Titel:

Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems sowie Steuergerät

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Steuergerät, das eingerichtet ist, Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens auszuführen.

Stand der Technik

Wasserstoffbasierte Brennstoffzellen gelten als Mobilitätskonzept der Zukunft, da sie lediglich Wasser als Abgas emittieren und schnelle Betankungszeiten ermög lichen.

Die elektrochemische Reaktion in den Brennstoffzellen benötigt neben Wasser stoff Sauerstoff als Reaktionsgas. Üblicherweise wird Umgebungsluft als Sauer stofflieferant genutzt. Zur Bereitstellung eines gewissen Luftmassenstroms sowie eines gewissen Druckniveaus wird die benötigte Luft den Brennstoffzellen eines Brennstoffzellensystems mittels eines Luftverdichtungssystems zugeführt. Zum Einsatz gelangen insbesondere Luftverdichtungssysteme mit hochdrehenden Strömungsmaschinen. Da zum Schutz der Brennstoffzellen die zugeführte Luft ölfrei sind muss, werden üblicherweise gasgelagerte Strömungsmaschinen ein gesetzt. Neben der Ölfreiheit besitzen Gaslager den Vorteil, dass sie einen na hezu reibungslosen und damit verschleißfreien Betrieb oberhalb einer gewissen Drehzahl (Abhebedrehzahl) ermöglichen. Wird diese jedoch unterschritten, bei spielsweise beim Aus- oder Anlaufen, ist der Verschleiß hoch. Ein Start/Stopp- Betrieb stellt daher eine deutliche Mehrbelastung im Vergleich zu einem kontinu ierlichen Betrieb der gasgelagerten Strömungsmaschine dar. Häufige Staufahr ten und/oder Fahrten im Stadtverkehr tragen somit zu einer Verkürzung der Le bensdauer der Strömungsmaschine bei. Zum Schutz der Gaslager ist daher im Leerlaufbetrieb eine Mindestdrehzahl ein zuhalten. Eine maximale Drehzahl ist ebenfalls vorgegeben. Des Weiteren wird der Betriebsbereich einer Strömungsmaschine durch eine Pumpgrenze einerseits und eine Stopfgrenze andererseits eingeschränkt.

Ein typisches Kennfeld einer thermischen Strömungsmaschine ist beispielhaft in der Figur 1 dargestellt. Es zeigt den Zusammenhang zwischen der Drehzahl (n), dem Druckverhältnis (pq/pi) und dem geförderten Massenstrom (m). Die Stopf grenze (S) gibt den maximal durchsetzbaren Massenstrom an, die Pumpgrenze (P) das maximale Druckverhältnis. Wird die Pumpgrenze überschritten, kommt es zunächst zu lokalen Strömungsabrissen am Einlass und/oder am Auslass der Strömungsmaschine. In der Folge kann der Druckaufbau zusammenbrechen und die Strömungsmaschine in einen instabilen Zustand übergehen, so dass der ge forderte Luftmassenstrom nicht mehr bereitgestellt werden kann und ein Betrieb des Brennstoffzellensystems im gewünschten Betriebspunkt nicht mehr möglich ist. Dies hat direkte Auswirkungen auf die Effizienz, die Emissionen und den Ver schleiß des Systems.

Ein Überschreiten der Pumpgrenze gilt es daher zu vermeiden. Üblicherweise ist hierzu in die Systemsteuerung eine applizierbare Grenz-Betriebskennlinie im plementiert. Da im Realbetrieb die Pumpgrenze nicht exakt für alle Betriebsbe dingungen bekannt ist und Alterungseffekte zu einer Verschiebung der Pump grenze führen können, hält die implementierte Grenz-Betriebskennlinie einen Si cherheitsabstand zur Pumpgrenze ein (siehe schraffierten Bereich in der Figur 1). Dieser Sicherheitsabstand schränkt jedoch den nutzbaren Betriebsbereich der Strömungsmaschine weiter ein. Dies erweist sich insbesondere im Leerlaufbe trieb sowie in den weiteren unteren Teillastbereichen als Nachteil, da er sich ne gativ auf den Energie- und Brennstoffverbrauch auswirkt.

Die vorliegende Erfindung ist mit der Aufgabe befasst, den Energieverbrauch bzw. Leistungsbedarf einer Strömungsmaschine zur Luftverdichtung in einem Brennstoffzellensystem zu senken, und zwar insbesondere im Leerlauf- sowie Teillastbetrieb. Zur Lösung der Aufgabe wird das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteran sprüchen zu entnehmen. Ferner wird ein Steuergerät zur Ausführung des Verfah rens bzw. einzelner Verfahrensschritte angegeben.

Offenbarung der Erfindung

Bei dem vorgeschlagenen Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensys tems wird einem Brennstoffzellenstapel über einen Zuluftpfad Luft zugeführt, die zuvor mit Hilfe einer in den Zuluftpfad integrierten Strömungsmaschine, insbe sondere gasgelagerten thermischen Strömungsmaschine, verdichtet wird. Erfin dungsgemäß wird im Leerlauf- oder Teillastbetrieb des Brennstoffzellensystems eine Pumpgrenze der Strömungsmaschine gezielt überschritten und die Strö mungsmaschine in einem quasi-stabilen Bereich mit lokalen Strömungsablösun gen betrieben.

Bei dem vorgeschlagenen Verfahren wird demnach nicht nur auf die Einhaltung eines Sicherheitsabstands zur Pumpgrenze verzichtet, sondern die Pumpgrenze bewusst überschritten. Der Betriebsbereich der Strömungsmaschine wird auf diese Weise signifikant erweitert.

Die Erweiterung des Betriebsbereichs im Leerlauf und den unteren Teillastberie chen ist unkritisch. Denn bevor der Druckaufbau komplett zusammenbricht und es zu einem Rückströmen durch die Strömungsmaschine, dem sogenannten „Pumpen“ (engl.: „deep surge“), kommt, treten lediglich lokale Strömungsablö sungen auf, welche auf einzelne Schaufelbereiche begrenzt sind. Die dabei ent stehenden lokalen Ablösegebiete sind nicht ortsfest, sondern umlaufen die Schaufelbereiche in Umfangsrichtung. Dieses Phänomen wird daher auch „rotie rende Ablösung“ (engl.: „rotating stall“) genannt. Die Strömungsmaschine befin det sich dann in einem quasi-stabilen Zustand bzw. quasi-stabilen Bereich (engl.: „mild surge“). Im Unterschied zum „Pumpen“ kehrt sich die Strömungsrichtung nicht um, sondern bleibt erhalten.

Durch Nutzung des „mild surge“ Bereichs kann im Leerlaufbetrieb bei sehr gerin gen Druckverhältnissen der Massenstrom und damit die Leistungsaufnahme der Strömungsmaschine reduziert werden. Dies ist insbesondere vorteilhaft im stati- onären Betrieb, beispielsweise im Start/Stopp-Betrieb eines das Brennstoffzel lensystem aufweisenden Brennstoffzellenfahrzeugs bei nicht abgeschaltetem Verdichteraggregat, im Stand-by-Betrieb sowie beim Aus-oder Anlaufen der Strömungsmaschine. Ferner können die Betriebspunkte des Brennstoffzellensta pels bei Teillast gezielter und energieoptimaler getroffen werden, da bei reduzier tem Luftmassenstrom weniger Luft nutzlos über einen Bypasspfad zur Umge hung des Brennstoffzellenstapels abgeströmt werden muss.

Da der Leerlaufbetrieb nach dem vorgeschlagenen Verfahren weniger energiein tensiv ist, können Leerlaufphasen verlängert werden. Auf diese Weise kann die Anzahl der Start-Stopp-Vorgänge reduziert werden. Die Gaslager der Strö mungsmaschine werden demnach weniger auf Verschleiß beansprucht, so dass die Lebensdauer der Strömungsmaschine steigt.

Zur gezielten Überschreitung der Pumpgrenze wird bevorzugt der Luftmassen strom stromabwärts der Strömungsmaschine gedrosselt. Wird bei konstanter Drehzahl der Strömungsmaschine der Luftmassenstrom minimiert, steigt das Druckverhältnis bis zum Erreichen der Pumpgrenze zunächst an. Danach, bei weiterer Reduktion des Luftmassenstroms, sinkt es ab. Aus den vorstehend ge nannten Gründen muss in den unteren Drehzahlbereichen kein Sicherheitsab stand zur Pumpgrenze eingehalten werden und die Pumpgrenze kann überschrit ten werden, so dass der quasi-stabilen Zustand bzw. Bereich erreicht wird.

Ferner bevorzugt wird zur Drosselung des Luftmassenstroms stromabwärts der Strömungsmaschine der Strömungsquerschnitt in einem Bypasspfad zur Umge hung des Brennstoffzellenstapels und/oder in einem Abluftpfad zum Abführen der aus dem Brennstoffzellenstapel austretenden Luft verringert. Die Drosselung im Bypasspfad setzt voraus, dass dieser zumindest teilweise geöffnet ist. Zumindest ein Teilmassenstrom wird in diesem Fall nutzlos über den Bypasspfad abge strömt. Bevorzugt wird daher der Bypasspfad geschlossen und der Luftmassen strom vollständig über den Brennstoffzellenstapel geführt. Die Drosselung des Luftmassenstroms kann dann durch Verringern des Strömungsquerschnitts im Abluftpfad realisiert werden.

Des Weiteren bevorzugt wird bzw. werden zur Drosselung des Luftmassen stroms ein Ventil und/oder eine Drosselklappe stromabwärts der Strömungsma- schine zumindest teilweise geschlossen. Das Ventil und/oder die Drosselklappe kann bzw. können im Bypasspfad und/oder im Abluftpfad angeordnet sein. Bei dem Ventil kann es sich insbesondere um ein in den Bypasspfad integriertes By passventil oder ein in den Abluftpfad integriertes Regelventil handeln. Sofern im Eintritts- und/oder Austrittsbereich des Brennstoffzellenstapels mindestens ein Absperrventil vorgesehen ist, bleibt dieses bevorzugt geöffnet.

Da bei höheren oder hohen Drehzahlen der Strömungsmaschine die Strömung schlagartig ins „Pumpen“ Umschlagen kann, sollte die Pumpgrenze nur bei nied rigen und mittleren Drehzahlen gezielt überschritten werden, um den „mild surge“ Bereich nutzbar zu machen. Bei höheren und hohen Drehzahlen sollte dagegen der stabile Betriebsbereich der Strömungsmaschine aus Gründen der Sicherheit und Robustheit nicht verlassen werden. Das heißt, dass vorzugsweise die Pumpgrenze nur in einem bestimmten Drehzahlbereich gezielt überschritten wird. Von Vorteil ist ferner, wenn bei höheren und hohen Drehzahlen ein Sicher heitsabstand zu Pumpgrenze eingehalten wird.

Die Strömungsmaschine kann daher bevorzugt in verschiedenen Betriebsmodi betrieben werden. Vorzugsweise kann zwischen einem ersten Betriebsmodus und einem zweiten Betriebsmodus der Strömungsmaschine umgeschaltet wer den. Im ersten Betriebsmodus erfolgt der Betrieb in einem stabilen Betriebsbe reich, vorzugsweise unter Einhaltung eines Sicherheitsabstands zur Pumpgren ze, und im zweiten Betriebsmodus wird der stabile Betriebsbereich um einen quasi-stabilen Betriebsbereich jenseits der Pumpgrenze erweitert. Das heißt, dass der „mild surge“ Bereich genutzt wird.

Da die Nutzung des „mild surge“ Bereichs nur in einem bestimmten Drehzahlbe reich unkritisch ist, wird ferner vorgeschlagen, dass das Umschalten zwischen dem ersten und zweiten Betriebsmodus von der aktuellen Drehzahl der Strö mungsmaschine abhängig gemacht wird. Aufgrund des insgesamt großen Be triebsbereichs kann das Umschalten auch von weiteren Parametern abhängig gemacht werden, beispielsweise von der aktuellen Betriebstemperatur. Auf diese Weise kann vorgegeben werden, dass bei bestimmten Bedingungen und/oder in bestimmten Situationen kein Umschalten erfolgt. Soll die Erweiterung des Betriebsbereichs um den „mild surge“ Bereich nur im Leerlaufbetrieb genutzt werden, erfolgt vorzugsweise das Umschalten zwischen dem ersten und dem zweiten Betriebsmodus nur dann, wenn das System in den Leerlaufbetrieb übergeht bzw. diesen wieder verlässt.

Vorteilhafterweise kann auch eine Hysterese bzw. Richtungsabhängigkeit beim Umschalten und/oder eine minimale Verweilzeit appliziert werden, um ein Tog- geln zwischen den Betriebsmodi zu vermeiden.

Darüber hinaus wird ein Steuergerät vorgeschlagen, das eingerichtet ist, Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens auszuführen. Insbesondere kann über das Steuergerät eine geeignete Systemsteuerung zur Verfügung gestellt werden. Im Steuergerät kann hierzu das Kennfeld der Strömungsmaschine hinterlegt sein. Ferner können verschiedene Betriebsmodi definiert sein, zwischen denen mit Hil fe des Steuergeräts drehzahlabhängig umgeschaltet wird.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beiliegenden Zeichnungen näher er läutert. Diese zeigen:

Fig. 1 eine grafische Darstellung eines typischen Kennfelds einer thermischen Strömungsmaschine,

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems mit einer Strömungsmaschine zur Luftverdichtung,

Fig. 3 eine graphische Darstellung eines Kennfelds einer thermischen Strö mungsmaschine mit erweitertem Betriebsbereich und

Fig. 4 ein Diagramm zur graphischen Darstellung der Reduzierung des Leis tungsbedarfs der Strömungsmaschine bei einer Drosselung des Luftmassen stroms.

Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen

Figur 1, auf welche eingangs bereits Bezug genommen wurde, zeigt ein typi sches Kennfeld einer thermischen Strömungsmaschine. Aufgetragen ist das Druckverhältnis zwischen dem Druck p ₀ am Auslass und dem Druck p, am Ein lass der Strömungsmaschine über dem Massenstrom m. Dazwischen sind Linien dargestellt, entlang welcher die Verdichterdrehzahl n konstant ist.

Das Kennfeld zeigt den stabilen Betriebsbereich der Strömungsmaschine. Dieser wird einerseits von einer Pumpgrenze P und andererseits von einer Stopfgren ze S begrenzt. Bei Überschreiten der Pumpgrenze P verlässt die Strömungsma schine den stabilen Betriebsbereich und es kommt zum sogenannten „Pumpen“ der Strömungsmaschine. Um dies zu verhindern, wird der als schraffierter Be reich dargestellte Sicherheitsabstand zur Pumpgrenze P eingehalten. Dieser engt jedoch den Betriebsbereich der Strömungsmaschine ein.

In der Figur 3, welche ein weiteres Kennfeld einer thermischen Strömungsma schine zeigt, ist der stabile Betriebsbereich als „Area A“ gekennzeichnet. Jenseits der Pumpgrenze P sind zwei weitere Bereiche dargestellt, die als „Area B“ und „Area D“ ausgewiesen sind. „Area B“ bezeichnet den “mild surge“ Bereich und „Area D“ bezeichnet den „deep surge“ Bereich. Dem „deep surge“ Bereich ist ei ne Sicherheitszone Al vorgelagert, die einen Sicherheitsabstand zur Pumpgren ze P einhält.

Bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird bis zu einer vor gegebenen Drehzahl der Strömungsmaschine der stabile Betriebsbereich „Area A“ um den Betriebsbereich „Area B“ erweitert. Das heißt, dass ein Sicherheitsab stand zur Pumpgrenze P nicht eingehalten und die Pumpgrenze P bewusst über schritten wird. In diesem Drehzahlbereich wird somit der Betriebsbereich der Strömungsmaschine nicht nur um den Bereich „Area B“, sondern ferner um eine nicht eingehaltene Sicherheitszone A2 erweitert.

In dem erweiterten Betriebsbereich „Area B“ befindet sich die Strömungsmaschi ne in einem quasi-stabilen Zustand bzw. in einem quasi-stabilen Bereich. Das heißt, dass es zu Strömungsabrissen kommen kann, diese aber lokal begrenzt sind. Ferner bleibt die Hauptströmungsrichtung unverändert, so dass es nicht zu einem „Pumpen“ der Strömungsmaschine kommt. Dies ist lediglich im Betriebs bereich „Area D“ der Fall, so dass in dem entsprechenden Drehzahlbereich der Pumpgrenze P die Sicherheitszone Al vorgelagert ist, um ein „Pumpen“ der Strömungsmaschine sicher zu vermeiden. Eine Strömungsmaschine 4, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren be treibbar ist, ist beispielhaft in der Figur 2 dargestellt.

Figur 2 zeigt ein Brennstoffzellensystem 1 mit einem Brennstoffzellenstapel 2 der mit Hilfe der Strömungsmaschine 4 über einen Zuluftpfad 3 mit verdichteter Luft versorgbar ist. Denn der Betrieb des Brennstoffzellenstapels 2 erfordert einen gewissen Luftmassenstrom sowie ein gewisses Druckniveau. Die Luft wird der Umgebung 11 entnommen und über einen Luftfilter 12 der Strömungsmaschine 4 zugeführt. Die Strömungsmaschine 4 wird über einen Elektromotor 14 angetrie ben. Da sich die Luft beim Verdichten erwärmt, ist in den Zuluftpfad 3 eine Küh leinrichtung 13 integriert. Optional, daher nur gestrichelt dargestellt, kann eine Befeuchtungseinrichtung 15 zum Befeuchten der verdichteten Luft in den Zuluft pfad 3 integriert sein.

Die in der Figur 2 dargestellte Topologie zur Luftverdichtung ist lediglich beispiel haft gewählt. Anstelle der dargestellten Strömungsmaschine 4 kann wahlweise auch ein elektrisch angetriebener Luftverdichter mit einer in einem Abluftpfad 6 angeordneten Turbine oder ein rein turbinenangetriebener Luftverdichter einge setzt werden. Der Luftverdichter kann zudem zweistufig und/oder zweiflutig aus geführt sein.

Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird bei geöffneten Ab sperrventilen 9, 10 der Luftmassenstrom stromabwärts der Strömungsmaschine 4 gedrosselt. Zur Drosselung des Luftmassenstroms kann stromabwärts der Strömungsmaschine 4 eine Verengung des Strömungsquerschnitts herbeigeführt werden, beispielsweise durch teilweises Schließen eines in einem Bypasspfad 5 angeordneten Ventils 7 und/oder eines im Abluftpfad 6 angeordneten Ventils 8. Die Drosselung des Luftmassenstroms rh hat bis zur Pumpgrenze einen Anstieg des Druckverhältnisses pq/pi zur Folge, so dass der stabile Betriebsbereich „Area A“ verlassen und der quasi-stabile Betriebsbereich „Area B“ erreicht wird (siehe Figur 3). In diesem Bereich sinkt das Druckverhältnis wieder ab.

Die Drosselung des Luftmassenstroms hat den Effekt, dass der Leistungsbedarf der Strömungsmaschine 4 sinkt. Dies ist beispielhaft in der Figur 4 anhand von zwei Messungen dargestellt. Innerhalb des Betriebsbereichs „Area A“ konnte der Leistungsbedarf durch Nutzung des Bereichs A2 um etwa 7 bis 9 % gesenkt werden. Eine entsprechende Senkung des Leistungsbedarfs konnte nochmals im Betriebsbereich „Area B“ erzielt werden, so dass der Leistungsbedarf insgesamt um etwa 14 bis 16 % gesenkt werden konnte.