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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.
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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
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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
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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.
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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.
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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.
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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.
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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:
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1 ein
schematisches Diagramm eines Brennstoffzellensystems nach der vorliegenden
Erfindung;
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2 einschematisches
Diagramm, das Einzelheiten der Nebenkomponenten nach der vorliegenden
Erfindung zeigt;
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3 ein
Flussdiagramm, das ein allgemeines Verfahren zur Gestattung der
Bereitschaft und Durchführung des periodischen Betriebs;
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4 ein
Flussdiagramm, das die Bedingungen zeigt, unter denen die Bereitschaft
gestattet ist;
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5 ein
Flussdiagramm, das die Bedingungen zeigt, unter denen die Konstellation
der Bereitschaft ausgegeben wird.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Zusammenfassung
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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.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - US 2007/0231637
A1 [0004]