Titel

Betriebsverfahren zum Betrieb eines

Die vorgestellte Erfindung betrifft ein Betriebsverfahren, ein Brennstoffzellensystem und ein Fahrzeug gemäß den beigefügten Ansprüchen.

Stand der Technik

Brennstoffzellen wandeln Wasserstoff und Sauerstoff zu Wasser um, wobei Elektrizität entsteht, die einem Verbraucher, wie bspw. einem Elektromotor, zugeführt werden kann, um diesen anzutreiben.

Zum Versorgen einer Brennstoffzelle mit Sauerstoff wird deren Kathode in der Regel mit durch einen Kompressor bereitgestellter Umgebungsluft beströmt.

Die Wärmeabfuhr der Prozessabwärme erfolgt üblicherweise mittels Flüssigkühlung. Das Kühlmedium wird üblicherweise mit einer elektrisch angetriebenen Förderpumpe gefördert.

Zur Optimierung der Reaktionstemperatur im Brennstoffzellensystem werden an verschiedenen Stellen elektrische Heizer verwendet.

Alle diese Nebenverbraucher können aus Effizienzgründen direkt aus der Brennstoffzelle versorgt werden oder über einen Spannungswandler auf einem anderen Spannungsniveau versorgt werden.

Beim Abstellen eines Brennstoffzellensystems ist es notwendig, Spannung und Reaktanden abzubauen. Vorteilhafterweise wird das Brennstoffzellensystem derart konditioniert, dass ein optimaler Abstellzustand mit definiertem Feuchtegehalt, Sauerstoff- und Wasserstoffkonzentration auf Anoden- und Kathodenseite eingestellt werden.

Bekannte Prozeduren benötigen zum Einstellen eines Abstellzustands Zeit für die Konditionierung des Brennstoffzellensystems, sodass, wenn es während der Konditionierung zur Anforderung für einen Wiederstart kommt, erst die komplette Abstell- und Konditionierphase des Brennstoffzellensystems abgewartet werden muss, was energetisch ineffizient ist.

Offenbarung der Erfindung

Im Rahmen der vorgestellten Erfindung werden ein Betriebsverfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, ein Brennstoffzellensystem und ein Fahrzeug vorgestellt. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Betriebsverfahren beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem bzw. dem erfindungsgemäßen Fahrzeug und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.

Die vorgestellte Erfindung dient insbesondere dazu, einen schnellen Wiederstart eines Brennstoffzellensystems während einer Abschaltprozedur zu ermöglichen.

Es wird somit gemäß einem ersten Aspekt der vorgestellten Erfindung ein Betriebsverfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems zum Bereitstellen von elektrischer Energie für einen Verbraucher vorgestellt. Das Betriebsverfahren umfasst das Aktivieren einer Abschaltprozedur des Brennstoffzellensystems in Reaktion auf einen Empfang eines Abschaltbefehls, wobei die Abschaltprozedur umfasst, dass eine Luftversorgungseinheit zum Versorgen eines Kathodensubsystems des Brennstoffzellensystems mit Luft abgeschaltet wird, um in das Kathodensubsystem eingebrachten Sauerstoff und eine durch das Brennstoffzellensystem bereitgestellte Spannung abzubauen, das Aktivieren einer Reaktivierungsprozedur des Brennstoffzellensystems in Reaktion auf einen Empfang eines Startbefehls, wenn der Startbefehl innerhalb eines vorgegebenen Zeitraums nach dem Abschaltbefehl empfangen wird, und wobei die Reaktivierungsprozedur das Steigern einer Drehzahl der Luftversorgungseinheit bis zu einer Mindestdrehzahl, unmittelbar nach dem Empfang des Startbefehls umfasst.

Unter einer Abschaltprozedur ist im Kontext der vorgestellten Erfindung ein Vorgang zu verstehen, bei dem ein Brennstoffzellensystem unter kontrollierten Bedingungen in einen deaktivierten Zustand überführt wird, in dem bspw. Restsauerstoff in einem Kathodensubsystem durch Wasserstoff in einem Anodensubsystem abgebaut bzw. zu Wasser umgewandelt wird, bis eine Spannung in einem Brennstoffzellenstapel aufgrund von Sauerstoffmangel unter einen vorgegebenen Schwellenwert fällt.

Das vorgestellte Betriebsverfahren basiert auf dem Prinzip, dass während einer Abschaltprozedur eines Brennstoffzellensystems ein Befehl zum Starten des Brennstoffzellensystems ausgelöst wird, d.h. ein Wiederstart der zu einem erneuten Start des Brennstoffzellensystems innerhalb eines kurzen Zeitraums nach einer Betriebsphase führt, ausgeführt wird.

Um eine Zeit bis zur Verwendung des Brennstoffzellensystems nach dem Wiederstart zu minimieren, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass eine Luftversorgungseinheit des Brennstoffzellensystems derart angesteuert wird, dass dieses seine Drehzahl bis zu einer Mindestdrehzahl erhöht und entsprechend Frischluft mit zusätzlichem Sauerstoff in ein Kathodensubsystem des Brennstoffzellensystems bläst, sodass sich eine von einem Brennstoffzellenstapel des Brennstoffzellensystems bereitgestellte Spannung erhöht und die Luftversorgungseinheit sowie sämtliche weiteren Nebenaggregate des Brennstoffzellensystems durch den Brennstoffzellenstapel mit für einen Betrieb ausreichender Spannung versorgt werden können.

Durch die erfindungsgemäß vorgesehene Steigerung der Drehzahl der Luftversorgungseinheit unmittelbar nach dem Empfang des Startbefehls wird die

Abschaltprozedur unterbrochen und die Reaktivierungsprozedur eingeleitet, sodass eine Zeit bis zum erneuten Betrieb des Brennstoffzellensystems bzw. eines durch das Brennstoffzellensystem versorgten Verbrauchers gegenüber einer Prozedur, bei der das Brennstoffzellensystem vollständig deaktiviert und frisch aktiviert wird, verringert wird. Das vorgestellte Betriebsverfahren nutzt die Trägheit eines Luftmassenstroms, der sich nach dem Abschalten der Luftversorgungseinheit noch durch das Brennstoffzellensystem bewegt, um eine in dem Brennstoffzellenstapel anliegende Spannung zu erhöhen und die Luftversorgungseinheit erneut zu starten.

Insbesondere kann vorgesehen sein, dass das Steigern der Drehzahl der Luftversorgungseinheit mittels durch einen Brennstoffzellenstapel des Brennstoffzellensystems während der Abschaltprozedur erzeugten elektrischen Energie erfolgt.

Da durch den nach dem Abschalten der Luftversorgungseinheit noch durch das Brennstoffzellensystem strömenden Luftstrom eine Restspannung an dem Brennstoffzellenstapel des Brennstoffzellensystems anliegt, kann diese Spannung verwendet werden, um die Luftversorgungseinheit zu aktivieren und frische Luft in das Brennstoffzellensystem zu fördern, sodass sich die an dem Brennstoffzellenstapel anliegende Spannung bis zu einer für einen Betrieb des Brennstoffzellensystems vorgesehenen Spannung erhöht und das Brennstoffzellensystem in einen Regelbetrieb bzw. Normalbetrieb übergeht.

Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass das Steigern der Drehzahl der Luftversorgungseinheit mittels in einem mit dem Brennstoffzellensystem elektrisch gekoppelten Batteriespeicher erfolgt.

Für den Fall, dass die an dem Brennstoffzellenstapel anliegende Spannung nicht ausreicht, um die Luftversorgungseinheit zu aktivieren, kann ein Batteriespeicher, wie bspw. eine Batterie aus einem Bordnetz eines das Brennstoffzellensystem umfassenden Fahrzeugs, verwendet werden, um die Luftversorgungseinheit so lange mit elektrischer Energie zu versorgen, bis an dem Brennstoffzellenstapel ausreichend Spannung anliegt, und die Luftversorgungseinheit durch den Brennstoffzellenstapel zu betreiben. Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass die elektrische Energie der Luftversorgungseinheit über einen DC/DC-Wandler des Brennstoffzellensystems zugeführt wird, dessen Stromrichtung gegenüber der Abschaltprozedur umgekehrt wird.

Für den Fall, dass die Luftversorgungseinheit über einen DC/DC-Wandler mit elektrischer Energie versorgt wird und bspw. parallel zu dem Brennstoffzellenstapel geschaltet ist, kann der DC/DC-Wandler verwendet werden, um die Luftversorgungseinheit mit elektrischer Energie aus bspw. einer Batterie zu versorgen und eine Spannung entsprechend an eine von der Luftversorgungseinheit benötigte Spannung anzupassen.

Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass in Reaktion auf den Empfang des Abschaltbefehls Kathodenabschaltventile des Brennstoffzellensystems geschlossen werden, und in Reaktion auf den Empfang des Startbefehls die Kathodenabschaltventile geöffnet werden.

Wenn bei einer Abschaltprozedur Kathodenabsperrventile geschlossen werden, müssen diese bei einer Reaktivierungsprozedur geöffnet werden, um den Brennstoffzellenstapel mit Frischluft zu versorgen.

Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass eine Bruttoleistung des Brennstoffzellensystems während dem Steigern der Drehzahl der Luftversorgungseinheit größer ist als eine Nettoleistung des Brennstoffzellensystems.

Da während der Reaktivierungsprozedur die Nebenaggregate des Brennstoffzellensystems, insbesondere die Luftversorgungseinheit mit Energie versorgt werden, ist eine Nettoleistung des Brennstoffzellensystems während der Reaktivierungsprozedur in der Regel negativ, sodass das Brennstoffzellensystem mehr Energie verbraucht als es bereitstellt.

Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die vorgestellte Erfindung ein Brennstoffzellensystem zur Versorgung elektrischer Verbraucher mit elektrischer Energie. Das vorgestellte Brennstoffzellensystem umfasst einen Brennstoffzellenstapel, ein Kathodensubsystem, eine Luftversorgungseinheit zum Versorgen des Kathodensubsystems mit Luft, eine Recheneinheit und eine Benutzerschnittstelle. Die Recheneinheit ist dazu konfiguriert, eine mögliche Ausgestaltung des vorgestellten Betriebsverfahrens auszuführen.

Unter einer Recheneinheit ist im Kontext der vorgestellten Erfindung ein Computer, ein Prozessor, ein Steuergerät oder jeder weitere programmierbare Schaltkreis zu verstehen.

Es kann vorgesehen sein, dass die Recheneinheit dazu konfiguriert ist, in Reaktion auf einen durch die Benutzerschnittstelle ausgelösten Abschaltbefehl eine Abschaltprozedur des Brennstoffzellensystems zu aktivieren, wobei die Abschaltprozedur die Recheneinheit dazu konfiguriert, einen Steuerungsbefehl an die Luftversorgungseinheit zu übermitteln, der die Luftversorgungseinheit abschaltet, um in das Kathodensubsystem eingebrachten Sauerstoff und eine durch den Brennstoffzellenstapel bereitgestellte Spannung abzubauen, und wobei die Recheneinheit weiterhin dazu konfiguriert ist, in Reaktion auf einen durch die Benutzerschnittstelle innerhalb eines vorgegebenen Zeitraums nach dem Abschaltbefehl ausgelösten Startbefehls eine Reaktivierungsprozedur des Brennstoffzellensystems zu aktivieren, wobei die Reaktivierungsprozedur die Recheneinheit dazu konfiguriert, unmittelbar nach dem Auslösen des Startbefehls einen Steuerungsbefehl an die Luftversorgungseinheit zu übermitteln der eine Steigerung der Drehzahl der Luftversorgungseinheit bis zu einer Mindestdrehzahl bewirkt.

Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass die Reaktivierungsprozedur die Recheneinheit dazu konfiguriert, unmittelbar nach dem Auslösen des Startbefehls die Luftversorgungseinheit mit elektrischer Energie aus einem Energiespeicher zu versorgen, wenn eine durch den Brennstoffzellenstapel bereitgestellte Spannung unter einem vorgegebenen Schwellenwert liegt.

Der Energiespeicher zum Versorgen der Luftversorgungseinheit mit elektrischer Energie kann bspw. eine Batterie eines das vorgestellte Brennstoffzellensystem umfassenden Fahrzeugs oder eine Batterie des Brennstoffzellesystems selbst sein. Gemäß einem dritten Aspekt betrifft die vorgestellte Erfindung ein Fahrzeug mit einer möglichen Ausgestaltung der vorgestellten Erfindung.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein.

Es zeigen:

Figur 1 eine schematische Darstellung einer möglichen Ausgestaltung des vorgestellten Betriebsverfahrens,

Figur 2 eine Detaildarstellung des Betriebsverfahrens gemäß Figur 1,

Figur 3 eine mögliche Ausgestaltung des vorgestellten Brennstoffzellensystems in einer möglichen Ausgestaltung des vorgestellten Fahrzeugs.

In Figur 1 ist ein Betriebsverfahren 100 zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems zum Bereitstellen von elektrischer Energie für einen Verbraucher dargestellt.

Das Betriebsverfahren 100 umfasst einen ersten Aktivierungsschritt 101, bei dem eine Abschaltprozedur des Brennstoffzellensystems in Reaktion auf einen Empfang eines Abschaltbefehls aktiviert wird. Die Abschaltprozedur umfasst, dass eine Luftversorgungseinheit zum Versorgen eines Kathodensubsystems des Brennstoffzellensystems mit Luft abgeschaltet wird, um in das Kathodensubsystem eingebrachten Sauerstoff und eine durch das Brennstoffzellensystem bereitgestellte Spannung abzubauen.

Weiterhin umfasst das Betriebsverfahren 100 einen zweiten Aktivierungsschritt 103, bei dem eine Reaktivierungsprozedur des Brennstoffzellensystems in Reaktion auf einen Empfang eines Startbefehls aktiviert wird, wenn der Startbefehl innerhalb eines vorgegebenen Zeitraums nach dem Abschaltbefehl empfangen wird. Die Reaktivierungsprozedur umfasst einen Steuerungsschritt 105, bei dem die Luftversorgungseinheit unmittelbar nach dem Empfang des Startbefehls derart angesteuert wird, dass diese ihre Drehzahl bis zu einer Mindestdrehzahl steigert. Dazu kann die Luftversorgungseinheit bspw. mit elektrischer Energie aus einem Brennstoffzellenstapel des Brennstoffzellensystems und/oder mit elektrischer Energie aus einer Batterie versorgt werden.

In Figur 2 ist ein Schaubild 200 dargestellt, das einen zeitlichen Verlauf 201 einer an dem Brennstoffzellenstapel anliegenden Spannung, einen zeitlichen Verlauf 203 einer Drehzahl der Luftversorgungseinheit und einen zeitlichen Verlauf 205 eines durch den Brennstoffzellenstapel bereitgestellten elektrischen Stroms darstellt.

Ausgehend von einem Zeitpunkt T0 bis zu einem Zeitpunkt TI erfolgt ein Normalbetrieb des Brennstoffzellensystems, bei dem Spannung, Drehzahl und Strom auf konstante Werte eingeregelt werden.

Zum Zeitpunkt TI wird durch einen Nutzer ein Abschaltbefehl ausgelöst und die Abschaltprozedur des Brennstoffzellensystems aktiviert, sodass bspw. Kathodenabsperrventile des Brennstoffzellensystems geschlossen werden und die Drehzahl der Luftversorgungseinheit sinkt. Entsprechend sinkt auch die an dem Brennstoffzellenstapel anliegende Spannung und der bereitgestellte elektrische Strom in einem sogenannten „Bleeddown“, d.h. einem Vorgang, bei dem Restsauerstoff in dem Brennstoffzellensystem zu Wasser umgesetzt wird.

Zu einem Zeitpunkt T2 wird ein durch den Nutzer innerhalb eines vorgegebenen Zeitraums nach dem Zeitpunkt TI durch ein sogenanntes „change of mind“ Ereignis ein Startbefehl ausgelöst und die Reaktivierungsprozedur des Brennstoffzellensystems aktiviert, sodass die Luftversorgungseinheit mit elektrischem Strom bzw. Spannung versorgt wird und entsprechend ihre Drehzahl erhöht, wodurch sich wiederum der bereitgestellte elektrische Strom und die an dem Brennstoffzellenstapel anliegende Spannung erhöht, bis zu einem Zeitpunkt T3 ein sogenannter „optimierter Betrieb“, d.h. ein Betrieb mit für einen Start des Brennstoffzellensystems optimierten Betriebsbedingungen erreicht wird. Zu einem Zeitpunkt T4, wenn genügend Regelreserve für die Kathodenluftmenge vorhanden ist, wird eine normale leistungsgeregelte Regelstrategie aktiviert.

Ein Verlauf 207 zeigt einen Stromfluss durch den DC/DC-Wandler gemäß dem in Figurl dargestellten Betriebsverfahren 100.

Ein Verlauf 209 zeigt einen Stromfluss durch einen DC/DC-Wandler in einem Normalbetrieb, bei vollständigem Abschalten des Brennstoffzellensystems.

In Figur 3 ist ein Fahrzeug 400 mit einem Brennstoffzellensystem 300 dargestellt. Das Brennstoffzellensystem 300 umfasst einen Brennstoffzellenstapel 301, ein Kathodensubsystem 303, eine Luftversorgungseinheit 305 zum Versorgen des Kathodensubsystems 303 mit Luft, eine Recheneinheit 307 und eine Benutzerschnittstelle 309.

Die Recheneinheit 307 ist zur Durchführung des Betriebsverfahrens 100 konfiguriert, wenn über die Benutzerschnittstelle 309 ein Startbefehl zum Wiederstarten bzw. zur Aktivierung einer Wiederstartprozedur des Brennstoffzellensystems 300 in einem vorgegebenen Zeitraum nach einem Befehl zum Abschalten des Brennstoffzellensystems erfolgt.