DE102017011715A1 - Verfahren zur Regeneration einer Brennstoffzelle - Google Patents

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Martin Heinen
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Sven Schmalzriedt
Rene Häussler
Bernd Guenther
Stefan Kunze
Matthias Lederbogen
Jenny Kremser
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regeneration Verfahren zur Regeneration einer Brennstoffzelle (3) in einem Energieversorgungssystem (2) mit wenigstens einer Brennstoffzelle (3) und einer elektrischen Energiespeichereinrichtung (4), gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:- zuerst wird die Brennstoffzelle (3) mit einer gegenüber dem Normalbetrieb reduzierten Leistung oder vorzugsweise ohne Leistungsabgabe betrieben, wobei währenddessen über eine aktive Kühlung die Betriebstemperatur der Brennstoffzelle (3) gegenüber dem Normalbetrieb reduziert wird, wonach- bei weiterhin erfolgender Kühlung die Brennstoffzelle (3) mit möglichst hoher Leistung betreiben wird, wobei die Leistung durch eine vorgegebene Maximaltemperatur eines Kühlmediums zur aktiven Kühlung begrenzt wird; wonach- bei weiterhin erfolgender Kühlung die Brennstoffzelle (3) ohne Leistungsabgabe und ohne Sauerstoffzufuhr betrieben wird, bis ein vorgegebener unterer Grenzwert (Vmin) der Zellspannung (V) erreicht worden ist; und wonach wieder in den normalen Betrieb gewechselt wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regeneration einer Brennstoffzelle in einem Energieversorgungssystem mit wenigstens einer Brennstoffzelle und einer elektrischen Energiespeichereinrichtung. Außerdem betrifft die Erfindung die Verwendung eines derartigen Verfahrens.
  • Aus dem allgemeinen Stand der Technik ist es bekannt, dass die Leistung von Brennstoffzellen, insbesondere von sogenannten PEM-Brennstoffzellen, welche eine Polymermembran als Elektrolyt nutzen, über die Betriebszeit der Brennstoffzelle abnimmt. Man geht unter anderem davon aus, dass sich bei ungünstigen Betriebszuständen und Spannungsverhältnissen schädliche Stoffe an die Katalysatoren und/oder die Elektroden anlagern und deshalb die Leistungsfähigkeit der Brennstoffzelle abnimmt. Es ist aus dem allgemeinen Stand der Technik auch bekannt, dass über bestimmte Betriebsverfahren zur Regeneration, in welchen die Brennstoffzelle in einem Ruhebetrieb mit bestimmten Parametern hinsichtlich der Stromdichte und der Spannung beaufschlagt wird, eine Regeneration möglich ist.
  • Am Beispiel einer Direktmethanolbrennstoffzelle ist dies in der DE 103 28 257 A1 sowie in dem darin in der Beschreibungseinleitung genannten Stand der Technik entsprechend beschrieben.
  • In den dort beschriebenen und aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannten Fällen ist es dabei immer so, dass die Verfahren zur Regeneration der Brennstoffzelle in einem Ruhemodus der Brennstoffzelle oder allenfalls einem Sonderbetriebsmodus der Brennstoffzelle, beispielsweise während einer sogenannten Abschaltprozedur, stattfinden. Dies macht die bekannten Verfahren zur Regeneration komplex in der Anwendung, da zuerst die entsprechenden Bedingungen geschaffen werden müssen, welche dann auch noch über eine ausreichend lange Zeit aufrechterhalten werden müssen, um die Regeneration durchzuführen. In der Praxis kommt es daher häufig dazu, dass die Regeneration nicht oder nur in viel zu großen Abständen durchgeführt wird. Oft wird dazu das System, beispielsweise bei einem Fahrzeug, nach dem eigentlichen Betrieb noch weiter betrieben, um die Regeneration durchzuführen, was aber dem Nutzer des Fahrzeugs, welcher dieses eben abgestellt hat, nicht ohne weiteres erklärbar ist und gegebenenfalls auch ein Sicherheitsrisiko darstellen kann, wenn der Nutzer das Fahrzeug bereits verlassen hat, obwohl die wasserstoffführenden Bauelemente noch mit Wasserstoff beaufschlagt sind und unter Druck stehen.
  • Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, ein verbessertes Verfahren zur Regeneration einer Brennstoffzelle in einem Energieversorgungssystem mit wenigstens einer Brennstoffzelle und einer elektrischen Energiespeichereinrichtung anzugeben, welches insbesondere die oben genannten Nachteile vermeidet.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen im Anspruch 1, und hier insbesondere im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1, gelöst.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zur Regeneration einer Brennstoffzelle besteht im Wesentlichen aus drei Schritten. In einem ersten Schritt wird die Brennstoffzelle zuerst mit einer gegenüber dem Normalbetrieb reduzierten, insbesondere stark reduzierten Leistung oder vorzugsweise ohne Leistungsabgabe betrieben. Gleichzeitig wird in diesem ersten Schritt die aktive Kühlung der Brennstoffzelle gegenüber dem Normalbetrieb verstärkt, sodass die Betriebstemperatur der Brennstoffzelle gegenüber der Temperatur im Normalbetrieb absinkt. Die Brennstoffzelle wird in diesem ersten Verfahrensschritt also vorgekühlt.
  • Im Anschluss wird bei weiterhin aktiver Kühlung, welche gemäß einer bevorzugten Weiterbildung unverändert weiter erfolgt, die Brennstoffzelle mit möglichst hoher Leistung betrieben, vorzugsweise mit ihrer Maximalleistung. Dabei muss lediglich darauf geachtet werden, dass eine vorgegebene Maximaltemperatur des Kühlmediums der Kühlung nicht überschritten wird, wozu die Leistung gegebenenfalls begrenzt werden muss.
  • Danach erfolgt in einem dritten Schritt des Verfahrens zur Regeneration bei weiterhin stattfindender Kühlung ein Betrieb der Brennstoffzelle ohne Leistungsabgabe und ohne Sauerstoffzufuhr. Die Luftversorgungsvorrichtung wird also abgestellt. Gleichzeitig wird weiterhin Wasserstoff zudosiert, sodass die Zellspannung bei Beaufschlagung mit Wasserstoff auf der Anodenseite und bei zunehmend fehlendem Sauerstoff auf der Kathodenseite abfällt. Der Betrieb in diesem dritten Schritt erfolgt, bis ein vorgegebener unterer Grenzwert der Zellspannung erreicht worden ist. Damit ist der dritte Schritt und so auch die Regeneration abgeschlossen und es wird wieder in den Normalbetrieb zurückgewechselt. Über dieses Verfahren kann außerordentlich einfach und effizient die Regeneration der Brennstoffzelle vorgenommen werden.
  • Gemäß einer sehr vorteilhaften Weiterbildung der Idee ist es dabei vorgesehen, dass diese drei Schritte während des Betriebs des Energieversorgungssystems stattfinden, wobei die Leistung, sofern sie nicht von der Brennstoffzelle geliefert wird, über die elektrische Energiespeichereinrichtung bereitgestellt wird. Im ersten Verfahrensschritt wird die Brennstoffzelle mit wenig oder idealerweise ohne Leistungsabgabe betrieben. In diesem Schritt wird die Leistung aus der elektrischen Energiespeichereinrichtung bereitgestellt. Diese verringert dabei ihren Ladezustand. Im zweiten Schritt wird die Brennstoffzelle mit der maximal möglichen Leistung betrieben, bei welcher die Grenztemperatur des Kühlmediums noch eingehalten werden kann. Die in diesem Schritt gelieferte Leistung der Brennstoffzelle wird für die meisten Anwendungen jedoch zu groß sein. Die Überschussleistung kann jedoch zum Laden der elektrischen Energiespeichereinrichtung genutzt werden, welche ja zuvor im ersten Schritt entladen worden ist. Während des dritten Schritts wird die Brennstoffzelle wiederum abgestellt und die benötigte Leistung wird gänzlich aus der elektrischen Energiespeichereinrichtung geliefert. Da diese im zweiten Schritt zuvor geladen worden ist, sollte dies kein Problem darstellen, sodass während des gesamten Verfahrens die erforderliche Leistungsabgabe des Energieversorgungssystems sichergestellt ist.
  • Der oben beschriebene erste Schritt der Regenerationsprozedur kann entfallen oder ist beziehungsweise bereits erfüllt, sofern die für die Regeneration erforderlich Betriebstemperatur sowie ein entsprechender Ladezustand bereits beim Aktivieren der Prozedur erreicht sind. Dies könnte zum Beispiel beim Start des Systems nach einer längeren Abstellzeit der Fall sein, wobei die Temperatur der Brennstoffzelle bereits geringer als eine Betriebstemperatur im Normalbetrieb der Brennstoffzelle ist.
  • Die Regeneration kann gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Idee dadurch ausgelöst werden, dass eine der nachfolgend erläuterten Bedingungen erfüllt ist:
    • - Die Leistungsfähigkeit der Brennstoffzelle fällt beispielsweise unter einen vorgegebenen Grenzwert. Sie kann also die nominelle Leistung nicht mehr liefern, was als Anzeichen für die Notwendigkeit einer Regeneration angesehen werden kann.
    • - Ergänzend oder alternativ dazu ist es möglich, seit der letzten Regeneration ein Strom/Zeit-Integral zu berechnen. Sobald dieses einen vorgegebenen Grenzwert erreicht, kann auch dies als Anzeichen für das Auslösen der Regeneration in den oben beschriebenen Verfahrensschritten gewertet werden.
    • - Eine dritte alternative oder ergänzende Möglichkeit besteht sehr einfach darin, die Betriebszeit seit der letzten Regeneration zu überwachen, sodass die nachfolgende Regeneration zeitgesteuert ausgelöst wird.
  • Eine besonders bevorzugte Weiterbildung dieser Idee sieht dabei vor, dass die Regeneration nach dem Auslösen nicht direkt durchgeführt wird, sondern erst wenn der Ladezustand der elektrischen Energiespeichereinrichtung dies zulässt. Soll die Regeneration im Normalbetrieb des Energieversorgungssystems erfolgen, dann wird während des ersten Schritts eine gewisse elektrische Energiemenge aus der elektrischen Energiespeichereinrichtung benötigt, um die erforderliche Leistung ausschließlich oder weitgehend aus der elektrischen Energiespeichereinrichtung zur Verfügung zu stellen. Erst im zweiten Schritt wird die elektrische Energiespeichereinrichtung dann entsprechend geladen, sodass ihr ursprünglicher Ladezustand für den dritten Schritt keine weitere Rolle spielt. Allerdings ist es nun so, dass ein Ladezustand, welcher so niedrig ist, dass die Energie während des ersten Schritts nicht bereitgestellt werden kann, ein Ausschlusskriterium für den Start der Regeneration sein kann. Außerdem ist es so, dass der erste Schritt im Vergleich zum zweiten Schritt entsprechend kurz sein kann, insbesondere in Abhängigkeit der aktuellen Betriebsbedingungen, unter welchen das Energieversorgungssystem betreiben wird. In diesem Fall kann es sein, dass die elektrische Energiespeichereinrichtung nicht so weit entladen wird, dass sie den größten Teil der im zweiten Schritt anfallenden Energie aufnehmen kann. Auch in diesem Fall kann anhand des aktuellen Ladezustands der elektrischen Energiespeichereinrichtung der Start der Regeneration, obwohl dieser durch die oben genannten Kriterien bereits ausgelöst worden ist, nochmals hinausgezögert werden.
  • Je nach Einsatz des Energieversorgungssystems, wobei nachfolgend noch ein besonders bevorzugter Einsatz beschrieben wird, kann es sein, dass das Energieversorgungssystem aufgrund von unerwarteten Anforderungen eine hohe Leistungsfähigkeit bieten muss. Aus diesem Grund ist es jederzeit möglich, das Regenerationsverfahren in einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens abzubrechen, wenn die Leistungsanforderung nicht mit den Erfordernissen des Regenerationsverfahrens vereinbar ist. Das Regenerationsverfahren kann praktisch zu jedem Zeitpunkt während seines Ablaufs abgebrochen und in den Normalbetrieb zurückgewechselt werden. Die Regeneration ist dann zwar nicht abgeschlossen und die vor dem Start des Regenerationsverfahrens vorliegenden Probleme können auch weiterhin vorliegen, die von der Regeneration bereits erreichte Leistungsfähigkeit ist dann jedoch in jedem Fall sofort wieder verfügbar.
  • Wie bereits angedeutet, wird nachfolgend eine besonders bevorzugte Verwendung des Verfahrens beschrieben. Diese sieht die Verwendung in einem Energieversorgungssystem vor, welches Antriebsleistung für ein Kraftfahrzeug bereitstellt. Insbesondere die Betriebsbedingungen in einem Kraftfahrzeug mit einer hochdynamischen Leistungsanforderung an das Energieversorgungssystem erfordern eine hohe Leistungsfähigkeit der Brennstoffzelle einerseits und zwingen das Energieversorgungssystem andererseits häufig in Betriebsphasen, in denen Betriebsbedingungen unvermeidbar sind, welche zu einer Degradation der Brennstoffzelle führen. Gerade bei einem Kraftfahrzeug ist es jedoch nicht erwünscht, die Regeneration immer im Ruhemodus oder während einer Abschaltprozedur durchzuführen, da so beispielsweise bei längeren Fahrten die erforderliche Regeneration nicht oder nicht im ausreichenden Maße durchgeführt wird, was die Lebensdauer der Brennstoffzelle reduziert. Das erfindungsgemäße Verfahren, welches eine Regeneration während des Normalbetriebs, also beim Einsatz in einem Fahrzeug während der Fahrt, ermöglicht, ist daher ideal geeignet, um die Anforderungen an ein solches Verfahren bei einem Energieversorgungssystem in einem Kraftfahrzeug zu erfüllen.
  • Demensprechend ist es gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Verwendung vorgesehen, dass die Regeneration während der Fahrt erfolgt, wobei die erforderliche Kühlleistung über einen Kühlkreislauf und ein darin umgewälztes Kühlmedium zur Verfügung gestellt wird, und wobei das Kühlmedium über einen von Fahrtwind durchströmten Kühlwärmetauscher abgekühlt wird. Ein solcher Kühlkreislauf ist beim Einsatz eines Energieversorgungssystems in einem Kraftfahrzeug allgemein bekannt und üblich.
  • Reicht der Fahrtwind zur Abkühlung des Kühlmediums nicht aus, dann kann es gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Idee auch vorgesehen sein, dass bei Bedarf zur Aufrechterhaltung der geforderten Kühlleistung ein Kühlgebläse zur Verbesserung der Durchströmung des Kühlwärmetauschers zugeschaltet wird. Der Kühler wird also zwangsweise mit einer höheren Luftmenge durchströmt, welche durch das Gebläse gefördert wird. Hierdurch lässt sich eine verbesserte Kühlung erzielen, um die geforderte Kühlleistung während des gesamten Verfahrens zu Regeneration sicher und zuverlässig bereitstellen zu können.
  • Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie seiner Verwendung ergeben sich auch aus dem Ausführungsbeispiel, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben ist.
  • Dabei zeigen:
    • 1 ein prinzipmäßig angedeutetes Energieversorgungssystem zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens in einem Fahrzeug; und
    • 2 ein schematisches Diagramm der wichtigsten Aspekte des Verfahrens gemäß der Erfindung.
  • In der Darstellung der 1 ist ein Fahrzeug 1 schematisch angedeutet. Die Antriebsenergie für dieses Fahrzeug 1 soll über ein Energieversorgungssystem 2 bereitgestellt werden. Dieses Energieversorgungssystem 2 umfasst dabei eine Brennstoffzelle 3, welche in der Realität als Vielzahl von aufeinander gestapelten Einzelzellen, also als sogenannter Brennstoffzellenstapel oder Brennstoffzellenstack, ausgebildet ist. Elektrische Leistung, welche diese Brennstoffzelle 3 liefert, gelangt über elektrische Anschlussleitungen zu einer Leistungselektronik 5 des Energieversorgungssystems 2. In Kombination mit dieser Leistungselektronik 5 befindet sich außerdem eine elektrische Energiespeichereinrichtung 4, welche elektrische Leistung für die Leistungselektronik 5 bereitstellen kann, und welche elektrische Überschussleistung, beispielsweise der Brennstoffzelle 3, aufnehmen kann. Die elektrische Energiespeichereinrichtung 4 kann insbesondere als sogenannte Hochvoltbatterie ausgebildet sein, also eine Batterie mit einer Spannung von mehr als 60 V. Daneben sind andere Speichertechnologien denkbar, beispielsweise Superkondensatoren oder dergleichen. Diese können auch mit einer Batterie kombiniert werden, welche in beliebiger Technik, beispielsweise als Lithium-Ionen Batterie ausgestaltet sein kann.
  • Die elektrische Antriebsleistung wird über die Leistungselektronik 5 einem elektrischen Fahrmotor 6 zum Antrieb des Fahrzeugs 1 bereitgestellt. Beim Abbremsen des Fahrzeugs 1 kann dieser elektrische Antriebsmotor 6 auch generatorisch betrieben werden. Die dabei anfallende elektrische Leistung kann ebenfalls in der elektrischen Energiespeichereinrichtung 4 zwischengespeichert werden.
  • Die Brennstoffzelle 3 umfasst einen angedeuteten gemeinsamen Kathodenbereich 8 und Anodenbereich 9 der jeweiligen Einzelzellen. Der Kathodenbereich 8 wird über eine Luftfördereinrichtung 10, beispielsweise einen Strömungsverdichter, in an sich bekannter Art und Weise mit Luft als Lieferant für den benötigten Sauerstoff versorgt. Der Anodenbereich 9 wird mit Wasserstoff, beispielsweise aus einem Druckgasspeicher 11, über eine Druckregel- und Dosiereinrichtung 12 versorgt. In dem hier dargestellten sehr stark vereinfachten Ausführungsbeispiel gelangen die Abgase miteinander vermischt über eine Abgasleitung 13 in die Umgebung des Fahrzeugs. In der Realität könnten hier weitere Komponenten vorgesehen sein, beispielsweise eine Abluftturbine in Wirkverbindung mit der Luftfördereinrichtung 10, eine Rezirkulation für das Anodenabgas oder ähnliches. All dies ist dem Fachmann für Brennstoffzellensysteme und Brennstoffzellenfahrzeuge soweit geläufig, sodass hierauf nicht weiter eingegangen werden muss. Vergleichbares gilt für den Aufbau des Wasserstoffspeichers 11, welcher hier beispielhaft als Druckgasspeicher angedeutet ist. Dieser könnte selbstverständlich auch als Cryo-Speicher oder Cryo/Druck-Speicher ausgebildet sein, um so bei einer entsprechend niedrigen Temperatur des Speichers von typischerweise ca. -250° C den Wasserstoff mit höherer Energiedichte zu speichern.
  • In dem Fahrzeug 1 ist außerdem ein in seiner Gesamtheit mit 19 bezeichneter Kühlkreislauf angedeutet. Dieser Kühlkreislauf 19, welcher hier sehr stark vereinfacht dargestellt ist, kühlt in diesem Fall lediglich die Brennstoffzelle 3 über einen mit 14 bezeichneten Kühlwärmetauscher. In der Praxis können weitere Komponenten, beispielsweise die elektrische Energiespeichereinrichtung 4 und/oder die Leistungselektronik 5, ebenfalls über diesen Kühlkreislauf gekühlt werden. Der Kühlkreislauf 19 umfasst neben diesem Wärmetauscher in der Brennstoffzelle 3 eine Kühlmedienfördereinrichtung 15, über welche das Kühlmedium umgewälzt wird. Dieses wird durch einen Kühlwärmetauscher 16, welcher umgangssprachlich auch als Kühler bezeichnet wird, von angedeutetem Fahrtwind abgekühlt. Bei Bedarf kann ein Kühlgebläse 17 zugeschaltet werden, um die Durchströmung des Kühlwärmetauschers 16 zu verbessern. Die Temperaturregelung für die Kühlung erfolgt dabei typischerweise durch ein Einstellen der Drehzahl der Kühlmittelfördereinrichtung 15 und/oder indem ein Teil des Kühlmediums im Bypass um den Kühlwärmetauscher 16 geführt wird. Ein solcher Bypass ist in der Figur angedeutet und über ein mit 18 bezeichnetes Ventil, z.B. ein Thermostatventil, steuerbar oder regelbar.
  • Die Brennstoffzelle 3 soll in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel als PEM-Brennstoffzelle ausgebildet sein. Sie unterliegt unter bestimmten in dem Fahrzeug 1 nicht zu vermeidenden Betriebsbedingungen einem merklichen Rückgang der Leistungsfähigkeit. Dieser Rückgang der Leistungsfähigkeit ist zumindest teilweise reversibel, wenn beispielsweise in der Brennstoffzelle 3 Zustände herbeigeführt werden, in denen Flüssigwasser am Kathodenkatalysator entsteht und die Zellspannung entsprechend stark reduziert wird. Um auf Basis dieser Überlegungen ein Verfahren zur Regeneration der Brennstoffzelle 3 durchzuführen, werden die nachfolgend beschriebenen Schritte ausgeführt.
  • Diese sind stark schematisiert und vereinfacht in dem Ablaufdiagramm der 2 zu erkennen. Dabei wird zuerst ausgewertet, ob eine Regeneration notwendig ist. Hierfür können beispielsweise verschiedene Parameter überwacht werden. Einer kann beispielsweise die Leistungsfähigkeit der Brennstoffzelle 3 sein. Fällt diese unter einen definierten Grenzwert, kann eine solche Regeneration ausgelöst werden. Eine andere Möglichkeit besteht darin, ab der jeweils zuletzt durchgeführten Regeneration ein Strom/Zeit-Integral zu berechnen. Sobald ein definierter Maximalwert dieses Strom/Zeit-Integrals überschritten wird, kann ebenfalls eine Regeneration ausgelöst werden. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die Betriebszeit der Brennstoffzelle 3 seit der letzten Regeneration zu überwachen und die Regeneration somit zeitgesteuert auszulösen. Wie sich nachfolgend noch zeigen wird, benötigt die Regeneration zum reibungslosen Fortbetrieb des Fahrzeugs 1 während der Regeneration gewisse Randbedingungen, insbesondere beim Ladezustand der elektrischen Energiespeichereinrichtung 4. Daher kann zusätzlich dieser Ladezustand der elektrischen Energiespeichereinrichtung 4 abgefragt werden, bevor die über eines der oben genannten Kriterien ausgelöste Regeneration tatsächlich durchgeführt wird.
  • Ist dies alles passend, dann wird die Regeneration gemäß dem Ablaufdiagramm in 2 ausgeführt und beginnt mit dem Zeitpunkt „Start“. Mit dem Start der Regeneration wird der Betrieb der Brennstoffzelle 3 hinsichtlich der Leistung reduziert, vorzugsweise deutlich reduziert, besonders bevorzugt erfolgt der Betrieb der Brennstoffzelle 3, ohne dass elektrische Leistung abgegeben wird. In 2 ist dies durch P(3)- symbolisiert, was für eine Reduktion der Leistung der Brennstoffzelle 3 stehen soll. Parallel dazu wird der Kühlkreislauf 19 zur Kühlung der Brennstoffzelle 3 so eingestellt, dass die Brennstoffzelle 3 aktiv gekühlt wird, um ihre Betriebstemperatur gegenüber dem Normalbetrieb zu reduzieren. In 2 ist dies durch Kühlung+ symbolisiert. Dabei kann bei Bedarf ein Lüfter vor dem Kühlwärmetauscher 16 des Fahrzeugs 1 eingeschaltet werden, um die zur Verfügung stehende Kühlleistung zu erhöhen.
  • Nach diesem Schritt wird die vorgekühlte Brennstoffzelle wieder eingeschaltet und mit möglichst hoher Leistung P(3)=Pmax betrieben. Die Einstellungen des Kühlkreislaufs, bei dem das Thermostatventil 18 so umgestellt wird, dass der Kühlkreislauf 19 die Brennstoffzelle 3 aktiv kühlt, werden beibehalten. Die erzeugte elektrische Leistung kann einerseits zum Antrieb des Fahrzeugs 1 genutzt werden und kann andererseits die elektrische Energiespeichereinrichtung 4 laden, welche zuvor zumindest teilweise entladen worden ist, da während des ersten Schritts die für das Fahrzeug 1 benötigte Leistung alleine aus der elektrischen Energiespeichereinrichtung 4 kommen musste. Um zu verhindern, dass in dieser zweiten Phase der Regeneration die Temperatur des Kühlmediums einen vorgegebenen Wert überschreitet, ist es gegebenenfalls notwendig, die von der Brennstoffzelle 3 zur Verfügung gestellte Leistung zu reduzieren, um eine Maximaltemperatur des Kühlmediums nicht zu überschreiten. Dennoch wird die Brennstoffzelle mit einer entsprechend hohen Leistung, im Idealfall der maximalen elektrischen Leistung, betrieben.
  • Im nachfolgenden nächsten Schritt wird die Brennstoffzelle 3 ohne elektrische Leistungsentnahme P(3)=0 betrieben. Gleichzeitig wird die Luftversorgung über die Luftversorgungseinrichtung 10 für den Kathodenbereich 8 abgeschaltet, was hier durch Luft=0 angedeutet ist. Die Wasserstoffversorgung des Anodenbereichs 9 wird dabei aufrechterhalten, sodass es zu einem Absinken der Zellspannung V kommt. Dieser Betrieb wird so lange aufrechterhalten, wie diese Spannung V größer als eine Minimalspannung Vmin ist, welche als unterer Grenzwert vorgegeben wird. Sobald die vorgegebene Spannung Vmin erreicht bzw. unterschritten hat, ist das Regenerationsverfahren beendet und das Energieversorgungssystem 2 nimmt seinen regulären Betrieb wieder auf. In der dritten Phase wird dabei die elektrische Leistung, welche für das Fahrzeug 1 weiterhin benötigt wird, ebenfalls durch die elektrische Energiespeichereinrichtung 4 bereitgestellt.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zur Regeneration der Brennstoffzelle 3 lässt sich also während des regulären Betriebs durchführen. Dennoch kann es dazu kommen, dass in bestimmten Situation die Anforderungen an das Fahrzeug 1 bzw. sein Energieversorgungssystem 2 sehr hoch sind. Hierfür ist es vorgesehen, dass das Verfahren zur Regeneration der Brennstoffzelle 3 jederzeit abgebrochen und in den Normalbetrieb zurückgekehrt werden kann.
  • Je nachdem, wie erfolgreich die Regeneration war bzw. wie stark die Brennstoffzelle 3 bereits unter der Degradation gelitten hatte, kann es notwendig werden, die Regeneration mit den drei beschriebenen Schritten sehr zeitnah, gegebenenfalls sofort im Anschluss an den Wechsel in den Normalbetrieb erneut durchzuführen. Dies lässt sich insbesondere anhand des ersten oben aufgeführten Parameters für das Auslösen der Regeneration, also der Überwachung der Leistungsfähigkeit der Brennstoffzelle 3, feststellen. In der Praxis spricht auch nichts dagegen, das Verfahren mehrfach hintereinander durchzuführen, bis der gewünschte Effekt erreicht ist, solange der Ladezustand der Batterie dies ermöglicht.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 10328257 A1 [0003]

Claims (10)

  1. Verfahren zur Regeneration einer Brennstoffzelle (3) in einem Energieversorgungssystem (2) mit wenigstens einer Brennstoffzelle (3) und einer elektrischen Energiespeichereinrichtung (4), gekennzeichnet durch die folgenden Schritte: - zuerst wird die Brennstoffzelle (3) mit einer gegenüber dem Normalbetrieb reduzierten Leistung oder vorzugsweise ohne Leistungsabgabe betrieben, wobei währenddessen über eine aktive Kühlung die Betriebstemperatur der Brennstoffzelle (3) gegenüber dem Normalbetrieb reduziert wird, wonach - bei weiterhin erfolgender Kühlung die Brennstoffzelle (3) mit möglichst hoher Leistung betreiben wird, wobei die Leistung durch eine vorgegebene Maximaltemperatur eines Kühlmediums zur aktiven Kühlung begrenzt wird; wonach - bei weiterhin erfolgender Kühlung die Brennstoffzelle (3) ohne Leistungsabgabe und ohne Sauerstoffzufuhr betrieben wird, bis ein vorgegebener unterer Grenzwert (Vmin) der Zellspannung (V) erreicht worden ist; und wonach wieder in den normalen Betrieb gewechselt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Schritt zur Reduzierung der Betriebstemperatur entfallen kann, sofern die für die Regeneration erforderliche erniedrigte Betriebstemperatur sowie ein entsprechender Ladezustand bereits beim Aktivieren der Prozedur erreicht wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlung während der drei Schritte unverändert bleibt.
  4. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei oder drei Schritte während des Betriebs des Energieversorgungssystems (2) stattfinden, wobei die Leistung, sofern sie nicht von der Brennstoffzelle (3) geliefert wird, über die elektrische Energiespeichereinrichtung (4) bereitgestellt wird.
  5. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Regeneration ausgelöst wird, wenn zumindest eine der nachfolgenden Bedingungen erfüllt ist: - die Leistungsfähigkeit der Brennstoffzelle (3) fällt unter einen vorgegebenen Grenzwert; - ein seit der letzten Regeneration berechnetes Strom/Zeit-Integral erreicht einen vorgegebenen Grenzwert; und/oder - eine Betriebszeit der Brennstoffzelle (3) seit der letzten Regeneration erreicht einen vorgegebenen Grenzwert.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Regeneration nach dem Auslösen erst durchgeführt wird, wenn der Ladezustand der elektrischen Energiespeichereinrichtung (4) dies zulässt.
  7. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchführung der Regeneration jederzeit abgebrochen werden kann, wenn die Leistungsanforderung nicht mit den Erfordernissen des Regenerationsverfahrens vereinbar ist.
  8. Verwendung des Verfahrens zur Regeneration der Brennstoffzelle (3) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, in einem Energieversorgungssystem (2), welches elektrische Antriebsleistung für ein Fahrzeug (1) bereitstellt.
  9. Verwendung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Regeneration während der Fahrt erfolgt, wobei die erforderliche Kühlleistung über einen Kühlkreislauf (19) und ein darin umgewälztes Kühlmedium zur Verfügung gestellt wird, und wobei das Kühlmedium über einen vom Fahrtwind durchströmten Kühlwärmetauscher (16) abgekühlt wird.
  10. Verwendung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass bei Bedarf zur Aufrechterhaltung der geforderten Kühlleistung ein Kühlgebläse (17) zur Verbesserung der Durchströmung des Kühlwärmetauschers (16) zugeschaltet wird.
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