DE102021134201B3 - Method for operating a fuel cell system and fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems (1) mit einer Mehrzahl von mit Nebenaggregaten (3) ausgestatteten Brennstoffzellenstapel (2), die selektiv aktivierbar und/oder deaktivierbar sind, wobei für jeden Brennstoffzellenstapel (2) und für jedes der zugeordneten Nebenaggregate (3) individuell die Alterungseinflüsse mittels Messwerten oder Erwartungswerten festgelegt werden, umfassend die Schritte:
- Zuordnung von künftigen Betriebszeiten zu einem der Brennstoffzellenstapel (2) mit den Nebenaggregaten (3), deren anhand der Alterungseinflüsse bestimmten Degradationsgrad am geringsten ist, und
- gleichmässige Verteilung künftiger Betriebszeiten auf die Brennstoffzellenstapel (2), wenn die Unterschiede des Degradationsgrades unterhalb eines vorgegebenen oder vorgebbaren Schwellenwertes liegt.
Die Erfindung betrifft außerdem ein Brennstoffzellensystem (1).
The invention relates to a method for operating a fuel cell system (1) with a plurality of fuel cell stacks (2) equipped with auxiliary units (3) which can be activated and/or deactivated selectively, with each fuel cell stack (2) and each of the associated auxiliary units ( 3) the aging influences are determined individually using measured values or expected values, comprising the steps:
- Assignment of future operating times to one of the fuel cell stacks (2) with the ancillary units (3) whose degree of degradation, determined on the basis of the aging effects, is the lowest, and
- Uniform distribution of future operating times on the fuel cell stack (2) if the differences in the degree of degradation is below a predetermined or specifiable threshold value.
The invention also relates to a fuel cell system (1).
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems mit einer Mehrzahl von mit Nebenaggregaten ausgestatteten Brennstoffzellenstapel, die selektiv aktivierbar und/oder deaktivierbar sind, wobei für jeden Brennstoffzellenstapel und für jedes der zugeordneten Nebenaggregate individuell die Alterungseinflüsse mittels Messwerten oder Erwartungswerten festgelegt werden, umfassend die Schritte:
- - Zuordnung von künftigen Betriebszeiten zu einem der Brennstoffzellenstapel mit den Nebenaggregaten, deren anhand der Alterungseinflüsse bestimmten Degradationsgrad am geringsten ist, und
- - gleichmäßige Verteilung künftiger Betriebszeiten auf die Brennstoffzellenstapel, wenn die Unterschiede des Degradationsgrades unterhalb eines vorgegebenen oder vorgebbaren Schwellenwertes liegt.
- - Assignment of future operating times to one of the fuel cell stacks with the ancillary units whose degree of degradation, determined on the basis of the effects of aging, is the lowest, and
- - Equal distribution of future operating times on the fuel cell stack if the differences in the degree of degradation is below a predetermined or specifiable threshold value.
Die Erfindung betrifft außerdem ein Brennstoffzellensystem.The invention also relates to a fuel cell system.
Eine Brennstoffzelle wird benutzt, um kontrolliert einen geeigneten Brennstoff, insbesondere Wasserstoff, mit Sauerstoff, in der Regel bereitgestellt aus der Luft, reagieren zu lassen und in einer elektrochemischen Reaktion Elektrizität zu erzeugen. Für eine Leistungssteigerung ist es bekannt, mehrere Brennstoffzellen in einem Brennstoffzellenstapel zusammen zu fassen, wobei Nebenaggregate genutzt werden, um diesen Brennstoffzellenstapel ausreichend mit Sauerstoff enthaltender Luft in dem erforderlichen konditionierten Zustand hinsichtlich der Temperatur und der Feuchte zu versorgen. Nebenaggregate werden auch für die Rezirklierung nichtverbrauchten Brennstoffes genutzt, um eine hohe Effizienz zu erzielten. Derartige Brennstoffzellenvorrichtungen mit einem Brennstoffzellenstapel und zugeordneter Nebenaggregate werden auch in Brennstoffzellenfahrzeugen genutzt für die Bereitstellung elektrischer Mobilität.A fuel cell is used to allow a suitable fuel, in particular hydrogen, to react in a controlled manner with oxygen, usually provided from the air, and to generate electricity in an electrochemical reaction. To increase performance, it is known to combine several fuel cells in a fuel cell stack, with ancillary units being used to supply this fuel cell stack with sufficient oxygen-containing air in the required conditioned state with regard to temperature and humidity. Auxiliary units are also used to recirculate unused fuel to achieve high efficiency. Such fuel cell devices with a fuel cell stack and associated ancillary units are also used in fuel cell vehicles to provide electric mobility.
Bei nochmals gesteigerten Leistungsanforderung, beispielsweise in einem Lastkraftwagen, können mehrere Brennstoffzellenstapel genutzt werden, die auch aus gemeinsamen Nebenaggregaten versorgt werden können, die dafür dann allerdings sehr groß dimensioniert werden müssen und dann teilweise nur in Teillast laufen, wenn beispielsweise für die Erfüllung der momentanen Leistungsanforderung nur ein Brennstoffzellenstapel aktiviert ist und die anderen in Bereitschaft gehalten werden. Alternativ besteht auch die Möglichkeit, eine Mehrzahl von Brennstoffzellenvorrichtungen bereit zu stellen, also Brennstoffzellenstapel mit zugeordneten Nebenaggregaten, die dann kleiner dimensioniert sein können und Standardsysteme in großer Stückzahl kostengünstiger gefertigt werden können.If the power requirement is increased even further, for example in a truck, several fuel cell stacks can be used, which can also be supplied from common ancillary units, which then have to be very large and then sometimes only run at partial load, for example if the current power requirement is to be met only one fuel cell stack is activated and the others are kept on standby. Alternatively, there is also the possibility of providing a plurality of fuel cell devices, ie fuel cell stacks with associated ancillary units, which can then be dimensioned smaller and standard systems can be manufactured more cost-effectively in large numbers.
In der
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Problematisch bei der Nutzung einer Mehrzahl von Brennstoffzellenstapel mit zugeordneten Nebenaggregaten, die als Brennstoffzellenvorrichtungen bedarfsabhängig aktiviert und deaktiviert werden, ist, dass die einzelnen Komponenten des Brennstoffzellensystems unterschiedlich lange betrieben werden und auch die Rahmenbedingungen während des Betriebes unterschiedlich sein können, also beispielsweise bei einem Brennstoffzellenstapel eine hohe Anzahl von Froststarts aufgelaufen ist, während ein anderer Luft/Luft-Starts ausgesetzt war.The problem with the use of a plurality of fuel cell stacks with associated ancillary units, which are activated and deactivated as fuel cell devices as required, is that the individual components of the fuel cell system are operated for different periods of time and the general conditions during operation can also be different, for example in the case of a fuel cell stack high number of frost starts accumulated is while another air-to-air launch was suspended.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und ein Brennstoffzellensystem bereitzustellen, die den vorstehend genannten Nachteilen Rechnung tragen.It is therefore the object of the present invention to provide a method and a fuel cell system which take into account the disadvantages mentioned above.
Diese Aufgabe wird gelöst mit einem Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie mit einem Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Anspruchs 10. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.This object is achieved with a method for operating a fuel cell system having the features of
Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass eine verbesserte Effizienz erreicht wird bei einer reduzierten Gesamtdegradation des Brennstoffzellensystems, das dadurch auch eine verlängerte Lebensdauer erzielt. Es liegt ein homogeneres Gesamtsystem vor, bei dem ein verbessertes Wissen über den Zustand der Brennstoffzellenaggregate mit den Nebenaggregaten vorliegt. Günstig ist auch, dass ein Schwellenwert hinsichtlich der Unterschiede berücksichtigt wird, also vermieden ist, dass aufgrund geringfügiger Unterschiede Brennstoffzellenstapel im Betrieb ausgetauscht werden, also eine Aktivierung eines Brennstoffzellenstapels und eine Deaktivierung eines anderen erfolgt und so die Anzahl von Start und Stopps reduziert wird.The method according to the invention is characterized in that improved efficiency is achieved with reduced overall degradation of the fuel cell system, which also achieves a longer service life as a result. There is a more homogeneous overall system in which there is improved knowledge about the condition of the fuel cell units with the ancillary units. It is also favorable that a threshold value with regard to the differences is taken into account, i.e. it is avoided that fuel cell stacks are exchanged during operation due to minor differences, i.e. activation of one fuel cell stack and deactivation of another takes place, thus reducing the number of starts and stops.
Besonders vorteilhaft ist dabei, wenn beim Detektieren einer gesteigerten Lastanforderung diejenigen inaktiven Brennstoffzellenstapel nacheinander in einer Reihenfolge mit aufsteigendem Degradationsgrad aktiviert werden, solange, bis durch die aktiven Brennstoffzellenstapel eine der gesteigerten Lastanforderung gerecht werdende Leistung bereitgestellt wird. Dadurch ist eine Abfolge gegeben, die zu einer verbesserten Zuteilung von zukünftigen Betriebszeiten führt. Dies gilt auch, wenn beim Detektieren einer verringerten Lastanforderung diejenigen aktiven Brennstoffzellenstapel nacheinander in einer Reihenfolge mit absteigendem Degradationsgrad deaktiviert werden, solange, bis durch die noch aktiven Brennstoffzellenstapel eine der verringerten Lastanforderung gerecht werdende Leistung bereitgestellt wird.It is particularly advantageous if, when an increased load requirement is detected, those inactive fuel cell stacks are activated one after the other in a sequence with increasing degree of degradation until the active fuel cell stack provides a power that meets the increased load requirement. This results in a sequence that leads to an improved allocation of future operating times. This also applies if, when a reduced load requirement is detected, those active fuel cell stacks are deactivated one after the other in a sequence with decreasing degree of degradation, until the still active fuel cell stacks provide a power that meets the reduced load requirement.
Es ist zweckmäßig, wenn für die Bestimmung des Degradationsgrades die Alterungseinflüsse hinsichtlich der mechanischen Belastung jedes Brennstoffzellenstapels erfasst werden, nämlich hinsichtlich des absoluten Druckes und/oder des Druckes über die Membranen der Membran-Elektrodenanordnungen und/oder des Leistungsgradienten bezüglich der Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels und/oder der Anzahl von Froststarts.It is expedient if the aging influences with regard to the mechanical load on each fuel cell stack are recorded in order to determine the degree of degradation, namely with regard to the absolute pressure and/or the pressure across the membranes of the membrane electrode assemblies and/or the power gradient with regard to the fuel cells of the fuel cell stack and/or or the number of frost starts.
Einen verbesserten Wissensstand mit gleichmäßiger Alterung erreicht man auch, wenn für die Bestimmung des Degradationsgrades die Alterungseinflüsse hinsichtlich der elektrochemischen Belastung jedes Brennstoffzellenstapels erfasst werden, nämlich hinsichtlich der Stromstärke und/oder der elektrischen Spannung und/oder der Temperatur und/oder der relativen Feuchte der Membranen der Membran-Elektrodenanordnungen und/oder der Anzahl von Luft/Luft-Starts.An improved level of knowledge with uniform aging can also be achieved if the aging influences with regard to the electrochemical load of each fuel cell stack are recorded in order to determine the degree of degradation, namely with regard to the current strength and/or the electrical voltage and/or the temperature and/or the relative humidity of the membranes the membrane electrode assemblies and/or the number of air/air starts.
Wiederum der Erzielung der vorstehenden Vorteile dient, dass für die Bestimmung des Degradationsgrades die Alterungseinflüsse hinsichtlich der Nebenaggregate berücksichtigt werden, die ausgewählt sind aus einer Gruppe die Verdichter, elektrische Turbolader für die Verdichter, Gebläse für die Rezirklierung in einem Anodenkreislauf der Brennstoffzellenstapel, Thermostatventile, Befeuchter mit Befeuchtermembranen, DC/DC-Wandler umfasst.Again, the achievement of the above advantages is that for the determination of the degree of degradation, the aging influences are taken into account with regard to the ancillaries, which are selected from a group of compressors, electric turbochargers for the compressors, fans for recirculation in an anode circuit of the fuel cell stack, thermostatic valves, humidifiers with humidifier membranes, DC/DC converter included.
Der Vollständigkeit der Einbeziehung unterschiedlicher Parameter dient, dass für die Bestimmung des Degradationsgrades die Alterungseinflüsse für die Verdichter und/oder die Gebläse hinsichtlich der Temperatur und der Drehzahl, und/oder für die elektrischen Turbolader hinsichtlich der Temperatur nach dem Verdichter und/oder der Drehzahl und/oder der Starthäufigkeit und/oder des Differenzdruckes zwischen dem Verdichter und der Turbine des elektrischen Turboladers und/oder die Thermostatventile hinsichtlich der Schalthäufigkeit und/oder für die Befeuchter hinsichtlich der Temperatur und/oder der Feuchte der Befeuchtermembran und/oder für die DC/DC-Wandler hinsichtlich der Stromstärke und/oder der Temperatur und/oder der Temperaturänderung erfasst werden.The completeness of the inclusion of different parameters serves that for the determination of the degree of degradation the aging influences for the compressors and/or the fans with regard to the temperature and the speed, and/or for the electric turbochargers with regard to the temperature after the compressor and/or the speed and /or the starting frequency and/or the differential pressure between the compressor and the turbine of the electric turbocharger and/or the thermostatic valves with regard to the switching frequency and/or for the humidifier with regard to the temperature and/or the humidity of the humidifier membrane and/or for the DC/DC -Converter are detected in terms of current and / or temperature and / or temperature change.
Da die Brennstoffzellenstapel kostenintensive Komponenten darstellen, deren Wartung und Ersatz die Kosten über die gesamte Lebensdauer des Systems beeinflussen, ist vorgesehen, dass die Alterungseinflüsse der jeweiligen Brennstoffzellenstapel gegenüber den zugeordneten Nebenaggregaten stärker gewichtet werden bei der Bestimmung des Degradationsgrades.Since the fuel cell stacks represent cost-intensive components whose maintenance and replacement affect the costs over the entire service life of the system, it is provided that the aging effects of the respective fuel cell stack are weighted more heavily than the associated ancillary units when determining the degree of degradation.
Der Verbesserung der Lebensdauer durch Erzielung eines gleichmässigen Verschleisses dient auch, dass in einem Steuergerät die einzelnen Brennstoffzellenstapel mit den zugeordneten Nebenaggregaten klassifiziert werden für einer Priorisierung der Zuordnung von künftigen Betriebszeiten bei einer Aktivierung und mit einer Inversion der Priorisierung bei einer Deaktivierung.The improvement in service life by achieving uniform wear also serves to classify the individual fuel cell stacks with the assigned ancillary units in a control unit for prioritizing the assignment of future operating times when activated and with an inversion of the prioritization when deactivated.
Die vorstehend genannten Vorteile und Wirkungen gelten sinngemäß auch für ein Brennstoffzellensystem mit einer Mehrzahl von mit Nebenaggregaten ausgestatteten Brennstoffzellenstapel, die selektiv aktivierbar und/oder deaktivierbar sind, wobei für jeden Brennstoffzellenstapel und für jedes der zugeordneten Nebenaggregate individuell die Alterungseinflüsse mittels einer Messanordnung, die ausgebildet ist, einzelne Leistungsdaten zu erfassen, detektierbar und/oder anhand der Betriebsdauer und der Betriebsrahmenbedingungen hinsichtlich des Erwartungswertes vorhersagbar sind, und mit einem Steuergerät, das ausgebildet ist, anhand der Alterungseinflüsse jedes Brennstoffzellenstapels mit den zugeordneten Nebenaggregaten zukünftige Betriebszeiten jedem Brennstoffzellenstapel so zuzuordnen, dass der Brennstoffzellenstapel mit dem geringsten Degradationsgrad aktiviert ist und eine gleichmässige Verteilung künftiger Betriebszeiten auf die Brennstoffzellenstapel erreicht ist, wenn die Unterschiede des Degradationsgrades der Brennstoffzellenstapel unterhalb eines vorgegebenen oder vorgebbaren Schwellenwertes liegen.The advantages and effects mentioned above also apply mutatis mutandis to a fuel cell system with a plurality of fuel cell stacks equipped with ancillary units can be selectively activated and/or deactivated, with the aging effects being detectable and/or predictable with regard to the expected value for each fuel cell stack and for each of the associated ancillaries using a measuring arrangement designed to record individual performance data, and with a control device that is designed to use the aging effects of each fuel cell stack with the associated ancillaries to allocate future operating times to each fuel cell stack in such a way that the fuel cell stack with the lowest degree of degradation is activated and an even distribution of future operating times to the fuel cell stack is achieved if the differences between the Degrees of degradation of the fuel cell stack are below a predetermined or specifiable threshold value.
In einer Weitergestaltung der Erfindung hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn mindestens einer der inaktiven Brennstoffzellenstapel zur Reduzierung reversibler Alterungseffekte aufbereitet wird, insbesondere unter Verringerung seines Degradationsgrads. Somit können also während der inaktiven Phase die Brennstoffzellenstapel einer Recovery-Strategie unterzogen werden, insbesondere also reversible Alterungseffekte bei den inaktiven Brennstoffzellenstapel reduziert oder beseitigt werden. Beispielsweise kann eine Sauerstoffverarmung kathodenseitig vorgenommen werden unter Aufrechterhaltung des Stromflusses über einer vorgegebenen oder vorgebbaren Mindeststromstärke für eine vorgegebene Zeitdauer. Dies führt dazu, dass das Spannungspotential der einzelnen Brennstoffzelle absinkt, was für die Reduktion des Katalysatoroxids förderlich ist. Da weiterhin durch die Sauerstoffverarmung das Brennstoffzellensystem in einem unterstöchiometrischen Verhältnis betrieben wird, also der Kathodenseite weniger Sauerstoff zugeführt wird als für die Reaktion mit dem bereitgestellten Wasserstoff erforderlich ist, reagiert der überschüssige Wasserstoff mit dem Sauerstoff des Katalysatoroxids, sodass der Katalysator regeneriert wird. Der sich daraus ergebende geringere Degradationsgrad kann bei den Alterungseinflüssen berücksichtigt werden.In a further development of the invention, it has proven to be advantageous if at least one of the inactive fuel cell stacks is processed to reduce reversible aging effects, in particular by reducing its degree of degradation. Thus, the fuel cell stacks can be subjected to a recovery strategy during the inactive phase, ie in particular reversible aging effects in the inactive fuel cell stacks can be reduced or eliminated. For example, oxygen depletion can be carried out on the cathode side while maintaining the current flow above a predetermined or predeterminable minimum current intensity for a predetermined period of time. This causes the voltage potential of the individual fuel cell to drop, which is conducive to the reduction of the catalyst oxide. Since the fuel cell system is also operated in a sub-stoichiometric ratio due to the oxygen depletion, i.e. less oxygen is supplied to the cathode side than is required for the reaction with the hydrogen provided, the excess hydrogen reacts with the oxygen of the catalyst oxide, so that the catalyst is regenerated. The resulting lower degree of degradation can be taken into account in the aging effects.
Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Es sind somit auch Ausführungen als von der Erfindung umfasst und offenbart anzusehen, die in den Figuren nicht explizit gezeigt oder erläutert sind, jedoch durch separierte Merkmalskombinationen aus den erläuterten Ausführungen hervorgehen und erzeugbar sind.The features and combinations of features mentioned above in the description and the features and combinations of features mentioned below in the description of the figures and/or shown alone in the figures can be used not only in the combination specified in each case, but also in other combinations or on their own, without going beyond the scope of the leave invention. Embodiments are therefore also to be regarded as included and disclosed by the invention which are not explicitly shown or explained in the figures, but which result from the explained embodiments and can be generated by means of separate combinations of features.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnung. Dabei zeigt:
-
1 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems mit mehreren Brennstoffzellenvorrichtungen, -
2 eine Darstellung der relativen Häufigkeit eines Betriebszustandes bei einer gegebenen elektrischen Spannung pro Brennstoffzelle, in der oberen Reihe für eine erste Brennstoffzellenvorrichtung und in der unteren Reihe für eine zweite Brennstoffzellenvorrichtung, bei der ein höherer Anteil am Niederlastbetrieb bei hohen Zellspannungen vorliegt, kenntlich gemacht durch die Ringe, -
3 eine zeitabhängige Darstellung der generierten Leistung der ersten Brennstoffzellenvorrichtung (strichlierte Linie) und der zweiten Brennstoffzellenvorrichtung (gepunktete Linie) in der oberen Reihe mit den Ein- und Ausschaltvorgängen, mit der Temperatur nach dem Brennstoffzellenstapel (mittlere Reihe) und der Geschwindigkeit (strichlierte Linie) und der Steigung (gepunktete Linie) (untere Reihe), und -
4 eine Abschätzung der zeitabhängigen elektrochemischen Degradation mit dem der Optimierung dienenden Verfahren (linke Darstellung) und ohne dem der Optimierung dienenden Verfahren (rechte Darstellung).
-
1 a schematic representation of a fuel cell system with several fuel cell devices, -
2 a representation of the relative frequency of an operating state at a given electrical voltage per fuel cell, in the top row for a first fuel cell device and in the bottom row for a second fuel cell device, in which there is a higher proportion of low-load operation at high cell voltages, identified by the rings , -
3 a time-dependent representation of the generated power of the first fuel cell device (dashed line) and the second fuel cell device (dotted line) in the upper row with the switching on and off processes, with the temperature after the fuel cell stack (middle row) and the speed (dashed line) and the slope (dotted line) (bottom row), and -
4 an estimation of the time-dependent electrochemical degradation with the optimization method (left diagram) and without the optimization method (right diagram).
In
Die Brennstoffzellenstapel 2 sind selektiv aktivierbar und/oder deaktivierbar, wobei für jeden Brennstoffzellenstapel 2 und für jedes der zugeordneten Nebenaggregate 3 individuell die Alterungseinflüsse mittels Messwerten oder Erwartungswerten festgelegt werden. Es können also beispielsweise für jeden Brennstoffzellenstapel 2 und für jedes der zugeordneten Nebenaggregate 3 individuell die Alterungseinflüsse mittels einer Messanordnung erfasst werden, die einzelne Leistungsdaten erfasst, wodurch der Degradationsgrad bestimmbar ist. Denkbar ist es auch, anhand der Betriebsdauer und der Betriebsrahmenbedingungen einen Erwartungswert zu bestimmen für die Degradation, als beispielsweise eine Betriebsdauer von 100 Stunden einer der Komponente mit einer Degradation um 20 % zu verknüpfen; für eine andere Komponente kann ein anderer Wert gelten. Teil des Brennstoffzellensystems ist auch ein Steuergerät 4, das ausgebildet ist, anhand der Alterungseinflüsse jedes Brennstoffzellenstapels 2 mit den zugeordneten Nebenaggregaten 3 zukünftige Betriebszeiten jedem Brennstoffzellenstapel 2 so zuzuordnen, dass der Brennstoffzellenstapel 2 mit den Nebenaggregaten 3 mit dem geringsten Degradationsgrad aktiviert ist und eine gleichmässige Verteilung künftiger Betriebszeiten auf die Brennstoffzellenstapel 2 erreicht ist, wenn die Unterschiede des Degradationsgrades der Brennstoffzellenstapel 2 unterhalb eines vorgegebenen oder vorgebbaren Schwellenwertes liegt. Mit diesem Brennstoffzellensystem 1 ist also ein Verfahren zum Betreiben des Brennstoffzellensystems 1 ausführbar, das folgende Schritte umfasst:
- - Zuordnung von künftigen Betriebszeiten zu einem der
Brennstoffzellenstapel 2 mit denNebenaggregaten 3, deren anhand der Alterungseinflüsse bestimmten Degradationsgrad am geringsten ist, und - - gleichmässige Verteilung künftiger Betriebszeiten auf die
Brennstoffzellenstapel 2, wenn die Unterschiede des Degradationsgrades unterhalb eines vorgegebenen oder vorgebbaren Schwellenwertes liegt.
- - Allocation of future operating times to one of the
fuel cell stack 2 with theancillary units 3, whose degree of degradation determined on the basis of the aging effects is the lowest, and - - Even distribution of future operating times on the
fuel cell stack 2 if the differences in the degree of degradation is below a predetermined or specifiable threshold value.
So ist es auch ermöglicht, dass beim Detektieren einer gesteigerten Lastanforderung diejenigen inaktiven Brennstoffzellenstapel 2 nacheinander in einer Reihenfolge mit aufsteigendem Degradationsgrad aktiviert werden, solange, bis durch die aktiven Brennstoffzellenstapel 2 eine der gesteigerten Lastanforderung gerecht werdende Leistung bereitgestellt wird, und dass beim Detektieren einer verringerten Lastanforderung diejenigen aktiven Brennstoffzellenstapel 2 nacheinander in einer Reihenfolge mit absteigendem Degradationsgrad deaktiviert werden, solange, bis durch die noch aktiven Brennstoffzellenstapel 2 eine der verringerten Lastanforderung gerecht werdende Leistung bereitgestellt wird. In dem Steuergerät 4 werden die einzelnen Brennstoffzellenstapel 2 mit den zugeordneten Nebenaggregaten 3 klassifiziert für eine Priorisierung der Zuordnung von künftigen Betriebszeiten bei einer Aktivierung und für eine Inversion der Priorisierung bei einer Deaktivierung.It is also possible that when an increased load requirement is detected, those inactive
Dabei werden für die Bestimmung des Degradationsgrades die Alterungseinflüsse hinsichtlich der mechanischen Belastung jedes Brennstoffzellenstapels 2 erfasst, nämlich hinsichtlich des absoluten Druckes und/oder des Druckes über die Membranen der Membran-Elektrodenanordnungen und/oder des Leistungsgradienten bezüglich der Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels 2 und/oder der Anzahl von Froststarts.To determine the degree of degradation, the aging influences with regard to the mechanical load on each
Auch werden für die Bestimmung des Degradationsgrades die Alterungseinflüsse 2 hinsichtlich der elektrochemischen Belastung jedes Brennstoffzellenstapels erfasst, nämlich hinsichtlich der Stromstärke und/oder der elektrischen Spannung und/oder der Temperatur und/oder der relativen Feuchte der Membranen der Membran-Elektroden-anordnungen und/oder der Anzahl von Luft/Luft-Starts.
Entsprechend werden für die Bestimmung des Degradationsgrades die Alterungseinflüsse hinsichtlich der Nebenaggregate 3 berücksichtigt, die ausgewählt sind aus einer Gruppe die Verdichter, elektrische Turbolader für die Verdichter, Gebläse für die Rezirklierung in einem Anodenkreislauf der Brennstoffzellenstapel, Thermostatventile, Befeuchter mit Befeuchtermembranen, DC/DC-Wandler umfasst. Correspondingly, the aging influences with regard to the
Vorgesehen ist auch, dass für die Bestimmung des Degradationsgrades die Alterungseinflüsse für die Verdichter und/oder die Gebläse hinsichtlich der Temperatur und der Drehzahl, und/oder für die elektrischen Turbolader hinsichtlich der Temperatur nach dem Verdichter und/oder der Drehzahl und/oder der Starthäufigkeit und/oder des Differenzdruckes zwischen dem Verdichter und der Turbine des elektrischen Turboladers und/oder die Thermostatventile hinsichtlich der Schalthäufigkeit und/oder für die Befeuchter hinsichtlich der Temperatur und/oder der Feuchte der Befeuchtermembran und/oder für die DC/DC-Wandler hinsichtlich der Stromstärke und/oder der Temperatur und/oder der Temperaturänderung erfasst werden.It is also provided that for the determination of the degree of degradation, the aging influences for the compressors and/or the fans with regard to the temperature and speed, and/or for the electric turbochargers with regard to the temperature after the compressor and/or the speed and/or the starting frequency and/or the differential pressure between the compressor and the turbine of the electric turbocharger and/or the thermostatic valves with regard to the switching frequency and/or for the humidifier with regard to the temperature and/or the humidity of the humidifier membrane and/or for the DC/DC converter with regard to the Current and / or the temperature and / or the temperature change are detected.
Die Alterungseinflüsse der jeweiligen Brennstoffzellenstapel werden gegenüber den zugeordneten Nebenaggregate stärker gewichtet bei der Bestimmung des Degradationsgrades, da dies der besseren Erhaltung der Brennstoffzellenstapel dient, deren Wartung und Austausch als Hauptkomponente aufwändiger und kostenintensiver ist.The aging effects of the respective fuel cell stack are weighted more heavily than the associated ancillary units when determining the degree of degradation, since this serves to better preserve the fuel cell stack, the maintenance and replacement of which as the main component is more complex and expensive.
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