mittels des Steuergeräts 9 steuerungstechnisch miteinander verbunden und das Steuergerät 9 ist zur Durchführung des Verfahrens 7 programmiert.
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Entsprechend kann eine Vorrichtung 1, die eine Last 6 mit Energie von mehreren Brennstoffzellenystemen 2.1, 2.2 ... 2.n versorgt, schnell gestartet werden, wobei der Leistungsbedarf von der Batterie 5 reduziert wird.
