Derartige Brennstoffzellen sind insbesondere als emissionsarme Antriebe im Bereich der Kraftfahrzeuge bekannt. Dabei wird in der Brennstoffzelle mit Methanolreformer das wie herkömmlicher Kraftstoff in einem Tank befindliche Methanol in elektrische Energie umgesetzt. Diese dient dann zum Antrieb eines Elektromotors. Zur Erzeugung einer ausreichend großen Spannung werden eine Vielzahl derartiger Brennstoffzellen in Reihe betrieben (Brennstoffzellenstack). Der parallel geschaltete Energiespeicher, der z. B. als Batterie ausgebildet ist, dient dabei als Starthilfe, da die Brennstoffzelle nur langsam in seinen Betriebszustand hochgefahren werden kann, und als Leistungspuffer zur Bereitstellung von Leistungsspitzen des Antriebs. Nachteilig an diesem System ist insbesondere der schlechte Wirkungsgrad bei voller Batterie und geringen Fahrleistungsanforderungen (extremer Teillastbetrieb).

Der Erfindung liegt daher das technische Problem zugrunde, eine Brennstoffzelle mit Methanolreformer zu der parallel ein Energiespeicher geschaltet ist und ein Verfahren zur Steuerung dieses Systems zu schaffen, um das System mit einem höheren Energienutzungsgrad zu betreiben.

Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch die Merkmale der Patentansprüche 1 und 9. Dabei wird mittels eines Ladezustandssensors der Ladezustand des Energiespeichers erfaßt und einem Steuergerät zugeführt. Das Steuergerät ändert den Betriebspunkt der Brennstoffzelle nur dann, falls der Ladezustand des Energiespeichers einen ersten Schwellwert unterschreitet oder einen zweiten überschreitet. Dadurch wird sichergestellt, daß die dynamische Änderung des Leistungsbedarfs nur vom Energiespeicher gedeckt werden, wohingegen die Brennstoffzelle in einem für diese optimalen Betriebspunkt statisch arbeiten kann, so daß der Energienutzungsgrad des Systems erheblich erhöht wird. Weiter vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispieles näher enäutert. Die einzige Figur zeigt ein Blockschaltbild einer Brennstoffzelle mit Methanolreformer mit parallel geschaltetem Energiespeicher für einen Elektroantrieb.

Das System umfaßt einen Methanoltank 1, einen Brennstoffzellenstack 2 mit Methanolreformer, einen Energiespeicher 3, ein Steuergerät 4, ein Strommeßgerät 5, einen Temperatursensor 6, einen Hochsetzsteller 7 und eine Antriebssteuerung 8 für einen Motor 9. Über den Methanoltank 1 wird der Brennstoffzellenstack 2 mit Methanolreformer mit der für den Betrieb notwendigen Methanolmenge versorgt. Das Methanol wird in der Brennstoffzelle 2 mit Methanolreformer zur Erzeugung einer elektrischen Leistung umgesetzt. Parallel zur Brennstoffzelle 2 ist ein Energiespeicher 3 geschaltet, der z. B. als Batterie oder Superkondensator ausgebildet ist. Aufgrund der Parallelschaltung müssen die Spannungen der Brennstoffzelle 2 und des Energiespeichers 3 aufeinander abgestimmt sein. Um jedoch bei der Auswahl vorhandener Energiespeicher 3 einen größeren Freiheitsgrad zu erhalten, ist zwischen der Brennstoffzelle 2 und dem Energiespeicher 3 der Hochsetzsteller 7 angeordnet, mitteis dessen die Spannung der Brennstoffzelle 2 an die des Energiespeichers 3 adaptiert werden kann. Um den Ladezustand des Energiespeichers 3 zu erfassen, ist zu diesem in Reihe ein Strommeßgerät 5 geschaltet. Das Strommeßgerät kann dabei z. B. als Shunt oder Stromwandler ausgebildet sein. Die Signalausgänge des Strommeßgerätes 5 und die Klemmen des Energiespeichers 3 sind mit dem Steuergerät 4 verbunden, das dann aus Strom und Spannung auf den Ladezustand und Belastung zurückschließen kann. Prinzipiell kommen für die Ladezustandsbestimmung alle Verfahren in Frage, mit denen der Ladezustand des Energiespeichers 3 erfaßbar ist. Für eine Batterie wären dies z. B. Säuredichtebestimmung, Zelldruck und Stromintegral. Des weiteren ist dem Energiespeicher 3 der Temperatursensor 6 zugeordnet, dessen Signalausgang ebenfalls mit dem Steuergerät 4 verbunden ist.

Die Brennstoffzelle 2 wird vorzugsweise in einem Betriebspunkt mit gutem Wirkungsgrad statisch betrieben, solange der Ladezustand des Energiespeichers 3 einen bestimmten Schwellwert unterschreitet. Erhält die Antriebssteuerung 8 eine Stetfgröße 10, die z. B. von der Gaspedalstellung abgeleitet wird und einen erhöhten Leistungsbedarf für den Motor 9 bedeutet, so wird diese zusätzliche Leistung ausschließlich dem Energiespeicher 3 entnommen. Anschaulich liefert die Brennstoffzelle 2 eine konstante Grundlast, wohingegen der Energiespeicher 3 die Spitzenlast zur Verfügung stellt. Wird hingegen der Ladezustand des Energiespeichers unterschritten, so fährt das Steuergerät 4 die Brennstoffzelle 2 hoch, d. h. die Leistungsabgabe der Brennstoffzelle 2 erhöht sich. Erhöht sich der Ladezustand des Energiespeichers 3 derart, daß der Schwellwert wieder überschritten wird, so steuert das Steuergerät 4 die Brennstoffzelle 2 wieder in den ursprünglichen Betriebspunkt. Die Einführung einer Hysterese, um ein Schwingen um den Schwellwert herum zu vermeiden ist zweckmäßig. Der ursprüngliche Betriebspunkt kann auch der Punkt Brennstoffzellenleistung Null sein. Da eine Überladung des Energiespeichers 3 dessen Funktionalität beeinträchtigen kann, wird bei Überschreitung eines zweiten Schwellwertes für den Ladezustand des Energiespeichers 3 die Brennstoffzelle 2 heruntergefahren oder kurzzeitig ganz abgeschaltet, bis sich der optimale Ladezustand wieder eingestellt hat. Mögliche Schwellwerte für den Ladezustand sind z. B. 70 % für den ersten und 90 % für den zweiten Schwellwert. Die bisher beschriebene Steuerung des Energieflusses ist unabhängig von der Steuergröße 10. Bei Überschreiten einer oberen Temperaturgrenze des Energiespeichers kann die Leistung des Reformer-Brennstoffsystems reduziert und ggf. auf Null geregelt werden.

Um die Steuerung jedoch vorausschauender bzw. eine gewisse Sicherheitsreserve zur Verfügung zu stellen, wird die Steuergröße 10 nicht gänzlich unberücksichtigt gelassen. insbesondere bei Beschleunigungsvorgängen oder Fahrten mit Höchstgeschwindigkeit ist eine Sicherheitsreserve notwendig, so daß solche Betriebszustände vom Steuergerät 4 aus der Steuergröße 10 abgeleitet werden und der Betriebspunkt der Brennstoffzelle 2 unabhängig vom Ladezustand des Energiespeichers 3 hochgefahren wird. Zur Erfassung solcher Betriebszustände kann dabei z. B. das Stromintegral über eine bestimmte Zeit erfaßt werden und bei Überschreitung eines gewissen Prozentsatzes der Nennkapazität des Energiespeichers 3 die Brennstoffzelle 2 hochgefahren werden bevor die untere Einschaltschwelle erreicht ist. Das beschriebene Verfahren ist nicht auf Methanol- Brennstoffzellen beschränkt sondern ist auch für ähnliche Kraftstoffe bzw. Brennstoffzellen geeignet.