DE102014201335A1 - Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzelle sowie Brennstoffzellenvorrichtung mit einer Brennstoffzelle und Kraftfahrzeug mit Brennstoffzellenvorrichtung - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzelle, eine Brennstoffzellenvorrichtung mit einer Brennstoffzelle und einer Steuereinrichtung sowie ein Kraftfahrzeug mit einer Brennstoffzellenvorrichtung. Um zu vermeiden, dass im Betrieb der Brennstoffzelle schnell sinkende elektrische Zellspannungen (9) zu einer Verkürzung der Lebensdauer der Brennstoffzelle führen, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass ein Mediendruck (10) wenigstens eines Betriebsmediums der Brennstoffzelle so eingestellt wird, dass ein Absinken der Zellspannung (9) beim Steigern einer aktuellen Leistungsabgabe (7) zumindest verlangsamt wird, und dass die Steuereinrichtung ausgebildet ist, die Mediendrücke (10) entsprechend einzustellen.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzelle, bei dem eine aktuelle Leistungsabgabe der Brennstoffzelle bis zu einer geforderten Leistungsabgabe gesteigert wird. Ferner betrifft die Erfindung eine Brennstoffzellenvorrichtung mit einer Brennstoffzelle und einer Steuereinrichtung zur Steuerung von Betriebsparametern der Brennstoffzelle. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug mit einer Brennstoffzellenvorrichtung.
  • Verfahren zum Betreiben von Brennstoffzellen, Brennstoffzellenvorrichtungen mit Brennstoffzellen und Steuereinrichtungen, sowie Kraftfahrzeuge mit Brennstoffzellenvorrichtungen sind allgemein bekannt. Wird zum Beispiel zur Beschleunigung des Kraftfahrzeuges eine Erhöhung der Leistungsabgabe der Brennstoffzelle angefordert, so steigt ein von der Brennstoffzelle erzeugter elektrischer Strom an, bis die aktuelle Leistungsabgabe der geforderten Leistungsabgabe entspricht. Durch den ansteigenden elektrischen Strom sinkt die Spannung, beispielsweise durch ohmsche Verluste, an einem Brennstoffzellenstapel der Brennstoffzelle. Spannungsgradienten führen jedoch zu einer Auflösung von im Brennstoffzellenstapel verbauten Edelmetall-Katalysatoren. Dies hat eine irreversible Schädigung des Stapels zur Folge, wodurch sich die Lebensdauer der Brennstoffzelle reduziert.
  • Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzelle sowie eine Brennstoffzellenvorrichtung und ein Kraftfahrzeug bereitzustellen, wobei die Lebensdauer der Brennstoffzelle im Vergleich zur Lebensdauer von heutigen Brennstoffzellen verlängert ist, ohne dass das dynamische Verhalten der Brennstoffzelle und insbesondere Ansprechzeiten der Brennstoffzelle auf höhere geforderte Leistungsabgaben verschlechtert sind.
  • Für das eingangs genannte Verfahren wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass ein Mediendruck wenigstens eines Betriebsmediums der Brennstoffzelle so eingestellt wird, dass ein Absinken einer Zellspannung der Brennstoffzelle beim Steigern der aktuellen Leistungsabgabe zumindest verlangsamt wird. Ferner ist die Aufgabe für die eingangs genannte Brennstoffzellenvorrichtung dadurch gelöst, dass die Steuervorrichtung ausgebildet ist, den Betriebsparameter Mediendruck zumindest eines Betriebsmediums der Brennstoffzelle erfindungsgemäß einzustellen. Für das eingangs genannte Kraftfahrzeug ist die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass dessen Brennstoffzellenvorrichtung eine erfindungsgemäße Brennstoffzellenvorrichtung ist.
  • Durch die Änderung des Mediendrucks mindestens des einen Betriebsmediums (zum Beispiel Wasserstoff und/oder Sauerstoff) fällt die Zellspannung langsamer ab, sodass geringere Spannungsgradienten auftreten. Edelmetall-Katalysatoren des Brennstoffzellenstapels lösen sich somit langsamer auf, was zu einer Verlängerung der Lebensdauer der Brennstoffzelle führt. Eine aufwendige Anpassung der Edelmetall-Katalysatoren ist nicht erforderlich. Insbesondere können Gasdrücke zweier gasförmiger Betriebsmedien, zum Beispiel Wasserstoff und Sauerstoff, erfindungsgemäß eingestellt werden. Der Kürze halber ist in der folgenden Beschreibung jedoch lediglich auf die Anpassung des Mediendrucks eines der Betriebsmedien eingegangen.
  • Da die elektrische Spannung langsamer sinkt als bisher üblich, der elektrische Strom aber wie bisher ansteigt, kann die von der Brennstoffzelle abgegebene Leistung dynamischer ansteigen als bisher. Folglich steigt nicht nur die Lebensdauer der Brennstoffzelle, sondern auch deren Leistungsdynamik. Stellt die Brennstoffzelle im Betrieb Antriebsenergie für das Kraftfahrzeug bereit, so kann dieses also stärker beschleunigen.
  • Die erfindungsgemäße Lösung kann durch verschiedene, jeweils für sich vorteilhafte, beliebig miteinander kombinierbare Ausgestaltungen weiter verbessert werden. Auf diese Ausgestaltungsformen und den mit ihnen verbundenen Vorteilen ist im Folgenden eingegangen.
  • In einer ersten vorteilhaften Ausgestaltungsform kann der Mediendruck zumindest des einen Betriebsmediums erhöht werden. Beispielsweise kann die Steuervorrichtung einen Signaleingang zum Empfang einer Leistungsanforderung aufweisen und ausgebildet sein nach dem Empfang einer Leistungsanforderung eine Erhöhung des Mediendrucks bewirken.
  • Insbesondere kann der Mediendruck zumindest des einen Betriebsmediums über einen Sollwert, der zur Aufrechterhaltung der geforderten Leistungsabgabe ausreicht, hinaus erhöht werden, bevor die aktuelle Leistungsabgabe der geforderten Leistungsabgabe entspricht. Sobald beispielsweise die aktuelle Leistungsabgabe der geforderten Leistungsabgabe entspricht, kann der Mediendruck auf den zur Aufrechterhaltung der geforderten Leistungsabgabe ausreichenden Sollwert reduziert werden oder sein. Hierdurch wird ein Absinken der Zellspannung wirksam reduziert. Darüber hinaus steigt die Dynamik der Brennstoffzelle, da die von der Brennstoffzelle abgegebene Leistung vom abgegebenen Strom und der Zellspannung abhängt und insbesondere ein Produkt dieser beiden Parameter ist. Fällt die Zellspannung langsamer ab und steigt der abgegebene Strom wie bisher an, so erreicht die Brennstoffzelle schneller die geforderte Leistungsabgabe.
  • Um den von der Brennstoffzelle abgegebenen elektrischen Strom ansteigen zu lassen, wird ein Massenstrom der Betriebsmedien zur Brennstoffzelle erhöht. Damit die Zellspannung mit reduzierter Geschwindigkeit absinkt, kann der Mediendruck zumindest des einen Betriebsmediums im Vergleich zu dessen Massenstrom überproportional erhöht werden. Ist der abgegebene elektrische Strom proportional zum Massenstrom, kann der Mediendruck überproportional zum elektrischen Strom gesteigert werden.
  • Im Folgenden ist die Erfindung beispielhaft anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die Zeichnungen erläutert. Die unterschiedlichen Merkmale der Ausführungsformen können dabei unabhängig voneinander kombiniert werden, wie es bei den einzelnen vorteilhaften Ausgestaltungen bereits dargelegt wurde.
  • Es zeigen:
  • 1 eine schematische Darstellung zeitlicher Verläufe von Betriebsparametern einer Brennstoffzelle gemäß eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens;
  • 2 eine schematische Darstellung zeitlicher Verläufe von Betriebsparametern einer Brennstoffzelle gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens
  • 3 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben einer Brennstoffzelle;
  • 4 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Brennstoffzellenvorrichtung; und
  • 5 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeuges.
  • Zunächst sind zeitliche Verläufe von Betriebsparametern einer Brennstoffzelle bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit Bezug auf das Ausführungsbeispiel der 1 beschrieben.
  • 1 zeigt ein Diagramm 1, auf dessen Abszissenachse 2 die Zeit abgetragen ist. Auf der Ordinatenachse 3 ist die Höhe von Betriebsparametern der Brennstoffzelle dargestellt, wobei die einzelnen Betriebsparameter unterschiedlich skaliert sein können. Das Diagramm 1 stellt also den zeitlichen Verlauf der Betriebsparameter der Brennstoffzelle schematisch dar.
  • Eine Anforderung der von der Brennstoffzelle abzugebenden Leistung ist mit einer durchgehenden Linie dargestellt und mit dem Bezugszeichen 4 versehen. Im zeitlichen Verlauf ist die geforderte Leistungsabgabe 4 in einem ersten Abschnitt 5 niedrig. Ab einem Zeitpunkt t0 beginnt ein Abschnitt 6 erhöhter geforderter Leistungsabgabe. Beispielsweise verdoppelt sich die geforderte Leistungsabgabe.
  • Die aktuelle Leistungsabgabe der Brennstoffzelle ist in der 1 gestrichelt dargestellt und mit dem Bezugszeichen 7 versehen. Die aktuelle Leistungsabgabe 7 folgt der Änderung der geforderten Leistungsabgabe 4 verzögert und steigt vom Zeitpunkt t0 bis zu einem Zeitpunkt t1, der nach dem Zeitpunkt t0 liegt, an. Am Zeitpunkt t1 erreicht die aktuelle Leistungsabgabe 7 die erhöhte geforderte Leistungsabgabe 6.
  • Zur Steigerung der aktuellen Leistungsabgabe 7 wird ein von der Brennstoffzelle abgegebener elektrischer Strom 8 ab dem Zeitpunkt t0 gesteigert. Der Anstieg des Stroms 8 kann vor oder beim Erreichen des Zeitpunktes t1 enden. Im Ausführungsbeispiel der 1 endet der Anstieg des Stroms 8 zwischen den Zeitpunkten t0 und t1. Durch Verluste und beispielsweise ohmsche Verluste der Brennstoffzelle sinkt beim Ansteigen des elektrischen Stromes 8 die an der Brennstoffzelle anliegende elektrische Zellspannung 9. Je schneller die Zellspannung 9 absinkt, desto größer ist der Spannungsgradient, der an der Brennstoffzelle und insbesondere an deren Brennstoffzellenstapel anliegt.
  • Ein schnelles Absinken der Zellspannung 9 führt zu einer Verkürzung der Lebensdauer der Brennstoffzelle. Um die elektrische Zellspannung 9 wie im Ausführungsbeispiel der 1 dargestellt langsam abfallen zu lassen, wird bei der Erhöhung der aktuellen Leistungsabgabe 7 ein mit einer punktierten Linie dargestellter Mediendruck 10 wenigstens eines Betriebsmediums, etwa Sauerstoff oder Wasserstoff, der Brennstoffzelle eingestellt und beispielsweise geändert. Insbesondere kann der Mediendruck 10 erhöht und beispielsweise im Vergleich zu einem Massenstrom des Betriebsmediums, welcher bei der Erhöhung der aktuellen Leistungsabgabe 7 ebenfalls erhöht wird, überproportional erhöht werden. Der Massenstrom wird beispielsweise proportional zum elektrischen Strom 8 angepasst. Der zeitliche Verlauf des Massenstroms ist wegen seiner Proportionalität zum elektrischen Strom 8 der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt.
  • Im Ausführungsbeispiel der 1 wird der Mediendruck 10 bis zu einem Sollwert 11 erhöht. Der den Sollwert 11 aufweisende Mediendruck 10 reicht aus, um die aktuellen Leistungsabgabe 7 der Brennstoffzelle auf dem Niveau der erhöhten geforderten Leistungsabgabe 6 zu halten.
  • 2 zeigt schematisch ein Diagramm 1, in dem der zeitliche Verlauf der Betriebsparameter der Brennstoffzelle dargestellt ist, wobei die Brennstoffzelle gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens betrieben wird. Für Elemente, die in Funktion und/oder Aufbau den Elementen des Ausführungsbeispiels der 1 entsprechen, sind dieselben Bezugszeichen verwendet. Der Kürze halber ist lediglich auf die Unterschiede zum Ausführungsbeispiel der 1 eingegangen.
  • Auch in der 2 folgt die aktuelle Leistungsabgabe 7 der Änderung der geforderten Leistungsabgabe 4 verzögert und steigt vom Zeitpunkt t0 bis zum Zeitpunkt t1 an. Am Zeitpunkt t1 erreicht die aktuelle Leistungsabgabe 7 die erhöhte geforderte Leistungsabgabe 6. Die Zeitpunkte t0, t1 sind in der 2 der Übersichtlichkeit halber nicht eingetragen.
  • Im Ausführungsbeispiel der 2 wird der Mediendruck 10 zwischen den Zeitpunkten t0 und t1 stärker und insbesondere nicht linear erhöht. Insbesondere wird der Mediendruck 10 zwischen den Zeitpunkten t0 und t1 höher eingestellt als ein Sollwert des Mediendrucks 10, der nach dem Zeitpunkt t1 ausreicht, um die aktuelle Leistungsabgabe 7 auf dem Niveau der erhöhten geforderten Leistungsabgabe 6 zu halten. In seinem Verlauf erreicht der Mediendruck 10 also einen Maximalwert, nach dem der Mediendruck 10 wieder abgesenkt wird, wobei der Mediendruck 10 nach dem Zeitpunkt t1 größer ist, als vor den Zeitpunkt t0.
  • 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens 20 schematisch als ein Flussdiagramm. Für Elemente, die in Funktion und/oder Aufbau den Elementen der vorherigen Ausführungsbeispiele entsprechen, sind im Folgenden dieselben Bezugszeichen verwendet.
  • In einem Verfahrensschritt 21 startet das Verfahren 20. Beispielsweise erreicht im Verfahrensschritt 21 eine Anforderung für eine erhöhte geforderte Leistungsabgabe 6 die Brennstoffzelle oder eine Steuereinrichtung zur Steuerung der Brennstoffzelle. Im auf den Verfahrensschritt 21 folgenden Verfahrensschritt 22 wird der Mediendruck 10 so eingestellt, dass er einem Absinken der elektrischen Zellspannung 9 entgegenwirkt, sodass die elektrische Zellspannung 9 verzögert absinkt. Insbesondere kann der Mediendruck 10 gesteigert werden.
  • Im optional folgenden Verfahrensschritt 23 kann der Mediendruck 10 auf den Sollwert abgesenkt werden, falls der Mediendruck 10 zum Erhöhen der aktuellen Leistungsabgabe 7 höher war als benötigt, um die aktuelle Leistungsabgabe 7 auf dem Niveau der erhöhten geforderten Leistungsabgabe 6 zu halten. Im Verfahrensschritt 24 endet das Verfahren. Beispielsweise entspricht die aktuelle Leistungsabgabe 7 nach dem Verfahrensschritt 24 der geforderten Leistungsabgabe 4 und ist konstant.
  • 4 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Brennstoffzellenvorrichtung schematisch. Für Elemente, die in Funktion und/oder Aufbau den Elementen der bisherigen Ausführungsbeispiele entsprechen, sind dieselben Bezugszeichen verwendet.
  • Die Brennstoffzellenvorrichtung 30 ist mit einer Brennstoffzelle 31 sowie mit einer Steuereinrichtung 32 ausgebildet. Die Steuereinrichtung 32 steuert Betriebsparameter der Brennstoffzelle 31 und ist hierzu beispielsweise mit einer Steuerleitung 33 mit der Brennstoffzelle 31 verbunden.
  • An Anschlusskontakten 34, 35 der Brennstoffzelle 31 liegt in deren Betrieb die elektrische Zellspannung 9 an. Weist die Brennstoffzelle 31 nur einen Brennstoffzellenstapel auf, so kann die elektrische Zellspannung 9 im Wesentlichen auch über diesem abfallen. Ist die Brennstoffzelle 31 mit mehreren Brennstoffzellenstapeln ausgebildet, so kann sich die elektrische Zellspannung 9 über diese verteilen, wenn diese beispielsweise in Reihe miteinander geschaltet sind. Im Betrieb der Brennstoffzellenvorrichtung 30 kann der elektrische Strom 8 durch die Anschlusskontakte 34, 35 fließen.
  • Eingangsseitig ist die Steuereinrichtung 32 mit einer Anforderungsleitung 36 verbunden, über die die geforderte Leistungsabgabe 4 der Steuereinrichtung 32 mitgeteilt werden kann.
  • Die Steuereinrichtung 32 ist ausgebildet, den Betriebsparameter Mediendruck 10 zumindest eines der Betriebsmedien der Brennstoffzelle 31, beispielsweise Sauerstoff und/oder Wasserstoff, erfindungsgemäß einzustellen. Wird der Mediendruck 10 nicht in der Brennstoffzelle 31 sondern außerhalb der Brennstoffzelle 31 reguliert, kann die Steuerleitung 33 auch zu einem Mediendruckregulator führen, den die Brennstoffzellenvorrichtung 30 optional aufweisen kann. Die Messgröße Mediendruck 10 kann durch eine Sensorleitung 37 von der Brennstoffzelle 31 zur Steuereinrichtung 32 oder zum Mediendruckregulator geführt sein.
  • 5 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeuges 40 schematisch. Für Elemente, die in Funktion und/oder Aufbau den Elementen der bisherigen Ausführungsbeispiele entsprechen, sind dieselben Bezugszeichen verwendet.
  • Das Kraftfahrzeug 40 ist mit der Brennstoffzellenvorrichtung 30 versehen, die beispielsweise Antriebsenergie übertragend mit wenigstens einem Elektromotor, mit dem das Kraftfahrzeug 40 mindestens teilweise antreibbar sein kann, verbunden ist. Die Brennstoffzellenvorrichtung 30 kann wie in der 5 dargestellt in einem vorderen Motorraum oder im Kofferraum, unter einer Rücksitzbank, im Bereich eines Unterboden oder anders im oder am Kraftfahrzeug 40 angeordnet sein.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Diagramm
    2
    Abszissenachse (Zeit)
    3
    Ordinatenachse (Betriebsparameter)
    4
    geforderte Leistungsabgabe
    5
    niedrige geforderte Leistungsabgabe
    6
    erhöhte geforderte Leitungsabgabe
    7
    aktuelle Leistungsabgabe
    8
    elektrischer Strom
    9
    elektrische Zellspannung
    10
    Mediendruck
    11
    Sollwert
    20
    Verfahren
    21
    Start
    22
    Mediendruck einstellen
    23
    Mediendruck absenken
    24
    Ende
    30
    Brennstoffzellenvorrichtung
    31
    Brennstoffzelle
    32
    Steuereinrichtung
    33
    Steuerleitung
    34, 35
    Anschlusskontakte
    36
    Anforderungsleitung
    37
    Sensorleitung
    40
    Kraftfahrzeug

Claims (6)

  1. Verfahren (20) zum Betreiben einer Brennstoffzelle (31), bei dem eine aktuelle Leistungsabgabe (7) der Brennstoffzelle (31) bis zu einer geforderten Leistungsabgabe (4) gesteigert wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein Mediendruck (10) wenigstens eines Betriebsmediums der Brennstoffzelle (31) so eingestellt wird (22), dass ein Absinken einer Zellspannung (9) der Brennstoffzelle (31) beim Steigern der aktuellen Leistungsabgabe (7) zumindest verlangsamt wird.
  2. Verfahren (20) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Mediendruck (10) erhöht wird.
  3. Verfahren (20) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Mediendruck (10) über einen Sollwert (11), der zur Aufrechterhaltung der erhöhten geforderten Leistungsabgabe (6) ausreicht, hinaus erhöht wird, bevor die aktuelle Leitungsabgabe (7) der geforderten erhöhten Leistungsabgabe (6) entspricht.
  4. Verfahren (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Mediendruck (10) im Vergleich zu einem Massenstrom des wenigstens einen Betriebsmediums überproportional erhöht wird.
  5. Brennstoffzellenvorrichtung (30) mit einer Brennstoffzelle (31) und einer Steuereinrichtung (32) zur Steuerung von Betriebsparametern der Brennstoffzelle (31), dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (32) ausgebildet ist, den Betriebsparameter Mediendruck (10) zumindest eines Betriebsmediums der Brennstoffzelle (31) nach einem der Ansprüche 1 bis 4 einzustellen.
  6. Kraftfahrzeug (40) mit einer Brennstoffzellenvorrichtung (30), dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzellenvorrichtung (30) eine Brennstoffzellenvorrichtung nach Anspruch 5 ist.
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