WO2021105205A1 - Brennstoffzellensystem, verfahren zum betreiben eines brennstoffzellensystems, fahrzeug, klimasystem - Google Patents

Brennstoffzellensystem, verfahren zum betreiben eines brennstoffzellensystems, fahrzeug, klimasystem Download PDF

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power
efficiency
cell system
energy
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Thomas Kottke
Horst WEIDELE
Christoph Hirschle
Philippe GORSE
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Mtu Friedrichshafen Gmbh
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Definitions

  • Fuel cell system method for operating a fuel cell system, vehicle, air conditioning system
  • the invention relates to a fuel cell system according to the preamble of claim 1.
  • the invention also relates to a method according to claim 17 and to a vehicle and an air conditioning system.
  • Fuel cells are well known. By means of a fuel cell - or in particular a plurality of fuel cells in the form of a fuel cell stack - electrical energy and / or heat can be generated from the chemical reaction energy of a fuel and an oxidizing agent. Fuel cells find numerous applications, in particular in vehicle drives or in heating systems.
  • EP 2 491 612 B1 describes a method for managing a state of charge of a battery in a hybrid power supply network with a fuel cell.
  • the method described aims in particular at keeping the state of charge of a battery at a predetermined level by means of a fuel cell.
  • the invention is based on a fuel cell system for providing a power output, comprising: a fuel cell for generating an amount of energy for the output and an energy store for storing the amount of energy, a control device which is designed in an operation to control the fuel cell, with a power specification for the fuel cell is specified for controlling the power output, the fuel cell being assigned an efficiency as a function of a fuel cell power.
  • the output specification takes place as a function of the state of charge of the energy store.
  • the fuel cell is assigned an efficiency as a function of a fuel cell output, in particular in the form of a relative nominal output of the fuel cell, in particular as an efficiency characteristic stored in the control device.
  • the invention is based on the consideration that it is fundamentally advantageous to provide an energy store in a fuel cell system for storing an amount of energy generated by the fuel cell.
  • this energy store can be designed to store the energy generated by the fuel cell and to make it selectively available to a consumer and / or thermal consumer, in particular an electrical consumer.
  • This means that energy generated by the fuel cell can be temporarily stored in the energy store and, if required, can be delivered to a consumer and / or thermal consumer.
  • the fuel cell system is preferably operated as a system in combination with the consumer and / or thermal consumer.
  • the energy store is arranged on the energy output side of the fuel cell for receiving energy to be output or output by the fuel cell, in particular electrical energy and / or waste heat.
  • the invention includes the knowledge that - if such an energy store is available - a temporal decoupling of the generation of energy from the consumption of energy is made possible. This flexibility in time allows the state and the efficiency of the fuel cell to be taken into account in the overall control of the fuel cell system.
  • the invention has recognized that, with regard to the efficiency of the fuel cell, it is advantageous to take into account the efficiency of the fuel cell, which depends on a fuel cell output, when determining a power specification for the fuel cell. This consideration is in the form that in an efficiency-improved operation, the output specification specifies a reduced fuel cell output. As a result of a reduced fuel cell output, the fuel cell is advantageously operated with an increased degree of efficiency.
  • the efficiency of a fuel cell and in particular of a fuel cell stack — namely has a profile over its fuel cell output which has its maximum at a low fuel cell output - in particular an amount of a tenth of the fuel cell output.
  • a fuel cell works most effectively with such a relatively low fuel cell output, that is to say generates a relatively high output with a relatively low fuel consumption.
  • the efficiency usually drops, which is why it is generally advantageous with regard to the efficiency to select an operating point by specifying a corresponding fuel cell power which is as close as possible to the efficiency-optimized operating point, i.e. the fuel cell -Power at which maximum efficiency is achieved.
  • the invention has recognized that it is advantageously possible in a fuel cell system with an energy store to operate the fuel cell with improved efficiency if the output specification is determined accordingly, taking into account the state of charge of the energy store, because in this way a possibly lower fuel cell power when providing the power output can be compensated for by an amount of energy stored in the energy store.
  • a fuel cell system uses the leeway created by an energy store to operate the fuel cell with a lower fuel cell output, but with a higher degree of efficiency; in other words, in an efficiency-improved operation.
  • Efficiency-optimized operation with maximum efficiency of the fuel cell corresponds to a special case of efficiency-improved operation.
  • An efficiency-improved operation is an operation of the fuel cell that - against the background of the required energy requirement and the current state of charge of the energy storage device - comes closest to the efficiency-optimized operation, i.e. represents the highest possible efficiency among these elm conditions.
  • the best possible efficiency of the fuel cell for a specific application can advantageously be achieved. This is particularly advantageous in the case in which the state of charge is no longer sufficient for an efficiency-optimal operation to achieve a target state, because the fuel cell output in the efficiency-optimal operation would be too low in this case.
  • the invention also leads to the solution of the problem to a method of claim 17.
  • the method for operating a fuel cell system has: a fuel cell for generating an amount of energy for the power output and an energy store for storing the amount of energy, a control device which is formed in one Operation for controlling the fuel cell, wherein the fuel cell is assigned an efficiency as a function of a fuel cell output, and the method comprises the step:
  • Specifying a power specification for the fuel cell for controlling the power output In the method according to the invention, provision is made for the output specification to take place as a function of the state of charge of the energy store for an efficiency-improved operation.
  • the invention also leads to the solution of the object in a vehicle with a fuel cell system according to the concept of the invention.
  • the invention also leads to an air conditioning system with a fuel cell system according to the concept of the invention and a thermal consumer.
  • the fuel cell system provides in particular a thermal power output for the thermal consumer for use in a heating and / or cooling application.
  • efficiency is to be understood in particular as the efficiency with which the input products of a fuel cell, in particular oxygen and hydrogen, are converted into energy. When the fuel cell system is used with an electrical consumer, the efficiency therefore relates to the electrical energy generated.
  • value specifications relating to the degree of efficiency, in particular as a characteristic curve, are provided as a function of the fuel cell output.
  • the output specification specifies a reduced fuel cell output, which corresponds to an increased efficiency
  • a fuel cell power that is reduced compared to the full (100%) relative nominal power (PREL) or current ( ⁇ 100% PREL) power is specified in such a way that the efficiency according to the value data is increased compared to the efficiency at nominal power or the current efficiency.
  • the reduction in the fuel cell output relates in particular to an output fuel cell output, in particular to a fuel cell output that is normal in operation according to the prior art, namely that which only results in order to - together with the output provided by the energy store - without Consideration of an efficiency - to provide a power output.
  • an adjustment amount for the reduced fuel cell output is dependent on the state of charge of the energy store.
  • an adjustment amount is advantageously introduced as a measure for the reduction in the fuel cell power by an amount that is covered by the state of charge of the energy store. If the energy store is relatively fully charged and thus has a high state of charge, a relatively large proportion can be taken from the energy store to provide the power output and the proportion provided by the fuel cell power of the fuel cell can be correspondingly lower, which creates a greater margin, reduce the fuel cell performance in favor of a higher degree of efficiency; in particular on the basis of a curve between the efficiency and fuel cell performance.
  • This leeway is defined by the adjustment amount - an illustrative, non-restrictive example of this is explained with reference to a preferred embodiment of FIG. 7, which shows the course of the degree of efficiency for this purpose.
  • the power specification for the efficiency-improved operation is determined when the charge state of the energy store is above a lower state of charge and / or below an upper state of charge.
  • the fuel cell system is only operated in an efficiency-improved mode if the state of charge of the energy store allows this in a technically meaningful manner. If the state of charge does not allow this, it is advantageous to react accordingly.
  • One reaction can be that if the charge state of the energy store falls below a lower charge state, the control device reacts accordingly and, for example, adjusts the power specification in such a way that the fuel cell power provides the entire power output without resorting to the energy store. In such a case, there is in particular no reduction in the non-fuel cell output in order to achieve an improved degree of efficiency.
  • a reaction can also be that, if the state of charge is above an upper state of charge, the fuel cell is operated at a reduced operating point, in particular partially or completely, by means of the power specification, in particular independently of the power requirement. Specifically, this can include that when it is determined by the control device that the energy store has reached an upper state of charge, the control device reduces the power of the fuel cell, in particular shuts down the fuel cell completely. This means that in the event that the state of charge is above the upper state of charge but still below a maximum state of charge - possibly harmful to the energy store - the operation of the fuel cell is reduced or completely throttled. “Completely throttled” in this case means that the fuel cell is switched off or the output power of the fuel cell is reduced to practically zero. In this way, damage to the energy store, in particular a battery, due to overcharging or overheating is advantageously prevented.
  • the control device can also switch the fuel cell to a regeneration mode, in particular in a third operating mode, in which the current power requirement is met and, moreover, the energy store is recharged.
  • the control device is designed in the company to accept a performance request.
  • a target value for a power output of the fuel cell system can be specified by means of a power request.
  • the concept of the invention can be used to advantage: If due to a high power requirement, for example because the driver of a vehicle with a fuel cell system of this development just wants to accelerate, a short-term one If there is a need for a high power output, this can as a rule be covered in the fuel cell system by an amount of energy stored in the energy store, in particular without the fuel cell having to leave the efficiency-improved operation.
  • Such a development also enables the energy store to be charged, in particular in a second operating mode, in periods in which there is no need for energy on the part of the consumer.
  • This charging can take place particularly advantageously in that the fuel cell is operated in the efficiency-improved mode.
  • This is particularly advantageous because in many systems supplied by fuel cells, especially vehicles, sometimes long periods of standstill or pause occur in which the energy storage device is charged by a fuel cell operated in efficiency-improved operation with reduced fuel cell power due to the availability of the fuel cell standing time is easily possible.
  • the fuel cell can also be continuously, i.e. H. operated independently of short-term and / or short-term power requirements, thus avoiding frequent switching on and off of the fuel cell.
  • H. operated independently of short-term and / or short-term power requirements
  • the fuel cell By operating the fuel cell - in particular continuously - in an efficiency-improved mode, frequent switching on and off, which is mainly caused by short-term and / or short-term power requirements, is advantageously avoided. Instead, the system can be operated for longer at an operating point at which an improved, in particular maximum, efficiency is achieved. In this way, the wear on the fuel cell and the fuel cell system can advantageously be reduced and, at the same time, the efficiency of the fuel cell can be increased.
  • the output specification for the efficiency-improved operation is dependent on a state of charge of the energy store takes place in such a way that the power output corresponds to the power requirement.
  • the control device in particular, is advantageously designed to provide a power requirement specified for the fuel cell system as a setpoint value in the sense of a control loop as a power output.
  • the operation which is improved for the efficiency is determined in such a way that the power requirement results from the power specification and the state of charge of the energy store.
  • the determination of the output specification for the efficiency-improved operation takes place in such a way that a target amount of energy required to achieve a target state results for a forecast period in the future from the output specification and the state of charge of the energy store.
  • the target amount of energy is a cumulative power requirement (KLA) that cumulatively takes into account the entirety of a forecast period in the future and thus represents the integral of the performance requirements forecast in the forecast period, i.e. the integral of the target values for the power output.
  • KLA cumulative power requirement
  • the target amount of energy thus represents an energy horizon that can be adapted by updating the prognosis, in particular in the case of changing operating, ambient or similar boundary conditions.
  • control device has a predictive observer for determining the amount of energy required up to a target state, in particular a target position.
  • the determination of the performance specification takes place in such a way that the target amount of energy is determined as a function of a forecast performance profile, in particular a forecast driving profile.
  • a predicted power profile is an estimate of the power output required by the consumer, in particular the required electrical or thermal power, over a future period of time. The more precise the temporal resolution of this estimate and the more data on consumption that is taken into account, in particular actual data, such as position data, status data and data on environmental influences, the better the quality of the prognosis and thus the estimate of the expected energy consumption in the form of the target amount of energy.
  • the performance specification is determined in such a way that the predicted performance profile is based on one or more actual data, in particular an actual position, and one or more target data, in particular one or more target positions or Target segment positions, is calculated.
  • an actual date can be, for example, an actual position determined by a GPS sensor or navigation device.
  • Target data can be target position data which arise from a target route.
  • the target state is formed here, for example, by a target position as the target at the end of the target route. From these actual data and target data, a route can be calculated from which the energy required to reach the target state can be estimated. It is also advantageously possible to divide the forecasted performance profile into several profile segments and to carry out a forecast for each segment.
  • the target route can be divided into several target route segments, each with a segment target state, and a segment target state in the form of a segment target position can be determined for each target route segment become.
  • profile data can be taken into account which, for example, take into account differences in consumption between different users, for example drivers of a vehicle, or different machine types, for example different vehicle types.
  • the consumer is an electric drive and the energy storage device is a battery.
  • the fuel cell system is used in a vehicle, and there the control device can operate the fuel cell according to the concept of the invention at an operating point that is optimized for efficiency.
  • the fuel cell can advantageously generate electrical drive energy with improved efficiency, which can be temporarily stored in an energy store designed as a battery and fed to an output connection for power output as required and provided to one or more electric drives of the vehicle.
  • other electrical consumers can also be supplied via the fuel cell system.
  • the fuel cell system is designed to provide a thermal power output. Specifically, this can mean that the fuel cell generates thermal energy in the form of heat, in particular in the form of waste heat when generating electrical energy.
  • the control device is designed to accept a further power requirement in the form of a thermal power requirement and to determine the specified performance as a function of the thermal performance requirement.
  • a further setpoint generator for example in the form of a thermostat, specifies a setpoint for a temperature that is to be achieved in a thermal consumer.
  • the control device is designed to specify a power specification for the fuel cell, by means of which a thermal power output is provided which corresponds to the thermal power requirement.
  • the control device in this development can be designed to treat one of the two assumed performance requirements, namely the first performance requirement and the second thermal performance requirement, depending on which form of energy - electrical or thermal - is primarily required.
  • the invention is further developed by an energy store designed as a heat store.
  • the heat can be temporarily stored in an energy store designed as a heat store, in particular as a hot water store, and can be provided to a consumer, in particular a heater, as required.
  • an energy store designed as a heat store the concept of the invention for thermal energy can advantageously be implemented in such a way that the fuel cell can be operated with maximum thermal efficiency and, if necessary, an amount of thermal energy stored in the heat store can be used to provide the thermal power output so that the fuel cell does not have to leave its operating point at maximum thermal efficiency.
  • control device is designed to specify the power specification preferably in a range between 5% and 15%, particularly preferably at 10%, of the fuel cell power.
  • the value of approx. 10% of the fuel cell output represents an approximation of the optimum efficiency of a typical fuel cell - that is, the fuel cell output at which there is maximum efficiency - and may vary for different fuel cell types.
  • the performance specification is determined as a function of the performance requirement.
  • a target amount of energy required to achieve a target state in particular an accumulated power requirement, is met for a forecast period in the future.
  • the target amount of energy is determined as a function of a predicted performance profile, in particular a predicted driving profile.
  • the forecast performance profile is calculated on the basis of one or more actual data, in particular an actual position, and one or more target data, in particular one or more target positions or segment target positions becomes.
  • FIG. 1 shows a preferred embodiment of a fuel cell system according to FIG. 1
  • FIG. 2 a preferred embodiment of a fuel cell system with a thermal consumer
  • FIG. 3 another embodiment of a fuel cell system with details of a thermal consumer
  • FIG. 4 shows a preferred embodiment of a method sequence for operating a
  • FIG. 5 shows a further preferred embodiment of a method sequence for operating a fuel cell system for determining a power specification for the fuel cell
  • FIG. 6 is a detailed view of a control device for a preferred one
  • FIG. 7 shows a preferred embodiment of an efficiency characteristic curve as a schematic profile of the efficiency of a fuel cell plotted against its relative nominal power
  • FIG. 8 is a schematic diagram of the time profile of the state of charge of a
  • FIG. 9 is a schematic view of a vehicle with a fuel cell system according to a preferred embodiment.
  • the embodiments shown in the drawing generally relate to a fuel cell system 1000 according to the concept of the invention for operation for at least one consumer 200 and / or a thermal consumer 240.
  • the fuel cell system 1000 has a fuel cell 100, here marked with BSZ, here in the form of a fuel cell stack 102 on.
  • the fuel cell system 1000 is preferably operated in combination with the consumer 200 and / or thermal consumer 240.
  • the energy store 300 as a rechargeable intermediate store, is arranged on the energy delivery side of the fuel cell to absorb energy, in particular electrical energy and / or waste heat, which is delivered or delivered by the fuel cell.
  • the fuel cell 100 via a supply line 104 and a delivery connection 140 can be selectively connected to a consumer 200 in a current-carrying manner, which here is an electrical consumer 201 in the form an electric drive 202 is formed.
  • the electric drive 202 is marked with D here.
  • Electrical energy E that was generated by means of the fuel cell 100 in particular an amount of electrical energy EE, can thus be fed to the consumer 200 in order to drive a vehicle 2000 in particular.
  • the fuel cell 100 is supplied with oxygen 02 and / or air AIR and hydrogen H2. During the reaction in the fuel cell 100, in particular water H20 and residual air AIRRES are produced.
  • the fuel cell 100 can also be selectively connected in a current-carrying manner via a storage line 106 to an energy storage device 300 embodied as a battery 302, here identified by ES.
  • the battery 302 can thus be charged - in particular independently of the operation of the electrical consumer 201 - by the electrical energy EE generated by the fuel cell 100.
  • the output connection 140 and a buffer line 108 can be selectively connected to the energy store 300 in a current-carrying manner.
  • An output power PO is provided for the consumer 200 at the output connection 140.
  • the output connection 140 and the buffer line 108 are designed to be bidirectional. In the present case, this means that both an amount of electrical energy EM stored in the battery 302 can be fed to the electrical consumer 201, and that electrical energy from the electrical consumer 201, in particular electrical energy obtained from an electrical drive 202 by means of recuperation, is converted into the battery 302 can be stored.
  • the fuel cell system 1000 also has a control device 400, here identified as an ECU.
  • the control device 400 has a control input 402, via which a power request LA can be transmitted from a setpoint generator 500 to the control device 400.
  • a power requirement LA can be generated, for example, when the fuel cell system 1000 is used in the vehicle 2000 as here, by the driver directly, for example via a setpoint generator 500 designed as an accelerator pedal 501, or in autonomous vehicles via a setpoint generator 500 designed as an automated speed controller 502
  • the power requirement LA is converted in the control device 400 into a control signal RS and provided via a control output 408 and at a control connection 208 for the consumer 200, in particular as a drive signal AS to the electric drive 202, in order to control its power.
  • the control connection 208 can be arranged on the output connection 140, as shown here, in particular in such a way that the consumer 200 is regulated via the power output PO; alternatively, the control connection 208 can also be arranged elsewhere, for example directly on the consumer 200. Furthermore, the control signal RS controls whether the power output via the supply line 104 is provided by a fuel cell power PB, or the buffer line 108 is provided by a storage power PS, or whether the power output is provided by a combination of both. The latter can be the case, for example, when the fuel cell 100 is operated in an efficiency-improved operation BPA.
  • the control device 400 furthermore comprises a measurement input 404, via which a state of charge LZ of the energy store 300, which characterizes the amount of energy EM currently stored in the energy store 300, can be transmitted to the control device 400.
  • the state of charge LZ can be detected, for example, via a measuring connection 306 of the energy store 300.
  • the control device 400 also has a control output 406, via which a power specification LV can be transmitted to a control input 110 of the fuel cell 100 for setting the fuel cell power PB, in particular in the form of an operating point BP.
  • the control device 400 is designed to determine a power specification LV for an efficiency-improved operation BPA as a function of the state of charge LZ, the power specification LV - using the amount of energy EM stored in the energy store 300 - a fuel cell power PB in the form of a reduced fuel cell Power PA corresponds at which the fuel cell 100 operates with the highest possible efficiency.
  • FIG. 2 shows a further embodiment of a fuel cell system 1000 ′ according to the concept of the invention.
  • This embodiment also has a thermal output connection 150 for supplying a thermal consumer 240.
  • the thermal consumer 240 can in particular have a heater 244 and / or a refrigeration machine 246, which are identified here accordingly with HZ / KM.
  • the fuel cell system 1000 ′ additionally has an energy store 300 embodied as a heat store 304, here marked WS.
  • the heat store 304 can in particular be designed as a hot water store.
  • the thermal consumer 240 can in particular be part of an air conditioning system 3000.
  • the fuel cell 100 which in the present case is designed as a fuel cell stack 102, provides the heat it produces as a thermal amount of energy ET via a thermal supply line 124 and the thermal output connection 150 in the form of a thermal fuel cell power PBT to the thermal consumer 240.
  • a thermal power output PT is provided at the thermal consumer 240.
  • the fuel cell 100 provides the heat storage unit 304 with the amount of thermal energy ET via a thermal storage line 126.
  • a stored amount of thermal storage energy EMT can be transferred from the heat store 304 via the thermal buffer line 128 to the thermal output connection 150 are provided as thermal storage power PST for the thermal consumer 240. Conversely, a stored amount of thermal storage energy EMT can be transferred back to the heat store 304 from the thermal consumer 240.
  • a corresponding medium suitable for heat transport for example water, can be used in all of the circuits 124, 126, 128.
  • a thermal charge state LZT of the heat accumulator 304 that is to say the amount of the thermal storage energy amount EMT stored in the heat accumulator 304, can be determined via a memory measurement connection 326. This can be done in particular by measuring or estimating the temperature and the amount of the water contained in the heat storage unit 304 (or the like medium which is suitable for heating and contained in the heat storage unit 304).
  • the control device 400 ′ can advantageously be designed to determine a power specification LV in such a way that a thermal fuel cell power PBT of the fuel cell 100 is determined in such a way while advantageously utilizing the state of charge LZ of the heat accumulator 304 is that the fuel cell 100 is operated with an improved thermal efficiency - this is analogous to the (electrical) efficiency of the control device 400 in the first embodiment.
  • the thermal power output PT for the thermal consumer 240 can be controlled by the control device 400 ‘via a consumer control connection 248.
  • the consumer control connection 248 is arranged on the thermal output connection 150.
  • the control device 400 ′′ determines on the basis of a second, thermal power requirement LAT, which in the case of heating can be formed, for example, by a thermostat 521 or an air conditioning system controller 522 or the like setpoint generator 500, and on the basis of the thermal state of charge LZT of the heat accumulator 304, a power specification LV for the fuel cell 100, which is transmitted to the fuel cell 100 via the control output 406 and further to the control input 110.
  • the thermal power requirement LAT is made available to the control device 400 ‘via a second control input 410.
  • the development shown here can advantageously combine an (electrical) power output PO and a thermal power output PT in the sense of a power-heat coupling.
  • a fuel cell generates energy both in the form of heat and in the form of electrical energy during operation
  • the inventive approach of an efficiency-improved operation both for an electrical efficiency and for a thermal one Efficiency can be achieved.
  • This can also be enabled in a switchable manner by the control device during operation, in particular by giving priority to either an electrical power requirement LA relating to consumer 200 or a thermal power requirement LAT relating to thermal consumer 240, depending on requirements.
  • FIG. 3 shows a further embodiment of a fuel cell system 1000 ′′.
  • a thermal consumer 240 is shown in detail as part of an air conditioning system 3000 ′ in a vehicle 2000 ′ not shown in detail.
  • the one shown in FIG Fuel cell system 1000 ′′ can in particular serve the primary purpose of providing a drive 202 for vehicle 2000.
  • the embodiment shown in FIG. 34 differs from the embodiment shown in FIG a cooling medium 134 is supplied in order to cool the fuel cell 100 in the sense of a cooling circuit.
  • the thermal supply line 124 ' is also designed bidirectionally in the sense of a circuit.
  • the vehicle cooler 130 is identified here with FK
  • the embodiment shown here also has a heat accumulator 304 in the sense of the embodiment shown in FIG. 2, the heat accumulator 304 being optional Shape of a Air conditioner 242 formed.
  • a consumer control connection 248 is arranged on the thermal output connection 150.
  • the pickup control connection 248 at another point, in particular as a further pickup control connection 248 ‘directly on the thermal pickup 240, for direct control of the thermal pickup 240. This is represented here by the dotted line between the control device 400 ′′ and the thermal consumer 240.
  • the thermal consumer 240 has a main heat exchanger 250, which is supplied with the cooling medium 134, which has been heated by the fuel cell 100, via a further thermal supply line 124A.
  • the thermal energy ET thus obtained can be passed on to a refrigeration machine 246 via a primary circuit 260.
  • the refrigeration machine 246 the thermal energy can now be used for various applications, in particular in the vehicle 2000 ‘.
  • the thermal energy ET can be conducted to a device heat exchanger 252 via a device circuit 262 by means of a suitable medium, the device heat exchanger 252 being able to be used in particular for heating applications.
  • the cooling medium 134 can be returned to the vehicle radiator 130 via a first cooling return line 138.
  • the Supply line 124 ' has a switch 136, by means of which the flow of the cooling medium 134 can be directed over three different switch positions PI, P2, P3.
  • the switch 136 is in the first switch position PI, the cooling medium 134 is conducted to the main heat exchanger 250 of the thermal consumer 240, as already described.
  • the switch 136 is in a second switch position P2
  • the cooling medium 134 is passed directly back into the vehicle radiator 130 via a second cooling return line 138.2 past the thermal consumer 240.
  • the switch 136 is in a third switch position P3, the cooling medium 134, past the thermal consumer 240 and the vehicle radiator 130, is directed back into the fuel cell 100 via a third cooling return line 138.3.
  • FIG. 4 A method for operating a fuel cell system, in particular for determining a power specification LV, is shown in FIG. 4 - partially with reference to the developments shown in the previous - shown schematically.
  • the charge state LZ of the energy store 300 is queried in a first step S1. This determination can be made by the control device 400, in particular via the measuring connection 306. A check then takes place in branch VI as to whether the state of charge LZ is greater than a lower state of charge LZL. If this is not the case, in a step S2 the power specification LV is adapted to the required power output PO, in particular the actual power requirement LA. In this case, the state of charge LZ of the energy store 300, i.e. the amount of energy EM stored in the energy store 300 - currently or in a specific, immediately following period - is not sufficient to provide the required power output PO, in particular to meet the current power requirement LA.
  • the process sequence leads from the first branch VI to a second branch V2.
  • the second branch V2 it is checked whether the interrogated state of charge LZ is less than an upper state of charge LZH. If this is not the case, in a third step S3 the power of the fuel cell 100 is reduced or the fuel cell 100 is completely switched off by the control device 400, in particular in order to avoid damage to the energy store 300 due to overload. In this case, the consumer is supplied - in particular completely - from the energy store 300.
  • step S4 the fuel cell 100 is operated in an efficiency-improved operation BPA, by means of a corresponding output specification LV by the control device 400.
  • the first branch VI and the second branch V2 therefore check two conditions to ensure that the state of charge LZ is in a range between a lower state of charge LZL and an upper state of charge LZH, since the fuel cell 100 is efficient in this area -Improved operation of BPA is possible.
  • a corresponding cycle time can be set for the repetition of the process sequence from the feedback point RF1, which represents an optimal compromise between reaction time and computing power for the application of the regulation.
  • FIG. 5 shows a process sequence according to a further preferred embodiment. This can be carried out in a programmed manner in the control device 400.
  • the state of charge LZ of the energy store 300 is first determined in a first step Sil.
  • a subsequent second step S12 - taking into account the determined state of charge LZ - the calculation of an amount of energy EZZ required up to a target state ZZ takes place.
  • a forecast performance profile PLP can be used to calculate the required amount of energy EZZ.
  • the predicted performance profile PLP can - in the event that the fuel cell system 1000 is used in a drive of a vehicle and the target state ZZ is a target position SP - take into account the distance to be covered up to the target position SP in the form of a target route SR. In this case, height differences to be overcome, the expected or maximum permissible speed and / or an expected remaining travel time TV including breaks can advantageously be taken into account in order to improve the calculation of the required amount of energy EZZ.
  • the predicted performance profile can also contain a plan with an energy requirement in a prediction period. This energy requirement can be estimated on the basis of empirical values, for example, or it can be calculated using models and in this case forms the required amount of energy EZZ.
  • a subsequent branch VI 1 it is checked whether the state of charge LZ of the energy store 300, that is to say the amount of energy EM stored in the energy store 300, is less than the amount of energy EZZ required to reach the target state ZZ. If this is not the case, in a third step S13 the fuel cell 100 is operated with a fuel cell output PB which, in particular, does not correspond to the improved efficiency operation BPA by means of a corresponding output specification LV.
  • the fuel cell power PB is selected such that the power specification LV is sufficient to generate the required amount of energy EZZ in the remaining travel time TV to be expected.
  • the fuel cell output PB can be set in such a way that the actual output requirement LA is met.
  • the fuel cell power PB can also assume a higher value in a regeneration mode BPR, at which the fuel cell also produces enough power to recharge the energy store 300.
  • the fuel cell power PB can be above an efficiency-optimal fuel cell power PBO and below the actual power requirement LA, in which case the instantaneous power requirement LA is partially met from the energy store 300 and partially from the fuel cell 100. This is achieved particularly advantageously in the efficiency-improved operation BPA, which can be adapted to the achievement of a specific target state ZZ, in particular to the amount of energy EZZ to be expected for a specific journey F, as shown in FIG. 8 explained.
  • the energy store 300 is emptied similarly to when the fuel cell 100 is operated with the fuel cell power PBO which is optimal in terms of efficiency, but - due to the higher power of the fuel cell - at a slower rate, so that the amount of energy EM stored in the battery 300 can still be reached of the target state ZZ is sufficient.
  • the operation of the fuel cell 100 takes place in a step S14 according to the in FIG. 5 process sequence shown. If the state of charge LZ is greater than the lower state of charge LZL, the operation of the fuel cell 100 takes place particularly advantageously in an efficiency-improved operation BPA, by means of a corresponding output specification LV of the control device 400.
  • a performance comparison is carried out.
  • the amount of energy EZZ determined in step S12 is divided by the remaining travel time TV to be expected in order to determine a power that has to be provided on average by the fuel cell system as output power.
  • an adjustment amount PAN can be determined on this basis, by which the fuel cell output PB can be reduced in order to achieve an improved degree of efficiency, while the average output to be provided is provided.
  • FIG. 6 shows an embodiment of a control device 400 in detail.
  • the control device 400 comprises a predictive observer 420, which is designed to calculate a required amount of energy EZZ on the basis of a predicted performance profile PLP.
  • the predicted performance profile PLP can, in particular, in the event that the fuel cell system 1000 is used in a vehicle, be designed as a predicted driving profile PFP.
  • the predicted performance profile PLP can vary depending on the area of application of the fuel cell system. It is thus possible for the fuel cell system to be used in other areas, for example to generate electricity or in an air conditioner.
  • the predicted performance profile PLP is generated by a profile generator 422, which based on target data SD, for example a target route SR generated by a navigation device 450 including route and height profiles, from further profile data PD, such as For example, user profiles PN, vehicle profiles PF, machine profiles PM and the like profile data, as well as actual data ID provided by a measuring unit 440, such as an actual position IP, weather data WD and environmental data UD calculates the predicted performance profile PLP.
  • the actual data provided by the measuring unit 440 do not necessarily have to be determined via a sensor, but can also be used, for example, via a service, e.g. a web service for weather data.
  • the profile generator 422 calculates the probable drive power with which a target position SP of a target route SR can be achieved, taking into account all relevant circumstances.
  • the target route SR can also be divided into individual target route segments SRS, and the calculation can be carried out for each individual target route segment SRS with a respective segment target position SSP.
  • the determination of the predicted performance profile PLP is therefore particularly suitable for applications in which the expected operation and the associated operating conditions are predictable, in particular have a repetitive pattern. This is particularly the case when the fuel cell system 1000 with the consumer 200 designed as a drive 202 is used in a vehicle operating in the planned mode, such as a train, a mine truck, or a liner.
  • Specific target data and specific actual data can also be provided from a single device, for example the navigation device.
  • the total amount of energy EZZ that is required to meet the predicted performance profile PLP is then calculated in an energy determination unit 424.
  • the calculation of the amount of energy EZZ if one considers the predicted power profile PLP as a curve of the required power plotted over time, can be formed by integrating this curve over the entire period.
  • a power specification LV for the fuel cell 100 is calculated in a specification unit 426 and transmitted to the fuel cell 100 via the control input 110 so that the fuel cell 100 can have a fuel cell power PB, corresponding to the requirements.
  • a power characteristic curve KL with the course of the efficiency WG of a fuel cell 100, as shown in FIG. 7, can be used for this purpose is shown - ie the course of the efficiency WG is plotted against the fuel cell output BP, in the present case as a relative nominal output PREL on the x-axis in percent.
  • control device 400 has a control signal generator 428, which converts the power request LA transmitted via the control input 402 into a control signal RS, in particular a drive signal AS, and transmits this via the control output 408 and further to the control connection 208 of the consumer 200.
  • a control signal generator 428 which converts the power request LA transmitted via the control input 402 into a control signal RS, in particular a drive signal AS, and transmits this via the control output 408 and further to the control connection 208 of the consumer 200.
  • FIG. 7 shows a schematic representation of the efficiency characteristic KL with the profile of the efficiency WG of a fuel cell 100, plotted over the fuel cell power BP, in the present case as a relative nominal power PREL on the x-axis in percent. It can be seen that the efficiency WG already has its maximum at approx. 10% of the relative nominal power PREL - as the optimum efficiency WGO at a value of approx. 0.65. This is where the efficiency-optimal fuel cell power PBO for an efficiency-optimal operation BPO lies; this efficiency-optimized fuel cell power PBO is comparatively low at approx. 10% of the relative nominal power PREL
  • the efficiency WG decreases; at 100% of the relative nominal power PREL, on the other hand, the value of the efficiency WG is only approx. 0.4. 100% of the relative nominal power PREL is referred to here as the output fuel cell power PK for a power-nominal fuel cell power PBK with a power-nominal operation BPK. however, their efficiency decreases; i.e. the value of the efficiency WG decreases.
  • a fuel cell power PA that is reduced compared to 100% of the relative nominal power PREL, ie compared to the full value of the relative nominal power PREL, for an efficiency-improved operation BPA at 60% of the relative nominal power PREL for a power specification LV is exemplary drawn.
  • the fuel cell power PA reduced compared to the full (100%) relative nominal power PREL is therefore an adjustment amount PAN of 40% from an initial fuel cell power PK - here corresponding to 100% of the relative Nominal power PREL - reduced in order to achieve an improved efficiency according to the concept of the invention.
  • the reduced fuel cell power PA for a power specification LV could be correspondingly lower compared to the full (100%) relative nominal power PREL, in particular again lower than the current power ( ⁇ 100% PREL), in favor of a higher degree of efficiency or even higher degree of efficiency WG, since in this case a larger or even larger proportion could be taken from the energy store to provide the power output.
  • the adjustment amount PAN would in particular be even higher compared to the mentioned adjustment amount of 40% for a performance specification LV at 60% of the relative nominal performance PREL. In short, this means that for an efficiency-improved BPA operation, the performance specification LV occurs in such a way that, if possible, -th.
  • the efficiency (WG) is increased compared to the efficiency at nominal power PREL or the current efficiency.
  • the output specification LV specifies a reduced fuel cell output PA, depending on the state of charge LZ of the energy store 300, as far as possible, to which an increased efficiency WG corresponds according to the value data for the efficiency WG, in particular as a characteristic curve KL, as a function the fuel cell power PB.
  • the power specification LV in particular specifies a fuel cell power PA reduced compared to the full (100%) relative nominal power PREL or current power in such a way that the efficiency WG is increased in accordance with the values given compared to the efficiency at Nominal power PREL or the current efficiency.
  • FIG. 8 shows a schematic profile of a state of charge LZ over various time intervals TI and operating phases.
  • reference is made, by way of example, to an application of a fuel cell system 1000 according to the concept of the invention in a vehicle not shown in detail.
  • the consumer 200 is therefore designed as an electric drive 202.
  • a first time interval TI1 the vehicle is initially in a state of rest P, and the state of charge LZ is equal to the upper state of charge LZH; the fuel cell system 1000 is therefore in an idle operating mode BM0, in which the fuel cell 100 in BPN does not generate any energy in idle mode.
  • the state of charge LZ therefore has a constant profile in the first time interval TI1.
  • the vehicle travels a first journey F1 in a second time interval TI2, with the fuel cell 100 being operated in an efficiency-optimized operation BPO in a first operating mode BMI. Since the power required to drive the vehicle is greater than the power generated by the fuel cell 100, the state of charge LZ decreases continuously in this second time interval TI2 up to the target state ZZ1 of the journey F1 in the form of the target position SP1.
  • the course of the state of charge LZ is shown in FIG. 8 is shown in a highly simplified linear manner. The slope of the profile of the state of charge LZ thus represents the power balance of the fuel cell 100 and of the consumer 200.
  • the vehicle is again in an idle state P after the first trip Fl.
  • the fuel cell 100 continues to be operated in the efficiency-optimized operation BPO until the energy store 300 returns to its upper level Charge level has reached LZH.
  • the fuel cell system 1000 is operated again in the idle operating mode BM0 in a fourth time interval TI4, in which the
  • Fuel cell 100 does not generate any electrical energy in an idle mode BPN, and the energy store therefore does not reach a maximum state of charge LZMAX, which may be harmful to the energy store. Consequently, the state of charge LZ has a constant profile again in the fourth time interval T4.
  • a second drive F2 of the vehicle begins in a fifth time interval TI5, which, due to driving and route conditions, such as height differences, average driving speed, headwind and the like, requires a higher drive power than during the first drive F1 in the second time interval TI2, and thus the fuel cell system 1000 must provide a higher power output PO.
  • this is shown in a simplified manner by a steeply falling linear course of the state of charge LZ.
  • the fuel cell system 1000 is nevertheless operated in the first operating mode BMI, in which the fuel cell 100 is in the efficiency-optimal operation BPO.
  • the state of charge LZ of the energy store 300 is already at its lower state of charge LZL before the end of the second trip F2, namely at the end of the fifth time interval TI5. So that the energy store 300 is not emptied further and in particular does not reach a minimum charge state LZMIN - possibly harmful to the energy store - the control device 400 switches the fuel cell 100 into a regeneration mode BPR for a regeneration during a sixth period TI6 in a third operating mode BM3. Switched fuel cell power PBR, in which the fuel cell 100 produces more power than is required to drive the vehicle, so that the energy store 300 can be charged while driving F2 in addition to driving the vehicle.
  • Switched fuel cell power PBR in which the fuel cell 100 produces more power than is required to drive the vehicle, so that the energy store 300 can be charged while driving F2 in addition to driving the vehicle.
  • the regeneration fuel cell power PBR is thus above the efficiency-optimized fuel cell power PBO.
  • the efficiency of the fuel cell 100 is therefore not as high as in the case of the efficiency-optimal fuel cell power PBO, but the absolute electrical output power of the fuel cell 100 is higher.
  • the energy store 300 is charged again up to the upper state of charge LZH.
  • the second trip F2 is also ended at this point in time when the target state ZZ2 is reached in the form of the target position SP2.
  • a seventh time interval TI7 three different possible operating modes BM of the fuel cell system 1000 are shown comparatively in a respectively different operation BP of the fuel cell 100.
  • the basis is a comparison trip F2 ‘, which is subject to the same trip and route conditions as the second trip F2.
  • an amount of energy EZZ is required for an expected remaining travel time TV.
  • the amount of energy EZZ corresponds for each of the three operating modes BM to the area under the respective curve of the state of charge LZ in the sense of an integral.
  • the comparison drive F2 ‘were operated in the idle operating mode BM0, in which the fuel cell 100 is in its idle mode BPN the state of charge LZ would already reach the lower state of charge LZL at a point in time T7.1.
  • the fuel cell system 1000 would therefore have to switch to the third operating mode BM3, for example, as in the sixth time interval TI6, in which the fuel cell 100 is operated in the regeneration mode BPR, so that the vehicle can continue to travel.
  • the required amount of energy EZZ is still too large to reach the Comparison drive F2 'can be accomplished completely with the capacity of the energy store 300.
  • the state of charge LZ of the battery 300 already reaches the lower state of charge LZL at a point in time T7.2 before the end of the comparison drive F2 '.
  • the operating mode BM would have to be changed accordingly.
  • FIG. 9 An improved approach, as also shown in FIG. 5 is described here in FIG. 9 shown in a fourth operating mode BM4.
  • a predicted performance profile PLP is created at the beginning of the comparison trip F2 ‘based on the knowledge of the upcoming trip (in particular based on data from a navigation device of the vehicle), which takes into account all relevant, expected trip and route conditions.
  • the required amount of energy EZZ can be estimated in advance, optionally taking into account a certain additional amount of energy EZZS as a safety buffer.
  • the control device 400 can now implement a reduced fuel cell power PA for an efficiency-improved operation BPA of the fuel cell 100 can be determined, in which the capacity of the energy store 300 embodied here as a battery 302 - in particular taking into account the current state of charge LZ - is sufficiently accurate. Even if the fuel cell 100 is not operated at its optimum efficiency with this reduced fuel cell power PA, the reduced fuel cell power PA however - under these specific conditions - on the characteristic curve KL is closest to the efficiency-optimal fuel cell power PBO Fuel cell power PB.
  • the fuel cell system 1000 can thus advantageously be operated in the greatest possible efficiency of the fuel cell 100 - for an individual application, here the comparison drive F2.
  • FIG. 9 shows a vehicle 2000 with a fuel cell system 1000 according to the concept of the invention.
  • the vehicle has four wheels 1010, two of which are visible here.
  • each wheel is supplied by a consumer 200 in the form of an electric drive 202 driven.
  • the setpoint generator 500 is embodied in the present case as an accelerator pedal 501, via which a power request LA is passed to the control device 400. This generates a power specification LV for the fuel cell 100.
  • the fuel cell 100 is then operated in a corresponding operation BP in order to generate electrical energy for the drives 202 and the energy storage device 300 designed as a battery 300.
  • thermo supply line 124A further thermal supply line 126 thermal storage line 128 thermal buffer line 130 vehicle radiator 132 cooling line 134 cooling medium 136 switch 138 cooling return line

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem (1000, 1000', 1000'') zum Bereitstellen einer Leistungsabgabe (PO), aufweisend: - eine Brennstoffzelle (100) zum Erzeugen einer Energiemenge (E, EE, EM, ET) für die Leistungsabgabe (PO) und - einen Energiespeicher (300) zum Speichern der Energiemenge (E, EE, ET), - eine Steuereinrichtung (400, 400', 400''), die ausgebildet ist in einem Betrieb zum Steuern der Brennstoffzelle (100), wobei eine Leistungsvorgabe (LV) für die Brennstoffzelle (100) zum Steuern der Leistungsabgabe (PO) vorgegeben wird, wobei - der Brennstoffzelle (100) ein Wirkungsgrad (WG) in Abhängigkeit einer Brennstoffzellen-Leistung (PB) zugeordnet ist. Erfindungsgemäß ist bei dem Brennstoffzellensystem vorgesehen, dass - für einen wirkungsgrad-verbesserten Betrieb die Leistungsvorgabe (LV) abhängig vom Ladezustand (LZ) des Energiespeichers (300) erfolgt.

Description

BESCHREIBUNG
Brennstoffzellensystem, Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, Fahrzeug, Klimasystem
Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren gemäß dem Anspruch 17 sowie ein Fahrzeug und ein Klimasystem.
Brennstoffzellen sind allgemein bekannt. Mittels einer Brennstoffzelle - oder insbesondere mehrerer Brennstoffzellen in Form eines Brennstoffzellenstapels - kann aus der chemischen Reaktionsenergie eines Brennstoffes und eines Oxidationsmittels elektrische Energie und/oder Wärme erzeugt werden. Brennstoffzellen finden zahlreiche Anwendungen, insbesondere in Fahrzeugantrieben oder in Heizungen.
EP 2 491 612 Bl beschreibt ein Verfahren zum Verwalten eines Ladezustands einer Batterie in einem hybriden Stromversorgungsnetz mit einer Brennstoffzelle. Das beschriebene Verfahren zielt insbesondere darauf ab, den Ladezustand einer Batterie mittels einer Brennstoffzelle auf einem vorgegebenen Niveau zu halten.
Problematisch bei einem derartigen Ansatz ist jedoch, dass zwar ein für die Batterie optimaler Zustand erreicht wird, jedoch der Zustand und die Effizienz der Brennstoffzelle oder des Brennstoffzellenstapels nicht berücksichtigt wird.
An dieser Stelle setzt die Erfindung an, deren Aufgabe es ist, die Effizienz eines Brennstoffzellensystems zu erhöhen und den Zustand der Brennstoffzelle zu schonen, insbesondere deren Verschleiß zu vermindern. Die Aufgabe wird durch die Erfindung mit einem Brennstoffzellensystem des Anspruchs 1 gelöst. Die Erfindung geht aus von einem Brennstoffzellensystem, zum Bereitstellen einer Leistungsabgabe, aufweisend: eine Brennstoffzelle zum Erzeugen einer Energiemenge für die Leistungsabgabe und einen Energiespeicher zum Speichern der Energiemenge, eine Steuereinrichtung, die ausgebildet ist in einem Betrieb zum Steuern der Brennstoffzelle, wobei eine Leistungsvorgabe für die Brennstoffzelle zum Steuern der Leistungsabgabe vorgegeben wird, wobei der Brennstoffzelle ein Wirkungsgrad in Abhängigkeit einer Brennstoffzellen-Leistung zugeordnet ist.
Erfindungsgemäß ist bei dem Brennstoffzellensystem vorgesehen, dass für einen wirkungsgrad-verbesserten Betrieb die Leistungsvorgabe abhängig vom Ladezustand des Energiespeichers erfolgt.
Der Brennstoffzelle ist ein Wirkungsgrad in Abhängigkeit einer Brennstoffzellen-Leistung zugeordnet, insbesondere in Form einer relativen Nominalleistung der Brennstoffzelle, insbesondere als eine in der Steuereinrichtung hinterlegte Wirkungsgradkennlinie.
Die Erfindung geht von der Überlegung aus, dass es grundsätzlich vorteilhaft ist, in einem Brennstoffzellensystem einen Energiespeicher zum Speichern einer von der Brennstoffzelle erzeugten Energiemenge vorzusehen. Insbesondere kann dieser Energiespeicher ausgebildet sein, die von der Brennstoffzelle erzeugte Energie zu speichern und einem Verbraucher und/oder thermischen Abnehmer, insbesondere einem elektrischen Verbraucher, selektiv zur Verfügung zu stellen. Das heißt, dass von der Brennstoffzelle erzeugte Energie in dem Energiespeicher zwischengespeichert werden kann, und bei Bedarf an einen Verbraucher und/oder thermischen Abnehmer abgegeben werden kann. Bevorzugt wird das Brennstoffzellensystem als System in Kombination mit dem Verbraucher und/oder thermischen Abnehmer betrieben. Der Energiespeicher ist insofern energieabgabeseitig der Brennstoffzelle zur Aufnahme von von der Brennstoffzelle abzugebender bzw. abgegebener Energie, insbesondere elektrischer Energie und/oder Abwärme, angeordnet. Die Erfindung schließt die Erkenntnis ein, dass - sofern ein solcher Energiespeicher vorhanden ist - eine zeitliche Entkopplung der Erzeugung von Energie von dem Verbrauch von Energie ermöglicht wird. Durch diese zeitliche Flexibilität kann vorteilhaft der Zustand und die Effizienz der Brennstoffzelle bei der Gesamtsteuerung des Brennstoffzellensystems berücksichtigt werden.
Die Erfindung hat erkannt, dass es hinsichtlich der Effizienz der Brennstoffzelle vorteilhaft ist, beim Bestimmen einer Leistungsvorgabe für die Brennstoffzelle den Wirkungsgrad der Brennstoffzelle zu berücksichtigen, der von einer Brennstoffzellen-Leistung abhängt. Diese Berücksichtigung ist in der Form, dass in einem wirkungsgrad-verbesserten Betrieb die Leistungsvorgabe eine herabgesetzte Brennstoffzellen-Leistung vorgibt. Durch eine herabgesetzte Brennstoffzellen-Leistung wird die Brennstoffzelle vorteilhaft in einem erhöhten Wirkungsgrad betrieben.
Der Wirkungsgrad einer Brennstoffzelle —und insbesondere eines Brennstoffzellenstapels— weist nämlich einen Verlauf über ihre Brennstoffzellen-Leistung auf, der bei einer geringen Brennstoffzellen-Leistung - insbesondere einem Betrag von einem Zehntel der Brennstoffzellen- Leistung - sein Maximum aufweist. Das heißt, dass eine Brennstoffzelle bei einer derartigen, relativ geringen Brennstoffzellen-Leistung am effektivsten arbeitet, also mit einem relativ geringen Brennstoffeinsatz eine relativ hohe Leistung erzeugt. Für höhere Werte der Brennstoffzellen-Leistung fällt der Wirkungsgrad in der Regel ab, weshalb es hinsichtlich des Wirkungsgrades generell vorteilhaft ist, durch Vorgabe einer entsprechenden Brennstoffzellen- Leistung einen Betriebspunkt zu wählen, welcher möglichst nah an dem wirkungsgradoptimierten Betriebspunkt liegt, das heißt an der Brennstoffzellen-Leistung, an der ein maximaler Wirkungsgrad erreicht wird.
Die Erfindung hat in diesem Zusammenhang erkannt, dass es in einem Brennstoffzellensystems mit einem Energiespeicher vorteilhaft möglich ist, die Brennstoffzelle im wirkungsgrad verbesserten Betrieb zu betreiben, wenn man die Leistungsvorgabe entsprechend bestimmt und zwar dies unter Berücksichtigung des Ladezustands des Energiespeichers, weil auf diese Weise eine gegebenenfalls geringere Brennstoffzellen-Leistung beim Bereitstellen der Leistungsabgabe durch eine im Energiespeicher gespeicherte Energiemenge kompensiert werden kann. Ein derartiges Brennstoffzellensystem nutzt den durch einen Energiespeicher geschaffenen Spielraum, um die Brennstoffzelle bei einer geringeren Brennstoffzellen-Leistung, jedoch einem höheren Wirkungsgrad zu betreiben; also in einem wirkungsgrad-verbesserten Betrieb.
Ein wirkungsgradoptimaler Betrieb mit maximalem Wirkungsgrad der Brennstoffzelle entspricht einem Sonderfall des wirkungsgrad-verbesserten Betriebs. Ein wirkungsgrad-verbesserter Betrieb ist ein Betrieb der Brennstoffzelle, der - vor dem Hintergrund des benötigten Energiebedarfs und des aktuellen Ladezustands des Energiespeichers - dem wirkungsgradoptimalen Betrieb am nächsten kommt, also den unter diesen Elmständen höchstmöglichen Wirkungsgrad darstellt. Durch den wirkungsgrad-verbesserten Betrieb mit einer herabgesetzten Brennstoffzellen-Leistung kann also vorteilhaft der jeweils für einen konkreten Anwendungsfall bestmögliche Wirkungsgrad der Brennstoffzelle erreicht werden. Dies ist insbesondere vorteilhaft in dem Fall, in dem der Ladezustand nicht mehr für einen wirkungsgradoptimalen Betrieb zum Erreichen eines Zielzustands ausreicht, weil die Brennstoffzellen-Leistung im wirkungsgradoptimalen Betrieb in diesem Fall zu gering wäre.
Die Erfindung führt zur Lösung der Aufgabe auch auf ein Verfahren des Anspruchs 17. Das Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems, weist auf: eine Brennstoffzelle zum Erzeugen einer Energiemenge für die Leistungsabgabe und einen Energiespeicher zum Speichern der Energiemenge, eine Steuereinrichtung, die ausgebildet ist in einem Betrieb zum Steuern der Brennstoffzelle, wobei der Brennstoffzelle ein Wirkungsgrad in Abhängigkeit einer Brennstoffzellen-Leistung zugeordnet ist, und das Verfahren den Schritt aufweist:
Vorgeben einer Leistungsvorgabe für die Brennstoffzelle zum Steuern der Leistungsabgabe. Bei dem erfmdungsgemäßen Verfahren ist vorgesehen, dass für einen wirkungsgrad-verbesserten Betrieb die Leistungsvorgabe abhängig vom Ladezustand des Energiespeichers erfolgt.
Beim Durchführen des Verfahrens werden die zuvor beschriebenen Vorteile des Brennstoffzellensystems entsprechend genutzt.
Die Erfindung führt zur Lösung der Aufgabe auch auf ein Fahrzeug mit einem Brennstoffzellensystem gemäß dem Konzept der Erfindung.
Die Erfindung führt zur Lösung der Aufgabe auch auf ein Klimasystem mit einem Brennstoffzellensystem gemäß dem Konzept der Erfindung und einem thermischen Abnehmer. Bei dem Klimasystem stellt das Brennstoffzellensystem insbesondere eine thermische Leistungsabgabe für den thermischen Abnehmer bereit zur Nutzung in einer Heiz- und/oder Kühl an wendung.
Bei dem Fahrzeug und bei dem Klimasystem werden die Vorteile des Brennstoffzellensystems entsprechend genutzt.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen und geben im Einzelnen vorteilhafte Möglichkeiten an, das oben erläuterte Konzept im Rahmen der Aufgabenstellung sowie hinsichtlich weiterer Vorteile zu realisieren.
Unter dem Begriff Wirkungsgrad ist insbesondere die Effizienz zu verstehen, mit der die Eingangsprodukte einer Brennstoffzelle, insbesondere Sauerstoff und Wasserstoff, in Energie umgewandelt werden. Bei einem Einsatz des Brennstoffzellensystems mit einem elektrischen Verbraucher bezieht sich der Wirkungsgrad also auf die erzeugte elektrische Energie. Insbesondere sind im Rahmen einer Weiterbildung für die Steuereinrichtung Wertangaben zum Wirkungsgrad, insbesondere als eine Kennlinie, in Abhängigkeit der Brennstoffzellen-Leistung bereitgestellt.
Vorteilhaft ist vorgesehen, dass für den wirkungsgrad-verbesserten Betrieb die Leistungsvorgabe eine herabgesetzte Brennstoffzellen-Leistung vorgibt, der ein erhöhter Wirkungsgrad entspricht gemäß der Wertangaben, insbesondere die Leistungsvorgabe eine gegenüber der vollen (100%) relativen Nominalleistung (PREL) oder aktuellen (<100% PREL) Leistung herabgesetzte Brennstoffzellen-Leistung derart vorgibt, dass der Wirkungsgrad gemäß der Wertangaben erhöht ist gegenüber dem Wirkungsgrad bei Nominalleistung oder dem aktuellen Wirkungsgrad.
Das Herabsetzen der Brennstoffzellen-Leistung bezieht sich insbesondere auf eine Ausgangs- Brennstoffzellen-Leistung, insbesondere auf eine gemäß dem Stand der Technik im Betrieb normale Brennstoffzellen-Leistung, nämlich derjenigen, die sich lediglich ergibt, um zusammen mit der vom Energiespeicher bereitgestellten Leistung - ohne Berücksichtigung eines Wirkungsgrads - eine Leistungsabgabe bereitzustellen.
Vorteilhaft ist vorgesehen, dass ein Anpassbetrag der herabgesetzten Brennstoffzellen-Leistung abhängig vom Ladezustand des Energiespeichers ist. Zur Berücksichtigung der Kompensation der ausbleibenden Brennstoffzellen-Leistung durch den Energiespeicher wird vorteilhaft ein Anpassbetrag eingeführt als Maß für das Herabsetzen der Brennstoffzellen-Leistung um einen Betrag, der vom Ladezustand des Energiespeichers gedeckt ist. Wenn der Energiespeicher relativ vollständig geladen ist und somit einen hohen Ladezustand aufweist, kann ein relativ großer Anteil zum Bereitstellen der Leistungsabgabe aus dem Energiespeicher entnommen werden und der durch die Brennstoffzellen-Leistung der Brennstoffzelle bereitgestellte Anteil kann entsprechend geringer ausfallen, wodurch ein größerer Spielraum entsteht, die Brennstoffzellen- Leistung zugunsten eines höheren Wirkungsgrades herabzusetzen; insbesondere anhand eines Verlaufs des Wirkungsgrades zur Brennstoffzellen-Leistung. Dieser Spielraum wird durch den Anpassbetrag definiert - ein anschauliches nicht einschränkendes Beispiel dazu ist anhand einer bevorzugten Ausführungsform der Fig. 7 erläutert, die dazu den Verlauf des Wirkungsgrades zeigt.
Im Rahmen einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Leistungsvorgabe für den wirkungsgrad-verbesserten Betrieb bestimmt wird, wenn der Ladezustand des Energiespeichers oberhalb eines unteren Ladezustands und/oder unterhalb eines oberen Ladezustands liegt. In einer derartigen Weiterbildung wird vorteilhaft sichergestellt, dass das Brennstoffzellen-System nur dann in einem wirkungsgrad-verbesserten Betrieb betrieben wird, wenn der Ladezustand des Energiespeichers dies in technisch sinnvoller Weise zulässt. Falls der Ladezustand dies nicht zulässt, wird vorteilhaft entsprechend reagiert. Ein Reagieren kann darin liegen, dass falls der Ladezustand des Energiespeichers einen unteren Ladezustand unterschreiten sollte, die Steuereinrichtung entsprechend reagiert und beispielsweise die Leistungsvorgabe derart einstellt, dass die Brennstoffzellen-Leistung die gesamte Leistungsabgabe bereitstellt, ohne auf den Energiespeicher zurückzugreifen. In einen solchen Fall erfolgt insbesondere kein Herabsetzen der nicht der Brennstoffzellen-Leistung zum Erreichen eines verbesserten Wirkungsgrads.
Ein Reagieren kann weiter darin liegen, dass wenn der Ladezustand oberhalb eines oberen Ladezustands ist, die Brennstoffzelle mittels der Leistungsvorgabe, insbesondere unabhängig von der Leistungsanforderung, in einem reduzierten Betriebspunkt betrieben wird, insbesondere teilweise oder vollständig gedrosselt wird. Dies kann konkret beinhalten, dass wenn durch die Steuereinrichtung festgestellt wird, dass der Energiespeicher einen oberen Ladezustand erreicht hat, die Steuereinrichtung die Leistung der Brennstoffzelle reduziert, insbesondere die Brennstoffzelle vollständig abstellt. Somit wird erreicht, dass in dem Fall, wenn sich der Ladezustand oberhalb des oberen Ladezustands, aber noch unterhalb eines - möglicherweise für den Energiespeicher schädlichen - maximalen Ladezustands befindet, der Betrieb der Brennstoffzelle reduziert oder vollständig gedrosselt wird. „Vollständig gedrosselt“ bedeutet in dem Fall, das heißt die Brennstoffzelle abgestellt oder die Ausgangsleistung der Brennstoffzelle praktisch auf ein Nullniveau reduziert wird. Auf diese Weise wird eine Beschädigung des Energiespeichers, insbesondere einer Batterie, durch Überladung bzw. Überhitzung, vorteilhaft verhindert.
Auch kann die Steuereinrichtung die Brennstoffzelle insbesondere in einem dritten Betriebsmodus in einen Regenerations-Betrieb schalten, in dem die momentane Leistungsanforderung erfüllt wird und darüber hinaus der Energiespeicher wieder aufgeladen wird.
Im Rahmen einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Steuereinrichtung in dem Betrieb ausgebildet ist, eine Leistungsanforderung anzunehmen. In einer solchen Weiterbildung kann mittels einer Leistungsanforderung ein Sollwert für eine Leistungsabgabe des Brennstoffzellensystems vorgegeben werden. In einer derartigen Weiterbildung kann das Konzept der Erfindung vorteilhaft genutzt werden: Sollte aufgrund einer hohen Leistungsanforderung, beispielsweise weil der Fahrer eines Fahrzeugs mit einem Brennstoffzellensystem dieser Weiterbildung gerade beschleunigen möchte, ein kurzfristiger Bedarf an einer hohen Leistungsabgabe bestehen, kann dieser im Regelfall in dem Brennstoffzellensystem durch eine im Energiespeicher gespeicherten Energiemenge abgedeckt werden, insbesondere ohne dass die Brennstoffzelle den wirkungsgrad-verbesserten Betrieb verlassen muss.
Ebenso ermöglicht eine derartige Weiterbildung in Zeiträumen, in denen seitens des Verbrauchers kein Bedarf an Energie besteht, ein Aufladen des Energiespeichers, insbesondere in einem zweiten Betriebsmodus. Dieses Aufladen kann besonders vorteilhaft erfolgen, indem die Brennstoffzelle in dem wirkungsgrad-verbesserten Betrieb betrieben wird. Dies ist insbesondere vorteilhaft, weil bei vielen von Brennstoffzellen versorgten Systemen, insbesondere Fahrzeugen, mitunter lange Stillstands- oder Pausenzeiträume auftreten, in denen ein Aufladen des Energiespeichers durch eine - im wirkungsgrad-verbesserten Betrieb unter herabgesetzter Brennstoffzellen-Leistung betriebene - Brennstoffzelle aufgrund der zur Verfügung stehenden Zeit problemlos möglich ist.
Auch kann in einer derartigen Weiterbildung mit einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem die Brennstoffzelle kontinuierlich, d. h. unabhängig von kurzfristig auftretenden und/oder kurzzeitig andauernden Leistungsanforderungen betrieben und somit ein häufiges Ein- und Ausschalten der Brennstoffzelle zu vermieden werden. Weil der Startvorgang einer Brennstoffzelle durch Prozesse wie den Spülvorgang und das Hochlaufen des zur Druckluftversorgung der Brennstoffzelle benötigten Turboladers relativ aufwendig ist, hat ein häufiges Ein- und Ausschalten der Brennstoffzelle einen erhöhten Verschleiß und somit ein vorzeitiges Altern der Brennstoffzelle und des Brennstoffzellensystems zur Folge.
Durch das - insbesondere kontinuierliche - Betreiben der Brenstoffzelle in einem wirkungsgrad- verbesserten Betrieb wird ein solches - vorwiegend durch kurzfristig auftretende und/oder kurzzeitig andauernde Leistungsanforderungen verursachtes - häufiges Ein- und Ausschalten vorteilhaft vermieden. Das System kann stattdessen länger in einem Betriebspunkt betrieben werden, in dem ein verbesserter, insbesondere maximaler Wirkungsgrad erreicht wird. Auf diese Weise kann vorteilhaft der Verschleiß der Brennstoffzelle und des Brennstoffzellensystems verringert und gleichzeitig die Effizienz der Brennstoffzelle erhöht werden.
Im Rahmen einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Leistungsvorgabe für den wirkungsgrad-verbesserten Betrieb in Abhängigkeit eines Ladezustands des Energiespeichers derart erfolgt, dass die Leistungsabgabe der Leistungsanforderung entspricht. In einer derartigen Weiterbildung ist insbesondere die Steuereinrichtung vorteilhaft ausgebildet, eine dem Brennstoffzellensystem als Sollwert vorgegebene Leistungsanforderung im Sinne eines Regelkreises als Leistungsabgabe bereitzustellen.
Im Rahmen einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass das Bestimmen der für den wirkungsgrad verbesserten Betrieb derart erfolgt, dass sich die Leistungsanforderung aus der Leistungsvorgabe und dem Ladezustand des Energiespeichers ergibt.
Im Rahmen einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass das Bestimmen der Leistungsvorgabe für den wirkungsgrad-verbesserten Betrieb derart erfolgt, dass sich eine zum Erreichen eines Zielzustands benötigte Ziel-Energiemenge für einen in der Zukunft liegenden Prognosezeitraum aus der Leistungsvorgabe und dem Ladezustand des Energiespeichers ergibt. Insbesondere ist die Ziel-Energiemenge eine kumulierte Leistungsanforderung (KLA), die die Gesamtheit eines in der Zukunft liegenden Prognosezeitraum kumulativ berücksichtigt und stellt somit das Integral der im Prognosezeitraum prognostizierten Leistungsanforderungen dar, d.h. das Integral der Sollwerte für die Leistungsabgabe.
Dies kann konkret beinhalten, dass die Steuereinrichtung einen vorausschauenden Beobachter aufweist, der ausgebildet ist, auf Basis von vorhandenen Daten ausreichend genau eine Ziel- Energiemenge zu prognostizieren, die zum Erreichen des Zielzustands benötigt wird. Die Ziel- Energiemenge stellt somit einen Energiehorizont dar, der insbesondere bei sich ändernden Betriebs-, Umgebungs- oder dergleichen Randbedingungen durch Aktualisierung der Prognose angepasst werden kann.
Insbesondere weist die Steuereinrichtung einen vorausschauenden Beobachter auf zum Ermitteln der bis zu einem Zielzustand, insbesondere einer Zielposition, benötigten Energiemenge.
Im Rahmen einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass das Bestimmen der Leistungsvorgabe derart erfolgt, dass die Ziel-Energiemenge in Abhängigkeit eines prognostizierten Leistungsprofils, insbesondere eines prognostizierten Fahrprofils, zu bestimmen. Ein prognostiziertes Leistungsprofil ist dabei eine für einen zukünftigen Zeitraum verlaufende Abschätzung der vom Verbraucher benötigten Leistungsabgabe, insbesondere der benötigten elektrischen oder thermischen Leistung. Je genauer die zeitliche Auflösung dieser Abschätzung und je mehr Daten zum Verbrauch berücksichtigt werden, insbesondere Ist-Daten, wie z.B. Positionsdaten, Zustandsdaten und Daten zu Umgebungseinflüssen, desto besser ist die Qualität der Prognose und somit die Abschätzung des zu erwartenden Energieverbrauchs in Form der Ziel-Energiemenge.
Im Rahmen einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass das Bestimmen der Leistungsvorgabe derart erfolgt, dass das prognostizierte Leistungsprofil auf Basis einer oder mehrerer Ist-Daten, insbesondere einer Ist-Position, und einem oder mehreren Soll-Daten, insbesondere einer oder mehrerer Soll-Positionen oder Segment-Soll-Positionen, berechnet wird.
Bei einem Brennstoffzellensystem, das in einem Fahrzeug eingesetzt wird, welches einen Antrieb aufweist, kann ein Ist-Datum beispielsweise eine von einem GPS-Sensor oder Navigationsgerät ermittelte Ist-Position sein. Soll-Daten können Soll-Positionsdaten, welche aus einer Soll-Route hervorgehen, sein. Der Zielzustand wird hierbei zum Beispiel durch eine Soll- Position als Ziel am Ende der Soll-Route gebildet. Aus diesen Ist-Daten und Soll-Daten kann eine Strecke berechnet werden, aus der die benötigte Energie zum Erreichen des Zielzustands abgeschätzt werden kann. Auch ist es vorteilhaft möglich, das prognostizierte Leistungsprofil in mehrere Profil Segmente aufzuteilen, und eine Prognose für jedes Segment durchzuführen. Bei einem Einsatz des Brennstoffzellensystems in einem Fahrzeug kann die Soll-Route in mehrere Soll-Routen-Segmente mit jeweils einem Segment-Zielzustand aufgeteilt werden, und für jedes Soll-Routen-Segment ein Segment-Zielzustand in Form einer Segment-Soll-Position bestimmt werden.
Je mehr Einflüsse auf den Energieverbrauch bei der Berechnung berücksichtigt werden, beispielsweise Höhenunterschiede, Wetterverhältnisse, Streckenbedingungen etc., desto besser kann die Ziel-Energiemenge abgeschätzt werden. Vorteilhaft ist es, um eventuelle Ungenauigkeiten bei den Abschätzungen der Bedingungen kompensieren zu können, eine bestimmte zusätzliche Energiemenge als Puffer einzuplanen. Auf diese Weise wird verhindert, dass das Brennstoffzellensystem aufgrund einer ungenauen Abschätzung vor Erreichen des Zielzustands beispielsweise den wirkungsgrad-verbesserten Betrieb verlassen muss, da der Ladezustand des Energiespeichers zu niedrig ist.
Weiterhin können Profildaten berücksichtigt werden, welche beispielsweise Unterschiede zwischen verschiedenen Benutzern, beispielsweise Fahrern eines Fahrzeugs, oder verschiedenen Maschinentypen, beispielsweise verschiedenen Fahrzeugtypen, im Verbrauch berücksichtigen. Im Rahmen einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass der Verbraucher ein elektrischer Antrieb und der Energiespeicher eine Batterie ist. Dies kann konkret beinhalten, dass das Brennstoffzellensystem in einem Fahrzeug eingesetzt wird, und dort die Steuereinrichtung die Brennstoffzelle gemäß dem Konzept der Erfindung in einem wirkungsgradoptimierten Betriebspunkt betreiben kann. Auf diese Weise kann die Brennstoffzelle vorteilhaft in einem verbesserten Wirkungsgrad elektrische Antriebsenergie erzeugen, welche in einem als Batterie ausgebildeten Energiespeicher zwischengespeichert und bedarfsgerecht einem Abgabeanschluss zur Leistungsabgabe zugeführt und einem oder mehreren elektrischen Antrieben des Fahrzeugs bereitgestellt werden kann. Auch können in einer derartigen Weiterbildung andere elektrische Verbraucher über das Brennstoffzellensystem versorgt werden.
Im Rahmen einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass das Brennstoffzellensystem ausgebildet ist zum Bereitstellen einer thermischen Leistungsabgabe. Dies kann konkret beinhalten, dass die Brennstoffzelle thermische Energie in Form von Wärme erzeugt, insbesondere in Form von Abwärme bei der Erzeugung von elektrischer Energie.
Im Rahmen einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Steuereinrichtung ausgebildet ist, eine weitere Leistungsanforderung in Form einer thermischen Leistungsanforderung anzunehmen und die Leistungsvorgabe in Abhängigkeit der thermischen Leistungsanforderung zu bestimmen. Dies beinhaltet konkret, dass durch einen weiteren Sollwertgeber, beispielsweise in Form eines Thermostats, ein Sollwert für eine Temperatur vorgegeben wird, die in einem thermischen Abnehmer erreicht werden soll. Die Steuereinrichtung ist in dieser Weiterbildung ausgebildet, eine Leistungsvorgabe für die Brennstoffzelle vorzugeben, mittels welcher eine thermische Leistungsabgabe bereitgestellt wird, welche der thermischen Leistungsanforderung entspricht. Die Steuereinrichtung in dieser Weiterbildung kann ausgebildet sein, von beiden angenommenen Leistungsanforderungen, nämlich der ersten Leistungsanforderung und der zweiten thermischen Leistungsanforderung, eine vorrangig zu behandeln, je nachdem welche Energieform - elektrische oder thermische - vorrangig benötigt wird.
Die Erfindung wird durch einen als Wärmespeicher ausgebildeten Energiespeicher weitergebildet. In derartigen Weiterbildungen kann die Wärme in einem als Wärmespeicher, insbesondere als Warmwasserspeicher ausgebildeten Energiespeicher zwischengespeichert werden, und bedarfsgerecht einem Verbraucher, insbesondere einer Heizung, bereitgestellt werden. In Weiterbildungen mit einem als Wärmespeicher ausgebildeten Energiespeicher kann vorteilhaft das Konzept der Erfindung für thermische Energie umgesetzt werden derart, dass die Brennstoffzelle in einem maximalen thermischen Wirkungsgrad betrieben werden kann, und gegebenfalls auf eine im Wärmespeicher gespeicherte thermische Energiemenge zur Bereitstellung der thermischen Leistungsabgabe zurückgegriffen werden kann, damit die Brennstoffzelle seinen Betriebspunkt am maximalen thermischen Wirkungsgrad nicht verlassen muss.
In Weiterbildungen des Brennstoffzellensystems, die in Systemen eingesetzt werden, die sowohl einen Verbraucher - insbesondere einen elektrischen Antrieb -und eine Batterie, als auch einen thermischen Abnehmer - insbesondere eine Heizung - und einen Wärmespeicher aufweisen, kann vorteilhaft in synergetischer Weise die Tatsache genutzt werden, dass eine Brennstoffzelle im Betrieb sowohl elektrische Energie als auch thermische Energie in Form von Wärme produziert. Somit kann, indem beide Energieformen genutzt werden, der Wirkungsgrad des gesamten Brennstoffzellensystems erhöht werden.
Im Rahmen einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Steuereinrichtung ausgebildet ist, die Leistungsvorgabe bevorzugt in einem Bereich zwischen 5 % und 15 %, besonders bevorzugt bei 10 %, der Brennstoffzellen-Leistung vorzugeben. Der Wert von ca. 10 % der Brennstoffzellen- Leistung stellt eine Annäherung an das Wirkungsgradoptimum einer typischen Brennstoffzelle dar - das heißt die Brennstoffzellen-Leistung, bei der ein maximaler Wirkungsgrad vorliegt - und kann gegebenenfalls für verschiedene Brennstoffzellentypen abweichen.
In einer Weiterbildung des Verfahrens ist vorgesehen, dass die Leistungsvorgabe in Abhängigkeit der Leistungsanforderung bestimmt wird.
In einer Weiterbildung des Verfahrens ist vorgesehen, dass eine zum Erreichen eines Zielzustands benötigte Ziel-Energiemenge, insbesondere eine kumulierte Leistungsanforderung für einen in der Zukunft liegenden Prognosezeitraum erfüllt wird.
In einer Weiterbildung des Verfahrens ist vorgesehen, dass die Ziel-Energiemenge in Abhängigkeit eines prognostizierten Leistungsprofils, insbesondere eines prognostizierten Fahrprofils, bestimmt wird. In einer Weiterbildung des Verfahrens ist vorgesehen, dass das prognostizierte Leistungsprofil auf Basis einer oder mehrerer Ist-Daten, insbesondere einer Ist-Position, und einem oder mehreren Soll-Daten, insbesondere einer oder mehrerer Soll-Positionen oder Segment-Soll- Positionen, berechnet wird.
Ausführungsformen der Erfindung werden nun nachfolgend anhand der Zeichnung im Vergleich zum Stand der Technik, welcher zum Teil ebenfalls dargestellt ist, beschrieben. Diese soll die Ausfuhrungsformen nicht notwendigerweise maßstäblich darstellen, vielmehr ist die Zeichnung, wo zur Erläuterung dienlich, in schematisierter und/oder leicht verzerrter Form ausgeführt. Im Hinblick auf Ergänzungen der aus der Zeichnung unmittelbar erkennbaren Lehren wird auf den einschlägigen Stand der Technik verwiesen. Dabei ist zu berücksichtigen, dass vielfältige Modifikationen und Änderungen betreffend die Form und das Detail einer Ausführungsform vorgenommen werden können, ohne von der allgemeinen Idee der Erfindung abzuweichen. Die in der Beschreibung, in der Zeichnung sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Weiterbildung der Erfindung wesentlich sein. Zudem fallen in den Rahmen der Erfindung alle Kombinationen aus zumindest zwei der in der Beschreibung, der Zeichnung und/oder den Ansprüchen offenbarten Merkmale. Die allgemeine Idee der Erfindung ist nicht beschränkt auf die exakte Form oder das Detail der im Folgenden gezeigten und beschriebenen bevorzugten Ausführungsform oder beschränkt auf einen Gegenstand, der eingeschränkt wäre im Vergleich zu dem in den Ansprüchen beanspruchten Gegenstand. Bei angegebenen Bemessungsbereichen sollen auch innerhalb der genannten Grenzen liegende Werte als Grenzwerte offenbart und beliebig einsetzbar und beanspruchbar sein. Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnung; diese zeigt in:
FIG. 1 eine bevorzugte Ausführungsform eines Brennstoffzellensystems gemäß dem
Konzept der Erfindung,
FIG. 2 eine bevorzugte Ausführungsform eines Brennstoffzellensystems mit einem thermischen Abnehmer,
FIG. 3 eine weitere Ausführungsform eines Brennstoffzellensystems mit Details eines thermischen Abnehmers, FIG. 4 eine bevorzugte Ausführungsform eines Verfahrensablaufs zum Betrieb eines
Brennstoffzellensystems gemäß dem Konzept der Erfindung,
FIG. 5 eine weitere bevorzugte Ausführungsform eines Verfahrensablaufs zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems zur Bestimmung einer Leistungsvorgabe für die Brennstoffzelle,
FIG. 6 eine detaillierte Ansicht einer Steuereinrichtung für eine bevorzugte
Ausführungsform,
FIG. 7 eine bevorzugte Ausführungsform einer Wirkungsgrad-Kennlinie als ein schematischer Verlauf des Wirkungsgrads einer Brennstoffzelle aufgetragen über deren relativer Nominalleistung,
FIG. 8 ein schematisches Diagramm des zeitlichen Verlaufs des Ladezustands eines
Energiespeichers in einem Brennstoffzellensystem gemäß einer bevorzugten Ausführungsform,
FIG. 9 eine schematische Ansicht eines Fahrzeugs mit einem Brennstoffzellensystem gemäß einer bevorzugten Ausführungsform.
Die in der Zeichnung gezeigten Ausführungsformen betreffen generell ein Brennstoffzellen system 1000 gemäß dem Konzept der Erfindung zum Betreiben für mindestens einen Verbraucher 200 und/oder einen thermischen Abnehmer 240. Das Brennstoffzellensystem 1000 weist eine Brennstoffzelle 100, hier mit BSZ gekennzeichnet, hier in Form eines Brennstoffzellenstapels 102 auf. Bevorzugt wird das Brennstoffzellensystem 1000 in Kombination mit dem Verbraucher 200 und/oder thermischen Abnehmer 240 betrieben. Der Energiespeicher 300 als wiederaufladbarer Zwischenspeicher ist insofern energieabgabeseitig der Brennstoffzelle angeordnet zur Aufnahme von Energie, insbesondere elektrischer Energie und/oder Abwärme, die von der Brennstoffzelle abzugeben bzw. abgegeben wird.
Vorliegend ist in der in FIG. 1 gezeigten, ersten Ausführungsform die Brennstoffzelle 100 über eine Versorgungsleitung 104 und einen Abgabeanschluss 140 mit einem Verbraucher 200 selektiv stromführend verbindbar, der hier vorliegend als elektrischer Verbraucher 201 in Form eines elektrischen Antriebs 202 ausgebildet ist. Der elektrische Antrieb 202 ist hier mit D gekennzeichnet. Elektrische Energie E, die mittels der Brennstoffzelle 100 erzeugt wurde, insbesondere eine elektrische Energiemenge EE, kann somit dem Verbraucher 200 zugeführt werden, um insbesondere ein Fahrzeug 2000 anzutreiben. Hierzu werden der Brennstoffzelle 100 Sauerstoff 02 und/oder Luft AIR sowie Wasserstoff H2 zugeführt. Bei der Reaktion in der Brennstoffzelle 100 entsteht insbesondere Wasser H20 und Restluft AIRRES.
Die Brennstoffzelle 100 ist weiterhin über eine Speicherleitung 106 mit einem als Batterie 302 ausgebildeten Energiespeicher 300, hier mit ES gekennzeichnet, selektiv stromführend verbindbar. Gemäß dem Konzept der Erfindung kann somit die Batterie 302 - insbesondere unabhängig vom Betrieb des elektrischen Verbrauchers 201 - durch die von der Brennstoffzelle 100 erzeugte elektrische Energie EE aufgeladen werden.
Weiterhin ist der Abgabeanschluss 140 und eine Pufferleitung 108 mit dem Energiespeicher 300 selektiv stromführend verbindbar. Am den Abgabeanschluss 140 wird eine Abgabeleistung PO für den Verbraucher 200 bereitgestellt. Der Abgabeanschluss 140 und die Pufferleitung 108 sind bidirektional ausgebildet. Das bedeutet im vorliegenden Fall, dass sowohl eine in der Batterie 302 gespeicherte elektrische Energiemenge EM dem elektrischen Verbraucher 201 zugeführt werden kann, als auch, dass elektrische Energie aus dem elektrischen Verbraucher 201, insbesondere mittels Rekuperation aus einem elektrischen Antrieb 202 gewonnene elektrische Energie, in der Batterie 302 gespeichert werden kann.
Das Brennstoffzellensystem 1000 weist weiter eine Steuereinrichtung 400 auf, vorliegend als ECU gekennzeichnet. Die Steuereinrichtung 400 weist einen Steuereingang 402 auf, über den eine Leistungsanforderung LA von einem Sollwertgeber 500 an die Steuereinrichtung 400 übermittelt werden kann. Eine solche Leistungsanforderung LA kann beispielsweise, wenn das Brennstoffzellensystem 1000 wie hier in dem Fahrzeug 2000 eingesetzt wird, vom Fahrer direkt, beispielsweise über einen als Gaspedal 501 ausgebildeten Sollwertgeber 500, erzeugt werden, oder bei autonomen Fahrzeugen über einen als automatisierten Fahrregler 502 ausgebildeten Sollwertgeber 500. Die Leistungsanforderung LA wird in der Steuereinrichtung 400 in ein Regelungs-Signal RS umgewandelt und über einen Regelungsausgang 408 und an einem Regelungsanschluss 208 für den Verbraucher 200, insbesondere als Antriebssignal AS an den elektrischen Antrieb 202, bereitgestellt werden, um dessen Leistung zu regeln. Der Regelungsanschluss 208 kann wie hier gezeigt am Abgabeanschluss 140 angeordnet sein, insbesondere derart, dass der Verbraucher 200 über die Leistungsabgabe PO geregelt wird, alternativ kann der Regelungsanschluss 208 auch woanders, beispielsweise direkt am Verbraucher 200, angeordnet sein. Weiterhin wird über das Regelungs-Signal RS gesteuert, ob die Leistungsabgabe über die Versorgungsleitung 104 durch eine Brennstoffzellen-Leistung PB, oder die Pufferleitung 108 durch eine Speicherleistung PS bereitgestellt wird, oder ob die Leistungsabgabe durch eine Kombination von beiden bereitgestellt wird. Letzteres kann beispielsweise der Fall sein, wenn die Brennstoffzelle 100 in einem wirkungsgrad-verbesserten Betrieb BPA betrieben wird. Hier nicht dargestellt, aber auch denkbar, wäre eine Ausführungsform, in der von der Steuereinrichtung 400 eine Signalleitung zum Energiespeicher 300 besteht, über welche die Leistung geregelt wird, welche von der Batterie 302 über die Pufferleitung 108 an den Antrieb 202 abgegeben wird. In einer Ausführungsform mit einer Signalleitung von der Steuereinrichtung 400 zum Energiespeicher 300 wird somit die über die Pufferleitung 108 transferierte Leistung nicht auf der Seite des Verbrauchers 200, sondern auf der Seite des Energiespeichers 300 geregelt.
Die Steuereinrichtung 400 umfasst weiterhin einen Messeingang 404, über den ein Ladezustand LZ des Energiespeichers 300, welcher die aktuell in dem Energiespeicher 300 gespeicherte Energiemenge EM charakterisiert, der Steuereinrichtung 400 übermittelt werden kann. Der Ladezustand LZ kann beispielsweise über einen Messanschluss 306 des Energiespeichers 300 erfasst werden.
Die Steuereinrichtung 400 weist weiter einen Steuerausgang 406 auf, über den eine Leistungsvorgabe LV an einen Steuereingang 110 der Brennstoffzelle 100 zum Einstellen der Brennstoffzellen-Leistung PB, insbesondere in Form eines Betriebspunkts BP, übermittelt werden kann. Die Steuereinrichtung 400 ist ausgebildet, in Abhängigkeit des Ladezustands LZ eine Leistungsvorgabe LV für einen wirkungsgrad-verbesserten Betrieb BPA zu bestimmen, wobei die Leistungsvorgabe LV - unter Ausnutzung der im Energiespeicher 300 gespeicherten Energiemenge EM - einer Brennstoffzellen-Leistung PB in Form einer herabgesetzten Brennstoffzellen-Leistung PA entspricht, bei der die Brennstoffzelle 100 in einem möglichst hohen Wirkungsgrad arbeitet. Der Ladezustand wird dabei insbesondere berücksichtigt, um trotz der herabgesetzten Brennstoffzellen-Leistung PA eine Leistungsabgabe PO in benötigter Höhe - insbesondere eine Leistungsabgabe PO, die einer Leistungsanforderung LA entspricht - bereitzustellen. FIG. 2 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Brennstoffzellensystems 1000‘ gemäß dem Konzept der Erfindung. Diese Ausführungsform weist zusätzlich einen thermischen Abgabeanschluss 150 auf zur Versorgung eines thermischen Abnehmers 240. Der thermische Abnehmer 240 kann insbesondere eine Heizung 244 und/oder eine Kältemaschine 246 aufweisen, die hier entsprechend mit HZ/KM gekennzeichnet sind. Das Brennstoffzellensystem 1000‘ weist zusätzlich einen als Wärmespeicher 304 ausgebildeten Energiespeicher 300 auf, vorliegend mit WS gekennzeichnet. Der Wärmespeicher 304 kann insbesondere als Warmwasserspeicher ausgebildet sein. Der thermische Abnehmer 240 kann insbesondere Teil eines Klimasystems 3000 sein. Die Brennstoffzelle 100, welche vorliegend als Brennstoffzellenstapel 102 ausgebildet ist, stellt die von ihr produzierte Wärme als thermische Energiemenge ET über eine thermische Versorgungsleitung 124 und den thermischen Abgabeanschluss 150 in Form einer thermischen Brennstoffzellen-Leistung PBT an den thermischen Abnehmer 240 zur Verfügung. Am thermischen Abnehmer 240 wird eine thermische Leistungsabgabe PT bereitgestellt. Weiterhin stellt die Brennstoffzelle 100 dem Wärmespeicher 304 die thermische Energiemenge ET über eine thermische Speicherleitung 126 zur Verfügung. Weiterhin besteht - analog zur elektrischen Ausbildung der ersten gezeigten Ausführungsform - eine fluid- und somit wärmeführende Verbindung zwischen dem Energiespeicher 300 und dem Verbraucher 200, vorliegend in Form einer thermischen Pufferleitung 128. Über die thermische Pufferleitung 128 kann ein gespeicherte thermische Speicherenergiemenge EMT vom Wärmespeicher 304 zum thermischen Abgabeanschluss 150 als thermische Speicher-Leistung PST für den thermischen Abnehmer 240 bereitgestellt werden. Umgekehrt kann vom thermischen Abnehmer 240 eine gespeicherte thermische Speicherenergiemenge EMT zurück zum Wärmespeicher 304 transferiert werden. In sämtlichen Kreisläufen 124, 126, 128 kann ein entsprechendes, für den Wärmetransport geeignetes Medium, zum Beispiel Wasser, eingesetzt werden. Über einen Speicher-Messanschluss 326 kann ein thermischer Ladezustand LZT des Wärmespeichers 304, das heißt die Menge der im Wärmespeicher 304 gespeicherten thermische Speicherenergiemenge EMT bestimmt werden. Dies kann insbesondere durch eine Messung oder eine Abschätzung der Temperatur und der Menge des im Wärmespeicher 304 enthaltenen Wassers (oder dergleichen zum Heizen geeigneten, im Wärmespeicher 304 enthaltenen Mediums) geschehen.
Die Steuereinrichtung 400‘ kann vorteilhaft ausgebildet sein, eine Leistungsvorgabe LV derart zu bestimmen, dass eine thermische Brennstoffzellen-Leistung PBT der Brennstoffzelle 100 unter vorteilhafter Ausnutzung des Ladezustands LZ des Wärmespeichers 304, derart bestimmt wird, dass die Brennstoffzelle 100 in einem verbesserten thermischen Wirkungsgrad betrieben wird - dies analog zu dem (elektrischen) Wirkungsgrad der Steuereinrichtung 400 in der ersten Ausfiihrungsform.
Über einen Abnehmer- Steueranschluss 248 kann die thermische Leistungsabgabe PT für den thermischen Abnehmer 240 von der Steuereinrichtung 400‘ gesteuert werden. Vorliegend ist der Abnehmer- Steueranschluss 248 am thermischen Abgabeanschluss 150 angeordnet. In anderen Weiterbildungen ist es auch möglich, den Abnehmer-Steueranschluss 248 an einer anderen Stelle, insbesondere direkt am thermischen Abnehmer 240 zum direkten Ansteuem des thermischen Abnehmers 240, anzuordnen.
Analog zur ersten gezeigten Ausführungsform bestimmt die Steuereinrichtung 400“ auf Basis einer zweiten, thermischen Leistungsanforderung LAT, welche im Falle der Heizung beispielsweise durch ein Thermostat 521 oder ein Klimaanlagen-Regelgerät 522 oder dergleichen Sollwertgeber 500 gebildet sein kann, und auf Basis des thermischen Ladezustand LZT des Wärmespeichers 304 eine Leistungsvorgabe LV für die Brennstoffzelle 100, welche der Brennstoffzelle 100 über den Steuerausgang 406 und weiter den Steuereingang 110 übermittelt wird. Die thermische Leistungsanforderung LAT wird der Steuereinrichtung 400‘ über einen zweiten Steuereingang 410 bereitgestellt.
Die hier gezeigte Weiterbildung kann vorteilhaft im Sinne einer Kraft-Wärme-Kopplung eine (elektrische) Leistungsabgabe PO und eine thermische Leistungsabgabe PT kombinieren. In derartigen Weiterbildung wird vorteilhaft der Umstand genutzt, dass eine Brennstoffzelle beim Betrieb Energie sowohl in Form von Wärme, als auch in Form von elektrischer Energie erzeugt, wobei der erfindungsgemäße Ansatz eines wirkungsgrad-verbesserten Betriebs sowohl für einen elektrischen Wirkungsgrad, als auch für einen thermischen Wirkungsgrad erreicht werden kann. Dies kann auch durch die Steuereinrichtung im Betrieb umschaltbar ermöglicht werden, insbesondere indem je nach Bedarf entweder eine elektrische, den Verbraucher 200 betreffende Leistungsanforderung LA, oder eine, den thermischen Abnehmer 240 betreffende, thermische Leistungsanforderung LAT vorrangig berücksichtigt wird.
In FIG. 3 ist ein Brennstoffzellensystem 1000" in einer weiteren Ausführungsform dargestellt. Hierbei ist ein thermischer Abnehmer 240, als Teil eines Klimasystems 3000‘ in einem nicht näher dargestellten Fahrzeug 2000 ‘, im Detail dargestellt. Das in FIG. 3 gezeigte Brennstoffzellensystem 1000" kann insbesondere dem Primärzweck dienen, einen Antrieb 202 für das Fahrzeug 2000 bereitzustellen. Die in FIG.34 gezeigte Ausführungsform unterscheidet sich von der in FIG. 2 gezeigten Ausführungsform insbesondere dadurch, dass der Brennstoffzelle 100 über einen Fahrzeugkühler 130 und eine Kühlleitung 132 ein Kühlmedium 134 zugeführt wird, um die Brennstoffzelle 100 im Sinne eines Kühlkreislaufs zu kühlen. Hierzu ist weiterhin die thermische Versorgungsleitung 124‘ bidirektional im Sinne eines Kreislaufs ausgebildet. Der Fahrzeugkühler 130 ist vorliegend mit FK gekennzeichnet. Der Fahrzeugkühler 130 kann Teil eines hier nicht dargestellten Fahrzeugs 2000‘ sein und insbesondere weiteren Anwendungen im Fahrzeug 2000‘ zur Kühlung dienen. Die hier gezeigte Ausführungsform weist weiterhin einen Wärmespeicher 304 im Sinne der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsform auf, wobei der Wärmespeicher 304 optional ist. Der thermische Abnehmer 240 ist vorliegend in Form eines Klimageräts 242 ausgebildet.
Vorliegend ist ein Abnehmer-Steueranschluss 248 am thermischen Abgabeanschluss 150 angeordnet. In anderen Weiterbildungen ist es auch möglich, den Abnehmer-Steueranschluss 248 an einer anderen Stelle, insbesondere als weiteren Abnehmer-Steueranschluss 248‘ direkt am thermischen Abnehmer 240, zum direkten Ansteuem des thermischen Abnehmers 240, anzuordnen. Dies vorliegend durch die punktierte Linie zwischen der Steuereinrichtung 400“ und dem thermischen Abnehmer 240 dargestellt.
Der thermische Abnehmer 240 weist vorliegend einen Hauptwärmetauscher 250 auf, welcher über eine weitere thermische Versorgungsleitung 124A mit dem Kühlmedium 134 versorgt wird, welches von der Brennstoffzelle 100 erwärmt wurde. Die so erhaltene thermische Energie ET kann weiter über einen Primärkreislauf 260 an eine Kältemaschine 246 weitergegeben werden. Über die Kältemaschine 246 kann die thermische Energie nun für verschiedene Anwendungen, insbesondere in dem Fahrzeug 2000‘, genutzt werden. Beispielsweise kann die thermische Energie ET über einen Gerätekreislauf 262 mittels eines geeigneten Mediums an einen Gerätewärmetauscher 252 geleitet werden, wobei der Gerätewärmetauscher 252 insbesondere für Heizanwendungen eingesetzt werden kann. Weiterhin ist es möglich, mittels der Kältemaschine 246 Kaltluft zu produzieren, welche über eine Kaltluftleitung 264 direkt an eine Klimaanlage 254 abgegeben werden kann.
Das Kühlmedium 134 kann, nachdem es den Hauptwärmetauscher 250 passiert hat, über eine erste Kühlrückleitung 138 in den Fahrzeugkühler 130 zurückgeleitet werden. Die Versorgungsleitung 124' weist eine Weiche 136 auf, mittels welcher die Strömung des Kühlmediums 134 über drei verschiedene Weichenstellungen PI, P2, P3 geleitet werden kann. Wenn sich die Weiche 136 in der ersten Weichenstellung PI befindet, wird das Kühlmedium 134 wie bereits beschrieben zum Hauptwärmetauscher 250 des thermischen Abnehmers 240 geleitet. Wenn sich die Weiche 136 in einer zweiten Weichenstellung P2 befindet, wird das Kühlmedium 134 über eine zweite Kühlrückleitung 138.2 an dem thermischen Abnehmer 240 vorbei direkt wieder in den Fahrzeugkühler 130 geleitet. Wenn sich die Weiche 136 in einer dritten Weichenstellung P3 befindet, wird das Kühlmedium 134, vorbei an dem thermischen Abnehmer 240 und dem Fahrzeugkühler 130, direkt über eine dritte Kühlrückleitung 138.3 wieder in die Brennstoffzelle 100 geleitet.
Ein Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems, insbesondere zur Ermittlung einer Leistungsvorgabe LV, ist in FIG. 4 -teilweise mit Bezug auf die in vorhergehend gezeigten Weiterbildungen - schematisch dargestellt.
Nach einem Startpunkt SO erfolgt in einem ersten Schritt S1 die Abfrage des Ladezustands LZ des Energiespeichers 300. Diese Ermittlung kann durch die Steuereinrichtung 400 insbesondere über den Messanschluss 306 erfolgen. Anschließend erfolgt in Verzweigung VI eine Prüfung, ob der Ladezustand LZ größer ist als ein unterer Ladezustand LZL. Ist dies nicht der Fall, wird in einem Schritt S2 die Leistungsvorgabe LV an die benötigte Leistungsabgabe PO, insbesondere die tatsächliche Leistungsanforderung LA angepasst. In diesem Fall reicht der Ladezustand LZ des Energiespeichers 300, also die Menge an in dem Energiespeicher 300 gespeicherter Energie EM - momentan oder in einem bestimmten, unmittelbar darauffolgenden Zeitraum - nicht zum Bereitstellen der benötigten Leistungsabgabe PO, insbesondere zur Erfüllung der momentanen Leistungsanforderung LA aus. Für den Fall, dass der Ladezustand LZ größer ist als der untere Ladezustand LZL, führt der Verfahrensablauf von der ersten Verzweigung VI zu einer zweiten Verzweigung V2. In der zweiten Verzweigung V2 wird überprüft, ob der abgefragte Ladezustand LZ kleiner ist als ein oberer Ladezustand LZH. Sollte dies nicht der Fall sein, erfolgt in einem dritten Schritt S3 eine Reduzierung der Leistung der Brennstoffzelle 100 oder eine vollständige Abschaltung der Brennstoffzelle 100 durch die Steuereinrichtung 400, insbesondere um eine Beschädigung des Energiespeichers 300 durch Überlastung zu vermeiden. Die Versorgung des Verbrauchers erfolgt in diesem Fall - insbesondere vollständig - aus dem Energiespeicher 300. Sollte in der zweiten Verzweigung V2 festgestellt werden, dass der abgefragte Ladezustand LZ kleiner ist als der obere Ladezustand LZH, kann in einem vierten Schritt S4 gemäß dem Konzept der Erfindung ein Betrieb der Brennstoffzelle 100 in einem wirkungsgrad-verbesserten Betrieb BPA, durch eine entsprechende Leistungsvorgabe LV durch die Steuereinrichtung 400 erfolgen.
Durch die erste Verzweigung VI und die zweite Verzweigung V2 werden also zwei Bedingungen überprüft, um sicherzustellen, dass sich der Ladezustand LZ in einem Bereich zwischen einem unteren Ladezustand LZL und einem oberen Ladezustand LZH befindet, da in diesem Bereich ein Betrieb der Brennstoffzelle 100 im wirkungsgrad-verbesserten Betrieb BPA sinnvoll möglich ist.
Im Sinne eines Regelkreises erfolgt nach sämtlichen Schritten S2, S3, und S4 eine Rückführung zu einem Rückführungspunkt SRI, ab dem der erste Schritt S1 und daran anschließend der oben beschriebene Verfahrensablauf erneut ausgeführt wird. In der Steuereinrichtung 400, die diesen in Fig. 4 gezeigten Verfahrensablauf durchführt, kann eine entsprechende Taktzeit für die Wiederholung des Verfahrensablaufs ab dem Rückführungspunkt RF1 eingestellt werden, die einen für die Anwendung der Regelung optimalen Kompromiss zwischen Reaktionszeit und Rechenleistung darstellt.
In FIG. 5 ist ein Verfahrensablauf gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform dargestellt. Dieser kann in programmierter Weise in der Steuereinrichtung 400 ausgeführt werden. Nach einem Startpunkt S10 wird in einem ersten Schritt Sil zunächst der Ladezustand LZ des Energiespeichers 300 ermittelt. In einem darauffolgenden zweiten Schritt S12 erfolgt nun - unter Berücksichtigung des ermittelten Ladezustands LZ - die Berechnung einer bis zu einem Zielzustand ZZ benötigten Energiemenge EZZ.
Für die Berechnung der benötigten Energiemenge EZZ kann ein prognostiziertes Leistungsprofil PLP herangezogen werden. Das prognostizierte Leistungsprofil PLP kann - in dem Fall, dass das Brennstoffzellensystem 1000 in einem Antrieb eines Fahrzeugs eingesetzt wird und der Zielzustand ZZ entsprechend eine Sollposition SP ist - die bis zur Sollposition SP zurückzulegende Strecke in Form einer Soll-Route SR berücksichtigen. Hierbei können vorteilhaft zu überwindende Höhenunterschiede, die zu erwartende oder maximal zulässige Geschwindigkeit und/oder eine zu erwartende verbleibende Fahrtzeit TV einschließlich Pausen zur Verbesserung der Berechnung der benötigten Energiemenge EZZ berücksichtigt werden. In anderen Ausführungsformen, beispielsweise in solchen, in denen das Brennstoffzellensystem zur Stromerzeugung und/oder zur Wärmeerzeugung eingesetzt wird, kann das prognostizierte Leistungsprofil auch einen Plan enthalten mit einem in einem Prognosezeitraum liegenden Energiebedarf. Dieser Energiebedarf kann beispielsweise auf Basis von Erfahrungswerten geschätzt, oder anhand von Modellen berechnet sein und bildet in diesem Fall die benötigte Energiemenge EZZ.
In einer anschließenden Verzweigung VI 1 wird geprüft, ob der Ladezustand LZ des Energiespeichers 300, das heißt die in dem Energiespeicher 300 gespeicherte Energiemenge EM kleiner ist als die zum Erreichen des Zielzustands ZZ benötigte Energiemenge EZZ. Ist dies nicht der Fall, erfolgt in einem dritten Schritt S13 durch eine entsprechende Leistungsvorgabe LV ein Betrieb der Brennstoffzelle 100 mit einer Brennstoffzellen-Leistung PB, die insbesondere nicht dem wirkungsgradverbesserten Betrieb BPA entspricht. Insbesondere wird die Brennstoffzellen-Leistung PB dabei so gewählt, dass die Leistungsvorgabe LV ausreicht, um die benötigte Energiemenge EZZ in der zu erwartenden verbleibenden Fahrtzeit TV zu erzeugen. Die Brennstoffzellen-Leistung PB kann in diesem Fall so eingestellt werden, dass die tatsächliche Leistungsanforderung LA erfüllt wird. Darüber hinaus kann die Brennstoffzellen- Leistung PB auch in einem Regenerations-Betrieb BPR einen höheren Wert annehmen, bei dem die Brennstoffzelle zusätzlich noch genug Leistung zum Wiederaufladen des Energiespeichers 300 produziert. Die Brennstoffzellen-Leistung PB kann dabei oberhalb einer wirkungsgradoptimalen Brennstoffzellen-Leistung PBO und unterhalb der tatsächlichen Leistungsanforderung LA liegen, wobei in diesem Fall die momentane Leistungsanforderung LA teilweise aus dem Energiespeicher 300 und teilweise aus der Brennstoffzelle 100 erfüllt wird. Dies wird insbesondere vorteilhaft im wirkungsgradverbesserten Betrieb BPA erreicht, der auf das Erreichen eines konkreten Zielzustands ZZ, insbesondere auf die für eine bestimmte Fahrt F zu erwartende Energiemenge EZZ angepasst werden kann, wie in FIG. 8 erläutert. In einem solchen Fall entleert sich der Energiespeicher 300 ähnlich wie bei einem Betrieb der Brennstoffzelle 100 bei wirkungsgradoptimaler Brennstoffzellen-Leistung PBO, jedoch - aufgrund der höheren Leistung der Brennstoffzelle - mit einer langsameren Geschwindigkeit, sodass die in der Batterie 300 gespeicherte Energiemenge EM noch zum Erreichen des Zielzustands ZZ ausreicht.
Sollte die Prüfung in der Verzweigung VI 1 ergeben, dass der Ladezustand LZ der Batterie größer als die oder gleich der zum Erreichen des Zielzustands ZZ benötigte Energiemenge EZZ ist, erfolgt in einem Schritt S14 der Betrieb der Brennstoffzelle 100 gemäß dem in FIG. 5 gezeigten Verfahrensablauf. Sofern der Ladezustand LZ größer ist als der untere Ladezustand LZL, erfolgt der Betrieb der Brennstoffzelle 100 insbesondere vorteilhaft in einem wirkungsgrad-verbesserten Betrieb BPA, durch entsprechende Leistungsvorgabe LV der Steuereinrichtung 400.
In anderen Weiterbildungen ist es auch möglich, dass anstatt eines Energievergleichs in Verzweigung VI 1 ein Leistungsvergleich vorgenommen wird. Hierzu wird die in Schritt S12 bestimmte Energiemenge EZZ durch die zu erwartende verbleibende Fahrtzeit TV geteilt, um eine Leistung zu bestimmen, die durchschnittlich von dem Brennstoffzellensystem als Abgabeleistung bereitgestellt werden muss. In Abhängigkeit des Ladezustands LZ kann auf dieser Basis ein Anpassbetrag PAN bestimmt werden, um den die Brennstoffzellen-Leistung PB herabgesetzt werden kann um einen verbesserten Wirkungsgrad zu erreichen, während die durchschnittlich zu erbringende Abgabeleistung bereitgestellt wird.
In FIG. 6 ist eine Ausführungsform einer Steuereinrichtung 400 detailliert dargestellt. Die Steuereinrichtung 400 umfasst einen vorausschauenden Beobachter 420, der ausgebildet ist, eine benötigte Energiemenge EZZ auf Basis eines prognostizierten Leistungsprofils PLP zu berechnen. Das prognostizierte Leistungsprofil PLP kann insbesondere in dem Fall, dass das Brennstoffzellensystem 1000 in einem Fahrzeug eingesetzt wird, als prognostiziertes Fahrprofil PFP ausgebildet sein. Gleich wohl kann das prognostizierte Leistungsprofil PLP je nach Anwendungsgebiet des Brennstoffzellensystems variieren. So ist es möglich, dass das Brennstoffzellensystem in anderen Gebieten, beispielsweise zur Stromerzeugung oder in einem Klimagerät eingesetzt wird.
Das prognostizierte Leistungsprofil PLP wird von einem Profilgenerator 422 erzeugt, welche auf Basis von Soll-Daten SD, beispielsweise einer von einem Navigationsgerät 450 erzeugten Soll- Route SR einschließlich Strecken- und Höhenprofilen, von weiteren, insbesondere von einem Profilspeicher 460 bereitgestellten Profildaten PD, wie beispielsweise Nutzerprofilen PN, Fahrzeugprofilen PF, Maschinenprofilen PM und dergleichen Profildaten, sowie von einer Messeinheit 440 bereitgestellten Ist-Daten ID, wie beispielsweise einer Ist-Position IP, Wetterdaten WD und Umgebungsdaten UD das prognostizierte Leistungsprofil PLP berechnet. Die von der Messeinheit 440 bereitgestellten Ist-Daten müssen nicht notwendigerweise über einen Sensor ermittelt werden, sondern können beispielsweise auch über einen Dienst, beispielsweise einen Webdienst für Wetterdaten, bereitgestellt werden. Bei der Berechnung des prognostizierten Leistungsprofils PLP wird berechnet, mit welcher voraussichtlichen Leistung in welcher Zeit ein Zielzustand ZZ, insbesondere eine Soll-Position SP, erreicht werden kann. Für den Fall, dass das Brennstoffzellensystem 1000 in einem Fahrzeug eingesetzt wird, wird in dem Profilgenerator 422 berechnet, mit welcher voraussichtlichen Antriebsleistung unter Berücksichtigung aller relevanten Umstände eine Soll-Position SP einer Soll-Route SR erreicht werden kann. Hierbei kann die Soll-Route SR auch in einzelne Soll-Routen-Segmente SRS aufgeteilt werden, und die Berechnung für jedes einzelne Soll-Routen-Segment SRS mit jeweils einer Segment-Soll-Position SSP durchgeführt werden. Die Bestimmung des prognostizierten Leistungsprofils PLP ist daher besonders geeignet bei Anwendungen, bei denen der voraussichtliche Betrieb und die damit einhergehenden Betriebsbedingungen vorhersehbar ist, insbesondere ein sich wiederholendes Muster aufweisen. Dies ist insbesondere der Fall, wenn das Brennstoffzellensystem 1000 mit als Antrieb 202 ausgebildeten Verbraucher 200 in einem im geplanten Betrieb operierenden Fahrzeug, wie beispielsweise einer Bahn, einem Minen-Lkw, oder einem Linienschiff eingesetzt wird.
Es kann die Bereitstellung von bestimmten Soll-Daten und bestimmten Ist-Daten auch aus einem einzigen Gerät, beispielsweise dem Navigationsgerät, erfolgen.
Auf Basis des prognostizierten Leistungsprofils PLP wird anschließend in einer Energiebestimmungseinheit 424 die gesamte Energiemenge EZZ berechnet, die zur Erfüllung des prognostizierten Leistungsprofils PLP benötigt wird. Insbesondere kann die Berechnung der Energiemenge EZZ, wenn man das prognostizierte Leistungsprofil PLP als einen über die Zeit aufgetragene Verlauf der benötigten Leistung betrachtet, gebildet werden, indem diese Kurve über den gesamten Zeitraum integriert wird.
Auf Basis der Energiemenge EZZ und des über den Messeingang 404 übermittelten Ladezustand LZ wird in einer Vorgabeeinheit 426 eine Leistungsvorgabe LV für die Brennstoffzelle 100 berechnet und über den Steuereingang 110 an diese übermittelt, damit die Brennstoffzelle 100 mit einer den Anforderungen entsprechenden Brennstoffzellen-Leistung PB, beispielsweise in einem wirkungsgrad-verbesserten Betrieb BPA mit einer herabgesetzten Brennstoffzellen- Leistung PA, oder einem wirkungsgradoptimalen Betrieb BPO mit einer wirkungsgradoptimalen Brennstoffzellen-Leistung PBO betrieben werden kann. Dazu kann eine Wirkungsgradkennlinie KL mit dem Verlauf des Wirkungsgrades WG einer Brennstoffzelle 100 dienen wie sie in Fig. 7 gezeigt ist - d.h. aufgetragen ist der Verlauf des Wirkungsgrades WG über die Brennstoffzellen- Leistung BP, vorliegend als relative Nominalleistung PREL auf der x-Achse in Prozent.
Weiterhin weist die vorliegende Ausführungsform der Steuereinrichtung 400 einen Regelungs- Signalgenerator 428 auf, welche die über den Steuereingang 402 übermittelte Leistungsanforderung LA in ein Regelungssignal RS, insbesondere ein Antriebssignal AS umwandelt und dieses über den Regelungsausgang 408 und weiter den Regelungsanschluss 208 des Verbrauchers 200 übermittelt.
FIG. 7 zeigt eine schematische Darstellung der Wirkungsgradkennlinie KL mit dem Verlauf des Wirkungsgrades WG einer Brennstoffzelle 100, aufgetragen über die Brennstoffzellen-Leistung BP, vorliegend als relative Nominalleistung PREL auf der x-Achse in Prozent. Sichtbar ist, dass bereits bei ca. 10 % der relativen Nominalleistung PREL der Wirkungsgrad WG sein Maximum —als optimaler Wirkungsgrad WGO bei einem Wert von ca. 0,65— besitzt. Hier liegt daher die wirkungsgradoptimale Brennstoffzellen-Leistung PBO für einen insofern wirkungsgradoptimalen Betrieb BPO; diese wirkungsgradoptimale Brennstoffzellen-Leistung PBO fällt vergleichsweise gering aus bei ca. 10 % der relativen Nominalleistung PREL
Zu einer größeren relativen Nominalleistung PREL hin nimmt der Wirkungsgrad WG aber ab; bei 100% der relativen Nominalleistung PREL liegt der Wert des Wirkungsgrades WG dagegen bei nur noch ca. 0,4. 100% der relativen Nominalleistung PREL werden hier als Ausgangs- Brennstoffzellen-Leistung PK für eine leistungsnominale Brennstoffzellen-Leistung PBK bei einem insofern leistungsnominalen Betrieb BPK bezeichnet.— Dies bedeutet, dass ausgehend von der wirkungsgradoptimalen Brennstoffzellen-Leistung PBO zwar die Ausgangsleistung der Brennstoffzelle zunimmt, deren Effizienz jedoch abnimmt; d.h. der Wert des Wirkungsgrads WG nimmt ab.
Vorliegend ist für eine Leistungsvorgabe LV eine gegenüber 100% der relativen Nominalleistung PREL, d.h. gegenüber dem vollem Wert der relativen Nominalleistung PREL, herabgesetzte Brennstoffzellen-Leistung PA für einen insofern wirkungsgrad-verbesserten Betrieb BPA bei 60 % der relativen Nominalleistung PREL für eine Leistungsvorgabe LV beispielhaft eingezeichnet. Die gegenüber der vollen (100%) relativen Nominalleistung PREL herabgesetzte Brennstoffzellen-Leistung PA ist also um einen Anpassbetrag PAN von 40% von einer Ausgangs- Brennstoffzellen-Leistung PK -hier entsprechend 100% der relativen Nominalleistung PREL— herabgesetzt, um gemäß dem Konzept der Erfindung einen verbesserten Wirkungsgrad zu erreichen.
Sollte der Ladezustand LZ in diesem Falle nochmals höher sein, könnte die herabgesetzte Brennstoffzellen-Leistung PA für eine Leistungsvorgabe LV entsprechend geringer ausfallen gegenüber der vollen (100%) relativen Nominalleistung PREL, insbesondere nochmals geringer als die aktuelle Leistung (<100% PREL), zugunsten eines höheren Wirkungsgrads oder noch höheren Wirkungsgrads WG, da in diesem Fall ein größerer oder noch größerer Anteil zur Bereitstellung der Leistungsabgabe aus dem Energiespeicher entnommen werden könnte. Der Anpassbetrag PAN wäre in dem Fall insbesondere noch höher im Vergleich zu dem genannten Anpassbetrag von 40% für eine Leistungsvorgabe LV bei 60 % der relativen Nominalleistung PREL. Kurz gesagt bedeutet dies, dass für einen wirkungsgrad-verbesserten Betrieb BPA die Leistungsvorgabe LV derart erfolgt, dass möglichst -d.h. abhängig vom Ladezustand LZ des Energiespeichers 300— der Wirkungsgrad (WG) gemäß erhöht ist gegenüber dem Wirkungsgrad bei Nominalleistung PREL oder dem aktuellen Wirkungsgrad. Für den wirkungsgrad verbesserten Betrieb BPA gibt die Leistungsvorgabe LV also möglichst -abhängig vom Ladezustand LZ des Energiespeichers 300— eine herabgesetzte Brennstoffzellen-Leistung PA vor, der ein erhöhter Wirkungsgrad WG entspricht gemäß der Wertangaben zum Wirkungsgrad WG, insbesondere als eine Kennlinie KL, in Abhängigkeit der Brennstoffzellen-Leistung PB. Im Betrieb und damit im Rahmen der Steuerung gibt also insbesondere die Leistungsvorgabe LV möglichst eine gegenüber der vollen (100%) relativen Nominalleistung PREL oder aktuellen Leistung herabgesetzte Brennstoffzellen-Leistung PA derart vor, dass der Wirkungsgrad WG gemäß der Wertangaben erhöht ist gegenüber dem Wirkungsgrad bei Nominalleistung PREL oder dem aktuellen Wirkungsgrad.
FIG. 8 zeigt einen schematischen Verlauf eines Ladezustands LZ über verschiedene Zeitintervalle TI und Betriebsphasen. Hierbei wird beispielhaft Bezug auf eine Anwendung eines Brennstoffzellensystems 1000 gemäß dem Konzept der Erfindung in einem nicht näher dargestellten Fahrzeug genommen. Der Verbraucher 200 ist daher als elektrischer Antrieb 202 ausgebildet.
In einem ersten Zeitintervall TI1 befindet sich das Fahrzeug zunächst in einem Ruhezustand P, und der Ladezustand LZ ist gleich dem oberen Ladezustand LZH; das Brennstoffzellensystem 1000 befindet sich daher in einem Ruhe-Betriebsmodus BM0, in dem die Brennstoffzelle 100 in einem Ruhe-Betrieb BPN keine Energie erzeugt. Der Ladezustand LZ weist daher im ersten Zeitintervall TI1 einen konstanten Verlauf auf.
Im Anschluss daran fährt das Fahrzeug in einem zweiten Zeitintervall TI2 eine erste Fahrt Fl, wobei in einem ersten Betriebsmodus BMI die Brennstoffzelle 100 in einem wirkungsgradoptimalen Betrieb BPO betrieben wird. Da die zum Antrieb des Fahrzeugs benötigte Leistung größer ist als die von der Brennstoffzelle 100 erzeugte Leistung, nimmt in diesem zweiten Zeitintervall TI2 der Ladezustand LZ bis zum Zielzustand ZZ1 der Fahrt Fl in Form der Soll-Position SP1, kontinuierlich ab. Der Verlauf des Ladezustands LZ ist in FIG. 8 stark vereinfachend linear dargestellt. Die Steigung des Verlaufs des Ladezustands LZ stellt somit die Leistungsbilanz der Brennstoffzelle 100 und des Verbrauchers 200 dar.
In einem anschließenden dritten Zeitintervall TI3 befindet sich das Fahrzeug nach der ersten Fahrt Fl wieder in einem Ruhezustand P. Die Brennstoffzelle 100 wird jedoch - in einem zweiten Betriebsmodus BM2 des Brennstoffzellensystems 1000 - weiter im wirkungsgradoptimalen Betrieb BPO betrieben, bis der Energiespeicher 300 wieder seinen oberen Ladezustand LZH erreicht hat.
Nach Erreichen des oberen Ladezustands LZH wird das Brennstoffzellensystem 1000 in einem vierten Zeitintervall TI4 wieder im Ruhe-Betriebsmodus BM0 betrieben, in dem die
Brennstoffzelle 100 in einem Ruhe-Betrieb BPN keine elektrische Energie erzeugt, und der Energiespeicher somit keinen - möglicherweise für den Energiespeicher schädlichen - maximalen Ladezustand LZMAX erreicht. Folglich weist der Ladezustand LZ im vierten Zeitintervall T4 wieder einen konstanten Verlauf auf.
In einem fünften Zeitintervall TI5 beginnt eine zweite Fahrt F2 des Fahrzeugs, die aufgrund von Fahrt- und Streckenbedingungen, wie beispielsweise Höhenunterschieden, durchschnittlicher Fahrtgeschwindigkeit, Gegenwind und ähnlichem, eine höhere Antriebsleistung erfordert als noch bei der ersten Fahrt Fl im zweiten Zeitintervall TI2, und somit das Brennstoffzellensystem 1000 eine höhere Leistungsabgabe PO bereitstellen muss. In FIG. 8 ist dies vereinfacht durch einen steiler abfallenden linearen Verlauf des Ladezustands LZ dargestellt. Das Brennstoffzellensystem 1000 wird dennoch im ersten Betriebsmodus BMI betrieben, in dem sich die Brennstoffzelle 100 in dem wirkungsgradoptimalen Betrieb BPO befindet. Aufgrund der höheren erforderlichen Antriebsleistung während der zweiten Fahrt F2 befindet sich der Ladezustand LZ des Energiespeichers 300 bereits vor Abschluss der zweiten Fahrt F2, nämlich am Ende des fünften Zeitintervalls TI5, an seinem unteren Ladezustand LZL. Damit sich der Energiespeicher 300 nicht weiter entleert und insbesondere keinen - möglicherweise für den Energiespeicher schädlichen - minimalen Ladezustand LZMIN erreicht, wird die Steuereinrichtung 400 während eines sechsten Zeitraums TI6 die Brennstoffzelle 100 in einem dritten Betriebsmodus BM3 in einen Regenerations-Betrieb BPR auf eine Regenerations- Brennstoffzellen-Leistung PBR umgeschaltet, in dem die Brennstoffzelle 100 mehr Leistung produziert, als für den Antrieb des Fahrzeugs benötigt wird, sodass über den Antrieb des Fahrzeugs hinaus der Energiespeicher 300 während der Fahrt F2 aufgeladen werden kann. Die Regenerations-Brennstoffzellen-Leistung PBR liegt somit oberhalb der wirkungsgradoptimalen Brennstoffzellen-Leistung PBO. Bei der Regenerations-Brennstoffzellen-Leistung PBR ist also der Wirkungsgrad der Brennstoffzelle 100 nicht so hoch wie bei der wirkungsgradoptimalen Brennstoffzellen-Leistung PBO, jedoch ist die absolute elektrische Ausgangsleistung der Brennstoffzelle 100 höher. Am Ende des sechsten Zeitintervalls TI6 ist der Energiespeicher 300 wieder bis zum oberen Ladezustand LZH geladen. Die zweite Fahrt F2 ist auch an diesem Zeitpunkt mit Erreichen des Zielzustands ZZ2 in Form der Soll-Position SP2 beendet.
In einem siebten Zeitintervall TI7 werden drei verschiedene mögliche Betriebsmodi BM des Brennstoffzellensystems 1000 in einem jeweils unterschiedlichen Betrieb BP der Brennstoffzelle 100 vergleichend dargestellt. Grundlage ist eine Vergleichsfahrt F2‘, die denselben Fahrt- und Streckenbedingungen wie die zweite Fahrt F2 unterliegt. Für die gesamte Vergleichsfahrt F2‘ wird eine Energiemenge EZZ für eine zu erwartende, verbleibende Fahrtzeit TV benötigt. Die Energiemenge EZZ entspricht für jeden der drei Betriebsmodi BM der Fläche unter dem jeweiligen Verlauf des Ladezustands LZ im Sinne eines Integrals. Würde die Vergleichsfahrt F2‘ im Ruhe-Betriebsmodus BM0 betrieben, bei dem sich die Brennstoffzelle 100 in ihrem Ruhe- Betrieb BPN befindet, würde der Ladezustand LZ bereits zu einem Zeitpunkt T7.1 den unteren Ladezustand LZL erreichen. Das Brennstoffzellensystem 1000 müsste daher, damit das Fahrzeug weiterfahren kann, beispielsweise wie im sechsten Zeitintervall TI6 in den dritten Betriebsmodus BM3 schalten, in dem die Brennstoffzelle 100 in dem Regenerations-Betrieb BPR betrieben wird.
Auch im ersten Betriebsmodus BMI, in dem die Brennstoffzelle 100 im Wirkungsgrad optimalen Betrieb BPO betrieben wird, ist die benötigte Energiemenge EZZ noch zu groß, um die Vergleichsfahrt F2‘ vollständig mit der Kapazität des Energiespeichers 300 zu bewerkstelligen. Auch hier erreicht der Ladezustand LZ der Batterie 300 bereits vor Beendigung der Vergleichsfahrt F2‘ an einem Zeitpunkt T7.2 den unteren Ladezustand LZL. Analog zum vorherigen Beispiel müsste auch hier, um die Fahrt weiterzuführen, der Betriebsmodus BM entsprechend gewechselt werden.
Ein verbesserter Ansatz, wie er auch in FIG. 5 beschrieben ist, ist hier in FIG. 9 in einem vierten Betriebsmodus BM4 dargestellt. In diesem vierten Betriebsmodus BM4 wird zu Beginn der Vergleichsfahrt F2‘ aufgrund der Kenntnis über die bevorstehende Fahrt (insbesondere auf Basis von Daten eines Navigationsgeräts des Fahrzeugs) ein prognostiziertes Leistungsprofil PLP erstellt, das sämtliche relevante, zu erwartende Fahrt- und Streckenbedingungen berücksichtigt. Auf Basis des prognostizierten Leistungsprofil PLP kann - optional unter zusätzlicher Berücksichtigung einer bestimmten zusätzlichen Energiemenge EZZS als Sicherheitspuffer - die benötigte Energiemenge EZZ im Voraus abgeschätzt werden.
Durch die Kenntnis über die für die Vergleichsfahrt F2‘ - zum Erreichen des Zielzustands ZZ2‘ in Form der Soll-Position SP2‘ - erforderliche Energiemenge EZZ kann nun die Steuereinrichtung 400 eine herabgesetzte Brennstoffzellen-Leistung PA für einen wirkungsgrad verbesserten Betrieb BPA der Brennstoffzelle 100 durch ermittelt werden, bei dem die Kapazität des hier als Batterie 302 ausgebildeten Energiespeichers 300 - insbesondere unter Berücksichtigung des aktuellen Ladezustands LZ - hinreichend genau ausreicht. Auch wenn bei dieser herabgesetzten Brennstoffzellen-Leistung PA die Brennstoffzelle 100 nicht in ihrem Wirkungsgrad-Optimum betrieben wird, so stellt die herabgesetzten Brennstoffzellen-Leistung PA jedoch die - unter diesen konkreten Bedingungen - auf der Kennlinie KL nächstmöglich an der wirkungsgradoptimalen Brennstoffzellen-Leistung PBO liegende Brennstoffzellen-Leistung PB dar.
Auf diese Weise kann das Brennstoffzellensystem 1000 also vorteilhaft in einem - für einen individuellen Anwendungsfall, hier die Vergleichsfahrt F2‘ - größtmöglichen Wirkungsgrad der Brennstoffzelle 100 betrieben werden.
FIG. 9 zeigt ein Fahrzeug 2000 mit einem Brennstoffzellensystem 1000 gemäß dem Konzept der Erfindung. Das Fahrzeug weist vier Räder 1010 auf, von denen hier zwei sichtbar sind. Vorliegend wird jedes Rad von einem Verbraucher 200 in Form eines elektrischen Antriebs 202 angetrieben. Der Sollwertgeber 500 ist vorliegend als Gaspedal 501 ausgebildet, über diesen wird eine Leistungsanforderung LA an die Steuereinrichtung 400 geleitet. Dieser generiert eine Leistungsvorgabe LV für die Brennstoffzelle 100. Die Brennstoffzelle 100 wird daraufhin in einem entsprechenden Betrieb BP betrieben, um elektrische Energie für die Antriebe 202 und den als Batterie 300 ausgebildeten Energiespeicher 300 zu erzeugen.
BEZUGSZEICHENLISTE
100 Brennstoffzelle
102 Brennstoffzellenstapel
104 V ersorgungsleitung
106 Speicherleitung
108 Pufferleitung
110 Steuereingang
124, 124‘ thermische Versorgungsleitung 124A weitere thermische Versorgungsleitung 126 thermische Speicherleitung 128 thermische Pufferleitung 130 Fahrzeugkühler 132 Kühlleitung 134 Kühlmedium 136 Weiche 138 Kühlrückleitung
138.1, 138.2, erste bis dritte Kühlrückleitung 138.3 140 Abgabeanschluss 150 thermischer Abgabeanschluss 200 Verbraucher 201 elektrischer Verbraucher 202 elektrischer Antrieb 208 Regelungsanschluss 240 thermischer Abnehmer 242 Klimagerät 244 Heizung 246 Kältemaschine 248 Abnehmer- Steueranschluss 250 Hauptwärmetauscher 252 Gerätwärmetauscher 254 Klimaanlage 60 Hauptkreislauf 62 Gerätkreislauf 64 Kaltluftleitung 00 Energiespeicher 02 Batterie 04 Wärmespeicher 06 Messanschluss
326 Speicher-Messanschluss 00, 400‘, Steuereinrichtung 00“ 02 Steuereingang 04 Messeingang
406 Steuerausgang
408 Regelungsausgang
410 zweiter Steuereingang
420 Vorausschauender Beobachter, Prognoseeinheit
422 Profilgenerator
424 Energiebestimmungseinheit
426 Vorgabeeinheit
428 Regelungs- S ignalgenerator
440 Messeinheit
450 Navigationsgerät
460 Profilspeicher
500 Sollwertgeber
501 Gaspedal
502 Automatisierter Fahrregler
521 Thermostat
522 Klimaanlagen-Regelgerät
1000, 1000’, Brennstoffzellensystem 1000”
1010 Rad
2000 Fahrzeug
3000, 3000‘ Klimasystem AIR Luft
AIRRES Restluft
AS Antriebssignal
BM Betriebsmodus
BMO Ruhe-B etrieb smodus
BMI -4 erster bis vierter Betriebsmodus
BP Betrieb der Brennstroffzelle
BPA Wirkungsgrad- verbesserter Betrieb
BPN Ruhe-Betrieb
BPO wirkungsgradoptimaler Betrieb
BPK leistungsnominaler Betrieb
BPR Regenerations-B etrieb
D Antrieb
E Energie, von der Brennstoffzelle erzeugte Energiemenge
EE elektrische Energie, elektrische Energiemenge
EM im Energiespeicher gespeicherte Energiemenge, Speicherenergiemenge
EMT thermische Speicherenergiemenge
ET thermische Energiemenge
ES Energiespeicher
EZZ Zum Erreichen eines Zielzustands benötigte Energiemenge, Energiehorizont
F Fahrt
Fl, F2 erste, zweite Fahrt F2‘ Vergleichsfahrt
H2 Wasserstoff
H20 Wasser
HZ Heizung
ID Ist-Datum, Ist-Daten
IP Ist-Position
KL Wirkungsgradkennlinie
KM Kältemaschine
LA Leistungsanforderung
LV Leistungsvorgabe
LZ Ladezustand LZT thermischer Ladezustand
LZH oberer Ladezustand
LZL unterer Ladezustand
LZMAX Maximaler Ladezustand
LZMIN Minimaler Ladezustand
02 Sauerstoff
P Ruhezustand
PI, P2, P3 erste bis dritte Weichenstellung
PA herabgesetzte Brennstoffzellen-Leistung
PAN Anpassbetrag
PB Brennstoffzellen-Leistung
PBO wirkungsgradoptimale Brennstoffzellen-Leistung
PBR Regenerations-Brennstoffzellen-Leistung
PBT thermi sehe Brennstoffzellen-Lei stung
PD Profildatum, Profildaten
PF Fahrzeugprofil
PFP Prognostiziertes Fahrprofil
PLP Prognostiziertes Leistungsprofil
PK Ausgangs-Brennstoffzellen-Lei stung
PBK leistungsnominale Brennstoffzellen-Leistung
PM Maschinenprofil
PN Nutzerprofil
PO Leistungsabgabe
PS Speicher-Lei stung
PST thermische Speicher-Leistung
PT thermische Leistungsabgabe
PREL Relative Nominalleistung
RF1 Rückführungspunkt
RS Regelungs-Signal
S1 - S4 erster bis vierter Schritt des ersten Verfahrensablaufs Sil - S14 erster bis vierter Schritt des zweiten Verfahrensablaufs
SD Soll-Datum, Soll-Daten
SP Soll-Position
SP1, SP2, SP2‘ erste, zweite Soll-Position
SR Soll-Route
SRS S oll-Routen- S egment
SSP Segment-Soll-Position
T Zeitpunkt
TI Zeitintervall
TI1 - TI7 erstes bis siebtes Zeitintervall
TV zu erwartende, verbleibende Fahrtzeit
UD Umgebungsdaten
VI, V2 erste, zweite Verzweigung des ersten Verfahrensablaufs VI 1 Verzweigung des zweiten Verfahrensablaufs WD Wetterdatum, Wetterdaten WG Wirkungsgrad

Claims

ANSPRÜCHE
1. Brennstoffzellensystem (1000, 1000’, 1000”) zum Bereitstellen einer Leistungsabgabe (PO), aufweisend: eine Brennstoffzelle (100) zum Erzeugen einer Energiemenge (E, EE, ET) für die Leistungsabgabe (PO) und einen Energiespeicher (300) zum Speichern der Energiemenge (E, EE, ET), eine Steuereinrichtung (400, 400’, 400”) zum Steuern der Brennstoffzelle (100), die ausgebildet ist eine Leistungsvorgabe (LV) für die Brennstoffzelle (100) zum Steuern der Leistungsabgabe (PO) vorzugeben, wobei
- der Brennstoffzelle (100) ein Wirkungsgrad (WG) in Abhängigkeit einer Brennstoffzellen- Leistung (PB) zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass
- für einen wirkungsgrad-verbesserten Betrieb (BPA) die Leistungsvorgabe (LV) abhängig vom Ladezustand (LZ) des Energiespeichers (300) ist.
2. Brennstoffzellensystem (1000, 1000’, 1000”) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für die Steuereinrichtung (400, 400’, 400”) Wertangaben zum Wirkungsgrad (WG), insbesondere als eine Kennlinie (KL), in Abhängigkeit der Brennstoffzellen-Leistung (PB) bereitgestellt sind.
3. Brennstoffzellensystem (1000, 1000’, 1000”) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass für den wirkungsgrad-verbesserten Betrieb (BPA) die Leistungsvorgabe (LV) eine herabgesetzte Brennstoffzellen-Leistung (PA) vorgibt, der ein erhöhter Wirkungsgrad (WG) entspricht gemäß der Wertangaben, insbesondere die Leistungsvorgabe (LV) eine gegenüber der vollen (100%) relativen Nominalleistung (PREL) oder aktuellen (<100% PREL) Leistung herabgesetzte Brennstoffzellen-Leistung (PA) derart vorgibt, dass der Wirkungsgrad (WG) gemäß der Wertangaben erhöht ist gegenüber dem Wirkungsgrad bei Nominalleistung (PREL) oder dem aktuellen Wirkungsgrad.
4. Brennstoffzellensystem (1000, 1000’, 1000”) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dassein Anpassbetrag (PAN) der herabgesetzten Brennstoffzellen-Leistung (PA) abhängig vom Ladezustand (LZ) des Energiespeichers (300) ist.
5. Brennstoffzellensystem (1000, 1000’, 1000”) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungsvorgabe (LV) für den wirkungsgrad-verbesserten Betrieb (BPA) bestimmt wird, wenn der Ladezustand (LZ) des Energiespeichers (300) oberhalb eines unteren Ladezustands (LZL) und/oder unterhalb eines oberen Ladezustands (LZH) liegt.
6. Brennstoffzellensystem (1000, 1000’, 1000”) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (400, 400’, 400”) in dem Betrieb ausgebildet ist, eine Leistungsanforderung (LA) anzunehmen.
7. Brennstoffzellensystem (1000, 1000’, 1000”) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungsvorgabe (LV) für den wirkungsgrad-verbesserten Betrieb (BPA) in Abhängigkeit eines Ladezustands (LZ) des Energiespeichers (300) derart erfolgt, dass die Leistungsabgabe (PO) der Leistungsanforderung (LA) entspricht.
8. Brennstoffzellensystem (1000, 1000’, 1000”) nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Bestimmen der Leistungsvorgabe (LV) für den wirkungsgrad- verbesserten Betrieb (BPA) derart erfolgt, dass sich die Leistungsanforderung (LA) aus der Leistungsvorgabe (LV) und dem Ladezustand (LZ) des Energiespeichers (300) ergibt.
9. Brennstoffzellensystem (1000, 1000’, 1000”) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bestimmen der Leistungsvorgabe (LV) für den wirkungsgrad- verbesserten Betrieb (BPA) derart erfolgt, dass sich eine zum Erreichen eines Zielzustands (ZZ) benötigte Ziel-Energiemenge (EZZ) für einen in der Zukunft liegenden Prognosezeitraum (TP) aus der Leistungsvorgabe (LV) und dem Ladezustand (LZ) des Energiespeichers (300) ergibt.
10. Brennstoffzellensystem (1000, 1000’, 1000”) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Bestimmen der Leistungsvorgabe (LV) derart erfolgt, dass die Ziel-Energiemenge (EZZ) in Abhängigkeit eines prognostizierten Leistungsprofils (PLP), insbesondere eines prognostizierten Fahrprofils (PFP), zu bestimmen.
11. Brennstoffzellensystem (1000, 1000’, 1000”) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Bestimmen der Leistungsvorgabe (LV) derart erfolgt, dass das prognostizierte Leistungsprofil (PLP) auf Basis einer oder mehrerer Ist-Daten (ID), insbesondere einer Ist- Position (IP), und einem oder mehreren Soll-Daten (SD), insbesondere einer oder mehrerer Soll- Positionen (SP) oder Segment-Soll-Positionen (SSP), berechnet wird.
12. Brennstoffzellensystem (1000, 1000’, 1000”) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbraucher (200) ein elektrischer Antrieb (202) und der Energiespeicher (300) eine Batterie (302) ist.
13. Brennstoffzellensystem (1000, 1000’, 1000”) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoffzellensystem (1000, 1000’, 1000”) ausgebildet ist zum Bereitstellen einer thermischen Leistungsabgabe (PT).
14. Brennstoffzellensystem (1000, 1000’, 1000”) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (400, 400’, 400”) ausgebildet ist, eine weitere Leistungsanforderung in Form einer thermischen Leistungsanforderung (LAT) anzunehmen und die Leistungsvorgabe (LV) in Abhängigkeit der thermischen Leistungsanforderung (LAT) zu bestimmen.
15. Brennstoffzellensystem (1000, 1000’, 1000”) nach Anspruch 7 oder 8, weiter aufweisend einen als Wärmespeicher (304) ausgebildeten Energiespeicher (300).
16. Brennstoffzellensystem (1000, 1000’, 1000”) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (400, 400’, 400”) ausgebildet ist, die Leistungsvorgabe (LV) bevorzugt in einem Bereich zwischen 5 % und 15 %, besonders bevorzugt bei 10 %, der Brennstoffzellen-Leistung (PB) vorzugeben.
17. Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellensystems (1000, 1000’, 1000”), insbesondere eines Brennstoffzellensystems (1000, 1000’, 1000”) zum Bereitstellen einer Leistungsabgabe (PO) nach einem der Ansprüche 1 bis 16, wobei das Brennstoffzellensystem aufweist: eine Brennstoffzelle (100) zum Erzeugen einer Energiemenge (E, EE, EM, ET) für die Leistungsabgabe (PO) und einen Energiespeicher (300) zum Speichern der Energiemenge (E, EE, ET), eine Steuereinrichtung (400, 400’, 400”), die ausgebildet ist in einem Betrieb zum Steuern der Brennstoffzelle (100), wobei der Brennstoffzelle (100) ein Wirkungsgrad (WG) in Abhängigkeit einer Brennstoffzellen- Leistung (PB) zugeordnet ist, und das Verfahren den Schritt aufweist:
Vorgeben einer Leistungsvorgabe (LV) für die Brennstoffzelle (100) zum Steuern der Leistungsabgabe (PO), dadurch gekennzeichnet, dass für einen wirkungsgrad-verbesserten Betrieb (BPA) die Leistungsvorgabe (LV) abhängig vom Ladezustand (LZ) des Energiespeichers (300) erfolgt.
18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass für die Steuereinrichtung (400, 400’, 400”) Wertangaben zum Wirkungsgrad (WG), insbesondere als eine Kennlinie (KL), in Abhängigkeit der Brennstoffzellen-Leistung (PB) bereitgestellt werden.
19. Brennstoffzellensystem (1000, 1000’, 1000”) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass für den wirkungsgrad-verbesserten Betrieb (BPA) die Leistungsvorgabe (LV) eine herabgesetzte Brennstoffzellen-Leistung (PA) vorgibt, der ein erhöhter Wirkungsgrad (WG) entspricht gemäß der Wertangaben, insbesondere die Leistungsvorgabe (LV) eine gegenüber der vollen (100%) relativen Nominalleistung (PREL) oder aktuellen (<100% PREL) Leistung herabgesetzte Brennstoffzellen-Leistung (PA) derart vorgibt, dass der Wirkungsgrad (WG) gemäß der Wertangaben erhöht ist gegenüber dem Wirkungsgrad bei Nominalleistung (PREL) oder dem aktuellen Wirkungsgrad.
20. Brennstoffzellensystem (1000, 1000’, 1000”) nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass ein Anpassbetrag (PAN) der herabgesetzten Brennstoffzellen-Leistung (PA) abhängig vom Ladezustand (LZ) des Energiespeichers (300) ist.
21. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungsvorgabe (LV) in Abhängigkeit der Leistungsanforderung (LA) bestimmt wird.
22. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungsvorgabe (LV) bestimmt wird, dass eine zum Erreichen eines Zielzustands (ZZ) benötigte Ziel-Energiemenge (EZZ) für einen in der Zukunft liegenden Prognosezeitraum (TP) erfüllt wird.
23. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Ziel- Energiemenge (EZZ) in Abhängigkeit eines prognostizierten Leistungsprofils (PLP), insbesondere eines prognostizierten Fahrprofils (PFP), bestimmt wird.
24. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass das prognostizierte Leistungsprofil (PLP) auf Basis einer oder mehrerer Ist-Daten (ID), insbesondere einer Ist-Position (IP), und einem oder mehreren Soll-Daten (SD), insbesondere einer oder mehrerer Soll-Positionen (SP) oder Segment-Soll-Positionen (SSP), berechnet wird.
25. Fahrzeug (2000) mit einem Brennstoffzellensystem (1000, 1000’, 1000”) nach einem der Ansprüche 1 bis 16 und einem als elektrischer Antrieb (202) ausgebildeten Verbraucher (200).
26. Fahrzeug (2000) nach Anspruch 25, weiter aufweisend einen thermischen Abnehmer (240).
27. Klimasystem (3000) mit einem Brennstoffzellensystem (1000, 1000’, 1000”) nach einem der Ansprüche 1 bis 16 und einem thermischen Abnehmer (240).
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