Lederbogen, Matthias (Hauptstr. 30, Blaubeuren, 89143, DE)
Post, Gerald (Nordalbstr. 26, Süssen, 73079, DE)
Schempp, Volker (Schillerstr. 29, Holzmaden, 73271, DE)
Kurrle, Michael (Hohenkreuzweg 30, Esslingen, 73732, DE)
Lederbogen, Matthias (Hauptstr. 30, Blaubeuren, 89143, DE)
Post, Gerald (Nordalbstr. 26, Süssen, 73079, DE)
Schempp, Volker (Schillerstr. 29, Holzmaden, 73271, DE)
| 1. | Verfahren zum Betreiben eines BrennstoffZeilensystems, wobei in einer Startphase zur Vermeidung einer Unterver¬ sorgung einer Brennstoffzelle mit Brennstoff eine größere Menge von Brennstoff in ein anodenseitiges Volumen des Brennstoffzellensystems dosiert wird, als der Menge ent¬ sprechen würde, die zum Bereitstellen der aktuell gefor¬ derten elektrischen Leistung notwendig wäre, dadurch gekennzeichnet, dass beim Starten die Menge von Brennstoff in das Brenn¬ stoffZellensystem unter Berücksichtigung eines Gehalts von in der Brennstoffzelle gespeichertem Brennstoff do¬ siert wird. |
| 2. | Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Gehalt an gespeichertem Brennstoff durch eine Bestimmung einer elektrischen Spannung an der Brennstoff¬ zelle bestimmt wird. |
| 3. | Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass beim Starten des Brennstoffzellensystems für eine gegebene Zeitspanne abhängig vom Gehalt an gespeichertem Brennstoff weniger Brennstoff zudosiert wird. |
| 4. | Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Zudosierung abhängig von einer Kühlwassertempe¬ ratur der Brennstoffzelle erfolgt. |
| 5. | Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein zeitlicher Verlauf der Brennstoffzellenspannung beobachtet und eine Dosierung von Brennstoff abhängig von dem zeitlichen Verlauf erfolgt. |
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Es ist bekannt, dass bei BrennstoffZeilensystemen mit einem Gaserzeugungssystem oder mit einer Wasserstoffspeicherein¬ richtung (z.B. Druckspeichertank) in der Startphase, also be¬ vor das gesamte System seine Betriebstemperatur erreicht hat, spezielle Betriebsbedingungen gelten. So wird beispielsweise in der Startphase sehr häufig bei einem weitaus geringeren Systemdruck gearbeitet als im Normalbetrieb des Brennstoff¬ zellensystems. Um den Druckaufbau, der dadurch erforderlich ist, zu -gewährleisten, muss häufig in Kauf genommen werden, dass die Brennstoffzelle zumindest zwischenzeitlich nicht mit einer ausreichenden Menge an Wasserstoff oder wasserstoffhal- tigem Gas zum Erzeugen der geforderten Leistung der Brenn¬ stoffzelle versorgt wird. Die fehlende elektrische Leistung kann dann beispielsweise aus einem Zwischenspeicher, etwa ei¬ ner Batterie oder dergleichen, zugeführt werden. In einem Fahrzeug, das mit einem Brennstoffzellensystem ausgestattet ist, kann dazu beispielsweise eine Zusatzbatterie mitgeführt werden.
Aus der Offenlegüngsschrift DE 101 40 602 Al ist ein Verfah¬ ren bekannt, bei dem die Kaltstartphase des Brennstoffzellen¬ systems verbessert und damit eine Dauer der Unterversorgung der Brennstoffzelle verkürzt wird, indem der Druckaufbau in dem Brennstoffzellensystem möglichst schnell und einfach rea¬ lisiert wird. Es wird nach Abschluss einer Kaltstartphase ei¬ ne größere Menge von Brennstoff in das Systemvolumen des Brennstoffzellensystems dosiert, als der Menge entsprechen würde, die zum Bereitstellen der aktuell geforderten elektri¬ schen Leistung notwendig wäre.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems anzugeben, mit dem weniger Brennstoff zur Vermeidung einer Unterversorgung einer Brennstoffzelle mit Brennstoff eingesetzt werden muss und ei¬ ne Startdauer des Brennstoffzellensystems verkürzt werden kann.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des An¬ spruchs 1 gelöst.
Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren wird beim Starten eines Brennstoffzellensystems eine Menge von Brennstoff in das Brennstoffzellensystem unter Berücksichtigung eines Gehalts von in der Brennstoffzelle gespeichertem Brennstoff dosiert. Wenn in der Startphase zur Vermeidung einer Unterversorgung der Brennstoffzelle mit Brennstoff eine größere Menge von Brennstoff in ein anodenseitiges Volumen des Brennstoffzel¬ lensystems dosiert wird, als der Menge entsprechen würde, die zum Bereitstellen einer aktuell geforderten elektrischen Leistung notwendig wäre, kann die tatsächlich zugeführte Men¬ ge des Brennstoffs um den aktuellen, in der Brennstoffzelle gespeicherten Gehalt vermindert werden. Als Brennstoff wird vorzugsweise Wasserstoff oder ein wasserstoffreiches Gas ein¬ gesetzt. Weiterhin kann die Startphase des Brennstoffzellen¬ systems bei einem Neustart verkürzt werden. Bei einem Brenn¬ stoffzellenfahrzeug, bei dem üblicherweise bei beginnender Stromentnahme das Brennstoffzellensystem eingeschaltet wird und das Brennstoffzellensystem abgeschaltet wird, wenn kein Strom entnommen wird, kann mittels des erfindungsgemäßen Ver- fahrens eine vorteilhafte Betriebsstrategie mit einem Start- Stopp-Betrieb realisiert werden. Da demnach beim Starten oder Wiederstarten des Brennstoffzellensystems weniger unver¬ brauchter Brennstoff abgegeben wird, wird in der Betriebspha¬ se, z.B. mit einem Start-Stopp-Betrieb, der Brennstoff¬ verbrauch insgesamt vorteilhaft vermindert und eine Reichwei¬ te des Brennstoffzellenfahrzeugs bei sonst gleichen Leis¬ tungsdaten verbessert.
Günstige Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung sind der Beschreibung sowie den weiteren Ansprüchen zu entnehmen.
Wird der Gehalt an gespeichertem Brennstoff durch eine Be¬ stimmung einer elektrischen Spannung an der Brennstoffzelle bestimmt, kann eine genaue und einfache Abschätzung der ver¬ fügbaren und der benötigten Menge an Brennstoff erfolgen. Vorzugsweise wird Wasserstoff oder ein wasserstoffreiches Gas als Brennstoff verwendet. Da die Brennstoffzelle während ih¬ res Betriebs sich kapazitiv mit Wasserstoff belädt und sich dessen Menge nach Abschalten der Brennstoffzelle langsam ver¬ ringert, weist die Brennstoffzelle nach dem Abschalten eine elektrische Restspannung auf, die mit der Zeit proportional zum Gehalt des gespeicherten Wasserstoffs abnimmt.
Vorzugsweise wird beim Starten des Brennstoffzellensystems für eine gegebene Zeitspanne abhängig vom Gehalt an gespei¬ chertem Brennstoff weniger Brennstoff zudosiert. Es wird we¬ niger Brennstoff unnütz in die Umgebung abgegeben. Wird ein Überschuss an Brennstoff zugegeben, kann unter Berücksichti¬ gung des in der Brennstoffzelle gespeicherten Gehalts die In¬ betriebnahme in kürzerer Zeit erfolgen. Die Startphase kann daher vorteilhaft verkürzt werden.
Weist das BrennstoffZeilensystem eine Anodengas-Rezirkulation auf (Anoden-Loop) , so kann die zudosierte Menge an Brennstoff rezirkuliertes Anodengas aus dem Anoden-Loop sein. Die Dosie¬ rung kann dabei entweder aktiv oder passiv erfolgen. Erfolgt sie aktiv, so kann z.B. eine Pumpe eingesetzt werden, wobei die Pumpe bei hoher Restspannung mit entsprechend reduzierter Pumpleistung betrieben wird und bei geringer Restspannung mit entsprechend erhöhter Pumpleistung. Dies trägt zu einer Ver¬ besserung des Wirkungsgrads des Brennstoffzellensystems bei.
Zweckmäßigerweise erfolgt eine Zudosierung abhängig von einer Kühlwassertemperatur der Brennstoffzelle.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung wird ein zeitlicher Ver¬ lauf der Brennstoffzellen-Restspannung nach dem Abschalten des Brennstoffzellensystems beobachtet, wobei beim Einschal¬ ten oder Wiedereinschalten des Brennstoffzellensystems eine Dosierung von Brennstoff abhängig von dem zeitlichen Verlauf der Brennstoffzellen-Restspannung erfolgt.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbei¬ spiels näher erläutert. Die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination, die der Fach¬ mann zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinn¬ vollen weiteren Kombinationen zusammenfassen wird.
Dabei zeigt die Figur schematisch einen Verlauf einer Brenn¬ stoffzellen-Restspannung bei abgeschaltetem Brennstoffzellen- system über der Zeit in Zusammenhang mit einer Menge an zuzu- dosierendem überschüssigem Brennstoff beim Wiederstarten des Brennstoffzellensystems.
Die Erfindung wird vorzugsweise in einem Brennstoffzellen— fahrzeug eingesetzt. Das Brennstoffzellensystem kann einen Antrieb des Fahrzeugs mit Antriebsleistung versorgen, oder das Brennstoffzellensystem kann zusätzlich oder alternativ als eine Hilfsenergiequelle zur Versorgung von elektrischen Verbrauchern unabhängig von einem Antrieb des Fahrzeugs ein¬ gesetzt werden. Das Brennstoffzellensystem umfasst eine Brennstoffzelle, die aus einer Mehrzahl von Einzelzellen zu¬ sammengesetzt ist, die elektrisch in Serie und/oder parallel geschaltet sind, um eine ausreichende elektrische Leistung abgeben zu können.
Wie aus der Figur ersichtlich, wird zu einem Zeitpunkt to das Brennstoffzellensystem abgeschaltet, weil keine Stromanforde¬ rung vorliegt, d.h. die Versorgung der Brennstoffzelle mit Wasserstoff als Reduktionsmittel und Sauerstoff als Oxidati- onsmittel wird unterbrochen. Ausgehend von einer Betriebs¬ spannung Ub fällt die elektrische Spannung U der Brennstoff¬ zelle daraufhin mit der Zeit t ab. Der Verlauf der elektri¬ schen Spannung U der Brennstoffzelle nach dem Abschalten ent¬ spricht einer zeitabhängigen Brennstoffzellen-Restspannung, die durch in der Brennstoffzelle im Betrieb eingelagerten Wasserstoff entsteht, wobei sich die Brennstoffzelle im Be¬ trieb mit Wasserstoff auflädt. Wird die Brennstoffzelle abge¬ schaltet, gibt die Brennstoffzelle diesen Wasserstoff wieder frei, und die Brennstoffzellen-Restspannung sinkt mit der Zeit gegen Null ab. Wird jedoch zu einem Zeitpunkt, zu dem die Brennstoffzellen-Restspannung noch nicht ganz abgeklungen ist, das Brennstoffzellensystem wieder eingeschaltet, weil beispielsweise eine Leistungsanforderung des Fahrers des Brennstoffzellenfahrzeugs anliegt, kann auf den in der Brenn¬ stoffzelle noch vorhandenen Wasserstoff zurückgegriffen wer¬ den. Wird beim Starten des Brennstoffzellensystems dessen Brennstoffzellen-Anodenseite mit Wasserstoff gespült, um eine Unterversorgung der Brennstoffzelle mit Wasserstoff zu ver¬ meiden, kann eine um die in der Brennstoffzelle vorhandene Wasserstoffmenge verminderte Menge zum Spülen der Anodenseite verwendet werden. Bezogen auf die Gesamtmenge des Wasser- Stoffs muss also weniger Wasserstoff zugeführt werden, und dies kann in kürzerer Zeit erfolgen.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben des Brenn¬ stoffzellensystems wird daher in einer Startphase beim Star¬ ten oder Wiederstarten des BrennstoffZeilensystems die Menge von Wasserstoff in das Brennstoffzellensystem unter Berück¬ sichtigung des Gehalts von in der Brennstoffzelle gespeicher¬ tem Wasserstoff dosiert.
Der Gehalt an gespeichertem Wasserstoff wird durch eine Be¬ stimmung der elektrischen Spannung U an der Brennstoffzelle bei abgeschaltetem Brennstoffzellensystem bestimmt. Eine quantitative Korrelation zwischen Brennstoffzellen- Restspannung und der Menge an Wasserstoff in der Brennstoff¬ zelle kann durch Messreihen und/oder eine Modellierung vorab bestimmt werden und steht im Betrieb beispielsweise in einem Speicher einer Steuereinheit zur Verfügung.
Im Vergleich zu einem konventionellen Verfahren wird beim Starten des Brennstoffzellensystems für eine gegebene. Zeit¬ spanne abhängig vom Gehalt an gespeichertem Brennstoff weni¬ ger Wasserstoff zudosiert.
Zweckmäßigerweise werden weitere Parameter in der Startphase berücksichtigt, die den Bedarf an Brennstoff, insbesondere Wasserstoff, beeinflussen können, beispielsweise kann die Zu- dosierung abhängig von einer Kühlwassertemperatur der Brenn¬ stoffzelle erfolgen.