DE102022129694A1

DE102022129694A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Reduzierung der elektrischen Leistung eines Energiewandlers

Info

Publication number: DE102022129694A1
Application number: DE102022129694.6A
Authority: DE
Inventors: Juergen THYROFF; Zheng Zhou
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2022-11-10
Filing date: 2022-11-10
Publication date: 2024-05-16

Abstract

Die hier offenbarte Technologie betrifft erfindungsgemäß eine Vorrichtung (103) zur Reduzierung der von einem Energiewandler (102) bereitgestellten elektrischen Leistung (706), wobei der Energiewandler (102) ausgebildet ist, auf Basis von Brennstoff (211) und auf Basis von Oxidationsmittel (212) einen elektrischen Strom zu generieren, und wobei das Oxidationsmittel (212) anhand eines Oxidationsmittelförderers (205) zu dem Energiewandler (102) gefördert wird. Die Vorrichtung (103) ist eingerichtet, zu erkennen, dass ein Überschuss an elektrischer Leistung (706) und/oder elektrischer Ladung des Energiewandlers (102) vorliegt. Die Vorrichtung (103) ist ferner eingerichtet, in Reaktion auf das Erkennen zu bewirken, dass die von dem Oxidationsmittelförderer (205) aufgenommene elektrische Leistung (705) erhöht wird, sodass die überschüssige elektrische Leistung (706) und/oder elektrische Ladung des Energiewandlers (102) zumindest teilweise oder vollständig von dem Oxidationsmittelförderer (205) aufgenommen wird.

Description

Die hier offenbarte Technologie betrifft ein Verfahren und eine entsprechende Vorrichtung zur Reduzierung, insbesondere zur Vermeidung, einer Überspannung an einem Energiewandler, insbesondere an einem Brennstoffzellenstapel, die durch einen Leistungs- und/oder Ladungsüberschuss des Energiewandlers bewirkt wird.
Ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug kann einen Brennstoffzellenstapel mit ein oder mehreren Brennstoffzellen aufweisen, der eingerichtet ist, auf Basis eines Brennstoffs, insbesondere auf Basis von Wasserstoff, elektrische Energie für den Betrieb der elektrischen Antriebsmaschine des Fahrzeugs zu erzeugen. Der Brennstoff für den Brennstoffzellenstapel wird typischerweise aus einem Druckbehälter zu dem Brennstoffzellenstapel geleitet. Dabei kann die Menge an Brennstoff, die dem Brennstoffzellenstapel zugeführt wird, durch ein Ventil verändert werden.
Ferner wird dem Brennstoffzellenstapel typischerweise ein Oxidationsmittel, insbesondere Umgebungsluft, zugeführt. Das Oxidationsmittel kann dem Brennstoffzellenstapel über einen Kompressor zugeführt werden, wobei die Menge an zugeführtem Oxidationsmittel durch die Förderkapazität, insbesondere durch die Drehzahl, des Kompressors verändert werden kann, z.B. um die von dem Brennstoffzellenstapel erzeugte elektrische Leistung zu verändern.
Es kann infolge einer (abrupten) Reduzierung der elektrischen Last der elektrischen Antriebsmaschine des Fahrzeugs dazu kommen, dass der Brennstoffzellenstapel einen Überschuss an elektrischer Ladung erzeugt, was zu einer Überspannung an dem Brennstoffzellenstapel und resultierend daraus zu einer Beeinträchtigung und/oder zu einer übermäßigen Alterung des Brennstoffzellenstapels führen kann.
Es ist eine bevorzugte Aufgabe der hier offenbarten Technologie, zumindest einen Nachteil von einer vorbekannten Lösung zu verringern oder zu beheben oder eine alternative Lösung vorzuschlagen. Es ist eine bevorzugte Aufgabe der hier offenbarten Technologie, eine Beeinträchtigung und/oder eine übermäßige Alterung eines Energiewandlers, insbesondere eines Brennstoffzellenstapels, aufgrund eines Leistungs- und/oder Ladungsüberschusses in effizienter und zuverlässiger Weise zu vermeiden.
Die Aufgabe(n) wird/werden gelöst durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche. Die abhängigen Ansprüche stellen bevorzugte Ausgestaltungen dar.
Gemäß einem Aspekt wird eine Vorrichtung zur Reduzierung der von einem Energiewandler bereitgestellten elektrischen Leistung (z.B. infolge eines sprunghaften Absinkens einer Leistungsanforderung an den Energiewandler) beschrieben. Der Energiewandler ist ausgebildet, auf Basis von Brennstoff (z.B. auf Basis von Wasserstoff, insbesondere H₂) und auf Basis von Oxidationsmittel (z.B. auf Basis von Luft, insbesondere Sauerstoff) elektrischen Strom zu generieren. Das Oxidationsmittel wird anhand eines Oxidationsmittelförderers zu dem Energiewandler gefördert. Der Energiewandler kann einen Brennstoffzellenstapel umfassen, insbesondere ein Brennstoffzellenstapel sein. Der Oxidationsmittelförderer kann einen Kompressor umfassen, insbesondere ein Kompressor sein.
Die Vorrichtung kann eingerichtet sein, den Energiewandler in Abhängigkeit von einer externen Leistungsanforderung zu betreiben. Dabei kann die Leistungsanforderung z.B. von einem Antriebsmotor eines Kraftfahrzeugs gestellt werden. Die Leistungsanforderung kann die elektrische Leistung anzeigen, die von dem Energiewandler (über einen Gleichspannungswandler) bereitgestellt werden soll. Dabei kann sich die Leistungsanforderung entlang der Zeit verändern (z.B. aufgrund von Änderungen im Fahrbetrieb des Kraftfahrzeugs). Insbesondere kann es zu einem abrupten Absinken der Leistungsanforderung an den Energiewandler kommen (z.B. bei einem Wechsel von einer Bergauf-Fahrt zu einer Bergab-Fahrt).
Die Trägheit der Brennstoff- und/oder Oxidationsmittel-Versorgung des Energiewandlers kann dazu führen, dass (zumindest für einen bestimmten Zeitraum), mehr elektrische Leistung von dem Energiewandler erzeugt wird, als durch die Leistungsanforderung angefordert wird und/oder als von ein oder mehreren elektrischen Senken (außerhalb des Brennstoffzellensystems und/oder jenseits des Gleichspannungswandlers) aufgenommen werden kann. Dies kann zu einer Überspannungssituation an dem Energiewandler (bei der die Spannung an dem Energiewandler größer als eine vordefinierte Leerlauf-Grenzspannung ist) und damit zu einer Beeinträchtigung des Energiewandlers führen.
Die Vorrichtung ist eingerichtet, zu erkennen, dass ein Überschuss an elektrischer Leistung und/oder Ladung des Energiewandlers vorliegt (z.B. aufgrund des Absinkens der Leistungsanforderung an den Energiewandler). Beispielsweise kann erkannt werden, dass die Leistungsanforderung an den Energiewandler mit einem bestimmten zeitlichen Gradienten und/oder in einem bestimmten Ausmaß abgesunken ist, wobei der Gradient und/oder das Ausmaß jeweils (betraglich) größer als ein bestimmter Schwellenwert sind. Basierend darauf kann dann erkannt werden, dass ein Überschuss an elektrischer Leistung des Energiewandlers vorliegt. Alternativ oder ergänzend kann ein Überschuss an elektrischer Leistung und/oder Ladung des Energiewandlers auf Basis der an dem Energiewandler anliegenden elektrischen Spannung erkannt werden. Ein Anstieg der elektrischen Spannung kann auf einen Leistungs- und/oder Ladungsüberschuss hinweisen.
Es kann ein Überschuss an Ladung an dem Energiewandler vorliegen, wobei der Ladungsüberschuss typischerweise zu einer Erhöhung der an dem Energiewandler anliegenden elektrischen Spannung führt. Der Anstieg der elektrischen Spannung an dem Energiewandler kann ggf. dazu führen, dass ein elektrischer Strom bewirkt wird, um den Ladungsüberschuss des Energiewandlers abzubauen. Der Strom kann z.B. durch einen Gleichspannungswandler (des Brennstoffzellensystems) bewirkt werden. Als Folge des Stroms wird eine elektrische Leistung des Energiewandlers bewirkt. Die elektrische Leistung des Energiewandlers, die dazu dient den Überschuss an Ladung des Energiewandlers abzubauen, kann als Überschuss an elektrischer Leistung bzw. als Leistungsüberschuss des Energiewandlers bezeichnet werden.
Der Betrieb des Energiewandlers kann (in einem Standardbetrieb des Energiewandlers) eine bestimmte elektrische Betriebsleistung erfordern (z.B. zum Betrieb einer Komponente für die Bereitstellung des Brennstoffs und/oder zum Betrieb des Oxidationsmittelförderers). Ferner kann über den Gleichspannungswandler eine bestimmte elektrische Senkenleistung an ein oder mehrere Senken (z.B. an den Antriebsmotor eines Fahrzeugs und/oder an einen Energiespeicher) übertragen werden. Von dem Energiewandler kann eine bestimmte elektrische Gesamtleistung erzeugt werden. Der Überschuss an elektrischer Leistung kann der Summe aus (positiver) Gesamtleistung, (negativer) Betriebsleistung und (negativer) Senkenleistung entsprechen.
Die Vorrichtung ist ferner eingerichtet, in Reaktion auf das Erkennen, dass ein Überschuss an elektrischer Leistung und/oder Ladung des Energiewandlers vorliegt, zu bewirken, dass die von dem Oxidationsmittelförderer aufgenommene elektrische Leistung erhöht wird (im Vergleich zu der Leistung vor dem Erkennen), sodass die überschüssige elektrische Leistung und/oder Ladung des Energiewandlers zumindest teilweise oder vollständig von dem Oxidationsmittelförderer aufgenommen wird. Es kann somit bewirkt werden, dass der Oxidationsmittelförderer als zusätzlicher elektrischer Verbraucher auftritt, um den Leistungs- und/oder Ladungsüberschuss des Energiewandlers abzubauen. Dabei können die Drehzahl eines elektrischen Motors des Oxidationsmittelförderers und/oder der von dem Oxidationsmittelförderer geförderte Massenstrom von Oxidationsmittel erhöht werden, um die von dem Oxidationsmittelförderer aufgenommene elektrische Leistung zu erhöhen.
So können in effizienter und zuverlässiger Weise eine Überspannung an dem Energiewandler und eine daraus folgende Beeinträchtigung des Energiewandlers vermieden werden.
Die Vorrichtung kann eingerichtet sein, zu erkennen, dass der Leistungs- und/oder Ladungsüberschuss nicht durch ein oder mehrere elektrische Senken (außerhalb des Brennstoffzellensystems und/oder jenseits des Gleichspannungswandlers) aufgenommen werden kann (z.B. aufgrund eines zu hohen Ladezustands und/oder einer zu niedrigen möglichen Ladeleistung eines elektrischen Energiespeichers). Es kann ggf. erst in diesem Fall bewirkt werden, dass die von dem Oxidationsmittelförderer aufgenommene elektrische Leistung erhöht wird. So kann die Energieeffizienz des Systems (z.B. des Kraftfahrzeugs) erhöht werden, in dem der Energiewandler angeordnet ist.
Die Vorrichtung kann eingerichtet sein, in Reaktion auf das Erkennen, dass ein Überschuss an elektrischer Leistung und/oder Ladung des Energiewandlers vorliegt, zu bewirken, dass, die Menge an Oxidationsmittel, die dem Energiewandler zugeführt wird, reduziert wird, um die von dem Energiewandler generierte elektrische Leistung (und damit die Menge an nachfließender elektrischer Ladung) zu reduzieren. Dabei kann die Menge an Oxidationsmittel reduziert werden, um die von dem Energiewandler erzeugte elektrische Leistung bzw. Ladung/Zeiteinheit (d.h. um die elektrische Leistung des Energiewandlers) an die reduzierte Leistungsanforderung anzupassen.
Die Reduzierung der zugeführten Menge an Oxidationsmittel kann bewirkt werden, obwohl die von dem Oxidationsmittelförderer aufgenommene elektrische Leistung erhöht wird (und obwohl dadurch typischerweise der von dem Oxidationsmittelförderer bewirkte Massenstrom von Oxidationsmittel erhöht wird).
Zu diesem Zweck kann die Vorrichtung eingerichtet sein, in Reaktion auf das Erkennen, dass ein Überschuss an elektrischer Leistung und/oder Ladung des Energiewandlers vorliegt, zu bewirken, dass, stromabwärts des Oxidationsmittelförderers ein Bypasspfad geöffnet oder erweitert wird, über den Oxidationsmittel an dem Energiewandler vorbei geleitet wird. Insbesondere kann ein Bypass-Ventil auf dem Bypasspfad geöffnet oder weiter geöffnet werden. So kann der von dem Oxidationsmittelförderer bewirkte Massenstrom von Oxidationsmittel zuverlässig an dem Energiewandler vorbeigeführt (und somit für die Erhöhung der von dem Oxidationsmittelförderer aufgenommenen elektrischen Leistung erhöht) werden.
Alternativ oder ergänzend kann die Vorrichtung eingerichtet sein, in Reaktion auf das Erkennen, dass ein Überschuss an elektrischer Leistung und/oder Ladung des Energiewandlers vorliegt, zu bewirken, dass, stromabwärts des Oxidationsmittelförderers eine Zuleitung für Oxidationsmittel zu dem Energiewandler zumindest teilweise oder vollständig geschlossen wird. Insbesondere kann ein Zuleitungs-Ventil auf der Zuleitung zu dem Energiewandler zumindest teilweise oder vollständig geschlossen werden. So kann die von dem Energiewandler bereitgestellte Leistung (zumindest zeitlich verzögert) an die geänderte Leistungsanforderung angepasst werden.
Die Vorrichtung kann eingerichtet sein, (z.B. anhand eines Reglers) einen Betriebsparameter des Oxidationsmittelförderers gemäß einer Soll-Vorgabe einzustellen, insbesondere auf die Soll-Vorgabe zu regeln. In dem Standardbetrieb des Energiewandlers können die Drehzahl des Motors des Oxidationsmittelförderers und/oder der von dem Oxidationsmittelförderer bewirkte Massenstrom von Oxidationsmittel als einzustellender Betriebsparameter des Oxidationsmittelförderers verwendet werden, z.B. um den Energiewandler gemäß der jeweils aktuellen Leistungsanforderung zu betreiben.
Die Vorrichtung kann insbesondere eingerichtet sein (im Standardbetrieb), z.B. vor dem Erkennen, dass ein Überschuss an elektrischer Leistung und/oder Ladung des Energiewandlers vorliegt, und/oder nach dem Erkennen, dass ein Abbau des Überschusses an elektrischer Leistung und/oder Ladung des Energiewandlers erfolgt ist, eine Drehzahl-Soll-Vorgabe für die Drehzahl des Motors des Oxidationsmittelförderers und/oder eine Massenstrom-Soll-Vorgabe für den von dem Oxidationsmittelförderer bewirkten Massenstrom von Oxidationsmittel zu ermitteln. Die jeweilige Soll-Vorgabe kann auf Basis der (jeweils aktuellen) Leistungsanforderung an den Energiewandler ermittelt werden. Dabei kann die jeweilige Soll-Vorgabe entlang der Zeit angepasst werden (z.B., wenn sich die Leistungsanforderung ändert).
Die Vorrichtung kann ferner eingerichtet sein (im Standardbetrieb), als Betriebsparameter die Drehzahl des Motors des Oxidationsmittelförderers gemäß der Drehzahl-Soll-Vorgabe einzustellen (insbesondere auf die Drehzahl-Soll-Vorgabe zu regeln) und/oder den von dem Oxidationsmittelförderer bewirkten Massenstrom von Oxidationsmittel gemäß der Massenstrom-Soll-Vorgabe einzustellen (insbesondere auf die Massenstrom-Soll-Vorgabe einzustellen). So kann ein besonders effizienter und stabiler Standardbetrieb des Energiewandlers bewirkt werden (in Abhängigkeit von der jeweils vorliegenden Leistungsanforderungen an den Energiewandler).
Die Vorrichtung kann eingerichtet sein, in Reaktion auf das Erkennen, dass ein Überschuss an elektrischer Leistung und/oder Ladung des Energiewandlers vorliegt, von einer Drehzahl- und/oder Massenstrom-Regelung des Oxidationsmittelförderers auf eine Regelung der von dem Oxidationsmittelförderer aufgenommenen elektrischen Leistung umzustellen. Alternativ oder ergänzend kann die Vorrichtung eingerichtet sein, in Reaktion auf das Erkennen, dass der Überschuss an elektrischer Leistung und/oder Ladung des Energiewandlers abgebaut wurde, von der Regelung der von dem Oxidationsmittelförderer aufgenommenen elektrischen Leistung auf eine Drehzahl- und/oder Massenstrom-Regelung des Oxidationsmittelförderers umzustellen. Es kann somit zeitlich begrenzt für den Abbau des Leistungs- und/oder Ladungsüberschusses des Energiewandlers von dem Standardbetrieb abgewichen werden, um einen kontrollierten Abbau des Leistungs- und/oder Ladungsüberschusses zu bewirken. So kann eine Überspannungssituation des Energiewandlers in besonders zuverlässiger Weise vermieden werden.
Die Vorrichtung kann insbesondere eingerichtet sein, in Reaktion auf das Erkennen, dass ein Überschuss an elektrischer Leistung und/oder Ladung des Energiewandlers vorliegt, (wiederholt an einer Sequenz von Zeitpunkten) jeweils einen (aktuellen) Leistungswert des Überschusses an elektrischer Leistung des Energiewandlers zu ermitteln, und auf Basis des (jeweils aktuellen) Leistungswertes eine Leistungs-Soll-Vorgabe für die von dem Oxidationsmittelförderer aufgenommene elektrische Leistung zu ermitteln. Die Leistungs-Soll-Vorgabe kann dabei derart ermittelt werden, dass die Summe des (positiven) Überschusses an elektrischer Leistung des Energiewandlers und der von dem Oxidationsmittelförderer aufgenommenen (negativen) elektrischen Leistung betraglich gleich wie oder kleiner als ein vordefinierter Maximalwert (z.B. Null) ist.
Die Vorrichtung kann ferner eingerichtet sein, als Betriebsparameter des Oxidationsmittelförderers die von dem Oxidationsmittelförderer aufgenommene elektrische Leistung gemäß der (jeweils ermittelten) Leistungs-Soll-Vorgabe einzustellen, insbesondere auf die Leistungs-Soll-Vorgabe zu regeln. So kann ein besonders kontrollierter Abbau des Leistungs- und/oder Ladungsüberschusses des Energiewandlers bewirkt werden, um eine Überspannungssituation des Energiewandlers zu vermeiden.
Es kann somit an einer Sequenz von aufeinanderfolgenden Zeitpunkten jeweils ermittelt werden, wie hoch die elektrische Leistung des Energiewandlers ist, die nicht von einem elektrischen Verbraucher und/oder einem elektrischen Energiespeicher außerhalb des Brennstoffzellensystems aufgenommen werden kann. Diese elektrische Leistung kann als Leistungsüberschuss betrachtet werden. Es kann dann bewirkt werden, dass der Oxidationsmittelförderer derart betrieben wird, dass die von dem Oxidationsmittelförderer aufgenommene elektrische Leistung im Wesentlichen dem ermittelten Leistungsüberschuss entspricht.
Die Vorrichtung kann eingerichtet sein, insbesondere in Reaktion auf das Erkennen, dass ein Überschuss an elektrischer Leistung und/oder Ladung des Energiewandlers vorliegt, und/oder im Rahmen des Standardbetriebs, den Gleichspannungswandler derart zu betreiben, dass die an dem Energiewandler anliegende Spannung gleich wie oder kleiner als die vordefinierte Leerlauf-Spannungsgrenze des Energiewandlers ist. Dabei kann der Gleichspannungswandler ausgebildet sein, von dem Energiewandler erzeugte elektrische Energie bzw. Ladung an ein oder mehrere elektrische Senken (z.B. an ein elektrisches Bordnetzes eines Kraftfahrzeugs und/oder an einen elektrischen Energiespeicher) zu übertragen,
Durch die (zusätzliche) Verwendung eines Gleichspannungswandlers kann eine Überspannungssituation des Energiewandlers (bei der die Spannung an dem Energiewandler die Leerlauf-Spannungsgrenze überschreitet) in besonders zuverlässiger Weise vermieden werden.
Der Gleichspannungswandler kann in Abhängigkeit von dem Wert der an dem Energiewandler anliegenden Spannung betrieben werden. Ein Anstieg des Spannungswertes kann dazu führen, dass über den Gleichspannungswandler ein elektrischer Strom fließt, und dabei elektrische Ladung von dem Energiewandler an ein elektrisches Bordnetz übertragen wird (z.B. an ein Hochvolt-Bordnetz mit einer Netzspannung von 300V oder mehr). Der Überschuss an elektrischer Leistung und/oder Ladung des Energiewandlers kann somit von dem Gleichspannungswandler abgebaut werden.
Der Betrieb des Gleichspannungswandlers kann dazu führen, dass die elektrische Spannung in dem Bordnetz ansteigt, insbesondere dann, wenn der von dem Gleichspannungswandler bereitgestellte Strom nicht von einem elektrischen Verbraucher (z.B. dem Antriebsmotor) und/oder von einem elektrischen Energiespeicher aufgenommen werden kann. Durch den Anstieg der elektrischen Spannung in dem Bordnetz kann bewirkt werden, dass die Leistungsaufnahme des Oxidationsmittelförderers erhöht wird. Mit anderen Worten, die Vorrichtung kann eingerichtet sein, zu erkennen, dass die Spannung in dem Bordnetz ansteigt (z.B. über einen vordefinierten Spannungs-Schwellenwert ansteigt, wobei der Spannungs-Schwellenwert z.B. von der Nennspannung des elektrischen Energiespeichers abhängt). In Reaktion darauf kann dann bewirkt werden, dass die Leistungsaufnahme des Oxidationsmittelförderers erhöht wird (z.B. durch Erhöhen der Drehzahl).
Es kann somit indirekt über den Gleichspannungswandler bewirkt werden, dass der Überschuss an elektrischer Leistung und/oder Ladung des Energiewandlers durch die Erhöhung der von dem Oxidationsmittelförderer aufgenommenen elektrischen Leistung zumindest teilweise oder vollständig abgebaut wird.
Die ein oder mehreren elektrischen Senken (für die von dem Energiewandler bereitgestellte elektrische Leistung) können somit in einem elektrischen Bordnetz angeordnet sein, wobei der Oxidationsmittelförderer auch in dem elektrischen Bordnetz angeordnet sein kann. Der Gleichspannungswandler kann ausgebildet sein, von dem Energiewandler erzeugte elektrische Energie an das elektrische Bordnetz zu übertragen (um die ein oder mehreren elektrischen Senken und/oder den Oxidationsmittelförderer mit elektrischer Energie zu versorgen).
Die Vorrichtung kann eingerichtet sein, zu erkennen, dass die Bordnetzspannung des elektrischen Bordnetzes einen bestimmten Spannungs-Schwellenwert erreicht oder überscheitet (z.B. die Spannungsgrenze des Energiespeichers des Bordnetzes). Dies kann als Indikator dafür verwendet werden, dass die von dem Energiewandler generierte elektrische Leistung nicht von den ein oder mehreren Senken aufgenommen werden kann (und somit ein Überschuss an elektrischer Leistung und/oder elektrischer Ladung des Energiewandlers vorliegt).
In Reaktion auf den erkannten Anstieg der Bordnetzspannung kann bewirkt werden, dass die von dem Oxidationsmittelförderer aufgenommene elektrische Leistung erhöht wird (sodass die überschüssige elektrische Leistung und/oder elektrische Ladung des Energiewandlers zumindest teilweise oder vollständig von dem Oxidationsmittelförderer aufgenommen wird. Die Vorrichtung kann insbesondere eingerichtet sein, die von dem Oxidationsmittelförderer aufgenommene elektrische Leistung derart einzustellen, insbesondere zu regeln, dass die Bordnetzspannung des elektrischen Bordnetzes einen Soll-Spannungswert aufweist.
Die Leistungs-Regelung des Oxidationsmittelförderers kann somit in besonders effizienter und präziser Weise auf Basis einer Regelung der Bordnetzspannung erfolgen.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Brennstoffzellensystem beschrieben, das die in diesem Dokument beschriebene Vorrichtung umfasst.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein (Straßen-) Kraftfahrzeug (insbesondere ein Personenkraftwagen oder ein Lastkraftwagen oder ein Bus oder ein Motorrad) beschrieben, das die in diesem Dokument beschriebene Vorrichtung und/oder das in diesem Dokument beschriebene Brennstoffzellensystem umfasst.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zur Reduzierung der von einem Energiewandler bereitgestellten elektrischen Leistung (z.B. in Reaktion auf ein Absinken der Leistungsanforderungen an den Energiewandler). Der Energiewandler ist ausgebildet ist, auf Basis von Brennstoff (z.B. H₂) und auf Basis von Oxidationsmittel (z.B. Luft oder O₂) elektrische Energie zu generieren. Das Oxidationsmittel kann anhand eines Oxidationsmittelförderers zu dem Energiewandler gefördert werden.
Das Verfahren umfasst das Erkennen (z.B. auf Basis eines Absinkens der Leistungsanforderung an den Energiewandler), dass ein Überschuss an elektrischer Leistung und/oder Ladung des Energiewandlers vorliegt. Das Verfahren umfasst ferner das Bewirken, in Reaktion auf das Erkennen, dass die von dem Oxidationsmittelförderer aufgenommene elektrische Leistung erhöht wird (im Vergleich zu der aufgenommenen elektrischen Leistung vor dem Erkennen), um zu erreichen, dass die überschüssige elektrische Leistung und/oder Ladung des Energiewandlers zumindest teilweise oder vollständig von dem Oxidationsmittelförderer aufgenommen wird.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Software (SW) Programm beschrieben. Das SW Programm kann eingerichtet werden, um auf einem Prozessor (z.B. auf einem Steuergerät eines Fahrzeugs) ausgeführt zu werden, und um dadurch das in diesem Dokument beschriebene Verfahren auszuführen.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Speichermedium beschrieben. Das Speichermedium kann ein SW Programm umfassen, welches eingerichtet ist, um auf einem Prozessor ausgeführt zu werden, und um dadurch das in diesem Dokument beschriebene Verfahren auszuführen.
Es ist zu beachten, dass die in diesem Dokument beschriebenen Verfahren, Vorrichtungen und Systeme sowohl alleine, als auch in Kombination mit anderen in diesem Dokument beschriebenen Verfahren, Vorrichtungen und Systemen verwendet werden können. Des Weiteren können jegliche Aspekte der in diesem Dokument beschriebenen Verfahren, Vorrichtungen und Systemen in vielfältiger Weise miteinander kombiniert werden. Insbesondere können die Merkmale der Ansprüche in vielfältiger Weise miteinander kombiniert werden. Ferner sind in Klammern aufgeführte Merkmale als optionale Merkmale zu verstehen.
Im Weiteren wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Dabei zeigen

1 ein beispielhaftes Brennstoffzellensystem mit einem Brennstoffzellenstapel;
2 einen beispielhaften Aufbau einer Brennstoffzelle;
3 einen beispielhaften Brennstoffzellenstapel in einer Seitenansicht;
4 einen beispielhaften Brennstoffzellenstapel in einer Frontansicht;
5 ein beispielhaftes Kathodensubsystem eines Brennstoffzellenstapels;
6 ein Ablaufdiagramm eines beispielhaften Verfahrens zur Reduzierung der Leistung eines Energiewandlers;
7a zeitliche Verläufe von Messwerten an dem Brennstoffzellensystem bei Verwendung einer Massenstrom- und/oder Drehzahl-Regelung des Kompressors; und
7b zeitliche Verläufe von Messwerten an dem Brennstoffzellensystem bei Verwendung einer Leistungsregelung des Kompressors.

Wie eingangs dargelegt, befasst sich das vorliegende Dokument mit der effizienten und zuverlässigen Vermeidung einer Beeinträchtigung eines Energiewandlers, insbesondere eines Brennstoffzellenstapels, aufgrund eines Leistungs- und/oder Ladungsüberschusses. Im Folgenden wird spezifisch auf einen Brennstoffzellenstapel (als Beispiel für einen Energiewandler) und auf ein Kathodensubsystem mit einem Kompressor (als Beispiel für einen Oxidationsmittelförderer) eingegangen. Es sei darauf hingewiesen, dass die beschriebenen Aspekte allgemein für einen Energiewandler und/oder für einen Oxidationsmittelförderer anwendbar sind.
1 zeigt ein Brennstoffzellensystem 100 mit einem Brennstoffzellenstapel 102 mit mindestens einer Brennstoffzelle 101. Das Brennstoffzellensystem 100 ist beispielsweise für mobile Anwendungen wie Kraftfahrzeuge gedacht, insbesondere zur Bereitstellung der elektrischen Energie für mindestens eine elektrische Antriebsmaschine zur Fortbewegung eines Kraftfahrzeugs. Eine Brennstoffzelle 101 ist ein elektrochemischer Energiewandler, der Brennstoff und Oxidationsmittel in Reaktionsprodukte umwandelt und dabei Elektrizität und Wärme produziert. Eine Brennstoffzelle 101 umfasst (wie in 2 dargestellt) eine Anode 201 und eine Kathode 202, die durch einen ionenselektiven bzw. ionenpermeablen Separator 203 getrennt sind. Die Anode 201 wird mit Brennstoff 211 versorgt. Bevorzugte Brennstoffe 211 sind: Wasserstoff (H₂), niedrigmolekularer Alkohol, Biokraftstoffe, oder verflüssigtes Erdgas. Die Kathode 202 wird mit Oxidationsmittel 212 versorgt. Bevorzugte Oxidationsmittel 212 sind: Luft, Sauerstoff und Peroxide. Der ionenselektive Separator 203 kann beispielsweise als Protonenaustauschmembran (proton exchange membrane, PEM) ausgebildet sein. Bevorzugt kommt eine kationenselektive Polymerelektrolytmembran zum Einsatz. Materialien für eine solche Membran sind beispielsweise: Nafion®, Flemion® und Aciplex®.
Ein Brennstoffzellensystem 100 umfasst neben der mindestens einen Brennstoffzelle 101 periphere Systemkomponenten (BOP-Komponenten), die beim Betrieb der mindestens einen Brennstoffzelle 101 zum Einsatz kommen können. In der Regel sind mehrere Brennstoffzellen 101 zu einem Brennstoffzellenstapel bzw. Stack 102 zusammengefasst. Des Weiteren umfasst das Brennstoffzellensystem 100 typischerweise zumindest einen Druckbehälter, insbesondere Drucktank, 110, der dazu verwendet werden kann, den Brennstoff 211 für die ein oder mehreren Brennstoffzellen 101 bereitzustellen. Der Druckbehälter 110 ist über ein oder mehrere Leitungen 112 mit den ein oder mehreren Brennstoffzellen 101 verbunden. Die von dem Brennstoffzellenstapel 102 bereitgestellte elektrische Leistung kann von einer (Steuer-) Vorrichtung 103 des Brennstoffzellensystems 100 gesteuert und/oder geregelt werden. In diesem Zusammenhang kann der Massenstrom an Brennstoff 211 und/oder der Massenstrom an Oxidationsmittel 212 in den Brennstoffzellenstapel 102 gesteuert und/oder geregelt werden. Der Massenstrom an Oxidationsmittel 212 kann durch einen Oxidationsmittelförderer 205, insbesondere durch einen Kompressor, eingestellt und/oder verändert werden.
Die Anode 201 und die Kathode 202 einer Brennstoffzelle 101 bzw. eines Brennstoffzellenstapels 102 können mit Kontaktteilen 204 verbunden sein. Zwischen den Kontaktteilen 204 liegt typischerweise eine Betriebsspannung an (z.B. ca. 1V für eine Brennstoffzelle 101) und es kann ein Strom bereitgestellt werden. Durch die Reihenschaltung von mehreren Brennstoffzellen 101 (d.h. durch die Bereitstellung eines Stacks bzw. Brennstoffzellenstapels 102) kann die Betriebsspannung des Brennstoffzellenstapels 102 erhöht werden.
Die Brennstoffzellen 101 des Brennstoffzellenstapels 102 umfassen in der Regel jeweils zwei Separatorplatten (nicht dargestellt). Der ionenselektive Separator 203 einer Brennstoffzelle 101 ist in der Regel jeweils zwischen zwei Separatorplatten angeordnet. Die eine Separatorplatte bildet zusammen mit dem ionenselektiven Separator 203 die Anode 201 aus. Die auf der gegenüberliegenden Seite des ionenselektiven Separators 203 angeordnete weitere Separatorplatte bildet indes zusammen mit dem ionenselektiven Separator 203 die Kathode 202 aus. In den Separatorplatten sind bevorzugt Gaskanäle für Brennstoff 211 bzw. für Oxidationsmittel 212 vorgesehen.
Die Separatorplatten können als Monopolarplatten und/oder als Bipolarplatten ausgebildet sein. Mit anderen Worten weist eine Separatorplatte zweckmäßig zwei Seiten auf, wobei die eine Seite zusammen mit einem ionenselektiven Separator 203 die Anode 201 einer ersten Brennstoffzelle 101 ausbildet und wobei die zweite Seite zusammen mit einem weiteren ionenselektiven Separator 203 einer benachbarten zweiten Brennstoffzelle 101 die Kathode 202 der zweiten Brennstoffzelle 101 ausbildet.
Zwischen den ionenselektiven Separatoren 203 und den Separatorplatten sind in der Regel noch sogenannte Gasdiffusionsschichten bzw. Gasdiffusionslagen (GDL) vorgesehen.
3 zeigt den Aufbau eines beispielhaften Brennstoffzellenstapels 102 in einer Seitenansicht. Der Brennstoffzellenstapel 102 umfasst Endplatten 301 zwischen denen mehrere Brennstoffzellen 101 angeordnet sind. Die Endplatten 301 können dazu verwendet werden, die Brennstoffzellen 101 des Brennstoffzellenstapels 102 zusammenzuhalten bzw. zusammenzudrücken. Wie oben dargelegt, kann eine Brennstoffzelle 101 durch jeweils eine Seite von zwei benachbarten Bipolarplatten 303 gebildet werden. Zwischen zwei benachbarten Bipolarplatten 303 kann eine Elektrode-Membran-Einheit (Engl. Membrane Electrode Assembly, MEA) 304 angeordnet sein, die ggf. die o.g. Gasdiffusionsschicht umfasst. Außerdem umfasst der Brennstoffzellenstapel 102 Leitungen 302 durch die Brennstoff 211 und/oder Oxidationsmittel 212 über die Bipolarplatten 303 zu den einzelnen Brennstoffzellen 101 geführt werden kann, und über die ein oder mehreren Reaktionsprodukte (wiederum über die Bipolarplatten 303) aus den einzelnen Brennstoffzellen 101 geführt werden können.
Die Zugänge zu den einzelnen Leitungen 302 befinden sich zur Reduzierung des Bauraums typischerweise nur an einer Seite eines Brennstoffzellenstapels 102. 4 zeigt einen beispielhaften Brennstoffzellenstapel 102 in einer Frontansicht. Insbesondere zeigt 4 die Endplatte 301 eines Brennstoffzellenstapels 102, an der sich die Zugänge für die unterschiedlichen Leitungen 302 des Brennstoffzellenstapels 102 befinden. Der Brennstoffzellenstapel 102 kann eine Brennstoffzuleitung 401 aufweisen, über die Brennstoff 211 zu den einzelnen Brennstoffzellen 101 geführt werden kann. Des Weiteren kann der Brennstoffzellenstapel 102 eine Oxidationsmittelzuleitung 402 aufweisen, über die Oxidationsmittel 212 zu den einzelnen Brennstoffzellen 101 geführt werden kann. Außerdem kann der Brennstoffzellenstapel 102 eine Reaktionsproduktableitung 403 aufweisen, über die Reaktionsprodukte der Brennstoffzellen 101 abgeführt werden können (z.B. zusammen mit überschüssigem Oxidationsmittel 212 bzw. Luft). Ferner kann der Brennstoffzellenstapel 102 eine Brennstoffableitung 404 aufweisen, über die nicht verbrauchter Brennstoff 211 aus den Brennstoffzellen 101 abgeführt werden kann (z.B. im Rahmen einer Anodenspülung oder im Rahmen einer Brennstoff-Rezirkulation).
Das Brennstoffzellensystem 100 umfasst, wie beispielhaft in 5 dargestellt, ein Kathodensubsystem 500 (mit ein oder mehreren kathodenseitigen Komponenten), das von den oxidationsmittelführenden Bauelementen des Brennstoffzellensystems 100 ausgebildet wird. Das Kathodensubsystem 500 kann mindestens einen Oxidationsmittelförderer 205, mindestens einen zum Kathodeneinlass 402 führenden Kathodenversorgungspfad, mindestens einen vom Kathodenauslass 403 wegführenden Kathodenabgaspfad, einen Kathodenraum 520 im Brennstoffzellenstapel 102 und/oder weitere Elemente aufweisen. Hauptaufgabe des Kathodensubsystems 500 ist die Heranführung und Verteilung von Oxidationsmittel 212 an die elektrochemisch aktiven Flächen des Kathodenraums 520 und die Abfuhr von unverbrauchtem Oxidationsmittel 212.
Das Kathodensubsystem 500 kann auf dem Kathodenversorgungspfad einen Einlass 511 für Oxidationsmittel 212 (z.B. für Umgebungsluft) umfassen. Das Oxidationsmittel 212 kann dann in einem (Luft-) Filter 501 gefiltert werden, bevor das Oxidationsmittel 212 zu dem Oxidationsmittelförderer 205 geleitet wird. Der Oxidationsmittelförderer 205 kann durch einen (elektrischen) Motor 510 angetrieben werden. Der Motor 510 kann ein oder mehrere Motorlager aufweisen, die mit Oxidationsmittel 212 betrieben werden (anstatt mit Schmiermittel), um Verunreinigungen des Kathodensubsystems 500 und/oder des Brennstoffzellenstapels 102 zu vermeiden. Das Oxidationsmittel 212 für den Betrieb des Motors 510 kann über einen Lagerpfad 514 aus dem Kathodenversorgungspfad entnommen werden.
Am Eingang 512 des Oxidationsmittelförderers 205 und/oder an dem Ausgang des Filters 501 kann ein Massenstromsensor 502 angeordnet sein, der eingerichtet ist, Massenstrom-Messwerte in Bezug auf den Massenstrom an Oxidationsmittel 212 am Eingang 512 des Oxidationsmittelförderers 205 und/oder an dem Ausgang des Filters 501 zu erfassen (z.B. für eine Massenstrom-Regelung des Oxidationsmittelförderers 205).
Das Oxidationsmittel 212 kann durch einen Oxidationsmittel-Kühler 509 zu dem Kathodenraum 520 gefördert werden. Am Ausgang des Oxidationsmittel-Kühlers 509 kann eine Abzweigung von Oxidationsmittel 212 zu dem Lagerpfad 514 angeordnet sein. Von dem Massenstrom des Oxidationsmittels 212 am Ausgang des Oxidationsmittel-Kühlers 509 kann somit ein (relativ großer) Teil in den Kathodenraum 520 und ein (dazu komplementärer) Teil zu den ein oder mehreren Lagern des Motors 510 des Oxidationsmittelförderers 205 geführt werden. Der Teil des Oxidationsmittels 212 für die ein oder mehreren Lager des Motors 510 kann auf Basis eines Modells ermittelt werden (wobei das Modell z.B. von der Drehzahl des Motors 510 abhängt). So kann der verbleibende Massenstrom an Oxidationsmittel 212 ermittelt werden, der dem Kathodenraum 520 zugeführt wird.
An der Zuleitung 402 zu dem Kathodenraum 520 kann ein Eingangs- bzw. Zuleitungs-Ventil 507 angeordnet sein, das ausgebildet ist, den Massenstrom an Oxidationsmittel 212 in den Kathodenraum 520 zu steuern. Das Eingangs-Ventil 507 kann z.B. geschlossen werden, um zu bewirken, dass dem Kathodenraum 520 und/oder dem Brennstoffzellenstapel 102 kein Oxidationsmittel 212 mehr zugeführt wird. Andererseits kann das Eingangs-Ventil 507 geöffnet werden, um die Zuführung von Oxidationsmittel 212 zu dem Kathodenraum 520 und/oder zu dem Brennstoffzellenstapel 102 zu ermöglichen.
Die Reaktionsproduktableitung 403 aus dem Kathodenraum 520 kann zu dem Auslass 519 des Kathodensubsystems 500 geleitet werden. Ferner kann das Kathodensubsystem 500 einen Bypasspfad 515 für Oxidationsmittel 212 aufweisen, der von dem Ausgang 513 des Oxidationsmittelförderers 205 zu dem Auslass 519 des Kathodensubsystems 500 verläuft, um überschüssiges Oxidationsmittel 212 (z.B. bei Start-Up des Brennstoffzellenstapels 102) direkt aus dem Kathodensubsystems 500 leiten zu können. Auf dem Bypasspfad 515 kann ein Bypass-Ventil 506 (zur Steuerung des Massenstroms an Oxidationsmittel 212 auf dem Bypasspfad 515) angeordnet sein. Wenn das Bypass-Ventil 506 geöffnet ist, fließt ein Teil des Oxidationsmittels 212 am Ausgang 513 des Oxidationsmittelförderers 205 in die Zuleitung 516 zu dem Oxidationsmittel-Kühler 509 und ein komplementärer Teil in den Bypasspfad 515.
An der Ableitung 403 aus dem Kathodenraum 520 kann ein Ausgangs-Ventil 503 angeordnet sein, das ausgebildet ist, den Massenstrom an Oxidationsmittel 212 aus dem Kathodenraum 520 zu steuern. Das Ausgangs-Ventil 503 kann z.B. geschlossen werden, um zu bewirken, dass aus dem Kathodenraum 520 und/oder aus dem Brennstoffzellenstapel 102 kein Oxidationsmittel 212 mehr abgeführt wird. Andererseits kann das Ausgangs-Ventil 503 geöffnet werden, um die Abführung von Oxidationsmittel 212 aus dem Kathodenraum 520 und/oder aus dem Brennstoffzellenstapel 102 zu ermöglichen.
Zur Steuerung und/oder Regelung des Massenstroms an Oxidationsmittel 212 in den Kathodenraum 520 können die Massenstrom-Messwerte des Massenstromsensors 502 verwendet werden, um den Istwert des Massenstroms zu ermitteln. Dabei kann der Massenstrom an Oxidationsmittel 212 über den Bypass-Pfad 515 und/oder über den Lagerpfad 514 berücksichtigt werden, um basierend auf dem Massenstrom-Messwerte des Massenstromsensors 502 den Istwert des Massenstroms in den Kathodenraum 520 zu ermitteln.
Wie bereits weiter oben dargelegt, kann der von dem Brennstoffzellenstapel 102 erzeugte elektrische Strom für den Betrieb einer elektrischen Antriebsmaschine eines Kraftfahrzeugs verwendet werden. Dabei kann der generierte Strom über einen (Gleichspannungs-) Wandler 120 auf das Spannungsniveau des elektrischen Bordnetzes des Kraftfahrzeugs gewandelt werden (z.B. auf ein Hochvolt-Niveau von 300V oder mehr). Ferner kann der gewandelte Strom in einem elektrischen Energiespeicher 121 gespeichert werden. Der Kompressor 205 des Brennstoffzellensystems 100 kann über das elektrische Bordnetz des Kraftfahrzeugs mit Strom versorgt werden. Mit anderen Worten, der Kompressor 205 kann ein elektrischer Verbraucher innerhalb des Bordnetzes sein.
Der Kompressor 205 des Brennstoffzellensystems 100 kann mit dem Regelungsziel betrieben werden, die Drehzahl des Kompressors 205 und/oder den (von dem Kompressor 205 geförderten) Massenstrom an Oxidationsmittel 212 auf eine bestimmte Soll-Vorgabe einzustellen. Die Soll-Vorgabe für die Drehzahl und/oder für den Massenstrom hängen typischerweise von der elektrischen Leistung ab, die von dem Brennstoffzellenstapel 102 (z.B. für den Betrieb einer elektrischen Antriebsmaschine) bereitzustellen ist.
Bei einem (sprunghaften) Lastabbau (der Antriebsmaschine) reduziert sich die von dem Brennstoffzellenstapel 102 bereitzustellende elektrische Leistung in entsprechender Weise. Der Kompressor 205 kann daraufhin auf eine bestimmte Minimaldrehzahl geregelt werden.
Die Medienversorgung - insbesondere die Oxidationsmittel-Versorgung - kann aufgrund von Trägheit typischerweise gegenüber dem angeforderten Laststrom nicht hinreichend schnell reduziert werden. Dies führt dazu, dass sich aufgrund des reduzierten Laststroms eine Restladung in dem Brennstoffzellenstapel 102 befindet, die einen Anstieg der elektrischen Spannung an dem Brennstoffzellenstapel 102 bewirkt. Die Spannung an dem Brennstoffzellenstapel 102 kann ggf. die Leerlauf-Spannungsgrenze des Brennstoffzellenstapels 102 überschreiten, wodurch der Alterungsprozess der Brennstoffzellen 101 des Brennstoffzellenstapels 102 beschleunigt werden kann.
Um zu bewirken, dass die Spannung an dem Brennstoffzellenstapel 102 unterhalb der Leerlauf-Spannungsgrenze verbleibt, und um so den beschleunigten Alterungsprozess zu vermeiden, kann die Restladung des Brennstoffzellenstapels 102 (zeitgleich mit dem Lastabbau), z.B. durch den DCDC-Wandler 120, als elektrische Leistung abgeführt und einer elektrischen Senke (z.B. dem elektrischen Energiespeicher 121 und/oder einem elektrischen Verbraucher) zugeführt werden. Das Abführen der Restladung kann dabei jedoch nicht bewirkt werden, wenn keine elektrische Senke zur Verfügung steht (z.B., weil der Energiespeicher 121 bereits vollständig geladen ist).
Die (Steuer-) Vorrichtung 103 kann eingerichtet sein, den Kompressor 205, d.h. allgemein den Oxidationsmittelförderer, als elektrische Senke zu nutzen, um die Restladung des Brennstoffzellenstapels 102 infolge eines Lastabbaus abzuführen, und um so eine Überspannungssituation des Brennstoffzellenstapels 102 zu vermeiden. Insbesondere kann die Vorrichtung 103 eingerichtet sein, in Reaktion auf einen erkannten Leistungsüberschuss des Brennstoffzellenstapels 102 zu bewirken, dass die von dem Kompressor 205 aufgenommene elektrische Leistung erhöht wird, insbesondere derart, dass dadurch (genau) der erkannte Leistungs- und/oder Ladungsüberschuss des Brennstoffzellenstapels 102 abgebaut und/oder kompensiert wird.
Ferner kann durch die Vorrichtung 103 bewirkt werden, dass die dem Brennstoffzellenstapel 102, insbesondere dem Kathodenraum 520, zugeführte Menge an Oxidationsmittel 212 reduziert wird, um (nach-und-nach) die von dem Brennstoffzellenstapel 102 bereitgestellte elektrische Leistung und/oder (zusätzliche) elektrische Ladung zu reduzieren. Zu diesem Zweck kann das Eingangs-Ventil 507 am Eingang des Kathodenraums 520 geschlossen werden. Ferner kann das Bypass-Ventil 506 geöffnet werden, um das von dem Kompressor 205 geförderte Oxidationsmittel 212 über den Bypass-Pfad 515 zu dem Auslass 519 des Kathodensubsystems 500 zu leiten.
Die Regelung des Kompressors 205 kann somit in Reaktion auf einen erkannten Leistungs- und/oder Ladungsüberschuss (ausgehend von einer Drehzahl- und/oder Massenstrom-Regelung) auf eine Regelung umgestellt werden, die darauf abzielt, den Leistungs- und/oder Ladungsüberschuss des Brennstoffzellenstapels 102 (vollständig) abzubauen. Als Soll-Vorgabe kann dabei vorgegeben werden, dass die Leistungsbilanz aus der von dem Brennstoffzellenstapel 102 bereitgestellten elektrischen Leistung und der von dem Kompressor 105 und von den ein oder mehreren Verbrauchern (z.B. der elektrischen Antriebsmaschine) verbrauchten Leistung genau Null und/oder genau ausgeglichen ist. So kann in effizienter und zuverlässiger Weise eine Überspannungssituation des Brennstoffzellenstapels 102 vermieden werden.
Als Systemleistung kann die Leistung des Brennstoffzellenstapels 102 abzüglich der Leistungen aller Nebenverbraucher des Brennstoffzellensystems 100, insbesondere die Leistungen des Kompressors 205, definiert werden.
Wie in diesem Dokument beschrieben, kann das Brennstoffzellensystem 100 als Teil der Oxidationsmittel-Versorgung zumindest einen elektrisch betriebenen Kompressor 205 und zumindest eine weitere Vorrichtung umfassen, mit der der Oxidationsmittel-Durchsatz des Brennstoffzellenstapels 102 unabhängig von dem Oxidationsmittel-Massenstrom durch den Kompressor 205 geregelt bzw. absperrt werden kann. Diese Vorrichtung kann ein Absperr- und/oder Drosselventil 507 an dem Oxidationsmittel-Eingang 402 des Brennstoffzellenstapels 102, ein Absperr- und/oder Drosselventil 503 an dem Oxidationsmittel-Ausgang 403 des Brennstoffzellenstapels 102 und/oder ein Absperr- und/oder Drosselventil 506 an dem Bypasspfad 515 (und/oder eine beliebige Kombination der Ventile 507, 503, 506) umfassen, insbesondere sein.
Die Leistungsstellung des Brennstoffzellensystems 100 (für ein oder mehrere elektrische Senken 121) kann durch einen DCDC-Wandler 120 erfolgen.
Bei einem Lastabwurf der Leistung des Brennstoffzellensystems 100 kann die Oxidationsmittel-Zufuhr des Brennstoffzellenstapels 102 durch das vollständige oder teilweise Schließen eines Brennstoffzellenstapel-Abschlussventils 507, 503 verringert (insbesondere unterbunden) werden. Ferner kann der Oxidationsmittel-Bypasspfad 515 geöffnet werden. Der Betrieb des Kompressors 205 kann von dem Regelungsziel „Stelle den Luftmassenstrom und/oder die Drehzahl gemäß Soll-Vorgabe ein“ auf das neue Regelungsziel „Regele die überschüssige Systemleistung gemäß Soll-Vorgabe (z.B. auf 0 kW)“ wechseln.
Sobald die Restladung in dem Brennstoffzellenstapel 102 abgebaut ist, kann die oben beschriebene Funktion beendet werde. Der Betrieb des Kompressors 205 kann dann wieder mit dem Regelungsziel „Stelle den Luftmassenstrom und/oder die Drehzahl gemäß Soll-Vorgabe ein“ erfolgen. Wenn der Massenstrom-Bedarf des Brennstoffzellenstapels 102 (aufgrund der geringen Lastanforderung) weiterhin gering ist, wird der Kompressor 205 auf einen reduzierten Arbeitspunkt (mit einer reduzierten Drehzahl) zurückgefahren.
Die in diesem Dokument beschriebenen Maßnahmen ermöglichen es, in effizienter und zuverlässiger Weise eine Überspannungssituation infolge eines Lastabbaus zu vermeiden (ohne dass dafür eine zusätzliche elektrische Senke (etwa ein Energiespeicher 121 und/oder ein elektrischer Verbraucher) verwendet wird).
Falls innerhalb der Zeitspanne, die zum Abbau der Restladung benötigt wird, ein erneuter Lastaufbau erfolgt, weist der Kompressor 205 eine erhöhte Drehzahl auf. Als Folge daraus muss der Kompressor 205 nicht erneut beschleunigt werden. So kann die Energieeffizienz des Brennstoffzellensystems 100 erhöht werden. Ferner kann das Ansprechverhalten des Brennstoffzellensystems 100 bezüglich der Leistungsbereitstellung beschleunigt werden.
Es wird somit ein Verfahren zum Lastabbau eines Brennstoffzellensystems 100 beschrieben. Im Rahmen des Verfahrens verfolgt der Kompressor 205 während des Abbaus der Restladung (durch den DCDC-Wandler 120) das Regelungsziel „Kompensation der überschüssigen Systemleistung“. Dabei kann der Kompressors 205 als Leistungssteller derart geregelt werden, dass die Summenleistung aus der (positiven) Leistung des Brennstoffzellenstapels 102 und der (negativen) Leistung aller Systemnebenverbraucher inkl. Kompressor stets 0kW beträgt. Gleichzeitig kann der DCDC-Wandler 120 (ggf. weiterhin) so geregelt werden, dass der Spannungsverlauf im Brennstoffzellenstapel 102 stets unter einem vorgegebenen Spannungswert liegt.
Alternativ oder ergänzend kann der Kompressors 205 als Leistungssteller derart geregelt werden, dass die Summenleistung aus der (positiven) Leistung des Brennstoffzellenstapels 102 und der (negativen) Leistung aller Systemnebenverbraucher inkl. Kompressor 205 gemäß einer vorgegebenen Leistungskurve moduliert wird. Dabei kann (durch den DCDC-Wandler 120) sichergestellt werden, dass der Spannungsverlauf im Brennstoffzellenstapel 102 stets unter einem vorgegebenen Spannungswert liegt.
7a zeigt beispielhafte zeitliche Verläufe von Messgrößen des Brennstoffzellensystems 102 bei Verwendung einer Drehzahl- und/oder Massenstrom-Regelung des Kompressors 205 in Reaktion auf einen Lastabbau. An einem Anfangszeitpunkt (auf der linken Seite von 7a) erfolgt ein Lastabbau, wodurch die Leistung 704 des Brennstoffzellensystems 100 sinkt. In Reaktion auf den Lastabbau steigt die Spannung 701 an dem Brennstoffzellenstapel 102 an, wobei die Spannung 701 durch den Wandler 120 auf einen bestimmten Spannungswert eingestellt wird (um eine Überspannungssituation zu vermeiden).
Aufgrund des Lastabbaus sinkt die Soll-Vorgabe für die Drehzahl 702 des Kompressors 205, was zu einem Sinken der Drehzahl 702 führt. Ferner wird das Kathodeneingangsventil 507 geschlossen (gemäß dem Verlauf 703).
Die Leistung 706 des Brennstoffzellenstapels 102 entspricht im Wesentlichen der Leistung 704 des Brennstoffzellensystems 100 (die über den Wandler 120 bereitgestellt wird). Ferner zeigt 7a den Verlauf der von dem Kompressor 205 aufgenommenen (negativen) Leistung 705.
7b zeigt beispielhafte zeitliche Verläufe von Messgrößen des Brennstoffzellensystems 102 bei Verwendung einer Leistungs-Regelung des Kompressors 205 (um die Leistung 704 des Brennstoffzellensystems 100 auf Null zu regeln). 7b veranschaulicht, dass die (positive) Leistung des Brennstoffzellenstapels 706 durch den Betrieb des Kompressors 205 mit der (negativen) Leistung 705 kompensiert wird, sodass die Netto-Leistung 704 des Brennstoffzellensystems 100 im Wesentlichen Null ist. Ferner ist aus 7b zu entnehmen, dass zu diesem Zweck die Drehzahl 702 des Kompressors 205 angehoben wird.
Wie weiter oben dargelegt, kann der Kompressor 205 an der Bordnetz-Seite des Gleichspannungswandlers 120 angeordnet sein, während der Brennstoffzellenstapel 102 an der Energiewandler-Seite des Gleichspannungswandlers 120 angeordnet ist. Der Leistungs- und/oder Ladungsüberschuss des Brennstoffzellenstapels 102 kann zu einer Erhöhung der Spannung an dem Brennstoffzellenstapel 102 führen, wodurch der Gleichspannungswandler 120 veranlasst wird, elektrische Energie von dem Brennstoffzellenstapel 102 weg zu dem Bordnetz zu transferieren. Dies kann z.B. im Rahmen einer Spannungsregelung des Gleichspannungswandlers 120 bewirkt werden, die darauf ausgelegt ist, die Spannung an dem Brennstoffzellenstapel 102 auf einen bestimmten Spannungswert einzustellen und/oder zu bewirken, dass die Spannung an dem Brennstoffzellenstapel 102 einen bestimmten Spannungswert nicht übersteigt.
Die von dem Gleichspannungswandler 120 transferierte elektrische Energie führt zu einem Abbau des Leistungs- und/oder Ladungsüberschusses des Brennstoffzellenstapels 102. Andererseits kann die transferierte elektrische Energie in dem Bordnetz zu einer Erhöhung der Bordnetzspannung führen, wenn für die transferierte elektrische Energie keine geeignete Senke zur Verfügung steht. Der Anstieg der Bordnetzspannung kann als Trigger verwendet werden, um die von dem Kompressor 205 aufgenommene elektrische Leistung zu erhöhen.
6 zeigt ein Ablaufdiagramm eines beispielhaften (ggf. Computerimplementierten) Verfahrens 600 zur Reduzierung der von einem Energiewandler 102 (insbesondere von einem Brennstoffzellenstapel) bereitgestellten elektrischen Leistung 706. Der Energiewandler 102 ist ausgebildet, auf Basis von Brennstoff 211 und auf Basis von Oxidationsmittel 212 einen elektrischen Strom zu generieren. Das Oxidationsmittel 212 wird dabei anhand eines Oxidationsmittelförderers 205 zu dem Energiewandler 102 (insbesondere zu der Kathode 202 bzw. zu dem Kathodenraums 520 des Brennstoffzellenstapels). gefördert.
Das Verfahren 600 umfasst, das Erkennen 601, dass, insbesondere aufgrund des Absinkens einer Leistungsanforderung an den Energiewandler 102, ein Überschuss an elektrischer Leistung 706 und/oder Ladung des Energiewandlers 102 vorliegt. Beispielsweise kann ein sprunghaftes Absinken der Leistungsanforderung an den Energiewandler 102 erkannt werden, z.B. ein (sprunghaftes) Absinken um 10% oder mehr, oder um 20% oder mehr, oder um 50% oder mehr. Basierend darauf kann dann erkannt werden, dass ein Überschuss an elektrischer Leistung 706 und/oder Ladung des Energiewandlers 102 vorliegt (z.B., weil der Leistungsabbau des Energiewandlers 102 eine bestimmte Trägheit aufweist).
Das Verfahren 600 umfasst ferner das Bewirken 602, in Reaktion auf das Erkennen 601, dass die von dem Oxidationsmittelförderer 205 aufgenommene elektrische Leistung 705 erhöht wird, sodass die überschüssige elektrische Leistung 706 des Energiewandlers 102 zumindest teilweise oder vollständig von dem Oxidationsmittelförderer 205 aufgenommen wird. Mit anderen Worten, es kann bewirkt werden, dass der Oxidationsmittelförderer 205 als zusätzlicher elektrischer Verbraucher auftritt, um zumindest einen Teil der überschüssigen elektrischen Leistung abzubauen.
Durch die in diesem Dokument beschriebenen Maßnahmen kann in effizienter und zuverlässiger Weise eine Überspannung an einem Energiewandler 102, insbesondere an einem Brennstoffzellenstapel, verhindert werden (insbesondere dann, wenn keine elektrische Senke 121 zur (vollständigen) Abnahme der überschüssigen elektrischen Leistung und/oder Ladung des Energiewandlers 102 vorliegt).
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die gezeigten Ausführungsbeispiele beschränkt. Insbesondere ist zu beachten, dass die Beschreibung und die Figuren nur beispielhaft das Prinzip der vorgeschlagenen Verfahren, Vorrichtungen und Systeme veranschaulichen sollen.
Bezugszeichenliste

100: Brennstoffzellensystem
101: Brennstoffzelle
102: Brennstoffzellenstapel
103: (Steuer-) Vorrichtung
110: Druckbehälter
112: Brennstoffleitung
120: Gleichspannungswandler
121: elektrischer Energiespeicher
201: Anode
202: Kathode
203: Separator
204: Kontaktteil (Elektrode)
205: Oxidationsmittelförderer (Kompressor)
211: Brennstoff (insbesondere Wasserstoff)
212: Oxidationsmittel (insbesondere Luft)
301: Endplatte
302: Leitung
303: Bipolarplatte
304: Elektrode-Membran-Einheit
401: Brennstoffzuleitung
402: Oxidationsmittelzuleitung
403: Reaktionsproduktableitung
404: Anodenabgasleitung
500: Kathodensubsystem
501: Oxidationsmittelfilter
502: Massenstromsensor
503: Ventil
506: Ventil
507: Ventil
509: Oxidationsmittel-Kühler
510: Motor (Oxidationsmittelförderer)
511: Einlass (Kathodensubsystem)
512: Eingang (Oxidationsmittelförderer)
513: Ausgang (Oxidationsmittelförderer)
514: Lagerpfad
515: Bypasspfad (Oxidationsmittel)
516: Zuleitung zum Oxidationsmittel-Kühler
519: Auslass (Kathodensubsystem)
520: Kathodenraum
600: Verfahren zur Reduzierung der Leistung eines Brennstoffzellenstapels
601-602: Verfahrensschritte
701: Spannung (am Brennstoffzellenstapel)
702: Drehzahl (Oxidationsmittelförderer)
703: Öffnungsgrad Kathodeneingangsventil
704: (positive) Leistung des Brennstoffzellensystems
705: (negative) Leistung des Oxidationsmittelförderers
706: (positive) Leistung des Brennstoffzellenstapels

Claims

Vorrichtung (103) zur Reduzierung einer von einem Energiewandler (102) bereitgestellten elektrischen Leistung (706); wobei der Energiewandler (102) ausgebildet ist, auf Basis von Brennstoff (211) und auf Basis von Oxidationsmittel (212) einen elektrischen Strom zu generieren; wobei das Oxidationsmittel (212) anhand eines Oxidationsmittelförderers (205) zu dem Energiewandler (102) gefördert wird; wobei die Vorrichtung (103) eingerichtet ist, - zu erkennen, dass, insbesondere aufgrund eines Absinkens einer Leistungsanforderung an den Energiewandler (102), ein Überschuss an elektrischer Leistung (706) und/oder elektrischer Ladung des Energiewandlers (102) vorliegt; und - in Reaktion auf das Erkennen zu bewirken, dass die von dem Oxidationsmittelförderer (205) aufgenommene elektrische Leistung (705) erhöht wird, sodass die überschüssige elektrische Leistung (706) und/oder elektrische Ladung des Energiewandlers (102) zumindest teilweise oder vollständig von dem Oxidationsmittelförderer (205) aufgenommen wird.
Vorrichtung (103) gemäß Anspruch 1, wobei die Vorrichtung (103) eingerichtet ist, in Reaktion auf das Erkennen, dass ein Überschuss an elektrischer Leistung (706) und/oder Ladung des Energiewandlers (102) vorliegt, zu bewirken, dass, insbesondere obwohl die von dem Oxidationsmittelförderer (205) aufgenommene elektrische Leistung (705) erhöht wird, eine Menge (703) an Oxidationsmittel (205), die dem Energiewandler (102) zugeführt wird, reduziert wird, um die von dem Energiewandler (102) generierte elektrische Leistung (706) und/oder Ladung zu reduzieren.
Vorrichtung (103) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtung (103) eingerichtet ist, in Reaktion auf das Erkennen, dass ein Überschuss an elektrischer Leistung (706) und/oder Ladung des Energiewandlers (102) vorliegt, zu bewirken, dass, stromabwärts des Oxidationsmittelförderers (205) - ein Bypasspfad (515) geöffnet oder erweitert wird, über den Oxidationsmittel (212) an dem Energiewandler (102) vorbei geleitet wird; und/oder - eine Zuleitung (402) für Oxidationsmittel (212) zu dem Energiewandler (102) zumindest teilweise oder vollständig geschlossen wird.
Vorrichtung (103) gemäß Anspruch 3, wobei die Vorrichtung (103) eingerichtet ist, - ein Bypass-Ventil (506) auf dem Bypasspfad (515) zu öffnen oder weiter zu öffnen; und/oder - ein Zuleitungs-Ventil (507) auf der Zuleitung (402) zu dem Energiewandler (102) zumindest teilweise oder vollständig zu schließen.
Vorrichtung (103) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtung (103) eingerichtet ist, eine Drehzahl (702) eines Motors (510) des Oxidationsmittelförderers (205) und/oder einen von dem Oxidationsmittelförderer (205) geförderten Massenstrom von Oxidationsmittel (212) zu erhöhen, um die von dem Oxidationsmittelförderer (205) aufgenommene elektrische Leistung (705) zu erhöhen.
Vorrichtung (103) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtung (103) eingerichtet ist, - anhand eines Reglers einen Betriebsparameter des Oxidationsmittelförderers (205) gemäß einer Soll-Vorgabe einzustellen, insbesondere auf die Soll-Vorgabe zu regeln; und - in Reaktion auf das Erkennen, dass ein Überschuss an elektrischer Leistung (706) und/oder elektrischer Ladung des Energiewandlers (102) vorliegt, insbesondere wiederholt an einer Sequenz von Zeitpunkten, - einen Leistungswert des Überschusses an elektrischer Leistung (706) und/oder elektrischer Ladung des Energiewandlers (102) zu ermitteln; - auf Basis des Leistungswertes eine Leistungs-Soll-Vorgabe für die von dem Oxidationsmittelförderer (205) aufgenommene elektrische Leistung (705) zu ermitteln; und - als Betriebsparameter des Oxidationsmittelförderers (205) die von dem Oxidationsmittelförderer (205) aufgenommene elektrische Leistung (705) gemäß der Leistungs-Soll-Vorgabe einzustellen.
Vorrichtung (103) gemäß Anspruch 6, wobei die Vorrichtung (103) eingerichtet ist, die Leistungs-Soll-Vorgabe derart zu ermitteln, dass eine Summe des Überschusses an elektrischer Leistung (706) des Energiewandlers (102) und der von dem Oxidationsmittelförderer (205) aufgenommenen elektrischen Leistung (705) betraglich gleich wie oder kleiner als ein vordefinierter Maximalwert ist.
Vorrichtung (103) gemäß einem der Ansprüche 6 bis 7, wobei die Vorrichtung (103) eingerichtet ist, vor dem Erkennen, dass ein Überschuss an elektrischer Leistung (706) und/oder elektrischer Ladung des Energiewandlers (102) vorliegt, und/oder nach einem Abbau des Überschusses an elektrischer Leistung (706) und/oder Ladung des Energiewandlers (102), - eine Drehzahl-Soll-Vorgabe für eine Drehzahl (702) eines Motors (510) des Oxidationsmittelförderers (205) und/oder eine Massenstrom-Soll-Vorgabe für einen von dem Oxidationsmittelförderer (205) bewirkten Massenstrom von Oxidationsmittel (212) zu ermitteln, insbesondere auf Basis einer Leistungsanforderung an den Energiewandler (102); und - als Betriebsparameter die Drehzahl (702) des Motors (510) des Oxidationsmittelförderers (205) gemäß der Drehzahl-Soll-Vorgabe und/oder den von dem Oxidationsmittelförderer (205) bewirkten Massenstrom von Oxidationsmittel (212) gemäß der Massenstrom-Soll-Vorgabe einzustellen.
Vorrichtung (103) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtung (103) eingerichtet ist, - in Reaktion auf das Erkennen, dass ein Überschuss an elektrischer Leistung (706) und/oder elektrischer Ladung des Energiewandlers (102) vorliegt, von einer Drehzahl- und/oder Massenstrom-Regelung des Oxidationsmittelförderers (205) auf eine Regelung der von dem Oxidationsmittelförderer (205) aufgenommenen elektrischen Leistung (705) umzustellen; und/oder - in Reaktion auf ein Erkennen, dass der Überschuss an elektrischer Leistung (706) und/oder elektrischer Ladung des Energiewandlers (102) abgebaut wurde, von der Regelung der von dem Oxidationsmittelförderer (205) aufgenommenen elektrischen Leistung (705) auf eine Drehzahl- und/oder Massenstrom-Regelung des Oxidationsmittelförderers (205) umzustellen.
Vorrichtung (103) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtung (103) eingerichtet ist, insbesondere in Reaktion auf das Erkennen, dass ein Überschuss an elektrischer Leistung (706) und/oder elektrischer Ladung des Energiewandlers (102) vorliegt, einen Gleichspannungswandler (120), der ausgebildet ist, von dem Energiewandler (102) erzeugte elektrische Energie an ein oder mehrere elektrische Senken (121) zu übertragen, derart zu betreiben, dass eine an dem Energiewandler (102) anliegende Spannung (701) gleich wie oder kleiner als eine Leerlauf-Spannungsgrenze des Energiewandlers (102) ist.
Vorrichtung (103) gemäß Anspruch 10, wobei - die ein oder mehreren elektrischen Senken (121) in einem elektrischen Bordnetz angeordnet sind; - der Gleichspannungswandler (120) ausgebildet ist, von dem Energiewandler (102) erzeugte elektrische Energie an das elektrische Bordnetz zu übertragen; - der Oxidationsmittelförderer (205) insbesondere in dem elektrischen Bordnetz angeordnet ist; und - die Vorrichtung (103) eingerichtet ist, - zu erkennen, dass eine Bordnetzspannung des elektrischen Bordnetzes einen Spannungs-Schwellenwert erreicht oder überscheitet; und - in Reaktion darauf zu bewirken, dass die von dem Oxidationsmittelförderer (205) aufgenommene elektrische Leistung (705) erhöht wird, sodass die überschüssige elektrische Leistung (706) und/oder elektrische Ladung des Energiewandlers (102) zumindest teilweise oder vollständig von dem Oxidationsmittelförderer (205) aufgenommen wird.
Vorrichtung (103) gemäß Anspruch 11, wobei die Vorrichtung (103) eingerichtet ist, die von dem Oxidationsmittelförderer (205) aufgenommene elektrische Leistung (705) derart einzustellen, insbesondere zu regeln, dass die Bordnetzspannung des elektrischen Bordnetzes einen Soll-Spannungswert aufweist.
Vorrichtung (103) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei - der Energiewandler (102) einen Brennstoffzellenstapel umfasst, insbesondere ein Brennstoffzellenstapel ist; und/oder - der Oxidationsmittelförderer (205) einen Kompressor umfasst, insbesondere ein Kompressor ist.
Verfahren (600) zur Reduzierung einer von einem Energiewandler (102) bereitgestellten elektrischen Leistung (706); wobei der Energiewandler (102) ausgebildet ist, auf Basis von Brennstoff (211) und auf Basis von Oxidationsmittel (212) einen elektrischen Strom zu generieren; wobei das Oxidationsmittel (212) anhand eines Oxidationsmittelförderers (205) zu dem Energiewandler (102) gefördert wird; wobei das Verfahren (600) umfasst, - Erkennen (601), dass, insbesondere aufgrund eines Absinkens einer Leistungsanforderung an den Energiewandler (102), ein Überschuss an elektrischer Leistung (706) und/oder elektrischer Ladung des Energiewandlers (102) vorliegt; und - Bewirken (602), in Reaktion auf das Erkennen (601), dass die von dem Oxidationsmittelförderer (205) aufgenommene elektrische Leistung (705) erhöht wird, sodass die überschüssige elektrische Leistung (706) und/oder elektrische Ladung des Energiewandlers (102) zumindest teilweise oder vollständig von dem Oxidationsmittelförderer (205) aufgenommen wird.