燃料电池系统和用于运行燃料电池系统的方法技术方案

本发明专利技术涉及燃料电池系统和用于控制这种燃料电池系统（100）的方法，该燃料电池系统具有：燃料电池堆（10），用于根据功率要求提供电功率Pstack；至少一个辅助机组（24、26、33、34、38），用于以电功率消耗Paux来运行燃料电池堆（10）；具有电功率索取Puse的至少一个耗电器（44、51）；和控制单元（60），用于提出功率要求。规定：控制单元（60）被设立用于：使燃料电池系统（100）可选地在第一运行模式下或者在第二运行模式下运行，其中燃料电池堆（10）根据运行模式在低于燃料电池系统（100）的效率最优的工作点P(ηmax)或者燃料电池堆（10）的最低工作点Pmin时被切断。尤其，在第一运行模式下，在低于效率最优的工作点P(ηmax)时也切断至少一个辅助机组（24、26、33、34、38）。

Fuel cell system and method for operating a fuel cell system

The invention relates to a fuel cell system and used to control the fuel cell system (100) method, with the fuel cell system: fuel cell stack (10), according to the power requirements of electric power Pstack; at least one auxiliary unit (24, 26, 33, 34, 38), used in electric power consumption Paux to run the fuel cell stack (10); having at least one electric power consumption for Puse (44, 51); and a control unit (60), for the proposed power requirements. Requirements: a control unit (60) is set up for the fuel cell system (100) optionally in a first mode of operation or operation in the second operating mode, the fuel cell stack (10) according to the operation mode in the fuel cell system (100) is lower than the efficiency of the optimal working point of P (max) or the fuel cell stack (10) is the lowest point when the Pmin cut off. Especially, in the first operation mode, in the lower efficiency of the optimal operating point of P (max) is cut off at least one auxiliary unit (24, 26, 33, 34, 38).

【技术实现步骤摘要】
燃料电池系统和用于运行燃料电池系统的方法
本专利技术涉及一种燃料电池系统和一种用于运行燃料电池系统的方法。此外，本专利技术涉及一种具有这种燃料电池系统的车辆。
技术介绍
燃料电池利用燃料与氧气的化学反应生成水，以便产生电能。为此，作为核心部件，燃料电池包含所谓的膜电极装置（MEA代表：membraneelectrodeassembly（膜电极组）），所述膜电极装置是由传导离子的（大多传导质子的）膜和分别一个被布置在所述膜两侧上的催化电极（阳极和阴极）构成的结构。通常，燃料电池由多个被布置成堆（stack）的MEA来形成，所述MEA的电功率相加。在各个膜电极装置之间，通常布置有双极板（也称作流动区域板或者隔离板），所述双极板保证了给单电池供应运行介质、即反应物并且通常也用于冷却。此外，所述双极板负责与膜电极装置的导电接触。燃料电池系统可以在开始-停止模式下运行，在所述开始-停止模式中，在正常运行模式以及备用模式之间进行切换，在所述正常运行模式下运行燃料电池，用来产生电流。通常，如果不存在对燃料电池的功率要求，那么通常设定备用模式。在电动车辆的情况下，这例如是在此期间车辆停下（例如信号灯停下）时、在滑行时或者在下坡行驶时的情况。在备用模式下，部分或者完全停止将资源输送到燃料电池，并且通常使燃料电池堆的电压保持到低于每单电池0.85伏特的电压上、尤其是保持到低于每单电池0.4伏特的电压上，尤其是以便阻止燃料电池堆的损坏。为了运行燃料电池堆，多个辅助机组是必需的。视燃料电池系统而定，所述辅助机组中的多个辅助机组都可具有空气压缩机、再循环风扇、冷水泵、阀门、传感器等等中的至少一个。这些部件的功率消耗可以被称作寄生功率消耗Paux，因为所述寄生功率消耗Paux虽然必须由燃料电池堆来提供，但是不供外部耗电器支配。因此，燃料电池系统的供外部耗电器支配的净功率Pnetto作为由所述堆产生的功率Pstack与寄生功率消耗Paux的差来得出。因为供外部耗电器（例如供电驱动装置）支配的功率按照Pnetto=Pstack-Paux减小了所述寄生功率，所以所述燃料电池系统的净功率Pnetto始终低于所述燃料电池堆的功率Pstack。燃料电池系统的效率η描述了系统功率与堆功率之比，并且取决于所有在系统链之内的转换损耗。因此，得出燃料电池系统的有效功率为Psystem=η*Pstack。根据燃料电池系统或燃料电池车辆的运行状态，系统链可具有不同的等级，例如燃料电池堆、能量转换器、在电池组中的再充电和存储损耗、电驱动装置和/或辅助机组和耗电器。尤其是在低负载的情况下，例如由于在备用模式下的低的电流消耗，与堆功率相比，供支配的有效功率由于所运行的辅助机组而过度地降低，并且因此所述燃料电池系统的效率过度地降低。此外，适用于系统效率η=Psystem/Pstack并且其中Psystem≤Pnetto=Pstack-Paux，因此尤其是η≤1-Paux/Pstack。由此也产生：例如在达到低负载区域时，在堆功率下降的情况下效率下降，所述低负载区域可以通过Pstack<10*Paux、Pstack<5*Paux或者Pstack<2*Paux来限定。根据现有技术，与负载有关的用于将燃料电池系统转变到备用模式的方法已经是公知的。US2014/0272657A1公开了一种用于一旦功率索取低于确定的极限值就将燃料电池系统转变到备用模式的方法。在备用模式下，燃料电池堆被切断，并且阴极供应装置中的压缩机以最小速度继续运行。在此，压缩机的空转使得能够快速地重新起动系统，然而同时降低了在备用模式下可实现的效率最优化。在按照US8952649B2的用于切断燃料电池系统的方法中，在低于最低功率索取时也切断燃料电池堆。被布置在阴极供应装置中的压缩机首先被置于动态的备用模式下，并且一直在空转中继续运行，直至对于空转运行所需的能量Eidle超过为了开动压缩机所需的能量Eup。也只有在那时，压缩机才被置于静态的备用模式下并且完全被切断。在按照US2011/0087389A1的用于切断燃料电池系统的方法中，考虑到车辆层面和到燃料电池系统层面的准入标准。在此，到车辆层面的准入标准例如包括变速杆的位置、负载索取和电池组的充电状态。到系统层面的准入标准例如包括运行时长和燃料电池堆的温度。因此，如果燃料电池堆的重新起动在能量方面会是不利的，那么应该避免切断备用模式下的燃料电池堆。利用从现有技术公知的用于切断燃料电池系统的方法，始终试图找到在燃料电池系统的优化的效率与优化的动态性之间的折衷。然而，尤其是在将燃料电池系统布置在车辆中时，这样复杂的控制方法常常导致不符合期望的效果和整体上降低的动态性和整体上降低的效率。
技术实现思路
现在，本专利技术所基于的任务是提出一种燃料电池系统和一种用于运行燃料电池系统的方法，其中不仅可以实现所述燃料电池系统的最优的效率并且可以实现所述燃料电池系统的最优的动态性。此外，所述运行方法应该能简单地应用到现有的燃料电池系统上并且能够实现程度高的交互。该任务通过一种具有权利要求1的特征的燃料电池系统、通过一种具有这种燃料电池系统的车辆以及通过一种按照权利要求10所述的用于运行燃料电池系统的方法来解决。按照本专利技术的任务通过如下燃料电池系统来解决，所述燃料电池系统具有：用于根据功率要求提供电功率Pstack的燃料电池堆、所述燃料电池堆的具有电功率消耗Paux的至少一个辅助机组、具有电功率要求Puse的至少一个耗电器和用于提出功率要求的控制单元。按照本专利技术的燃料电池系统的控制单元被设立用于：使所述燃料电池系统可选地在第一运行模式下或者在第二运行模式下运行，并且在第一运行模式下一旦低于所述燃料电池系统的效率最优的工作点P(ηmax)就切断燃料电池堆，并且在第二运行模式下一旦低于所述燃料电池堆的最低工作点Pmin就切断所述燃料电池堆。因此，按照本专利技术，燃料电池系统可以可选地在效率优化的第一运行模式下或者功率优化的第二运行模式下运行。在所述燃料电池系统的效率最优的工作点P(ηmax)上，比在所述燃料电池堆的最低工作点Pmin上进行燃料电池堆的更高的电流消耗。因此，所述燃料电池堆在第一运行模式下比在第二运行模式下在更高的电流消耗的情况下被切断。因此，最小负载在第一运行模式下比在第二运行模式下更高，在低于所述最小负载时切断燃料电池堆。如开头所描述的那样，燃料电池系统在低负载区域内具有特别差的效率η。如果燃料电池堆的电流消耗降低，那么燃料电池系统增加地到达低负载区域。按照本专利技术，燃料电池堆在所述堆的电流消耗降低的情况下在第一运行模式下比在第二运行模式下明显更早地被切断。因此，在第一运行模式下，在燃料电池堆的运行时间上比在第二运行模式下实现更好的效率。在第二运行模式下，因为燃料电池堆在另一运行区域上保持可用，所以实现了燃料电池系统的改善的动态性。尤其是，在第二运行模式下，燃料电池堆在功率要求升高时从低负载区域出来不必首先费时地来开动。通过可选地使燃料电池系统在第一运行模式或者第二运行模式下运行，在特别高的程度上实现了分别与运行模式相关联的优点。在一种优选的实施方式中，控制单元被设立用于使燃料电池系统自动地在第一与第二运行模式中的一个模式下运行。特别优选地，控制本文档来自技高网...

【技术保护点】
燃料电池系统（100），具有：燃料电池堆（10），用于根据功率要求提供电功率Pstack；至少一个辅助机组（24、26、33、34、38），用于以电功率消耗Paux来运行所述燃料电池堆；具有电功率索取Puse的至少一个耗电器（44、51）；和控制单元（60），用于提出功率要求，其特征在于，所述控制单元（60）被设立用于：使所述燃料电池系统（100）可选地在第一运行模式下或者在第二运行模式下运行；在所述第一运行模式下，一旦低于所述燃料电池系统（100）的效率最优的工作点P(ηmax)，就切断所述燃料电池堆（10），并且在所述第二运行模式下，一旦低于所述燃料电池堆（10）的最低工作点Pmin，就切断所述燃料电池堆（10）。

【技术特征摘要】
2016.03.09 DE 102016203866.41.燃料电池系统（100），具有：燃料电池堆（10），用于根据功率要求提供电功率Pstack；至少一个辅助机组（24、26、33、34、38），用于以电功率消耗Paux来运行所述燃料电池堆；具有电功率索取Puse的至少一个耗电器（44、51）；和控制单元（60），用于提出功率要求，其特征在于，所述控制单元（60）被设立用于：使所述燃料电池系统（100）可选地在第一运行模式下或者在第二运行模式下运行；在所述第一运行模式下，一旦低于所述燃料电池系统（100）的效率最优的工作点P(ηmax)，就切断所述燃料电池堆（10），并且在所述第二运行模式下，一旦低于所述燃料电池堆（10）的最低工作点Pmin，就切断所述燃料电池堆（10）。2.根据权利要求1所述的燃料电池系统（100），其特征在于，所述控制单元（60）还被设立用于：在所述第一运行模式下，一旦低于所述燃料电池系统（100）的效率最优的工作点P(ηmax)，就切断所述至少一个辅助机组（24、26、33、34、38）。3.根据权利要求1或2所述的燃料电池系统（100），其特征在于，所述控制单元（60）还被设立用于：在所述第一运行模式下确定由所述至少一个耗电器（44、51）所索取的电功率Puse；并且只要所确定的功率索取Puse低于由所述燃料电池系统（100）所提供的净功率Pstack-Paux，就提高由所述至少一个耗电器（44、51）所索取的电功率。4.根据权利要求3所述的燃料电池系统（100），其特征在于，所述至少一个耗电器（44、51）具有蓄能器（44），并且所述控制单元（60）还被设立用于：在第一运行模式下，只要所确定的功率索取Puse低于由所述燃料电池系统（100）所提供的净功率Pstack-Paux并且只要所述蓄能器（44）的充电状态超过确定的极限值，就切断所述燃料电池堆（10）。5.根据上述权利要求之一所述的燃料电池系统（100），其特征在于，所述控制单元（60）还被设立用于，在所述第一运行模式下提出对燃料电池堆（10）的至少一个最低功率要求，使...

【专利技术属性】
技术研发人员：A韦斯，M迪韦尔，H施勒德，
申请(专利权)人：大众汽车有限公司，
类型：发明
国别省市：德国,DE