DE112008003648T5 - Steuerverfahren zum Steuern eines Brennstoffzellensystems und Brennstoffzellensystem - Google Patents

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Clemens Dipl.-Ing. Bögershausen
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Jörg Dipl.-Ing. Schütz (FH)
Herbert Dipl.-Ing. Schulze
Meenakshi Dr. MS Sundaresan
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Abstract

Steuerverfahren zum Steuern eines Brennstoffzellensystems, das betrieben ist, um elektrische Leistung für eine Verbraucherlast (10, 11) zu liefern,
wobei das Brennstoffzellensystem wenigstens eine Brennstoffzelle zum Erzeugen elektrischer Leistung umfasst,
wobei die Brennstoffzelle (1) mit einem Brennstoffgas und einem Oxidationsmittelgas als Reaktionsmittelgase zum Erzeugen elektrischer Leistung versehen ist,
wobei das Brennstoffzellensystem zwischen wenigstens einem Leistungsbetrieb, in dem die Brennstoffzelle (1) die elektrische Leistung erzeugt, und einem Leerlaufbetrieb geschaltet werden kann, in dem die Brennstoffzelle (1) in einem Bereitschaftsbetrieb ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Druck des Brennstoffgases in dem Leerlaufbetrieb und/oder dem Bereitschaftsbetrieb höher als der Druck des Oxidationsmittelgases und/oder des Luftdrucks ist.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf ein Steuerverfahren zum Steuern eines Brennstoffzellensystems. Sie bezieht sich insbesonders auf ein Steuerverfahren zum Steuern eines Brennstoffzellensystems, das betrieben werden kann, um elektrische Leistung für einen Verbraucher vorzusehen, wobei das Brennstoffzellensystem wenigstens eine Brennstoffzelle zum Erzeugen elektrischer Leistung umfasst, wobei die Brennstoffzelle mit einem Brennstoffgas und einem Oxidationsmittelgas als Reaktionsmittelgase zum Erzeugen elektrischer Leistung versehen ist, wobei das Brennstoffzellensystem zwischen wenigstens einem Leistungsbetrieb, in dem die Brennstoffzelle die elektrische Leistung erzeugt, und einem Leerlaufbetrieb, in dem die Brennstoffzelle in einem Bereitschaftsbetrieb ist, geschaltet werden kann. Die Erfindung bezieht sich weiterhin auf ein Brennstoffzellensystem das betrieben werden kann, um das Steuerverfahren durchzuführen.
  • Brennstoffzellensysteme sind Leistungserzeugungseinheiten, die – zum Beispiel – als bewegliche Leistungserzeugungseinheiten in Fahrzeugen benutzt werden. Brennstoffzellensysteme umfassen üblicherweise wenigstens eine Brennstoffzelle, die geeignet ist, um chemische Energie in elektrische Energie umzuwandeln. Ein Brennstoff, üblicherweise Wasserstoff, wird während dieses Umwandlungsverfahren üblicherweise mit einem Oxidationsmittel, üblicherweise Sauerstoff, katalytisch verarbeitet, wodurch die elektrische Energie erzeugt wird
  • Wenn man zu dem Beispiel der Benutzung eines Brennstoffzellensystems in Verbindung mit Fahrzeugen zurückkehrt, dann ist es bekannt, dass die Benutzung eines hybridartigen Brennstoffzellensystems, das Brennstoffzellen zum Erzeugen elektrischer Energie und Energiespeichervorrichtungen zur vorübergehenden Speicherung der elektrischen Energie, einige Vorteile angesichts des Wirkungsgrads des Brennstoffzellensystems bietet.
  • Das Dokument US 2007/0231637 A1 , das wahrscheinlich den nächstliegenden Stand der Technik darstellt, offenbart ein Brennstoffzellensystem, das zwischen einem Zustand geschaltet werden kann, in dem Brennstoffzellen elektrische Leistung erzeugen, und einem Zustand, in dem die Brennstoffzellen zum Erzeugen elektrischer Energie gestoppt werden. Das Dokument erklärt, dass Lösungen des Standes der Technik angesichts des Brennstoffleistungsfähigkeitsverbrauchs Nachteile während den Zeiten mit sich bringen, wenn elektrische Leistung nicht erzeugt wird. Das Dokument schlägt vor, das den Brennstoffzellen Oxidationsmittelgas sogar während Zeiten zugeführt wird, wenn die Brennstoffzelle keine elektrische Leistung erzeugt. Das Oxidationsmittelgas kann mit einer konstanten Geschwindigkeit zugeführt werden, periodisch, oder rampenartig.
  • Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Steuerverfahren zum Steuern eines Brennstoffzellensystems und ein Brennstoffzellensystem selbst vorzuschlagen, wobei die Brennstoffzellen unter verbesserten Bedingungen arbeiten.
  • In diesem Zusammenhang werden ein Steuerverfahren zum Steuern eines Brennstoffzellensystems mit den Merkmalen von Anspruch 1 und ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen von Anspruch 8 vorgeschlagen. Bevorzugte Ausführungsformen werden in den Unteransprüchen, der Beschreibung und den angehängten Figuren offenbart.
  • Die Erfindung umfasst ein Steuerverfahren zum Steuern eines Brennstoffzellensystems, das als offener Kreis und/oder geschlossener Kreis und/oder nichtlineare und/oder adaptive Steuerung ausgelegt sein kann. Das Brennstoffzellensystem ist vorzugsweise als ein bewegliches Brennstoffzellensystem verkörpert und insbesondere zur Benutzung in einem Fahrzeug angepasst. Das Brennstoffzellensystem kann elektrische Leistung für eine Verbraucherlast vorsehen, wobei der Ausdruck „Verbraucher last” nur eine einzige Last umfassen kann, in anderen Ausführungsformen kann die Verbraucherlast eine Vielzahl von Lasten umfassen. Die Verbraucherlast umfasst zum Beispiel eine Hauptlast, wie einen Motor für ein Fahrzeug, und eine Vielzahl von Nebenlasten, wie Nebenkomponenten für das Brennstoffzellensystem und/oder das Fahrzeug.
  • Wenigstens eine Brennstoffzelle ist in dem Brennstoffzellensystem zum Erzeugen elektrischer Leistung vorgesehen. Eine Vielzahl von Brennstoffzellen, zum Beispiel mehr als 100, insbesondere mehr als 150 sind vorzugsweise in dem Brennstoffzellensystem ange ordnet, vorzugsweise in einem oder mehreren Brennstoffzellenstapeln. In einem bevorzugten Gesichtspunkt kann der Ausdruck Brennstoff als Synonym für alle Brennstoffzellen angesehen werden oder als ein Teilsatz der Brennstoffzellen des Brennstoffzellensystems.
  • Das Brennstoffzellensystem ist vorzugsweise als ein hybridartiges System ausgeführt, wobei eine Energiespeichervorrichtung vorgesehen ist, um die elektrische Leistung zu speichern und/oder die Brennstoffzelle vorübergehend zu ersetzen.
  • Die Brennstoffzelle wird mit einem Brennstoffgas beliefert, vorzugsweise wird Wasserstoff zum Beispiel von einem Tank oder einem Reformer geliefert, und einem Oxidationsmittelgas, vorzugsweise Sauerstoff und/oder Umgebungsluft, wobei das Brennstoffgas und das Oxidationsmittelgas in dem elektrochemischen Verfahren als Reaktionsmittelgase in dem elektrochemischen Verfahren arbeiten, um die elektrische Leistung zu erzeugen.
  • Das Brennstoffzellensystem kann zwischen wenigstens zwei Betriebsarten geschaltet werden, wobei ein erster Betrieb ein Leistungsbetrieb ist, in dem die Brennstoffzelle die elektrische Leistung erzeugt, und ein zweiter Betrieb ein Leerlaufbetrieb ist, in dem die Brennstoffzelle in einem Bereitschaftsbetrieb ist. Es sollte bemerkt werden, dass der Ausdruck Brennstoff vorzugsweise alle Brennstoffzellen des Brennstoffzellensystems erfasst, so dass alle Brennstoffzellen des Brennstoffzellensystems in dem Leerlaufbetrieb in dem Bereitschaftsbetrieb sind.
  • Die Erzeugung elektrischer Leistung wird während des Bereitschaftsbetriebs wenigstens verringert oder gestoppt im Vergleich zu dem Leistungsbetrieb. Die elektrische Leistung in dem Leerlaufbetrieb, die jeweils von der Brennstoffzelle oder den Brennstoffzellen hergestellt wird, ist vorzugsweise geringer als 30%, vorzugsweise geringer als 20%, und insbesondere geringer als 10% der maximalen elektrischen Leistung der Brennstoffzelle oder Brennstoffzellen jeweils in dem Leistungsbetrieb. Der absolute Stromwert der Brennstoffzelle oder der Brennstoffzellen ist jeweils geringer als 1 Ampere, vorzugsweise nahe 0 Ampere.
  • Das Steuerverfahren ist erfindungsgemäß so angepasst, dass der Druck des Brennstoffgases in der Brennstoffzelle in dem Leerlauf- und/oder dem Bereitschaftsbetrieb jeweils höher als der Druck des Oxidationsmittelgases und/oder der Luftdruck oder der Umge bungsluft ist. Dieser Druckunterschied wird vorzugsweise während eines vollständigen Leerlauf- und/oder Bereitschaftsbetriebskreislaufs beibehalten und/oder wird aktiv von Komponenten des Brennstoffzellensystems unterstützt.
  • Es ist eine Erkenntnis der Erfindung, dass das Beibehalten eines Druckes, der etwas höher auf der Wasserstoff- oder Anodenseite der Brennstoffzelle im Vergleich zu der Oxidationsmittel- oder Kathodenseite der Brennstoffzelle ist, den Übergang von Sauerstoff zur Anodenseite verhindert. Eine positive Folge der Verhinderung des Übergangs ist, dass eine sauerstoffarmen Bedingung auf der Kathodenseite und Kathodenkorrosion verringert oder verhindert werden. Die Beibehaltung des Wasserstoffdrucks geringfügig über dem Luftdruck stellt weiterhin sicher, dass ein Wiederbeginn von dem Bereitschaftsbetrieb nicht wegen Brennstoffmangel degradiert wird.
  • In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung ist der Druckunterschied zwischen dem Druck des Brennstoffgases und dem Druck des Oxidationsmittelgases und/oder dem Luftdruck in einem Bereich zwischen 0,1 und 0,4 bar, was die oben erklärten positiven Auswirkungen und mögliche negative Auswirkungen wegen eines zu hohen Druckunterschieds und dadurch die mechanische Beanspruchung der Membran zwischen der Kathoden- und Anodenseite der Brennstoffzelle ausgleicht.
  • Obwohl der Druck des Brennstoffgases in einer bevorzugten Ausführungsform höher als der Druckstand der Umgebung ist, ist es weiterhin bevorzugt, dass der Druck des Brennstoffgases während des Leerlaufbetriebs geringer ist als während des Leistungsbetriebs. Es wird also bevorzugt, den Druck des Brennstoffgases zu verringern, während von dem Leistungsbetrieb in den Leerlaufbetrieb geschaltet wird.
  • Um den Druckunterschied beizubehalten, wird es bevorzugt, dass das Brennstoffzellensystem eine Brennstoffgaspumpe umfasst, die während des Leerlaufbetriebs oder des Bereitschaftsbetriebs mit einer geringeren Strömungsgeschwindigkeit als in dem Leistungsbetrieb arbeitet. Die untere Strömungsgeschwindigkeit wird vorzugsweise durch Betreiben der Brennstoffgaspumpe mit einer geringeren Drehgeschwindigkeit erreicht. Zusätzlich ist es bevorzugt, dass ein Sauerstoffverdichter und/oder ein Luftverdichter während des Leerlauf/Bereitschaftsbetriebs gestoppt wird, um Geräusche, Härte und/oder einen verbesserten Brennstoffzellensystemwirkungsgrad zu verringern.
  • Die besagte Brennstoffpumpe ist vorzugsweise in einem Zirkulationszweig angeordnet, der Anodengase von einem Ausgang der Brennstoffzelle zu einem Eingang der Brennstoffzelle rezirkulieren kann. Um von den Brennstoffzellen verbrauchtes Brennstoffgas zu ersetzen, ist es zusätzlich oder alternativ möglich, den Brennstoffgasdruck zu erhöhen, indem frisches Brennstoffgas von einem Tank oder Reformer in das Anodengebiet des Brennstoffzellensystems gefüllt wird.
  • In einem anderen Gesichtspunkt ist es bevorzugt, dass der während dem Leerlaufbetrieb erzeugte elektrische Strom unter 5 Ampere liegt, vorzugsweise 2 Ampere, und insbesondere in der Nähe von oder bei 0 Ampere liegt.
  • Es ist weiterhin bevorzugt, dass die Oxidationsmittelgaszufuhr zu einem Brennstoffzellenstapel, der eine oder mehrere der Brennstoffzellen umfasst, während des Leerlaufbetriebs abgeschaltet ist, während der Stapel an einem Zwischenkreis jeweils des Brennstoffzellensystems und des Fahrzeugs elektrisch angeschlossen bleibt. Das heißt insbesondere, dass die Hauptrelais des Stapels während des Leerlaufs geschlossen bleiben, obwohl die Oxidationsmittelgaszufuhr gestoppt ist.
  • Das Steuerverfahren umfasst wahlweise einen Schritt der Aktivierung und/oder Deaktivierung des Leerlaufbetriebs des Brennstoffzellensystems. Der Schritt der Aktivierung oder Deaktivierung wird jeweils bestimmt und/oder basiert auf einem oder mehreren Zustandsbedingungen des Brennstoffzellensystems. Die Zustandsbedingungen können Bedingungen umfassen, die den Betriebszustand des Brennstoffzellensystems betreffen und/oder die individuellen Brennstoffzellen betreffen und/oder Bedingungen von Benutzerwechselwirkungen, wie Start/Stopp-Anleitungen, die automatisch oder manuell erzeugt werden.
  • Eine mögliche Zustandsbedingung bezieht sich auf die Temperatur der Leistungsspeichervorrichtung. Eine weitere Erkenntnis der Erfindung ist, dass die Lebensdauer der Leistungsspeichervorrichtung erhöht werden kann, indem die Temperatur der Leistungsspeichervorrichtung in einem vorbestimmten und/oder Schutzbereich gehalten wird. Die Leistungsspeichervorrichtung wird in dem Leerlaufbetrieb des Brennstoffzellensystems und/oder in dem Bereitschaftsbetrieb der Brennstoffzelle benutzt, um wenigstens die Nebenlasten und/oder die Hauptlast anzutreiben, während die Brennstoffzelle keine Leistung erzeugt, was eine Erhöhung der internen Wärmeerzeugung der Leistungsspeichervorrich tung ergibt. Nach diesem Gesichtspunkt der Erfindung wird die interne Wärme oder die Temperatur der Leistungsspeichervorrichtung überwacht. Die Leistungsspeichervorrichtung kann durch geeignete Mittel oder Maßnahmen geschützt werden, in dem Fall, dass die Temperatur außerhalb des vorbestimmten und/oder Schutzbereichs liegt. In einer Ausführungsform der Erfindung wird der Leerlaufbetrieb und/oder der Bereitschaftsbetrieb nur in dem Fall gestattet, wenn die Leistungsspeichervorrichtung bei einer vorbestimmten Temperatur und Temperaturbereich arbeitet, um die Leistungsspeichervorrichtungslebensdauerdegradierung zu verhindern. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Zustandsbedingung so eingestellt, dass der Leerlaufbetrieb nur in dem Fall aktiviert wird, wenn die Speichervorrichtungstemperatur geringer als ein vorbestimmter unterer Wert ist. Der untere Wert wird vorzugsweise unter einer optimalen Temperatur der Leistungsspeichervorrichtung gewählt, wobei die optimale Temperatur als eine Temperatur definiert ist, die eine lange oder die längste Lebensdauer der Leistungsspeichervorrichtung liefert. Der Unterschied zwischen der optimalen Temperatur und dem unteren Wert ist eingestellt, um zu gestatten, dass die Leistungsspeichervorrichtung ihre Temperatur während des Leerlaufbetriebs und/oder des Bereitschaftsbetriebs erhöhen kann, aber immer noch innerhalb eines gestatteten Bereichs bleibt. In einem zusätzlichen oder alternativen Gesichtspunkt ist die Zustandsbedingung so eingestellt, dass der Leerlaufbetrieb in dem Fall deaktiviert ist, wenn die Speichervorrichtungstemperatur höher als ein vorbestimmter oberer Wert ist. Der obere Wert wird als Begrenzungswert gewählt, der vorzugsweise über dem optimalen Temperaturwert liegt und/oder unter einer kritischen Temperatur der Leistungsspeichervorrichtung liegt, was die Lebensdauer der Leistungsspeichervorrichtung verringert. In einer noch anderen bevorzugten Ausführung der Erfindung ist/sind der untere Wert und/oder der obere Wert und/oder der optimale Temperaturwert 43°C. Es wird aber auch bevorzugt, dass der Unterschied zwischen dem unteren Wert und dem oberen Wert höher als 5°C ist, vorzugsweise höher als 10°C, um einen ausreichenden Arbeitsbereich für die Leistungsspeichervorrichtung zu liefern.
  • In einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist es bevorzugt dass die weiteren Zustandsbedingungen zusätzlich oder alternativ eine, einen Satz von benutzerdefinierten, oder alle der folgenden Zustandsbedingungen umfassen, wobei der Leerlauf und/oder der Bereitschaftsbetrieb nur in dem Fall gestattet ist, wenn die weiteren Zustandsbedingungen erfüllt sind:
    • A: Das Fahrzeug und das Brennstoffzellensystem arbeitet jeweils NICHT in dem reinen Batteriebetrieb und/oder das Fahrzeug und das Brennstoffzellensystem arbeitet jeweils NICHT im Magerbetrieb (d. h., in dem die einzige benutzte Leistungsquelle der Brennstoffzellenstapel ist und die Leistungsspeichervorrichtung nicht zur Leistungszufuhr beiträgt).
    • B: Ein Brennstoffzellensystemversagen ist NICHT aktiv.
    • C: Der Ladungszustand (SOC) der Leistungsspeichervorrichtung ist höher als ein vorbestimmter Wert.
    • D: Die Leistung an einem Umrichter ist geringer als ein vorbestimmter Wert.
    • E: Der Antriebsstrangstrombedarf ist geringer als ein vorbestimmter Wert.
    • F: Die Kühlflüssigkeitstemperatur ist höher als ein vorbestimmter Wert, insbesondere höher als zum Beispiel 80°C, um Kaltstartprobleme zu verhindern.
    • G: Die Speichervorrichtungskalibrierung ist NICHT aktiv.
    • H: Die Zeit zwischen jeder Eingabe in einen Bereitschafts- und/oder Leerlaufbetrieb ist höher als ein vorbestimmter Bereich.
    • I: Die Geschwindigkeit des Luftverdichters ist geringer als ein vorbestimmter Wert.
    • J: Die Fahrzeuggeschwindigkeit ist geringer als ein vorbestimmter Wert.
  • Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Brennstoffzellensystem, das wenigstens eine Brennstoffzelle umfasst, vorzugsweise eine Vielzahl von Brennstoffzellen, die insbesondere in Brennstoffzellenstapeln organisiert sind, wobei jede Brennstoffzelle ein Anoden-, ein Kathodengebiet und eine Membran umfasst, vorzugsweise eine Protonaustauschmembran PEM, die das Anoden- und Kathodengebiet in jeder Brennstoffzelle trennt, ein Brennstofflieferungssystem, das betrieben werden kann, um die Anodengebiete mit Brennstoffgas zu beliefern und ein Oxidationsmittellieferungssystem, das betrieben werden kann, um das Kathodengebiet mit Oxidationsmittelgas zu beliefern
  • Es wird erfindungsgemäß bevorzugt, dass das Brennstoffzellensystem eine Steuereinheit umfasst, die das Brennstoffzellensystem nach dem Steuerverfahren steuern kann, wie in den vorhergehenden Ansprüchen und/oder der vorhergehenden Beschreibung offenbart ist.
  • Das Brennstoffzellensystem umfasst weiterhin einen DC/DC-Wandler, um die Brennstoffzelle elektrisch an eine Leistungsspeichervorrichtung zu kuppeln. Der DC/DC-Wandler kann betrieben werden, um die Spannung der Brennstoffzelle und die Spannung der Leistungsspeichervorrichtung anzupassen.
  • Das Brennstoffzellensystem umfasst weiterhin einen DC/AC-Umrichter als Alternative oder zusätzlich, um die elektrische Leistung von der Brennstoffzelle und/oder eine/die Leistungsspeichervorrichtung für die Verbraucherlast umzuwandeln.
  • Das Brennstoffzellensystem ist in einer bevorzugten Ausführung zur Benutzung in einem Fahrzeug angepasst oder ausgeführt, es liefert Leistung an das elektrische Fahrzeug. Die Brennstoffzellensysteme mit Leistungsspeichervorrichtungen werden auch hybridartige Systeme genannt.
  • Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden mittels der folgenden Beschreibung und den beigefügten Figuren von bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung deutlich werden. Die Figuren zeigen:
  • 1 ein schematisches Diagramm eines Brennstoffzellensystems nach der vorliegenden Erfindung;
  • 2 einschematisches Diagramm, das Einzelheiten der Nebenkomponenten nach der vorliegenden Erfindung zeigt;
  • 3 ein Flussdiagramm, das ein allgemeines Verfahren zur Gestattung der Bereitschaft und Durchführung des periodischen Betriebs;
  • 4 ein Flussdiagramm, das die Bedingungen zeigt, unter denen die Bereitschaft gestattet ist;
  • 5 ein Flussdiagramm, das die Bedingungen zeigt, unter denen die Konstellation der Bereitschaft ausgegeben wird.
  • 1 zeigt ein schematisches Diagramm einer Brennstoffzelle als eine Ausführungsform der Erfindung, umfassend einen Brennstoffzellenstapel 1, in der jede Zelle des Stapels eine Anode 1a und eine Kathode 1b enthält, eine Wasserstoffzufuhr 2, eine Luftzufuhr 3, und einen Kühlkreis 4. Das Brennstoffzellensystem kann elektrische Leistung für ein Fahrzeug liefern. Die Wasserstoffzufuhr 2 kann als ein Tank oder eine Reformereinheit ausgeführt sein. Der Kühlkreis 4 umfasst eine umlaufenden Kühlflüssigkeit, wobei die Temperatur der Kühlflüssigkeit von einer Messfühlereinheit 5 gemessen wird.
  • Fahrzeugstandskomponenten schließen einen DC/DC-Wandler 6 für eine als Nebenleistungsquelle benutzte Hochvoltbatterie 7, wobei beide von einem gemeinsamen Kühlsystem 8 gekühlt werden. Ein Umrichter 9 zum Umwandeln der elektrischen Leistung von der Brennstoffzelle 1 und/oder der Hochspannungsbatterie 7 in einen AC-Betrieb. Ein Antriebsmotor 10 für das Fahrzeug, Nebenkomponenten 11 und ein Fahrzeugsteuergerät 12 sind weiterhin Teile des Brennstoffzellensystems, wobei das Fahrzeugsteuergerät 12 betrieben wird, um die Nebenkomponenten 11 zu steuern.
  • Der Brennstoffzellenstapel 1 ist elektrisch an den DC/DC-Wandler 6 und den Umrichter 9 angeschlossen. Der DC/DC-Wandler 6 wandelt die Spannung der elektrischen Ausgabe des Brennstoffzellenstapels 1 um und beliefert die Hochspannungsbatterie 7. Der Brennstoffzellenstapel 1 gibt elektrischen Strom aus, der von dem Umrichter 9 in Wechselstrom umgewandelt wird, der dann an den Antriebsmotor 10 und die Nebenkomponentenmotoren 11 geliefert wird. Die Hochspannungsbatterie 7 ist eine Nebenleistungsquelle zum Liefern elektrischer Leistung an den Antriebsmotor und die Nebenkomponentenmotoren 11. Die Wasserstoffzufuhr 2 beliefert die Brennstoffzellenanode 1a mit Wasserstoff unter Hochdruck. Die Luftzufuhr 3 beliefert die Brennstoffzellenkathode 1b mit Hochdruckluft. Der Kühlkreis 4 zirkuliert Kühlmittel in dem Brennstoffzellenstapel 1, um die Temperatur in der Brennstoffzelle auf einen vorbestimmten Stand zu halten.
  • Die durchzogenen Linien L1 beziehen sich auf die Gas/Flüssigkeitsströmung. Die grob gestrichelten Linien L2 beziehen sich auf elektrischen Strom, insbesondere elektrischen Gleichstrom, und die fein gestrichelten Linien L3 stellen Signalströme dar.
  • 2 zeigt ein schematisches Diagramm der Nebenkomponentenmotoren 11 in 1. Der nicht von dem Brennstoffzellenstapel benutzte Abgaswasserstoff wird mit Benutzung eines von einem Motor 11b angetriebenen Gebläses 11 zur Brennstoffzellenanode 1a zurückgegeben. Der Kühlkreis hat eine von einem Motor 11d angetriebene Kühlpumpe 11c. Die Luftzufuhr hat einen von einem Motor 11f angetriebenen Verdichter 11e. Der Umrichter 9 wandelt Gleichstrom in Wechselstrom für die Nebenbauteilemotoren 11 von der Brennstoffzelle 1 um und/oder die Hochspannungsbatterie 7 durch den DC/DC-Wandler 6. Die zusätzlichen Punkt- und Strichlinien 14 stellen den Fluss des elektrischen Wechselstroms dar.
  • Die Stopp-Phase oder der Bereitschaftsbetrieb ist aktiviert, wenn mehrere in dem Flussdiagramm von 3 gezeigte UND-Bedingungen erfüllt sind, Schritt A1. Wenn nicht alle UND-Bedingungen erfüllt sind, dann wird der Eintritt in die Bereitschaft wie in Schritt A2 dargestellt unterbunden. Wenn alle UND-Bedingungen erfüllt sind, dann schaltet das Steuergerät 12 in den Stoppbetrieb und der Verdichtermotor wird abgeschaltet, d. h. die Geschwindigkeit wird wie in Schritt A3 dargestellt auf 0 U/min eingestellt. In Schritt A4 hält der DC/DC-Wandler 6 die Brennstoffzellenstapelspannung innerhalb eines vorbestimmten Bereichs. Das untere Ende des vorbestimmten Bereichs ist als Grenze eingestellt, die von den Nebenaggregaten des Fahrzeugs gefordert ist. Der DC/DC-Wandler 6 wird auch während des Stopp-Betriebs der Bereitschaft benutzt, um die Spannung zwischen dem Brennstoffzellenstapel 1 und der Hochspannungsbatterie 7 einzustellen, so dass der Stapelstrom auf Null Ampere oder nahe bei Null Ampere bleibt.
  • Wie in 3 ersichtlich ist, wird bestimmt, ob es an der Zeit ist, in den periodischen Betrieb einzutreten, wobei der Verdichtermotor Hf eingeschaltet ist, d. h. die Geschwindigkeit hochgelaufen ist, aber auf einem geringen Stand für eine wie in Schritt A6 gezeigte vorbestimmte Dauer. Der Wasserstoffgebläsemotor 11b bleibt während dem gesamten Bereitschaftsbetrieb an, aber mit einer geringen Geschwindigkeit. Die Hochspannungsbatterie beliefert die Nebenaggregate 11 wie den Verdichtermotor 11f und den Wasserstoffgebläsemotor Hb mit Strom während des Bereitschaftsbetriebs. Es wird bestimmt, ob es an der Zeit ist, dass die Bereitschaft wie in Schritt A7 gezeigt aufgehoben wird.
  • 4 ist ein Flussdiagramm, das die genauen UND Bedingungen zeigt, von denen alle erfüllt sein müssen, bevor das Fahrzeug in den Bereitschaftsbetrieb (Schritt B11) eintritt. Wenn irgendwelche der Bedingungen nicht erfüllt sind, dann wird der Eintritt in die Bereit schaft unterbunden (Schritt B12). Wie aus Schritt B1 ersichtlich ist, muss bestimmt werden ob die Fahrzeuge NICHT in dem reinen Batteriebetrieb arbeiten, wenn das Fahrzeug NICHT im Magerbetrieb arbeitet (d. h., in dem die einzige benutzte Leistungsquelle der Brennstoffzellenstapel ist und die Batterie nicht zur Leistungszufuhr beiträgt) oder ob ein Brennstoffzellenversagen NICHT aufgetreten ist. In Schritt B2 muss bestimmt werden, ob der Ladungszustand (SOC) der Batterie höher als der vorbestimmte Wert ist. In Schritt B3 muss bestimmt werden, ob die Leistung an dem Umrichter geringer als ein vorbestimmter Wert ist. In Schritt B4 muss bestimmt werden, ob der Antriebsstrangstrombedarf geringer als ein vorbestimmter Wert ist. In Schritt B5 muss bestimmt werden, ob die Hochspannungsbatterietemperatur geringer als ein vorbestimmter Wert ist. In Schritt B6 muss bestimmt werden, ob die Kühlflüssigkeitstemperatur höher als ein vorbestimmter Wert ist. In Schritt B7 muss bestimmt werden, ob die Hochspannungsbatteriekalibrierung NICHT aktiv ist. In Schritt B8 muss bestimmt werden, ob die Zeit zwischen jeden Eintritt in die Bereitschaft höher als der vorbestimmte Bereich ist. In Schritt B9 muss bestimmt werden, ob die Verdichtergeschwindigkeit geringer als ein vorbestimmter Wert ist. In Schritt B10 muss bestimmt werden, ob die Fahrzeuggeschwindigkeit geringer als ein vorbestimmter Wert ist.
  • 5 zeigt die Schritte, die notwendig sind, um die Bereitschaft aufzuheben. Da diese Schritte ODER Bedingungen darstellen, kann irgendeiner dieser Schritte den Ausgang von der Bereitschaft (Schritt C7) auslösen, andererseits bleibt das Fahrzeug in der Bereitschaft (Schritt C8). In Schritt C1 muss bestimmt werden, ob die Hochspannungsbatterie SOC geringer als ein vorbestimmter Wert ist. In Schritt C2 muss bestimmt werden, ob die Nebenlasten an dem Umrichter höher als ein vorbestimmter Bereich sind. In Schritt C3 muss bestimmt werden, ob der Antriebsstrangstrom höher als ein vorbestimmter Wert ist. In Schritt C4 muss bestimmt werden, ob die Hochspannungsbatterietemperatur höher als ein vorbestimmter Wert ist. In Schritt C5 muss bestimmt werden, ob die Systemlastverringerung auf einem vorbestimmten Stand ist. In Schritt C6 muss bestimmt werden, ob die Zündung ausgeschaltet ist.
  • Die Hochspannungsbatterie wird in der Bereitschaft benutzt, um Nebenaggregate anzutreiben, während der Brennstoffzellenstapel keine Leistung erzeugt, was eine Erhöhung der internen Batteriewärmeerzeugung ergibt. In einer möglichen Ausführungsform der Erfindung wird eine untere Grenze als eine Bedingung für den Eintritt in die Bereitschaft eingestellt, um eine erwartete Erhöhung während der Bereitschaft zu berücksichtigen. Ei ne Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist daher, Hochspannungsbatterielebensdauerdegradierung durch Aktivierung der Bereitschaft zu verhindern, wenn die Hochspannungsbatterietemperatur geringer als ein vorbestimmter Wert ist. Zusätzliche Anzeiger, die vor dem Eingang in die Bereitschaft ausgewertet wurden, schließen die folgenden ein: Batteriebetrieb, Brennstoffzellenstapelbetrieb, Brennstoffzellensystemversagenszustand, Batterie SOC, Leistung an dem Umrichter, Antriebsstrangstrombedarf, Kühlflüssigkeitstemperatur, Hochspannungsbatteriekalibrierungszustand, Zeit zwischen jedem Eintritt in die Bereitschaft, Verdichtergeschwindigkeit, und Fahrzeuggeschwindigkeit. Diese Anzeiger wurden in der Diskussion der 4 genauer beschrieben.
  • Eine obere Grenze wird wahlweise als eine Bedingung zum Austritt aus der Bereitschaft eingestellt, um einen Überhitzungszustand in der Hochspannungsbatterie zu verhindern. Eine andere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist daher, Hochspannungsbatterielebensdauerdegradierung durch Deaktivierung der Bereitschaft zu verhindern, wenn die Hochspannungsbatterietemperatur höher als ein vorbestimmter Wert ist. Zusätzliche Anzeiger, die vor dem Austritt aus der Bereitschaft ausgewertet wurden, schließen die folgenden ein: Batterie SOC, Leistung an dem Umrichter, Antriebsstrangstrombedarf, Systemlastzustand, und Zündungszustand. Diese Anzeiger werden in der Diskussion von 5 genauer beschrieben.
  • Um Schäden zu verringern und Neustarteigenschaften des Brennstoffzellensystems zu verbessern, wird der Wasserstoffdruck etwas über dem Luft- oder Oxidationsmitteldruck gehalten, um einen Übergang von Sauerstoff zur Anodenseite während des Bereitschafts-/Leerlaufbetriebskreislaufs zu verhindern, was einen Stapellebensdauerdegradierungszustand verhindert. Der Wasserstoffdruck wird wahlweise etwas über dem Luftdruck gehalten, so dass ein Neustart von der Bereitschaft nicht degradiert wird.
  • Zusammenfassung
  • Steuerverfahren zum Steuern eines Brennstoffzellensystems und ein Brennstoffzellensystem, wobei die Brennstoffzellen unter verbesserten Bedingungen betrieben werden. Ein Steuersystem zum Steuern eines Brennstoffzellensystems, das betrieben werden kann, um elektrische Leistung für eine Verbraucherlast zu liefern, wobei das Brennstoffzellensystem wenigstens eine Brennstoffzelle zum Erzeugen elektrischer Leistung umfasst, wobei die Brennstoffzelle mit einem Brennstoffgas und einem Oxidationsmittelgas als Reaktionsmittelgase zum Erzeugen elektrischer Leistung versehen ist, wobei das Brennstoffzellensystem zwischen wenigstens einem Leistungsbetrieb, in dem die Brennstoffzelle die elektrische Leistung erzeugt, und einem Leerlaufbetrieb geschaltet werden kann, in dem die Brennstoffzelle in einem Bereitschaftsbetrieb ist, wobei der Druck des Brennstoffgases in dem Leerlauf und/oder Bereitschaftsbetrieb höher als der Druck des Oxidationsmittelgases und/oder des Luftdrucks ist.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • - US 2007/0231637 A1 [0004]

Claims (11)

  1. Steuerverfahren zum Steuern eines Brennstoffzellensystems, das betrieben ist, um elektrische Leistung für eine Verbraucherlast (10, 11) zu liefern, wobei das Brennstoffzellensystem wenigstens eine Brennstoffzelle zum Erzeugen elektrischer Leistung umfasst, wobei die Brennstoffzelle (1) mit einem Brennstoffgas und einem Oxidationsmittelgas als Reaktionsmittelgase zum Erzeugen elektrischer Leistung versehen ist, wobei das Brennstoffzellensystem zwischen wenigstens einem Leistungsbetrieb, in dem die Brennstoffzelle (1) die elektrische Leistung erzeugt, und einem Leerlaufbetrieb geschaltet werden kann, in dem die Brennstoffzelle (1) in einem Bereitschaftsbetrieb ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck des Brennstoffgases in dem Leerlaufbetrieb und/oder dem Bereitschaftsbetrieb höher als der Druck des Oxidationsmittelgases und/oder des Luftdrucks ist.
  2. Steuerverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckunterschied zwischen dem Druck des Brennstoffgases und dem Druck des Oxidationsmittelgases und/oder dem Luft druck höher als 0,1 bar ist, vorzugsweise höher als 0,2 bar und/oder geringer als 0,4 bar ist, vorzugsweise geringer als 0,3 bar.
  3. Steuerverfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck des Brennstoffgases während des Leistungsbetriebs höher als während des Leerlaufbetriebs ist.
  4. Steuerverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoffzellensystem eine Brennstoffgaspumpe (11a, 11b) umfasst, wobei die Brennstoffgaspumpe (11a, 11b) in dem Leerlaufbetrieb mit einer geringeren Strömungsgeschwindigkeit als in dem Leistungsbetrieb arbeitet.
  5. Steuerverfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffgaspumpe (11a, 11b) in einem Rezirkulationszweig angeordnet ist, der Anodengase von einem Ausgang der Brennstoffzelle (1) zu einem Eingang der Brennstoffzelle rezirkuliert.
  6. Steuerverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass elektrischer Strom von der Brennstoffzelle während des Leerlaufbetriebs unter 5 Ampere ist, vorzugsweise 2 Ampere, und insbesondere 0 Ampere.
  7. Steuerverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oxidationsmittelgaszufuhr zu einem Brennstoffzellenstapel, der eine oder mehrere der Brennstoffzellen umfasst, während des Leerlaufbetriebs abgeschaltet ist, während der Stapel an einem Zwischenkreis des Brennstoffzellensystems elektrisch angeschlossen bleibt.
  8. Steuerverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerverfahren den Schritt der Aktivierung und der Deaktivierung des Leerlaufbetriebs umfasst, wobei der Schritt der Aktivierung und/oder der Deaktivierung des Leerlaufbetriebs von einer, mehreren oder einem willkürlichen Satz der folgenden Zustandsbedingungen des Brennstoffzel lensystems bestimmt wird: – die Temperatur der Leistungsspeichervorrichtung liegt innerhalb eines vorbestimmten Bereichs, – das Brennstoffzellensystem arbeitet NICHT in einem reinen Batteriebetrieb und/oder das Brennstoffzellensystem arbeitet NICHT im Magerbetrieb; – ein Brennstoffzellensystemversagen ist NICHT aktiv; – der Ladungszustand (SOC) der Leistungsspeichervorrichtung ist höher als ein vorbestimmter Wert; – die Leistung an einem Umrichter ist geringer als ein vorbestimmter Wert; – der Antriebsstrangstrombedarf ist geringer als ein vorbestimmter Wert; – die Kühlflüssigkeitstemperatur ist höher als ein vorbestimmter Wert; – die Speichervorrichtungskalibrierung ist NICHT aktiv; – die Zeit zwischen jeder Eingabe in einen Bereitschafts- und/oder Leerlaufbetrieb ist höher als ein vorbestimmter Bereich; – die Geschwindigkeit des Luftverdichters ist geringer als ein vorbestimmter Wert; – die Fahrzeuggeschwindigkeit ist geringer als ein vorbestimmter Wert.
  9. Brennstoffzellensystem mit wenigstens einer Brennstoffzelle (1), vorzugsweise einer Vielzahl von Brennstoffzellen, mit jeweils einem Anoden- (1a) und einem Kathodengebiet (1b) und einer Membran, wobei die Membran das Anoden- und das Kathodengebiet (1a, 1b) trennt, einem Brennstofflieferungssystem (2), das betrieben werden kann, um die Anodengebiete (1a) mit Brennstoffgas zu beliefern, ein Oxidationsmittellieferungssystem (3), das betrieben werden kann, um die Kathodengebiete (1b) mit Oxidationsmittelgas zu beliefern, und einer Steuereinheit (12), die betrieben werden kann, um das Brennstoffzellensystem nach dem Steuerverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche zu steuern.
  10. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 9, wobei das Brennstoffzellensystem weiterhin einen DC/DC-Wandler (6) umfasst, um die Brennstoffzelle an eine Leistungsspeichervorrichtung zu kuppeln, und/oder einen DC/AC-Umrichter (9) zum Umwandeln der elektrischen Leistung von der Brennstoffzelle und/oder eine/die Speichervorrichtung für die Verbraucherlast (10, 11).
  11. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 9 bis 10, gekennzeichnet, dass es zur Benutzung in einem Fahrzeug angepasst ist.
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