AT524375A1

AT524375A1 - Verfahren für eine Kontrolle eines Brennstoffzellennetzwerks mit wenigstens zwei Brennstoffzellensystemen

Info

Publication number: AT524375A1
Application number: ATA50985/2020A
Authority: AT
Inventors: Mair Dipl Ing Frank
Original assignee: Avl List Gmbh
Priority date: 2020-11-12
Filing date: 2020-11-12
Publication date: 2022-05-15
Also published as: AT524375B1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren für eine Kontrolle eines Brennstoffzellennetzwerks(100) mit wenigstens zwei Brennstoffzellensystemen (110), aufweisend die folgenden Schritte: - Bestimmen einer Leistungsanforderung (LA) an das Brennstoffzellennetzwerk (100), - Vergleich der bestimmten Leistungsanforderung (LA) mit den Abgabeleistungen (AL) der wenigstens zwei Brennstoffzellensysteme (110),  Ermitteln wenigstens eines Effizienzparameters (EP) für jedes der wenigstens zwei Brennstoffzellensysteme (110),  Betreiben der wenigstens zwei Brennstoffzellensysteme (110) zur Erfüllung der bestimmten Leistungsanforderung (LA) auf Basis des Vergleichs und der ermittelten Effizienzparameter (EP).

Description

Verfahren für eine Kontrolle eines Brennstoffzellennetzwerks mit wenigstens zwei Brennstoffzellensystemen

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren für eine Kontrolle eines Brennstoffzellennetzwerks mit wenigstens zwei Brennstoffzellensystemen, eine Kontrollvorrichtung für die Kontrolle eines Brennstoffzellennetzwerks mit wenigstens zwei Brennstoffzellensystemen sowie ein Brennstoffzellennetzwerk mit wenigstens einer solchen Kontrollvorrichtung.

Es ist bekannt, dass Brennstoffzellensysteme an unterschiedliche Leistungsanforderungen angepasst werden müssen. Wird beispielsweise ein Brennstoffzellensystem in einem Fahrzeug eingesetzt, so muss innerhalb von diesem Fahrzeug den unterschiedlichen Leistungsanforderungen des Fahrers und/oder des Fahrzeugs nachgekommen werden. Beispielsweise wird beim Beschleunigen des Fahrzeugs eine höhere Leistungsanforderung entstehen als bei einer kontinuierlichen Fahrweise bei konstanter Geschwindigkeit oder während des Abbremsens des Fahrzeugs. Weitere Leistungsveränderungen können vorliegen, wenn beispielsweise zusätzliche Leistungsverbraucher, wie ein Klimaanlage oder eine Heizung in einem Fahrzeug eingeschaltet oder ausgeschaltet sind.

Bei bekannten Lösungen ist das Brennstoffzellensystem für die unterschiedlichen Leistungsanforderungen mit einer Kontrollvorrichtung ausgestattet, welche es erlaubt auf Basis der Leistungsanforderung das Brennstoffzellensystem bei unterschiedlichen Betriebspunkten zu betreiben, sodass bei hoher Leistungsanforderung entsprechend eine hohe elektrische Leistung und bei niedriger Leistungsanforderung eine

niedrigere elektrische Leistung abgegeben wird.

Nachteilhaft bei den bekannten Lösungen ist es, dass die direkte Korrelation zwischen Leistungsanforderung und Leistungsabgabe des Brennstoffzellensystems dazu führt, dass das Brennstoffzellensystem für einen Großteil der Zeit in Betriebssituationen betrieben wird, welche eine geringere Effizienz als der maximale Effizienzgrad dieses Brennstoffzellensystems aufweisen. Eine Variation ist nur bedingt möglich, indem zum Beispiel ein größerer Batteriespeicher im Fahrzeug für die Zwischenspeicherung von elektrischer Energie für Leistungsspitzen bei der Leistungsanforderung vorgesehen ist. Somit führt die bekannte Kontrollmöglichkeit dazu, dass zum einen

ein erhöhter Aufwand mit höheren Kosten für größere Batterievorrichtungen in Fahr-

zeugen betrieben werden muss und/oder das Brennstoffzellensystem zumindest

teilweise in Betriebspunkten betrieben werden muss, welche eine geringere Effizienz

aufweisen.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die voranstehend beschriebenen Nachteile zumindest teilweise zu beheben. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, in kostengünstiger und einfacher Weise die Effizienz beim Betrieb eines

Brennstoffzellensystems zu steigern.

Die voranstehende Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1, eine Kontrollvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 10 sowie ein Brennstoffzellennetzwerk mit den Merkmalen des Anspruchs 11. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Kontrollvorrichtung sowie dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellennetzwerk und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wech-

selseitig Bezug genommen wird beziehungsweise werden kann.

Erfindungsgemäß dient ein Verfahren der Kontrolle eines Brennstoffzellennetzwerks mit wenigstens zwei Brennstoffzellensystemen. Hierfür weist das Verfahren die fol-

genden Schritte auf:

- Bestimmen einer Leistungsanforderung an das Brennstoffzellennetz-

werk,

- Vergleich der bestimmten Leistungsanforderung mit den Abgabeleis-

tungen der wenigstens zwei Brennstoffzellensysteme,

- Ermitteln wenigstens eines Effizienzparameters für jedes der wenigs-

tens zwei Brennstoffzellensysteme

- Betreiben der wenigstens zwei Brennstoffzellensysteme zur Erfüllung der bestimmten Leistungsanforderung auf Basis des Vergleichs und der

ermittelten Effizienzparameter.

ob hier Unterschiede vorliegen.

Ein Kerngedanke der vorliegenden Erfindung basiert darauf, dass die Brennstoffzellensysteme basierend auf zwei Kontrollparametern betrieben werden. Der erste Kontrollbarameter ist dabei der Vergleich zwischen der aktuellen gesamten Leistungsanforderung des Fahrzeugs oder der Anwendung und der Abgabeleistung der wenigstens zwei Brennstoffzellensysteme. Im einfachsten Fall liegt die Leistungsanforderung, zum Beispiel eines Fahrzeugs, oberhalb der maximalen Abgabeleistung des ersten Brennstoffzellensystems und unterhalb der kombinierten maximalen Abgabeleistung aller Brennstoffzellensysteme zusammen. In einem solchen Fall würde also der Vergleich dazu führen, dass zumindest zwei Brennstoffzellensysteme im Brennstoffzellennetzwerk gemeinsam zu betreiben sind, um die gewünschte Leistungsan-

forderung des Fahrzeugs zu erfüllen.

Unabhängig davon, dass nun die Anzahl der aktivierten und betriebenen Brennstoffzellensysteme von der Leistungsanforderung abhängt, wird jedoch ein zusätzlicher Schritt durchgeführt, um die Gesamteffizienz des Kontrollverfahrens zu steigern. Neben dem Vergleich der Leistungsanforderung mit den Abgabeleistungen der wenigstens zwei Brennstoffzellensysteme erfolgt daher ein Ermitteln wenigstens eines Effizienzparameters für jedes der wenigstens zwei Brennstoffzellensysteme. Dieser Effizienzparameter beruht dabei insbesondere auf einem Bezug zur jeweils notwendigen

Abgabeleistung zur Erfüllung der Leistungsanforderung.

keffizienz der Brennstoffzellennetzwerks gesteigert werden kann.

Auf Basis der voranstehenden Erläuterung anhand des gewählten einfachen Beispiels wird ersichtlich, dass nun in kostengünstiger und einfacher Weise die Effizienz beim Betrieb der Brennstoffzellensysteme in einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellennetzwerk deutlich gesteigert werden kann. Somit wird es möglich nicht nur die grundsätzliche Korrelation zwischen der Leistungsanforderung und den maximal möglichen Abgabeleistungen der Brennstoffzellensysteme zu berücksichtigen, sondern vielmehr auch beim Betrieb zusätzlich noch die zu erzielende Effizienz auf Ba-

sis eines Effizienzparameters einzustellen.

Somit wird es weiter möglich, bei einer Leistungsanforderung auf Basis des ermittelten wenigstens einen Effizienzparameters pro Brennstoffzellensystem aus der Viel-

zahl möglicher Kombinationen an Betriebsweisen der einzelnen Brennstoffzellensysteme diejenige Kombination auszuwählen und für den Betrieb als Kontrolle vorzuge-

ben, welche auf Basis des ermittelten Effizienzparameters ein optimiertes Ergebnis

für das Brennstoffzellennetzwerk erwarten lässt. Dabei ist es unerheblich, ob im

Rahmen der vorliegenden Erfindung diese Kontrolle als reine Steuerung, also als

Vorgabe einer entsprechenden Leistungskontrolle, oder aber als Regelung mit einer

gemessenen Rückkopplung in der Leistungskontrolle durchgeführt wird.

Es ist noch darauf hinzuweisen, dass der Vergleich der Leistungsanforderung mit den Abgabeleistungen der wenigstens zwei Brennstoffzellensysteme insbesondere einen Vergleich mit der maximal möglichen Abgabeleistung der Brennstoffzellensysteme beinhaltet. Somit wird sichergestellt, dass eine Überbelastung der einzelnen Brennstoffzellensysteme vermieden wird. Unter einem Effizienzparameter ist im Sinne der vorliegenden Erfindung jeder direkte und/oder indirekte Parameter zum Betrieb des Brennstoffzellensystems zu verstehen, welcher aus ein oder mehreren Effizienzgesichtspunkten diesen Betrieb beeinflusst. Mögliche Effizienzparameter sind später noch näher erläutert und können selbstverständlich auch miteinander für ei-

nen oder mehrere Brennstoffzellensysteme kombiniert werden.

Basierend auf der voranstehenden Erläuterung wird deutlich, dass für jegliche Betriebssituation die Leistungsanforderung in verbesserter Effizienz erfüllt werden kann. Insbesondere gilt dies jedoch bei niedrigen Leistungsanforderungen, welche zum Beispiel von einem einzigen Brennstoffzellensystem alleine im Brennstoffzellennetzwerk erfüllt werden können. Jedoch ist es auch möglich, dass selbst bei einer niedrigen Leistungsanforderung, welche grundsätzlich von einem einzigen Brennstoffzellensystem erfüllt werden könnte, aus Effizienzgesichtspunkten zwei oder mehr Brennstoffzellensysteme mit niedrigerer Leistung betrieben werden, um die gewünschte Steigerung beziehungsweise Optimierung der Effizienz für das übergeord-

nete Brennstoffzellennetzwerk erfüllen zu können.

Ebenfalls vorteilhaft ist es durch ein erfindungsgemäßes Verfahren, dass auf diese Weise eine geringe Leerlaufleistung möglich wird, da Stück für Stück beim Reduzieren der Leistungsanforderung einzelne Brennstoffzellensysteme auch vollständig

ausgeschaltet werden können.

Weiter ist noch darauf hinzuweisen, dass sowohl beim Vergleichsschritt als auch beim Ermittlungsschritt neben einer algorithmischen Durchführung auch die Verwendung eines tabellarischen Vergleichs und/oder einer tabellarischen Ermittlung einge-

setzt werden kann. Die hohe Effizienz ist somit insbesondere bei geringen Teillasten,

erreichbar.

Ebenfalls von Vorteil kann es sein, wenn bei einem erfindungsgemäßen Verfahren

als Effizienzparameter wenigstens einer der folgenden ermittelt wird: - Energieeffizienz beim Betrieb für die bestimmte Leistungsanforderung, - Gesundheitszustand des jeweiligen Brennstoffzellensystems, - Temperatur des jeweiligen Brennstoffzellensystems, - Spannung des jeweiligen Brennstoffzellensystems,

- Feuchtegehalt der Membranen und Produktwassermanagement der

jeweiligen Brennstoffzellenstapel, - Anzahl der Betriebsstunden des jeweiligen Brennstoffzellensystems.

Bei der voranstehenden Aufzählung handelt es sich um eine nicht abschließende Liste. Selbstverständlich können auch zwei oder mehr der einzelnen Effizienzparameter kombiniert für ein Brennstoffzellensystem eingesetzt werden. Auch ist es möglich, dass für unterschiedliche Brennstoffzellensysteme unterschiedliche Effizienzparameter und/oder unterschiedliche Kombinationen der Effizienzparameter eingesetzt werden. Bevorzugt ist es jedoch, wenn für alle Brennstoffzellensysteme die gleichen oder im Wesentlichen die gleichen Effizienzparameter verwendet werden. Weiter ist es auch möglich, dass bei der Verwendung von zwei oder mehr unterschiedlichen Effizienzparametern deren Einfluss auf das erfindungsgemäße Verfahren priorisiert und/oder gewichtet wird. Selbstverständlich ist es auch denkbar, dass, wie später noch erläutert, auf Basis von zwei oder mehr einzelnen Effizienzparametern ein gemeinsamer Belastungsparameter als übergeordnete Kennzahl zur Verfügung gestellt wird. Wie aus dieser Liste erkannt werden kann, ist neben der Energieeffizienz als Effizienzparameter auch die Betrachtung des gesamten Brennstoffzellennetzwerks aus anderen Effizienzgesichtspunkten möglich. So kann es zur Effizienz gehören, wenn der Gesundheitszustand des jeweiligen Brennstoffzellensystems berücksichtigt wird, um eine möglichst lange Gesamtlebensdauer des gesamten Brennstoffzellensystems und/oder Brennstoffzellennetzwerks zu gewährleisten. Gleiches gilt auch für

die Temperatur, die Spannung und/oder die Feuchtigkeit des jeweiligen Brennstoff-

verteilen.

Ebenfalls vorteilhaft ist es, wenn bei einem erfindungsgemäßen Verfahren wenigstens zwei unterschiedliche Effizienzparameter zu einem gemeinsamen Belastungsparameter zusammengefasst werden, wobei der Betrieb der wenigstens zwei Brennstoffzellensysteme auf Basis des Belastungsparameters erfolgt. Ein solcher gemeinsamer Belastungsparameter kann auch als übergeordnete Kennzahl verstanden werden, und bezieht insbesondere Kenngrößen, Korrekturfaktoren, Priorisierungen und/oder andere Gewichtungen mit ein. Dies erlaubt es, die nachfolgende Kontrolle einfacher, kostengünstiger sowie mit weniger Rechenaufwand auch schneller zur

Verfügung zu stellen.

Vorteile bringt es darüber hinaus mit sich, wenn bei einem erfindungsgemäßen Ver-

fahren zumindest eines der wenigstens zwei Brennstoffzellensysteme ausgeschaltet

Ebenfalls vorteilhaft ist es, wenn bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zumindest zwei der wenigstens zwei Brennstoffzellensysteme bei unterschiedlichen Betriebspunkten betrieben werden. Insbesondere aus Betrachtungen der Gesamteffizienz der Brennstoffzellensysteme kann auf diese Weise ein unterschiedliches oder ein nicht lineares Verhalten der Effizienz zu unterschiedlichen Betriebspunkten berücksichtigt werden. Beispielsweise kann es sinnvoll sein, bei dem ersten Brennstoffzellensystem einen ersten Betriebspunkt und bei dem zweiten Brennstoffzellensystem einen unterschiedlichen, zweiten Betriebspunkt zu wählen. So kann beispielsweise das erste Brennstoffzellensystem bei 20 % der Maximallast und das zweite Brennstoffzellensystem bei 40 % der Maximallast betrieben werden, da dies aus Gesamteffizienzgesichtspunkten möglicherweise zu einem höheren Gesamteffizienzgrad führt als wenn beide Brennstoffzellensysteme bei circa 30 % ihrer maximalen Abgabeleistung betrieben werden würden. Dies gilt insbesondere dann, wenn die einzelnen Brennstoffzellensysteme chemisch und/oder elektrisch nicht identisch oder im Wesentlichen nicht identisch ausgebildet sind. Selbstverständlich können auch zwei oder mehr Brennstoffzellensysteme alternativ oder in Kombination bei identischen oder im We-

sentlichen identischen Betriebspunkten betrieben werden.

Weitere Vorteile können erzielt werden, wenn bei einem erfindungsgemäßen Verfahren bei einem wiederholten Startvorgang immer ein anderes der wenigstens zwei Brennstoffzellensysteme betrieben wird. Der Startvorgang in einem Brennstoffzellensystem eines Brennstoffzellennetzwerks kann je nach Umgebungssituation eine erhöhte Belastung speziell für den Brennstoffzellenstapel in dem jeweiligen Brennstoffzellensystem bedeuten. Insbesondere gilt dies für den später noch erläuterten Kaltstart. Jedoch ist jeder Startvorgang mit einer zusätzlichen Belastung versehen, da zum Beispiel vorbereitende Maßnahmen wie ein Spülen des Anodenabschnitts

und/oder des Kathodenabschnitts erforderlich sind und durch das Abbauen der Sta-

zellensysteme zu verteilen.

Vorteilhaft ist es darüber hinaus, wenn bei einem erfindungsgemäßen Verfahren bei einem Kaltstart der Brennstoffzellensysteme nur ein einziges der wenigstens zwei Brennstoffzellensysteme betrieben wird. Bei dem Kaltstart handelt es sich um eine Sondersituation im Betrieb des Brennstoffzellennetzwerks. Befindet sich das jeweilige Brennstoffzellensystem über einen längeren Zeitpunkt in einer Standsituation unter 0° Celsius, so spricht man bei einem darauf folgenden Start des Brennstoffzellensystems üblicherweise von einem Kaltstart. Während eines Kaltstarts kann es dazu kommen das im Brennstoffzellenstapel des Brennstoffzellensystems anfallendes Produktwasser gefriert. Dabei muss durch eine rasche Aufwärmphase des Brennstoffzellenstapels eine übermäßige oder vollständige Blockade der Gaskanäle durch gefrorenes Produktwasser in den einzelnen Schichten einer Brennstoffzelle vermieden werden. Dies würde die Zufuhr von Reaktanden zum Katalysator verhindern, die elektrochemischen Reaktionen zum Erliegen bringen und somit einen erfolglosen Kaltstart bedeuten. Das Aufwärmen des Brennstoffzellenstapels erfolgt dabei durch Abwärme die bei der elektrochemischen Reaktion anfällt und kann aber auch durch externe Heizelemente unterstützt werden. Diese Heizelemente können dabei auch im Kühlkreislauf des Brennstoffzellensystems integriert werden womit durch ein Auf-

wärmen des Kühlmittels auch der Brennstoffzellenstapel indirekt erwärmt werden

Weise gesteigert werden kann.

Ebenfalls von Vorteil ist es, wenn bei einem erfindungsgemäßen Verfahren während des Betriebs im Kaltstart oder speziell nach erfolgreichem Kaltstart die Abwärme des betriebenen Brennstoffzellensystems zum Erwärmen der nicht betriebenen anderen Brennstoffzellensysteme verwendet wird. Beispielsweise ist es möglich über eine Temperiervorrichtung des Brennstoffzellenstapels diese Abwärme aufzunehmen und mit dem darin befindlichen Temperierfluid an die anderen Brennstoffzellensysteme zu überführen. Auch ist es denkbar, dass Gasströme, insbesondere Anodenzuführgas, Anodenabgas, Kathodenzuführgas und/oder Kathodenabgas direkt oder indirekt über Wärmetauscher zur Erwärmung der benachbarten, nicht betriebenen Brenn-

stoffzellensysteme eingesetzt wird.

Darüber hinaus von Vorteil ist es, wenn bei einem erfindungsgemäßen Verfahren der Betrieb der wenigstens zwei Brennstoffzellensysteme wenigstens eines der folgen-

den Ziele berücksichtigt:

- optimierte, insbesondere maximierte, Effizienz der Brennstoffzellensys-

teme,

- optimierte, insbesondere maximierte, Lebensdauer der Brennstoffzel-

lenstapel und Komponenten der Brennstoffzellensysteme,

- optimierte, insbesondere maximierte, Leistungsabgabe der Brennstoff-

zellensysteme.

tungsanforderung dieser mit maximalem Ergebnis gerecht zu werden.

Ebenfalls Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Kontrollvorrichtung für eine Kontrolle eines Verbunds von wenigstens zwei Brennstoffzellensystemen. Eine solche Kontrollvorrichtung weist ein Bestimmungsmodul für ein Bestimmen einer Leistungsanforderung an die Brennstoffzellensysteme des Brennstoffzellennetzwerks auf. Weiter ist ein Vergleichsmodul vorhanden für einen Vergleich der bestimmten Leistungsanforderung mit den Abgabeleistungen der wenigstens zwei Brennstoffzellensysteme. Darüber hinaus weist die Kontrollvorrichtung ein Ermittlungsmodul für ein Ermitteln wenigstens eines Effizienzparameters für jedes der wenigstens zwei Brennstoffzellensysteme auf. Abschließend ist ein Betriebsmodul vorgesehen für ein Betreiben der wenigstens zwei Brennstoffzellensysteme zur Erfüllung der bestimmten Leistungsanforderung auf Basis des Vergleichs und der ermittelten Effizienzparameter. Insbesondere sind das Bestimmungsmodul, das Vergleichsmodul, das Ermittlungsmodul und/oder das Betriebsmodul ausgebildet für die Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens. Damit bringt eine erfindungsgemäße Kontrollvorrichtung die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf ein erfindungsgemäßes Verfahren erläutert worden sind. Eine solche Kontrollvorrichtung kann zum Beispiel in eine zentrale Kontrolleinheit eines Brennstoffzellensystems oder des Verbunds der Brennstoffzellensysteme in Form des Brennstoffzellennetz-

werks integriert sein.

Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verbund von Brennstoff-

zellensystem in Form eines Brennstoffzellennetzwerks, jedes Brennstoffzellensystem

aufweisend:

- wenigstens ein Brennstoffzellenstapel jeweils mit einem Anodenab-

schnitt und einem Kathodenabschnitt,

- einen Anodenzuführabschnitt zum Zuführen von Anodenzuführgas zu

den Anodenabschnitten,

- einen Kathodenzuführabschnitt zum Zuführen von Kathodenzuführgas

zu den Kathodenabschnitten,

- einen Anodenabführabschnitt zum Abführen von Anodenabgas von den

Anodenabschnitten,

- einen Kathodenabführabschnitt zum Abführen von Kathodenabgas von

den Kathodenabschnitten.

Weiter weist ein erfindungsgemäßer Verbund von Brennstoffzellensystemen in Form des Brennstoffzellennetzwerks eine erfindungsgemäße Kontrollvorrichtung auf. Damit bringt ein erfindungsgemäßer Verbund von Brennstoffzellensystemen in Form des Brennstoffzellennetzwerks die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf eine erfindungsgemäße Kontrollvorrichtung und mit Bezug auf ein erfindungsgemäßes Verfahren erläutert worden sind. Ebenfalls kann bei einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellennetzwerks und/oder dem jeweiligen Brennstoffzellensystem noch ein Rezirkulationsabschnitt zur Rezirkulation von Anodenabgas in das Anodenzuführgas im Anodenzuführabschnitt vorgesehen sein.

Vorteilhaft ist es, wenn bei einem Brennstoffzellensystem mit mehreren Brennstoffzellenstapeln der Anodenzuführabschnitt, der Kathodenzuführabschnitt, der Anodenabführabschnitt und/oder der Kathodenabführabschnitt wenigstens abschnittsweise in einer gemeinsamen Medieneinheit zusammengefasst sind. Dies erlaubt es, insbesondere wenn in dieser gemeinsamen Medieneinheit auch entsprechende Verteilventile angeordnet sind, eine noch einfachere und kostengünstigere Kontrolle der Medienzuführung zu den einzelnen Brennstoffzellenstapeln zu ermöglichen. Eine solche gemeinsame Medieneinheit kann auch als zentrale Media Supply Unit beschrieben werden.

Leistungsabgabe zusammenzufassen und gemeinsam zu betreiben.

Vorteilhaft ist es ebenfalls, wenn bei einem erfindungsgemäßen Verbund von Brennstoffzellensystemen in Form eines Brennstoffzellennetzwerks wenigstens zwei Brennstoffzellensysteme mit zumindest jeweils einem Brennstoffzellenstapel, insbesondere alle Brennstoffzellenstapel, identisch oder im Wesentlichen identisch ausgebildet sind. Die Identität der Ausbildung bezieht sich dabei insbesondere auf eine chemische und/oder elektrisch identische oder im Wesentlichen identische Ausbildung aller Brennstoffzellensysteme, sodass eine leichtere und kostengünstigere Kontrolle möglich ist. Dadurch, dass identische oder im Wesentlichen identische Brennstoffzellensysteme eingesetzt werden, können bei dieser Ausführungsform die Gesamtkosten durch den modularen Aufbau für den Verbund von Brennstoffzellensystemen reduziert werden. Nicht zuletzt wird auch innerhalb des erfindungsgemäßen Kontrollverfahrens eine flexiblere Kontrolle möglich, da eine freie Wahl zwischen den unterschiedlichen Brennstoffzellensystemen möglich ist, da diese aufgrund ihrer chemischen und elektrischen Identität sich für eine Vereinheitlichung der Belastung besser eignen.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Aus-

führungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Dabei können die in

den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für

sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein. Es zeigen schema-

tisch:

Fig. 1 eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens,

Fig. 2 eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens,

Fig. 3 eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellennetzwerks,

Fig. 4 eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brenn-

stoffzellennetzwerks,

Fig. 5 ein Vergleich unterschiedlicher Effizienzparameter,

Fig. 6 ein weiterer Vergleich unterschiedlicher Effizienzparameter und

Fig. 7 eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kontrollvorrichtung.

Figur 1 zeigt schematisch eine besonders einfache Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Verfahrens mit einer erfindungsgemäßen Kontrollvorrichtung 10. Ein schematisch dargestelltes Gaspedal kann anhand der unterschiedlichen Positionen die Möglichkeit zur Verfügung stellen unterschiedliche Leistungsanforderungen LA abzugreifen und zu bestimmen. Die Leistungsanforderung LA kann dabei auch von einer übergeordneten Kontrolleinheit kommen oder anhand einer anderen Komponente der jeweiligen Anwendung bestimmt werden. Diese Leistungsanforderung LA wird in der Kontrollvorrichtung 10 nun in zwei Datenbanken weiterverarbeitet. Zum einen ist hier für unterschiedliche Brennstoffzellensysteme 110eine maximale Abgabeleistung AL vorgesehen. Das ersten Brennstoffzellensystem 110 mit der Ziffer 1 weist hier eine maximale Abgabeleistung AL von 100 und das zweite Brennstoffzellensystem 110 mit der Ziffer 2 von 120 auf. Liegt die Leistungsanforderung LA nun zum Beispiel bei circa 150, führt dies dazu, dass eine Erfüllung nicht durch eines der beiden Brennstoffzellensysteme 110 alleine möglich ist und auf jeden Fall eine Kombination für den Betrieb ausgewählt werden muss. Schematisch ist hier eine zweite

Datenbank dargestellt, welche für die beiden Brennstoffzellensysteme 110 unter-

Figur 2 zeigt eine Weiterbildung der Ausführungsform der Figur 1. Hier sind nun unterschiedliche Effizienzparameter EP in unterschiedlichen Datenbanken hinterlegt, welche bei dem Durchlauf des Verfahrens in einem gemeinsamen Belastungsparameter BP integriert werden. Diese Integration kann einfach oder aber gewichtet und/oder priorisiert erfolgen. Auf diese Weise wird es möglich, noch genauer auf die tatsächliche Belastungssituation und das Erreichen des gewünschten Ziels einzugehen, und entsprechend in verbesserter Weise die Leistungskontrolle LK an die

Brennstoffzellensysteme 110 weiterzugeben.

Figur 3 zeigt schematisch einen Aufbau eines solchen Brennstoffzellennetzwerks 100. Dieses ist mit zwei Brennstoffzellensystemen 110 ausgestattet wobei in einem Anodenabschnitt 120 Anodengas, zum Beispiel wasserstoffhaltiges Gas, den einzelnen Anodenabschnitten 112 der Brennstoffzellenstapel zugeführt wird. Die entsprechende chemische Reaktion führt zusammen mit einem über einen Kathodenzuführabschnitt 140 zugeführtes Kathodengas zum Erzeugen von Kathodenabgas und zum Erzeugen von Anodenabgas. Das Anodenabgas wird über den Anodenabführabschnitt 122 abgeführt und entweder an die Umgebung oder über den Rezirkulationsabschnitt 130 wieder über eine Rezirkulationsvorrichtung 150 in den Anodenzuführabschnitt 120 zugeführt. Das Kathodenabgas wird über den Kathodenabführabschnitt 142 ebenfalls der Umgebung zugeführt. Einfachheitshalber ist der

Kühlkreislauf des Brennstoffzellensystems 110 nicht dargestellt.

Bei der Ausführungsform der Figur 3 ist nun eine zentrale Kontrollvorrichtung 10 vorgesehen, welche in der beschriebenen Weise die Kontrolle der Betriebspunkte aller Brennstoffzellensysteme 110 zur Verfügung stellen kann.

Während bei der Ausführungsform der Figur 3 alle Brennstoffzellensysteme 110 aus

chemischer und/oder elektrischer Sicht identisch oder im Wesentlichen identisch

Sowohl bei Figur 3 als auch bei Figur 4 ist zur Vereinfachung der Kühlkreislauf nicht dargestellt. Ein Brennstoffzellensystem 110 kann auch mehr als den einen dargestellten Brennstoffzellenstapel aufweisen. Des Weiteren sind die Brennstoffzellensysteme 110 bis auf Überschneidungen in der Luftzuführung und der Abgasabführung getrennt dargestellt. Es ist aber auch möglich die Systeme vollständig getrennt, oder mit weiteren Überschneidungen beziehungsweise sogar gemeinsamen Komponenten auszuführen. Wesentlich ist, dass die zumindest zwei Brennstoffzellensysteme 110 in der Medienversorgung und elektrischen Verschaltung so ausgestaltet sind, dass das Einstellen unterschiedliche Lastpunkte, bis hin zum Ausschalten einzelner

Brennstoffzellensysteme 110, ermöglicht wird.

Figur 5 zeigt eine mögliche Betriebsweise der Brennstoffzellensysteme 110. Dabei ist mit der durchgezogenen Linie die Effizienzkurve für einen Effizienzparameter EP, beispielsweise die Systemeffizienz dieses Brennstoffzellensystems 110 dargestellt. Dieser Effizienzparameter EP steigt an zu einem Maximum und sinkt bei sich weiter erhöhender Leistungsabnahme LA auf der X-Achse wieder ab. Somit wäre bei steigender Leistungsanforderung LA dieser zwar zu erfüllen, jedoch mit wieder verringerter Effizienz. Ein erfindungsgemäßes Verfahren greift nun hier ein und schaltet, wenn die Effizienz des ersten Brennstoffzellensystems 110 absinken würde, das zweite Brennstoffzellensystem 110 zu, wobei die gepunktete Linie hier die kombinierte Effizienz aus zwei Brennstoffzellensystemen 110 darstellt. Dies erlaubt es, das Absinken der Gesamteffizienz bei einem einzigen Brennstoffzellensystem 110 zu verhindern und auch bei steigender Leistungsanforderung LA entlang der gepunkteten Linie eine hohe Effizienz beizubehalten. Auch diese erhöhte Effizienz kommt an ihre Grenzen, wenn die Leistungsanforderung LA weiter steigt, sodass bei dieser Ausführungsform ein drittes Brennstoffzellensystem 110 zugeschaltet werden kann. Die gestrichelte

Linie ganz rechts zeigt die kombinierte Effizienz des Effizienzparameters EP für alle

drei Brennstoffzellensysteme 110, sodass hier nochmals eine Verlängerung mit ho-

her Effizienz für eine weitere Steigerung der Leistungsanforderung LA möglich wird.

Die Betriebsbereiche I, II und Ill unterscheiden dabei nicht die maximalen Abgabe-

leistungen AL der einzelnen Brennstoffzellensysteme 110, sondern sind vielmehr die

Schaltpunkte, ab welchem das zweite und das dritte Brennstoffzellensystem 110 hin-

zugeschaltet beziehungsweise zurückgeschaltet werden.

In Figur 6 ist die kombinierte Leistungskurve aus der Figur 5 als durchgezogene Linie für den Effizienzparameter EP dargestellt. Gestrichelt ist ein korrelierendes Brennstoffzellensystem 110 aufgezeichnet, welches alleine die maximale Leistungsanforderung LA erzielen kann. Hier ist gut zu erkennen, dass zwar mit einem großen Brennstoffzellennetzwerk 100 bei hohen Leistungsanforderungen LA ähnliche Effizienzgrade erzielt werden können, jedoch bei geringen Leistungsanforderungen die entsprechende Kurve (gestrichelt) für den Effizienzparameter EP früher absinkt, sodass hier im geringen Leistungsbereich nur ein deutlich reduzierter Effizienzgrad für

den Betrieb des Brennstoffzellensystems 110 erreichbar ist.

Figur 7 zeigt schematisch, wie in einer Kontrollvorrichtung 10 ein Bestimmungsmodul 20, ein Vergleichsmodul 30, ein Ermittlungsmodul 40 und ein Betriebsmodul 50 die Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens ermöglichen können. Über eine Leistungsanforderung LA kann, zum Beispiel mit Bezug auf die Figuren 1 und 2, der Durchlauf des Verfahrens innerhalb der Kontrollvorrichtung 10 erfolgen, sodass abschließend eine Leistungskontrolle LK an das Brennstoffzellennetzwerk 100 abgegeben werden kann.

Die voranstehende Erläuterung der Ausführungsformen beschreibt die vorliegende Erfindung ausschließlich im Rahmen von Beispielen. Selbstverständlich können einzelIne Merkmale der Ausführungsformen, sofern technisch sinnvoll, frei miteinander

kombiniert werden, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

Bezugszeichenliste

10 Kontrollvorrichtung 20 Bestimmungsmodul 30 Vergleichsmodul

40 Ermittlungsmodul 50 Betriebsmodul

100 Brennstoffzellennetzwerk 110 Brennstoffzellensystem 112 Anodenabschnitt

114 Kathodenabschnitt

120 Anodenzuführabschnitt 122 Anodenabführabschnitt 130 Rezirkulationsabschnitt 140 Kathodenzuführabschnitt 142 Kathodenabführabschnitt

150 Rezirkulationsvorrichtung

LA Leistungsanforderung AL Abgabeleistung

LK Leistungskontrolle

EP Effizienzparameter

BP _Belastungsparameter | Betriebsbereich |

Il Betriebsbereich II Ill Betriebsbereich Ill

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren für eine Kontrolle eines Brennstoffzellennetzwerks (100) mit wenigstens zwei Brennstoffzellensystemen (110), aufweisend die folgenden Schritte:

— Bestimmen einer Leistungsanforderung (LA) an das Brennstoffzellennetzwerk (100),

— Vergleich der bestimmten Leistungsanforderung (LA) mit den Abgabe-

leistungen (AL) der wenigstens zwei Brennstoffzellensysteme (110),

— Ermitteln wenigstens eines Effizienzparameters (EP) für jedes der we-

nigstens zwei Brennstoffzellensysteme (110),

— Betreiben der wenigstens zwei Brennstoffzellensysteme (110) zur Erfüllung der bestimmten Leistungsanforderung (LA) auf Basis des Vergleichs und der ermittelten Effizienzparameter (EP).

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Effizienzpa-

rameter (EP) wenigstens einer der folgenden ermittelt wird:

— Energieeffizienz beim Betrieb für die bestimmte Leistungsanforderung (LA)

— Gesundheitszustand des jeweiligen Brennstoffzellensystems (110) — Temperatur des jeweiligen Brennstoffzellensystems (110)

— Spannung des jeweiligen Brennstoffzellensystems (110)

— Feuchtigkeit des jeweiligen Brennstoffzellensystems (110)

— Anzahl der Betriebsstunden des jeweiligen Brennstoffzellensystems (110)

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei unterschiedliche Effizienzparameter (EP) zu einem gemeinsamen Belastungsparameter (BP) zusammengefasst werden, wobei der Betrieb der wenigstens zwei Brennstoffzellensysteme (110) auf Basis des Belastungsparameters (BP) erfolgt.

5. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei der wenigstens zwei Brennstoffzellensysteme

(110) bei unterschiedlichen Betriebspunkten betrieben werden.

6. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem wiederholten Startvorgang immer ein anderes der

wenigstens zwei Brennstoffzellensysteme (110) betrieben wird.

7. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Kaltstart des Brennstoffzellennetzwerks (100) nur ein einziges der wenigstens zwei Brennstoffzellensysteme (110) betrieben

wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass während des Betriebs im Kaltstart die Abwärme des betriebenen Brennstoffzellensystems (110) zum Erwärmen der nicht betriebenen Brennstoffzellensystems (110) verwendet wird.

9. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Betrieb der wenigstens zwei Brennstoffzellensysteme

(110) wenigstens eines der folgenden Ziele berücksichtigt:

— Optimierte, insbesondere maximierte, Effizienz der Brennstoffzellensysteme (110)

— Optimierte, insbesondere maximierte, Lebensdauer der Brennstoffzel-

lensysteme (110)

— Optimierte, insbesondere maximierte, Leistungsabgabe der Brennstoff-

zellensysteme (110)

10. Kontrollvorrichtung (10) für eine Kontrolle eines Brennstoffzellennetzwerks (100) mit wenigstens zwei Brennstoffzellensystemen (110), aufweisend ein Bestimmungsmodul (20) für ein Bestimmen einer Leistungsanforderung (LA)

an das Brennstoffzellennetzwerk(100), ein Vergleichsmodul (30) für einen

Vergleich der bestimmten Leistungsanforderung (LA) mit den Abgabeleistungen (AL) der wenigstens zwei Brennstoffzellensysteme (110), ein Ermittlungsmodul (40) für ein Ermitteln wenigstens eines Effizienzparameters (EP) für jeden der wenigstens zwei Brennstoffzellensysteme (110) und ein Betriebsmodul (50) für ein Betreiben der wenigstens zwei Brennstoffzellensysteme (110) zur Erfüllung der bestimmten Leistungsanforderung (LA) auf Basis des Vergleichs und der ermittelten Effizienzparameter (EP), wobei das Bestimmungsmodul (20), das Vergleichsmodul (30), das Ermittlungsmodul (40) und/oder das Betriebsmodul (50) insbesondere für die Durchführung eines

Verfahrens mit den Merkmalen eines der Ansprüche 1 bis 9 ausgebildet ist. 11. Brennstoffzellennetzwerk (100), aufweisend

- wenigstens zwei Brennstoffzellensysteme (110) jeweils mindestens einem Brennstoffzellenstapel jeweils mit einem Anodenabschnitt (112) und einem Kathodenabschnitt (114),

- einen Anodenzuführabschnitt (120) zum Zuführen von Anodenzuführgas zu den Anodenabschnitten (112),

- einen Kathodenzuführabschnitt (140) zum Zuführen von Kathodenzuführgas zu den Kathodenabschnitten (114),

- einen Anodenabführabschnitt (122) zum Abführen von Anodenabgas von den Anodenabschnitten (112),

- einen Kathodenabführabschnitt (142) zum Abführen von Kathodenabgas

von den Kathodenabschnitten (114),

weiter aufweisend eine Kontrollvorrichtung (10) mit den Merkmalen des An-

spruchs 10.

12. Brennstoffzellennetzwerk (100) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Anodenzuführabschnitt (120), der Kathodenzuführabschnitt (140), der Anodenabführabschnitt (122) und/oder der Kathodenabführabschnitt (142) wenigstens abschnittsweise in einer gemeinsamen Medieneinheit zusammen-

gefasst sind.

temen (110) ausgebildet ist.

14. Brennstoffzellennetzwerk (100) nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei Brennstoffzellensysteme (110), insbesondere alle Brennstoffzellensysteme (110), identisch oder im Wesentlichen identisch ausgebildet sind.