DE102022200741A1 - Derating-Strategie für Brennstoffzellensysteme mit Berücksichtigung von reversiblen und irreversiblen Kennlinieneffekten - Google Patents

Derating-Strategie für Brennstoffzellensysteme mit Berücksichtigung von reversiblen und irreversiblen Kennlinieneffekten Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems (100) aufweisend einen Brennstoffzellenstack (101), aufweisend:- Betreiben des Brennstoffzellensystems (100),- Überwachen einer Verlustleistung (PV) des Brennstoffzellensystems (100) auf Erreichen eines Schwellenwertes (PVmax),- Anpassen der Leistungsabgabe des Brennstoffzellensystems (100) in Abhängigkeit von dem Überwachen.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems. Ferner betrifft die Erfindung ein entsprechendes Computerprogrammprodukt. Weiterhin betrifft die Erfindung eine korrespondierende Steuereinheit.
  • Stand der Technik
  • Bekannte Brennstoffzellensysteme umfassen zumeist einen Brennstoffzellenstack mit mehreren gestapelten Brennstoffzellen. Zudem umfassen Brennstoffzellensysteme mehrere Subsysteme, darunter: ein Kathodensystem, um einen Kathodenpfad des Brennstoffzellenstacks mit einem sauerstoffhaltigen Gasgemisch zu versorgen, ein Anodensystem, um einen Anodenpfad des Brennstoffzellenstacks mit einem brennstoffhaltigen Gasgemisch zu versorgen, ein Kühlsystem, um den Brennstoffzellenstack zu temperieren, und ein elektrisches System, um die erzeugte elektrische Leistung vom Brennstoffzellenstack abzuführen.
  • Das Kühlsystem führt unter anderem die Verlustwärme des Brennstoffzellenstacks ab. Bei mobilen Anwendungen, bspw. in Fahrzeuge, kann die Verlustwärme des Brennstoffzellenstack über einen Fahrzeugkühler an die Umgebung abgeführt werden. Bekannte Brennstoffzellen, insbesondere PEM-Brennstoffzellen, weisen einen bestimmten Temperaturbereich für einen optimalen Betrieb des Systems. Durch die begrenzte Betriebstemperatur des Systems und das begrenzte Kühlvermögen des Kühlsystems kann es im Betrieb des Brennstoffzellensystems zu Kühlungslimitierungen kommen.
  • Außerdem unterliegen die Brennstoffzellen, insbesondere PEM-Brennstoffzellen, verschiedenen Alterungseffekten. Dadurch verschlechtert sich ihre Kennlinie:
    • - die Spannung sinkt bei gleichem anliegenden elektr. Strom, sodass das System mit einem reduzierten Wirkungsgrad betrieben werden kann,
    • - bei Nennstrom wird nicht die ursprüngliche Leistung erzielt.
  • Im Vergleich zum Zeitpunkt der Inbetriebnahme des Systems (Begin of Life bzw. BoL) erhöht sich dadurch der Wasserstoffverbrauch und die max. Leistungsfähigkeit des Systems nimmt ab.
  • Auch reversible Effekte, wie z.B. kurzzeitig zu trockene Membran verschlechtern die Kennlinie des Brennstoffzellensystems. Die Spannung von Brennstoffzellensystemen sinkt durch innere Verluste bei Erhöhung des Stroms. Bei hohen Strömen wirken zunehmend Massentransportverluste, die zu einer überproportionalen Zunahme der Verluste führen.
  • In bekannten Systemen wird die Temperatur des Brennstoffzellenstacks überwacht und beim Erreichen einer maximal zulässigen Temperatur wird ein thermisches Derating eingeleitet. Dabei wird die Leistungsabgabe des Systems gedrosselt, um ein Überhitzen der Brennstoffzellen zu vermeiden.
  • In bestimmten Betriebssituationen, wie z. B. Heißlandfahrt, Bergfahrt mit Anhänger oÄ, und je nach Auslegung des Brennstoffzellensystems (Performance, Standard, Value, usw.) kann ein thermisches Derating bereits kurz nach der Inbetriebnahme des Systems erforderlich sein. Durch die zunehmende Alterung des Systems nehmen die Häufigkeit, die Schwere und/oder die Dauer des Deratings zu.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Die Erfindung sieht gemäß einem ersten Aspekt ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems mit den Merkmalen des unabhängigen Verfahrensanspruches vor. Ferner sieht die Erfindung ein entsprechendes Computerprogrammprodukt mit den Merkmalen des unabhängigen Produktanspruches vor. Weiterhin sieht die Erfindung eine korrespondierende Steuereinheit mit den Merkmalen des unabhängigen Vorrichtungsanspruches vor. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit einzelnen erfindungsgemäßen Aspekten beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit den anderen erfindungsgemäßen Aspekten und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.
  • Die vorliegende Erfindung sieht gemäß dem ersten Aspekt vor: ein Verfahren (Derating-Strategie) zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems (oder einfach ausgedrückt System) aufweisend einen Brennstoffzellenstack (oder einfach ausgedrückt Stack), aufweisend:
    • - Betreiben des Brennstoffzellensystems,
    • - Überwachen einer Verlustleistung (umfassend bspw. eine thermische und/oder elektrische Verlustleistung) des Brennstoffzellensystems auf Erreichen eines Schwellenwertes, insbesondere auf Überschreiten eines maximal zulässigen Schwellenwertes für die Verlustleistung,
    • - Anpassen der Leistungsabgabe (umfassend bspw. elektrische (Nutz-)Leistung und/oder elektrischen Strom) des Brennstoffzellensystems in Abhängigkeit von dem Überwachen, insbesondere Reduzieren der Leistungsabgabe (umfassend bspw. Reduzieren einer elektrischen Leistung und/oder eines elektrischen Stroms aus dem Brennstoffzellensystem), wenn die Verlustleistung des Brennstoffzellensystems einen maximal zulässigen Schwellenwert überschreitet.
  • Der Kern der Erfindung liegt darin, dass die maximal zulässige Verlustleistung, bspw. umfassend die Verlustwärme, des Systems limitiert wird. Als maximal zulässiger Schwellenwert kann dabei bspw. der Wert der Verlustleistung genutzt werden, der bei der Inbetriebnahme des Systems (Begin of Life bzw. BoL) vorlag, wenn das System im zulässigen Temperaturbereich, im sog. Wohlfühlbereich, insbesondere unterhalb einer oberen Grenze des zulässigen Temperaturbereiches, betrieben wurde. Bei der Inbetriebnahme des Systems sind außerdem das Kühlvermögen des Kühlsystems und die auftretende Abwärme des Stacks aufeinander abgestimmt.
  • Es sind jedoch auch andere Definitionen für die maximal zulässige Verlustleistung bzw. für den maximal zulässigen Schwellenwert für die Verlustleistung möglich.
  • Unter der Annahme, dass das Kühlsystem nicht wesentlich altert, bleibt die maximal zulässige Verlustleistung bzw. der maximal zulässige Schwellenwert für die Verlustleistung damit auf dem Niveau von dem Zeitpunkt bei der Inbetriebnahme des Systems. Dadurch wird der Betrieb des Systems mit erhöhter Verlustleistung (höher als am Nennpunkt bei der Inbetriebnahme) vermieden, der dazu führen kann, dass das System schlecht konditioniert ist und (zumindest teilweise) degradiert.
  • Mithilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens können wesentliche Vorteile erreicht werden:
    • - die Häufigkeit, die Schwere und/oder die Dauer des Deratings wird erheblich reduziert,
    • - das Derating tritt später oder gar nicht auf,
    • - die Vermeidung von kritischen Temperaturen im oberen Bereich des zulässigen Temperaturbereiches,
    • - die Verschiebung von kritischen Temperaturen in einen unteren Bereich des zulässigen Temperaturbereiches,
    • - die Degradation des Systems auf Grund von zu hohen Temperaturen wird deutlich reduziert bis sogar verhindert,
    • - die Verlängerung der Lebensdauer des Systems,
    • - die Reduktion vom Brennstoff-Verbrauch,
    • - die Fähigkeit des Systems geforderte Leistungen bereitzustellen wird erhöht,
    • - der Verbraucherkomfort und das Vertrauen in die Steuerung des Systems werden erheblich erhöht.
  • Dazu kommt noch, dass das Verfahren einfach und mit wenig Aufwand umgesetzt werden kann. Das Durchführen des Verfahrens ist mit unterschiedlichsten Topologien verschiedener Brennstoffzellensysteme möglich. Das Durchführen des Verfahrens erfordert nur wenig Rechenleistung.
  • Ferner kann vorgesehen sein, dass beim Überwachen der Verlustleistung des Brennstoffzellensystems eine thermische Verlustleistung des Brennstoffzellensystems überwacht wird. Die thermische Verlustleistung kann einfach und mit wenig Rechenaufwand, bspw. aus den Kühlmitteltemperaturen bestimmt werden. In den meisten Topologien möglicher Brennstoffzellensysteme sind Temperatursensoren im Kühlmittelkreislauf vorhanden, sodass das Verfahren leicht auf der Systemebene implementiert werden kann. Auf diese Weise kann eine Steuerung des Verfahrens mithilfe einer brennstoffzellenseitigen Steuereinheit ermöglicht werden.
  • Weiterhin kann vorgesehen sein, dass beim Überwachen der Verlustleistung des Brennstoffzellensystems eine elektrische Verlustleistung des Brennstoffzellensystems überwacht wird. Die elektrische Verlustleistung kann ebenfalls einfach und mit wenig Rechenaufwand, bspw. aus dem elektrischen Strom und der elektrischen Spannung bestimmt werden. Bei den meisten Anwendungen von Brennstoffzellensystemen, wie z. B. bei mobilen Anwendungen, bspw. in Fahrzeugen, sind Stromsensoren und Spannungssensoren vorhanden, sodass das Verfahren leicht auf der Verbraucherebene implementiert werden kann. Auf diese Weise kann eine Steuerung des Verfahrens mithilfe einer verbraucherseitigen Steuereinheit, wie z. B. einer zentralen Steuereinheit eines Fahrzeuges, ermöglicht werden. Die meisten Steuerverfahren auf der Verbraucherebene nutzen sog. Power-Split-Strategien (Aufsplitterung der elektrischen Leistungsabnahme zwischen einer Batterie und dem Brennstoffzellensystem), um die geforderte Leistung entweder von der Batterie oder von dem Brennstoffzellensystem anzufordern. In der Regel werden dabei bestimmte Betriebspunkte (Strom und/oder Spannung) bei dem Brennstoffzellensystem eingestellt. Dabei können die Energieverluste von den Nebenverbraucher des Brennstoffzellensystems, wie z. B. der Luftverdichter im Kathodensystem, Rezirkulationspumpe im Anodensystem, usw. berücksichtigt werden, die nicht zum Antrieb des Fahrzeuges beitragen.
  • Vorteilhafterweise können/kann beim Anpassen der Leistungsabgabe des Brennstoffzellensystems eine elektrische Leistung und/oder ein elektrischer Strom aus dem Brennstoffzellensystem reduziert wird, wenn die Verlustleistung des Brennstoffzellensystems den Schwellenwert überschreitet. Auf diese Weise kann die maximal zulässige Verlustleistung des Systems auf dem Niveau von dem Zeitpunkt bei der Inbetriebnahme des Systems gehalten werden. Dadurch kann eine Degradation des Systems aufgrund von zu hohen Temperaturen erheblich verlangsamt bis sogar vermieden werden. Die Lebensdauer des Systems kann dadurch deutlich erhöht werden.
  • Beim Überwachen der Verlustleistung, insbesondere der thermischen Verlustleistung, des Systems können/kann eine Temperatur eines Kühlmittels an einem Eingang in den Brennstoffzellenstack und/oder eine Temperatur eines Kühlmittels an einem Ausgang aus dem Brennstoffzellenstack erfasst werden. Dabei ist es denkbar, dass die thermische Verlustleistung des Brennstoffzellensystems mithilfe einer Temperatur eines Kühlmittels an einem Eingang in den Brennstoffzellenstack und/oder einer Temperatur eines Kühlmittels an einem Ausgang aus dem Brennstoffzellenstack bestimmt wird. In Kenntnis der Temperaturen des Kühlmittels am Eingang in den Stack und/oder am Ausgang des Systems, kann die Wärmeentnahme durch das Kühlmittel aus dem Stack einfach und ohne großen Rechenaufwand berechnet werden.
  • Beim Überwachen der Verlustleistung, insbesondere der elektrischen Verlustleistung, des Systems können/kann ein elektrischer Strom und/oder eine elektrische Nutzspannung erfasst werden, die durch den Brennstoffzellenstack bereitgestellt werden. Dabei ist es denkbar, dass die elektrische Verlustleistung des Brennstoffzellensystems mithilfe eines elektrischen Stroms und/oder einer elektrischen Nutzspannung bestimmt werden, die durch den Brennstoffzellenstack bereitgestellt werden. In Kenntnis des elektrischen Stroms und/oder der elektrischen Nutzspannung, kann die Verlustspannung im Stack einfach und ohne großen Rechenaufwand berechnet werden.
  • Vorteilhafterweise kann beim Überwachen der Verlustleistung, insbesondere der elektrischen Verlustleistung, des Systems ein aktueller State-of-Health (SOH) des Brennstoffzellensystems berücksichtigt wird. Auf diese Weise können beim Durchführen des Verfahrens bzw. bei der Derating-Strategie für Brennstoffzellensysteme reversible und irreversible Kennlinieneffekte berücksichtigt werden.
  • Zudem kann vorgesehen sein, dass zum Starten der Erfassung der Verlustleistung des Brennstoffzellensystems mindestens ein weiterer Schritt durchgeführt wird:
    • - Durchführen einer Überprüfung, ob ein thermisches Derating im Betrieb des Brennstoffzellensystems wahrscheinlich ist.
  • Mit anderen Worten kann das Verfahren gestartet werden, wenn ein thermisches Derating im Betrieb des Brennstoffzellensystems wahrscheinlich ist.
  • Die Überprüfung, ob thermisches Derating wahrscheinlich ist, kann grundsätzlich als optional betrachtet werden. Im einfachsten Fall entfällt die Überprüfung und das System ist grundsätzlich hinsichtlich seiner maximal zulässigen Verlustleistung limitiert. Mit der Überprüfung, ob thermisches Derating wahrscheinlich ist, können Fälle, in denen thermisches Derating sehr unwahrscheinlich ist (bspw. in einem Normalbetrieb, z. B. bei 20 °C, Kaltlandfahrt, usw.) ohne eine Begrenzung der Verlustleistung abgedeckt werden. In solchen Fällen können auch bei gealterten Systemen noch hohe Leistungen erzielt werden, ohne die thermischen Grenzen zu belasten. Es ist dann aus der thermischen Sicht möglich und gemäß der Strategie zulässig, elektrische Ströme höher als zum Zeitpunkt der Inbetriebnahme des Systems (Begin of Life bzw. BoL) zu fahren.
  • Das Verfahren, wie oben beschrieben, kann eine erste Stufe einer Derating-Strategie bereitstellen. Die erste Stufe der Derating-Strategie kann vorteilhafterweise, insbesondere aus der thermischen Sicht, eine Mild-Derating-Strategie bereitstellen.
  • Des Weiteren kann eine zweite Stufe der Derating-Strategie bereitgestellt werden, die eine Überwachung und/oder eine Begrenzung einer Temperatur des Brennstoffzellensystems vorsieht. Dabei kann ab einer maximalen Temperatur die Leistungsabgabe des Brennstoffzellensystems reduziert werden. Auf diese Weise kann, insbesondere aus der thermischen Sicht, eine Mild- bis Strong-Derating-Strategie bereitgestellt werden.
  • Die vorliegende Erfindung sieht gemäß dem zweiten Aspekt vor: ein Computerprogrammprodukt, umfassend Befehle, die bei der Ausführung des Computerprogrammprodukts durch einen Computer den Computer veranlassen, das Verfahren durchzuführen, welches wie oben beschrieben ablaufen kann. Mithilfe des erfindungsgemäßen Computerprogrammprodukts können die gleichen Vorteile erreicht werden, die oben im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben wurden. Auf diese Vorteile wird vorliegend vollumfänglich Bezug genommen.
  • Die vorliegende Erfindung sieht gemäß dem dritten Aspekt vor: eine Steuereinheit, aufweisend: eine Speichereinheit, in welcher ein Code hinterlegt ist, und eine Recheneinheit, die bei zumindest teilweiser Ausführung des Codes ein Verfahren durchführt, welches wie oben beschrieben ablaufen kann. Mithilfe der erfindungsgemäßen Steuereinheit können die gleichen Vorteile erreicht werden, die oben im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben wurden. Auf diese Vorteile wird vorliegend vollumfänglich Bezug genommen.
  • Bevorzugte Ausführungsbeispiele:
  • Die Erfindung und deren Weiterbildungen sowie deren Vorteile werden nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen jeweils schematisch:
    • 1 ein beispielhaftes Brennstoffzellensystem,
    • 2 eine beispielhafte Derating-Strategie, und
    • 3 eine neue Derating-Strategie.
  • In den unterschiedlichen Figuren sind gleiche Teile der Erfindung stets mit denselben Bezugszeichen versehen, weshalb diese i. d. R. nur einmal beschrieben werden.
  • Die 1 bis 3 zeigen ein beispielhaftes Brennstoffzellensystem 100 im Rahmen der Erfindung. Das Brennstoffzellensystem 100 (kann ebenfalls als System 100 bezeichnet werden) umfasst zumeist mehrere Brennstoffzellen, die zu einem Brennstoffzellenstack 101 (kann ebenfalls als Stack 101 bezeichnet werden) zusammengefügt werden. Zudem umfasst das Brennstoffzellensystem 100 vier Funktionssysteme, darunter: ein Kathodensystem 10, um einen Kathodenraum bzw. einen Kathodenpfad KP des Stacks 101 mit einem sauerstoffhaltigen Gasgemisch zu versorgen, ein Anodensystem 20, um einen Anodenraum bzw. einen Anodenpfad AP des Stacks 101 mit einem brennstoffhaltigen Gasgemisch zu versorgen, ein Kühlsystem 30, um den Stack 101 zu temperieren, und ein elektrisches System 40, um die erzeugte elektrische Leistung vom Stack 101 abzuführen.
  • Das Kathodensystem 10 umfasst eine Zuluftleitung 11 zum Stack 101 und eine Abluftleitung 12 vom Stack 101. Am Eingang der Zuluftleitung 11 wird zumeist ein Luftfilter LF angeordnet, um schädliche chemische Substanzen und Partikel zu filtern bzw. deren Eintritt ins System 100 zu verhindern. Die Gasfördermaschine V im Kathodensystem 10 kann in Form eines Verdichters ausgeführt sein, um die Luft aus der Umgebung anzusaugen und in Form einer Zuluft L1 an den Stack 101 bereitzustellen. Nach dem Durchlauf des Stacks 101 wird eine Abluft L2 aus dem System 100 wieder an die Umgebung abgelassen. Wie es die 1 andeutet, kann stromabwärts nach der Gasfördermaschine V ein Wärmetauscher WT angeordnet sein. Vor und nach dem Stack 101 können Absperrventile SV1, SV2 vorgesehen sein. Zudem kann in der Abluftleitung 12 ein separates Ventil CV1 als Druckregler vorgesehen sein. Zwischen der Zuluftleitung 11 und der Abluftleitung 12 kann eine Bypassleitung 13 mit einem Bypassventil ByCath vorgesehen sein.
  • Das Anodensystem 20 weist mehrere Komponenten auf. Zu den Komponenten, die zur Brennstoffversorgung dienen, gehören ein Brennstofftank BT, ein Absperrventil HGI und mindestens ein Druckregler 22. Weitere Komponenten im Anodensystem 20 sind eine Strahlpumpe JP und eine Rezirkulationspumpe HRB. Zudem kann im Anodensystem 20 ein Purge-Ventil PV und/oder ein Drainventil DV oder ein kombiniertes Purge- und Drain-Ventil vorgesehen sein. In einer Drainleitung können außerdem ein Wasserabscheider WA und ggf. ein Wasserbehälter WB vorgesehen sein.
  • Das elektrische System 40 kann einen Kurzschlusspfad mit einem Kurzschlusswiderstand R1 aufweisen. Zudem kann das elektrische System 40 mindestens einen Vorladeschütz S1, S2 aufweisen und ggf. einen Vorladeschütz S3 mit einem Vorladewiderstand R3.
  • Die 2 zeigt eine bekannte Derating-Strategie. Im Betrieb 301 eines Brennstoffzellensystems 100 wird die Temperatur TStack des Brennstoffzellenstacks 101 überwacht 302 und beim Erreichen einer maximal zulässigen Temperatur Tmax wird ein thermisches Derating 304 eingeleitet. Dabei wird die Leistungsabgabe des Systems 100 gedrosselt, um ein Überhitzen des Stacks 101 zu vermeiden. Unterhalb der maximal zulässigen Temperatur Tmax wird kein thermisches Derating 303 eingeleitet.
  • Die 3 dient zum Erklären eines Verfahrens (Derating-Strategie) im Sinne der Erfindung, welches zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems 100 mit mindestens einem Brennstoffzellenstack 101 dient. Das Verfahren weist folgende Schritte auf:
    • 401 Betreiben des Brennstoffzellensystems 100,
    • 402 Überwachen einer Verlustleistung PV (umfassend bspw. eine thermische und/oder elektrische Verlustleistung) des Brennstoffzellensystems 100 auf Erreichen eines Schwellenwertes PVmax, insbesondere auf Überschreiten eines maximal zulässigen Schwellenwertes PVmax für die Verlustleistung PV,
    • 403 Anpassen der Leistungsabgabe (umfassend bspw. elektrische (Nutz-)Leistung PN und/oder elektrischen Strom I) des Brennstoffzellensystems 100 in Abhängigkeit von dem Überwachen, insbesondere Reduzieren der Leistungsabgabe (umfassend bspw. Reduzieren einer elektrischen Leistung PN und/oder eines elektrischen Stroms I aus dem Brennstoffzellensystem), wenn die Verlustleistung PV des Brennstoffzellensystems 100 einen maximal zulässigen Schwellenwert PVmax überschreitet.
  • Der Erfindungsgedanke liegt dabei darin, dass die Verlustleistung PV, insbesondere umfassen die Verlustwärme PT, des Systems 100 von oben begrenzt wird. Als maximal zulässiger Schwellenwert PVmax für die Verlustleistung PV kann dabei bspw. der Wert der Verlustleistung PV genutzt werden, der bei der Inbetriebnahme des Systems 100 (Begin of Life bzw. BoL) vorlag, wenn das System 100 im zulässigen Temperaturbereich, im sog. Wohlfühlbereich für den Brennstoffzellenstack 101, insbesondere unterhalb einer oberen Grenze des zulässigen Temperaturbereiches, betrieben wurde. Bei der Inbetriebnahme des Systems 100 sind außerdem das Kühlvermögen des Kühlsystems 30 und die Verlustwärme PT des Stacks 101 aufeinander abgestimmt.
  • Auf diese Weise kann die Verlustleistung PV maximal auf dem Niveau bei der Inbetriebnahme des Systems 100 erlaubt werden. Dadurch kann der Betrieb des Systems 100 mit höheren Verlustleistungen PV als am Nennpunkt bei der Inbetriebnahme des Systems 100 vermieden werden, die dazu führen können, dass das System 100 schlecht konditioniert ist und vorzeitig altert.
  • Mithilfe des Verfahrens können die Häufigkeit, die Schwere und/oder die Dauer des Deratings erheblich reduziert werden. Mithilfe des Verfahrens kann ermöglicht werden, dass das Derating erst später oder gar nicht auftritt. Mithilfe des Verfahrens können kritische Temperaturen im oberen Bereich des zulässigen Temperaturbereiches vermieden werden. Vorteilhafterweise können kritische Temperaturen in einen unteren Bereich des zulässigen Temperaturbereiches verschoben werden.
  • Mithilfe des Verfahrens kann die thermische Degradation des Systems 100 auf Grund deutlich reduziert bis sogar verhindert werden. Die Lebensdauer des Systems 100 kann dadurch erheblich verlängert werden.
  • Außerdem kann mithilfe des Verfahrens der Brennstoff-Verbrauch, insbesondere bei höheren Temperaturen reduziert werden, die die Nutzleistung des Systems 100 vermindern können.
  • Zudem kann mithilfe des Verfahrens die Fähigkeit des Systems geforderte Leistungen bereitzustellen erhöht werden. Dadurch können der Kundenkomfort und das Vertrauen in das System 10 gesteigert werden.
  • Ferner kann das Verfahren einfach und mit wenig Rechenaufwand sowie mit wenig bis gar keinen zusätzlichen Systemkosten umgesetzt werden kann.
  • Wie oben bereits erwähnt, kann beim Überwachen der Verlustleistung PV des Brennstoffzellensystems 100 eine thermische Verlustleistung PVtherm des Brennstoffzellensystems 100 überwacht werden. Die thermische Verlustleistung PVtherm (vom Kühlmittel KM aufgenommen Verlustwärme des Stacks 101) kann wie folgt berechnet werden: P_therm = Δ _ T_KM*cp_KM* ( dm/dt ) _ KM ,
    Figure DE102022200741A1_0001
    mit:
    • - Δ_T_KM = Tkmln - TkmOut (Temperaturdifferenz des Kühlmittels KM Kühlmittelein- und -austritt),
    • - cp_KM = spezifische Wärmekapazität des Kühlmittels KM,
    • - (dm/dt)_KM = Massenstrom des Kühlmittels KM.
  • Hierzu können beim Überwachen der Verlustleistung PV, insbesondere der thermischen Verlustleistung PVtherm, des Systems 100 die Temperatur Tkmln eines Kühlmittels KM an einem Eingang in den Brennstoffzellenstack 101 und die Temperatur TkmOut eines Kühlmittels KM an einem Ausgang aus dem Brennstoffzellenstack 101 sensorisch erfasst bzw. vermessen werden. Die Steuerung des Verfahrens kann dabei bspw. durch eine brennstoffzellenseitige Steuereinheit 200 durchgeführt werden.
  • Weiterhin oder stattdessen kann vorgesehen sein, dass beim Überwachen der Verlustleistung PV des Brennstoffzellensystems 100 eine elektrische Verlustleistung PVel des Brennstoffzellensystems 100 überwacht wird. Die elektrische Verlustleistung PVel kann wie folgt berechnet werden:
    • - Theoretische Zellspannung (oberer Heizwert) von Wasserstoff: U_th = 1,48  V
      Figure DE102022200741A1_0002
    • - Nennspannung auch Nutzspannung genannt (Beispiel): U_Nutz = 0,65  V
      Figure DE102022200741A1_0003
    • - Verlustspannung einzelne Zelle: U_Verlust = U_th − U_Nutz = 1,48  V − 0,65  V = 0,83  V
      Figure DE102022200741A1_0004
    • - Verlustspannung Stack 101 mit einer Anzahl von N_Zellen: U_Verlust_Stack = U_Verlust*N_Zellen
      Figure DE102022200741A1_0005
    • - elektrische Verlustleistung PVtherm: PVtherm = U_Verlust_Stack*IStack ( elektrischer Strom des Stacks )
      Figure DE102022200741A1_0006
  • Anstatt der theoretischen Zellspannung U_th ist auch die Verwendung der reversiblen Zellspannung U_rev=1,25 V möglich. Es sind auch weitere Spannungsdefinitionen denkbar (z.B. mit Berücksichtigung einer äquivalenten Verdampfungsspanung für die Berücksichtigung der Verdampfungsenthalpie), um die aktuelle Verlustleistung mit der zulässigen Verlustleistung zu vergleichen, solange die Verlustleistungen (max. zulässige und aktuell vorherrschende) an sich konsistent definiert sind.
  • Durch die gezeigte Berechnung wird ein Vorteil des Verfahrens sichtbar, der darin liegt, dass beim Überwachen der Verlustleistung PV, insbesondere der elektrischen Verlustleistung PVel, des Systems 100 ein aktueller State-of-Health SOH des Brennstoffzellensystems 100 berücksichtigt wird (SOH=f(U_Nutz)). Auf diese Weise können beim Durchführen des Verfahrens bzw. bei der Derating-Strategie für Brennstoffzellensysteme 100 reversible und irreversible Kennlinieneffekte berücksichtigt werden.
  • Beim Überwachen der Verlustleistung PV, insbesondere der elektrischen Verlustleistung PVel, des Systems können der elektrische Strom Istack und die elektrische Nutzspannung Unutz sensorisch erfasst bzw. vermessen werden, die durch den Brennstoffzellenstack 101 bereitgestellt werden. Die Steuerung des Verfahrens kann dabei bspw. durch eine verbraucherseitige Steuereinheit durchgeführt werden, die die Leistungsabfrage von dem System 100 steuert und/oder regelt, bspw. gemäß Power-Split-Strategie (Batterie / Brennstoffzelle).
  • Wie es die 3 andeutet, kann zum Starten der Erfassung der Verlustleistung PV des Brennstoffzellensystems 100 mindestens ein weiterer Schritt durchgeführt werden:
    • 401a Durchführen einer Überprüfung, ob ein thermisches Derating im Betrieb des Brennstoffzellensystems 100 wahrscheinlich ist.
  • Mit anderen Worten kann das Verfahren gestartet werden, wenn ein thermisches Derating im Betrieb des Brennstoffzellensystems 100 wahrscheinlich ist. Die Überprüfung, ob thermisches Derating wahrscheinlich ist, kann grundsätzlich als optional durchgeführt werden. Im einfachsten Fall entfällt die Überprüfung und das System 100 ist grundsätzlich hinsichtlich seiner maximal zulässigen Verlustleistung PVmax limitiert. Mit der Überprüfung 401a, ob thermisches Derating wahrscheinlich ist, können Fälle, in denen thermisches Derating sehr unwahrscheinlich ist, bspw. in einem Normalbetrieb, z. B. bei 20 °C, Kaltlandfahrt, usw., ohne eine Begrenzung der Verlustleistung PV abgedeckt werden. In solchen Fällen können gealterte Systeme 100 hohe Leistungen erzielen.
  • Wie es die 3 ferner andeutet, kann das Verfahren, wie oben beschrieben, eine erste Stufe I einer Derating-Strategie bereitstellen. Die erste Stufe I der Derating-Strategie kann, insbesondere aus der thermischen Sicht, eine Mild-Derating-Strategie bereitstellen.
  • Wie es die 3 des Weiteren andeutet, kann eine zweite Stufe II der Derating-Strategie bereitgestellt werden, die vorsehen kann:
    • 404 Überwachen einer Temperatur TStack des Brennstoffzellensystems (100) auf Erreichen eines Schwellenwertes (Tmax),
    • 405 Anpassen der Leistungsabgabe des Brennstoffzellensystems (100) in Abhängigkeit von dem Überwachen.
  • Dabei kann ab einer maximalen Temperatur TStack die Leistungsabgabe des Brennstoffzellensystems 100 reduziert werden. Auf diese Weise kann, insbesondere aus der thermischen Sicht, eine Mild- bis Strong-Derating-Strategie bereitgestellt werden. Unterhalt der maximalen Temperatur TStack wird kein Derating 406 eingeleitet.
  • Ein entsprechendes Computerprogrammprodukt stellt ebenfalls einen Aspekt der Erfindung dar.
  • Eine entsprechende Steuereinheit 200 stellt ebenfalls einen Aspekt der Erfindung dar. Die Steuereinheit 200 kann ebenfalls als eine brennstoffzellenseitige Steuereinheit 200 bezeichnet werden.
  • Die voranstehende Beschreibung der Figuren beschreibt die vorliegende Erfindung ausschließlich im Rahmen von Beispielen. Selbstverständlich können einzelne Merkmale der Ausführungsformen, sofern es technisch sinnvoll ist, frei miteinander kombiniert werden, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.

Claims (11)

  1. Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems (100) aufweisend einen Brennstoffzellenstack (101), aufweisend: - Betreiben des Brennstoffzellensystems (100), - Überwachen einer Verlustleistung (PV) des Brennstoffzellensystems (100) auf Erreichen eines Schwellenwertes (PVmax), - Anpassen der Leistungsabgabe des Brennstoffzellensystems (100) in Abhängigkeit von dem Überwachen.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass beim Überwachen der Verlustleistung (PV) des Brennstoffzellensystems (100) eine thermische Verlustleistung (PVtherm) des Brennstoffzellensystems (100) überwacht wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass beim Überwachen der Verlustleistung (PV) des Brennstoffzellensystems (100) eine elektrische Verlustleistung (PVel) des Brennstoffzellensystems (100) überwacht wird.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beim Anpassen der Leistungsabgabe des Brennstoffzellensystems (100) eine elektrische Leistung (PN) und/oder ein elektrischer Strom (I) aus dem Brennstoffzellensystem (100) reduziert wird, wenn die Verlustleistung (PV) des Brennstoffzellensystems (100) den Schwellenwert (PVmax) überschreitet.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beim Überwachen der Verlustleistung (PV) eine Temperatur (Tkmln) eines Kühlmittels (KM) an einem Eingang in den Brennstoffzellenstack (101) und/oder eine Temperatur (TkmOut) eines Kühlmittels (KM) an einem Ausgang aus dem Brennstoffzellenstack (101) erfasst werden, und/oder dass eine thermische Verlustleistung (PVtherm) des Brennstoffzellensystems (100) mithilfe einer Temperatur (Tkmln) eines Kühlmittels (KM) an einem Eingang in den Brennstoffzellenstack (101) und/oder einer Temperatur (TkmOut) eines Kühlmittels (KM) an einem Ausgang aus dem Brennstoffzellenstack (101) bestimmt wird.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beim Überwachen der Verlustleistung (PV) ein elektrischer Strom (Istack) und/oder eine elektrische Nutzspannung (Unutz) erfasst werden, die durch den Brennstoffzellenstack (101) bereitgestellt werden, und/oder dass eine elektrische Verlustleistung (PVel) des Brennstoffzellensystems (100) mithilfe eines elektrischen Stroms (Istack) und/oder einer elektrischen Nutzspannung (Unutz) bestimmt werden, die durch den Brennstoffzellenstack (101) bereitgestellt werden.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beim Überwachen der Verlustleistung (PV) ein aktueller State-of-Health (SOH) des Brennstoffzellensystems (100) berücksichtigt wird.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Starten der Erfassung der Verlustleistung (PV) des Brennstoffzellensystems (100) mindestens ein weiterer Schritt durchgeführt wird: - Durchführen einer Überprüfung, ob ein thermisches Derating im Betrieb des Brennstoffzellensystems (100) wahrscheinlich ist, und/oder dass das Verfahren gestartet wird, wenn ein thermisches Derating im Betrieb des Brennstoffzellensystems (100) wahrscheinlich ist.
  9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche eine erste Stufe (I) einer Derating-Strategie bereitstellt, wobei insbesondere eine zweite Stufe (II) der Derating-Strategie bereitgestellt werden kann, die eine Überwachung und/oder eine Begrenzung einer Temperatur (TStack) des Brennstoffzellensystems (100) vorsieht, wobei vorzugsweise ab einer maximalen Temperatur (Tmax) die Leistungsabgabe des Brennstoffzellensystems (100) reduziert wird.
  10. Computerprogrammprodukt, umfassend Befehle, die bei der Ausführung des Computerprogrammprodukts durch einen Computer den Computer veranlassen, das Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche durchzuführen.
  11. Steuereinheit (200), aufweisend: eine Speichereinheit, in welcher ein Code hinterlegt ist, und eine Recheneinheit, die bei zumindest teilweiser Ausführung des Codes ein Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche durchführt.
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