DE102013014959A1 - Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems (5) mit wenigstens einem aus Einzelzellen aufgebauten Brennstoffzellenstapel (6), welches über einen Strömungsverdichter (15) kathodenseitig mit Luft als Sauerstofflieferant versorgt wird, und welches über eine mit einem Systembypassventil (20) versehene Leitung (19) zwischen der Zuluftseite nach dem Strömungsverdichter (15) und der Abluftseite verfügt. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass das Systembypassventil (20) in Abhängigkeit der mittleren Spannung je Einzelzelle des Brennstoffzellenstapels (6) so gesteuert bzw. geregelt wird, dass ein vorgegebener Grenzwert der mittleren Spannung nicht überschritten wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art. Außerdem betrifft die Erfindung die Verwendung eines derartigen Verfahrens.
  • Brennstoffzellensysteme, insbesondere Brennstoffzellensysteme zur Bereitstellung von elektrischer Antriebsleistung für Fahrzeuge, sind aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Häufig werden in derartigen Brennstoffzellensystemen zur Luftversorgung Strömungsmaschinen bzw. Strömungsverdichter eingesetzt, um die Brennstoffzelle kathodenseitig mit Luft als Sauerstofflieferant zu versorgen. Die Strömungsverdichter können in bevorzugter Art und Weise mit einer Turbine gekoppelt werden, so wie es beispielsweise in der DE 101 20 947 A1 beschrieben ist. Neben dem dort beschriebenen Freiläufer mit einem vorgeschalteten zweiten elektromotorisch angetriebenen Strömungsverdichter ist es auch denkbar und möglich, die Turbine, den Strömungsverdichter und die Elektromaschine zu einer Einheit zu kombinieren. Man spricht dann im allgemeinen Stand der Technik von einem sogenannten elektrischen Turbolader bzw. ETC (Electric Turbo Charger). Bei derartigen Aufbauten ist es, so wie es auch in der DE 101 20 947 A1 dargestellt ist, häufig üblich, eine Leitungsverbindung zwischen der Zuluftseite nach dem Strömungsverdichter und der Abluftseite, sofern vorhanden vor der Turbine, vorzusehen. Dieser sogenannte Systembypass ist mit einem Systembypassventil, oder einem Umblaseventil, wie es in der genannten DE-Schrift bezeichnet wird, versehen. Dies dient typischerweise dazu zu verhindern, dass der Strömungsverdichter seine Pumpgrenze überschreitet.
  • Nun ist es so, dass der Strömungsverdichter, insbesondere in Fahrzeuganwendungen, nicht gänzlich abgestellt und auf eine Drehzahl in der Größenordung von Null abgebremst wird, wenn das Brennstoffzellensystem beispielsweise in den Leerlauf geht. Vielmehr wird der Strömungsverdichter mit einer Minimaldrehzahl weiterbetrieben, um bei Bedarf ausreichend dynamisch wieder die geforderte, beispielsweise volle Luftmenge zur Verfügung stellen zu können. Hierdurch entsteht jedoch die Problematik, dass weiterhin Luft zu dem wenigstens einen Brennstoffzellenstapel des Brennstoffzellensystems gefördert wird, sodass es zu einem entsprechenden Spannungsaufbau in den Einzelzellen des Brennstoffzellenstapels kommt. Dies gilt insbesondere dann, wenn das Brennstoffzellensystem anodenseitig über einen Anodenkreislauf verfügt, in welchem immer zumindest eine Restmenge an Wasserstoff über einen längeren Zeitraum vorhanden ist, und so nicht unmittelbar abgebaut werden kann, beispielsweise wenn das Brennstoffzellensystem in den Leerlauf wechselt.
  • Solange eine ausreichend hohe Belastung der Brennstoffzelle vorliegt, also solange aus der Brennstoffzelle eine ausreichende Leistung entnommen bzw. ein ausreichend hoher Strom gezogen wird, ist dies unkritisch. Wird nun jedoch keine ausreichende Leistung mehr aus der Brennstoffzelle entnommen, beispielsweise weil diese nicht benötigt wird und weil eine eventuelle Batterie in dem Brennstoffzellensystem ihre maximale Ladung bereits erreicht hat, dann entsteht im Bereich der Einzelzellen des Brennstoffzellenstapels ein entsprechend hohes Spannungspotenzial an den Einzelzellen. Dieses Spannungspotenzial kann dabei leicht so hoch werden, das eine nachhaltige Schädigung der Einzelzellen des Brennstoffzellenstapels auftritt. Man spricht in diesem Zusammenhang von einer Degradation. Durch das hohe Spannungspotenzial an den Einzelzellen kann es beispielsweise zu einer Schädigung der katalytischen Materialien oder dergleichen kommen. Dies ist aus dem allgemeinen Stand der Technik an sich als Problem bei Brennstoffzellen, insbesondere bei PEM-Brennstoffzellen, bekannt.
  • Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems in dem im Oberbegriff von Anspruch 1 angegebenen Aufbau anzugeben, welches dieser Problematik einer Degradation effizient entgegenwirkt.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen. Außerdem ist im Anspruch 5 eine besonders bevorzugte Verwendung angegeben.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren steuert das Systembypassventil in der Verbindung zwischen der Zuluftseite nach dem Strömungsverdichter und der Abluftseite in Abhängigkeit der mittleren Spannung je Einzelzelle des Brennstoffzellenstapels. Dabei erfolgt die Steuerung bzw. Regelung so, dass das Systembypassventil immer so weit geöffnet bzw. geschlossen wird, dass ein vorgegebener Grenzwert der mittleren Spannung nicht unterschritten wird. Insbesondere im Leerlaufbetrieb, wenn aus dem Brennstoffzellenstapel kein größerer Strom entnommen wird, und wenn der Strömungsverdichter weiterhin mit seiner Minimaldrehzahl läuft, kommt es durch die weiterhin bestehende Luftversorgung der Kathodenseite zu entsprechend hohen Spannungspotenzialen in dem Brennstoffzellenstapel, mit der oben genannten Problematik. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird nun das typischerweise ohnehin vorhandene Systembypassventil bzw. Umblasventil spannungsabhängig gesteuert. Hierdurch kann die aufgrund der Minimaldrehzahl des Strömungsverdichters zwangsläufig geförderte Luftmenge zumindest teilweise durch den Systembypass und das Systembypassventil fließen. Damit gelangt auf der Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels keine oder nur noch eine sehr viel geringere Luftmenge an. Hierdurch wird die mittlere Spannung je Einzelzelle entsprechend begrenzt, sodass den die Brennstoffzelle schädigenden Mechanismen sicher und effizient entgegengewirkt werden kann.
  • Die Verfahrensführung kann dabei als Regelung ausgestaltet sein, so dass der Grad der Öffnung des Systembypassventils in Abhängigkeit der erfassten mittleren Spannung ständig angepasst wird. Andererseits ist ebenso denkbar, dass eine reine Steuerung realisiert wird, also dass je nach gemessener Spannung ein zu dieser Spannung passender Grad der Öffnung des Systembypassventils eingestellt wird. Auf eine konkrete Rückmeldung, wie sie für die Regelung charakteristisch ist, kann dann zur Vereinfachung des Aufbaus verzichtet werden. Die Regelung ermöglicht im Gegensatz zur Steuerung eine höhere Genauigkeit, ist jedoch auch mit dem entsprechend höheren Aufwand verbunden.
  • In einer weiteren sehr günstigen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es nun außerdem vorgesehen, dass zuerst durch Belastung des Brennstoffzellenstapels mit einer elektrischen Last die mittlere Spannung je Einzelzelle unter dem vorgegebenen Grenzwert gehalten wird, wonach erst bei fehlender oder zu geringer Abnahme an Leistung das Systembypassventil in Abhängigkeit der mittleren Spannung je Einzelzelle des Brennstoffzellenstapels gesteuert wird. Bei dieser besonders bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Brennstoffzellenstapel zuerst mit einer elektrischen Last belastet, um die mittlere Spannung je Einzelzelle unterhalb eines kritischen Grenzwerts zu halten. Dies hat den entscheidenden Vorteil, dass in einer solchen Situation ein höherer Wirkungsgrad des Brennstoffzellensystems erzielt werden kann, als wenn geförderte Luft ungenutzt wieder an die Umgebung abgeblasen wird. Solange eine entsprechende elektrische Leistung benötigt wird, beispielsweise in einem Fahrzeug in Nebenverbrauchern, oder solange diese für den Betrieb des Brennstoffzellensystem bzw. eines mit ihm ausgestatteten Fahrzeugs nutzbringend in einer Batterie eingespeichert werden kann, wird dies getan. Erst wenn keine ausreichende Leistungsabnahme von dem Brennstoffzellenstapel mehr möglich ist, beispielsweise weil kein höherer Leistungsbedarf vorliegt und die Batterie bereits einen vollen Ladezustand erreicht hat, dann erst wird die spannungsabhängige Steuerung des Systembypassventils verwendet, um ein ansonsten unweigerliches Auftreten von erhöhten Spannungspotenzialen an den Einzelzellen des Brennstoffzellenstapels zu verhindern.
  • Hierdurch wird das Abblasen der bei minimaler Drehzahl des Strömungsverdichters geförderten Luft auf eine minimale Menge reduziert, um so einen bestmöglichen Wirkungsgrad des Brennstoffzellensystems in den meisten Betriebssituationen zu gewährleisten.
  • Da im Normalbetrieb des Brennstoffzellensystems, wenn dieses beispielsweise die zum Antreiben eines Fahrzeugs benötigte Antriebsleistung liefert, wird es typischerweise immer möglich sein, die Spannung der Einzelzellen unter dem kritischen Grenzwert zu halten. In einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es daher vorgesehen, dass die verfahrensgemäße Steuerung erst dann startet, wenn das Brennstoffzellensystem im Leerlauf ist, um unnötigen Aufwand hinsichtlich der Erfassung von Messwerten oder dergleichen einzusparen.
  • Im Prinzip ist es dabei möglich, dass die mittlere Spannung je Einzelzelle des Brennstoffzellenstapels durch eine Einzelzellspannungsüberwachung ermittelt und ein entsprechender Mittelwert gebildet wird. Dies ist jedoch außerordentlich aufwändig, da auf eine solche Einzelzellspannungsüberwachung nach Möglichkeit verzichtet werden soll. In einer besonders günstigen und vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es demnach vorgesehen, dass die mittlere Einzelspannung je Zelle aus der Spannung des Brennstoffzellenstapels und der Anzahl der darin verbauten Zellen ermittelt wird.
  • Neben der Spannung beziehungsweise der mittleren Spannung sind selbstverständlich auch die elektrisch mit der Spannung zusammenhängenden Größen wie der Strom beziehungsweise der mittlere Strom oder die Leistung beziehungsweise die mittlere Leistung als Eingangsgrößen verwendbar. Diese können entweder direkt verwendet werden oder können durch ihren Zusammenhang zur Spannung entsprechend umgewandelt und so in dem erfindungsgemäßen Sinn eingesetzt werden.
  • Wie bereits erwähnt, kann es sich bei dem Strömungsverdichter um einen Strömungsverdichter eines Turboladers handeln, welcher beispielsweise in der in dem eingangs genannten Stand der Technik beschriebenen Art als Freiläufer aufgebaut ist, oder welcher Teil eines sogenannten elektrischen Turboladers ist. Genauso gut wäre es jedoch denkbar, dass der Strömungsverdichter als alleiniger Strömungsverdichter verwendet wird, sodass also auf eine Turbine in dem Brennstoffzellensystem gänzlich verzichtet wird. Bei allen Anwendungen bietet das beschriebene Verfahren eine einfache und effiziente Möglichkeit, um die Mechanismen der Degradation zu vermeiden und eine hohe Lebensdauer des Brennstoffzellenstapels zu ermöglichen.
  • Die besonders bevorzugte Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt nun in ihrer Anwendung in einem Brennstoffzellensystem, welches elektrische Leistung zum Antreiben eines zumindest teilweise elektrisch angetriebenen Fahrzeugs bereitstellt. Ein solches Brennstoffzellensystem zur Bereitstellung von elektrischer Antriebsleistung für ein Fahrzeug ist im Normalfall den typischerweise auftretenden Anforderungen eines Fahrzeugs an den herkömmlichen Fahrbetrieb ausgesetzt. Fahrzeuge zeichnen sich dabei, insbesondere beim Einsatz beispielsweise im Stadtverkehr, dadurch aus, dass diese häufig im Leerlauf betrieben werden, da sie beispielsweise ausrollen, an einer Ampel stehen oder dergleichen. All diese Situationen sind für die Lebensdauer der Brennstoffzelle potenziell kritisch, da es hierbei zu den oben ausführlich beschriebenen Problemen kommen kann. Da das erfindungsgemäße Verfahren mit minimalem Aufwand in der Lage ist, diesen Problemen entgegenzuwirken, ist es insbesondere für den Einsatz in solchen Brennstoffzellensystemen, welche vergleichsweise dynamisch betrieben werden, und welche häufig auch im Leerlaufbetrieb eingesetzt werden müssen, von besonderem Vorteil.
  • Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus dem Ausführungsbeispiel, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figur näher beschrieben ist.
  • Die einzige beigefügte Figur zeigt ein Fahrzeug mit einem darin angeordneten beispielhaften Brennstoffzellensystem.
  • In der einzigen Figur ist ein Fahrzeug 1 zu erkennen. Dieses wird über einen beispielhaft angedeuteten elektrischen Antriebsmotor 2 angetrieben, indem über eine Achse 3 angetriebene Räder 4 des Fahrzeugs 1 bewegt werden. Die elektrische Leistung für den elektrischen Antriebsmotor 2 liefert dabei ein Brennstoffzellensystem 5, welches beispielhaft in dem Fahrzeug 1 angedeutet ist. Im Kern besteht dieses Brennstoffzellensystem 5 aus einem Brennstoffzellenstapel 6, welcher als Stapel von Einzelzellen aufgebaut ist. Er kann insbesondere als PEM-Brennstoffzellenstapel ausgeführt sein. Dieser Brennstoffzellenstapel 6 umfasst dabei in jeder der Einzelzellen einen Anodenbereich und einen Kathodenbereich sowie eine Membran und typischerweise einen Kühlbereich. Beispielhaft sind in der Darstellung der Figur jeweils ein Anodenraum 7 sowie ein Kathodenraum 8 in dem Brennstoffzellenstapel 6 angedeutet. Dem Anodenraum 7 wird dabei Wasserstoff aus einem Druckgasspeicher 9 über eine Druckregel- und Dosiereinheit 10 zugeführt. Unverbrauchter Wasserstoff gelangt nach dem Anodenraum 7 über eine Rezirkulationsleitung 11 und eine Rezirkulationsfördereinrichtung 12 zurück und wird vermischt mit frischem Wasserstoff dem Anodenraum 7 erneut zugeführt. Die Rezirkulationsfördereinrichtung 12 ist hier beispielhaft als Wasserstoffrezirkulationsgebläse dargestellt. Sie könnte genauso gut als Gasstrahlpumpe ausgebildet sein, oder als Kombination aus einem Gebläse und einer Gasstrahlpumpe. In diesem sogenannten Anodenkreislauf um den Anodenraum 7 reichert sich mit der Zeit Wasser und Stickstoff an, welcher durch die Membranen der Brennstoffzelle vom Kathodenraum 8 in den Anodenraum 7 diffundiert. Um das Wasser zu sammeln und dieses zusammen mit Gas aus der Rezirkulationsleitung 11 ablassen zu können, ist in der Darstellung der Figur beispielhaft ein Wasserabscheider 13 zu erkennen, welcher über ein Ablassventil 14 verfügt. Dieser Aufbau ist soweit aus dem Stand der Technik bekannt.
  • Die Kathodenseite wird mit Luft als Sauerstofflieferant versorgt. Die Luft wird dabei beispielsweise über einen hier nicht dargestellten Luftfilter von einem Strömungsverdichter 15 angesaugt und über einen Befeuchter 16 zu dem Kathodenraum 8 gefördert. Außerdem wäre ein Ladeluftkühler in Strömungsrichtung nach dem Strömungsverdichter 15 möglich, dieser ist jedoch nicht zwingend erforderlich und ist aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt, sodass auf seine Darstellung hier verzichtet worden ist. Die Abluft aus dem Kathodenraum 8, welche entsprechend feucht ist, gelangt als Feuchtelieferant erneut durch den Befeuchter 16, wobei die Abluftseite von der Zuluftseite durch Membranen getrennt ist. Diese Membranen, welche beispielsweise als Flachmembranen oder Hohlfasermembranen ausgebildet sein können, lassen Wasserdampf passieren, sodass die Feuchte der Abluft die Zuluft zu dem Kathodenraum 8 entsprechend befeuchten kann. Nach dem Befeuchter 16 strömt die Abluft über eine Turbine 17, in welcher sie entspannt wird, in die Umgebung. Weitere Komponenten, wie beispielsweise ein katalytischer Brenner in Strömungsrichtung vor der Turbine 17, sind prinzipiell bekannt und wären auch bei dem hier dargestellten Aufbau denkbar. Nun ist es so, dass im Bereich der Turbine 17 thermische Energie und Druckenergie aus der Abluft des Brennstoffzellenstapels 6 zumindest teilweise zurückgewonnen wird. Diese Energie wird genutzt, um die Antriebsleistung für den Strömungsverdichter 15 zumindest teilweise bereitzustellen. Darüber hinaus benötigte Leistung wird durch eine elektrische Maschine 18 geliefert, welche zusammen mit der Turbine 17 und dem Strömungsverdichter 15 auf einer gemeinsamen Welle sitzt. Im Falle eines Leistungsüberschusses im Bereich der Turbine 17 kann über die elektrische Maschine 18 auch elektrische Leistung erzeugt werden. Dieser Aufbau als elektrische Maschine 18, Turbine 17 und Strömungsverdichter 15 ist dabei aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt und wird auch als elektrischer Turbolader bzw. ETC (Electric Turbo Charger) bezeichnet.
  • Bei dem hier dargestellten Brennstoffzellensystem 5 ist nun außerdem eine Leitung 19 mit einem sogenannten Systembypassventil 20 zu erkennen. Das Systembypassventil 20 wird im regulären Betrieb typischerweise geschlossen sein. In dieser Situation wird über die Druckregel- und Dosiereinheit 10 Wasserstoff in den Anodenkreislauf dosiert und entsprechend der Leistungsanforderung durch den elektrischen Antriebsmotor 2 des Fahrzeugs 1, welche letztlich beispielsweise durch eine Fahrpedalstellung von einem Nutzer des Fahrzeugs 1 vorgegeben wird, wird elektrische Leistung in dem Brennstoffzellenstapel 6 erzeugt. Über angedeutete elektrische Leitungen 21 gelangt diese Leistung in den Bereich einer Leistungselektronik 22, welche diese entsprechend aufbereitet und an den elektrischen Fahrmotor 2 weitergibt. Über die Leistungselektronik 22 wird außerdem bei Bedarf die elektrische Maschine 18 des elektrischen Turboladers mit Leistung versorgt. Überschussleistung, oder beim Abbremsen des Fahrzeugs im generatorischen Betrieb des elektrischen Antriebsmotors 2 entstehende Leistung, kann in einer elektrischen Energiespeichereinrichtung 23, beispielsweise einer Hochvoltbatterie, einer Mehrzahl von Hochleistungskondensatoren oder auch einer Kombination hiervon, eingespeichert werden.
  • Ein Problem des Strömungsverdichters 15, sowohl bei einem alleinigen Strömungsverdichter 15 als auch bei seinem Aufbau als ETC zusammen mit der elektrischen Maschine 18 und der Turbine 17, wie er hier dargestellt ist, liegt nun darin, dass dieser bei vergleichsweise schnellen Drehzahlen laufen muss, um eine ausreichende Luftmenge beispielsweise bei mittlerer oder voller Last des Brennstoffzellensystems 5 bereitzustellen. Wird er im Leerlauf des Brennstoffzellensystems 5 gänzlich abgebremst, so benötigt er eine sehr lange Zeit, bis er wieder die erforderliche Drehzahl erreicht. Dies ist typischerweise nicht akzeptabel. Im Betrieb des Fahrzeugs 1 wird daher der Strömungsverdichter 15 immer, auch im Leerlauf des Brennstoffzellensystems 5, mit einer vorgegebenen Minimaldrehzahl in der Größenordnung von typischerweise 5–20% der Nenndrehzahl betrieben, um ein schnelles Hochlaufen bei Bedarf gewährleisten zu können. Dieser Betrieb des Strömungsverdichters 15 mit vorgegebener Minimaldrehzahl sorgt nun jedoch dafür, dass in den entsprechenden Betriebssituationen Luft in den Kathodenraum 8 des Brennstoffzellenstapels 6 gefördert wird, obwohl dies eigentlich nicht erwünscht ist. Kann eine ausreichende Leistungsabnahme gewährleistet werden, so kann beispielsweise durch eine Leistungsabnahme für Nebenverbraucher in dem Fahrzeug 1 oder ein Einspeichern der Leistung in den elektrischen Energiespeicher 23 verhindert werden, dass die Spannungspotenziale an den Einzelzellen unerwünscht stark ansteigen. Ist eine solche Leistungsabnahme nicht möglich, beispielsweise weil kein ausreichender Leistungsbedarf in dem Fahrzeug 1 vorliegt und gleichzeitig der Energiespeicher 23 voll geladen ist, dann kann es zu einer sehr schädlichen Potenzialerhöhung an den Einzelzellen des Brennstoffzellenstapels 6 kommen. Dies führt zu einer erheblichen Schädigung der Einzelzellen und letztlich zu einer Degradation und einer Verringerung der Lebensdauer des Brennstoffzellenstapels 6.
  • Bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel des Brennstoffzellensystems 5 bzw. des Fahrzeugs 1 ist es nun vorgesehen, dass über die Leistungselektronik 22, welche zumindest die Spannung des Brennstoffzellenstapels 6 ohnehin kennt, eine mittlere Spannung je Einzelzelle ermittelt wird. Idealerweise erfolgt dies durch ein Teilen der Gesamtspannung des Brennstoffzellenstapels 6 durch die Anzahl an verbauten Einzelzellen. Erreicht diese mittlere Spannung der Einzelzellen des Brennstoffzellenstapels 6 nun einen hinsichtlich der Degradation kritischen Wert, dann wird über eine Steuerungselektronik, welche in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel ebenfalls in die Leistungselektronik 22 integriert ausgeführt ist, eine spannungsabhängige Ansteuerung des Systembypassventils 20. Dieses wird also in Abhängigkeit der mittleren Spannung der Einzelzellen des Brennstoffzellenstapels 6 so angesteuert, dass Luft im Bypass an dem Brennstoffzellenstapel 6 vorbei direkt in die Turbine 17 und damit in den Bereich der Abluft geleitet wird. Hierdurch wird zwar der Wirkungsgrad des Brennstoffzellensystems 5 entsprechend verschlechtert, da die Luft mit entsprechendem Leistungsaufwand gefördert worden ist. Allerdings kann durch dieses Abblasen der geförderten Luft an die Umgebung in Abhängigkeit der Spannung der Einzelzellen des Brennstoffzellenstapels über das Systembypassventil 20 erreicht werden, dass die Potenziale an den Einzelzellen des Brennstoffzellenstapels 6, auch wenn keine Leistung von dem Brennstoffzellenstapel 6 abgenommen wird, jeweils so gering bleiben, dass diese nicht in hinsichtlich der Degradation schädliche Bereiche gelangen. Der Aufbau verschlechtert so zwar den Wirkungsgrad des Brennstoffzellensystems 5 über seine Betriebsdauer hinweg minimal, ermöglicht jedoch eine Verhinderung der Degradation und damit einen sehr schonenden Umgang mit dem Brennstoffzellenstapel 6. Hierdurch wird eine deutliche Erhöhung der Lebensdauer erzielt, was einen erheblichen zusätzlichen Vorteil gegenüber den minimalen hierfür in Kauf genommenen Wirkungsgradeinbußen liefert.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 10120947 A1 [0002, 0002]

Claims (5)

  1. Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems (5) mit wenigstens einem aus Einzelzellen aufgebauten Brennstoffzellenstapel (6), welches über einen Strömungsverdichter (15) kathodenseitig mit Luft als Sauerstofflieferant versorgt wird, und welches über eine mit einem Systembypassventil (20) versehene Leitung (19) zwischen der Zuluftseite nach dem Strömungsverdichter (15) und der Abluftseite verfügt, dadurch gekennzeichnet, dass das Systembypassventil (20) in Abhängigkeit der mittleren Spannung je Einzelzelle des Brennstoffzellenstapels (6) so gesteuert bzw. geregelt wird, dass ein vorgegebener Grenzwert der mittleren Spannung nicht überschritten wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zuerst durch Belastung des Brennstoffzellenstapels (6) mit einer elektrischen Last die mittlere Spannung je Einzelzelle unter dem vorgegebenen Grenzwert gehalten wird, wonach erst bei fehlender oder zu geringer Abnahme an elektrischer Leistung das Systembypassventil (20) in Abhängigkeit der mittleren Spannung je Einzelzelle des Brennstoffzellenstapels (6) so gesteuert wird, dass der vorgegebene Grenzwert der mittleren Spannung nicht überschritten wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung bzw. Regelung des Systembypassventils (20) in Abhängigkeit der mittleren Spannung je Einzelzelle des Brennstoffzellenstapels ausschließlich im Leerlauf angewandt wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die mittlere Spannung je Einzelzelle des Brennstoffzellenstapels (6) aus der Gesamtspannung des Brennstoffzellenstapels (6) und der Anzahl der Einzelzellen ermittelt wird.
  5. Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4, zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems (5), welches in einem Fahrzeug (1) zur Bereitstellung von elektrischer Antriebsleistung eingesetzt wird.
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