-
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzelle eines Brennstoffzellensystems für ein Fahrzeug, insbesondere für ein Landfahrzeug, Wasserfahrzeug, Luftfahrzeug oder dergleichen. Ferner betrifft die Erfindung ein Brennstoffzellensystem für ein Fahrzeug.
-
Stand der Technik
-
Wasserstoffbasierte PEM-Brennstoffzellensysteme gelten als Mobilitätskonzept der Zukunft, da sie nur Wasser als Abgas emittieren, und schnelle Betankungszeiten ermöglichen.
-
In Fahrzeugen ist die abführbare Wärme durch das niedrige Temperaturniveau der Brennstoffzelle und die begrenzte Kühlerfläche limitiert. Normale Betriebstemperaturen von Brennstoffzellen betragen um die 60°C, zulässig zur Vermeidung von Beschädigungen der Brennstoffzelle sind etwa 90°C. In manchen Betriebszuständen, wie zum Beispiel einer Bergfahrt eines Kraftfahrzeugs mit hohem Leistungsbedarf und niedriger Anströmgeschwindigkeit des Kühlers, kommt es dadurch zu einer thermischen Limitierung. Im Falle der thermischen Limitierung kann die von den mitunter zu einem Brennstoffzellenstack zusammengefassten Brennstoffzellen produzierte Wärme nicht mehr vollständig abgeführt werden. Im Extremfall muss dann die Leistung der Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstacks reduziert werden, was als thermisches Derating bezeichnet wird.
-
Es sind Verfahren zum Betreiben von Brennstoffzellen bekannt, bei welchen zur Vermeidung oder Verzögerung des Deratings die Betriebstemperatur von typischerweise etwa 60°C auf bis zu 90°C angehoben wird. Der größere Temperaturunterschied zur Umgebung ermöglicht eine Erhöhung des mit gegebenem Kühler abführbaren Wärmestroms. Wird gleichzeitig der Betriebsdruck angehoben, kann bei hohen Stromdichten ein robuster Betrieb mit ausreichender Membranbefeuchtung sichergestellt werden.
-
Gleichwohl können Fälle auftreten, in denen durch einen langen Volllastbetrieb bei unzureichender Kühlleistung die Systemtemperatur erhöht wurde und anschließend die Leistungsanforderung drastisch reduziert wird. Ein solcher Fall kann beispielsweise beim spontanen Anhalten eines Kraftfahrzeugs nach einer Bergfahrt auftreten, insbesondere bei verhältnismäßig hohen Umgebungstemperaturen sowie geringen Anströmgeschwindigkeiten.
-
Aufgrund der thermischen Trägheit von Brennstoffzellen kann eine Leistungsreduktion grundsätzlich deutlich schneller erfolgen als eine Temperaturreduktion. Somit kann das Brennstoffzellensystem in einen sehr ungünstigen Zustand fallen, in welchem bei einer verhältnismäßig niedrigen Last eine verhältnismäßig hohe Betriebstemperatur der Brennstoffzelle vorliegt. Ein solcher Betriebszustand wird im Folgenden als „instabiler Betriebszustand“ bezeichnet.
-
Im Betrieb mit verhältnismäßig niedriger Last kann eine Kollision von zwei Betriebsgrenzen auftreten. Bei einer derartigen Einstellung der Gasversorgung, welche eine ausreichende Feuchtigkeit der Membran der Brennstoffzelle gewährleistet, kann eine Strömungsgeschwindigkeit im Kanal so langsam werden, dass ein ausreichender Austrag von Flüssigwasser aus der Brennstoffzelle nicht gewährleistet werden kann. Die Diskrepanz beider Betriebsgrenzen verschärft sich mit steigender Systemtemperatur. Durch einen stabilen intermittierenden Betrieb der Brennstoffzelle lässt sich der Betriebsbereich hin zu niedrigeren Lasten erweitern.
-
Wenn noch niedrigere Lasten bei hohen Temperaturen am Kühlmittelaustritt eingestellt werden sollen, ist mitunter auch bei einem intermittierenden Betrieb ein instabiler Betriebszustand nicht mehr vermeidbar. In diesem Fall liegen die beiden Grenzen so weit auseinander, dass der intermittierende Betrieb mit typischen Luftsystemen nicht mehr darstellbar ist. Je nach Kombination aus Druck und Stöchiometrie kann es dann entweder zu einer Flutung durch unzureichenden Flüssigwasseraustrag oder zu einer übermäßigen Austrocknung der Membran kommen. Ein stabiler, beispielsweise stationärer, Betriebszustand der Brennstoffzellen ist somit nicht gewährleistet.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzelle eines Brennstoffzellensystems für ein Fahrzeug, insbesondere für ein Landfahrzeug, Wasserfahrzeug, Luftfahrzeug oder dergleichen, bereitgestellt. Das Verfahren weist auf:
- - Betreiben der Brennstoffzelle mit einer ersten Last bei einer ersten Temperatur durch eine Steuerungsvorrichtung des Brennstoffzellensystems,
- - Empfangen einer Lastanforderung zum Betreiben der Brennstoffzelle mit einer zweiten Last durch die Steuerungsvorrichtung, wobei die zweite Last geringer ist als die erste Last,
- - gezieltes Reduzieren der Last der Brennstoffzelle auf eine dritte Last durch die Steuerungsvorrichtung, wobei die dritte Last kleiner als die erste Last und größer als die zweite Last ist,
- - Abkühlen der Brennstoffzelle auf eine zweite Temperatur, und
- - Reduzieren der Last der Brennstoffzelle auf die zweite Last durch die Steuerungsvorrichtung.
-
Unter dem Betreiben einer Brennstoffzelle kann im Rahmen der Erfindung auch das Betreiben mehrerer oder sämtlicher Brennstoffzellen eines Brennstoffzellenstacks verstanden werden. Der besseren Verständlichkeit halber wird im Folgenden lediglich stets nur auf eine Brennstoffzelle Bezug genommen, wobei auch mehrere oder sämtliche Brennstoffzellen gemeint sein können.
-
Bei der Durchführung des Verfahrens wird die Brennstoffzelle mittels der Steuerungsvorrichtung zunächst derart betrieben, dass eine Ausgangssituation geschaffen wird, welche bei herkömmlichen Verfahren zum Betreiben von Brennstoffzellen bei einer Umsetzung einer vorgegebenen, verhältnismäßig großen Lastreduzierung auf die zweite Last üblicherweise zu instabilen bzw. kritischen Betriebszuständen der Brennstoffzelle führen würde. Ein solcher Ausgangszustand ist beispielsweise bei längerer Bergauffahrt eines vollbeladenen Kraftfahrzeugs bei verhältnismäßig hohen Außentemperaturen erreichbar.
-
In diesem Ausgangszustand liegt die erste Last an, welche beispielsweise innerhalb einer Auslastung der Brennstoffzelle zwischen 80% und 100% liegen kann. Eine Last kann beispielsweise über eine Stromstärke, elektrische Leistung, Spannungslage oder Wasserstoffzufuhr eingestellt werden. Im Nachfolgendenden ist die erfindungsgemäße Idee beispielhaft anhand einer Stromstärke beschrieben. Die erste Last kann beispielsweise zwischen 450 A und 500 A betragen. Vorzugsweise beträgt die erste Last etwa 480 A. Die erste Last wird in diesem Rahmen beispielsweise als Lastanforderung zum Betreiben der Brennstoffzelle an die Steuerungsvorrichtung übermittelt.
-
Zudem weist die Brennstoffzelle in dem Ausgangszustand die erste Temperatur auf. Die erste Temperatur kann beispielsweise zwischen 80% und 100% einer maximal zulässigen Betriebstemperatur der Brennstoffzelle liegen. Die erste Temperatur kann beispielsweise zwischen 75°C und 90°C betragen. Vorzugsweise beträgt die erste Temperatur etwa 90°C. Die Steuerungsvorrichtung ermittelt vorzugsweise die Temperaturwerte der Brennstoffzelle kontinuierlich oder intermittierend. Die erste Temperatur kann beispielsweise durch Messen unter Verwendung eines Temperatursensors, welcher beispielsweise an einem Kühlmittelauslass eines Brennstoffzellenstacks angeordnet und zum Messen einer Temperatur des durch den Kühlmittelauslass austretenden Kühlmittels ausgebildet ist, und/oder durch Berechnen oder Ermitteln aus einem oder mehreren Kennfeldern des Brennstoffzellensystems ermittelt werden.
-
Die Steuerungsvorrichtung empfängt nun eine Lastanforderung zum Betreiben der Brennstoffzelle mit der zweiten Last, welche kleiner ist als die erste Last. Bei herkömmlichen Verfahren würde die Steuerungsvorrichtung die Last der Brennstoffzelle auf die zweite Last reduzieren und die Brennstoffzelle bis zum Empfangen einer geänderten Lastanforderung mit der zweiten Last betreiben. Gleichwohl kann ein Betrieb der Brennstoffzelle mit der zweiten Last aufgrund der verhältnismäßig hohen ersten Temperatur der Brennstoffzelle zu einem instabilen Betriebszustand der Brennstoffzelle führen. Unter einem instabilen Betriebszustand wird ein Betriebszustand verstanden, bei welchem die Funktionen der Brennstoffzelle, wie beispielsweise ausreichende Membranfeuchte, ausreichende Wasserabfuhr oder dergleichen, nicht gewährleistet sind. Die Brennstoffzelle kann hierdurch beispielsweise einer beschleunigten Alterung unterliegen oder nicht mehr ordnungsgemäß funktionieren. Eine plausible zweite Last kann beispielsweise zwischen 40 A und 60 A betragen. Vorzugsweise beträgt die zweite Last etwa 50 A.
-
Zur Vermeidung eines solchen instabilen Betriebszustands der Brennstoffzelle reduziert die Steuerungsvorrichtung die Last der Brennstoffzelle auf die dritte Last, welche zwischen der ersten Last und der zweiten Last liegt. Mit anderen Worten wird gezielt eine geringere Lastreduzierung der Brennstoffzelle durchgeführt, als durch die Lastanforderung vorgegeben, beispielsweise durch einen Fahrer eines Kraftfahrzeugs. Die dritte Last ist vorzugsweise derart ausgewählt, dass beim Betreiben der Brennstoffzelle mit der dritten Last bei der ersten Temperatur ein kritischer Betriebszustand vermieden ist. Die dritte Last kann beispielsweise zwischen 100 A und 200 A betragen. Vorzugsweise beträgt die dritte Last etwa 150 A.
-
Durch das Betreiben der Brennstoffzelle mit der dritten Last wird ein Abkühlen der Brennstoffzelle begünstigt. Es kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass zusätzlich eine aktive Kühlung der Brennstoffzelle, wie beispielsweise durch ein Gebläse, ein gekühltes Kühlmittel oder dergleichen, durchgeführt wird. Durch die reduzierte Last erfolgt somit ein Abkühlen der Brennstoffzelle auf die zweite Temperatur. Die zweite Temperatur kann beispielsweise zwischen 50°C und 70°C betragen. Vorzugsweise beträgt die zweite Temperatur etwa 60°C.
-
Wenn die Brennstoffzelle auf die zweite Temperatur abgekühlt ist, wird die Last der Brennstoffzelle durch die Steuerungsvorrichtung auf die zweite Last reduziert. Durch das Abkühlen der Brennstoffzelle die niedrigere zweite Temperatur ist gewährleistet, dass die Brennstoffzelle mit der zweiten Last sicher betreibbar ist.
-
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzelle eines Brennstoffzellensystems für ein Fahrzeug hat gegenüber herkömmlichen Verfahren den Vorteil, dass mit einfachen Mitteln sowie auf eine kostengünstige Art und Weise ein sicherer Betrieb der Brennstoffzelle gewährleistet ist. Durch das Hinauszögern der Lastabsenkung von der ersten Last auf die zweite Last über die dritte Last ist die Brennstoffzelle auf eine Temperatur abkühlbar, bei welcher die Lastanforderung zum Betreiben der Brennstoffzelle mit der zweiten Last sicher umsetzbar ist. Somit sind stets eine ausreichende Feuchtigkeit der Membran sowie eine ausreichende Flüssigkeitsabfuhr aus der Brennstoffzelle gewährleistet. Auf diese Weise sind eine Betriebssicherheit des Brennstoffzellensystems, beispielsweise der Brennstoffzellen des Brennstoffzellensystems, erhöhbar und ein Verschleiß des Brennstoffzellensystems, beispielsweise der Brennstoffzellen des Brennstoffzellensystems, reduzierbar.
-
Gemäß einer bevorzugten Weiterentwicklung der Erfindung kann bei einem Verfahren vorgesehen sein, dass die Brennstoffzelle bei der ersten Last und der ersten Temperatur in einem stationären Betriebszustand oder einem stabilen intermittierenden Betriebszustand betrieben wird. Mit diesen Betriebszuständen sind eine ausreichende Feuchtigkeit der Membran sowie eine ausreichende Flüssigkeitsabfuhr aus der Brennstoffzelle stets gewährleistet. Dies hat den Vorteil, dass mit einfachen Mitteln sowie auf eine kostengünstige Art und Weise eine hohe Betriebssicherheit sowie ein geringer Verschleiß beim Betreiben der Brennstoffzelle gewährleistet sind.
-
Es ist erfindungsgemäß bevorzugt, dass eine derartige zweite Last empfangen wird, dass die Brennstoffzelle mit der ersten Temperatur und der zweiten Last in einem instabilen Betriebszustand betrieben würde. Bei einer derartigen Lastanforderung für die zweite Last kommen die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens gegenüber Verfahren nach dem Stand der Technik besonders zur Geltung. Während nach dem Stand der Technik ein Betrieb der Brennstoffzelle in einem instabilen Betriebszustand erfolgt, ist dieser Betriebszustand durch das Reduzieren auf die dritte Last und anschließendes Reduzieren auf die zweite Last erst nach Erreichen der zweiten Temperatur vermeidbar. Dies hat den Vorteil, dass mit einfachen Mitteln sowie auf eine kostengünstige Art und Weise eine hohe Betriebssicherheit sowie ein geringer Verschleiß beim Betreiben der Brennstoffzelle gewährleistet sind.
-
Weiter bevorzugt wird das gezielte Reduzieren der Last sprunghaft, gradierend oder stufenweise sprunghaft oder stufenweise gradierend durchgeführt. Unter einem sprunghaften Reduzieren der Last wird im Rahmen der Erfindung ein abruptes Reduzieren der Last in einem Sprung auf die dritte Last verstanden. Ein gradierendes Reduzieren der Last auf die dritte Last kann beispielsweise linear, progressiv und/oder degressiv erfolgen. Unter einem stufenweise sprunghaften Reduzieren wird ein mehrstufiges abruptes Reduzieren der Last auf die dritte Last verstanden, bei welchem Lastzustände zwischen Reduzierungssprüngen vorübergehend konstant gehalten werden, beispielsweise um ein weiteres Reduzieren erst nach einem bestimmten Abkühlen der Brennstoffzelle durchzuführen, um somit einen instabilen Betriebszustand zu vermeiden. Unter einem stufenweisen gradierenden Reduzieren wird ein gradierendes Reduzieren verstanden, bei welchem Lastzustände zwischen den Reduzierungsphasen konstant gehalten werden. Alternativ kann das Reduzieren der Last auch als Kombination zweier oder mehrerer dieser Varianten erfolgen. Dies hat den Vorteil, dass mit einfachen Mitteln sowie auf eine kostengünstige Art und Weise ein möglichst bedarfsgerechtes Reduzieren der Last durchführbar ist. Somit sind eine hohe Betriebssicherheit sowie ein geringer Verschleiß beim Betreiben der Brennstoffzelle gewährleistet.
-
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann bei einem Verfahren vorgesehen sein, dass das gezielte Reduzieren der Last derart durchgeführt wird, dass die Brennstoffzelle zumindest zeitweise in einem stabilen intermittierenden Betriebszustand an einem Übergang zu einem instabilen Betriebszustand betrieben wird. Hierbei ist es bevorzugt, dass der Betrieb der Brennstoffzelle in einem instabilen Betriebszustand vermieden oder nur sehr kurzfristig geduldet wird. Durch ein derartiges Reduzieren der Last ist ein stabiles Betreiben der Brennstoffzelle mit einer besonders niedrigen Last gewährleistet, sodass eine Abkühlungsgeschwindigkeit der Brennstoffzelle besonders hoch ist. Dies hat den Vorteil, dass mit einfachen Mitteln sowie auf eine kostengünstige Art und Weise die Reduzierung auf die zweite Last aufgrund der verhältnismäßig hohen Abkühlgeschwindigkeit besonders schnell durchführbar ist.
-
Vorzugsweise wird die Brennstoffzelle beim Erreichen der zweiten Temperatur in einem stationären Betriebszustand oder in einem stabilen intermittierenden Betriebszustand betrieben. Um einen möglichst breiten Puffer zu einem instabilen Betriebszustand aufzuweisen, wird die Brennstoffzelle beim Erreichen der zweiten Temperatur in dem stationären Betriebszustand betrieben. Wird die zweite Temperatur zudem besonders niedrig gewählt, ist hiermit erreichbar, dass die Brennstoffzelle auch nach dem Reduzieren der Last auf die zweite Last in dem stationären Betriebszustand betrieben wird. Um ein möglichst schnelles Reduzieren der Last auf die zweite Last zu erreichen, wird die Brennstoffzelle beim Erreichen der zweiten Temperatur in dem stabilen intermittierenden Betriebszustand betrieben. Dies hat den Vorteil, dass mit einfachen Mitteln sowie auf eine kostengünstige Art und Weise eine Betriebssicherheit des Brennstoffzellensystems erhöht und/oder eine Dauer zur Durchführung des Verfahrens reduziert sind.
-
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Brennstoffzelle auf eine derartige zweite Temperatur abgekühlt, dass die Brennstoffzelle mit der zweiten Last in einem stationären Betriebszustand oder in einem stabilen intermittierenden Betriebszustand betrieben wird. Dies hat den Vorteil, dass mit einfachen Mitteln sowie auf eine kostengünstige Art und Weise eine Betriebssicherheit des Brennstoffzellensystems erhöht und/oder eine Dauer zur Durchführung des Verfahrens reduziert sind.
-
Besonders bevorzugt wird eine Lastdifferenz zwischen der zweiten Last und einer höheren Last, mit welcher die Brennstoffzelle während der Durchführung des Verfahrens betrieben wird, zur aktiven Kühlung der Brennstoffzelle verwendet. Hierfür weist das Brennstoffzellensystem vorzugsweise eine Kühlvorrichtung auf oder ist mit einer Kühlvorrichtung gekoppelt. Die Lastanforderung auf die zweite Last gibt einen zu erreichenden Soll-Zustand der Brennstoffzelle vor. Da die Brennstoffzelle bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit einer höheren Last als die zweite Last betrieben wird, generiert die Brennstoffzelle mehr elektrische Energie als erforderlich. Diese überschüssige elektrische Energie sollte verbraucht werden, um eine Überlastung des Systems zu vermeiden. Eine aktive Kühlung zum Kühlen der Brennstoffzelle ist hierfür besonders geeignet, da auf diese Weise die Abkühlungsgeschwindigkeit der Brennstoffzelle erhöhbar und somit die Dauer zur Durchführung des Verfahrens reduzierbar sind. Dies hat den Vorteil, dass mit einfachen Mitteln sowie auf eine kostengünstige Art und Weise eine Betriebssicherheit sowie eine Wirtschaftlichkeit beim Betreiben der Brennstoffzelle verbessert sind.
-
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Brennstoffzellensystem für ein Fahrzeug, insbesondere für ein Landfahrzeug, Wasserfahrzeug, Luftfahrzeug oder dergleichen, bereitgestellt. Das Brennstoffzellensystem weist eine Brennstoffzelle und eine Steuerungsvorrichtung zur Steuerung der Brennstoffzelle auf. Erfindungsgemäß ist die Steuerungsvorrichtung zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildet.
-
Das Brennstoffzellensystem kann erfindungsgemäß mehrere Brennstoffzellen aufweisen, welche durch die Steuerungsvorrichtung einzeln, gruppenweise oder alle gemeinsam steuerbar sind. Die Brennstoffzellen sind vorzugsweise zu einem Brennstoffzellenstack zusammengefasst. Vorzugsweise sind die Brennstoffzellen in einem Zellgehäuse des Brennstoffzellensystems angeordnet. Die Steuerungsvorrichtung ist vorzugsweise in einem separaten Steuerungsgehäuse angeordnet.
-
Bei dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem ergeben sich sämtliche Vorteile, die bereits zu einem Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzelle eines Brennstoffzellensystems gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung beschrieben worden sind. Demnach hat das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem gegenüber herkömmlichen Brennstoffzellensystemen den Vorteil, dass mit einfachen Mitteln sowie auf eine kostengünstige Art und Weise ein sicherer Betrieb der Brennstoffzelle gewährleistet ist. Durch das Hinauszögern der Lastabsenkung von der ersten Last auf die zweite Last über die dritte Last ist die Brennstoffzelle auf eine Temperatur abkühlbar, bei welcher die Lastanforderung zum Betreiben der Brennstoffzelle mit der zweiten Last sicher umsetzbar ist. Somit sind stets eine ausreichende Feuchtigkeit der Membran sowie eine ausreichende Flüssigkeitsabfuhr aus der Brennstoffzelle gewährleistbar. Auf diese Weise sind eine Betriebssicherheit des Brennstoffzellensystems, beispielsweise der Brennstoffzellen des Brennstoffzellensystems, erhöhbar und ein Verschleiß des Brennstoffzellensystems, beispielsweise der Brennstoffzellen des Brennstoffzellensystems, reduzierbar.
-
Es ist erfindungsgemäß bevorzugt, dass das Brennstoffzellensystem einen Temperatursensor zum Ermitteln einer Temperatur der Brennstoffzelle aufweist. Der Temperatursensor ist vorzugsweise an der Brennstoffzelle oder in einem Kühlmittelkanal angeordnet, der zum Durchströmen von durch die Brennstoffzellen erwärmtem Kühlfluid ausgebildet ist. Vorzugsweise kontaktiert der Temperatursensor die Brennstoffzelle, beispielsweise eine Wandung, einen Rahmen oder dergleichen der Brennstoffzelle. Alternativ oder zusätzlich kann auch die Kühlmitteltemperatur am Austritt des Brennstoffzellenstapels ermittelt werden, die in guter Näherung der Betriebstemperatur der Brennstoffzellen entspricht. Durch den Temperatursensor ist die Betriebstemperatur der Brennstoffzelle zuverlässig ermittelbar und muss somit nicht aufwendig berechnet werden. Dies hat den Vorteil, dass mit einfachen Mitteln sowie auf eine kostengünstige Art und Weise eine Betriebssicherheit des Brennstoffzellensystems verbessert ist.
-
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzelle eines Brennstoffzellensystems für ein Fahrzeug sowie ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem für ein Fahrzeug werden nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen jeweils schematisch:
- 1 ein Betriebskennfeld einer Brennstoffzelle beim Betreiben der Brennstoffzelle gemäß dem Stand der Technik,
- 2 ein Betriebskennfeld einer Brennstoffzelle beim Betreiben der Brennstoffzelle gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung,
- 3 in einer Schnittdarstellung eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems, und
- 4 in einem Ablaufdiagramm eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
-
Elemente mit gleicher Funktion und Wirkungsweise sind in den 1 bis 4 jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
-
In 1 ist ein Betriebskennfeld einer Brennstoffzelle 1 (vgl. 3) beim Betreiben der Brennstoffzelle 1 gemäß dem Stand der Technik dargestellt. Das Betriebskennfeld weist drei Betriebsbereiche auf, einen ersten Betriebsbereich I für die stationären Betriebszustände SB, einen zweiten Betriebsbereich II für die stabilen intermittierenden Betriebszustände SIB sowie einen dritten Betriebsbereich III für die instabilen Betriebszustände IB, wobei der dritte Betriebsbereich III beim Betreiben der Brennstoffzelle 1 zu vermeiden ist.
-
In einem ersten Betriebszustand Z1` der Brennstoffzelle 1 wird die Brennstoffzelle 1 mit einer ersten Last L1 von etwa 480 A betrieben und weist hierbei eine erste Temperatur T1' von etwa 87 °C auf. Der erste Betriebszustand Z1' ist somit ein stationärer Betriebszustand SB. Aufgrund einer reduzierten Lastanforderung mit einer zweiten Last L2` wird die Last der Brennstoffzelle 1 auf die zweite Last L2` abgesenkt, sodass die Brennstoffzelle 1 einen zweiten Betriebszustand Z2` aufweist. In einem zweiten Betriebszustand Z2` der Brennstoffzelle 1 wird die Brennstoffzelle 1 mit der zweiten Last L2 von etwa 50 A betrieben und weist hierbei weiterhin die erste Temperatur T1' von etwa 87 °C auf. Hierdurch ist der Betriebspunkt der Brennstoffzelle 1 in den für den Betrieb der Brennstoffzelle ungünstigen dritten Betriebsbereich III verschoben.
-
2 zeigt ein Betriebskennfeld einer Brennstoffzelle 1 beim Betreiben der Brennstoffzelle 1 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung. In einem ersten Betriebszustand Z1 der Brennstoffzelle 1 wird die Brennstoffzelle 1 mit einer ersten Last L1 von etwa 480 A betrieben und weist hierbei eine erste Temperatur T1' von etwa 87 °C auf. Der erste Betriebszustand Z1' ist somit ein stationärer Betriebszustand SB und entspricht dem ersten Betriebszustand Z1' aus 1. Aufgrund einer reduzierten Lastanforderung mit einer zweiten Last L2 wird die Last der Brennstoffzelle 1 auf eine dritte Last L3 von etwa 140 A abgesenkt, sodass die Brennstoffzelle 1 einen zweiten Betriebszustand Z2 aufweist, der im zweiten Betriebsbereich II angeordnet ist, sodass die Brennstoffzelle 1 in einem stabilen intermittierenden Betriebszustand SIB an der Grenze zum dritten Betriebsbereich III betrieben wird. Durch Halten der dritten Last L3 fällt die Temperatur der Brennstoffzelle 1 auf eine dritte Temperatur T3 von etwa 77°C. Hierbei wird ein dritter Betriebszustand Z3 erreicht, welcher ebenfalls im zweiten Betriebsbereich II liegt und wieder einen größeren Abstand zum dritten Betriebsbereich III aufweist.
-
Ausgehend vom dritten Betriebszustand Z3 wird die Last von der dritten Last L3 auf eine vierte Last L4 von etwa 85 A reduziert. Hierbei wird ein vierter Betriebszustand Z4 der Brennstoffzelle 1 erreicht, der im zweiten Betriebsbereich II angeordnet ist, sodass die Brennstoffzelle 1 wieder in einem stabilen intermittierenden Betriebszustand SIB an der Grenze zum dritten Betriebsbereich III betrieben wird. Durch Halten der vierten Last L4 fällt die Temperatur der Brennstoffzelle 1 auf eine zweite Temperatur T2 von etwa 60°C. Hierbei wird ein fünfter Betriebszustand Z5 erreicht, welcher im ersten Betriebsbereich I angeordnet ist, sodass die Brennstoffzelle 1 wieder in einem stationären Betriebszustand an der Grenze zum zweiten Betriebsbereich II betrieben wird.
-
Ausgehend vom fünften Betriebszustand Z5 erfolgt ein weiteres Absenken der Last von der vierten Last L4 auf die zweite Last L2 gemäß der reduzierten Lastanforderung. Hierbei wird ein sechster Betriebszustand Z6 der Brennstoffzelle 1 erreicht, bei welchem die Brennstoffzelle 1 mit der zweiten Last L2 von etwa 50 A bei der zweiten Temperatur T2 in einem stabilen intermittierenden Betriebszustand SIB betrieben wird.
-
In 3 ist eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems 2 schematisch in einer Schnittdarstellung abgebildet. Das Brennstoffzellensystem 2 weist mehrere Brennstoffzellen 1 auf, die zu einem Brennstoffzellenstack zusammengefasst und in einem Zellgehäuse 5 angeordnet sind. An den Brennstoffzellen 1 ist jeweils ein Temperatursensor 4 angeordnet. Alternativ kann auch ein Temperatursensor 4 zum Erfassen einer Kühlmitteltemperatur an einem Kühlmittelausgang des Stacks angeordnet sein. Ferner weist das Brennstoffzellensystem 2 zum Steuern der Brennstoffzellen 1 eine Steuerungsvorrichtung 3 auf, welche außerhalb des Zellgehäuses 5 angeordnet ist.
-
4 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens schematisch in einem Ablaufdiagramm. In einer ersten Verfahrensaktion 100 wird das Brennstoffzellensystem 1 durch die Steuerungsvorrichtung 3 mit der ersten Last L1 bei der ersten Temperatur T1 in einem stationären Betriebszustand SB betrieben. Somit weist die Brennstoffzelle 1 den ersten Betriebszustand Z1 auf. In einer zweiten Verfahrensaktion 200 empfängt die Steuerungsvorrichtung 3 eine reduzierte Lastanforderung zum Betreiben der Brennstoffzelle 1 mit einer zweiten Last L2, welche kleiner ist als die erste Last L1.
-
In einer dritten Verfahrensaktion 300 wird die Last der Brennstoffzelle 1 durch die Steuerungsvorrichtung 3 von der ersten Last L1 gezielt auf die dritte Last L3 reduziert, wobei die dritte Last L3 größer ist als die zweite Last L2. Die Temperatur der Brennstoffzelle 1 entspricht zunächst im Wesentlichen der ersten Temperatur T1, sodass die Brennstoffzelle 1 den zweiten Betriebszustand Z2 aufweist und beispielsweise in einem stabilen intermittierenden Betriebszustand SIB betrieben wird.
-
Durch das Reduzieren der Last der Brennstoffzelle 1 wird eine vierte Verfahrensaktion 400 ausgelöst, bei welcher die Brennstoffzelle 1 auf die zweite Temperatur T2 abkühlt, bei welcher die Brennstoffzelle 1 beispielsweise in einem stationären Betriebszustand SB betrieben wird. Wenn die Brennstoffzelle 1 die zweite Temperatur T2 erreicht hat, wird die Last in einer fünften Verfahrensaktion 500 durch die Steuerungsvorrichtung 3 von der dritten Last L3 auf die zweite Last L2 reduziert. Die Brennstoffzelle 1 wird dann beispielsweise wieder in einem stabilen intermittierenden Betriebszustand SIB betrieben.
