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Die vorgestellte Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem, ein Betriebsverfahren für ein Brennstoffzellensystem und ein Fahrzeug.
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Stand der Technik
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Wasserstoffbasierte Polymerelektrolyt (PEM) -Brennstoffzellen gelten als Mobilitätskonzept der Zukunft, da sie nur Wasser als Abgas emittieren, und schnelle Betankungszeiten ermöglichen.
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In bekannten Brennstoffzellensystemen wird der Teillastbetrieb energieoptimal ausgeführt. Das heißt, dass für eine jeweilige Leistung Subsysteme des Brennstoffzellensystems, wie bspw. ein Luftsystem, ein Wasserstoffsystem und ein Thermalsystem so angesteuert werden, dass sich in Summe eine möglichst hohe Systemeffizienz einstellt. Dabei kann es durch Komponentenlimitierungen, bspw. eines Verdichters, dazu kommen, dass ein Wasserhaushalt in einer jeweiligen Brennstoffzelle für eine plötzliche Leistungserhöhung unvorteilhaft ist.
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Bspw. kann eine teilweise Flutung oder eine im Vergleich zum Nennpunkt geringere Membranwasserbeladung vorliegen. Bei niedriger Teillast sind beide Fälle akzeptabel und können sogar, trotz geringerer Brennstoffzelleneffizienz, zu einer maximalen Systemeffizienz führen. Weiterhin ist die Teillast dadurch gekennzeichnet, dass ein deutliches Überangebot an aktiver Fläche für vergleichsweise geringen Stoffumsatz besteht, d.h. moderate Verluste an zugänglicher aktiver Fläche durch Flüssigwasserblockaden sind für den Teillastbetrieb unkritisch.
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Die Anwendung in einem Brennstoffzellen-dominierten Hybridsystem erfordert eine hohe Leistungsdynamik des Brennstoffzellensystems, da nur so die Leistungsanforderung an die verhältnismäßig kleine Traktionsbatterie in einem sinnvollen Rahmen bleibt. So kann auch die benötigte Batteriekapazität reduziert und Kosten eingespart werden.
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Im Falle von sehr dynamischen Änderungen der Leistungsanforderung, d.h. Lastwechseln die schneller erfolgen als eine Befeuchtungsdynamik, sind die voranstehend genannten Fälle jedoch mit erheblichen Risiken belastet, da zum einen eine Teilflutung erfolgt, wenn in einer teilweise gefluteten Brennstoffzelle schnell die Stromdichte erhöht wird, und die lokale Grenzstromdichte überschritten wird. Dadurch kann es zur Gasverarmung sowohl auf der Kathoden- als auch auf der Anodenseite kommen. Insbesondere eine Wasserstoffverarmung führt direkt zu einer irreversiblen Schädigung und damit zu einer beschleunigten Alterung der Katalysatorschicht der Brennstoffzelle. Gleichzeitig sinkt der Brennstoffzellenstapelwirkungsgrad und damit auch der Brennstoffzellensystemwirkungsgrad stark.
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Sollen diese Nachteile vermieden werden, muss die Stromdichte auf einen kleineren Wert limitiert werden, wodurch es zu einer Verringerung der Maximalleistung kommt.
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Zum anderen besteht das Risiko einer trockenen Membran, da eine niedrige Protonenleitfähigkeit zu steigenden ohmschen Verlusten im Vergleich zum Referenzbetrieb am Nennpunkt führt. Wird dabei die Stromdichte stark erhöht, kann es zu sehr niedrigen Zellspannungen und damit sehr geringer Brennstoffzellenstapelleistung und reduziertem Brennstoffzellensystemwirkungsgrad kommen.
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Offenbarung der Erfindung
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Im Rahmen der vorgestellten Erfindung werden ein Brennstoffzellensystem, ein Betriebsverfahren zum Betreiben des Brennstoffzellensystems und ein Fahrzeug vorgestellt. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Betriebsverfahren beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem bzw. dem erfindungsgemäßen Betriebsverfahren bzw. dem erfindungsgemäßen Fahrzeug und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.
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Die vorgestellte Erfindung dient insbesondere dazu, ein robustes Brennstoffzellensystem bereitzustellen.
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Es wird somit gemäß einem ersten Aspekt der vorgestellten Erfindung ein Brennstoffzellensystem zum Bereitstellen von elektrischer Energie vorgestellt. Das Brennstoffzellensystem umfasst einen Brennstoffzellenstapel, und eine Recheneinheit. Die Recheneinheit ist dazu konfiguriert, das Brennstoffzellensystem in einen intermittierenden Betrieb zu schalten, wobei in dem intermittierenden Betrieb das Brennstoffzellensystem dazu konfiguriert ist, zwischen einem Trockenbetrieb des Brennstoffzellenstapels und einem Feuchtebetrieb des Brennstoffzellenstapels wiederholt umzuschalten, sowie in dem Trockenbetrieb eine gegenüber dem Feuchtebetrieb erhöhte Stöchiometrie und in dem Feuchtebetrieb eine gegenüber dem Trockenbetrieb verringerte Stöchiometrie einzustellen.
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Die Recheneinheit ist weiterhin dazu konfiguriert, den intermittierenden Betrieb lediglich dann zu aktivieren, wenn eine von dem Brennstoffzellensystem aktuell bereitgestellte Stromstärke unter einem für eine Temperatur in dem Brennstoffzellenstapel spezifisch vorgegebenen Stromstärkeschwellenwert liegt.
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Unter einem intermittierenden Betrieb bzw. einem sogenannten „toggle-mode“ ist im Kontext der vorgestellten Erfindung ein Betriebszustand eines Brennstoffzellensystems zu verstehen, bei dem zwischen einem Trockenbetrieb des Brennstoffzellenstapels mit erhöhter Stöchiometrie und einem Feuchtebetrieb des Brennstoffzellenstapels, bei dem eine verringerte Stöchiometrie eingestellt wird, wiederholt gewechselt wird.
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Der intermittierende Betrieb wird in der Regel dann aktiviert, wenn im Feuchtebetrieb eine Mindestgasgeschwindigkeit umin zum Flüssigwasseraustrag unterschritten werden muss, um eine vorgegebene Membranfeuchte sicherzustellen. Eine kurzzeitige Verletzung jeweiliger vorgegebener Grenzwerte der Stöchiometrie ist im intermittierenden Betrieb zulässig, da von den Brennstoffzellen eine signifikante Wassermenge gespeichert werden kann. Dies bedeutet, dass im intermittierenden Betrieb die vorgegebenen Grenzwerte abwechselnd verletzt bzw. eingehalten werden.
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Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem basiert auf dem Prinzip, dass der intermittierende Betrieb lediglich aktiviert wird, wenn eine von dem Brennstoffzellensystem aktuell bereitgestellte Stromstärke unter einem für eine Temperatur in dem Brennstoffzellenstapel spezifisch vorgegebenen Stromstärkeschwellenwert liegt, sodass eine Mindestgasgeschwindigkeit zum Austrag von Flüssigwasser aus den Brennstoffzellen unterschritten wird. Dies bedeutet, dass die Aktivierung des intermittierenden Betriebs nicht ausschließlich von der bereitgestellten Stromstärke, sondern auch von der Temperatur im Brennstoffzellenstapel abhängt.
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Durch die Aktivierung des intermittierenden Betriebs in Abhängigkeit der Temperatur im Brennstoffzellenstapel werden aktuelle Reaktionsbedingungen in dem Brennstoffzellenstapel bei der Aktivierung des intermittierenden Betriebs berücksichtigt, sodass bspw. Flutungen der Kathode des Brennstoffzellensystems vermieden werden können.
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Durch die Vorgabe eines für eine Temperatur in dem Brennstoffzellenstapel spezifisch vorgegebenen Stromstärkeschwellenwerts werden die für eine jeweilige bereitzustellende Stromstärke erlaubten Reaktionsbedingungen in dem Brennstoffzellenstapel vorgegeben, sodass ein Zustand, bei dem es bspw. zu einer Flutung der Kathode kommen kann, ausgeschlossen werden bzw. eine Aktivierung des intermittierenden Betriebs, bei dem es bspw. zu einer Flutung der Kathode kommen kann, ausgeschlossen wird. Entsprechend kann das vorgestellte Brennstoffzellensystem sicher bzw. ohne das Risiko eines Schadens an dem Brennstoffzellensystem in den intermittierenden Betrieb geschaltet werden.
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Im intermittierenden Betrieb kann eine Zielaktivität des Brennstoffzellensystems für einen vorgegebenen Zeitraum reduziert werden, um die Mindestgasgeschwindigkeit zum Austrag von Flüssigwasser einzustellen, indem die Stöchiometrie in dem Brennstoffzellenstapel erhöht wird und/oder ein Druck in dem Brennstoffzellenstapel reduziert wird (Trockenbetrieb). Nach Ablauf des vorgegebenen Zeitraums kann die Zielaktivität wieder erhöht werden, um eine ausreichende Befeuchtung der Membran sicherzustellen (Feuchtbetrieb).
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Es kann vorgesehen sein, dass der Stromstärkeschwellenwert zu jeder Betriebstemperatur in einem Kennfeld hinterlegt ist, wobei der Stromstärkeschwellenwert mit zunehmender Betriebstemperatur ansteigt.
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Ein Kennfeld, das bspw. in einem Speicher des vorgestellten Brennstoffzellensystems hinterlegt ist, kann jedem Stromstärkewert einen Temperaturwert zuordnen, sodass der intermittierende Betrieb nur dann aktiviert werden kann, wenn eine aktuell bereitgestellte bzw. bereitzustellende Stromstärke unter dem Stromstärkewert liegt, der gemäß dem Kennfeld für eine aktuell in dem Brennstoffzellenstapel anliegende Temperatur vorgegeben ist.
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Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass die Recheneinheit dazu konfiguriert ist, den Stromstärkeschwellenwert mittels eines mathematischen Modells des Brennstoffzellensystems zu ermitteln.
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Durch ein mathematisches Modell des Brennstoffzellensystems kann ein Verhalten des Brennstoffzellensystems mathematisch abgebildet und entsprechend prognostiziert werden. Entsprechend ermöglicht ein mathematisches Modell eine dynamische Bestimmung des Stromstärkeschwellenwerts in Abhängigkeit zumindest der Temperatur in dem Brennstoffzellenstapel.
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Es kann vorgesehen sein, dass das mathematische Modell als Eingangsgrößen mindestens einen Wert der folgenden Liste an Werten verwendet: Eintrittsdruck an Kathode und/oder Anode, Stöchiometrie an Kathode und/oder Anode, relative Eintrittsfeuchte an Kathode und/oder Anode, Gaszusammensetzung am Eintritt und/oder Austritt, integrale Stromstärke über einen vorgegebenen Betriebsbereich, mittlere Strömungsgeschwindigkeit über einen vorgegebenen Betriebsbereich
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Um ein Verhalten des Brennstoffzellensystems mittels eines mathematischen Modells des Brennstoffzellensystems möglichst verlässlich abzubilden und eine möglichst verlässliche Bestimmung des Stromstärkeschwellenwerts zu ermöglichen, hat sich ein mathematisches Modell als vorteilhaft erwiesen, das eine Vielzahl Eingangsparameter, insbesondere mittels Sensoren zum Erfassen von Reaktionsbedingungen in dem Brennstoffzellenstapel, einbezieht.
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Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass die Recheneinheit dazu konfiguriert ist, in dem intermittierenden Betrieb den Feuchtebetrieb häufiger und/oder länger zu aktivieren als den Trockenbetrieb.
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Dadurch, dass der Betriebspunkt erhöhter Stöchiometrie bzw. des Trockenbetriebs kürzer gehalten wird als der Betriebspunkt verringerter Stöchiometrie bzw. des Feuchtebetriebs, wird eine Flutung der Brennstoffzellen vermieden und eine Alterung der Brennstoffzellen minimiert. Weiterhin werden dadurch zu trockene Membranzustände vermieden und eine Effizienz des Brennstoffzellensystems maximiert. Insbesondere wird dadurch eine Teillastfähigkeit des Brennstoffzellensystems auch bei hohen Betriebstemperaturen erreicht, sodass der Betriebsbereich des Brennstoffzellensystems erweitert wird.
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Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass die Recheneinheit dazu konfiguriert ist, in dem intermittierenden Betrieb den Feuchtebetrieb lediglich so lange und/oder so häufig zu aktivieren, dass ein Flüssigwassergehalt in dem Brennstoffzellenstapel dauerhaft unter einem für einen Volllastbetrieb des Brennstoffzellenstapels vorgegebenen Maximalwassergehalt liegt.
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Eine gewisser Flüssigwassergehalt, d.h. ein gewisser Volumenanteil an Flüssigwasser ist in den Gaspfaden eines Brennstoffzellensystems zulässig. Wird jedoch ein Maximalwassergehalt überschritten, wird die Versorgung des Brennstoffzellenstapels mit Reaktanten so stark eingeschränkt, dass es zu Leistungsverlusten bis hin zu irreversibler Schädigung des Brennstoffzellensystems kommen kann. Der Maximalwassergehalt kann bspw. abhängig von der gewünschten Stromdichte gewählt werden, sodass bei niedrigen Stromdichten eine effektive Fläche zum Gastransport durch Flüssigwasser deutlich reduziert werden, ohne dass es zu einer Schädigung kommt oder bei hohen Stromdichten die Gaspfade zu einem großen Teil, evtl. sogar nahezu vollständig von Flüssigwasser freigehalten werden. Entsprechend ist der Maximalwassergehalt für niedrige Stromstärken höher als für hohe Stromstärken.
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In der niedrigen Teillast ist ein intermittierender Betrieb energieoptimal. Für eine gewisse Zeit wird die Kathodenstöchiometrie niedrig gehalten, um die Verdichterleistung zu verringern und den Systemwirkungsgrad zu maximieren. In diesem Zustand kommt es jedoch zu einer langsamen Ansammlung von Flüssigwasser. Kurz bevor der Maximalwassergehalt erreicht wird, kann durch eine kurzzeitige Anhebung der Stöchiometrie der Flüssigwassergehalt deutlich reduziert werden. Eine rein stationäre Betriebsführung benötigt eine höhere Stöchiometrie und führt entsprechend zu einer schlechteren Systemeffizienz.
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Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass die Recheneinheit dazu konfiguriert ist, in dem intermittierenden Betrieb den Feuchtebetrieb lediglich so lange und/oder so häufig zu aktivieren, dass ein Flüssigwassergehalt in dem Brennstoffzellenstapel dauerhaft unter einem für einen Volllastbetrieb des Brennstoffzellenstapels zulässigen Maximalwassergehalt liegt, wenn das Brennstoffzellensystem in einen Dynamikbetrieb geschaltet ist.
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Um eine maximale Sprungfähigkeit des Brennstoffzellensystems dann zu ermöglichen, wenn diese von einem Nutzer gewünscht wird und dann eine maximale Effizienz des Brennstoffzellensystems zu ermöglichen, wenn dies möglich ist bzw. durch Nutzervorgaben nicht unterbunden wird, kann ein Dynamikbetrieb aktiviert werden, bei dem in dem intermittierenden Betrieb der Feuchtebetrieb lediglich so lange und/oder so häufig aktiviert wird, dass ein Flüssigwassergehalt in dem Brennstoffzellenstapel dauerhaft unter einem für einen Volllastbetrieb des Brennstoffzellenstapels zulässigen Maximalwassergehalt liegt.
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Insbesondere kann die Recheneinheit dazu konfiguriert sein, die Membranfeuchte so zu erhöhen, dass der Nennpunkt mit möglichst geringen ohmschen Verlusten und entsprechend hoher Effizienz erreicht wird. Dazu kann die Recheneinheit dazu konfiguriert sein, eine Temperatur in dem Brennstoffzellenstapel zu senken, einen Druck in dem Brennstoffzellenstapel zu erhöhen, eine Stöchiometrie des Brennstoffzellensystems zu senken und/oder eine Eintrittsfeuchte des Brennstoffzellenstapels zu erhöhen.
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Im Dynamikbetrieb wird der Wasserhaushalt des Brennstoffzellensystem entsprechend so eingestellt, dass eine maximale Sprungfähigkeit zu hohen Leistungen sichergestellt wird. Insbesondere werden die für die Sprungfähigkeit kritischen Zustände wie Teilflutung oder geringe Membranfeuchte vermieden. Der Wasserhaushalt kann durch verschiedene Parameter beeinflusst werden, wie bspw. Drücke, Massenströme, relative Feuchten und Temperaturen der Gase und/oder Massenstrom und Eintrittstemperatur des Kühlmittels, um den Feuchtezustand der Brennstoffzellen in der Teillast möglichst nahe an den Feuchtezustand in der Volllast anzupassen, und so einen Referenzbetrieb im Nennpunkt in möglichst kurzer Zeit ohne das Risiko einer Beschädigung des Brennstoffzellensystems zu erreichen.
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Soll die Leistung des Brennstoffzellensystem schnell reduziert werden bzw. ein negativer Lastsprung eingeleitet werden, kann es zu einer Flutung der Brennstoffzellen kommen. Um diese Problematik zu umgehen kann die Recheneinheit dazu konfiguriert sein, eine Reduktion des Gasmassenstroms zu verlangsamen, eine Temperatur in dem Brennstoffzellenstapel zu erhöhen, einen Druck in dem Brennstoffzellenstapel zügig zu senken und/oder eine Eintrittsfeuchte des Brennstoffzellenstapels zu senken.
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Es kann vorgesehen sein, dass die Recheneinheit dazu konfiguriert ist, in Abhängigkeit einer Änderungsrate von Lastanforderungen für das Brennstoffzellensystem, automatisch zwischen einem Stationärbetrieb und einem Dynamikbetrieb umzuschalten.
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Durch ein automatisches Umschalten zwischen dem Stationärbetrieb, indem das Brennstoffzellensystem mit maximaler Effizienz betrieben wird und dem Dynamikbetrieb, in dem das Brennstoffzellensystem für eine maximale Sprungfähigkeit eingestellt bzw. konditioniert wird, kann einem Nutzer ein dynamisch agierendes und dennoch effizient arbeitendes Brennstoffzellensystem bereitgestellt werden.
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Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass die Recheneinheit dazu konfiguriert ist, in Abhängigkeit von bereitgestellten Betriebsinformationen über erwartete Betriebsparameter des Brennstoffzellensystems, automatisch zwischen dem Stationärbetrieb und dem Dynamikbetrieb umzuschalten.
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Ein Umschalten zwischen dem Dynamikbetrieb und dem Stationärbetrieb in Abhängigkeit von bereitgestellten Betriebsinformationen über erwartete Betriebsparameter des Brennstoffzellensystems ermöglicht ein präventives Aktivieren des Dynamikbetriebs, sodass der Nutzer den Eindruck eines kontinuierlich dynamisch agierenden Brennstoffzellensystems erhält.
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Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass die bereitgestellten Betriebsinformationen eine von einem das Brennstoffzellensystem umfassenden Fahrzeugs zu befahrende Route und/oder einen Zustand einer Batterie des Fahrzeugs umfassen.
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Zum Aktivieren des Dynamikbetriebs haben sich Informationen über eine zu befahrende Route und Informationen über einen Zustand einer Batterie eines entsprechenden Fahrzeugs als besonders geeignet erwiesen, da diese Informationen im direkten Zusammenhang mit einer Charakteristik einer Leistungsanforderung an das Brennstoffzellensystem stehen.
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Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass das Brennstoffzellensystem eine Benutzerschnittstelle umfasst, die bei Bedienung durch einen Nutzer das Brennstoffzellensystem von dem Stationärbetrieb in den Dynamikbetrieb oder von dem Dynamikbetrieb in den Stationärbetrieb umschaltet.
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Mittels einer Benutzerschnittstelle, wie bspw. einem Taster oder einem Menüpunkt in einem Benutzerinterface, kann ein Nutzer den Dynamikbetrieb nach seinen Vorstellungen ein- bzw. ausschalten und entsprechend das Brennstoffzellensystem für einen agilen oder einen effizienten Betrieb konfigurieren.
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Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die vorgestellte Erfindung ein Betriebsverfahren für ein Brennstoffzellensystem. Das Betriebsverfahren umfasst das Schalten des Brennstoffzellensystems in einen intermittierenden Betrieb, wobei in dem intermittierenden Betrieb zwischen einem Trockenbetrieb des Brennstoffzellenstapels und einem Feuchtebetrieb des Brennstoffzellenstapels wiederholt umgeschaltet wird,
wobei in dem Trockenbetrieb eine gegenüber dem Feuchtebetrieb erhöhte Stöchiometrie und in dem Feuchtebetrieb eine gegenüber dem Trockenbetrieb verringerte Stöchiometrie eingestellt wird, und wobei der intermittierende Betrieb lediglich dann aktiviert wird, wenn eine von dem Brennstoffzellensystem aktuell bereitgestellte Stromstärke unter einem für eine Temperatur in einem Brennstoffzellenstapel des Brennstoffzellensystems spezifisch vorgegebenen Stromstärkeschwellenwert liegt.
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Das vorgestellte Betriebsverfahren dient insbesondere zum Betrieb des vorgestellten Brennstoffzellensystems.
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Gemäß einem dritten Aspekt betrifft die vorgestellte Erfindung ein Fahrzeug mit einer möglichen Ausgestaltung des vorgestellten Brennstoffzellensystems.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein.
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Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung einer möglichen Ausgestaltung des vorgestellten Brennstoffzellensystems,
- 2 eine mögliche Ausgestaltung des vorgestellten Betriebsverfahrens,
- 3 eine mögliche Ausgestaltung des vorgestellten Fahrzeugs.
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In 1 ist ein Brennstoffzellensystem 100 dargestellt. Das Brennstoffzellensystem 100 umfasst einen Brennstoffzellenstapel 101 und eine Recheneinheit 103.
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Die Recheneinheit 103 ist dazu konfiguriert, das Brennstoffzellensystem 100 in einen intermittierenden Betrieb zu schalten, wobei in dem intermittierenden Betrieb zwischen einem Trockenbetrieb des Brennstoffzellenstapels 101 und einem Feuchtebetrieb des Brennstoffzellenstapels 101 wiederholt umgeschaltet wird und wobei in dem Trockenbetrieb eine gegenüber dem Feuchtebetrieb erhöhte Stöchiometrie und in dem Feuchtebetrieb eine gegenüber dem Trockenbetrieb verringerte Stöchiometrie eingestellt wird.
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Die Recheneinheit 103 ist ferner dazu konfiguriert, den intermittierenden Betrieb lediglich dann zu aktivieren, wenn eine von dem Brennstoffzellensystem 100 aktuell bereitgestellte Stromstärke unter einem für eine Temperatur in dem Brennstoffzellenstapel spezifisch vorgegebenen Stromstärkeschwellenwert liegt.
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Der Stromstärkeschwellenwert kann in einem Kennfeld hinterlegt sein oder dynamisch mittels eines mathematischen Modells ermittelt werden.
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Bspw. ist die Recheneinheit dazu konfiguriert, in dem intermittierenden Betrieb den Feuchtebetrieb häufiger und/oder länger zu aktivieren als den Trockenbetrieb, sodass eine Flutung von Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels 101 vermieden und eine Effizienz, d.h. eine energetische Effizienz des Brennstoffzellensystems maximiert wird.
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Ferner umfasst das Brennstoffzellensystem 100 eine Benutzerschnittstelle 105, durch die der intermittierende Betrieb aktivierbar oder deaktivierbar ist.
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In 2 ist ein Betriebsverfahren 200 dargestellt.
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Ausgehend von einem aktuellen Betriebspunkt 201 wird in einem Prüfschritt 203 geprüft, ob eine Mindeststromstärke Itoggle für einen stationären Betrieb 205 unterschritten wird. Ist das der Fall, wird eine Mindestgasgeschwindigkeit zum Austrag von Flüssigwasser unterschritten und eine Umschaltung in einen intermittierenden Betrieb („Toggle-Mode“) 207 ist erforderlich.
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Zur Bestimmung der Mindeststromstärke Itoggle wird eine aktuelle Betriebstemperatur T berücksichtigt. Ist der intermittierende Betrieb aktiviert, wird in einem Anpassungsschritt 209 eine Zielaktivität a des Brennstoffzellensystems zunächst für einen Zeitraum Δtumin gesenkt, um ein vorgegebenes umin-Kriterium zum Austrag von Flüssigwasser zu erfüllen. Dazu kann die Stöchiometrie λ erhöht werden und/oder der Druck p reduziert werden.
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Nach Ablauf von Δtumin in einem Warteschritt 211 wird die Zielaktivität a in einem Anhebungsschritt 213 für einen vorgegebenen Zeitraum Δtamin 215 auf bzw. über eine vorgegebene Grenze amin angehoben. Der Tropfenaustrag erfolgt deutlich schneller als die Austrocknung und Wiederbefeuchtung der Membran. Deshalb gilt für die Zeiten in den beiden Betriebspunkten Δtumin < Δtamin.
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In 3 ist ein Fahrzeug 300 dargestellt. Das Fahrzeug 300 umfasst das Brennstoffzellensystem 100 gemäß 1. Die Recheneinheit 103 des Brennstoffzellensystems 100 ist mit einer Recheneinheit 301 des Fahrzeugs gekoppelt, sodass das Brennstoffzellensystem 100 in Abhängigkeit eines Zustands des Fahrzeugs 300 der intermittierende Betrieb des Brennstoffzellensystem 100 aktiviert oder deaktiviert werden kann.
