本發(fā)明涉及一種燃料電池系統(tǒng)和一種用于運行燃料電池系統(tǒng)的方法。此外，本發(fā)明涉及一種具有這種燃料電池系統(tǒng)的車輛。

背景技術(shù)：

燃料電池利用燃料與氧氣的化學(xué)反應(yīng)生成水，以便產(chǎn)生電能。為此，作為核心部件，燃料電池包含所謂的膜電極裝置（mea代表：membraneelectrodeassembly（膜電極組）），所述膜電極裝置是由傳導(dǎo)離子的（大多傳導(dǎo)質(zhì)子的）膜和分別一個被布置在所述膜兩側(cè)上的催化電極（陽極和陰極）構(gòu)成的結(jié)構(gòu)。通常，燃料電池由多個被布置成堆（stack）的mea來形成，所述mea的電功率相加。在各個膜電極裝置之間，通常布置有雙極板（也稱作流動區(qū)域板或者隔離板），所述雙極板保證了給單電池供應(yīng)運行介質(zhì)、即反應(yīng)物并且通常也用于冷卻。此外，所述雙極板負(fù)責(zé)與膜電極裝置的導(dǎo)電接觸。

燃料電池系統(tǒng)可以在開始-停止模式下運行，在所述開始-停止模式中，在正常運行模式以及備用模式之間進(jìn)行切換，在所述正常運行模式下運行燃料電池，用來產(chǎn)生電流。通常，如果不存在對燃料電池的功率要求，那么通常設(shè)定備用模式。在電動車輛的情況下，這例如是在此期間車輛停下（例如信號燈停下）時、在滑行時或者在下坡行駛時的情況。在備用模式下，部分或者完全停止將資源輸送到燃料電池，并且通常使燃料電池堆的電壓保持到低于每單電池0.85伏特的電壓上、尤其是保持到低于每單電池0.4伏特的電壓上，尤其是以便阻止燃料電池堆的損壞。

為了運行燃料電池堆，多個輔助機組是必需的。視燃料電池系統(tǒng)而定，所述輔助機組中的多個輔助機組都可具有空氣壓縮機、再循環(huán)風(fēng)扇、冷水泵、閥門、傳感器等等中的至少一個。這些部件的功率消耗可以被稱作寄生功率消耗paux，因為所述寄生功率消耗paux雖然必須由燃料電池堆來提供，但是不供外部耗電器支配。因此，燃料電池系統(tǒng)的供外部耗電器支配的凈功率pnetto作為由所述堆產(chǎn)生的功率pstack與寄生功率消耗paux的差來得出。因為供外部耗電器（例如供電驅(qū)動裝置）支配的功率按照pnetto=pstack-paux減小了所述寄生功率，所以所述燃料電池系統(tǒng)的凈功率pnetto始終低于所述燃料電池堆的功率pstack。

燃料電池系統(tǒng)的效率η描述了系統(tǒng)功率與堆功率之比，并且取決于所有在系統(tǒng)鏈之內(nèi)的轉(zhuǎn)換損耗。因此，得出燃料電池系統(tǒng)的有效功率為psystem=η*pstack。根據(jù)燃料電池系統(tǒng)或燃料電池車輛的運行狀態(tài)，系統(tǒng)鏈可具有不同的等級，例如燃料電池堆、能量轉(zhuǎn)換器、在電池組中的再充電和存儲損耗、電驅(qū)動裝置和/或輔助機組和耗電器。尤其是在低負(fù)載的情況下，例如由于在備用模式下的低的電流消耗，與堆功率相比，供支配的有效功率由于所運行的輔助機組而過度地降低，并且因此所述燃料電池系統(tǒng)的效率過度地降低。此外，適用于系統(tǒng)效率η=psystem/pstack并且其中psystem≤pnetto=pstack-paux，因此尤其是η≤1-paux/pstack。由此也產(chǎn)生：例如在達(dá)到低負(fù)載區(qū)域時，在堆功率下降的情況下效率下降，所述低負(fù)載區(qū)域可以通過pstack<10*paux、pstack<5*paux或者pstack<2*paux來限定。

根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)，與負(fù)載有關(guān)的用于將燃料電池系統(tǒng)轉(zhuǎn)變到備用模式的方法已經(jīng)是公知的。

us2014/0272657a1公開了一種用于一旦功率索取低于確定的極限值就將燃料電池系統(tǒng)轉(zhuǎn)變到備用模式的方法。在備用模式下，燃料電池堆被切斷，并且陰極供應(yīng)裝置中的壓縮機以最小速度繼續(xù)運行。在此，壓縮機的空轉(zhuǎn)使得能夠快速地重新起動系統(tǒng)，然而同時降低了在備用模式下可實現(xiàn)的效率最優(yōu)化。

在按照us8952649b2的用于切斷燃料電池系統(tǒng)的方法中，在低于最低功率索取時也切斷燃料電池堆。被布置在陰極供應(yīng)裝置中的壓縮機首先被置于動態(tài)的備用模式下，并且一直在空轉(zhuǎn)中繼續(xù)運行，直至對于空轉(zhuǎn)運行所需的能量eidle超過為了開動壓縮機所需的能量eup。也只有在那時，壓縮機才被置于靜態(tài)的備用模式下并且完全被切斷。

在按照us2011/0087389a1的用于切斷燃料電池系統(tǒng)的方法中，考慮到車輛層面和到燃料電池系統(tǒng)層面的準(zhǔn)入標(biāo)準(zhǔn)。在此，到車輛層面的準(zhǔn)入標(biāo)準(zhǔn)例如包括變速桿的位置、負(fù)載索取和電池組的充電狀態(tài)。到系統(tǒng)層面的準(zhǔn)入標(biāo)準(zhǔn)例如包括運行時長和燃料電池堆的溫度。因此，如果燃料電池堆的重新起動在能量方面會是不利的，那么應(yīng)該避免切斷備用模式下的燃料電池堆。

利用從現(xiàn)有技術(shù)公知的用于切斷燃料電池系統(tǒng)的方法，始終試圖找到在燃料電池系統(tǒng)的優(yōu)化的效率與優(yōu)化的動態(tài)性之間的折衷。然而，尤其是在將燃料電池系統(tǒng)布置在車輛中時，這樣復(fù)雜的控制方法常常導(dǎo)致不符合期望的效果和整體上降低的動態(tài)性和整體上降低的效率。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

現(xiàn)在，本發(fā)明所基于的任務(wù)是提出一種燃料電池系統(tǒng)和一種用于運行燃料電池系統(tǒng)的方法，其中不僅可以實現(xiàn)所述燃料電池系統(tǒng)的最優(yōu)的效率并且可以實現(xiàn)所述燃料電池系統(tǒng)的最優(yōu)的動態(tài)性。此外，所述運行方法應(yīng)該能簡單地應(yīng)用到現(xiàn)有的燃料電池系統(tǒng)上并且能夠?qū)崿F(xiàn)程度高的交互。

該任務(wù)通過一種具有權(quán)利要求1的特征的燃料電池系統(tǒng)、通過一種具有這種燃料電池系統(tǒng)的車輛以及通過一種按照權(quán)利要求10所述的用于運行燃料電池系統(tǒng)的方法來解決。

按照本發(fā)明的任務(wù)通過如下燃料電池系統(tǒng)來解決，所述燃料電池系統(tǒng)具有：用于根據(jù)功率要求提供電功率pstack的燃料電池堆、所述燃料電池堆的具有電功率消耗paux的至少一個輔助機組、具有電功率要求puse的至少一個耗電器和用于提出功率要求的控制單元。按照本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)的控制單元被設(shè)立用于：使所述燃料電池系統(tǒng)可選地在第一運行模式下或者在第二運行模式下運行，并且在第一運行模式下一旦低于所述燃料電池系統(tǒng)的效率最優(yōu)的工作點p(ηmax)就切斷燃料電池堆，并且在第二運行模式下一旦低于所述燃料電池堆的最低工作點pmin就切斷所述燃料電池堆。

因此，按照本發(fā)明，燃料電池系統(tǒng)可以可選地在效率優(yōu)化的第一運行模式下或者功率優(yōu)化的第二運行模式下運行。在所述燃料電池系統(tǒng)的效率最優(yōu)的工作點p(ηmax)上，比在所述燃料電池堆的最低工作點pmin上進(jìn)行燃料電池堆的更高的電流消耗。因此，所述燃料電池堆在第一運行模式下比在第二運行模式下在更高的電流消耗的情況下被切斷。因此，最小負(fù)載在第一運行模式下比在第二運行模式下更高，在低于所述最小負(fù)載時切斷燃料電池堆。

如開頭所描述的那樣，燃料電池系統(tǒng)在低負(fù)載區(qū)域內(nèi)具有特別差的效率η。如果燃料電池堆的電流消耗降低，那么燃料電池系統(tǒng)增加地到達(dá)低負(fù)載區(qū)域。按照本發(fā)明，燃料電池堆在所述堆的電流消耗降低的情況下在第一運行模式下比在第二運行模式下明顯更早地被切斷。因此，在第一運行模式下，在燃料電池堆的運行時間上比在第二運行模式下實現(xiàn)更好的效率。在第二運行模式下，因為燃料電池堆在另一運行區(qū)域上保持可用，所以實現(xiàn)了燃料電池系統(tǒng)的改善的動態(tài)性。尤其是，在第二運行模式下，燃料電池堆在功率要求升高時從低負(fù)載區(qū)域出來不必首先費時地來開動。通過可選地使燃料電池系統(tǒng)在第一運行模式或者第二運行模式下運行，在特別高的程度上實現(xiàn)了分別與運行模式相關(guān)聯(lián)的優(yōu)點。

在一種優(yōu)選的實施方式中，控制單元被設(shè)立用于使燃料電池系統(tǒng)自動地在第一與第二運行模式中的一個模式下運行。特別優(yōu)選地，控制單元使得在確定的時間點對運行模式的選擇與功率索取在該時間點之前的確定的時間間隔內(nèi)的變化過程有關(guān)。如果例如在該時間間隔內(nèi)功率索取已經(jīng)有強烈的波動，即在過去已經(jīng)索取了燃料電池系統(tǒng)的高動態(tài)性，那么控制單元使燃料電池系統(tǒng)優(yōu)選地在第二運行模式下運行。而如果在該時間間隔內(nèi)進(jìn)行盡可能恒定的功率索取，那么控制單元使燃料電池系統(tǒng)優(yōu)選地在第一運行模式下運行。

這里，燃料電池系統(tǒng)的效率最優(yōu)的工作點p(ηmax)被理解為如下工作點，在所述工作點上（至少近似地）實現(xiàn)燃料電池系統(tǒng)的最大可能的系統(tǒng)效率η。嚴(yán)格來講，同樣涉及燃料電池堆的工作點，然而所述燃料電池堆的工作點根據(jù)整個燃料電池系統(tǒng)來確定，尤其是適用p(ηmax)=pηmax·ηmax。如開頭所描述的那樣，例如，如果供支配的有效功率psystem由于所運行的輔助機組的與堆功率pstack相比高的功率消耗paux而是低的，那么系統(tǒng)效率是低的。此外，被布置在燃料電池系統(tǒng)中的輔助機組的并且與所述燃料電池系統(tǒng)連接的耗電器的轉(zhuǎn)換損耗都進(jìn)入到系統(tǒng)效率中。尤其是，與燃料電池系統(tǒng)連接的蓄能器的存儲損耗或者與燃料電池系統(tǒng)連接的電動機的效率對系統(tǒng)效率有影響。存儲損耗與蓄能器的充電狀態(tài)有關(guān)，并且電動機的效率與所述電動機的運行狀態(tài)有關(guān)，因此效率最優(yōu)的工作點p(ηmax)在燃料電池系統(tǒng)運行中波動。

燃料電池堆的最低工作點pmin限定了所述燃料電池堆的如下工作點，燃料電池堆的功率輸出不允許下降到所述工作點之下，尤其是以便阻止燃料電池堆中的損害使用壽命的過程。一般，所述燃料電池堆的最低工作點pmin對應(yīng)于比所述燃料電池系統(tǒng)的效率最優(yōu)的工作點p(ηmax)更低的功率輸出或更低的放電電流。因此，在第一運行模式下，低負(fù)載區(qū)域是對于燃料電池堆來說不能進(jìn)入的區(qū)域，所述低負(fù)載區(qū)域可以被限定為在燃料電池堆的最低工作點pmin與燃料電池系統(tǒng)的效率最優(yōu)的工作點p(ηmax)之間的區(qū)域。在第二運行模式下，僅僅在燃料電池堆的最低工作點pmin之下的區(qū)域?qū)τ谒鋈剂想姵囟褋碚f是不能進(jìn)入的。

此外，在按照本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)的一種優(yōu)選的實施方式中，控制單元被設(shè)立用于：在第一運行模式下，一旦低于燃料電池系統(tǒng)的效率最優(yōu)的工作點p(ηmax)就切斷所述至少一個輔助機組。因此，按照該實施方式，在所述燃料電池系統(tǒng)的差的效率的區(qū)域內(nèi)，通過切斷燃料電池堆的輔助機組來附加地節(jié)約能量。因此，所述輔助機組在第一運行模式下并且在所述燃料電池系統(tǒng)的效率最優(yōu)的工作點p(ηmax)之下沒有通過替代的能量源、尤其是沒有通過蓄能器或者在發(fā)電機運行下的牽引電機來運行。因此，在第一運行模式下進(jìn)一步提高了所述燃料電池系統(tǒng)的效率，為此容忍了由于對輔助機組的必需的重新開動而引起的動態(tài)性損失。

此外，在按照本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)的一種同樣優(yōu)選的實施方式中，控制單元被設(shè)立用于：確定由至少一個耗電器所索取的電功率puse，并且只要所確定的功率索取puse比由所述燃料電池系統(tǒng)提供的凈功率pstack-paux低，就提高所述由至少一個耗電器所索取的電功率。換句話說，控制單元被設(shè)立用于：如果在任何一個時間點、尤其是第一運行模式的任何一個時間點，由所述至少一個輔助機組所消耗的電功率paux與由所述至少一個耗電器所索取的電功率puse之和比由所述燃料電池堆所提供的功率pstack低，那么提高由所述至少一個耗電器所索取的電功率。特別優(yōu)選地，控制單元被設(shè)立用于：在低于所述燃料電池系統(tǒng)的效率優(yōu)化的工作點p(ηmax)時，首先提高由所述至少一個耗電器所索取的電功率puse。

因此，在所述優(yōu)選的實施方式中，對燃料電池堆的功率要求由于所述至少一個耗電器的功率索取的提高而被提高，由此重新調(diào)整或者超過了所述燃料電池系統(tǒng)的效率優(yōu)化的工作點pηmax。只有當(dāng)控制單元確定不可能提高由所述至少一個耗電器所索取的功率puse并且因此不可能提高對所述燃料電池堆的功率要求時，控制單元才切斷燃料電池堆。此外，只要雖然可能提高由所述至少一個耗電器所索取的功率puse，然而所述提高本身與系統(tǒng)效率η的惡化相關(guān)聯(lián)，控制單元同樣就切斷所述燃料電池堆，所述系統(tǒng)效率η的惡化過度補償了通過離開低負(fù)載區(qū)域的效率改善。因此，控制單元優(yōu)選地被設(shè)立用于：在低于燃料電池系統(tǒng)的效率最優(yōu)的工作點p(ηmax)時，使由所述至少一個耗電器所索取的電功率puse的提高相對于對燃料電池堆的切斷優(yōu)先。換句話說，控制單元被設(shè)立用于：覆寫其它的調(diào)節(jié)過程，以便首先提高對燃料電池堆的功率要求。

有利地，所述優(yōu)選的實施方式能夠?qū)崿F(xiàn)：在由所述至少一個耗電器所索取的功率puse降低時，不必降低對燃料電池堆的功率要求或不必降低由所述燃料電池堆所提供的功率pstack。代替于此，對由所述至少一個耗電器所索取的功率puse的由車輛的運行狀態(tài)決定的降低做出反應(yīng)，其方式是有針對性地提高所述至少一個耗電器的功率索取。根據(jù)所述燃料電池系統(tǒng)的應(yīng)用，這可以以不同的方式來實現(xiàn)，例如其方式是：減少從其它的能量源到燃料電池系統(tǒng)中的能量饋送或者提高蓄能器的能量消耗。替代地，可以提高由所述至少一個耗電器所索取的功率，其方式是：將附加的耗電器與燃料電池系統(tǒng)連接或者提高已經(jīng)與燃料電池系統(tǒng)連接的耗電器的附加功能。例如，可以短時間地有針對性地提高通過耗電器（如電供暖裝置、空調(diào)機組和壓縮機）的功率索取。因此，按照所述實施方式，避免了所述燃料電池堆的低負(fù)載區(qū)域、所述燃料電池系統(tǒng)的低效率和對所述燃料電池堆的切斷。

在按照本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)的一種特別優(yōu)選的實施方式中，所述至少一個耗電器具有蓄能器，并且控制單元還被設(shè)立用于：在第一運行模式下，只要所確定的功率索取puse比由燃料電池堆提供的凈功率pstack-paux低并且只要所述蓄能器的充電狀態(tài)超過確定的極限值，就切斷所述燃料電池堆。因此，按照所述實施方式，控制單元被設(shè)立用于：確定蓄能器的充電狀態(tài)、尤其是所述蓄能器的用于容納其它的電功率的容量。在此，如果確定所述充電狀態(tài)超過確定的極限值、即用于容納其它電功率的容量是小的，那么只要由所述至少一個耗電器所索取的功率puse比所述燃料電池系統(tǒng)的凈功率低，控制單元就切斷燃料電池堆并且優(yōu)選地切斷所述至少一個輔助機組。換句話說，在低于所述燃料電池系統(tǒng)的效率最優(yōu)的工作點p(ηmax)時，控制單元首先檢查所述蓄能器的充電狀態(tài)是否使得能夠提高功率索取puse。只要情況如此、也就是說所述蓄能器的充電狀態(tài)低于確定的極限值，控制單元就首先提高功率索取puse，如在上文所描述的那樣。只有當(dāng)控制單元確定：低于所述燃料電池系統(tǒng)的效率最優(yōu)的工作點p(ηmax)并且所索取的功率puse的提高由于蓄能器的充電狀態(tài)而不可能或者導(dǎo)致系統(tǒng)效率η的惡化時，控制單元才切斷燃料電池系統(tǒng)，所述系統(tǒng)效率η的惡化過度補償了通過離開低負(fù)載區(qū)域的效率改善。

在按照本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)的一種同樣優(yōu)選的實施方式中，控制單元還被設(shè)立用于：在第一運行模式下提出對燃料電池堆的至少一個最低的功率要求。也就是說，在第一運行模式的整個持續(xù)時間期間，提出對燃料電池堆的最低的或者更高的功率要求。在此，最低的功率要求造成所述燃料電池堆提供如下電功率pstack，所述電功率超過由所述至少一個輔助機組所消耗的電功率paux。此外，所述最低的功率要求造成所述燃料電池系統(tǒng)至少近似地在效率優(yōu)化的工作點上或者在所述燃料電池系統(tǒng)的效率最優(yōu)的工作點pηmax之上運行。有利地，所述實施方式的控制單元借助于僅僅一個調(diào)節(jié)參量、即所述最低的功率要求來保證所述燃料電池系統(tǒng)在第一運行模式下運行。最低的功率要求在此可以在使用paux和puse的確定的值的情況下從特性曲線中確定。替代地，最低的功率要求是預(yù)先設(shè)定的值。

在按照本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)的一種同樣優(yōu)選的實施方式中，控制單元還被設(shè)立用于：如果由所述至少一個輔助機組所消耗的電功率paux與由所述至少一個耗電器所索取的電功率puse之和比由所述燃料電池堆基于最低功率要求所提供的功率p^minstack低，那么確定低于燃料電池系統(tǒng)的效率最優(yōu)的工作點p(ηmax)。按照所述實施方式，控制單元確定由所述至少一個耗電器所索取的電功率puse和由所述至少一個輔助機組所消耗的電功率paux?？刂茊卧獙⑺鲭姽β手团c基于最低功率要求由燃料電池堆所提供的功率p^minstack進(jìn)行比較。如果p^minstack低于所要期望的求和的耗電功率puse+paux，那么控制單元確定低于所述燃料電池系統(tǒng)的效率最優(yōu)的工作點p(ηmax)，并且切斷燃料電池堆、在一種優(yōu)選的實施方式中也切斷所述燃料電池堆的輔助機組。

在按照本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)的一種同樣優(yōu)選的實施方式中，控制單元還被設(shè)立用于：如果達(dá)到燃料電池堆的確定的極限電壓umax，那么確定達(dá)到所述燃料電池堆的最低工作點pmin。在燃料電池堆運行時，需要避免高的電池電壓，因為所述高的電池電壓可能導(dǎo)致電池的陰極和陽極的催化材料的劣化。按照所述實施方式，控制單元有利地被設(shè)立用于：確定燃料電池堆的電池電壓并且從中確定是否達(dá)到所述燃料電池堆的極限電壓umax。因此，有利地，控制單元可以動用固定的比較值，在第二運行模式下，可以在達(dá)到所述固定的比較值時切斷燃料電池堆并且因此可以可靠地阻止低于pmin。

在燃料電池系統(tǒng)的一種同樣優(yōu)選的實施方式中，在第二運行模式下，在達(dá)到極限電壓umax時也首先嘗試提高所述至少一個耗電器的功率索取puse，以便超過燃料電池堆的最低工作點pmin并且首先避免切斷所述燃料電池堆。上述針對第一運行模式的實施方案適用于使提高對燃料電池堆的功率索取優(yōu)先，但具有如下區(qū)別：在第二運行模式下，即使系統(tǒng)效率η的惡化與提高功率索取puse相關(guān)聯(lián)，也提高所述功率索取puse，所述系統(tǒng)效率η的惡化過度補償了通過離開低負(fù)載區(qū)域的效率改善。

同樣，本發(fā)明的主題是一種具有燃料電池系統(tǒng)的車輛，如在上文所描述的那樣。

在按照本發(fā)明的車輛的一種優(yōu)選的實施方式中，控制單元還被設(shè)立用于：根據(jù)駕駛員的手動輸入或者借助駕駛員類型識別而使燃料電池系統(tǒng)或者在第一運行模式下或者在第二運行模式下運行。這使得駕駛員能夠直接對燃料電池系統(tǒng)的運行模式施加影響。尤其是，使得駕駛員能夠或可以使得駕駛員能夠在消耗優(yōu)化的第一運行模式（eco模式）與功率優(yōu)化的第二運行模式（sport模式）之間進(jìn)行選擇。所述選擇例如可以通過調(diào)整選擇桿位置來實現(xiàn)。因此，駕駛員可以選擇：所述駕駛員是更喜歡用現(xiàn)有的燃料達(dá)到最大活動半徑還是更喜歡動態(tài)的行車方式。同樣優(yōu)選地，借助駕駛員類型識別、例如通過識別特定的無線電鑰匙或者通過分析在行駛期間的駕駛行為來選擇運行模式。例如，可以通過識別確定的速度范圍來推斷出行駛環(huán)境、如城市交通或者高速公路，并且選擇適合于此的運行模式。替代于此地，例如通過車輛的外部傳感器可以直接識別行駛環(huán)境。附加地，同樣優(yōu)選地，借助過去的功率要求（例如不同的油門踏板斜度）來自動選擇運行模式，如在上文所描述的那樣。同樣優(yōu)選地，在所述第一與所述第二運行模式之間設(shè)置有其它的運行模式，所述運行模式是在第一與第二運行模式之間的中間級并且可對應(yīng)于一種駕駛愿望。

同樣，本發(fā)明的主題是一種用于運行燃料電池系統(tǒng)的方法，所述燃料電池系統(tǒng)具有：燃料電池堆，其用于根據(jù)功率要求提供電功率pstack；燃料電池堆的具有電功率消耗paux的至少一個輔助機組；具有電功率消耗puse的至少一個耗電器；和控制單元，其用于提出功率要求。按照本發(fā)明的方法具有如下方法步驟：使燃料電池系統(tǒng)可選地在第一運行模式下或者在第二運行模式下運行，在第一運行模式下，一旦低于燃料電池系統(tǒng)的效率最優(yōu)的工作點p(ηmax)，就切斷燃料電池堆，并且在第二運行模式下，一旦低于所述燃料電池堆的最低工作點pmin，就切斷所述燃料電池堆。

此外，在按照本發(fā)明的方法的一種優(yōu)選的實施方式中，在第一運行模式下，一旦低于燃料電池系統(tǒng)的效率最優(yōu)的工作點p(ηmax)，就切斷所述至少一個輔助機組。

此外，在按照本發(fā)明的方法的一種優(yōu)選的實施方式中，在第一運行模式下，提出對燃料電池堆的至少最低功率要求，用于使燃料電池系統(tǒng)（至少近似地）在效率優(yōu)化的工作點上或者在效率最優(yōu)的工作點p(ηmax)上方運行，并且用于通過燃料電池堆來提供電功率pstack，所述電功率pstack超過由所述至少一個輔助機組所消耗的電功率paux。

在按照本發(fā)明的方法的一種優(yōu)選的實施方式中，如果由所述至少一個輔助機組所消耗的功率paux與由所述至少一個耗電器所索取的電功率puse之和比由所述燃料電池堆基于最低功率要求所提供的功率p^minstack低，那么低于燃料電池系統(tǒng)的效率最優(yōu)的工作點p(ηmax)。

此外，在按照本發(fā)明的方法的一種優(yōu)選的實施方式中，只要所確定的功率索取puse低于由燃料電池系統(tǒng)所提供的凈功率pstack-paux，就確定由所述至少一個耗電器所索取的電功率puse并且提高由所述至少一個耗電器所索取的電功率。在此，只有當(dāng)?shù)陀谌剂想姵叵到y(tǒng)的效率最優(yōu)的工作點p(ηmax)并且由所述至少一個耗電器所索取的電功率puse的提高是不可能的或者導(dǎo)致系統(tǒng)效率η的惡化時，才切斷燃料電池堆，所述系統(tǒng)效率η的惡化過度補償了通過離開低負(fù)載區(qū)域的效率改善。

在按照本發(fā)明的方法的一種優(yōu)選的實施方式中，所述至少一個耗電器具有蓄能器，并且此外在第一運行模式下，只要所確定的功率索取puse低于由燃料電池系統(tǒng)所提供的凈功率pstack-paux并且只要所述蓄能器的充電狀態(tài)超過確定的極限值，就切斷燃料電池堆。

在按照本發(fā)明的方法的一種優(yōu)選的實施方式中，如果達(dá)到燃料電池堆的確定的極限電壓umax，那么達(dá)到所述燃料電池堆的最低工作點pmin。在所述方法的一種同樣優(yōu)選的實施方式中，燃料電池系統(tǒng)被布置在車輛中，并且基于駕駛員的手動輸入或者借助駕駛員類型識別來在第一運行模式與第二運行模式之間進(jìn)行變換。同樣，本發(fā)明的主題是一種具有控制單元的燃料電池系統(tǒng)，所述控制單元被設(shè)立用于執(zhí)行按照本發(fā)明的方法。

本發(fā)明的其它優(yōu)選的設(shè)計方案從其余的、在從屬權(quán)利要求中提到的特征中得到。

只要不在個別情況下另外實施，本發(fā)明的在本申請中提到的不同實施方式就能夠有利地彼此組合。

附圖說明

隨后，本發(fā)明在實施例中依據(jù)所屬的附圖來解釋。其中：

圖1示出了按照一種實施方式的燃料電池系統(tǒng)的示意圖；

圖2示出了按照一種實施方式的車輛的示意圖；以及

圖3示出了燃料電池堆的電流-電壓特性曲線（ustack）和燃料電池系統(tǒng)的效率變化過程（ηsystem）。

具體實施方式

圖1示出了按照本發(fā)明的一種優(yōu)選的設(shè)計方案的整體上用100來標(biāo)明的燃料電池系統(tǒng)。燃料電池系統(tǒng)100是未進(jìn)一步示出的車輛、尤其是電動車輛的部分，所述電動車輛具有電動牽引電機，所述電動牽引電機由相應(yīng)的燃料電池系統(tǒng)100來供應(yīng)電能。

燃料電池系統(tǒng)100包括燃料電池堆10作為核心部件，所述燃料電池堆10具有多個以堆形布置的單電池11，所述單電池11通過交替地堆疊的膜電極裝置（mea）14和雙極板15來構(gòu)造（參見細(xì)節(jié)片段）。因此，每個單電池11分別包括一個mea14，所述mea14具有一個這里未進(jìn)一步示出的傳導(dǎo)離子的聚合物電解質(zhì)膜以及被布置在所述聚合物電解質(zhì)膜兩側(cè)上的催化電極。這些電極對燃料轉(zhuǎn)化的相應(yīng)的子反應(yīng)進(jìn)行催化。陽極和陰極電極作為涂層被構(gòu)造在膜上并且具有催化材料、例如鉑，所述催化材料以被支撐的方式存在于大的特定表面的導(dǎo)電載體材料、例如碳基材料上。

如圖1的細(xì)節(jié)圖中所示，在雙極板15與陽極之間構(gòu)造有陽極空間12，并且在陰極與下一雙極板15之間構(gòu)造有陰極空間13。雙極板15用于將資源輸送到所述陽極和陰極空間12、13中，并且此外在各個燃料電池11之間建立電連接?？蛇x地，在膜電極裝置14與雙極板15之間可布置有氣體擴散層。

為了給燃料電池堆10供應(yīng)資源，燃料電池系統(tǒng)100一方面具有陽極供應(yīng)裝置20并且另一方面具有陰極供應(yīng)裝置30。

在圖1中示出的燃料電池系統(tǒng)100的陽極供應(yīng)裝置20包括陽極供應(yīng)路徑21，所述陽極供應(yīng)路徑21用于將陽極資源（燃料）、例如氫氣輸送到燃料電池堆10的陽極空間12中。為了該目的，陽極供應(yīng)路徑21將燃料存儲器23與燃料電池堆10的陽極入口連接。此外，陽極供應(yīng)裝置20包括陽極廢氣路徑22，所述陽極廢氣路徑22將陽極廢氣從陽極空間12通過燃料電池堆10的陽極出口排出。在燃料電池堆10的陽極側(cè)12上的陽極運行壓力可通過陽極供應(yīng)路徑21中的第一調(diào)節(jié)裝置24來調(diào)整。

此外，在圖1中示出的燃料電池系統(tǒng)的陽極裝置20具有再循環(huán)管道25，所述再循環(huán)管道25將陽極廢氣路徑22與陽極供應(yīng)路徑21連接。燃料的再循環(huán)是常見的，以便將大多過度化學(xué)計量地使用的燃料送回給燃料電池堆10。在再循環(huán)管道25中，布置有再循環(huán)傳送裝置26、優(yōu)選地再循環(huán)風(fēng)扇。

在圖1中示出的燃料電池系統(tǒng)100的陰極供應(yīng)裝置30包括陰極供應(yīng)路徑31，所述陰極供應(yīng)路徑31將含氧的陰極資源、尤其是從周圍環(huán)境抽吸的空氣輸送給燃料電池堆10的陰極空間13。此外，陰極供應(yīng)裝置30包括陰極廢氣路徑32，所述陰極廢氣路徑32將陰極廢氣（尤其是排出的空氣）從燃料電池堆10的陰極空間13排出并且必要時將所述陰極廢氣輸送給未示出的廢氣設(shè)備。為了傳送和壓縮陰極資源，在陰極供應(yīng)路徑31中布置有壓縮機33。在所示出的實施例中，壓縮機33被設(shè)計為主要電動機式驅(qū)動的壓縮機33，所述壓縮機33的驅(qū)動通過裝備有相應(yīng)的功率電子裝置35的電動機34來實現(xiàn)。此外，壓縮機33可以由布置在陰極廢氣路徑32中的（必要時具有可變的渦輪幾何形狀的）渦輪機36支持地通過共同的軸（未示出）來驅(qū)動。

此外，在圖1中示出的燃料電池系統(tǒng)100具有加濕模塊39。一方面，加濕模塊39布置在陰極供應(yīng)路徑31中，使得陰極運行氣體可流過所述加濕模塊39。另一方面，所述加濕模塊39布置在陰極廢氣路徑32中，使得陰極廢氣可流過所述加濕模塊39。典型地，加濕器39具有多個水蒸氣可滲透的膜，所述多個水蒸氣可滲透的膜或者平地或者以空心纖維的形式來構(gòu)造。在此，相對干燥的陰極運行氣體（空氣）溢出所述膜的一側(cè)，并且相對潮濕的陰極廢氣（廢氣）溢出另一側(cè)。由陰極廢氣中水蒸氣的更高的分壓力來驅(qū)動地，發(fā)生水蒸氣經(jīng)由所述膜轉(zhuǎn)移到陰極運行氣體中，所述陰極運行氣體以這種方式來加濕。此外，陰極供應(yīng)裝置30具有旁路管道37，所述旁路管道37將陰極供應(yīng)管道31與陰極廢氣管道32連接。布置在旁路管道37中的調(diào)節(jié)裝置38用于控制環(huán)繞燃料電池堆10的陰極資源的量。

在經(jīng)簡化的圖1中，出于清楚的原因而未示出所述陽極和陰極供應(yīng)裝置20、30的不同的其它細(xì)節(jié)。因此，在陽極廢氣路徑22和/或陰極廢氣路徑32中可以建造有脫水機，以便冷凝并且排出由燃料電池反應(yīng)形成的產(chǎn)物水。最后，陽極廢氣管道22可通到陰極廢氣管道32中，使得陽極廢氣和陰極廢氣通過共同的廢氣設(shè)備排出。

此外，燃料電池系統(tǒng)100具有：控制單元60，所述控制單元60提出對燃料電池堆10的功率要求；和至少一個耗電器44、51，所述至少一個耗電器44、51具有電功率索取puse。在圖2的描述中得出所述控制單元60的功能結(jié)合所述至少一個耗電器44、51的更詳細(xì)的描述。

圖2示出了整體上用200來標(biāo)明的車輛，所述車輛具有來自圖1的燃料電池系統(tǒng)100、包含在所述燃料電池系統(tǒng)100中的電子控制單元60、電功率系統(tǒng)40以及車輛驅(qū)動系統(tǒng)50。在此，由所述車輛的部件構(gòu)成所述燃料電池系統(tǒng)的至少一個耗電器44、51。

電功率系統(tǒng)40包括：電壓傳感器41，用于檢測由燃料電池堆10產(chǎn)生的電壓；以及電流傳感器42，用于檢測由燃料電池堆10產(chǎn)生的電流。電功率系統(tǒng)40還包括蓄能器44、例如高壓電池組或者電容器。在功率系統(tǒng)40中還布置有以三端口拓?fù)鋪韺嵤┑霓D(zhuǎn)換器45（三端口轉(zhuǎn)換器）。電池組44連接到雙dc/dc轉(zhuǎn)換器45的第一側(cè)上。在固定的電壓電平的情況下，驅(qū)動系統(tǒng)50的所有牽引車載電網(wǎng)部件連接在轉(zhuǎn)換器45的第二側(cè)上。以相同的或者類似的方式，所述燃料電池系統(tǒng)本身的輔助機組、例如壓縮機33的電動機34（參見圖1），或者所述車輛的其它的耗電器、例如用于空調(diào)設(shè)備的壓縮機等可以與車載電網(wǎng)連接。

驅(qū)動系統(tǒng)50包括電動機51，所述電動機51用作所述車輛200的牽引電機。為此，電動機51驅(qū)動驅(qū)動軸52,該驅(qū)動軸52具有被布置在其上的驅(qū)動輪53。牽引電機51通過逆變器43與所述燃料電池系統(tǒng)100的電子功率系統(tǒng)40連接并且是所述系統(tǒng)的主耗電器。

電子控制單元60控制燃料電池系統(tǒng)100的運行，尤其是所述燃料電池系統(tǒng)100的陽極和陰極供應(yīng)裝置20、30，所述燃料電池系統(tǒng)100的電功率系統(tǒng)40以及牽引電機51。為了該目的，控制單元60得到不同的輸入信號，例如燃料電池10的用電壓傳感器41來檢測的電壓u、燃料電池堆10的用電流傳感器42來檢測的電流i、燃料電池10的從電壓u和電流i得到的功率pstack、關(guān)于燃料電池堆10的溫度t的信息、在陽極空間12和/或陰極空間13中的壓強p、蓄能器44的充電狀態(tài)soc、牽引電機51的轉(zhuǎn)速n和其它的輸入?yún)⒘?。替代于此地，之前提到的值中的一些、例如pstack也可以在控制單元60本身中確定。此外，由所述車輛200的耗電器、尤其是牽引電機51和/或蓄能器44所索取的電功率puse和由所述燃料電池堆10的輔助機組所消耗的電功率paux都進(jìn)入到控制單元60中。所索取的電功率puse可包含由所述車輛200的駕駛員所索取的駕駛功率pw和由空調(diào)系統(tǒng)所索取的功率作為組成部分。尤其是，參量pw根據(jù)對這里未示出的油門踏板的操縱的強度通過踏板位置傳感器來檢測。在圖2中所示出的控制單元60也可以在車輛200中作為分布式控制系統(tǒng)來存在，所述分布式控制系統(tǒng)例如包括用于燃料電池系統(tǒng)的控制子單元和用于驅(qū)動的另一控制子單元。

根據(jù)所述輸入?yún)⒘?、尤其是根?jù)由耗電器所索取的功率puse和對于輔助機組所必需的功率paux，控制單元60確定要由燃料電池系統(tǒng)要求的功率psystem和據(jù)此確定要對燃料電池堆10提出的功率要求。據(jù)此，控制單元60根據(jù)計算或者相應(yīng)存儲的特性曲線來確定所述陽極和陰極運行介質(zhì)的必要的質(zhì)量流或者運行壓力，并且例如通過壓縮機33的電動機34以及燃料電池系統(tǒng)100的調(diào)節(jié)裝置24、38等等來控制所述燃料電池系統(tǒng)的資源輸送。此外，控制單元60控制逆變器43以便給牽引電機51供應(yīng)能量，以及控制轉(zhuǎn)換器45并且必要時控制其它轉(zhuǎn)換器，以便使蓄能器44充電或者放電并且給連接到車載電網(wǎng)上的耗電器供應(yīng)能量。

圖3示出了按照本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)（100）的效率變化過程ηsystem和被布置在所述燃料電池系統(tǒng)（100）中的燃料電池堆（10）的電流-電壓特性曲線ustack。

從圖3可見，在燃料電池系統(tǒng)的低負(fù)載的情況下、也就是說在燃料電池系統(tǒng)的低負(fù)載區(qū)域中、也就是說在低電流消耗的情況下，從燃料電池系統(tǒng)，通過輔助機組的相對高的消耗產(chǎn)生燃料電池系統(tǒng)的低功率輸出或總系統(tǒng)的低效率。燃料電池堆的工作點a通過電流-電壓特性曲線ustack的一點通過pa=ua*ia明確地來確定。燃料電池系統(tǒng)的工作點b通過效率變化過程ηb的一點并且通過燃料電池堆在該點上的電壓和電流通過p(ηb)=ηb*ub*ib明確地來確定。

此外，在圖3中還繪出了上極限電壓umax，超過所述上極限電壓umax可能導(dǎo)致由于催化材料的劣化而損壞燃料電池并且因此可能導(dǎo)致電池老化。燃料電池堆在其最低工作點pmin上達(dá)到所述上極限電壓，在所述最低工作點pmin上，燃料電池堆輸出電流imin=pmin/umax。此外繪出了燃料電池系統(tǒng)的效率最優(yōu)的工作點p(ηmax)=ηmax*i(ηmax)*(ηmax)，所述效率最優(yōu)的工作點對應(yīng)于所述燃料電池系統(tǒng)的效率的局部最大值ηmax。

按照本發(fā)明，在燃料電池系統(tǒng)的第一運行模式下，在低于所述效率最優(yōu)的工作點p(ηmax)時切斷燃料電池堆，使得陰影區(qū)域（低負(fù)載區(qū)域）在第一運行模式下不供燃料電池系統(tǒng)和燃料電池堆支配。在按照本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)的第二運行模式下，只有在低于最低工作點pmin時才切斷燃料電池系統(tǒng)，以便阻止超過最大電池電壓umax。在達(dá)到最低工作點或極限電壓umax時，或者完全關(guān)斷燃料電池堆或者替代地使燃料電池堆置于備用模式下。在備用模式下，燃料電池堆的輔助機組繼續(xù)運行，使得所述燃料電池堆可以快速地重新從備用模式中開動。

優(yōu)選地，通過如下方式轉(zhuǎn)變到備用模式：在達(dá)到最低工作點時，中斷到陰極空間中的空氣輸送并且通過與繼續(xù)輸送的燃料（氫氣）的反應(yīng)來使存在于陰極空間中的氧氣反應(yīng)盡。在此期間，進(jìn)行從所述堆中的進(jìn)一步的電功率輸出，直至化學(xué)反應(yīng)停止。在此，通過與電壓有關(guān)的放電電流來控制放電過程。由于氧氣供應(yīng)不足，在恒定的電壓的情況下，放電電流減小。

現(xiàn)在，依據(jù)在圖3中所示出的效率變化過程和所示出的電流-電壓特性曲線，對具有燃料電池系統(tǒng)100、蓄能器44和牽引電機51的車輛200的不同的運行狀態(tài)進(jìn)行解釋。在此，尤其是探討了如何根據(jù)燃料電池系統(tǒng)是在第一運行模式下還是在第二運行模式下運行來區(qū)分運行狀態(tài)?？刂茊卧?0被設(shè)立用于執(zhí)行在第一運行模式下和在第二運行模式下的所述運行狀態(tài)。車輛200具有如下運行狀態(tài)：燃料電池運行、加速運行、電池組運行和再循環(huán)運行，而不限于所述運行狀態(tài)。

在燃料電池運行中，牽引電機51用于驅(qū)動車輛200，并且為此所必需的功率單獨由燃料電池堆100來提供。在第一運行模式下，燃料電池堆100在效率最優(yōu)的工作點p(ηmax)之上運行。只要通過牽引電機51的功率索取puse使得燃料電池系統(tǒng)10能夠在效率最優(yōu)的工作點p(ηmax)之上運行，并且由于所述功率要求，尤其是由燃料電池堆100來提供如下電功率pstack，所述電功率pstack超過由所述至少一個輔助機組消耗的電功率paux，蓄能器44就是未激活的并且所述蓄能器44既不輸出功率又不消耗功率。一旦通過牽引電機51的功率索取和因此對燃料電池堆的功率要求以如此程度降低，使得所述地燃料電池堆在效率最優(yōu)的工作點p(ηmax)之下運行，就索取蓄能器44的充電狀態(tài)，并且只要所述充電狀態(tài)不超過確定的極限值，就除了運行牽引電機51之外還給蓄能器44充電并且由此提高功率索取puse。只有當(dāng)蓄能器44的充電狀態(tài)超過確定的極限值并且因此基于提高的功率索取puse的效率收益由于在蓄能器中的效率損失（再充電損耗和存儲損耗）而被過度補償時，才切斷燃料電池堆100并且單獨由蓄能器44給牽引電機51饋電。在第二運行模式下，燃料電池堆100持久地在最低工作點pmin之上運行。

在加速運行中，牽引電機51用于驅(qū)動車輛200，其中由燃料電池堆100和蓄能器44共同提供為此所需的電功率。在第一運行模式下的加速運行與在第二運行模式下的加速運行基本上沒有區(qū)別。

在電池組運行中，牽引電機51用于驅(qū)動車輛200，并且由蓄能器44單獨來提供為此所必需的功率。在第一運行模式下，去激活燃料電池堆100并且優(yōu)選地也去激活所述燃料電池堆100的輔助機組24、26、33、34、38。在第二運行模式下，燃料電池堆100和所述燃料電池堆100的輔助機組24、26、33、34、38同樣可以去激活，但是也還可以以激活的或者未激活的狀態(tài)存在。同樣，在第二運行模式下的并且具有激活的燃料電池堆的電池組運行中，蓄能器44負(fù)責(zé)提供驅(qū)動功率。當(dāng)然，燃料電池堆100被激活并且持久地使最低功率要求pmin供支配。例如，可以用所述功率供應(yīng)附加的耗電器、諸如空調(diào)系統(tǒng)，或者給蓄能器44充電。此外，快速地變換到加速運行和燃料電池運行中是可能的，并且因此很高的行駛動態(tài)性是可能的。同樣，在第二運行模式下的并且具有未激活的燃料電池堆100的電池組運行中，蓄能器44負(fù)責(zé)提供驅(qū)動功率。此外，所述蓄能器還給燃料電池堆100的輔助機組24、26、33、34、38供應(yīng)能量，而所述燃料電池堆100被去激活。該運行狀態(tài)也能夠?qū)崿F(xiàn)順利地變換到具有激活的燃料電池的電池組運行或者加速運行中，并且因此能夠?qū)崿F(xiàn)高的行駛動態(tài)性。

在再循環(huán)運行中，牽引電機51用于給蓄能器44充電。在此，在第一運行模式下，只要由車輛200的其它耗電器、例如空調(diào)系統(tǒng)（未示出）引起的功率要求不能夠使燃料電池系統(tǒng)10在效率最優(yōu)的工作點p(ηmax)之上運行，就去激活燃料電池堆100并且優(yōu)選地也去激活所述燃料電池堆100的輔助機組24、26、33、34、38。必要時，除了作為發(fā)電機來工作的牽引電機51之外，蓄能器44的充電控制裝置也可以索取燃料電池堆100的功率并且因此使得燃料電池系統(tǒng)10在效率最優(yōu)的工作點p(ηmax)之上運行。在第二運行模式下，燃料電池堆100和所述燃料電池堆100的輔助機組24、26、33、34、38同樣可以去激活，但是也還可以以激活的或者未激活的狀態(tài)存在。在此，所述燃料電池堆100在再循環(huán)運行中的激活的和未激活的狀態(tài)與在電池組運行中的這些狀態(tài)相同。

附圖標(biāo)記列表

100燃料電池系統(tǒng)

200車輛

10燃料電池堆

11單電池

12陽極空間

13陰極空間

14聚合物電解質(zhì)膜

15雙極板

20陽極供應(yīng)裝置

21陽極供應(yīng)路徑

22陽極廢氣路徑

23燃料罐

24調(diào)節(jié)裝置

25燃料再循環(huán)管道

26再循環(huán)傳送裝置

30陰極供應(yīng)裝置

31陰極供應(yīng)路徑

32陰極廢氣路徑

33壓縮機

34電動機

35功率電子裝置

36渦輪機

37廢氣旁通閥管道

38調(diào)節(jié)裝置

39加濕模塊

40電功率系統(tǒng)

41電壓傳感器

42電流傳感器

43逆變器

44蓄能器

45直流轉(zhuǎn)換器

50驅(qū)動系統(tǒng)

51牽引電機

52驅(qū)動軸

53驅(qū)動輪

60控制單元。