Die hier offenbarte Technologie betrifft ein Verfahren zum Betrieb Brennstoffzellensystems.

Brennstoffzellensysteme werden in der Regel mit einer annähernd konstanten Luftzahl λ betrieben. Die Fig. 1 zeigt den Zusammenhang zwischen dem Luftmassenstrom rh eines Kompressors eines

Brennstoffzellensystems und der Brennstoffzellensystemlast. Auf der Abszisse ist der Strom I aufgetragen, mit dem mindestens eine

Brennstoffzelle belastet wird. Auf der Ordinate ist die Förderrate an

Oxidationsmittel aufgetragen, die der Kompressor des

Brennstoffzellensystems dem Brennstoffzellensystem zur Verfügung stellt, damit das Brennstoffzellensystem den bereitzustellenden Strom I bzw.

Leistung P dem Kraftfahrzeug/Verbraucher bereitstellen kann. l.d.R. weist der Kompressor eine Mindestdrehzahl auf. Die Mindestdrehzahl geht einher mit einer Mindest-Oxidationsmittelförderrate m _mj die im ersten

„geringen" Lastanforderungsbereich A konstant ist. Im zweiten

Lastanforderungsbereich B, dessen bereitzustellende Ströme I bzw.

Leistungen P höher sind als die des ersten Lastanforderungsbereiches A, ergibt sich mit der vorgegebenen Luftzahl λ eine Förderrate, die proportional mit den bereitzustellenden Strömen I bzw. Leistungen P zunimmt. Die Steigung der schematisch gezeigten Funktion repräsentiert hier die Luftzahl λ. Die Luftzahl λ ist hier annähernd konstant. Ein dritter Lastanforderungsbereich C (Funktion punktiert gezeigt) weist höhere bereitzustellende Ströme I bzw. Leistungen P auf als der zweite

Lastanforderungsbereich B. Die angeforderte Last der

Lastanforderungsbereiche A, B, C ist zweckmäßig ein Strom I und/oder eine Leistung P, die die mindestens eine Brennstoffzelle bereitstellen soll bzw. mit dem/der die mindestens eine Brennstoffzelle belastet wird. Auch im dritten Lastanforderungsbereich C ist die Luftzahl λ annähernd konstant. Soll das Brennstoffzellensystem einen sehr großen Strom I bzw. eine sehr große Leistung P innerhalb des dritten Lastanforderungsbereichs C liefern, so wird der maximale Luftmassenstrom rh _max überschritten, den der Kompressor dauerhaft liefern kann. Der Kompressor muss also im Überlastbereich Üb betrieben werden, um die Lastanforderung zu erfüllen. Bei höheren

Systemlasten kann, je nach Auslegung des Kompressors, zum

Komponentenschutz eine zeitliche Begrenzung der Kompressorlasten vorgegeben sein. Ein Betrieb des Kompressors oberhalb der maximalen Überlast-Oxidationsmittelförderrate m _ü b ist auch kurzfristig nicht zugelassen bzw. nicht möglich. Somit sind auch die bereitzustellenden Ströme I hier auf lüb (und letztendlich auch die bereitzustellende Leistung P) begrenzt. Durch die Kompressorausgestaltung ist daher die Performance und

Dauerlastfähigkeit des gesamten Brennstoffzellensystems beschränkt.

Die Kompressoren müssen, je nach Systemkonfiguration, 1 bis ca. 3 bar Verdichterdruck erzeugen und vergleichsweise hohe Volumenströme fördern. Der Luftkompressor ist im Brennstoffzellensystem der größte

Systemnebenverbraucher und beeinflusst wesentlich den

System Wirkungsgrad und die gesamte Systemleistung des

Brennstoffzellensystems. Auch sind die eingesetzten Kompressoren vergleichsweise teurer, auch wenn die Komponenten für den Einsatz in einem Brennstoffzellensystem weitgehend optimiert wurden. Die optimale Auslegung des Wirkungsgradkennfeldes und der Maximalleistung des Kompressors auf das definierte Lastprofil des Systems ist daher essentiell.

Es ist eine bevorzugte Aufgabe der hier offenbarten Technologie, die

Nachteile der vorbekannten Lösungen zu verringern oder zu beheben.

Insbesondere ist es eine bevorzugte Aufgabe, ein Brennstoffzellensystem vorzuschlagen, bei dem mit vergleichbaren Herstellkosten und

vergleichbaren Platzbedarf mehr Leistung abgegeben bzw. höhere Ströme dem Kraftfahrzeug/Verbraucher bereitgestellt werden können. Weitere bevorzugte Aufgaben ergeben sich aus den vorteilhaften Effekten der hier offenbarten Technologie. Die Aufgabe(n) wird/werden gelöst durch den Gegenstand des Patentanspruchs 1 . Die abhängigen Ansprüche stellen bevorzugte Ausgestaltungen dar.

Die hier offenbarte Technologie betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems. Ein solches Brennstoffzellensystem umfasst mindestens eine Brennstoffzelle. Das Brennstoffzellensystem ist

beispielsweise für mobile Anwendungen wie Kraftfahrzeuge gedacht, insbesondere zur Bereitstellung der Energie für mindestens eine

Antriebsmaschine zur Fortbewegung des Kraftfahrzeugs. In ihrer einfachsten Form ist eine Brennstoffzelle ein elektrochemischer Energiewandler, der Brennstoff und Oxidationsmittel in Reaktionsprodukte umwandelt und dabei Elektrizität und Wärme produziert. Die Brennstoffzelle umfasst eine Anode und eine Kathode, die durch einen ionenselektiven bzw. ionenpermeablen Separator getrennt sind. Die Anode weist eine Zufuhr für einen Brennstoff zur Anode auf. Bevorzugte Brennstoffe sind: Wasserstoff, niedrigmolekularer Alkohol, Biokraftstoffe, oder verflüssigtes Erdgas. Die Kathode weist beispielsweise eine Zufuhr für Oxidationsmittel auf. Bevorzugte

Oxidationsmittel sind bspw. Luft, Sauerstoff und Peroxide. Der ionenselektive Separator kann bspw. als Protonenaustauschmembran (proton exchange membrane, PEM) ausgebildet sein. Bevorzugt kommt eine kationenselektive Polymerelektrolytmembran zum Einsatz. Materialien für eine solche

Membran sind beispielsweise: Nation®, Flemion® und Aciplex®. Ein

Brennstoffzellensystem umfasst mindestens eine Brennstoffzelle sowie periphere Systemkomponenten (BOP-Komponenten), die beim Betrieb mindestens einer Brennstoffzelle zum Einsatz kommen können. In der Regel sind mehrere Brennstoffzellen zu einem Brennstoffzellenstapel bzw. Stack zusammengefasst.

Gemäß dem hier offenbarten Verfahren wird das Oxidationsmittel durch mindestens einen Oxidationsmittelförderer zu mindestens einer

Brennstoffzelle gefördert. Der Oxidationsmittelförderer kann beispielsweise als Kompressor bzw. Verdichter ausgebildet sein, besonders bevorzugt als luftgelagerter Turbokompressor, Turboverdichter, bzw. Kreiselverdichter. Bevorzugt weist der Oxidationsmittelförderer einen Arbeits-Drehzahlbereich von ca. 15.000 U/min bis ca. 170.000 U/min, und besonders bevorzugt von ca. 25.000 U/min bis ca. 130.000 U/min auf. Der Oxidationsmittelförderer ist fluidverbunden mit der Kathode der mindestens einen Brennstoffzelle.

Gemäß dem hier offenbarten Verfahren wird das stöchiometrische Verhältnis λ des Oxidationsmittels verändert, wodurch vorteilhaft der

Oxidationsmittelförderer geschont bzw. geschützt wird.

Das stöchiometrische Verhältnis λ des Oxidationsmittels gibt an, um welchen Faktor mehr Oxidationsmittel bereitgestellt wird, als tatsächlich für die Reaktion an der Kathode notwendig ist. Wird Luft als Oxidationsmittel eingesetzt, kann dieses auch als Luftverhältnis λ bzw. als Luftzahl λ bezeichnet werden. Das Luftverhältnis λ setzt die tatsächlich für die elektrochemische Reaktion in der mindestens einen Brennstoffzelle zur Verfügung stehende Luftmasse n -tats ins Verhältnis zur mindestens notwendigen stöchiometrischen Luftmasse n -st, die für eine vollständige elektrochemische Reaktion in der mindestens einen Brennstoffzelle benötigt wird. Es gilt also:

Das stöchiometrische Verhältnis λ des Brennstoffzellensystems wird also geändert, damit der Kompressor nicht beschädigt wird. Vorbekannte

Systeme sehen indes kein Betriebsverfahren für ein Brennstoffzellensystem vor, bei dem die Oxidationsmittelstöchiometrie zu diesem Zweck verändert wird. Vielmehr ist das stöchiometrische Verhältnis λ über den kompletten Lastanforderungsbereich vorbekannter Brennstoffzellensysteme oftmals konstant (vgl. Fig. 1 ).

Der bereitzustellende Strom I bzw. bereitzustellende Brennstoffzellenstrom I des Brennstoffzellensystems (es sind diese Begriffe als Synonyme anzusehen) ist dabei der Strom I, mit dem die mindestens eine

Brennstoffzelle bzw. der Brennstoffzellenstapel des Brennstoffzellensystems durch Verbraucher (des Kraftfahrzeuges) belastet wird. Beispielsweise kann dieser Strom I von mindestens einem Verbraucher auf dem Hochvolt-Bus des Antriebssystems angefordert werden. Analog ist die bereitzustellende Leistung P bzw. Brennstoffzellenleistung P (diese Begriffe werden hier ebenfalls als Synonyme verwendet) die Leistung P, die die mindestens eine Brennstoffzelle des Brennstoffzellensystems mindestens einem Verbraucher bereitstellen muss, i.d.R. einem Verbraucher des Hochvolt-Bussystems. Mindestens eine Steuervorrichtung kann dabei ein entsprechendes

Steuersignal für das Brennstoffzellensystem generieren. Die

Brennstoffzellenleistung P ergibt sich aus dem Brennstoffzellenstrom I und der Spannung der mindestens einen Brennstoffzelle.

Je nach Konzept sind etwaige Verbraucher des Brennstoffzellensystems selbst (z.B. der Oxidationsmittelförderer) zu den Verbrauchern des Hochvolt- Bussystems oder zu internen Verbrauchern des Brennstoffzellensystems zu zählen. Solche internen Verbraucher wären dann beim bereitzustellenden Brennstoffzellenstrom I bzw. bei der bereitzustellenden

Brennstoffzellenleistung P zu berücksichtigen.

Die hier offenbarte Technologie betrifft ein Verfahren, wonach das

stöchiometrische Verhältnis λ des Oxidationsmittels verändert wird, wenn der Oxidationsmittelförderer mindestens 80% oder mindestens 90% oder ca. 100% seiner maximalen Förderrate rh _m ^ für den Dauerbetrieb des

Oxidationsmittelförderers erreicht hat. Besonders bevorzugt fördert der Oxidationsmittelförderer dabei das Oxidationsmittel mit der maximalen Förderrate. Die Förderrate rh gibt an, wieviel Oxidationsmittel pro Zeiteinheit vom Oxidationsmittelförderer gefördert wird. Beispielsweise kann dazu der Volumenstrom und/oder der Massenstrom an Oxidationsmittel herangezogen werden. Ist Luft das Oxidationsmittel, wird bevorzugt der Luftmassenstrom rh, also die in einer Zeiteinheit geförderte Luftmasse, verwendet.

Oxidationsmittelförderer weisen in der Regel eine max. Förderrate auf, mit der sie dauerhaft, also ohne zeitliche Einschränkung, Oxidationsmittel fördern können, ohne dass der Oxidationsmittelförderer, insbesondere dessen Antriebsmotor beschädigt wird. Diese maximale Förderrate ist die maximale Förderrate für den Dauerbetrieb. Bei diesem Dauerbetrieb werden die Komponenten des Oxidationsmittelförderer (z.B. Elektromotor, Umrichter, etc.) thermisch nicht überlastet. Die maximale Förderrate für den Dauerbetrieb wird vom Hersteller der Oxidationsmittelförderer vorgegeben oder durch Versuche ermittelt.

Die Oxidationsmittelförderer sind i.d.R. ausgelegt, kurzzeitig Förderraten zu fördern, die höher sind als die max. Förderrate für den Dauerbetrieb. Müsste der Oxidationsmittelförderer dauerhaft solche Überlast-Förderraten fördern, so würden dessen Komponenten (z.B. Elektromotor, Umrichter, etc.) thermisch überlastet und letztendlich beschädigt. Diese Überlastfähigkeit des Oxidationsmittelförderers ist zeitlich begrenzt und hängt ab von der Höhe, der Dauer und der Häufigkeit der Überlast-Beanspruchung.

Die hier offenbarte Technologie betrifft ein Verfahren, wonach zum Schutz des Oxidationsmittelförderers das stöchiometrische Verhältnis λ derart verringert wird, dass mindestens eine Brennstoffzelle des

Brennstoffzellensystem eine bereitzustellende Brennstoffzellenleistung P und/oder einen bereitzustellenden Brennstoffzellenstrom I bereitstellt, ohne dass der Oxidationsmittelförderer Oxidationsmittel mit einer Förderrate oberhalb der maximalen Förderrate fördert bzw. fördern muss. Besonders bevorzugt fördert der Oxidationsmittelförderer dazu Oxidationsmittel mit der maximalen Förderrate.

Die hier offenbarte Technologie betrifft ein Verfahren, wonach der

Oxidationsmittelförderer Oxidationsmittel mit einer Förderrate oberhalb der maximalen Förderrate fördert, wenn der Wert für das stöchiometrische Verhältnis λ des Oxidationsmittels einen unteren Grenzwert für das stöchiometrische Verhältnis Agrenz erreicht bzw. unterschritten hat und der Oxidationsmittelförderer bereits mit max. Förderrate Oxidationsmittel fördert. Die hier offenbarte Technologie betrifft insbesondere ein Verfahren, wonach der Oxidationsmittelförderer Oxidationsmittel mit einer Förderrate oberhalb der maximalen Förderrate nur eine Zeitspanne fördert, die kürzer ist als eine maximal zulässige Zeitspanne für den Oxidationsmittelförderer. Die maximal zulässige Zeitspanne ist dabei zweckmäßig die Zeitspanne, die vom

Hersteller für Überlastbetrieb erlaubt ist.

In der Regel kann ein Brennstoffzellensystem in einem systemspezifischen Bereich für das stöchiometrische Verhältnis λ betrieben werden.

Beispielsweise kann das System ausgelegt sein für den Betrieb mit einem stöchiometrischen Verhältnis λ von ca. 1 ,2 bis 2,0, bevorzugt zwischen 1 ,5 und 1 ,7. Wird nun ein unterer Grenzwert für das stöchiometrische Verhältnis Agrenz erreicht bzw. unterschritten - beispielsweise weil ein weiter erhöhter Strom I bzw. eine weiter erhöhte bereitzustellende Leistung PI eine weitere Verringerung des stöchiometrischen Verhältnisses λ erfordern würde, damit die max. Förderrate m _m ^ des Oxidationsmittelförderers bei Dauerbetrieb nicht überschritten würde - , kann vorgesehen sein, dass die Steuervorrichtung kurzzeitig doch einen Überlastbetrieb des Oxidationsmittelförderers zulässt, damit letztendlich das Brennstoffzellensystem weiterhin innerhalb der systemspezifischen Bereich für das stöchiometrische Verhältnis λ betrieben werden kann.

Die hier offenbarte Technologie betrifft ferner Steuervorrichtung zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems, wobei die Steuervorrichtung ausgebildet ist, eins oder mehrere der hier offenbarten Verfahren auszuführen. Die

Steuervorrichtung kann eingerichtet sein, Oxidationsmittel durch mindestens einen Oxidationsmittelförderer zu mindestens einer Brennstoffzelle zu fördern. Ferner kann die Steuervorrichtung eingerichtet sein, das stöchiometrische Verhältnis (λ) des Oxidationsmittels zu ändern, wenn der Oxidationsmittelförderer mindestens 80% oder mindestens 90% oder mindestens 1 00% seiner maximalen Förderrate (mmax) bei Dauerbetrieb erreicht hat.

Mit anderen Worten wird bei der hier offenbarten Technologie die

Dauerlastfähigkeit des Oxidationsmittelförderers mit berücksichtigt. In der Betriebsstrategie des Brennstoffzellensystems wird jedoch für einen bestimmten Bereich, insbesondere abhängig von Brennstoffzellenspannung und dem Systemwirkungsgrad, bei der Laststeigerung eine entsprechend reduzierte Luftzahl λ berücksichtigt. Durch diese Anpassung der

Betriebsstrategie bleibt der Luftmassenstrom auf konstantem Niveau

(entsprechend der Dauerlastfähigkeit des Kompressors) obwohl die

Brennstoffzellensystemlast weiter ansteigt. Die Absenkung der Luftzahl λ bewirkt in der Regel eine Abnahme der Brennstoffzellenspannung und damit einer Abnahme der Systemeffizienz. Eine Steigerung der Systemlast ist dennoch durch diese Maßnahme möglich.

Die hier offenbarte Technologie wird nun anhand der schematischen Fig. 2 erläutert. Im zweiten Lastanforderungsbereich B wird, wie bei der Fig. 1 , das Brennstoffzellensystem mit konstantem bzw. annähernd konstantem stöchiometrischen Verhältnis AB betrieben. Mit steigenden von der

mindestens einen Brennstoffzelle bereitzustellenden Brennstoffzellenstrom I nimmt ebenfalls die Förderrate des Oxidationsmittelförderers zu bis der Oxidationsmittelförderer mit maximaler Förderrate mmax betrieben wird. Steigt nun der von den Brennstoffzellen bereitzustellende Strom I auf einen Wert oberhalb von Lax an, so greift die Steuervorrichtung dergestalt ein, dass das stöchiometrische Verhältnis λ verringert wird. Dies ist in der Fig. 2 der Bereich B', in dem das stöchiometrische Verhältnis λ hier linear abnimmt, ausgehend von dem stöchiometrischen Verhältnis AB im zweiten

Lastanforderungsbereich B bis ein unterer Grenzwert Agrenz für das

stöchiometrische Verhältnis erreicht ist. Dieser untere Grenzwert Agrenz ist so gewählt, dass das Brennstoffzellensystem bei einem stöchiometrischen Verhältnis oberhalb des Grenzwertes A _gren z noch sicher und effizient betrieben werden kann.

Der Wirkungsgrad der mindestens einen Brennstoffzelle könnte in diesem Bereich B' geringer sein als der Wirkungsgrad der Brennstoffzelle bei dem stöchiometrischen Verhältnis AB im zweiten Lastanforderungsbereich B.

Dieser schlechtere Wirkungsgrad würde jedoch in Kauf genommen für einen sicheren Dauerlastbetrieb des Oxidationsmittelförderers bei höheren

Lastpunkten.

Zweckmäßig wird der Überlast-Betrieb des Oxidationsmittelförderers in Fig. 2 verschoben zu höheren Lastanforderungsbereichen. Sofern in den

Beispielen gemäß Fig. 1 und Fig. 2 dieselben Oxidationsmittelförderer eingesetzt werden, kann im Beispiel der Fig. 2 vorteilhaft der Überlastbereich Üb (= Betrieb des Oxidationsmittelförderers mit Überlast) bis zur max.

bereitzustellende Brennstoffzellenleistung Lax' hinausgezögert werden. Es ist also möglich, aus einem System mit gegebenen Oxidationsmittelförderer mehr Brennstoffzellenleistung bereitzustellen.

In den Figuren 1 und 2 wird die hier offenbarte Technologie anhand des von der mindestens einen Brennstoffzelle bereitzustellenden

Brennstoffzellenstroms I beschrieben. Gleichsam gelten die zum

Brennstoffzellenstrom I angeführten Sachverhalte auch für die von der mindestens einen Brennstoffzelle bereitzustellenden Brennstoffzellenleistung P.

Die vorhergehende Beschreibung der vorliegenden Erfindung dient nur zu illustrativen Zwecken und nicht zum Zwecke der Beschränkung der

Erfindung. Im Rahmen der Erfindung sind verschiedene Änderungen und Modifikationen möglich, ohne den Umfang der Erfindung sowie ihrer

Äquivalente zu verlassen.

Bezugszeichenliste

Überlastbereich Ub

max. Überlast-Oxidationsmittelförderrate rhüb

erster Lastanforderungsbereich A

zweiter Lastanforderungsbereich B

dritter Lastanforderungsbereich C

von den Brennstoffzellen bereitzustellender Strom I- max. bereitzustellender Strom Imax, Imax' max. Förderrate bei Dauerbetrieb TTlmax

Mindest-Oxidationsmittelförderrate 771min

stöchiometrisches Verhältnis λ

stöchiometrisches Verhältnis Lastanforderungsbereich B AB

unterer Grenzwert für das stöchiometrische Verhältnis Agrenz