WO2004006366A2 - Brennstoffzellensystem, seine anwendung und verfahren zu seinem betrieb - Google Patents

Brennstoffzellensystem, seine anwendung und verfahren zu seinem betrieb Download PDF

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    • Y02T90/40—Application of hydrogen technology to transportation, e.g. using fuel cells

Definitions

  • the invention relates to a fuel cell system, its application and a method for its operation according to the claims.
  • Fuel line systems and their application in motor vehicles are e.g. B. from DE 199 13 794 AI, WO 98/40922 and WO 99/19161 known.
  • the invention relates to a method for operating a fuel cell system which has at least one fuel cell and a peripheral system of peripheral devices which are essential for operating the fuel cell, electrical energy being obtained from an energy source external to the fuel cell system for starting the fuel cell system , wherein the gross power of the fuel cell system consists of its system-internal energy requirement for the performance of its functions and the power requirement of an application device, which has the energy source, which can be designated as net power requirement, whereby in normal operation the net power requirement is in the range between the values of zero, which means idle operation of the fuel cell system means, and is greater than zero
  • the invention further relates to motor vehicles, ships, power generation systems, air conditioning systems, heating and / or cooling systems, which have an electrical energy source and a fuel cell system which can be operated according to the method according to the invention.
  • the fuel cell system is a supplier of usable electrical energy and / or of usable thermal energy, which is each suitable for a system-external application or application device, for. B. for vehicle drives, ship drives, energy-consuming on-board equipment for vehicles and ships, industrial plants, households, data processing systems and data communication systems.
  • a reverse transfer of electricity and / or heat from the above-mentioned systems, facilities, devices and energy sources to the fuel cell system is also possible.
  • the use of fuel cell systems also includes the operation of peripheral units that are essential for the operation of the fuel cell or at least make it much more effective.
  • the application device can consist of one or more devices, machines or systems.
  • a particular field of application of the invention is motor vehicles which have a fuel cell system.
  • the invention is preferably used in motor vehicles which do not contain an internal combustion engine, but rather only one or more electrical machines which can be operated as an electric motor for driving the motor vehicle and which can alternatively preferably also be used as a generator for generating electricity, for example when the motor vehicle is rolling without energy supply, z. B. downhill or to reduce the driving speed.
  • the object of the invention is to optimize the use of the fuel cell system.
  • This object is achieved according to the invention by a start / stop operation of the fuel cell system or of at least a part thereof depending on the energy requirement of the application or the application device while the application device is in operation.
  • a method and its applications according to the invention are characterized in that the fuel cell system is operated in a start / stop mode as a function of the energy requirement of the application device from start / stop signals of the application device, with a stop signal from the application device Fuel cell system is signaled that the application device has no energy requirement from the fuel cell system, and thereby this stop signal switches the peripheral system of the fuel cell system to a reduced energy requirement of the fuel cell system, which is lower than its energy consumption in idle mode, and whereby a start Signal from the application device to the fuel cell system is signaled when it is necessary to restore normal operation of the fuel cell system, and thereby the normal operation of the fuel cell system by this start signal s is restored.
  • the invention can be used, for example, in motor vehicles, in particular motor vehicle drives, on ships, in particular in ship drives, stationary or mobile energy generation systems, in particular for generating electricity and / or for generating heat.
  • the invention thus also relates to such motor vehicles, ships and systems.
  • FIG. 1 schematically shows an application device with a fuel cell system which can be operated in start / stop mode by an electronic control device according to the invention
  • FIG. 2 shows a diagram of a possible embodiment of the invention as a method and / or as a device
  • Fig. 3 shows schematically a motor vehicle which is designed according to the invention.
  • the device according to the invention shown in FIG. 1 contains a fuel cell system 1 as a supplier of electrical energy 5 and / or as a supplier of thermal energy 6 for an application or application device 2 external to this fuel cell system.
  • the possible energy transmission directions are indicated in FIG. 1 by thermal energy arrows 12 and electrical current energy arrows 14.
  • the application or application device 2 can be a device of any type, which on the one hand requires electrical energy or thermal energy and on the other hand has an energy source 3 for starting the fuel cell system 1.
  • the energy source 3 can be a generator or preferably a rechargeable energy store (battery, capacitor), which can be supplied with energy by the fuel cell system 1 if the fuel cell system 1 can emit electrical energy and / or thermal energy after it has started.
  • the energy source 3 may itself be the application device 2 or, as assumed in the example of FIG. 1, be part of the application device 2. As an example, it is assumed here that the application device 2 is a motor vehicle.
  • the fuel cell system In particular its fuel cell, it requires energy from the energy source 3. With this energy from the energy source 3, the reactions of the fuel cell are set in motion and the fuel cell is brought to operating temperature.
  • the fuel cell system 1 contains a fuel source (not shown) for supplying fuel to the fuel cell.
  • the fuel source can be a gas bottle, which contains the fuel, or a fuel generator, which generates the fuel for the fuel cell from a starting material, for example hydrogen.
  • the fuel cell system 1 contains at least one fuel cell, but preferably one or more stacks, each of which contains a plurality of fuel cells, and an electronic control device (not shown).
  • the application device 2 preferably also contains an electronic control device.
  • the two control devices are functionally connected to one another for data exchange through a data path 8 or to form a control unit.
  • the fuel cell system is operated in a start / stop mode.
  • the application device 2 signals the fuel cell system 1 via the data path 8 by means of a stop signal if the application device 2 has no energy requirement from the fuel cell system 1.
  • This stop signal switches the "peripheral system" of the fuel cell system 1 to a reduced energy requirement of the fuel cell system 1, which is lower than its energy consumption in idle mode.
  • the "peripheral system" of the fuel cell system 1 contains, in addition to the fuel cell (or fuel cell stack), parts required for operating the fuel cell, such as a water pump, a heating device and / or a cooling device for temperature control of the fuel cell of the fuel cell system 1, and a compressor for supplying air Fuel cell, elements for supplying the fuel such as hydrogen, and a fuel source, e.g. B. a gas bottle or a gas generator.
  • a fuel source e.g. B. a gas bottle or a gas generator.
  • the application device 2 If the application device 2 signals the fuel cell system 1 on the data path 8 by means of a start signal that energy is to be made available again, then the fuel cell system 1 is switched back to normal operation by this start signal. This switchover from stop mode to start mode takes place in such a timely manner that the fuel cell system 1 and the application device 2 do not become inoperable due to lack of energy.
  • the start signal and the stop signal can be generated by the application device 2, for example depending on the state of charge of the energy source 3.
  • the start-stop operation takes place while the application device is switched on, e.g. B. the electrical system is switched on in a motor vehicle. As a result, the vehicle remains fully functional even during the stop phase.
  • the peripheral system of the fuel cell system 1, or at least a part thereof is switched off by the stop signal and then switched on again by the start signal.
  • the peripheral system of the fuel cell system 1, or at least a part thereof is not completely, but only to a reduced, limited amount of the stop signal of the application device 2. Energy consumption of the fuel cell system set above zero.
  • the fuel cell system is preferably also during a stop phase depending on at least one operating parameter temporarily switched to normal operation if and as long as there are predetermined deviations from the relevant operating parameter.
  • an operating parameter is, for example, the temperature of the fuel cell and / or a predetermined gas pressure of the fuel for the fuel cell.
  • the operating parameter can be a predetermined value of the application device 2, for example a specific temperature of an air conditioning system or a residual energy value of the energy source 3.
  • the start / stop mode can be switched manually. According to the preferred embodiment, however, it takes place automatically.
  • FIG. 2 shows the ON-switching phase ON and the OFF-switching phase OFF of the application device 2 over a time axis "t" in a lower diagram line 2.1.
  • a diagram line 2.2 which shows the start signals START and stop signals STOP on the Data path 8 represents.
  • the on-on state ON and the off-state OFF of the fuel cell system 1 are shown in a third diagram line 2.3.
  • a fourth diagram line 2.4 above shows that during the start phases 14 after the start signal from the fuel cell system 1, net power is available, which is denoted by "ON”, and during the stop phases 12 after the stop signal the fuel cell system 1 cannot generate net power, which is denoted by "OFF”.
  • a fifth diagram line 2.5 performance curve
  • "ON” and “OFF” and at least one intermediate switch-on phase 16 indicate, as during a stop phase 12 between two successive start phases 14 as a function of one or several operating parameters, the fuel cell system 1 can temporarily be switched on once or several times to normal operation to deliver net power, if this is necessary in order to keep the fuel cell system 1 and / or the application device 2 functional even during a stop phase by providing sufficient energy.
  • a sixth diagram line 2.6 which indicates the start and stop signals of the application device 2 to the fuel cell system 2 for the power according to the fifth diagram curve 2.5.
  • the start and stop signals for the start-stop operation, which result in their phases 12 and 14, are preferably independent of intermediate start and stop signals, which result in their intermediate switch-on phase 16.
  • FIG. 3 schematically shows a motor vehicle 2 as an application device with a fuel cell system 1 and with at least one electrical machine 22, which can draw electrical energy from the fuel cell system 1 to drive the motor vehicle.
  • 3 also shows an energy store 3 as an energy source, for example a battery, and a further device 24 which obtains electricity and / or thermal energy from the fuel cell system 1, for example an air conditioning system, heating, radio and / or navigation system of the motor vehicle 2
  • Electrical machine 22 is preferably either an electric motor or, for. B. driven by vehicle wheels 26, operable as a generator for power generation.
  • the electrical machine 22, the fuel cell system 1, the at least one on-board device 24 and the energy source 3 are functionally connected to one another by an electrical circuit 28.
  • the electrical energy flow is either directly between the fuel cell system 1 and consumers such.
  • the energy source 3 supplies electrical current for starting the fuel cell system 1 and draws electrical current from the fuel cell system 1 after the starting process.
  • the driver can switch the motor vehicle into a ready-to-drive state or into a parked state.
  • the fuel cell system 1 can be operated in the start / stop mode.
  • the circuit 28 contains a circuit part 32 for generating the start and stop signals for the start-stop operation of the fuel cell system 1.
  • the invention is not restricted to motor vehicles which temporarily do not require any energy from the fuel cell system 1 when the on-board electrical system is switched on, but can also be used for other application devices which temporarily require no energy from the fuel cell system 1 and can therefore control the fuel cell system as required.
  • Such applications are, for example, ships and plants for generating electricity and / or heat, e.g. B. in vehicles, on ships, or for residential buildings and / or for factories.
  • the electrical machine 22 may be a marine propulsion engine.
  • the start / stop operation takes place automatically as a function of the higher-level application device 2. This is not a switch-off process for the higher-level application device 2.
  • the start / stop function in motor vehicles can occur, for example, during long descents or when the vehicle is stationary before a traffic light Stop mode can be switched, and / or for heating systems and air conditioning systems when a predetermined temperature is reached, and / or for the e- electrical energy source 3 are switched to stop operation when a predetermined charge state is reached. After these conditions no longer exist, the system automatically switches back to start mode.
  • the net power which the application device 2 takes from the fuel cell of the fuel cell system 1 is greater than or equal to the value zero.
  • the value zero means system idle of the fuel cell system 1, the system being able to deliver net power to the application or the application device 2 immediately if required.
  • the energy requirement of the application device 2 is referred to here as the net power, the energy source 3 being considered here as part of the application device 2.
  • the gross power of the fuel cell which is the combination of the system-internal energy requirement of the fuel cell plus the net power requirement of the application device 2.
  • the application device 2 signals the fuel cell system 1 by means of a start signal on the signal path 8 (electrical, optical, mechanical or magnetic) that there is "energy requirement". Regardless of this, the functionality of the application device 2 may still be available, e.g. B. Driving the motor vehicle by taking energy from the energy store 3. A purely electrical drive of the motor vehicle by one or more electrical machines 22 is thus possible.
  • the fuel flow of the fuel cell system is limited to a minimum (ideally zero).
  • the operational readiness of the fuel cell system 1 is restored by means of the start signal on the signal path 8.
  • the peripheral system parts of the fuel cell system are then operated again in such a way that the fuel cell system 1 is idle and can deliver net power to the application device 2.
  • the start / stop operation of the fuel cell system 1 enables an optimization of the liquid balance of this fuel cell system, since in the stop state there are no or only minimal material conversions of the reaction gases of the fuel cell system.
  • the invention can either be carried out in such a way that a control device of the fuel cell system 1 communicates with the application device 2 during the entire stop phase, or in such a way that the control of the fuel cell system 1 must be “awakened” by the application device in each case.
  • An example of this is shown in the signal configuration in FIG. 2.
  • a stop / start ie the start of a start phase after a stop phase of the start / stop operation of the fuel cell system.
  • tems 1 is possible in an analogous manner to the stop process, depending on the reference criterion for the start of the process.
  • the reference criterion for triggering a start signal by the application device 2 can be, for example, a drop in the charging capacity of the energy source 3 or a deviation from an operating parameter of the fuel cell system 1, for example the deviation of the temperature of the fuel cell from a predetermined operating parameter.
  • the invention has the following advantages in particular: Optimization of the energy consumption of the fuel cell system 1 by the start / stop operation.
  • System components e.g. fuel cell or fuel cell stack, fuel source in the form of a bottle or a tank or a gas generator, media conveying means such as feed pumps, control devices and monitoring devices
  • fuel cell system 1 can be switched off, on stand-by or in operation while a parent application or application device 2 is in operation.
  • the operating media for example fuel and oxygen
  • the temperature of the fuel cell system is in a predetermined operating range, which enables the fuel cell to start quickly Fuel cell system enables is held. In this way, idle operation is avoided, in which, for example, the liquid balance of the fuel cell system and defined flow conditions of the operating media are difficult to adjust.
  • the operating media can be switched off, for example, by valves and / or by switching off the conveying devices for the operating media.
  • the invention achieves easy controllable and energy-saving operation of the fuel cell system.

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Abstract

Brennstoffzellensystem und Verfahren zu dessen Betrieb, bei einer Anwendungsvorrichtung (2), insbesondere bei einem Kraftfahrzeug. Das Brennstoffzellensystem (1) ist in Abhängigkeit vom Energiebedarf von mindestens einer Einrichtung (3) der Anwendungsvorrichtung (2) im Start/Stopp-Betrieb betreibbar, während diese eingeschaltet ist.

Description

Brennstoffzellensystem, seine Anwendung und Verfahren zu seinem
Betrieb
Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem, seine Anwendung und ein Verfahren zu seinem Betrieb gemäß den Patentansprüchen.
BrennstoffZeilensysteme und deren Anwendung in Kraftfahrzeugen sind z. B. aus der DE 199 13 794 AI, WO 98/40922 und WO 99/19161 bekannt.
Demgemäß betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems, welches mindestens eine Brennstoffzelle und ein peripheres System von peripheren Einrichtungen aufweist, welche zum Betrieb der Brennstoffzelle unerlässlich sind, wobei für den Start des Brennstoffzellensystems elektrische Energie aus einer brennstoffzellensystem-systemexternen E- nergiequelle bezogen wird, wobei die Bruttoleistung des Brennstoffzellensystems aus seinem systeminternen Energiebedarf für die Durchführung seiner Funktionen und aus dem als Nettoleis- tungsbedarf bezeichenbaren Leistungsbedarf einer AnwendungsVorrichtung besteht, welche die Energiequelle aufweist, wobei im Normalbetrieb der Nettoleistungsbedarf im Bereich zwischen den Werten von Null, was Leerlaufbetrieb des Brennstoffzellensystems bedeutet, und von größer Null liegt
Ferner betrifft die Erfindung Kraftfahrzeuge, Schiffe, Stromerzeugungsanlagen, Klimaanlagen, Wärme- und/oder Kälteerzeugungsanlagen, welche eine elektrische Energiequelle und ein Brennstoffzellensystem aufweisen, welches gemäß dem Verfahren nach der Erfindung betreibbar ist. Das Brennstoffzellensystem ist ein Lieferant von nutzbarer elektrischer Energie und/oder von nutzbarer Wärmeenergie, welche jeweils für eine systemexterne Anwendung oder Anwendungsvorrichtung geeignet ist, z. B. für Fahrzeugantriebe, Schiffsantriebe, energieverbrauchende Bordeinrichtungen von Fahrzeugen und Schiffen, Industrieanlagen, Haushalte, Datenverarbeitungsanlagen und Datenkommunikationsa- nalgen. Auch ein umgekehrter Transfer von Strom und/oder Wärme von den genannten Anlagen, Einrichtungen, Vorrichtungen und E- nergiequellen zu dem Brennstoffzellensystem ist möglich.
Der Einsatz von BrennstoffZellensystemen beinhaltet neben der eigentlichen Brennstoffzelle (häufig ein oder mehrere Stacks, welche jeweils mehrere Brennstoffzellen enthalten) auch den Betrieb von periphere Aggregaten, die zum Betrieb der Brennstoffzelle unerlässlich sind oder ihn zumindest wesentlich effektiver gestalten. Somit kann zwischen der Bruttoleistung, welche aus dem systeminternen Energiebedarf des Brennsto fzellensystems und dem Bedarf der Anwendungsvorrichtung besteht, und dem Netto-Leistungsbedarf , welches der Bedarf der AnwendungsVorrichtung ist, unterschieden werden. Hieraus ist ersichtlich, dass ein ständiger Energieumsatz im Brennstoffzellensystem auch dann erfolgt, wenn von der Anwendungsvorrichtung keine Leistung bzw. Energie angefordert wird. Die Anwendungsvorrichtung kann aus einem oder mehreren Geräten, Maschinen oder Anlagen bestehen.
Ein besonderes Anwendungsgebiet der Erfindung sind Kraftfahrzeuge, die ein Brennstoffzellensystem aufweisen. Vorzugsweise findet die Erfindung in Kraftfahrzeugen Anwendung, welche keinen Verbrennungsmotor enthalten, sondern nur eine oder mehrere elektrische Maschinen, welche als Elektromotor betriebbar sind zum Antrieb des Kraftfahrzeuges und welche vorzugsweise alternativ auch als Generator zur Stromerzeugung verwendbar sind, beispielsweise wenn das Kraftfahrzeug ohne Energiezufuhr rollt, z. B. bergab oder zur Reduzierung der Fahrgeschwindigkeit. Durch die Erfindung soll die Aufgabe gelöst werden, die Benutzung des Brennstoffzellensystems zu optimieren.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch einen Start/Stopp- Betrieb des Brennstoffzellensystems oder von mindestens einem Teil davon in Abhängigkeit vom Energiebedarf der Anwendung bzw. der Anwendungsvorrichtung gelöst, während die Anwendungsvorrichtung in Betrieb ist.
Demgemäß ist ein Verfahren und dessen Anwendungen gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoffzellensystem in Abhängigkeit vom Energiebedarf der Anwendungsvorrichtung von Start/Stopp-Signalen der Anwendungsvorrichtung in einem Start/Stopp-Betrieb betrieben wird, wobei durch ein Stopp- Signal von der Anwendungsvorrichtung dem Brennstoffzellensystem signalisiert wird, dass die Anwendungsvorrichtung keinen Energiebedarf aus dem Brennstoffzellensystem hat, und dabei durch dieses Stopp-Signal das periphere System des Brennstoffzellensystems auf einen reduzierten Energiebedarf des Brennstoffzellensystems umgeschaltet wird, welcher niedriger als sein Energieverbrauch im Leerlaufbetrieb ist, und wobei durch ein Start- Signal von der Anwendungsvorrichtung dem Brennstoffzellensystem signalisiert wird, wenn die Wiederherstellung des Normalbetriebes des Brennstoffzellensystems erforderlich ist, und dabei durch dieses Start-Signal der Normalbetrieb des Brennstoffzellensystems wieder hergestellt wird.
Gemäß den Patentansprüchen kann die Erfindung beispielsweise in Kraftfahrzeugen, insbesondere Kraftfahrzeugantrieben, auf Schiffen, insbesondere bei Schiffsantrieben, stationäre oder mobilen Energieerzeugungsanlagen, insbesondere zur Stromerzeugung und/oder zur Wärmeerzeugung angewendet werden. Somit betrifft die Erfindung auch solche Kraftfahrzeuge, Schiffe und Anlagen.
Weitere Merkmale der Erfindung sind in den Unteransprüchen enthalten. Die Erfindung wird im Folgenden mit Bezug auf die Zeichnungen anhand von bevorzugten Ausführungsformen als Beispiele beschrieben. In den Zeichnungen zeigen
Fig. 1 schematisch eine Anwendungsvorrichtung mit einem Brennstoffzellensystem, welches durch eine elektronische Steuereinrichtung gemäß der Erfindung im Start/Stopp- Betrieb betreibbar ist,
Fig. 2 ein Diagrammschaubild einer möglichen Ausführungsform der Erfindung als Verfahren und/oder als Vorrichtung,
Fig. 3 schematisch ein Kraftfahrzeug, welches gemäß der Erfindung ausgebildet ist.
Die in Fig. 1 gezeigte Vorrichtung nach der Erfindung enthält ein Brennstoffzellensystem 1 als Lieferant von elektrischer E- nergie 5 und/oder als Lieferant von Wärmeenergie 6 für eine relativ zu diesem Brennstoffzellensystem externe Anwendung oder Anwendungsvorrichtung 2. Die elektrische Energie 5 und/oder die Wärmeenergie 6 sind vorzugsweise in Abhängigkeit vom Betriebs- zustand der verschiedenen Teile auch in umgekehrter Richtung ü- bertragbar, d. h. von der Anwendungsvorrichtung 2 zum Brennstoffzellensystem 1. Die möglichen Energieübertragungsrichtungen sind in Fig. 1 durch Wärmeenergiepfeile 12 und elektrische Stromenergiepfeile 14 angedeutet. Die Anwendung oder Anwendungsvorrichtung 2 kann eine Vorrichtung oder Anlage von beliebiger Art sein, welche einerseits elektrische Energie oder Wärmeenergie benötigt und andererseits eine Energiequelle 3 zum Starten des Brennstoffzellensystems 1 aufweist. Die Energiequelle 3 kann ein Generator oder vorzugsweise ein wiederaufladbarer Energiespeicher sein (Batterie, Kondensator) , welcher von dem Brennstoffzellensystem 1 mit Energie versorgbar ist, wenn das Brennstoffzellensystem 1 nach seinem Startvorgang elektrische Energie und/oder Wärmeenergie abgeben kann. Die Energiequelle 3 kann selbst die Anwendungsvorrichtung 2 sein oder, wie bei dem Beispiel von Fig. 1 angenommen, ein Teil der Anwendungsvorrichtung 2 sein. Als Beispiel wird hier angenommen, dass die Anwendungsvorrichtung 2 ein Kraftfahrzeug ist.
Für den Start des Brennstoffzellensystems 1, insbesondere von dessen Brennstoffzelle, benötigt es Energie von der Energiequelle 3. Mit dieser Energie aus der Energiequelle 3 werden die Reaktionen der Brennstoffzelle in Gang gesetzt und die Brennstoffzelle auf Betriebstemperatur gebracht.
Das Brennstoffzellensystem 1 enthält eine (nicht gezeigte) Brennstoffquelle zur Zufuhr von Brennstoff zur Brennstoffzelle. Die Brennstoffquelle kann eine Gasflasche sein, welche den Brennstoff enthält, oder ein Brennstofferzeuger, welcher aus einem Ausgangsmaterial den Brennstoff für die Brennstoffzelle erzeugt, beispielsweise Wasserstoff.
Das Brennstoffzellensystem 1 enthält mindestens eine Brennstoffzelle, vorzugsweise jedoch ein oder mehrere Stacks, die jeweils mehrere Brennstoffzellen enthalten, und eine (nicht gezeigte) elektronische Steuereinrichtung. Die Anwendungsvorrich- tung 2 enthält vorzugsweise ebenfalle eine elektronische Steuereinrichtung. Die beiden Steuereinrichtungen sind zum Datenaustausch durch einen Datenweg 8 funktionsmäßig oder zu einer Steuereinheit miteinander verbunden.
Gemäß der Erfindung wird das Brennstoffzellensystem in einem Start/Stopp-Betrieb betrieben. Für diesen Start/Stopp-Betrieb signalisiert die Anwendungsvorrichtung 2 dem Brennstoffzellensystem 1 über den Datenweg 8 durch ein Stopp-Signal, wenn die Anwendungsvorrichtung 2 keinen Energiebedarf aus dem Brennstoffzellensystem 1 hat. Durch dieses Stopp-Signal wird das "periphere System" des Brennstoffzellensystems 1 auf einen reduzierten Energiebedarf des Brennstoffzellensystems 1 umgeschaltet, welcher niedriger als sein Energieverbrauch im Leerlaufbetrieb ist. Das "periphere System" des Brennstoffzellensystems 1 enthält zusätzlich zur Brennstoffzelle (oder Brennstoffzellen-Stack) für den Betrieb der Brennstoffzelle erforderliche Teile wie beispielsweise eine Wasserpumpe, eine Heizvorrichtung und/oder eine Kühlvorrichtung zur Temperierung der Brennstoffzelle des Brennstoffzellensystems 1, einen Kompressor zur Luftzufuhr zur Brennstoffzelle, Elemente zur Zufuhr des Brennstoffes wie beispielsweise Wasserstoff, und eine Brennstoffquelle, z. B. eine Gasflasche oder einen Gaserzeuger.
Wenn die Anwendungsvorrichtung 2 dem Brennstoffzellensystem 1 auf dem Datenweg 8 durch ein Start-Signal signalisiert, dass wieder Energie bereitgestellt werden soll, dann wird durch dieses Start-Signal das Brennstoffzellensystem 1 wieder auf Normalbetrieb umgeschaltet. Dieses Umschalten von Stopp-Betrieb auf Start-Betrieb erfolgt jeweils so rechtzeitig, dass das Brennstoffzellensystem 1 und die Anwendungsvorrichtung 2 nicht mangels Energie funktionsunfähig werden. Das Start-Signal und das Stopp-Signal können von der Anwendungsvorrichtung 2 beispielsweise in Abhängigkeit vom Ladezustand der Energiequelle 3 erzeugbar sein.
Der Start-Stopp-Betrieb erfolgt während die Anwendungsvorrichtung eingeschaltet ist, z. B. in einem Kraftfahrzeug das elektrische Bordnetz eingeschaltet ist. Dadurch bleibt das Fahrzeug auch während der Stopp-Phase vollständig funktionsfähig.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird das periphere System des Brennstoffzellensystems 1, oder mindestens ein Teil davon, durch das Stopp-Signal abgeschaltet und durch das Start- Signal dann wieder eingeschaltet .
Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung wird das periphere System des Brennstoffzellensystems 1, oder mindestens ein Teil davon, durch das Stopp-Signal der Anwendungsvorrichtung 2 nicht vollständig, sondern nur auf einen reduzierte, ü- ber dem Wert Null gelegenen Energieverbrauch des Brennstoffzellensystems eingestellt.
Damit die Anlaufzeit des Brennstoffzellensystems 1, bis es nach Erhalt des Start-Signals am Ende der Stopp-Phase wieder Nettoenergie für die Anwendungsvorrichtung oder deren Energiespeicher 3 erzeugen kann, nicht eine zu lange Zeitdauer benötigt, wird das Brennstoffzellensystem vorzugsweise auch während einer Stopp-Phase in Abhängigkeit von mindestens einem Betriebsparameter temporär auf Normalbetrieb geschaltet, wenn und solange vorbestimmte Abweichungen von dem betreffenden Betriebsparameter vorliegen. Ein solcher Betriebsparameter ist beispielsweise die Temperatur der Brennstoffzelle und/oder ein vorbestimmter Gasdruck des Brennstoffes für die Brennstoffzelle. Ferner kann der Betriebsparameter ein vorbestimmter Wert der AnwendungsVorrichtung 2 sein, beispielsweise eine bestimmte Temperatur einer Klimaanlage oder ein Restenergiewert der Energiequelle 3.
Vom Prinzip her ist der Start/Stopp-Betrieb manuell schaltbar. Gemäß der bevorzugten Ausführungsform erfolgt er jedoch automatisch.
Fig. 2 zeigt über einer Zeitachse "t" in einer unteren Diagrammlinie 2.1 die Ein-Schaltphase EIN und die Aus-Schaltphase AUS der Anwendungsvorrichtung 2. Darüber befindet sich eine Diagrammlinie 2.2, welche die Start-Signale START und Stopp- Signale STOPP auf dem Datenweg 8 darstellt. Entsprechend diesen Signalen ist in einer dritten Diagrammlinie 2.3 der Ein- Schaltzustand EIN und der Aus-Schaltzustand AUS des Brennstoffzellensystems 1 gezeigt. Eine darüber befindliche vierte Diagrammlinie 2.4 zeigt, dass während den Start-Phasen 14 nach dem Start-Signal von dem Brennstoffzellensystem 1 Nettoleistung zur Verfügung steht, was mit "EIN" bezeichnet ist, und dass während den Stopp-Phasen 12 nach dem Stopp-Signal das Brennstoffzellensystem 1 keine Nettoleistung erzeugen kann, was mit "AUS" bezeichnet ist. In einer fünften Diagrammlinie 2.5 (Leistungskennlinie) von Fig. 2 ist durch "EIN" und "AUS" und mindestens eine Zwischen- Einschaltphase 16 angegeben, wie während einer Stopp-Phase 12 zwischen zwei aufeinander folgenden Start-Phasen 14 in Abhängigkeit von einem oder mehreren Betriebsparametern das Brennstoffzellensystem 1 temporär einmal oder mehrmals auf Normalbetrieb zur Abgabe von Nettoleistung einschaltbar sein kann, falls dies erforderlich ist, um das Brennstoffzellensystem 1 und/oder die Anwendungsvorrichtung 2 durch ausreichende Energiebereitstellung auch während einer Stopp-Phase funktionsfähig zu halten. Darüber befindet sich eine sechste Diagrammlinie 2.6, welches die Start- und Stopp-Signale der AnwendungsVorrichtung 2 an das Brennstoffzellensystem 2 angibt für die Leistung gemäß der fünften Diagrammkurve 2.5. Vorzugsweise sind die Start- und Stopp-Signale für den Start-Stopp-Betrieb, welche deren Phasen 12 und 14 ergeben, unabhängig von Zwischenstart- und Zwischenstopp-Signalen, welche deren Zwischen- Einschaltphase 16 ergeben.
Fig. 3 zeigt schematisch ein Kraftfahrzeug 2 als AnwendungsVorrichtung mit einem Brennstoffzellensystem 1 und mit mindestens einer elektrischen Maschine 22, welche von dem Brennstoffzellensystem 1 elektrische Energie entnehmen kann zum Antrieb des Kraftfahrzeuges. Ferner zeigt Fig. 3 einen Energiespeicher 3 als Energiequelle, beispielsweise eine Batterie, und eine weitere, Strom- und/oder Wärmeenergie von dem Brennstoffzellensystem 1 beziehende Einrichtung 24, beispielsweise eine Klimaanlage, Heizung, Radio- und/oder Navigationsanlage des Kraftfahrzeuges 2. Die elektrische Maschine 22 ist vorzugsweise wahlweise als Elektromotor oder, z. B. angetrieben von Fahrzeugrädern 26, als Generator zur Stromerzeugung betreibbar. Die elektrische Maschine 22, das Brennstoffzellensystem 1, die mindestens eine Bordeinrichtung 24 und die Energiequelle 3 sind durch eine elektrische Schaltung 28 funktionsmäßig miteinander verbunden. Je nach Ausführungsform dieser elektrischen Schaltung 28 geht der elektrische Energiefluß entweder direkt zwischen dem Brennstoffzellensystem 1 und Verbrauchern wie z. B. der elektrischen Maschine 22 und der Einrichtung 24, oder vorzugsweise jeweils indirekt durch Zwischenspeicherung in der Energiequelle 3. Die Energiequelle 3 liefert elektrischen Strom zum Starten des Brennstoffzellensystems 1 und bezieht nach dem Startvorgang e- lektrischen Strom aus dem Brennstoffzellensystem 1. Durch Einschalten oder Ausschalten eines elektrischen Bordnetzes 30 kann das Kraftfahrzeug von einem Fahrer in einen fahrbereiten Zustand oder in einen Parkzustand geschaltet werden. Nach dem Einschalten des Bordnetzes 30 ist das Brennstoffzellensystem 1 im Start/Stopp-Betrieb betreibbar. Die Schaltung 28 enthält einen Schaltungsteil 32 zur Erzeugung der Start- und Stopp- Signale für den Start-Stopp-Betrieb des Brennstoffzellensystems 1.
Die Erfindung ist nicht auf Kraftfahrzeuge beschränkt , welche bei eingeschaltetem elektrischen Bordnetz temporär keine Energie von dem Brennstoffzellensystem 1 benötigen, sondern auch auf andere Anwendungsvorrichtungen anwendbar, welche temporär keine Energie von dem Brennstoffzellensystem 1 benötigen und deshalb das Brennstoffzellensystem bedarfsabhängig steuern können. Solche Anwendungen sind beispielsweise auch Schiffe und Anlagen zur Erzeugung von Strom und/oder von Wärme, z. B. in Fahrzeugen, auf Schiffen, oder für Wohngebäude und/oder für Fabriken. Bei Schiffen kann die elektrische Maschine 22 ein Schiffsantriebsmotor sein.
Im folgenden werden weitere Varianten und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung beschrieben.
Der Start/Stopp-Betrieb erfolgt automatisch in Abhängigkeit von der übergeordneten Anwendungsvorrichtung 2. Hierbei handelt es sich nicht um einen Abschaltvorgang für die übergeordnete Anwendungsvorrichtung 2. Die Start/Stopp-Funktion kann bei Kraftfahrzeugen beispielsweise bei langen Abfahrten oder bei Fahrzeugstillstand vor einer Verkehrsampel auf Stopp-Betrieb geschaltet werden, und/oder für Heizsysteme und Klimaanlagen bei Erreichen einer vorbestimmten Temperatur, und/oder für die e- lektrische Energiequelle 3 bei Erreichen eines vorbestimmten Ladezustandes auf Stopp-Betrieb geschaltet werden. Nach Wegfall dieser Bedingungen wird automatisch wieder auf Start-Betrieb umgeschaltet .
Im Normalbetrieb ist die Nettoleistung, welche die Anwendungsvorrichtung 2 der Brennstoffzelle des Brennstoffzellensystem 1 entnimmt, größer oder gleiche dem Wert Null. Der Wert Null bedeutet Systemleerlauf des Brennstoffzellensystems 1, wobei das System sofort in der Lage ist, bei Bedarf Nettoleistung an die Anwendung bzw. die Anwendungsvorrichtung 2 abzugeben. Als Nettoleistung wird hier der Energiebedarf der Anwendungsvorrich- tung 2 bezeichnet, wobei hier die Energiequelle 3 als Teil der Anwendungsvorrichtung 2 betrachtet wird. Zu unterscheiden hiervon ist die Bruttoleistung der Brennstoffzelle, welches die Kombination aus systeminternem Energiebedarf der Brennstoffzelle plus dem Nettoleistungsbedarf der Anwendungsvorrichtung 2 ist .
Die Anwendungsvorrichtung 2 signalisiert dem Brennstoffzellensystem 1 durch ein Start-Signal auf dem Signalweg 8 (elektrisch, optisch, mechanisch oder magnetisch) , dass "Energiebedarf" besteht. Unabhängig davon kann die Funktionalität der Anwendungsvorrichtung 2 weiterhin verfügbar sein, z. B. Fahren des Kraftfahrzeuges durch Energieentnahme aus dem Energiespeicher 3. Somit ist ein rein elektrischer Antrieb des Kraftfahrzeuges durch eine oder mehrere elektrische Maschinen 22 möglich.
Das periphere System der Brennstoffzelle (Stack oder Stacks) , welches zum Brennstoffzellensystem 1 gehört und beispielsweise eine Gasverdichtungseinheit, Gebläse, Lüfter, Pumpen, Schaltventile und weitere Elemente enthalten kann, wird durch das Stopp-Signal abgeschaltet oder in weiten Teilen auf einem Minimum-Energiebedarf der Brennstoffzelle betrieben, so dass deren Energieverbrauch unter dem Bedarf bei System-Leerlauf liegt, und somit nicht in der Lage ist, auf Anforderung sofort (bei- spielsweise = 0,1 sec) Nettoleistung abzugeben. Der Brennstoffluss des Brennstoffzellensystems ist auf ein Minimum (Idealfall gleich Null) begrenzt.
Die Wiederherstellung der Betriebsbereitschaft des Brennstoffzellensystems 1 erfolgt mittels des Start-Signals auf dem Signalweg 8. Danach werden die peripheren Systemteile des Brennstoffzellensystems wieder so betrieben, dass das Brennstofff- zellensystem 1 sich im Leerlauf befindet und Nettoleistung an die AnwendungsVorrichtung 2 abgeben kann.
Durch Auswertung von einem oder mehreren Systemparametern, z. B Temperaturen und/oder Ladezustand eines Energiespeichers wie beispielsweise des Energiespeichers 3 der Anwendungsvorrichtung 2, kann mittels automatisch ablaufender Systemalgorithmen sicher gestellt werden, dass sich das Brennstoffzellensystem 1 immer im Bereich der Betriebsparameter befindet. Ein Beispiel hierzu ist in Fig. 2 durch den EIN-Zustand des Brennstoffzellensystems 1 im Kurvenabschnitt 16 der fünften Diagrammkurve 2.5 dargestellt.
Ferner wird durch den Start/Stopp-Betrieb des Brennstoffzellensystems 1 eine Optimierung des Flüssigkeitshaushaltes dieses Brennstoffzellensystems ermöglicht, da im Stopp-Zustand keine oder nur minimale StoffUmsetzungen der Reaktionsgase des Brennstoffzellensystems stattfinden.
Die Erfindung kann entweder derart ausgeführt werden, dass eine Steuereinrichtung des Brennstoffzellensystems 1 während der gesamten Stopp-Phase mit der Anwendungsvorrichtung 2 kommuniziert, oder derart, dass die Steuerung des Brennstoffzellensystems 1 von der Anwendungsvorrichtung jeweils "geweckt" werden muss. Ein Beispiel hierfür zeigt die Signalkonfiguration von Fig. 2.
Ein Stopp/Start, d. h. das Starten einer Start-Phase nach einer Stopp-Phase des Start/Stopp-Betriebes des Brennstoffzellensys- tems 1 ist in analoger Weise wie der Stopp-Vorgang möglich, je nach Bezugskriterium für den Beginn des Vorganges. Das Bezugskriterium für das Auslösen eines Start-Signales durch die Anwendungsvorrichtung 2 kann beispielsweise ein Abfallen der Ladekapazität der Energiequelle 3 oder das Abweichen von einem Betriebsparameter des Brennstoffzellensystems 1 sein, beispielsweise das Abweichen der Temperatur der Brennstoffzelle von einem vorbestimmten Betriebsparameter.
Die Erfindung hat insbesondere folgende Vorteile: Optimierung des Energieverbrauches des Brennstoffzellensystems 1 durch den Start/Stopp-Betrieb.
Optimierung des Flüssigkeitshaushaltes des Brennstoffzellensystems durch den Start/Stopp-Betrieb.
Aufrechterhaltung der Betriebsfähigkeit des Brennstoffzellensystems im Stopp-Status durch bedarfsabhängige Betriebsphasen desselben (entsprechend Einschaltphase 16 auf der Diagrammkurve 2.5 von Fig. 2) .
Neustart des Brennstoffzellensystems nach einer Stopp-Phase durch extern bereitgestellte Energie bis zur Selbstversorgung des Brennstoffzellensystems.
Die Betriebsfreigabe und Funktionsfähigkeit einer oder mehrerer übergeordneter Anwendungen oder Anwendungsvorrichtungen 2 ist bei dem Start/Stopp-Betrieb nicht beeinträchtigt. Systemkomponenten (z. B. Brennstoffzelle oder Brennstoffzellen- Stack, Brennstoffquelle in Form einer Flasche oder eines Tankes oder eines Gaserzeugers, Medienfördermittel wie beispielsweise Förderpumpen, Steuerungseinrichtungen und Überwachungseinrichtungen) des Brennstoffzellensystems 1 können abgeschaltet, auf Stand-by oder in Betrieb sein, während eine übergeordnete Anwendung oder Anwendungsvorriehtung 2 sich in Betrieb befindet.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden in dem Stopp-Betrieb des Brennstoffzellensystems die Betriebsmedien (beispielsweise Brennstoff und Sauerstoff) abgeschaltet, während die Temperatur des Brennstoffzellensystems in einem vorbestimmten Betriebsbereich, der einen schnellen Start des Brennstoffzellensystems ermöglicht, gehalten wird. Auf diese Weise wird ein Leerlaufbetrieb vermieden, in welchem beispielsweise der Flüssigkeitshaushalt des Brennstoffzellensystems und definierte Strömungsverhältnisse der Betriebsmedien nur schwer einstellbar sind.
Die ausreichende Temperierung des Brennstoffzellensystems für einen schnellen Start kann je nach dessen Wärmekapazität und Wärmeisolation bei kurzen Stopp-Phasen ohne aktive Temperierung gewährleistet sein. Bei längeren Stopp-Phasen erfolgt vorzugsweise eine aktive Temperierung beispielsweise durch einen Start des Brennstoffzellensystems oder durch eine externe Temperiervorrichtung.
Das Abschalten der Betriebsmedien kann beispielsweise durch Ventile und/oder durch Abschalten der Fördereinrichtungen für die Betriebsmedien erfolgen.
Durch die Erfindung wird ein gut regelbarer und energiesparender Betrieb des Brennstoffzellensystems erreicht.

Claims

Patentansprüche
Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems (1) , welches mindestens eine Brennstoffzelle und ein periphe- res System von peripheren Einrichtungen aufweist, welche zum Betrieb der Brennstoffzelle unerlässlich sind, wobei für den Start des Brennstoffzellensystems (1) elektrische Energie aus einer brennstoffzellensystem-systemexternen Energiequelle (3) bezogen wird, wobei die Bruttoleistung des Brennstoffzellensystems (1) aus seinem systeminternen Energiebedarf für die Durchführung seiner Funktionen und aus dem als Nettoleistungsbedarf bezeichenbaren Leistungsbedarf einer Anwendungsvorrichtung (2) besteht, welche die Energiequelle (3) aufweist, wobei im Normalbetrieb der Nettoleistungsbedarf im Bereich zwischen den Werten von Null, was Leerlaufbetrieb des Brennstoffzellensystems bedeutet, und von größer Null liegt, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoffzellensystem (1) in Abhängigkeit vom Energiebedarf der Anwendungsvorrichtung (2) von Start/Stopp-Signalen der Anwendungsvorrichtung in einem Start/Stopp-Betrieb betrieben wird, wobei durch ein Stopp-Signal von der Anwendungsvorrichtung dem Brennstoffzellensystem (1) signalisiert wird, dass die Anwendungsvorrichtung (2) keinen Energiebedarf aus dem Brennstoffzellensystem (1) hat, und dabei durch dieses Stopp- Signal das periphere System des Brennstoffzellensystems auf einen reduzierten Energiebedarf des Brennstoffzellensystems umgeschaltet wird, welcher niedriger als sein E- nergieverbrauch im Leerlaufbetrieb ist, und wobei durch ein Start-Signal von der Anwendungsvorriehtung (2) dem Brennstoffzellensystem (1) signalisiert wird, wenn die Wiederherstellung des Normalbetriebes des Brennstoffzellensystems (1) erforderlich ist, und dabei durch dieses Start-Signal der Normalbetrieb des Brennstoffzellensystems (1) wieder hergestellt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoffzellensystem (1) , oder mindestens ein Teil davon, durch das Stopp-Signal der AnwendungsVorrichtung (2) abgeschaltet und durch das Start-Signal dann wieder eingeschalte wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoffzellensystem (1) , oder mindestens ein Teil davon, durch das Stopp-Signal der Anwendungsvorrichtung (2) auf einen reduzierten, jedoch über dem Wert Null gelegenen Energieverbrauch des Brennstoffzellensystems eingestellt wird.
4. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoffzellensystem (1) in Abhängigkeit von mindestens einem Betriebsparameter auch während einer Start/Stopp-Phase automatisch auf Normalbetrieb geschaltet wird, wenn und solange der Betriebsparameter von einem vorbestimmten Wert abweicht.
5. Verfahren nach Anspruch 4 , dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Betriebsparameter die Temperatur von mindestens einem Teil des Brennstoffzellensystems (1) ist .
6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Betriebsparameter der Ladezustand der elektrischen Energiequelle (3) ist, mit welcher das Brennstoffzellensystem (1) zum Energietransfer verbunden oder verbindbar ist .
7. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Start/Stopp-Betrieb automatisch erfolgt.
8. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass die Anwendungsvorriehtung (2) ein Kraf fahrzeug ist, welches eine elektrische Energiequelle (3) und ein Brennstoffzellensystem (1) aufweist, wobei das Stopp-Signal für den Start/Stopp-Betrieb erzeugbar ist, wenn das Kraftfahrzeug (2) temporär keinen Energiebedarf von dem Brennstoffzellensystem (1) hat, während ein elektrisches Bordnetz des Kraftfahrzeuges eingeschaltet ist, und dass das Start-Signal erzeugbar und dadurch das Brennstoffzellensystem wieder auf Normalbetrieb schaltbar ist, wenn das Kraftfahrzeug von dem Brennstoffzellensystem (1) wieder Energiebedarf hat .
9. Verfahren nach Anspruch 8 , dadurch gekennzeichnet, dass das Stopp-Signal für den Start/Stopp-Betrieb erzeugt wird, wenn mindestens eine der folgenden Situationen gegeben ist: das Kraftfahrzeug rollt ohne Antriebsenergie zu erzeugen, z. B. auf einer langen Abfahrt, das Kraftfahrzeug hält temporär an, ohne dass das elektrische Bordnetz ausgeschaltet wird, z. B. vor einer Ampel, oder die Energiequelle (3) hat eine vorbestimmte Höchstenergiemenge gespeichert; und dass nach Wegfall dieser Bedingung das Start-Signal automatisch erzeugt wird, sofern zu diesem Zeitpunkt das elektrische Bordnetz noch eingeschaltet ist.
10. Kraftfahrzeug, enthaltend eine elektrische Energiequelle (3) und ein Brennstoffzellensystem (1) , welches mit Energie aus der Energiequelle (3) startbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoffzellensystem (1) gemäß dem Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche in Abhängigkeit von Start-Signalen und Stopp-Signalen im Start/Stopp-Betrieb betreibbar ist, während ein elektrisches Bordnetz eingeschaltet ist.
11. Schiff, enthaltend eine Energiequelle (3) und ein Brennstoffzellensystem (1) , das mit Energie aus der Energiequelle (3) startbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoffzellensystem (1) gemäß dem Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7 in Abhängigkeit von Start-Signalen und Stopp-Signalen im Start/Stopp-Betrieb betreibbar ist, während ein elektrisches Bordnetz eingeschaltet ist.
12. Energiekraftwerk, enthaltend eine Energiequelle (3) und ein Brennstoffzellensystem (1) , welches mit Energie aus der Energiequelle (3) startbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoffzellensystem (1) gemäß dem Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7 in Abhängigkeit von Start-Signalen und Stopp-Signalen im Start/Stopp-Betrieb betreibbar ist.
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