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DE102007026003A1 - Brennstoffzellensystem mit verbesserten Kaltstarteigenschaften sowie Verfahren - Google Patents

Brennstoffzellensystem mit verbesserten Kaltstarteigenschaften sowie Verfahren Download PDF

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DE102007026003A1
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Abstract

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Brennstoffzellensystem sowie ein entsprechendes Verfahren vorzuschlagen, welche einen energieeffizienten Kaltstart des Brennstoffzellensystems ermöglichen. Es wird ein Brennstoffzellensystem 1 vorgeschlagen mit mindestens einem Brennstoffzellenstapel 2, welcher zur Umsetzung von Reaktanden zur Stromerzeugung ausgebildet ist, mit einer Kaltstarterfassungseinrichtung 7 zur Erfassung eines Kaltstartzustands des Brennstoffzellenstapels 2, mit einer an den Brennstoffzellenstapel 2 zuschaltbaren Last 5, 10, und mit einer Steuerungsvorrichtung 6, die ausgebildet ist, im Kaltstartzustand des Brennstoffzellenstapels 2 die Last 5, 10 zuzuschalten, wobei die Zuführung der Reaktanden für den Brennstoffzellenstapel 2 an die Zuschaltung der Last 5, 10 angepasst wird, wobei die Steuerungsvorrichtung 6 programmtechnisch und/oder schaltungstechnisch ausgebildet ist, als Reaktion auf die Erfassung des Kaltstartzustands des Brennstoffzellenstapels 2 die zugeschaltete Last mit einem oder mehreren Lastsprüngen zu variieren.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem mit mindestens einem Brennstoffzellenstapel, welcher zur Umsetzung von Reaktanden zur Stromerzeugung ausgebildet ist, mit einer Kaltstarterfassungseinrichtung zur Erfassung eines Kaltstartzustandes des Brennstoffzellenstapels, mit einer an den Brennstoffstapel zuschaltbaren Last und mit einer Steuerungsvorrichtung, die ausgebildet ist, im Kaltstartzustand des Brennstoffzellenstapels die Last zuzuschalten, wobei die Zuführung der Reaktanden für den Brennstoffzellenstapel an die Zuschaltung der Last angepasst wird, sowie ein entsprechendes Verfahren.
  • Brennstoffzellensysteme dienen zur Erzeugung von elektrischem Strom und setzen hierzu Reaktanden, nämlich Brennstoff, wie zum Beispiel Wasserstoff, mit einem Oxidanten, wie zum Beispiel Sauerstoff oder Umgebungsluft, miteinander elektrochemisch um. Brennstoffzellensysteme weisen üblicherweise mindestens einen Brennstoffzellenstapel auf, welcher eine Mehrzahl, oftmals mehr als 100 Brennstoffzellen zeigt. Jede Brennstoffzelle hat einen Kathoden- und einen Anodenbereich, welche durch eine Membran (zum Beispiel PEM) voneinander getrennt sind. Der elektro-chemische Prozess läuft zwischen diesen Kathoden- bzw. Anodenbereichen im Rahmen einer katalytischen Verbrennung der Reaktanden ab, wobei die Effizienz des elektro-chemischen Prozesses stark von den Prozessbedingungen abhängig ist. Eine wichtige Prozessbedingung betrifft die Betriebstemperatur der Brennstoffzellen, da der elektro-chemische Prozess mit der größten Wirtschaftlichkeit und zugleich der höchsten Energieausbeute in einem Temperaturbereich von ca. 60°C bis 120°C abläuft.
  • Während es im stationären Einsatz von Brennstoffzellensystemen einfach erscheint, derartige Prozessbedingungen sicherzustellen, ist bei Brennstoffzellensystemen im mobilen Einsatz, wie zum Beispiel als Antriebsenergiequelle für Fahrzeuge, die Herausforderung vorhanden, bei jeglicher Witterung das Brennstoffzellensystem betriebsbereit zu halten oder in möglichst kurzer Zeit betriebsbereit zu machen. Es stellt sich auch oftmals die Aufgabe, einen Kaltstart durchzuführen, also das Brennstoffzellensystem bei einer Brennstoffzellentemperatur unterhalb der normalen Betriebstemperatur zu starten. Besonders kritisch ist der sogenannte Gefrierstart von Brennstoffzellensystemen mit Temperaturen unter 0°C, bei dem eine deutliche Leistungsverminderung der Brennstoffzellenstapel durch den Betrieb in dem niedrigen Temperaturbereich bekannt ist.
  • Ein möglicher Lösungsansatz besteht darin, extern Wärme zuzuführen, so zum Beispiel einen Brenner oder eine Heizung zum Aufheizen des Brennstoffzellenstapels zu verwenden. Dieser Lösungsansatz benötigt jedoch die externe Wärmequelle und verbraucht zudem wertvolle Energie.
  • Ein anderer Lösungsansatz ist aus der Druckschrift DE 600 05836 T2 bekannt, welche vorschlägt, während einer Startphase, in der sich der Brennstoffzellenstapel bei einer Starttemperatur unterhalb der normalen Betriebstemperatur befindet, den Reaktandenstrom an wenigstens einem Teil der Elektroden während des Startzeitraumes zu verknappen. Durch die Verknappung der Reaktanden erfolgt eine Änderung des Elektrodenpotentials, welche zu einem Anstieg der Überspannung der Elektrode und daraus folgend zu einem Anstieg der Wärmemenge führt, die in dem Brennstoffzellenstapel bei einer vorgegebenen Betriebsstromdichte erzeugt wird. Bei einer alternativen Ausführungsform in dieser Druckschrift wird vorgeschlagen, eine transiente elektrische Last einmal oder intermittierend an den Brennstoffzellenstapel anzuschließen und – um die Verknappung zu bewirken – die Zufuhrraten der Reaktanden nicht zu erhöhen. Auch diese Vorgehensweise vergrößert die Rate mit der die Reaktanden verbraucht werden, verringert somit die Stöchiometrie der Reaktandenzufuhr und bewirkt eine Verknappung der Reaktanden.
  • Die Druckschrift US 2006/0088738 A1 , die wohl den nächstkommenden Stand der Technik bildet, offenbart ein Brennstoffzellensystem und ein Verfahren zur Kontrolle desselben, wobei vorgeschlagen wird, bei niedrigen Betriebstemperaturen des Brennstoffzellenstapels eine elektrische Last zuzuschalten und ein Selbstaufheizen des Brennstoffzellenstapels durch Abnahme einer konstanten Last zu erreichen. Nachteilig bei dieser Vorgehensweise erscheint es, dass das Aufheizen die Startzeit verlängert und Brennstoff verbraucht. In einer zweiten, nachgeschaltete Prozedur wird vorgeschlagen, als Reaktion auf eine zu niedrige Batterietemperatur die Batterie durch Lade- und Entladevorgänge im dynamischen Zusammenspiel mit dem Brennstoffzellenstapel zu erwärmen.
  • Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Brennstoffzellensystem sowie ein entsprechendes Verfahren vorzuschlagen, welche einen energieeffizienten Kaltstart des Brennstoffzellensystems ermöglichen.
  • Diese Aufgabe wird durch ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und mit einem Verfahren zum Kaltstarten eines oder des Brennstoffzellensystems mit den Merkmalen des Anspruchs 9 gelöst. Bevorzugte oder vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung und den beigefügten Figuren.
  • Erfindungsgemäß wird ein Brennstoffzellensystem vorgeschlagen, welches vorzugsweise für den mobilen Einsatz, insbesondere in Fahrzeugen, ausgebildet und/oder geeignet ist. Das Brennstoffzellensystem umfasst einen oder mehrere Brennstoffzellenstapel, wobei jeder Brennstoffzellenstapel eine Mehrzahl, insbesondere mehr als 100, Brennstoffzellen hat. Jede Brennstoffzelle weist einen Anoden- und einen Kathodenbereich auf, wobei die beiden Bereiche durch eine Membran, insbesondere eine Protonenaustauschmembran (PEM) voneinander getrennt sind. Die Brennstoffzellen bzw. der Brennstoffzellenstapel ist ausgebildet, Reaktanden, vorzugsweise einen Brennstoff, insbesondere Wasserstoff, welcher beispielsweise aus einem Tank oder einem Reformator stammt, und einen Oxidanten, insbesondere Sauerstoff oder Umgebungsluft, elektro-chemisch miteinander umzusetzen, um elektrischen Strom zu erzeugen.
  • Das Brennstoffzellensystem weist eine Kaltstarterfassungseinrichtung zur Erfassung eines Kaltstartzustandes des Brennstoffzellenstapels auf. Der Kaltstartzustand ist vorzugsweise dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des Brennstoffzellenstapels im Kaltstartzustand unterhalb der normalen Betriebstemperatur liegt, insbesondere ist der Kaltstartzustand als Gefrierstartzustand ausgebildet, so dass die Brennstoffzellenstapeltemperatur unter 0°C liegt. Die Kaltstarterfassungseinrichtung kann bei einer möglichen Ausgestaltung der Erfindung als ein Temperatursensor ausgebildet sein, welcher die Temperatur des Brennstoffzellenstapels bzw. der Brennstoffzellen erfasst. Alternativ kann die Kaltstarterfassungseinrichtung auch ausgebildet sein, über eine Relativmessung oder sogar eine Schätzung den Kaltstartzustand des Brennstoffzellenstapels zu erfassen.
  • Der Brennstoffzellenstapel ist mit einer zuschaltbaren Last verschaltet und/oder verschaltbar, so dass die Stromanforderung an den Brennstoffzellenstapel erhöht werden kann. Die zuschaltbare Last kann beliebig ausgebildet sein, so kann diese als Primärverbraucher, insbesondere Antriebsmotor, als Sekundärverbraucher, insbesondere Heizung oder Klimaanlage eines Fahrzeugs, oder Tertiärverbraucher, wie eine Energiespeichervorrichtung, oder dergleichen ausgebildet sein. Vorzugsweise wird die zuschaltbare Last so gewählt, dass die darauf geleitete Energie nicht verloren geht, sondern anderweitig genutzt werden kann.
  • Zur Kontrolle des Brennstoffzellensystems ist eine Steuerungsvorrichtung vorgesehen, die ausgebildet ist, zumindest im Kaltstartzustand des Brennstoffzellenstapels die Last zuzuschalten und zugleich die Zuführung der Reaktanden für den Brennstoffzellenstapel an die Zuschaltung der Last anzupassen. Die Steuerungsvorrichtung kann als eine zusammengefasste, übergeordnete Steuerungsvorrichtung ausgebildet sein, alternativ kann diese auch dezentral organisiert sein, so dass die Zuschaltung der Last und die Zuführung der Reaktanden zwar in gegenseitige Abstimmung, jedoch durch getrennte Steuerungseinrichtungen erfolgen. Insbesondere ist die Steuerungsvorrichtung so ausgebildet, dass bei der Zuschaltung der Last keine Verknappung der Reaktanden erfolgt, wie dies aus dem Stand der Technik bekannt ist.
  • Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, dass die Steuerungsvorrichtung programmtechnisch und/oder schaltungstechnisch ausgebildet ist, als Reaktion auf die Erfassung des Kaltstartzustands des Brennstoffzellenstapels die zugeschaltete Last mit einem oder mehreren Lastsprüngen zu variieren. Es wird somit beansprucht, dass ein steuerungstechnischer Zusammenhang zwischen der Erfassung des Kaltstartzustandes und der Variation der zugeschalteten Last besteht. Der steuerungstechnische Zusammenhang kann beispielsweise als eine Ablaufsteuerung, als eine Regelung, als ein Regel- oder Steuerkreis ausgebildet sein, wobei die Erfassung des Kaltstartzustands eine Eingangsgröße und die Variation der zugeschalteten Last eine Ausgangsgröße bildet. Auch ein komplexerer steuerungstechnischer Zusammenhang, wie zum Beispiel eine Kontrolle über adaptive Regler, neuronale Netze, etc. ist im Rahmen der Erfindung. Es ist dabei wesentlich, dass die Variation der Last mit einem oder mehreren Lastsprüngen als Antwort auf die Erfassung des Kaltstartzustands des Brennstoffzellenstapels erfolgt.
  • Bei der Erfindung wurde festgestellt, dass durch Variation der zugeschalteten Last mit einem oder mehreren Lastsprüngen der Kaltstartvorgang deutlich beschleunigt werden kann. Während bei einer Zuschaltung einer konstanten Lastsenke die Polarisationskennlinie des Brennstoffzellenstapels mit einer nahezu konstanten Steigung ansteigt, begründet ein Lastsprung bei der zugeschalteten Last einen treppenartigen Verlauf der Polarisationskennlinie und damit zugleich eine überproportionale Leistungserhöhung des Brennstoffzellenstapels.
  • Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist der Lastsprung als eine Verringerung der zugeschalteten Last und/oder der Stromanforderung an den Brennstoffzellenstapel ausgebildet. Diese experimentell verifizierte bevorzugte Ausführungsform überrascht dadurch, dass eine Leistungserhöhung des Brennstoffzellenstapels durch eine zuvor erfolgte Verminderung der Stromanforderung erreicht wird. Zum einen scheint dieses Verhalten konträr zu der Überlegung, ein Selbstaufheizen des Brennstoffstapels durch Lastabnahme zu erreichen, zum anderen scheint dieses Verhalten auch konträr gegenüber der eingangs gewürdigten Druckschrift DE 600 05836 T2 zu sein, da durch erfindungsgemäß vorgeschlagene Prozessführung keine Verknappung der Reaktanden, sondern eher ein Überangebot der Reaktanden gebildet wird. Dementsprechend liegt es auch im Bereich der Erfindung, das Kaltstartverhalten eines Brennstoffzellensystems durch ein Überangebot an Reaktanden in der Startphase zu verbessern.
  • Bei einer Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Amplitude des Lastsprungs mindestens 30%, vorzugsweise mindestens 60%, insbesondere mindestens 90% der zugeschalteten Last und/oder der bei der zugeschalteten Last bestehenden Stromanforderung beträgt. Insbesondere im letztgenannten Fall wird der Brennstoffzellenstapel nahezu oder – bei einer anderen Ausführungsform – vollständig lastlos geschaltet.
  • Es hat sich herausgestellt, dass es bereits ausreichend ist, wenn die Dauer des Lastsprungs weniger als 3 Sekunden, vorzugsweise weniger als 2 Sekunden, insbesondere weniger als 1 Sekunde beträgt. Die Dauer des Lastsprungs ist beispielsweise als Peakbreite auf der FWHM-Höhe (Full Width Half Maximum) definiert. Somit ist der Lastsprung bei einer bevorzugten Ausführungsform als negativer Peak im Verlauf der Last und/oder des Stroms ausgebildet, wobei vorzugsweise genau ein Lastsprung während der Kaltstartphase durchgeführt.
  • Bei einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung weist das Brennstoffzellensystem eine Fahrfreigabevorrichtung auf, welche ausgebildet ist, ein Fahrfreigabesignal und/oder ein Fahrsperresignal für das Brennstoffzellensystem auszugeben.
  • Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Steuerungsvorrichtung so ausgebildet, dass der oder die Lastsprünge bei vorliegender Fahrsperre, also insbesondere vor der Fahrfreigabe angesteuert wird bzw. werden. Somit wird die Erfindung während des Selbstaufheizvorgangs des Brennstoffzellenstapels durch Variation der Lastsenken, zum Beispiel in einem Fahrzeug, umgesetzt, bevor das Fahrzeug eine Fahrfreigabe erhält.
  • Bei einer alternativen, ebenfalls bevorzugten Ausführungsform, welche auch eine Ergänzung darstellen kann, ist die Steuerungsvorrichtung ausgebildet, den Lastsprung bei vorliegender Fahrfreigabe, also im dynamischen Betrieb des Fahrzeugs, anzusteuern. Insbesondere, aber nicht darauf beschränkt, ist es bei vorliegender Fahrfreigabe bevorzugt, dass der Lastsprung oder die Lastsprünge durch Lastverteilung zwischen einer Energiespeichervorrichtung, insbesondere einer Batterie oder einer Kapazität, insbesondere eines Supercaps, und dem Brennstoffzellenstapel erfolgt. Hierbei wird ausgenützt, dass durch geschicktes oder angepasstes Energiemanagement zwischen der Energiespeichervorrichtung und dem Brennstoffzellenstapel Lasten bzw. Lastsenken hoch dynamisch variiert bzw. verteilt werden können.
  • Ein weiterer Gegenstand der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Kaltstarten, insbesondere Gefrierstarten eines Brennstoffzellensystems, wobei das Brennstoffzellensystem vorzugsweise wie soeben beschrieben bzw. nach einem der vorhergehenden Ansprüche ausgebildet ist, wobei zunächst ein Kaltstartzustand eines Brennstoffzellenstapels erfasst wird, zugleich oder danach eine elektrische Last an dem Brennstoffzellenstapel zugeschaltet wird und zugleich oder zeitnah die Reaktandenzufuhr für diesen Brennstoffzellenstapel an die zugeschaltete Last angepasst wird und wobei die Last mit mindestens einem Lastsprung als Reaktion auf den erfassten Kaltstartzustand variiert wird.
  • Insbesondere ist das Verfahren zur bestimmungsgemäßen Verwendung des zuvor beschriebenen Brennstoffzellensystems ausgebildet. Folglich ist das beschriebene Brennstoffzellensystems auch zur Durchführung des beanspruchten Verfahrens ausgebildet.
  • Bei einer bevorzugten Umsetzung des Verfahrens erfolgt der oder die Lastsprünge innerhalb von fünf Minuten, vorzugsweise von drei Minuten, insbesondere von zwei Minuten nach dem Start bzw. Kaltstart des Brennstoffzellensystems. Bei einer beispielhaften Ausführungsform wird der Lastsprung zwischen 120 und 130 Sekunden nach dem Kaltstart durchgeführt.
  • Weitere Merkmale, Vorteile und Wirkungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung sowie den beigefügten Figuren. Dabei zeigen:
  • 1 ein Blockschaltbild eines Brennstoffzellensystems als ein Ausführungsbeispiel der Erfindung;
  • 2 ein Messprotokoll zur Illustration der Erfindung.
  • Die 1 zeigt ein Brennstoffzellensystem 1, welches beispielsweise ausgebildet ist, um als mobiles Brennstoffzellensystem in einem Fahrzeug zur Erzeugung der Antriebsenergie eingesetzt zu werden. Das Brennstoffzellensystem 1 umfasst einen oder mehreren Brennstoffzellenstapel 2, wobei in der 1 nur ein einziger Brennstoffzellenstapel 2 gezeigt ist. Der Brennstoffzellenstapel 2 weist eine Mehrzahl von Brennstoffzellen auf, wobei beispielsweise mehr als 100 Brennstoffzellen in einem Brennstoffzellenstapel 2 angeordnet sind.
  • Der Brennstoffzellenstapel 2 weist einen Lastausgang 3 auf, welcher über einen Lastmanager 4 mit einer oder mehreren Lastsenken 5 schaltungstechnisch verbunden ist. Die Lastsenken 5 können beispielsweise als Heizung, Antrieb, Klimaanlage oder dergleichen ausgebildet sein. Zur Steuerung des Lastmanagers 4 ist eine Steuerungseinrichtung 6 integriert, welche die Verteilung der Last durch den Lastmanager 4 organisiert. Als Eingangsgrößen erhält die Steuerungseinrichtung 6 ein Signal eines Temperatursensors 7, welcher die Temperatur des Brennstoffzellenstapels 2 bzw. der Brennstoffzellen misst. Als optionale weitere Eingangsgröße erhält die Steuerungseinrichtung 6 zusätzlich ein Signal von einem Freigabemodul 8, welches das Brennstoffzellensystem 1 für den Fahrbetrieb freigibt bzw. sperrt. Ein Ausgang der Steuerungseinrichtung 6 ist mit einer Reaktandensteuerung 9 verbunden, welche den Zufluss der Reaktanden oder die Stöchiometrie der Zuflüsse, also den Anteil der Reaktanden in den Zuflussströmen steuert.
  • Als weitere Option zeigt das Brennstoffzellensystem 1 eine Energiespeichereinrichtung in Form einer Batterie 10, welche über den Lastmanager 4 mit den Lastsenken 5 und/oder mit dem Ausgang 3 des Brennstoffzellenstapels 2 verbindbar ist.
  • Von einem funktionellen Standpunkt betrachtet ist die Steuerungsvorrichtung 6 programmtechnisch und/oder schaltungstechnisch so ausgebildet, dass diese einen Kaltstart des Brennstoffzellensystems durch eine angepasste Startsequenz unterstützt. Hierzu wertet die Steuerungsvorrichtung 6 das Signal des Temperatursensors 7 aus, indem der Messwert mit einem vorgegebenen Wert für die Betriebstemperatur des Brennstoffzellensystems 1 bzw. für den Brennstoffzellenstapel 2 verglichen wird. Ist der Messwert unterhalb dieser Betriebstemperatur bzw. unterhalb einer weiteren, frei definierbaren Grenztemperatur, so wird durch die Steuerungsvorrichtung 6 die Teilstartsequenz durchgeführt. Die Grenztemperatur ist vorzugsweise kleiner als 0°C definiert, so dass der Kaltstart insbesondere als ein Gefrierstart durchgeführt wird.
  • In einem ersten Schritt der Kaltstartsequenz wird an den Ausgang 3 des Brennstoffzellenstapels 2 durch den Lastmanager 4 eine oder mehrere Lastsenken 5 zugeschaltet, so dass der Brennstoffzellenstapel 2 Leistung abgeben muss und beginnt sich aufgrund der Leistungsabgabe aufzuheizen. Zugleich oder in Zusammenhang mit der Zuschaltung der Last wird die Reaktandensteuerung angesteuert, so dass die Reaktandenzufuhr und/oder -stöchiometrie an die erhöhte Lastanforderung angepasst wird. Während einer ersten Aufwärmehase, die beispielsweise 120 Sekunden dauert, wird der Brennstoffzellenstapel mit einer gleichmäßigen Leistungsentnahme und/oder Stromanforderung belastet. In einer zweiten Kaltstartphase wird der Lastmanager 4 durch die Steuerungsvorrichtung so angesteuert, dass die Last und/oder die Stromanforderung für kurze Zeit dynamisch geändert wird. Während dieser Änderung bleibt das Steuerungssignal der Steuerungsvorrichtung 6 an die Reaktandensteuerung 9 unverändert, so dass die Reaktandenzufuhr bzw. -stöchiometrie ebenfalls im Wesentlichen unverändert bleibt. Nach dem kurzen Lastsprung bzw. Sprung in der Stromanforderung wird in einer dritten Kaltstartphase wieder eine konstante Last durch Zuschalten der Lastsenken 5 an den Ausgang 3 gelegt. Messungen haben ergeben, dass sich bei der beschriebenen Startsequenz mit Lastsprung die Leistungsabgabe und/oder die Stromabgabe und/oder die Polarisationskennlinie zwischen der ersten Kaltstartphase und der dritten Kaltstartphase stufen- und/oder sprungartig, insbesondere überproportional verändert. So war deutlich zu erkennen, dass die Leistungsfähigkeit des Brennstoffzellenstapels 2 nach dem dynamischen Lastsprung deutlich angestiegen ist.
  • Bei einer Verschaltung der Steuerungsvorrichtung 6 mit dem Freigabemodul 8 kann der beschriebene Lastsprung in zwei Betriebsphasen durchgeführt werden. Bei der ersten Alternative wird der Lastsprung während des Selbstaufheizvorgangs des Brennstoffzellenstapels durch Variation der Lastsenken 5 durchgeführt, bevor das Freigabemodul 8 eine Fahrfreigabe an die Steuerungsvorrichtung 6 weitergibt. Bei einer anderen Alternative erfolgt die zweite Kaltstartphase nach der Fahrfreigabe durch das Freigabemodul 8 im dynamischen Betrieb des Fahrzeugs. Hierbei wird – um eine ausreichende Leistung für den Fahrbetrieb zur Verfügung stellen zu können – der Lastmanager 4 durch die Steuerungsvorrichtung 6 so angesteuert, dass die Lasten zwischen Brennstoffzellenstapel 2 und Batterie 10 insbesondere dynamisch variiert werden. Bei der zweiten Alternative ist es somit möglich, dass der Lastsprung durch ein kurzes Zuschalten und Entladen der Batterie 10 an die Lastsenken 5 und gleichzeitige Abkopplung oder Entlastung des Brennstoffzellenstapels 2 durch den Lastmanager 4 umgesetzt wird.
  • Die 2 zeigt ein beispielhaftes Messprotokoll einer Kaltstartprozedur mit einer ersten Messkurve 11, welche den Strom am Ausgang 3 des Brennstoffzellenstapels 2 repräsentiert, mit einer zweiten Messkurve 12, welche die Spannung oder die Polarisationskennlinie des Brennstoffzellenstapels 2 ebenfalls am Ausgang 3 zeigt und mit einer dritten Messkurve 13, welche die entnommene Leistung (Nettoleistung) des Brennstoffzellenstapels 2 repräsentiert.
  • Wie sich aus der Auftragung ergibt, wird in einer ersten Kaltstartphase I eine konstante Last an den Ausgang 3 des Brennstoffzellenstapels 2 zugeschaltet, wobei die Messkurven der Leistung 13, des Stroms 12 und der Spannung 13 langsam ansteigen. Beispielsweise ist in der Auftragung in 2 zu erkennen, dass in einem Zeitintervall von 80 bis 120 Sekunden ein Leistungsanstieg von 18,8 kW auf 22,4 kV gemessen wurde.
  • In der zweiten Kaltstartphase II wird die Stromanforderung für kurze Zeit (kleiner 1 Sekunde) von 150 Ampere auf 10 Ampere heruntergesetzt und anschließend gleich wieder auf 176 Ampere heraufgesetzt. Als direkte Reaktion darauf, sinkt die Leistung zu dem gleichen Zeitpunkt auf nahe Null, wohingegen die Spannung eine Überhöhung um ca. 50% zu verzeichnen hat.
  • In der dritten Kaltstartphase III ist wieder eine konstante Last zugeschaltet, wobei – im Vergleich zu der ersten Kaltstartphase I – sowohl der abgegebene Strom gemäß Messkurve 11, die abgegebene Leistung gemäß Messkurve 13 als auch die abgegebene Spannung bzw. die Polarisationskennlinie gemäß Messkurve 12 deutlich angestiegen ist. Vergleicht man das Ende der ersten Kaltstartphase I mit dem Anfang der dritten Kaltstartphase III so wird deutlich, dass die Leistungsfähigkeit des Brennstoffzellenstapels nach diesem dynamischen Lastsprung um ca. 35% angestiegen ist.
  • Letztlich ist festzustellen, dass durch die Einführung von einem oder mehreren Lastsprüngen während des Gefrierstarts oder Kaltstarts des Brennstoffzellenstapels 2 unter Verwendung von konstanten Lastsenken, das Selbstaufheizen des Brennstoffzellenstapels 2 stark beschleunigt werden kann.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
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    • - US 2006/0088738 A1 [0006]

Claims (12)

  1. Brennstoffzellensystem (1) mit mindestens einem Brennstoffzellenstapel (2), welcher zur Umsetzung von Reaktanden zur Stromerzeugung ausgebildet ist, mit einer Kaltstarterfassungseinrichtung (7) zur Erfassung eines Kaltstartzustands des Brennstoffzellenstapels (2), mit einer an den Brennstoffzellenstapel (2) zuschaltbaren Last (5, 10), und mit einer Steuerungsvorrichtung (6), die ausgebildet ist, im Kaltstartzustand des Brennstoffzellenstapels (2) die Last (5, 10) zuzuschalten, wobei die Zuführung der Reaktanden für den Brennstoffzellenstapel (2) an die Zuschaltung der Last (5, 10) angepasst wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungsvorrichtung (6) programmtechnisch und/oder schaltungstechnisch ausgebildet ist, als Reaktion auf die Erfassung des Kaltstartzustands des Brennstoffzellenstapels (2) die zugeschaltete Last mit einem oder mehreren Lastsprüngen zu variieren.
  2. Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Lastsprung durch eine Verringerung der zugeschalteten Last (5) und/oder der Stromanforderung gebildet ist.
  3. Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Amplitude des Lastsprungs mindestens 30%, vorzugsweise mindestens 60%, insbesondere mindestens 90% der zugeschalteten Last beträgt.
  4. Brennstoffzellensystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dauer des Lastsprungs weniger als 3 s, vorzugsweise weniger als 2 s, insbesondere weniger als 1 s beträgt.
  5. Brennstoffzellensystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Fahrfreigabevorrichtung (8), welche ausgebildet ist, ein Fahrfreigabesignal und/oder ein Fahrsperresignal für das Brennstoffzellensystem (1) auszugeben.
  6. Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungsvorrichtung (6) ausgebildet ist, den Lastsprung bei vorliegendem Fahrsperresignal anzusteuern.
  7. Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungsvorrichtung (6) ausgebildet ist, den Lastsprung bei vorliegendem Fahrfreigabesignal anzusteuern.
  8. Brennstoffzellensystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Lastsprung durch Lastverteilung zwischen einer Energiespeichervorrichtung (10) und dem Brennstoffzellenstapel (2) erfolgt.
  9. Verfahren zum Kaltstarten eines Brennstoffzellensystems (1), vorzugsweise nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Schritte: Erfassung eines Kaltstartzustands eines Brennstoffzellenstapels (2); Zuschaltung einer Last (5, 10) an den Brennstoffzellenstapel und Angleichung der Reaktandenzufuhr für den Brennstoffzellenstapel (2); Variation der Last mit mindestens einem Lastsprung als Reaktion auf den erfassten Kaltstartzustand.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Lastsprung vor einer Fahrfreigabe des Brennstoffzellenstapels (2) erfolgt.
  11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Lastsprung nach einer Fahrfreigabe im dynamischen Betrieb des Brennstoffzellenstapels (2) und durch eine Lastumverteilung auf eine Energiespeichervorrichtung (10) erfolgt.
  12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Lastsprung innerhalb von 5 min, vorzugsweise 3 min, insbesondere 2 min nach dem Start bzw. Kaltstart des Brennstoffzellensystems (1) erfolgt.
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