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DE102022203321A1 - Fuel cell system and operating method for a fuel cell system in dynamic operation - Google Patents

Fuel cell system and operating method for a fuel cell system in dynamic operation Download PDF

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DE102022203321A1
DE102022203321A1 DE102022203321.3A DE102022203321A DE102022203321A1 DE 102022203321 A1 DE102022203321 A1 DE 102022203321A1 DE 102022203321 A DE102022203321 A DE 102022203321A DE 102022203321 A1 DE102022203321 A1 DE 102022203321A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
fuel cell
cell system
dynamic
stationary
current density
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
DE102022203321.3A
Other languages
German (de)
Inventor
Helerson Kemmer
Jonas Breitinger
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Priority to DE102022203321.3A priority Critical patent/DE102022203321A1/en
Priority to PCT/EP2023/058499 priority patent/WO2023194240A1/en
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Withdrawn legal-status Critical Current

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Abstract

Die vorgestellte Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem (100) zum Bereitstellen von elektrischer Energie. Das Brennstoffzellensystem (100) umfasst:
- ein Belüftungssystem (101) zum Versorgen des Brennstoffzellensystems (100) mit Luft und zum Einstellen einer Stöchiometrie in dem Brennstoffzellensystem (100),
- eine Recheneinheit (105),
wobei das Brennstoffzellensystem (100) in einem Dynamikbetrieb oder einem Stationärbetrieb betreibbar ist,
wobei die Recheneinheit (105) in dem Stationärbetrieb dazu konfiguriert ist,
eine Stromdichteänderung von durch das Brennstoffzellensystem (100) bereitgestelltem elektrischen Strom auf höchstens einen vorgegebenen Stromdichteänderungsgrenzwert zu begrenzen, und
wobei die Recheneinheit (105) in dem Dynamikbetrieb dazu konfiguriert ist,
eine zulässige Stromdichteänderung von durch das Brennstoffzellensystem (100) bereitgestelltem elektrischen Strom gegenüber dem Stromdichteänderungsgrenzwert zu erhöhen, und
das Belüftungssystem (101) derart anzusteuern, dass das Belüftungssystem (101) einen Dynamikdruck bereitstellt, wobei der Dynamikdruck gegenüber einem in dem Stationärbetrieb durch das Belüftungssystem (101) bereitgestellten Stationärdruck erhöht ist, und
Belüftungssystem (101) derart anzusteuern, dass das Belüftungssystem (101) eine Dynamikkathodenstöchiometrie einstellt, wobei die Dynamikkathodenstöchiometrie gegenüber einer in dem Stationärbetrieb durch das Belüftungssystem (101) eingestellten Stationärkathodenstöchiometrie erhöht ist.

Figure DE102022203321A1_0000
The invention presented relates to a fuel cell system (100) for providing electrical energy. The fuel cell system (100) includes:
- a ventilation system (101) for supplying the fuel cell system (100) with air and for adjusting a stoichiometry in the fuel cell system (100),
- a computing unit (105),
wherein the fuel cell system (100) can be operated in dynamic operation or stationary operation,
wherein the computing unit (105) is configured in stationary operation to
to limit a current density change of electrical current provided by the fuel cell system (100) to a maximum of a predetermined current density change limit value, and
wherein the computing unit (105) is configured in dynamic operation to
to increase a permissible current density change of electrical current provided by the fuel cell system (100) compared to the current density change limit, and
to control the ventilation system (101) in such a way that the ventilation system (101) provides a dynamic pressure, the dynamic pressure being increased compared to a steady-state pressure provided by the ventilation system (101) in steady-state operation, and
To control the ventilation system (101) in such a way that the ventilation system (101) sets a dynamic cathode stoichiometry, the dynamic cathode stoichiometry being increased compared to a stationary cathode stoichiometry set in stationary operation by the ventilation system (101).
Figure DE102022203321A1_0000

Description

Die vorgestellte Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem, ein Betriebsverfahren für ein Brennstoffzellensystem und ein Fahrzeug.The presented invention relates to a fuel cell system, an operating method for a fuel cell system and a vehicle.

Stand der TechnikState of the art

Wasserstoffbasierte Polymerelektrolyt (PEM) -Brennstoffzellen gelten als Mobilitätskonzept der Zukunft, da sie nur Wasser als Abgas emittieren, und schnelle Betankungszeiten ermöglichen.Hydrogen-based polymer electrolyte (PEM) fuel cells are considered the mobility concept of the future because they only emit water as exhaust gas and enable quick refueling times.

Da die Leitfähigkeit einer Membran einer PEM-Brennstoffzelle stark von ihrem Wassergehalt abhängt, muss beim Betrieb eines PEM-Brennstoffzellensystems auf eine möglichst gleichmäßige Befeuchtung der PEM-Brennstoffzellen geachtet werden. Auf Systemebene kann der Wasserhaushalt insbesondere durch die Wahl einer geeigneten Kombination aus Kathodenstöchiometrie und Druck in Abhängigkeit einer aktuellen Stromdichte und Temperatur beeinflusst werden. Diese Regelung erfolgt kathodenseitig durch eine entsprechende Ansteuerung eines Belüftungssystems, eines Drosselventils und eines Stack-Bypass-Ventils eines jeweiligen PEM-Brennstoffzellensystems, sodass eine Kombination von Regelgrößen gefunden werden kann, die einen maximalen Systemwirkungsgrad ermöglicht.Since the conductivity of a membrane in a PEM fuel cell depends heavily on its water content, when operating a PEM fuel cell system, care must be taken to ensure that the PEM fuel cells are humidified as uniformly as possible. At the system level, the water balance can be influenced in particular by choosing a suitable combination of cathode stoichiometry and pressure depending on a current current density and temperature. This regulation is carried out on the cathode side by appropriately controlling a ventilation system, a throttle valve and a stack bypass valve of a respective PEM fuel cell system, so that a combination of controlled variables can be found that enables maximum system efficiency.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Im Rahmen der vorgestellten Erfindung werden ein Brennstoffzellensystem, ein Betriebsverfahren zum Betreiben des Brennstoffzellensystems 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 Betriebsverfahren bzw. dem erfindungsgemäßen Fahrzeug und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.As part of the presented invention, a fuel cell system, an operating method for operating the fuel cell system and a vehicle are presented. Further features and details of the invention emerge from the respective subclaims, the description and the drawings. Features and details that are described in connection with the operating method according to the invention naturally also apply in connection with the fuel cell system according to the invention or the operating method according to the invention or the vehicle according to the invention and vice versa, so that reference is always made to each other with regard to the disclosure of the individual aspects of the invention will or can be.

Die vorgestellte Erfindung dient insbesondere dazu, ein Brennstoffzellensystem mit einem verbesserten Ansprechverhalten bereitzustellen.The presented invention serves in particular to provide a fuel cell system with improved response behavior.

Es wird somit gemäß einem ersten Aspekt der vorgestellten Erfindung ein Brennstoffzellensystem zum Bereitstellen von elektrischer Energie vorgestellt. Das Brennstoffzellensystem umfasst ein Belüftungssystem zum Versorgen des Brennstoffzellensystems mit Luft und zum Einstellen einer Stöchiometrie in dem Brennstoffzellensystem sowie eine Recheneinheit.According to a first aspect of the presented invention, a fuel cell system for providing electrical energy is therefore presented. The fuel cell system includes a ventilation system for supplying the fuel cell system with air and for adjusting a stoichiometry in the fuel cell system, as well as a computing unit.

Das Brennstoffzellensystem ist in einem Dynamikbetrieb oder einem Stationärbetrieb betreibbar, wobei die Recheneinheit in dem Stationärbetrieb dazu konfiguriert ist, eine Stromdichteänderung von durch das Brennstoffzellensystem bereitgestelltem elektrischen Strom auf höchstens einen vorgegebenen Stromdichteänderungsgrenzwert zu begrenzen. Weiterhin ist die Recheneinheit in dem Dynamikbetrieb dazu konfiguriert, eine zulässige Stromdichteänderung von durch das Brennstoffzellensystem bereitgestelltem elektrischen Strom gegenüber dem Stromdichteänderungsgrenzwert zu erhöhen, und das Belüftungssystem derart anzusteuern, dass das Belüftungssystem einen Dynamikdruck bereitstellt, wobei der Dynamikdruck gegenüber einem in dem Stationärbetrieb durch das Belüftungssystem bereitgestellten Stationärdruck erhöht ist, und das Belüftungssystem derart anzusteuern, dass das Belüftungssystem eine Dynamikkathodenstöchiometrie einstellt, wobei die Dynamikkathodenstöchiometrie gegenüber einer in dem Stationärbetrieb durch das Belüftungssystem eingestellten Stationärkathodenstöchiometrie erhöht ist. The fuel cell system can be operated in a dynamic operation or a stationary operation, wherein the computing unit in the stationary operation is configured to limit a current density change of electrical current provided by the fuel cell system to a maximum of a predetermined current density change limit value. Furthermore, in the dynamic operation, the computing unit is configured to increase a permissible current density change of electrical current provided by the fuel cell system compared to the current density change limit value, and to control the ventilation system in such a way that the ventilation system provides a dynamic pressure, the dynamic pressure compared to that in the stationary operation through the ventilation system provided stationary pressure is increased, and to control the ventilation system such that the ventilation system sets a dynamic cathode stoichiometry, the dynamic cathode stoichiometry being increased compared to a stationary cathode stoichiometry set by the ventilation system in stationary operation.

Das erfindungsgemäß vorgesehene Belüftungssystem umfasst zumindest ein Element zum Verdichten von Luft, wie bspw. ein Gebläse, insbesondere einen Kompressor und optional zumindest ein Stellelement, wie bspw. ein Ventil oder eine Bypassleitung.The ventilation system provided according to the invention comprises at least one element for compressing air, such as a blower, in particular a compressor, and optionally at least one control element, such as a valve or a bypass line.

Unter einer Stöchiometrie ist im Kontext der vorgestellten Erfindung ein Verhältnis von zugeführtem Brennstoff zu verbrauchtem Sauerstoff bzw. Luft in dem Brennstoffzellensystem, insbesondere in einem Kathodentrakt des Brennstoffzellensystems, zu verstehen. Das vorgestellte Brennstoffzellensystem basiert auf zwei unterschiedlichen Betriebsmodi, in denen das Brennstoffzellensystem unterschiedlich arbeitet bzw. unterschiedlich eingestellt ist.In the context of the presented invention, stoichiometry is to be understood as meaning a ratio of supplied fuel to consumed oxygen or air in the fuel cell system, in particular in a cathode tract of the fuel cell system. The fuel cell system presented is based on two different operating modes in which the fuel cell system works differently or is set up differently.

Die zwei unterschiedlichen Betriebsmodi sind zum einen ein Stationärbetrieb, bei dem das Brennstoffzellensystem im Wesentlichen konstant, d.h. mit unveränderten Betriebsparametern, insbesondere einer konstanten Lastanforderung betrieben wird und zum anderen ein Dynamikbetrieb, bei dem das Brennstoffzellensystem nicht konstant bzw. dynamisch, d.h. mit sich dynamisch verändernden Betriebsparametern, insbesondere einer sich dynamisch verändernden Lastanforderung betrieben wird.The two different operating modes are, on the one hand, stationary operation, in which the fuel cell system is operated essentially constantly, i.e. with unchanged operating parameters, in particular a constant load requirement, and, on the other hand, dynamic operation, in which the fuel cell system is not constant or dynamic, i.e. with dynamically changing Operating parameters, in particular a dynamically changing load requirement.

Weiterhin ist vorgesehen, dass im Dynamikbetrieb ein Stromdichteänderungsgrenzwert, der im Stationärbetrieb eine Stromdichtänderung des Brennstoffzellensystems begrenzt, zumindest gegenüber dem Stationärbetrieb erhöht, insbesondere aufgehoben wird. Entsprechend ermöglicht der Dynamikbetrieb eine Bereitstellung von elektrischen Strömen mit einer hohen Stromdichteänderung und, dadurch bedingt, einen sehr dynamischen Betrieb des Brennstoffzellensystems, bei dem eine geänderte Lastanforderung sehr schnell, d.h. mit einem sehr direkten Ansprechverhalten, umgesetzt wird.Furthermore, it is provided that in dynamic operation a current density change limit value which limits a change in current density of the fuel cell system in stationary operation, at least compared to stationary operation is increased, in particular eliminated. Accordingly, dynamic operation enables the provision of electrical currents with a high change in current density and, as a result, very dynamic operation of the fuel cell system, in which a changed load requirement is implemented very quickly, ie with a very direct response.

Um das vorgestellte Brennstoffzellensystem im Dynamikbetrieb mit ausreichend Reaktanden zu versorgen und dabei vor Schäden durch Austrocknung der Brennstoffzellen zu schützen, ist vorgesehen, dass das Belüftungssystem einen Dynamikdruck bereitstellt, der gegenüber einem in dem Stationärbetrieb durch das Belüftungssystem bereitgestellten Stationärdruck erhöht ist, und das Belüftungssystem eine Dynamikkathodenstöchiometrie einstellt, die gegenüber einer in dem Stationärbetrieb durch das Belüftungssystem eingestellten Stationärkathodenstöchiometrie erhöht ist. Entsprechend wird durch das Belüftungssystem ein Betriebspuffer bereitgestellt, der eine Bereitstellung einer hohen Last bzw. einer hohen Stromdichte ermöglicht, ohne eine Einstellung des Belüftungssystems kurzfristig zu ändern. Dies bedeutet, dass eine Latenz, bei der auf ein Einstellen des Brennstoffzellensystems zum Bereitstellen einer hohen Stromdichte gewartet wird, minimiert wird.In order to supply the presented fuel cell system with sufficient reactants in dynamic operation and to protect against damage due to drying out of the fuel cells, it is provided that the ventilation system provides a dynamic pressure that is increased compared to a steady-state pressure provided by the ventilation system in steady-state operation, and the ventilation system Dynamic cathode stoichiometry is set, which is increased compared to a stationary cathode stoichiometry set in stationary operation by the ventilation system. Accordingly, the ventilation system provides an operating buffer, which enables a high load or a high current density to be provided without changing the setting of the ventilation system at short notice. This means that latency waiting for the fuel cell system to adjust to provide a high current density is minimized.

Insbesondere kann durch das Belüftungssystem ein gegenüber dem Stationärbetrieb konstant bzw. für die Dauer der Aktivierung des Dynamikbetriebs erhöhter Druck bereitgestellt werden, sodass auf ein Hochdrehen eines Verdichters des Belüftungssystems in Reaktion auf einen Lastwechselbefehl verzichtet werden kann und ein Ansprechverhalten des vorgestellten Brennstoffzellensystems erheblich verbessert bzw. verkürzt wird.In particular, the ventilation system can provide a pressure that is constant compared to stationary operation or for the duration of the activation of the dynamic operation, so that there is no need to turn up a compressor of the ventilation system in response to a load change command and the response behavior of the fuel cell system presented is significantly improved or is shortened.

Im Dynamikbetrieb arbeitet das Belüftungssystem präventiv, insbesondere kontinuierlich, mit einer hohen bzw. einer gegenüber dem Stationärbetrieb erhöhten Leistung, bspw. einer maximalen Leistung.In dynamic operation, the ventilation system works preventively, in particular continuously, with a high performance or an increased performance compared to stationary operation, for example a maximum performance.

Es kann vorgesehen sein, dass die Recheneinheit in dem Stationärbetrieb dazu konfiguriert ist, einen Leistungsbedarf des Belüftungssystems durch Einstellen des Belüftungssystems zu minimieren.It can be provided that the computing unit is configured in stationary operation to minimize the power requirement of the ventilation system by adjusting the ventilation system.

Um einen energieoptimalen Betrieb des Brennstoffzellensystems im Stationärbetrieb zu ermöglichen, kann der Leistungsbedarf des Belüftungssystems durch Einstellen des Belüftungssystems minimiert werden. Dazu kann das Belüftungssystem bspw. derart angesteuert werden, dass dieser mit einer minimalen Drehzahl bzw. einer minimalen Stromaufnahme arbeitet.In order to enable energy-optimal operation of the fuel cell system in stationary operation, the power requirement of the ventilation system can be minimized by adjusting the ventilation system. For this purpose, the ventilation system can, for example, be controlled in such a way that it works at a minimum speed or a minimum power consumption.

Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass die Recheneinheit in dem Dynamikbetrieb dazu konfiguriert ist, eine relative Feuchte in einem Brennstoffzellenstapel des Brennstoffzellensystems durch mindestens eine Steuerungsoperation der folgenden Liste an Steuerungsoperationen gegenüber dem Stationärbetrieb zu erhöhen oder zumindest konstant zu halten: Ansteuern des Belüftungssystems, um einen Betriebsdrucks des Brennstoffzellensystems zu erhöhen, Ansteuern eines Kühlsystems des Brennstoffzellensystems, um eine Betriebstemperatur des Brennstoffzellensystems abzusenken, Ansteuern des Kühlsystems, um einen Kühlmittelmassenstrom zu erhöhen und eine Temperaturdifferenz eines in dem Kühlsystem strömenden Kühlmittels einem Kühlmitteleintritt und einem Kühlmittelaustritt abzusenken und/oder Ansteuern eines Befeuchtungssystems, um eine Kathodeneintrittsfeuchte zu erhöhen.It can further be provided that the computing unit is configured in dynamic operation to increase or at least keep constant a relative humidity in a fuel cell stack of the fuel cell system compared to stationary operation by at least one control operation of the following list of control operations: Controlling the ventilation system to a increasing the operating pressure of the fuel cell system, controlling a cooling system of the fuel cell system in order to lower an operating temperature of the fuel cell system, controlling the cooling system in order to increase a coolant mass flow and lowering a temperature difference of a coolant flowing in the cooling system between a coolant inlet and a coolant outlet and/or controlling a humidification system, to increase cathode entry humidity.

Durch eine Erhöhung des Betriebsdrucks wird eine Steigerung des Wasserpartialdrucks und, dadurch bedingt, eine Erhöhung der relativen Feuchte erreicht.By increasing the operating pressure, an increase in the water partial pressure and, as a result, an increase in the relative humidity is achieved.

Durch eine Absenkung der Betriebstemperatur wird eine Senkung des Sättigungsdampfdrucks und, dadurch bedingt, eine Erhöhung der relativen Feuchte erreicht.By lowering the operating temperature, the saturation vapor pressure is reduced and, as a result, the relative humidity is increased.

Durch eine Erhöhung des Kühlmittelmassenstroms wird eine Absenkung der Temperaturdifferenz des Kühlmittels zwischen Kühlmitteleintritt und Kühlmittelaustritt erreicht, wodurch der Sättigungsdampfdruck am Kühlmittelaustritt gesenkt wird und eine relative Feuchte am Kathodenaustritt erhöht wird. Bei einer Gegenstromführung von Anode und Kathode wird so eine Befeuchtung des Anodeneintritts verbessert und die Membranfeuchte insgesamt erhöht.By increasing the coolant mass flow, a reduction in the temperature difference of the coolant between the coolant inlet and the coolant outlet is achieved, whereby the saturation vapor pressure at the coolant outlet is reduced and a relative humidity at the cathode outlet is increased. When the anode and cathode are guided in countercurrent, the humidification of the anode inlet is improved and the overall membrane moisture is increased.

Durch Verwendung eines Befeuchters bzw. eines Befeuchtungssystems kann ein Feuchteverlauf über eine gesamte Kanallänge angehoben werden.By using a humidifier or a humidification system, a humidity level can be increased over the entire length of the duct.

Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass die Recheneinheit dazu konfiguriert ist, in Abhängigkeit einer Änderungsrate von Lastanforderungen für das Brennstoffzellensystem, automatisch zwischen dem Stationärbetrieb und dem Dynamikbetrieb umzuschalten.It can further be provided that the computing unit is configured to automatically switch between stationary operation and dynamic operation depending on a rate of change of load requirements for the fuel cell system.

Durch ein automatisches Umschalten zwischen dem Stationärbetrieb und dem Dynamikbetrieb wird das vorgestellte Brennstoffzellensystem dann im Stationärbetrieb energetisch optimiert betrieben, wenn eine Änderungsrate von Lastanforderung bspw. unter einem Umschaltschwellenwert liegt und dann im Dynamikbetrieb mit einem guten Ansprechverhalten betrieben wird, wenn die Änderungsrate der Lastanforderung bspw. über dem Umschaltschwellenwert liegt.By automatically switching between stationary operation and dynamic operation, the presented fuel cell system is then operated in an energetically optimized manner in stationary operation when a rate of change in the load requirement is, for example, below a switching threshold value and is then operated in dynamic operation with a good response behavior when the change The load request rate is, for example, above the switching threshold.

Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass die Recheneinheit dazu konfiguriert ist, in Abhängigkeit von bereitgestellten Betriebsinformationen über erwartete Betriebsparameter des Brennstoffzellensystems, automatisch zwischen dem Stationärbetrieb und dem Dynamikbetrieb umzuschalten.It can further be provided that the computing unit is configured to automatically switch between stationary operation and dynamic operation depending on the operating information provided about expected operating parameters of the fuel cell system.

Um das vorgestellte Brennstoffzellensystem präventiv auf eine in der Zukunft liegende Betriebssituation einzustellen und entweder in den Stationärbetrieb oder den Dynamikbetrieb zu schalten, können bereitgestellte Betriebsinformationen, die bspw. von einer externen Einrichtung, insbesondere einem Navigationssystem bereitgestellt werden, ausgewertet werden.In order to preventively adjust the presented fuel cell system to an operating situation in the future and to switch it either to stationary operation or dynamic operation, provided operating information, which is provided, for example, by an external device, in particular a navigation system, can be evaluated.

Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass die bereitgestellten Betriebsinformationen eine von einem das Brennstoffzellensystem umfassenden Fahrzeug zu befahrende Route und/oder einen Zustand einer Batterie des Fahrzeugs umfassen.It can further be provided that the operating information provided includes a route to be traveled by a vehicle comprising the fuel cell system and/or a state of a battery of the vehicle.

Bspw. kann das Brennstoffzellensystem auf in der Zukunft liegende Betriebsbereiche mit einer zu erwartenden im Wesentlichen konstanten Lastanforderung, wie bspw. eine Autobahnfahrt, durch Einschalten des Stationärbetriebs eingestellt werden. Auf in der Zukunft liegende Betriebsbereiche mit einer zu erwartenden sich dynamisch verändernden Lastanforderung, wie bspw. eine Fahrt auf einer Passstraße, kann das Brennstoffzellensystem durch Einschalten des Dynamikbetriebs eingestellt werden. Insbesondere kann die Recheneinheit des vorgestellten Brennstoffzellensystems ein Zuordnungsschema umfassen, das jeweiligen Routeninformationen, wie bspw. Straßenarten, die von einem Navigationssystem bereitgestellt werden, eine Betriebsart, d.h. einen Betrieb im Stationärbetrieb oder im Dynamikbetrieb zuordnet.For example, the fuel cell system can be set to future operating ranges with an expected essentially constant load requirement, such as driving on a highway, by switching on stationary operation. The fuel cell system can be adjusted to future operating areas with an expected dynamically changing load requirement, such as driving on a pass road, by switching on dynamic operation. In particular, the computing unit of the fuel cell system presented can include an assignment scheme that assigns an operating mode, i.e. operation in stationary operation or in dynamic operation, to respective route information, such as road types provided by a navigation system.

Zusätzlich oder alternativ zum Umschalten in Abhängigkeit von Routeninformationen kann das Umschalten in Abhängigkeit eines Zustands einer Batterie des Fahrzeugs erfolgen, sodass bspw. bei einem Ladezustand der Batterie (SOC), der unter einem vorgegebenen Schwellenwert liegt, ein Umschalten in den Dynamikbetrieb verhindert wird.In addition or as an alternative to switching depending on route information, switching can take place depending on a state of a battery of the vehicle, so that, for example, a switch to dynamic operation is prevented if the battery charge state (SOC) is below a predetermined threshold value.

Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass die Recheneinheit in dem Dynamikbetrieb dazu konfiguriert ist, eine relative Feuchte in einem Brennstoffzellenstapel des Brennstoffzellensystems durch mindestens eine Steuerungsoperation der folgenden Liste an Steuerungsoperationen gegenüber dem Stationärbetrieb zu verringern: Ansteuern des Belüftungssystems, derart, dass dieser eine Reduktion eines Luftmassenstroms verlangsamt, Ansteuern eines Kühlsystems des Brennstoffzellensystems, um eine Betriebstemperatur des Brennstoffzellensystems zu erhöhen, Ansteuern eines Druckregelsystems des Brennstoffzellensystem, um einen Betriebsdruck des Brennstoffzellensystems schnell unter einen vorgegebenen Schwellenwert zu senken, und/oder Ansteuern eines Befeuchtungssystems, um eine Kathodeneintrittsfeuchte zu senken.It can further be provided that the computing unit is configured in the dynamic operation to reduce a relative humidity in a fuel cell stack of the fuel cell system by at least one control operation of the following list of control operations compared to the stationary operation: Controlling the ventilation system in such a way that this reduces a Air mass flow slows down, controlling a cooling system of the fuel cell system to increase an operating temperature of the fuel cell system, controlling a pressure control system of the fuel cell system to quickly reduce an operating pressure of the fuel cell system below a predetermined threshold, and / or controlling a humidification system to reduce a cathode inlet moisture.

Bei negativen Lastsprüngen kann eine Ansammlung von Wasser auf jeweiligen Brennstoffzellen durch senken des Betriebsdrucks und/oder durch Erhöhen der Betriebstemperatur effektiv verhindert bzw. minimiert werden.In the case of negative load jumps, accumulation of water on the respective fuel cells can be effectively prevented or minimized by reducing the operating pressure and/or by increasing the operating temperature.

Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass das Brennstoffzellensystem eine Benutzerschnittstelle umfasst, die bei Bedienung durch einen Nutzer das Brennstoffzellensystem von dem Stationärbetrieb in den Dynamikbetrieb oder von dem Dynamikbetrieb in den Stationärbetrieb umschaltet.It can further be provided that the fuel cell system comprises a user interface which, when operated by a user, switches the fuel cell system from stationary operation to dynamic operation or from dynamic operation to stationary operation.

Durch eine Benutzerschnittstelle, wie bspw. einen Taster oder einen Menüpunkt in einer grafischen Benutzeroberfläche, kann ein Nutzer das Brennstoffzellensystem selbst in den Stationärbetrieb oder den Dynamikbetrieb schalten, sodass der Nutzer ggf. eine automatische Einstellung des Brennstoffzellensystems übergehen kann, um bspw. auf einer Autobahn mit einem optimierten Ansprechverhalten zu fahren.Through a user interface, such as a button or a menu item in a graphical user interface, a user can switch the fuel cell system to stationary mode or dynamic mode, so that the user can, if necessary, override an automatic setting of the fuel cell system, for example on a highway to drive with optimized response.

Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die vorgestellte Erfindung ein Betriebsverfahren für ein Brennstoffzellensystem. Das vorgestellte Betriebsverfahren umfasst das Umschalten des Brennstoffzellensystems zwischen einem Stationärbetrieb und einem Dynamikbetrieb, wobei in dem Stationärbetrieb eine zulässige Stromdichteänderung von durch das Brennstoffzellensystem bereitgestelltem elektrischen Strom auf höchstens einen vorgegebenen Stromdichteänderungsgrenzwert begrenzt wird, und wobei in dem Dynamikbetrieb die zulässige Stromdichteänderung von durch das Brennstoffzellensystem bereitgestelltem elektrischen Strom gegenüber dem Stromdichtegrenzwert erhöht wird, und durch das Belüftungssystem ein Dynamikdruck bereitstellt wird, der gegenüber einem in dem Stationärbetrieb durch das Belüftungssystem bereitgestellten Stationärdruck erhöht ist, und eine Dynamikkathodenstöchiometrie eingestellt wird, die gegenüber einer in dem Stationärbetrieb eingestellten Stationärkathodenstöchiometrie erhöht ist.According to a second aspect, the presented invention relates to an operating method for a fuel cell system. The presented operating method includes switching the fuel cell system between a stationary operation and a dynamic operation, wherein in the stationary operation a permissible change in current density of electrical current provided by the fuel cell system is limited to a maximum of a predetermined current density change limit value, and wherein in the dynamic operation the permissible change in current density of the electrical current provided by the fuel cell system electric current is increased relative to the current density limit, and the ventilation system provides a dynamic pressure that is increased compared to a steady-state pressure provided by the ventilation system in steady-state operation, and a dynamic cathode stoichiometry is set that is increased compared to a stationary cathode stoichiometry set in steady-state operation.

Das vorgestellte Betriebsverfahren dient insbesondere zum Betrieb des vorgestellten Brennstoffzellensystems.The operating method presented is used in particular to operate the fuel cell system presented.

Gemäß einem dritten Aspekt betrifft die vorgestellte Erfindung ein Fahrzeug mit einer möglichen Ausgestaltung des vorgestellten Brennstoffzellensystems.According to a third aspect, the presented invention relates to a vehicle with a possible Design of the presented fuel cell system.

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.Further advantages, features and details of the invention emerge from the following description, in which exemplary embodiments of the invention are described in detail with reference to the drawings. The features mentioned in the claims and in the description can be essential to the invention individually or in any combination.

Es zeigen:

  • 1 eine schematische Darstellung einer möglichen Ausgestaltung des vorgestellten Brennstoffzellensystems,
  • 2 eine schematische Darstellung einer möglichen Ausgestaltung des vorgestellten Betriebsverfahrens,
  • 3 eine schematische Darstellung einer möglichen Ausgestaltung des vorgestellten Fahrzeugs.
Show it:
  • 1 a schematic representation of a possible design of the fuel cell system presented,
  • 2 a schematic representation of a possible embodiment of the operating method presented,
  • 3 a schematic representation of a possible design of the vehicle presented.

In 1 ist ein Brennstoffzellensystem 100 dargestellt. Das Brennstoffzellensystem 100 umfasst ein Belüftungssystem 101 zum Versorgen des Brennstoffzellensystems 100 mit Luft. Das Belüftungssystem 101 umfasst ein optionales Stellelement 103 zum Einstellen einer Stöchiometrie in dem Brennstoffzellensystem 100 und eine Recheneinheit 105.In 1 a fuel cell system 100 is shown. The fuel cell system 100 includes a ventilation system 101 for supplying the fuel cell system 100 with air. The ventilation system 101 includes an optional control element 103 for setting a stoichiometry in the fuel cell system 100 and a computing unit 105.

Das Brennstoffzellensystem 100 ist zwischen einem Stationärbetrieb und einem Dynamikbetrieb umschaltbar. Dies bedeutet, dass das Brennstoffzellensystem 100 von dem Stationärbetrieb in den Dynamikbetrieb bzw. von dem Dynamikbetrieb in den Stationärbetrieb geschaltet werden kann.The fuel cell system 100 can be switched between stationary operation and dynamic operation. This means that the fuel cell system 100 can be switched from stationary operation to dynamic operation or from dynamic operation to stationary operation.

In dem Stationärbetrieb ist die Recheneinheit 105 dazu konfiguriert, eine Stromdichteänderung von durch das Brennstoffzellensystem 100 bereitgestelltem elektrischen Strom auf höchstens einen vorgegebenen Stromdichteänderungsgrenzwert zu begrenzen. Dies bedeutet, dass im Stationärbetrieb schnelle Änderungen in einem durch das Brennstoffzellensystem 100 bereitgestellten elektrischen Strom vermieden werden. Dazu kann bspw. eine Leistungsabgabe des Brennstoffzellensystems im Stationärbetrieb begrenzt werden bzw. eine angeforderte Leistung nicht unmittelbar, sondern graduell aufbauend bereitgestellt werden.In stationary operation, the computing unit 105 is configured to limit a current density change of electrical current provided by the fuel cell system 100 to a maximum of a predetermined current density change limit value. This means that in stationary operation, rapid changes in an electrical current provided by the fuel cell system 100 are avoided. For this purpose, for example, a power output of the fuel cell system can be limited in stationary operation or a requested power cannot be provided immediately, but rather gradually.

In dem Dynamikbetrieb ist die Recheneinheit 105 dazu konfiguriert, eine zulässige Stromdichteänderung von durch das Brennstoffzellensystem 100 bereitgestelltem elektrischen Strom gegenüber dem Stromdichteänderungsgrenzwert zu erhöhen, und das Belüftungssystem 101 derart anzusteuern, dass das Belüftungssystem 101 einen Dynamikdruck bereitstellt, wobei der Dynamikdruck gegenüber einem in dem Stationärbetrieb durch das Belüftungssystem 101 bereitgestellten Stationärdruck erhöht ist, und eine Dynamikkathodenstöchiometrie gegenüber der Stationärkathodenstöchiometrie erhöht ist.In the dynamic operation, the computing unit 105 is configured to increase a permissible current density change of electric current provided by the fuel cell system 100 compared to the current density change limit, and to control the ventilation system 101 such that the ventilation system 101 provides a dynamic pressure, the dynamic pressure compared to that in the steady-state operation The stationary pressure provided by the ventilation system 101 is increased, and a dynamic cathode stoichiometry is increased compared to the stationary cathode stoichiometry.

In 2 ist ein Betriebsverfahren 200 für ein Brennstoffzellensystem dargestellt. Ausgehend von einem Stationärbetrieb 201 wird in einem Ermittlungsschritt 203 ermittelt, ob ein Wechsel von dem Stationärbetrieb 201 in einen Dynamikbetrieb erwünscht bzw. sinnvoll ist. Dazu kann bspw. ein Fahrverhalten eines Fahrers eines das Brennstoffzellensystem umfassenden Fahrzeugs ausgewertet werden.In 2 an operating method 200 for a fuel cell system is shown. Starting from stationary operation 201, a determination step 203 determines whether a change from stationary operation 201 to dynamic operation is desired or sensible. For this purpose, for example, the driving behavior of a driver of a vehicle comprising the fuel cell system can be evaluated.

Bspw. kann ein Wechsel in den Dynamikbetrieb dann sinnvoll sein, wenn eine Änderungsrate, d.h. eine Höhe und/oder eine Anzahl von durch den Fahrer bereitgestellten Lastanforderungen einen vorgegebenen Lastschwellenwert übersteigt.For example, a change to dynamic operation can make sense if a rate of change, i.e. a height and/or a number of load requests provided by the driver, exceeds a predetermined load threshold value.

Wird in dem Ermittlungsschritt 203 ermittelt, dass der Dynamikbetrieb erwünscht bzw. sinnvoll ist, wird in einem Umschaltschritt 205 der Dynamikbetrieb eingestellt bzw. aktiviert, indem ein durch ein Belüftungssystem geförderter Luftmassenstrom zusammen mit einer Kathodenstöchiometrie erhöht wird.If it is determined in the determination step 203 that dynamic operation is desired or useful, the dynamic operation is set or activated in a switching step 205 by increasing an air mass flow conveyed by a ventilation system together with a cathode stoichiometry.

Weiterhin wird ein einem Einstellschritt 207 eine zulässige Stromdichteänderung erhöht, was in einem Bereitstellungsschritt 209 zu einer besonders schnellen Leistungsbereitstellung führt.Furthermore, in an adjustment step 207, a permissible change in current density is increased, which leads to a particularly rapid provision of power in a provision step 209.

In einem Deaktivierungsschritt 209 wird ermittelt, ob der Dynamikbetrieb noch erwünscht bzw. sinnvoll ist. Dazu kann bspw. ein Fahrverhalten eines Fahrers eines das Brennstoffzellensystem umfassenden Fahrzeugs ausgewertet werden. Wenn der Dynamikbetrieb nicht mehr erwünscht bzw. sinnvoll ist, wird der Stationärbetrieb 201 aktiviert.In a deactivation step 209, it is determined whether dynamic operation is still desired or useful. For this purpose, for example, the driving behavior of a driver of a vehicle comprising the fuel cell system can be evaluated. If dynamic operation is no longer desired or useful, stationary operation 201 is activated.

In 3 ist ein Fahrzeug 300 dargestellt. Das Fahrzeug 300 umfasst das Brennstoffzellensystem 100 gemäß 1.In 3 a vehicle 300 is shown. The vehicle 300 includes the fuel cell system 100 according to 1 .

Claims (11)

Brennstoffzellensystem (100) zum Bereitstellen von elektrischer Energie, wobei das Brennstoffzellensystem (100) umfasst: - ein Belüftungssystem (101) zum Versorgen des Brennstoffzellensystems (100) mit Luft und zum Einstellen einer Kathodenstöchiometrie, - eine Recheneinheit (105), wobei das Brennstoffzellensystem (100) in einem Dynamikbetrieb oder einem Stationärbetrieb betreibbar ist, wobei die Recheneinheit (105) in dem Stationärbetrieb dazu konfiguriert ist, eine Stromdichteänderung von durch das Brennstoffzellensystem (100) bereitgestelltem elektrischen Strom auf höchstens einen vorgegebenen Stromdichteänderungsgrenzwert zu begrenzen, und wobei die Recheneinheit (105) in dem Dynamikbetrieb dazu konfiguriert ist, eine zulässige Stromdichteänderung von durch das Brennstoffzellensystem (100) bereitgestelltem elektrischen Strom gegenüber dem Stromdichteänderungsgrenzwert zu erhöhen, und das Belüftungssystem (101) derart anzusteuern, dass das Belüftungssystem (101) einen Dynamikdruck bereitstellt, wobei der Dynamikdruck gegenüber einem in dem Stationärbetrieb durch das Belüftungssystem (101) bereitgestellten Stationärdruck erhöht ist, und das Belüftungssystem (101) derart anzusteuern, dass das Belüftungssystem (101) eine Dynamikkathodenstöchiometrie einstellt, wobei die Dynamikkathodenstöchiometrie gegenüber einer in dem Stationärbetrieb durch das Belüftungssystem (101) eingestellten Stationärkathodenstöchiometrie erhöht ist.Fuel cell system (100) for providing electrical energy, wherein the fuel cell system (100) comprises: - a ventilation system (101) for supplying the fuel cell system (100) with air and for setting a cathode stoichiometry, - a computing unit (105), wherein the fuel cell system ( 100) in dynamic operation or stationary operation can be operated, wherein the computing unit (105) is configured in stationary operation to limit a change in current density of electrical current provided by the fuel cell system (100) to a maximum of a predetermined current density change limit value, and wherein the computing unit (105) is configured to do so in dynamic operation, to increase a permissible current density change of electrical current provided by the fuel cell system (100) compared to the current density change limit value, and to control the ventilation system (101) in such a way that the ventilation system (101) provides a dynamic pressure, the dynamic pressure compared to that in stationary operation by the ventilation system ( 101) provided stationary pressure is increased, and to control the ventilation system (101) in such a way that the ventilation system (101) sets a dynamic cathode stoichiometry, the dynamic cathode stoichiometry being increased compared to a stationary cathode stoichiometry set in stationary operation by the ventilation system (101). Brennstoffzellensystem (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Recheneinheit (105) in dem Stationärbetrieb dazu konfiguriert ist, einen Leistungsbedarf des Belüftungssystems (101) durch Einstellen des Belüftungssystems (101) zu minimieren.Fuel cell system (100). Claim 1 , characterized in that the computing unit (105) is configured in stationary operation to minimize a power requirement of the ventilation system (101) by adjusting the ventilation system (101). Brennstoffzellensystem (100) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Recheneinheit (105) dazu konfiguriert ist, automatisch zwischen dem Stationärbetrieb und dem Dynamikbetrieb umzuschalten.Fuel cell system (100) according to one of the preceding claims, characterized in that the computing unit (105) is configured to automatically switch between stationary operation and dynamic operation. Brennstoffzellensystem (100) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Recheneinheit (105) dazu konfiguriert ist, in Abhängigkeit einer Änderungsrate von Lastanforderungen für das Brennstoffzellensystem (100), automatisch zwischen dem Stationärbetrieb und dem Dynamikbetrieb umzuschalten.Fuel cell system (100). Claim 3 , characterized in that the computing unit (105) is configured to automatically switch between stationary operation and dynamic operation depending on a rate of change of load requirements for the fuel cell system (100). Brennstoffzellensystem (100) nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Recheneinheit (105) dazu konfiguriert ist, in Abhängigkeit von bereitgestellten Betriebsinformationen über erwartete Betriebsparameter des Brennstoffzellensystems (100), automatisch zwischen dem Stationärbetrieb und dem Dynamikbetrieb umzuschalten.Fuel cell system (100). Claim 3 or 4 , characterized in that the computing unit (105) is configured to automatically switch between stationary operation and dynamic operation depending on the operating information provided about expected operating parameters of the fuel cell system (100). Brennstoffzellensystem (100) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die bereitgestellten Betriebsinformationen eine von einem das Brennstoffzellensystem (100) umfassenden Fahrzeugs (300) zu befahrende Route und/oder einen Zustand einer Batterie des Fahrzeugs umfassen.Fuel cell system (100). Claim 5 , characterized in that the operating information provided includes a route to be traveled by a vehicle (300) comprising the fuel cell system (100) and/or a state of a battery of the vehicle. Brennstoffzellensystem (100) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoffzellensystem (100) eine Benutzerschnittstelle umfasst, die bei Bedienung durch einen Nutzer das Brennstoffzellensystem (100) von dem Stationärbetrieb in den Dynamikbetrieb oder von dem Dynamikbetrieb in den Stationärbetrieb umschaltet.Fuel cell system (100) according to one of the preceding claims, characterized in that the fuel cell system (100) comprises a user interface which, when operated by a user, switches the fuel cell system (100) from stationary operation to dynamic operation or from dynamic operation to stationary operation. Brennstoffzellensystem (100) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Recheneinheit (105) dazu konfiguriert ist, automatisch von dem Dynamikbetrieb in den Stationärbetrieb zu schalten, wenn mindestens eine Bedingung der folgenden Liste an Bedingungen erfüllt ist: - eine Änderungsrate von Lastanforderungen für das Brennstoffzellensystem (100) ist geringer als ein vorgegebener Umschaltschwellenwert, - Betriebsinformationen über erwartete Betriebsparameter des Brennstoffzellensystems (100) führen zu einer Änderungsrate von Lastanforderungen für das Brennstoffzellensystem (100), die geringer ist als der vorgegebene Umschaltschwellenwert, - seit einer Aktivierung des Dynamikbetriebsmodus ist eine vorgegebene Zeit vergangen.Fuel cell system (100) according to one of the preceding claims, characterized in that the computing unit (105) is configured to automatically switch from dynamic operation to stationary operation when at least one condition of the following list of conditions is met: - a rate of change of load requirements for the fuel cell system (100) is less than a predetermined switching threshold, - operating information about expected operating parameters of the fuel cell system (100) leads to a rate of change of load requirements for the fuel cell system (100) that is lower than the predetermined switching threshold, - since activation of the dynamic operating mode a specified time has passed. Brennstoffzellensystem (100) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Recheneinheit in dem Dynamikbetrieb dazu konfiguriert ist, eine relative Feuchte in einem Brennstoffzellenstapel des Brennstoffzellensystems durch mindestens eine Steuerungsoperation der folgenden Liste an Steuerungsoperationen gegenüber dem Stationärbetrieb trotz erhöhter Kathodenstöchiometrie zu erhalten: - Ansteuern des Belüftungssystems, um einen Betriebsdruck des Brennstoffzellensystems zu erhöhen, - Ansteuern eines Kühlsystems des Brennstoffzellensystems, um eine Betriebstemperatur des Brennstoffzellensystems abzusenken, - Ansteuern des Kühlsystems, um einen Kühlmittelmassenstrom zu erhöhen und eine Temperaturdifferenz eines in dem Kühlsystem strömenden Kühlmittels zwischen einem Kühlmitteleintritt und einem Kühlmittelaustritt abzusenken. - Ansteuern eines Befeuchtungssystems, um eine Kathodeneintrittsfeuchte zu erhöhen.Fuel cell system (100) according to one of the preceding claims, characterized in that the computing unit in the dynamic operation is configured to maintain a relative humidity in a fuel cell stack of the fuel cell system by at least one control operation of the following list of control operations compared to steady-state operation despite increased cathode stoichiometry: - Activating the ventilation system to increase an operating pressure of the fuel cell system, - activating a cooling system of the fuel cell system to lower an operating temperature of the fuel cell system, - activating the cooling system to increase a coolant mass flow and a temperature difference of a coolant flowing in the cooling system between a coolant inlet and a Lower coolant outlet. - Controlling a humidification system to increase cathode entry humidity. Betriebsverfahren (200) für ein Brennstoffzellensystem (100), wobei das Betriebsverfahren (200) umfasst: - Umschalten (205) des Brennstoffzellensystems (100) zwischen einem Stationärbetrieb und einem Dynamikbetrieb, wobei in dem Stationärbetrieb eine zulässige Stromdichteänderung von durch das Brennstoffzellensystem (100) bereitgestelltem Strom auf höchstens einen vorgegebenen Stromdichteänderungsgrenzwert begrenzt wird, und wobei in dem Dynamikbetrieb die zulässige Stromdichteänderung von durch das Brennstoffzellensystem (100) bereitgestelltem Strom gegenüber dem Stromdichtgrenzwert erhöht wird, und durch ein Belüftungssystem (101) des Brennstoffzellensystems (100) ein Dynamikdruck bereitstellt wird, der gegenüber einem in dem Stationärbetrieb durch das Belüftungssystem (101) bereitgestellten Stationärdruck erhöht ist, und eine Dynamikkathodenstöchiometrie eingestellt wird, die gegenüber einer in dem Stationärbetrieb eingestellten Stationärkathodenstöchiometrie erhöht ist.Operating method (200) for a fuel cell system (100), the operating method (200) comprising: - switching (205) of the fuel cell system (100) between stationary operation and dynamic operation, wherein in the stationary operation a permissible current density change of current provided by the fuel cell system (100) is limited to at most a predetermined current density change limit value, and wherein in the dynamic operation the permissible current density change of current provided by the fuel cell system (100) is increased compared to the current density limit value, and by a ventilation system (101) of the fuel cell system (100) a dynamic pressure is provided which is increased compared to a stationary pressure provided in the stationary operation by the ventilation system (101), and a dynamic cathode stoichiometry is set which is increased compared to a stationary cathode stoichiometry set in the stationary operation. Fahrzeug (300) mit einem Brennstoffzellensystem (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 9.Vehicle (300) with a fuel cell system (100) according to one of Claims 1 until 9 .
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