WO2022017910A1 - Vorrichtung und verfahren zur leistungsaufteilung von brennstoffzellensystemen in einem fahrzeug - Google Patents

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WO2022017910A1
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Markus Ruf
Martin Arendt
Hannah Staub
Patrick Arnold
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Volkswagen Ag
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Definitions

  • the invention relates to a device for power splitting of fuel cell systems in a vehicle, the device having: a first fuel cell system and at least one further fuel cell system, which are set up to convert hydrogen and oxygen into water in order to generate electrical energy therefrom; and a control unit that is set up to control the first fuel cell system and the further fuel cell system with an electrical signal.
  • a fuel cell system with fuel cell modules is known from publication US 2005/112428 A1, each of which is controlled by a local controller.
  • a main controller controls each of the local controllers according to the general system requirements.
  • a fuel cell system with fuel cell modules is known from US Pat. No. 7,166,985 B1, which are networked with one another in such a way that each module is connected to a main controller.
  • a fuel cell system is known from publication WO 2004/100298 A1, which has a pulse switch, a controller and voltage clamping devices.
  • a fuel cell system can be formed from one or more fuel cells.
  • Fuel cells use the chemical reaction of a fuel, for example hydrogen with oxygen to form water, to generate electrical energy.
  • the core component of fuel cells is what is known as a membrane-electrode assembly (MEA), which consists of an ion-conducting membrane and a catalytic electrode (anode and cathode) arranged on both sides of the membrane.
  • MEA membrane-electrode assembly
  • the latter mostly includes supported noble metals, in particular platinum, which serve as catalysts.
  • a fuel cell is usually formed from a large number of MEAs arranged in a stack.
  • the load point of such a fuel cell system is set to be constant.
  • Various power distributions between the fuel cell system and the battery system are possible. In the case of several fuel cell systems, a power distribution is often set in such a way that all active systems are operated with identical power. However, such a fuel cell system and a corresponding battery system are subject to continuously progressing (reversible) degradation.
  • the electrode surfaces (ie the catalyst surfaces) of a fuel cell allocated to the system are passivated over time by platinum oxide loading (PtC>2, PtC or PtO x for short), depending on the cell voltage.
  • PtC>2, PtC or PtO x for short platinum oxide loading
  • This PtO x build-up process is unavoidable and part of normal operation.
  • the greater the PtO x loading the greater the voltage losses.
  • the PtO x -based voltage loss behaves logarithmically. by changing When the load point is moved, a new cell voltage sets in and PtO x conversion processes take place.
  • the object on which the invention is based is seen as providing an improved power distribution of fuel cell systems in a vehicle, so that a battery system is not additionally loaded and efficient conversion of PtO x is ensured. This object is achieved by a device for splitting the power of fuel cell systems in a vehicle with the features of patent claim 1 and by a method with the features of claim 11.
  • a device for power splitting of fuel cell systems in a vehicle having: a first fuel cell system and at least one further fuel cell system which are set up to convert hydrogen and oxygen into convert water to generate electrical energy; and a control unit that is set up to control the first fuel cell system and the further fuel cell system with an electrical signal. It is provided that the device is also set up to control the first fuel cell system and the further fuel cell system with the electrical signal at different times.
  • the fuel cell systems are controlled and operated differently from one another by the time-delayed electrical signal. This makes it possible to provide a time-varying power distribution between the first fuel cell system and the further fuel cell system.
  • the electrical signal can be used to modulate the electrical energy generated by the first fuel cell system and the further fuel cell system, in particular a first electrical current generated by the first fuel cell system and a further electrical current generated by the further fuel cell system. This makes it possible to set the currents of the fuel cell systems differently from one another.
  • the first electrical current and the other electrical current can be modulated in such a way that a total power from a first electrical power generated by the first fuel cell system and one by the other fuel cell system generated additional electrical power is at least partially constant over time, or corresponds to a predetermined power requirement.
  • the additional fuel cell system can compensate for a loss of power in the first fuel cell system during PtO x conversion and vice versa.
  • the performance of the fuel cell systems is kept constant overall, so that no additional power compensation from a battery system is required.
  • the battery system is therefore not subjected to an increased load. It is therefore not a hardware ware adjustment necessary, only a changed operating setting to operate the fuel cell systems.
  • an oscillation offset in time can be applied to the first electric current and to the further electric current by the electric signal.
  • a voltage in the first fuel cell system and a voltage in the further fuel cell system can be temporarily varied, in particular increased or decreased.
  • PtO x builds up more slowly than it breaks down.
  • the constant PtO x conversion therefore results in a lower proportion of PtO x for each individual fuel cell system and thus higher efficiency.
  • the hydrogen consumption of the fuel cell systems can be reduced and the efficiency can be increased.
  • the control unit can also have a modulator that is designed to generate the electrical signal.
  • the modulator can generate the electrical signal by means of amplitude modulation, frequency modulation, phase modulation, pulse width modulation and/or the like in order to modulate the first electrical current and the additional electrical current.
  • the first fuel cell system and the further fuel cell system can each have at least one fuel cell with a membrane electrode arrangement and a catalyst.
  • the catalyst can contain platinum.
  • the device can also have at least one hydrogen store which is set up to provide hydrogen to the first fuel cell system and/or to the further fuel cell system.
  • the device can also have at least one battery system that is set up to store the electrical energy generated by the first fuel cell system and/or the additional fuel cell system and to provide stored electrical energy.
  • the time-staggered activation makes it possible to operate the first fuel cell system and the further fuel cell system differently, so that a time-varying power distribution between the fuel cell systems is realized.
  • the electrical energy generated by the first fuel cell system and the further fuel cell system in particular a first electrical current generated by the first fuel cell system and a further electrical current generated by the further fuel cell system, is modulated by the electrical signal.
  • the first electrical current and the second electrical current can be modulated in such a way that a total power from a first electrical power generated by the first fuel cell system and a through the additional fuel cell system generated additional electrical power is at least partially constant over time, or corresponds to a specified performance requirement.
  • the drop in performance of the first fuel cell system resulting from the PtO x conversion can be compensated for by the further fuel cell system and vice versa. No further hardware adjustments are necessary for this. Only the operating setting for the first fuel cell system and the further fuel cell system is adjusted using the electrical signal. A battery system is therefore not subjected to an increased load. It is therefore not necessary to use an enlarged battery or anything similar in order to achieve a specified target output.
  • the electrical signal can be used to apply a temporally offset oscillation to the first electrical current and to the further electrical current.
  • the method can also include a step for providing hydrogen for the first fuel cell system and/or for the further fuel cell system by means of a hydrogen store.
  • FIG. 1 shows a simplified and schematic basic representation of an embodiment of a device for power distribution of fuel cell systems in a vehicle
  • FIG. 2 shows a simplified and schematic representation of an embodiment of a time profile of electrical power of the fuel cell systems of the device
  • 3 shows a simplified and schematic representation of an embodiment of a time profile of hydrogen consumption of the device; 4 shows a flowchart of an embodiment of a method for power sharing of fuel cell systems in a vehicle.
  • FIG. 1 shows a simplified and schematic basic representation of an embodiment of a device 10 for power distribution of fuel cell systems 12 in a vehicle (not shown in FIG. 1).
  • the device 10 has a first fuel cell system 12 and at least one further, second fuel cell system 12 .
  • the first fuel cell system 12 and the second fuel cell system 12 convert hydrogen and oxygen into water to generate electric power therefrom.
  • the device 10 is not limited to the two fuel cell systems 12 and may include other fuel cell systems 12 .
  • the electrical energy generated by the fuel cell systems 12 can be made available to an electric motor of the vehicle (not shown in FIG. 1 ) or stored in a battery system 18 of the device 10 .
  • the device 10 also has a control unit 14 which controls the first fuel cell system 12 and the second fuel cell system 12 with an electrical signal S. This is illustrated in simplified form in FIG. 1 by the arrows.
  • the first fuel cell system 12 and the second fuel cell system 12 are controlled with the electrical signal S at different times, i.e. they are operated differently from one another. This makes it possible to implement a power distribution of the fuel cell systems 12 that varies over time.
  • the electrical signal S can see the electrical energy generated by the first fuel cell system 12 and the second fuel cell system 12, in particular a first electrical current generated by the first fuel cell system 12 and a further, second electrical current generated by the second fuel cell system 12 be modulated.
  • the first electrical current and the second electrical current can be modulated in such a way that a total power P SUm is generated from a first electrical power generated by the first fuel cell system 12 Pi and a further, second electrical power P 2 generated by the second fuel cell system 12 is at least partially constant over time, or corresponds to a predetermined power requirement.
  • the drop in performance of the first fuel cell system 12 resulting from a conversion of platinum oxide (PtO x ) can be compensated for by the second fuel cell system 12 and vice versa.
  • FIG. 2 shows the time course of the first electrical power Pi and the second electrical power P 2 of the first fuel cell system 12 and of the second fuel cell system 12 in a simplified manner.
  • the time-shifted activation and the resulting time-shifted modulation of the first current and the second current and thus the first electrical power Pi and the second electrical power P 2 result in the at least partially temporally constant total power P SUm. Therefore, there is no additional power equalization from the battery system 18 is required.
  • the electrical signal S can be used to apply a temporally offset oscillation OSZ to the first electrical current and the second electrical current.
  • a temporally offset oscillation OSZ to the first electrical current and the second electrical current.
  • the temporally offset oscillation OSZ of the first electric current and the second electric current can temporarily vary, in particular increase or decrease, a voltage in the first fuel cell system 12 and a voltage in the second fuel cell system 12 .
  • the temporally offset oscillation OSZ applied to the first current and the second current is transferred to the respective voltage in the first fuel cell system 12 and the second combustion fuel cell system 12. Since PtO x is broken down faster than it is built up, a mutual change in the voltage in the respective fuel cell system 12 can cause more PtO x to be broken down in total than built up. As a result, on average there are also fewer voltage losses due to PtO x. This increases the efficiency and effectiveness of the respective fuel cell system 12.
  • FIG. Fig. 3 shows the time course of the hydrogen consumption V 2 of the device 10 according to the invention, which is marked with OSZ, compared to a reference consumption of hydrogen V H 2 of a conventional fuel cell system without applied oscillation, which is marked with REF.
  • three fuel cell systems 12 or more can also be integrated. As a result, the efficiency of the individual fuel cell systems 12 can be further increased.
  • the control unit 14 can also have a modulator M, which generates the electrical signal S.
  • a modulator M which generates the electrical signal S.
  • Various modulation methods can be used here to generate the electrical signal S, such as amplitude modulation, frequency modulation, phase modulation and/or the like.
  • the first fuel cell system 12 and the additional, second fuel cell system 12 can each have at least one fuel cell, which includes a membrane electrode arrangement and a catalyst.
  • the catalyst may include platinum.
  • the device 10 can also have a hydrogen store 16 which provides the first fuel cell system 12 and/or the additional, second fuel cell system 12 with hydrogen. This is illustrated in FIG. 1 by the corresponding arrows.
  • the device 10 may also include the battery system 18, as described above, which stores the electrical energy generated by the respective fuel cell systems 12 and provides stored energy, for example, to the vehicle's electric motor.
  • the time-delayed oscillation can also be applied to an electrical current of the battery system 18 by activation with the electrical signal S. This can further simplify controllability.
  • step S120 hydrogen and oxygen are converted into water by a first fuel cell system 12 and by at least one further, second fuel cell system 12 in order to generate electrical energy therefrom.
  • step S130 the first fuel cell system 12 and the second fuel cell system 12 are controlled with a respective electrical signal S by a control unit 14.
  • the first fuel cell system 12 and the second fuel cell system 12 are controlled with the electrical signal S at a time offset.
  • the electrical signal S can be used to modulate the electrical energy generated by the first fuel cell system 12 and the second fuel cell system 12, in particular a first electrical current generated by the first fuel cell system 12 and a further, second electrical current generated by the second fuel cell system 12 will.
  • the staggered activation of the first fuel cell system 12 and the second fuel cell system 12 with the electrical signal S makes it possible to modulate the first electrical current and the second electrical current in such a way that a total power P SUm is generated from a first electrical power generated by the first fuel cell system 12 Pi and a generated by the second fuel cell system 12 ren, second electrical power P 2 is at least partially constant over time, or corresponds to a predetermined power requirement.
  • the electrical signal S can be used to apply a temporally offset oscillation OSZ to the first electrical current and to the second electrical current.
  • hydrogen can be provided by a hydrogen storage device 18 for the first fuel cell system 12 and/or for the second fuel cell system 12 .

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (10) zur Leistungsaufteilung von Brennstoffzellensystemen (12) in einem Fahrzeug, wobei die Vorrichtung 0(10) aufweist:ein erstes Brennstoffzellensystem (12) und wenigstens ein weiteres Brennstoffzellensystem (12), die dazu eingerichtet sind, Wasserstoff und Sauerstoff in Wasser umzuwandeln, um daraus elektrische Energie zu er-zeugen; und5eine Steuerungseinheit (14), die dazu eingerichtet ist, das erste Brennstoffzellensystem (12) und das weitere Brennstoffzellensystem (12) mit einem elektrischen Signal (S) anzusteuern. Dabei ist vorgesehen, dass die Vorrichtung (10) ferner dazu eingerichtet ist, das erste Brennstoffzellensys-tem (12) und das weitere Brennstoffzellensystem (12) zeitlich versetzt mit 0dem elektrischen Signal (S) anzusteuern.

Description

Vorrichtung und Verfahren zur Leistungsaufteilung von Brennstoffzellensys temen in einem Fahrzeug
BESCHREIBUNG:
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Leistungsaufteilung von Brenn stoffzellensystemen in einem Fahrzeug, wobei die Vorrichtung aufweist: ein erstes Brennstoffzellensystem und wenigstens ein weiteres Brennstoffzellen system, die dazu eingerichtet sind, Wasserstoff und Sauerstoff in Wasser umzuwandeln, um daraus elektrische Energie zu erzeugen; und eine Steue rungseinheit, die dazu eingerichtet ist, das erste Brennstoffzellensystem und das weitere Brennstoffzellensystem mit einem elektrischen Signal anzusteu ern.
Aus der Druckschrift US 2005/112428 A1 ist ein Brennstoffzellensystem mit Brennstoffzellenmodulen bekannt, die jeweils von einer lokalen Steuerung gesteuert werden. Eine Hauptsteuerung steuert jede der lokalen Steuerun gen gemäß den allgemeinen Systemanforderungen.
Aus der Druckschrift US 7 166 985 B1 ist ein Brennstoffzellensystem mit Brennstoffzellenmodulen bekannt, die so miteinander vernetzt so sind, dass jedes Modul mit einer Hauptsteuerung verbunden ist.
Aus der Druckschrift WO 2004/100298 A1 ist ein Brennstoffzellensystem be kannt, das einen Impulsschalter, eine Steuerung und Spannungsklemmvor richtungen aufweist.
In einem Fahrzeug werden Brennstoffzellensysteme zur Erzeugung von elektrischer Energie genutzt, wobei diese mittels eines Elektroantriebs in Bewegung umgewandelt oder zeitweise in einem Batteriesystem zwischen gespeichert wird. Ein Brennstoffzellensystem kann dabei aus einer oder mehreren Brennstoff zellen gebildet werden. Brennstoffzellen nutzen die chemische Umsetzung eines Brennstoffs, zum Beispiel Wasserstoff mit Sauerstoff zu Wasser, um elektrische Energie zu erzeugen. Als Kernkomponente enthalten Brennstoff zellen eine sogenannte Membran-Elektroden Anordnung (MEA), die aus ei ner ionenleitenden Membran und jeweils einer beidseitig an der Membran angeordneten katalytischen Elektrode (Anode und Kathode) gebildet wird. Letztere umfasst zumeist geträgerte Edelmetalle, insbesondere Platin, die als Katalysatoren dienen. In der Regel wird eine Brennstoffzelle aus einer Vielzahl im Stapel angeordneten MEAs gebildet.
Der Lastpunkt eines solchen Brennstoffzellensystems wird konstant einge stellt. Hierbei sind verschiedene Leistungsaufteilungen zwischen Brennstoff- zellensystem und Batteriesystem möglich. Bei mehreren Brennstoffzellensys temen wird oftmals eine Leistungsaufteilung so eingestellt, dass alle aktiven Systeme mit einer identischen Leistung betrieben werden. Jedoch unterliegt ein solches Brennstoffzellensystem und ein entsprechendes Batteriesystem einer kontinuierlich voranschreitenden (reversiblen) Degradation.
Es muss daher abgewogen werden, welcher Komponente (Brennstoffzellen system oder Batteriesystem) welcher Alterungseffekt zugeschrieben wird. Alle Maßnahmen haben aber eine direkte negative Auswirkung auf den Wasserstoffverbrauch.
Während des Betriebes eines Brennstoffzellensystems werden die Elektro denoberflächen (d.h. die Katalysatoroberflächen) einer dem System zuge ordneten Brennstoffzelle in Abhängigkeit von der Zellspannung mit der Zeit durch Platinoxidbeladungen (PtC>2, PtC oder kurz PtOx) passiviert. Dadurch erhöhen sich die kinetischen Verluste der Brennstoffzelle und bei gleichem Soll-Strom sinkt die Stapelspannung mit zunehmender Betriebszeit leicht ab. Dieser PtOx-Aufbauprozess ist nicht verhinderbar und Teil des gewöhnlichen Betriebs. Je stärker die PtOx-Beladung, desto größer die Spannungsverluste. Der PtOx-basierte Spannungsverlust verhält sich logarithmisch. Durch Ände- rung des Lastpunktes stellt sich eine neue Zellspannung ein und es finden PtOx-Umbauprozesse statt. Ein Wechsel auf eine höhere Spannung baut mehr PtOx auf, ein Wechsel zu einer niedrigeren Spannung baut PtOx teil weise ab. Der Auf- und Abbau-Prozess ist dabei nie abgeschlossen, sondern strebt asymptotisch hin zu einem neuen elektrochemischen Gleichgewicht. Um das PtOx vollständig abzubauen, ist es üblich das Brennstoffzellensys tem auszuschalten oder zu entladen. Darüber hinaus ist es möglich die Zellspannung durch Luftverarmung oder Austrocknung der Membran zu be einflussen (weniger Leistung). Diese Verfahren führen jedoch alle zu einer eingeschränkten, temporären Leistungsbereitstellung des Brennstoffzellen systems und bauen PtOx nur kurzzeitig ab.
Während des Betriebs muss daher die von der Soll-Leistung abweichende Leistung im Allgemeinen durch Batterieunterstützung ausgeglichen werden. Ein Batterie des Batteriesystems unterliegt daher einer höheren Belastung bzw. Alterung. Unter Umständen muss zu diesem Zweck auch eine vergrö ßerte Batterie eingesetzt werden, um die Soll-Leistung zu erreichen. In die sem Fall entstehen zusätzliche Kosten. Die der Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe wird darin gesehen, eine ver besserte Leistungsaufteilung von Brennstoffzellensystemen in einem Fahr zeug bereitzustellen, so dass ein Batteriesystem nicht zusätzlich belastet und ein effizienter Umbau von PtOx gewährleistet wird. Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung zur Leistungsaufteilung von Brennstoffzellensystemen in einem Fahrzeug mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und durch ein Verfahren mit den Merkmalen des An spruchs 11. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildun gen sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
Vorgeschlagen wird also eine Vorrichtung zur Leistungsaufteilung von Brennstoffzellensystemen in einem Fahrzeug, wobei die Vorrichtung auf weist: ein erstes Brennstoffzellensystem und wenigstens ein weiteres Brenn stoffzellensystem, die dazu eingerichtet sind, Wasserstoff und Sauerstoff in Wasser umzuwandeln, um daraus elektrische Energie zu erzeugen; und eine Steuerungseinheit, die dazu eingerichtet ist, das erste Brennstoffzellensys tem und das weitere Brennstoffzellensystem mit einem elektrischen Signal anzusteuern. Dabei ist vorgesehen, dass die Vorrichtung ferner dazu einge- richtet ist, das erste Brennstoffzellensystem und das weitere Brennstoffzel lensystem zeitlich versetzt mit dem elektrischen Signal anzusteuern.
Durch das zeitlich versetzte elektrische Signal werden die Brennstoffzellen systeme unterschiedlich voneinander angesteuert bzw. betrieben. Dies er- möglicht es eine zeitliche variierende Leistungsaufteilung zwischen dem ers ten Brennstoffzellensystem und dem weiteren Brennstoffzellensystem bereit zustellen.
Insbesondere kann durch das elektrische Signal die von dem ersten Brenn- stoffzellensystem und dem weiteren Brennstoffzellensystem erzeugte elektri sche Energie, insbesondere ein durch das erste Brennstoffzellensystem er zeugter erster elektrischer Strom und ein durch das weitere Brennstoffzellen system erzeugter weiterer elektrischer Strom moduliert werden. Dies ermög licht es die Ströme der Brennstoffzellensysteme voneinander verändert ein- zustellen.
Durch die zeitlich versetzte Ansteuerung des ersten Brennstoffzellensystems und des weiteren Brennstoffzellensystems mit dem elektrischen Signal kann hierbei der erste elektrischen Strom und der weitere elektrische Strom so moduliert werden, dass eine Summenleistung aus einer durch das erste Brennstoffzellensystem erzeugten ersten elektrischen Leistung und einer durch das weitere Brennstoffzellensystem erzeugten weiteren elektrischen Leistung zumindest teilweise zeitlich konstant ist, oder einer vorgegebenen Leistungsanforderung entspricht. Beispielsweise kann das weitere Brenn- stoffzellensystem einen Leistungsverlust des ersten Brennstoffzellensystems bei PtOx Umbau ausgleichen und umgekehrt. Dadurch wird die Leistung der Brennstoffzellensysteme insgesamt konstant gehalten, so dass kein zusätzli cher Leistungsausgleich von einem Batteriesystem nötig ist. Das Batteriesys tem erfährt somit keine verstärkte Belastung. Es ist daher auch keine Hard- wareanpassung nötig, nur eine veränderte Betriebseinstellung zum Betreiben der Brennstoffzellensysteme.
In diesem Zusammenhang kann durch das elektrische Signal eine zeitlich versetzte Oszillation auf den ersten elektrischen Strom und auf den weiteren elektrischen Strom aufgebracht werden.
Infolge der aufgebrachten zeitlich versetzten Oszillation des ersten elektri schen Stroms und des weiteren elektrischen Stroms kann eine Spannung in dem ersten Brennstoffzellensystem und eine Spannung in dem weiteren Brennstoffzellensystem temporär variiert werden, insbesondere erhöht bzw. abgesenkt werden. PtOx wird langsamer aufgebaut als abgebaut. Durch den steten PtOx-Umbau ergibt sich daher für jedes einzelne Brennstoffzellensys tem ein geringerer Anteil an PtOx und somit eine höhere Effizienz. Ferner kann hierdurch der Wasserstoffverbrauch der Brennstoffzellensysteme redu ziert und der Wirkungsgrad angehoben werden.
Die Steuerungseinheit kann ferner einen Modulator aufweisen, der dazu ein gerichtet ist, das elektrische Signal zu erzeugen. Der Modulator kann das elektrische Signal mittels einer Amplitudenmodulation, einer Frequenzmodu lation, einer Phasenmodulation, einer Pulsweitenmodulation, oder/und ähnli ches erzeugen, um so den ersten elektrischen Strom und den weiteren elektrischen Strom zu modulieren.
Das erste Brennstoffzellensystem und das weitere Brennstoffzellensystem kann jeweils wenigstens eine Brennstoffzelle mit einer Membran-Elektroden Anordnung und einem Katalysator aufweisen.
Wie oben beschrieben kann der Katalysator dabei Platin aufweisen.
Die Vorrichtung kann ferner wenigstens einen Wasserstoffspeicher aufwei sen, der dazu eingerichtet ist, dem ersten Brennstoffzellensystem oder/und dem weiteren Brennstoffzellensystem Wasserstoff bereitzustellen. Die Vorrichtung kann ferner wenigstens ein Batteriesystem aufweisen, dass dazu eingerichtet ist, die durch das erste Brennstoffzellensystem und/oder das weitere Brennstoffzellensystem erzeugte elektrische Energie zu spei chern und gespeicherte elektrische Energie bereitzustellen.
Die obige Aufgabe wird auch gelöst durch ein Verfahren zur Leistungsauftei lung von Brennstoffzellensystemen in einem Fahrzeug, umfassend die Schritte:
Umwandeln von Wasserstoff und Sauerstoff in Wasser durch ein erstes Brennstoffzellensystem und durch wenigstens ein weiteres Brennstoffzellen system, um daraus elektrische Energie zu erzeugen; und Ansteuern des ersten Brennstoffzellensystems und des weiteren Brennstoff zellensystems mit einem elektrischen Signal durch eine Steuerungseinheit, wobei das erste Brennstoffzellensystem und das weitere Brennstoff- zellensystem zeitlich versetzt mit dem elektrischen Signal angesteuert wer den.
Die zeitliche versetzte Ansteuerung ermöglicht es das erste Brennstoffzel lensystem und das weitere Brennstoffzellensystem unterschiedlich zu betrei- ben, so dass eine zeitlich variierende Leistungsaufteilung zwischen den Brennstoffzellensystemen realisiert wird.
Durch das elektrische Signal wird die von dem ersten Brennstoffzellensystem und dem weiteren Brennstoffzellensystem erzeugte elektrische Energie, ins- besondere ein durch das erste Brennstoffzellensystem erzeugter erster elektrischer Strom und ein durch das weitere Brennstoffzellensystem erzeug ter weiterer elektrischer Strom moduliert.
Aufgrund der zeitlich versetzten Ansteuerung des ersten Brennstoffzellensys- tems und des weiteren Brennstoffzellensystems mit dem elektrischen Signal kann der erste elektrische Strom und der zweite elektrische Strom so modu liert werden, dass eine Summenleistung aus einer durch das erste Brenn stoffzellensystem erzeugten ersten elektrischen Leistung und einer durch das weitere Brennstoffzellensystem erzeugten weiteren elektrischen Leistung zumindest teilweise zeitlich konstant ist, oder einer vorgegebenen Leistungs anforderung entspricht. Der durch den PtOx Umbau resultierende Leistungs abfall des ersten Brennstoffzellensystems kann durch das weitere Brenn stoffzellensystem ausgeglichen werden und umgekehrt. Dazu sind keine wei- teren Hardwareanpassung nötig. Es wird nur die Betriebseinstellung für das erste Brennstoffzellensystem und das weitere Brennstoffzellensystem mittels des elektrischen Signals angepasst. Ein Batteriesystem erfährt somit keine verstärkte Belastung. Daher muss auch keine vergrößerte Batterie oder ähn liches eingesetzt werden um eine vorgegeben Soll-Leistung zu erreichen.
Hierbei kann durch das elektrische Signal kann eine zeitlich versetzte Oszil lation auf den ersten elektrischen Strom und auf den weiteren elektrischen Strom aufgebracht werden. Das Verfahren kann auch einen Schritt zum Breitstellen von Wasserstoff für das erste Brennstoffzellensystem oder/und für das weitere Brennstoffzellen system durch einen Wasserstoffspeicher umfassen.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nach- folgenden Beschreibung von Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die Figuren. Dabei zeigt:
Fig. 1 eine vereinfachte und schematische Prinzipdarstellung einer Aus führungsform einer Vorrichtung zur Leistungsaufteilung von Brenn stoffzellensystemen in einem Fahrzeug;
Fig. 2 eine vereinfachte und schematische Darstellung einer Ausführungs form eines zeitlichen Verlaufs von elektrischen Leistungen der Brennstoffzellensysteme der Vorrichtung;
Fig. 3 eine vereinfachte und schematische Darstellung einer Ausführungs form eines zeitlichen Verlaufs von Wasserstoffverbrauch der Vor richtung; Fig. 4 ein Ablaufplan einer Ausführungsform eines Verfahrens zur Leis tungsaufteilung von Brennstoffzellensystemen in einem Fahrzeug.
In Fig. 1 ist eine vereinfachte und schematische Prinzipdarstellung einer Aus- führungsform einer Vorrichtung 10 zur Leistungsaufteilung von Brennstoffzel lensystemen 12 in einem Fahrzeug (nicht in Fig. 1 gezeigt) dargestellt. Die Vorrichtung 10 weist ein erstes Brennstoffzellensystem 12 und wenigstens ein weiteres, zweites Brennstoffzellensystem 12 auf. Das erste Brennstoffzel lensystem 12 und das zweite Brennstoffzellensystem 12 wandeln Wasser- Stoff und Sauerstoff in Wasser um, um daraus elektrische Energie zu erzeu gen. Die Vorrichtung 10 ist jedoch nicht auf zwei Brennstoffzellensysteme 12 eingeschränkt und kann weitere Brennstoffzellensysteme 12 umfassen. Die durch die Brennstoffzellensysteme 12 erzeugte elektrische Energie kann ei nem Elektromotor des Fahrzeugs (nicht in Fig. 1 gezeigt) bereitgestellt, oder in einem Batteriesystem 18 der Vorrichtung 10 gespeichert werden.
Die Vorrichtung 10 weist ferner eine Steuerungseinheit 14 auf, die das erste Brennstoffzellensystem 12 und das zweite Brennstoffzellensystem 12 mit einem elektrischen Signal S ansteuert. Dies ist in Fig. 1 vereinfacht durch die Pfeile illustriert.
Hierbei wird das erste Brennstoffzellensystem 12 und das zweite Brennstoff zellensystem 12 zeitlich versetzt mit dem elektrischen Signal S angesteuert, d.h. unterschiedlich voneinander betrieben. Dies ermöglicht es eine zeitlich variierende Leistungsaufteilung der Brennstoffzellensysteme 12 zu realisie ren.
Durch das elektrische Signal S kann dabei die von dem ersten Brennstoffzel lensystem 12 und dem zweiten Brennstoffzellensystem 12 erzeugte elektri- sehe Energie, insbesondere ein durch das erste Brennstoffzellensystem 12 erzeugter erster elektrischer Strom und ein durch das zweite Brennstoffzel lensystem 12 erzeugter weiterer, zweiter elektrischer Strom moduliert wer den. Infolge der zeitlich versetzten Ansteuerung des ersten Brennstoffzellensys tems 12 und des zweiten Brennstoffzellensystems 12 mit dem elektrischen Signal S kann der erste elektrische Strom und der zweite elektrische Strom so moduliert werden, dass eine Summenleistung PSUm aus einer durch das erste Brennstoffzellensystem 12 erzeugten ersten elektrischen Leistung Pi und einer durch das zweite Brennstoffzellensystem 12 erzeugten weiteren, zweiten elektrische Leistung P2 zumindest teilweise zeitlich konstant ist, oder einer vorgegebenen Leistungsanforderung entspricht. Beispielsweise kann der bei einem Umbau von Platinoxid (PtOx) resultierender Leistungsabfall des ersten Brennstoffzellensystems 12 durch das zweite Brennstoffzellen system 12 ausgeglichen werden und umgekehrt.
In Fig. 2 ist der zeitliche Verlauf der ersten elektrischen Leistung Pi und der zweiten elektrischen Leistung P2 des ersten Brennstoffzellensystems 12 und des zweiten Brennstoffzellensystems 12 vereinfacht darstellt. Durch die zeit lich versetzte Ansteuerung und die daraus resultierende zeitlich versetzte Modulation des ersten Stroms und des zweiten Stroms und somit der ersten elektrischen Leistung Pi und der zweiten elektrischen Leistung P2 ergibt sich die zumindest teilweise zeitlich konstante Summenleistung PSUm· Daher ist keine zusätzliche Leistungsausgleich von dem Batteriesystem 18 nötig.
Insbesondere kann durch das elektrische Signal S eine zeitliche versetzte Oszillation OSZ auf den ersten elektrischen Strom und den zweiten elektri schen Strom aufgebracht werden. Dies ist jedoch nicht einschränkend und weitere Modulationsformen, wie beispielsweise Rechteckpulse oder/und ähn liches sind möglich.
Durch die zeitlich versetzte Oszillation OSZ des ersten elektrischen Stroms und des zweiten elektrischen Stroms kann eine Spannung in dem ersten Brennstoffzellensystem 12 und eine Spannung in dem zweiten Brennstoffzel lensystem 12 temporär variiert, insbesondere erhöht bzw. abgesenkt werden. Mit anderen Worten, die auf den ersten Strom und den zweiten Strom aufge brachte zeitliche versetzte Oszillation OSZ überträgt sich auf die jeweilige Spannung in dem ersten Brennstoffzellensystem 12 und dem zweiten Brenn- stoffzellensystem 12. Da sich PtOx schneller abbaut als aufbaut kann durch eine wechselseitige Änderung der Spannung in dem jeweiligen Brennstoff zellensystem 12 insgesamt mehr PtOx abgebaut als aufgebaut werden. Dadurch ergeben sich im Mittel auch weniger Spannungsverluste durch PtOx. Dies erhöht die Effizienz und den Wirkungsgrad des jeweiligen Brenn stoffzellensystems 12. Bei einer Periodendauer von weniger als 2 Minuten kann dabei mehr als 1% Wirkungsgradgewinn pro Brennstoffzellensystem 12 erzielt werden. Hierdurch reduziert sich auch der Wasserstoffverbrauch der Vorrichtung 10, was in Fig. 3 illustriert ist. Fig. 3 zeigt den zeitlichen Verlauf des Wasserstoffverbrauchs V 2 der erfindungsgemäßen Vorrichtung 10, der mit OSZ gekennzeichnet ist, gegenüber einem Referenz Wasserstoffver brauch VH2 eines herkömmlichen Brennstoffzellensystems ohne aufgebrachte Oszillation, der mit REF gekennzeichnet ist. Bei Vergleich der Kurven ist er sichtlich, dass durch Aufbringung der Oszillation zumindest temporär Was- serstoff eingespart werden kann. Dies ist in Fig. 3 durch den Pfeil angedeutet bzw. durch Bereiche, in denen die Kurve OSZ unterhalb der Referenzgera den REF verläuft.
In einer weiteren Ausführungsform können auch drei Brennstoffzellensyste- me 12 oder mehr integriert werden. Dadurch kann der Wirkungsgrad der ein zelnen Brennstoffzellensysteme 12 weiter erhöht werden.
Die Steuerungseinheit 14 kann ferner einen Modulator M aufweisen, der das elektrische Signal S erzeugt. Hierbei können verschiedene Modulationsver- fahren benutzt werden, um das elektrische Signal S zu erzeugen, wie zum Beispiel Amplitudenmodulation, Frequenzmodulation, Phasenmodulati on, oder/und ähnliches.
Das erste Brennstoffzellensystem 12 und das weitere, zweite Brennstoffzel- lensystem 12 können jeweils wenigstens eine Brennstoffzelle aufweisen, die eine Membran-Elektroden Anordnung und einen Katalysator umfassen.
Der Katalysator kann Platin aufweisen. Die Vorrichtung 10 kann ferner einen Wasserstoffspeicher 16 aufweisen, der dem ersten Brennstoffzellensystem 12 oder/und dem weiteren, zweiten Brennstoffzellensystem 12 Wasserstoff bereitstellt. Dies ist in Fig. 1 durch die entsprechenden Pfeile illustriert.
Die Vorrichtung 10 kann auch das Batteriesystem 18 aufweisen, wie oben beschrieben, das die von den jeweiligen Brennstoffzellensystemen 12 er zeugte elektrische Energie speichert und gespeicherte Energie, beispiels weise dem Elektromotor des Fahrzeugs bereitstellt.
In einer Ausführungsform kann die zeitlich versetzte Oszillation auch auf ei nen elektrischen Strom des Batteriesystems 18 durch Ansteuerung mit dem elektrischen Signal S aufgebracht werden. Dies kann die Regelbarkeit weiter vereinfachen.
In Fig. 4 ist ein vereinfachter und schematischer Ablaufplan eines Verfahrens 100 zur Leistungsaufteilung von Brennstoffzellensystemen 12 in einem Fahr zeug dargestellt. In Schritt S120 werden Wasserstoff und Sauerstoff durch ein erstes Brenn stoffzellensystem 12 und durch wenigstens ein weiteres, zweites Brennstoff zellensystem 12 in Wasser umgewandelt, um daraus elektrische Energie zu erzeugen. In Schritt S130 werden das erste Brennstoffzellensystem 12 und das zweite Brennstoffzellensystem 12 mit einem jeweiligen elektrischen Signal S durch eine Steuerungseinheit 14 angesteuert.
Dabei werden das erste Brennstoffzellensystem 12 und das zweite Brenn- stoffzellensystem 12 zeitlich versetzt mit dem elektrischen Signal S ange steuert. Hierdurch kann die Leistungsaufteilung zwischen dem ersten Brenn stoffzellensystem 12 und dem zweiten Brennstoffzellensystem zeitlich variiert werden. Durch das elektrische Signal S kann die von dem ersten Brennstoffzellen system 12 und dem zweiten Brennstoffzellensystem 12 erzeugte elektrische Energie, insbesondere ein durch das erste Brennstoffzellensystem 12 er zeugter erster elektrischer Strom und ein durch das zweite Brennstoffzellen- System 12 erzeugter weiterer, zweiter elektrischer Strom moduliert werden.
Die zeitlich versetzte Ansteuerung des ersten Brennstoffzellensystems 12 und des zweiten Brennstoffzellensystems 12 mit dem elektrischen Signal S ermöglicht es, den ersten elektrische Strom und den zweiten elektrischen Strom so zu modulieren, dass eine Summenleistung PSUm aus einer durch das erste Brennstoffzellensystem 12 erzeugten ersten elektrischen Leistung Pi und einer durch das zweite Brennstoffzellensystem 12 erzeugten weite ren, zweiten elektrischen Leistung P2 zumindest teilweise zeitlich konstant ist, oder einer vorgegebenen Leistungsanforderung entspricht.
Durch das elektrische Signal S kann eine zeitlich versetzte Oszillation OSZ auf den ersten elektrischen Strom und auf den zweiten elektrischen Strom aufgebracht werden. In Schritt S110 kann für das erste Brennstoffzellensystem 12 oder/und für das zweite Brennstoffzellensystem 12 Wasserstoff durch ein Wasserstoff speicher 18 bereitgestellt werden.

Claims

PATENTANSPRÜCHE:
1. Vorrichtung (10) zur Leistungsaufteilung von Brennstoffzellensystemen (12) in einem Fahrzeug, wobei die Vorrichtung (10) aufweist: ein erstes Brennstoffzellensystem (12) und wenigstens ein weiteres
Brennstoffzellensystem (12), die dazu eingerichtet sind, Wasserstoff und Sauerstoff in Wasser umzuwandeln, um daraus elektrische Energie zu erzeugen; und eine Steuerungseinheit (14), die dazu eingerichtet ist, das erste Brenn- stoffzellensystem (12) und das weitere Brennstoffzellensystem (12) mit einem elektrischen Signal (S) anzusteuern, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (10) ferner dazu eingerichtet ist, das erste Brennstoffzellensystem (12) und das weitere Brenn stoffzellensystem (12) zeitlich versetzt mit dem elektrischen Signal (S) anzusteuern.
2. Vorrichtung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie ferner dazu eingerichtet ist, durch das elektrische Signal (S) die von dem ersten Brennstoffzellensystem (12) und dem weiteren Brennstoff- zellensystem (12) erzeugte elektrische Energie, insbesondere einen durch das erste Brennstoffzellensystem (12) erzeugten ersten elektri schen Strom und einen durch das weitere Brennstoffzellensystem (12) erzeugten weiteren elektrischen Strom, zu modulieren.
3. Vorrichtung (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass sie ferner dazu eingerichtet ist, durch die zeitlich versetzte Ansteuerung des ersten Brennstoffzellensystems (12) und des weiteren Brennstoff zellensystems (12) mit dem elektrischen Signal (S), den ersten elektri schen Strom und den weiteren elektrischen Strom so zu modulieren, dass eine Summenleistung (PSUm) aus einer durch das erste Brennstoff zellensystem erzeugten ersten elektrischen Leistung (P-i) und einer durch das weitere Brennstoffzellensystem (12) erzeugten weiteren elektrischen Leistung (P2) zumindest teilweise zeitlich konstant ist, oder einer vorgegebenen Leistungsanforderung entspricht.
4. Vorrichtung (10) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass sie ferner dazu eingerichtet ist, durch das elektrische Signal (S) eine zeitlich versetzte Oszillation (OSZ) auf den ersten elektrischen Strom und auf den weiteren elektrischen Strom aufzubringen.
5. Vorrichtung (10) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass durch die aufgebrachte zeitlich versetzte Oszillation (OSZ) des ersten elektri schen Stroms und des weiteren elektrischen Stroms eine Spannung in dem ersten Brennstoffzellensystem (12) und eine Spannung in dem weiteren Brennstoffzellensystem (12) temporär variiert wird, insbeson dere erhöht bzw. abgesenkt wird.
6. Vorrichtung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinheit (14) ferner einen Modula tor (M) aufweist, der dazu eingerichtet ist, das elektrische Signal (S) zu erzeugen.
7. Vorrichtung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Brennstoffzellensystem (12) und das weitere Brennstoffzellensystem (12) jeweils wenigstens eine Brenn stoffzelle mit einer Membran-Elektroden Anordnung und einem Kataly sator aufweisen.
8. Vorrichtung (10) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der
Katalysator Platin aufweist.
9. Vorrichtung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie ferner wenigstens einen Wasserstoffspeicher (16) aufweist, der dazu eingerichtet ist, dem ersten Brennstoffzellensys tem (12) oder/und dem weiteren Brennstoffzellensystem (12) Wasser stoff bereitzustellen.
10. Vorrichtung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie ferner wenigstens ein Batteriesystem (18) aufweist, dass dazu eingerichtet ist, die durch das erste Brennstoffzel lensystem (12) und/oder das weitere Brennstoffzellensystem (12) er- zeugte elektrische Energie zu speichern und gespeicherte elektrische
Energie bereitzustellen.
11. Verfahren (100) zur Leistungsaufteilung von Brennstoffzellensystemen (12) in einem Fahrzeug, umfassend die Schritte: Umwandeln (120) von Wasserstoff und Sauerstoff in Wasser durch ein erstes Brennstoffzellensystem (12) und durch wenigstens ein weiteres Brennstoffzellensystem (12), um daraus elektrische Energie zu erzeu gen; und
Ansteuern (S130) des ersten Brennstoffzellensystems (12) und des weiteren Brennstoffzellensystems (12) mit einem elektrischen Signal (S) durch eine Steuerungseinheit (14), wobei das erste Brennstoffzellensystem (12) und das weitere Brenn stoffzellensystem (12) zeitlich versetzt mit dem elektrischen Signal (S) angesteuert werden.
12. Verfahren (100) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass durch das elektrische Signal (S) die von dem ersten Brennstoffzellen system (12) und dem weiteren Brennstoffzellensystem (12) erzeugte elektrische Energie, insbesondere ein durch das erste Brennstoffzellen- System (12) erzeugter erster elektrischer Strom und ein durch das wei tere Brennstoffzellensystem (12) erzeugter weiterer elektrischer Strom moduliert wird.
13. Verfahren (100) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass durch die zeitlich versetzte Ansteuerung des ersten Brennstoffzellen systems (12) und des weiteren Brennstoffzellensystems (12) mit dem elektrischen Signal (S) der erste elektrische Strom und der zweite elekt rische Strom so moduliert werden, dass eine Summenleistung (PSUm) aus einer durch das erste Brennstoffzellensystem (12) erzeugten ersten elektrischen Leistung (P-i) und einer durch das weitere Brennstoffzel lensystem (12) erzeugten weiteren elektrischen Leistung (P2) zumindest teilweise zeitlich konstant ist, oder einer vorgegebenen Leistungsanfor derung entspricht.
14. Verfahren (100) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass durch das elektrische Signal (S) eine zeitlich versetzte Oszillation (OSZ) auf den ersten elektrischen Strom und auf den weiteren elektrischen Strom aufgebracht wird.
15. Verfahren (100) nach einen der vorhergehenden Ansprüche, ferner um fassend Breitstellen (S110) von Wasserstoff für das erste Brennstoffzel lensystem (12) oder/und für das weitere Brennstoffzellensystem (12) durch einen Wasserstoffspeicher (16).
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