Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem zum Antrieb eines Fahrzeugs, insbesondere Nutzfahrzeugs, wobei das Fahrzeug ein eine Druckluftversorgung aufweist, und das Brennstoffzellensystem einen Verdichter, insbesondere Turboverdichter, zur kathodenseitigen Luftversorgung einer Brennstoffzelle aufweist, wobei der Verdichter eine aerostatisch unterstützte Lageranordnung aufweist, wobei die Lageranordnung eine Druckluftschnittstelle aufweist, welche dazu eingerichtet ist, zur aerostatischen Unterstützung fluidleitend mit einer Druckluftversorgung des Fahrzeugs verbunden zu werden, und eine Brennstoffzellensteuerung, die dazu eingerichtet ist, den Verdichter in Abhängigkeit einer bereitzustellenden elektrischen Leistung des Brennstoffzellensystems anzusteuern.

Brennstoffzellen der eingangs bezeichneten Art sind bekannt.

Im Zuge des Mobilitätswandels gewinnen, insbesondere in der Nutzfahrzeugindustrie, alternative Antriebe zunehmend an Bedeutung. Brennstoffzellensysteme nehmen hierbei eine prominente Stellung ein. In wasserstoffbetriebenen Brennstoffzellensystemen ist es erforderlich, der Brennstoffzelle kathodenseitig Sauerstoff, zumeist in Form von druckbeaufschlagter Luft, zuzuführen. Es sind Brennstoffzellensysteme bekannt, bei denen die kathodenseitige Luftversorgung von einem Verdichter, insbesondere Turboverdichter, übernommen wird. Die üblicherweise verwendeten Verdichter weisen eine Rotorwelle auf, die elektromotorisch angetrieben wird. Die Rotorwellen in den Verdichtern solcher Systeme erreichen sehr hohe Drehzahlen, sodass der Lagerung der Rotorwellen eine zentrale Bedeutung zukommt.

Es haben sich Luftlagerungen mit aerodynamischen Luftlagern durchgesetzt, die bei Erreichen ihrer lagerspezifischen Abhebedrehzahl einen konstanten umlaufenden Luftspalt ausbilden und sich so selbst in einen Schwebezustand versetzen. Der Vorteil solcher Luftlagerungen ist eine extrem niedrige Reibung oberhalb der Abhebedrehzahl.

Zugleich gehören die Luftlager aber auch zu den empfindlichsten Teilen eines Verdichters in Brennstoffzellensystemen. Wenn die rotierenden Teile, vorzugsweise die Rotorwelle oder mit ihr verbundene rotierende Teile, etwa rotierende Lagerschalen, im Betrieb stehende Teile, etwa stehende Lagerschalen, berühren, kommt es zu Gleitreibung und damit zu Verschleiß, etwa bei den Lagern. Da bei verschlissenen Lagern in Extremsituationen die optimale Luftversorgung der Brennstoffzelle nicht mehr gewährleistet werden kann, müssen die Lager rechtzeitig getauscht oder gewartet werden, so dass die Lebenserwartung eines Lagers ein bestimmender Faktor für die Länge der Wartungsintervalle des Verdichters und somit der Brennstoffzellensysteme ist. Bekannte Brennstoffzellensysteme verwenden Lager mit einer Lebensdauer von ca. 8.000 bis 9.000 Betriebsstunden.

Zur Verbesserung der Lebensdauer ist vorgeschlagen worden, die Lageranordnungen mit einer aerostatischen Unterstützung zu versehen, Hierbei wird, etwa in den Lagerspalt hinein, Druckluft eingeblasen, um für die Lageranordnungen ein aerostatisches Polster zu schaffen, was den Verschleiß infolge Reibung mindert. Ab Erreichen der Abhebedrehzahl können sich die Lageranordnungen dann im Wesentlichen reibungsfrei halten.

Damit die aerostatische Unterstützung der Lageranordnung zuverlässig arbeitet, ist es erforderlich, dass die Druckluftversorgung dem Verdichter, und insbesondere der Lageranordnung des Verdichters, des Brennstoffzellensystems einen ausreichenden Luftdruck zur Verfügung stellen kann, um das nötige Luftkissen bis zum Erreichen der Abhebedrehzahl des Verdichters auszubilden. Während zum Zeitpunkt der Erfindung moderne Nutzfahrzeuge zumeist hochentwickelte Druckluft-Bremssysteme mit zuverlässiger Abdichtung gegen Luftaustritt aufweisen, kann es dennoch nicht ausgeschlossen werden, dass in den Nutzfahrzeugen, sei es aufgrund technischer Fehlfunktionen oder aufgrund langer Standzeiten ohne Betrieb der Nutzfahrzeuge, Luft aus dem Druckluft-Bremssystem entweicht und der Luftdruck in der Druckluftversorgung ungewollt abnimmt. In Extremfällen kann es dazu kommen, dass der Luftdruck aus diesen System über lange Zeiträume komplett entweicht und nur noch Umgebungsdruck im Druckluft-Bremssystem bzw. in der Druckluftversorgung anliegt. Ein sicherer Betrieb des Nutzfahrzeugs ist hierdurch nicht gewährleistet. Vor allem aber ist für die aerostatische Unterstützung der Lageranordnung dann kein ausreichender Luftdruck vorhanden, um den Verdichter verschleißvermindert zu starten.

Vor dem Hintergrund lag der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Brennstoffzellensysteme der eingangs bezeichneten Art dahingehend zu verbessern, dass die Verschleißanfälligkeit des Brennstoffzellensystems weiter reduziert wird, insbesondere ohne das Betriebsverhalten des Nutzfahrzeugs nachteilig zu beeinflussen.

Die Erfindung löst die ihr zugrundeliegende Aufgabe bei einem Brennstoffzellensystem der eingangs bezeichneten Art, indem das Fahrzeug eine Messeinrichtung zur Ermittlung eines Luftdrucks der Druckluftversorgung aufweist, und die Brennstoffzellensteuerung signalleitend mit der Messeinrichtung verbindbar und dazu eingerichtet ist, bei Empfang eines Startwunschs für das Brennstoffzellensystem den Verdichter in Abhängigkeit des Luftdrucks der Druckluftversorgung anzusteuern. Die Erfindung folgt hierbei dem Ansatz, dass die Nutzfahrzeuge aus sicherheitstechnischen Gründen ohnehin über Mittel verfügen, mit denen in der Druckluftversorgung ein ausreichender Luftdruck zum Erreichen der Betriebssicherheit (wieder)hergestellt werden kann. Ist der Luftdruck im Nutzfahrzeug beispielsweise aufgrund langer Standzeit abgesunken, sind die Nutzfahrzeuge in der Regel dazu eingerichtet, selbsttätig wieder ausreichenden Druck herzustellen, oder zumindest einen Warnhinweis über zu niedrigen Luftdruck in der Druckluftversorgung auszugeben. Zu diesem Zweck verfügen die bekannten Nutzfahrzeuge in der Regel über eine Messeinrichtung zum Ermitteln des Luftdrucks in der Druckluftversorgung.

Hier setzt die Erfindung an, indem sie das Ansteuern der Brennstoffzelle mittels der Brennstoffzellensteuerung vom vorhandenen Luftdruck in der Druckluftversorgung abhängig macht. Mit anderen Worten ermöglicht die signalleitende Verbindung zwischen der Messeinrichtung und der Brennstoffzellensteuerung es der Brennstoffzellensteuerung, das Starten des Verdichters, und vorgelagert das Starten der aerostatischen Unterstützung für die Lageranordnung, erst dann vorzunehmen, wenn für diese Funktion auch ausreichender Luftdruck von der Druckluftversorgung des Fahrzeugs bereitgestellt werden kann. In den Fällen, wo bei einem Startwunsch für das Brennstoffzellensystem schon ein ausreichender Druck in der Druckluftversorgung vorliegt, kann das Brennstoffzellensystem den Verdichter und somit den Betrieb der Brennstoffzelle unmittelbar aufnehmen. Sofern kein ausreichender Luftdruck in der Druckluftversorgung anliegt, ist es zudem aber unschädlich, wenn auch das Brennstoffzellensystem und der Verdichter des Brennstoffzellensystems für einen kurzen Zeitraum noch ausgeschaltet bleiben, da das Nutzfahrzeug ja ohnehin bis zum Erreichen eines ausreichenden Luftdrucks in der Druckluftversorgung noch nicht betriebssicher bewegt werden darf. Der Praxisnutzen wird durch das druckluftabhängige Ansteuern des Verdichters des Brennstoffzellensystems also nicht beeinträchtigt. Zugleich wird aber der Verschleiß des Verdichters vermindert, indem Startszenarien durch die Steuerung ausgeschlossen werden, bei denen der Verdichter regelmäßig ohne oder mit nur unzureichender aerostatischer Unterstützung der Lageranordnung anlaufen muss.

Die Erfindung wird vorteilhaft weitergebildet, indem das Brennstoffzellensystem ein ansteuerbares Absperrorgan aufweist, welches der Druckluftschnittstelle zugeordnet und dazu eingerichtet ist, die aerostatische Unterstützung selektiv zu sperren und freizugeben, wobei die Brennstoffzellensteuerung dazu eingerichtet ist, mittels Ansteuern des Absperrorgans die aerostatische Unterstützung zu starten, sobald der Luftdruck der Druckluftversorgung einen vorbestimmten Schwellwert erreicht oder überschreitet. Das Absperrorgan ist vorzugsweise in einem Luftlager-Strömungspfad zwischen der Druckluftversorgung einerseits und einem Lagerspalt der Lageranordnung andererseits angeordnet. Das Absperrorgan kann in das Brennstoffzellensystem integriert, daran angeschlossen oder im Bremssystem integriert sein (oder daran angeschlossen).

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Brennstoffzellensteuerung dazu eingerichtet, den Verdichter zu starten, nachdem die aerostatische Unterstützung freigegeben worden ist. Hierdurch wird eine zeitliche Verzögerung des Startens des Verdichters sichergestellt, die die Verschleißminderung weiter begünstigt, weil sie der aerostatischen Unterstützung mehr Zeit gibt, ein ausreichendes Luftpolster in der Lageranordnung aufzubauen. Eine Verzögerung im Bereich weniger Sekunden ist hierfür vorzugsweise vorgesehen, beispielsweise in einem Bereich von bis zu 20 Sekunden.

Optional ist die Brennstoffzellensteuerung dazu eingerichtet, einen Start des Verdichters zu unterbinden solange die aerostatische Unterstützung gesperrt ist. Dadurch wird sichergestellt, dass der Verdichter nicht ungewollt ohne aerostatische Unterstützung anläuft.

Die Brennstoffzellensteuerung ist in bevorzugten Ausführungsformen dazu eingerichtet, die aerostatische Unterstützung freizugeben und/oder den Verdichter zu starten, sobald der Luftdruck der Druckluftversorgung einen vorbestimmten Schwellwert erreicht oder überschreitet.

Der Schwellwert liegt vorzugsweise bei 4,0 bar oder darüber, weiter vorzugsweise bei 5,0 bar oder darüber, noch weiter vorzugsweise bei 7,0 bar oder darüber, und besonders bevorzugt bei 8,0 bar oder darüber. Vorzugsweise ist das Brennstoffzellensystem für ein Nutzfahrzeug vorgesehen, welches zum sicheren Betrieb einen Betriebsdruck in der Druckluftversorgung voraussetzt, wobei der vorstehend beschriebene Schwellwert vorzugsweise unterhalb des Betriebsdrucks liegt. Dadurch wird sichergestellt, dass die Ansteuerung von der Brennstoffzellensteuerung zwar mit Verzögerung eingeleitet wird, aber noch ausreichend zeitlich vor dem Erreichen des Betriebsdrucks durch die Druckluftversorgung des Nutzfahrzeugs.

Alternativ oder zusätzlich ist die Brennstoffzellensteuerung vorzugsweise dazu eingerichtet, den Schwellwert mittels externer Datenangabe einzustellen. Hierzu weist die Brennstoffzellensteuerung vorzugsweise eine Datenschnittstelle auf, die mit einem Kommunikationsnetzwerk des Fahrzeugs verbindbar ist, um externe Dateneingabe mittels Benutzereingabe oder über andere fahrzeuginterne elektronische Steuereinrichtungen zu ermöglichen. Mittels der externen Dateneingabe kann die Brennstoffzellensteuerung individuell auf den jeweils mit ihr zusammenwirkenden Verdichter eingestellt werden. Gerade bei Systemen, die mittels Systemintegration aus Komponenten unterschiedlicher Hersteller kundenseitig bestückt werden, oder bei modularen Baukastensystemen, können unterschiedlich dimensionierte Verdichter zum Einsatz kommen. Der für die aerostatische Unterstützung notwendige Luftdruck hängt ab vom Gewicht der im Verdichter rotierenden Massen, insbesondere der Verdichterwelle, und der daraus resultierenden kritischen Abhebedrehzahl.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das Nutzfahrzeug mit einem elektrischen Speicher zur Energieversorgung der Druckluftversorgung ausgerüstet, wobei der elektrische Speicher vorzugsweise eine Hochvolt- Batterie aufweist. Ferner ist das Brennstoffzellensystem vorzugsweise dazu eingerichtet, die erzeugte elektrische Energie dem elektrischen Speicher zuzuführen. Weiter vorzugsweise ist die Brennstoffzellensteuerung dazu eingerichtet, einen Ladestand des elektrischen Speichers zu ermitteln, und den Verdichter der Brennstoffzelle in einem Notstrombetriebsmodus zu starten, sobald der Ladestand einen vorbestimmten Grenzwert erreicht oder unterschreitet, insbesondere unabhängig vom Absperrorgan. Diese Ausführungsform stellt sicher, dass das Fahrzeug, beispielsweise nach besonders langen Standzeiten, zuverlässig seinen Betrieb aufnehmen kann. Bei einem Startwunsch für das Brennstoffzellensystem soll ja erfindungsgemäß zunächst sichergestellt werden, dass die Druckluftversorgung einen ausreichenden Luftdruck aufweist. Hierzu ist es aber mitunter nötig, zunächst nur die Druckluftversorgung zu betreiben, bevor das Brennstoffzellensystem zur elektrischen Energieversorgung gestartet werden kann. In diesem Zeitraum wird die Druckluftversorgung des Fahrzeugs von dem elektrischen Speicher versorgt. Die vorstehend beschriebene Ausführungsform kommt zum Tragen, wenn aufgrund der langen Standzeit oder anderer Effekte nicht mehr genügend Ladung im elektrischen Speicher vorhanden ist, um den Luftdruck in der Druckluftversorgung auf einen für den Betrieb des Verdichters, und damit des Brennstoffzellensystems, ausreichenden Wert anzuheben. Mit anderen Worten ist die Ladungsmenge in solchen Szenarien so gering, dass der elektrische Speicher erschöpft ist, bevor der Luftdruck in der Druckluftversorgung den Schwellwert zum Starten der aerostatischen Unterstützung bzw. des Verdichters erreicht. In diesem Fall kann die Brennstoffzellensteuerung trotz fehlender aerostatischer Unterstützung den Verdichter starten, und die Brennstoffzelle antreiben, um dem elektrischen Speicher im Notstrombetriebsmodus Energie zuzuführen.

Weiter vorzugsweise ist die Brennstoffzellensteuerung dazu eingerichtet, in dem Notstrombetriebsmodus das Absperrorgan zum Freigeben der aerostatischen Unterstützung anzusteuern, insbesondere unabhängig vom Luftdruck der Druckluftversorgung. Diese Ausführungsform beruht auf dem Ansatz, dass die notwendige Luftmenge für die aerostatische Unterstützung vergleichsweise gering ist. Ein Abzweigen von Druckluft für das Versorgen der Lageranordnung für die aerostatische Unterstützung wirkt sich nicht nachteilig auf das Aufpumpen der Druckluftversorgung des Fahrzeugs aus. Eine schwache aerostatische Unterstützung ist in vielen Fällen immer noch besser als gar keine Unterstützung, sodass im Notstrombetriebsmodus die Brennstoffzellensteuerung mit der vorstehend beschriebenen Ansteuerung des Absperrorgans in der jeweiligen Situation noch die bestmögliche Unterstützung für die Lageranordnung des Verdichters und somit die bestmögliche Verschleißminderung in der gegebenen Situation ermöglicht.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Brennstoffzellensteuerung dazu eingerichtet, den Notstrombetriebsmodus zu beenden, sobald der Ladestand den Grenzwert überschreitet. Hierdurch wird der Zeitraum, in dem der Verdichter bei unzureichender oder fehlender aerostatischer Unterstützung betrieben werden muss, minimiert. Der Verdichter und das Brennstoffzellensystem können bei Überschreiten des Grenzwerts des Ladestands des elektrischen Speichers außer Betrieb gesetzt werden, weil der Ladestand ein ausreichendes Anheben des Luftdrucks in der Druckluftversorgung sicherstellt. Erst, wenn diese sichergestellt ist, wird die aerostatische Unterstützung, und in der Folge auch der Verdichter, verschleißfrei wieder gestartet.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Verdichter des Brennstoffzellensystems ein erster Verdichter, und die Druckluftversorgung weist einen zweiten Verdichter auf, wobei die Brennstoffzellensteuerung dazu eingerichtet ist, den zweiten Verdichter derart anzusteuern, dass der Druckluftversorgung druckbeaufschlagte Luft zugeführt wird, wenn der Luftdruck in der Druckluftversorgung unterhalb des Schwellwertes für die aerostatische Unterstützung liegt. In einer alternativen Ausführungsform erfolgt die Ansteuerung des zweiten Verdichters nicht unmittelbar über die Brennstoffzellensteuerung, sondern über ein fahrzeuginternes Steuergerät, beispielsweise ein Bremssteuergerät. In solchen Ausführungsformen ist die Brennstoffzellensteuerung vorzugsweise dazu eingerichtet, mit dem jeweils zuständigen Steuergerät signalleitend zu kommunizieren, um die Ansteuerung des zweiten Verdichters auszulösen.

Die Brennstoffzellensteuerung ist vorzugsweise dazu eingerichtet, den zweiten Verdichter derart anzusteuern, dass ein vorbestimmter Betriebsdruck in der Druckluftversorgung eingestellt wird, wobei vorzugsweise der Schwellwert für die aerostatische Unterstützung und/oder für die Ansteuerung des Verdichters kleiner oder gleich dem Betriebsdruck in der Druckluftversorgung ist, vorzugsweise unterhalb des Betriebsdrucks in der Druckluftversorgung liegt. Durch diese Abstaffelung von Schwellwert und Betriebsdruck wird sichergestellt, dass bei Erreichen des Betriebsdrucks der Verdichter des Brennstoffzellensystems, und mit ihm das Brennstoffzellensystem selbst, betriebsbereit sind, damit das Fahrzeug also bei Erreichen des für die Betriebssicherheit notwendigen Betriebsdrucks seine Fahrt sofort aufnehmen kann.

Alternativ oder zusätzlich weist der zweite Verdichter eine dedizierte Steuerung auf, die dazu eingerichtet ist, den zweiten Verdichter dazu anzusteuern, der Druckluftversorgung automatisch Luft zuzuführen, wenn in ihr der Druck unter einen vorbestimmten Wert, beispielsweise unter den Schwellwert oder einen anderen Wert, beispielsweise in dem Bereich von 8,0 bar bis 8,5 bar fällt. In einem solchen ist keine explizite Ansteuerung mittels der Brennstoffzellensteuerung erforderlich, um die Druckluftversorgung wieder mit Druckluft zu befüllen. Solange dann der erforderliche Schwellwert für die aerostatische Unterstützung unterhalb dieses vorbestimmten Werts liegt, wird dieser zuverlässig über die Druckluftversorgung erreicht.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die Druckluftversorgung einen Druckluftbehälter auf, und die Druckluftschnittstelle der Lageranordnung ist fluidleitend mit der Druckluftschnittstelle der Lageranordnung verbindbar.

Vorzugsweise weist die Messeinrichtung einen Drucksensor auf, welcher dazu eingerichtet ist, einen Luftdruck in der Druckluftversorgung zu erfassen, der Druckluftbehälter ist mit dem Drucksensor wirkverbunden, und die Brennstoffzellensteuerung weist vorzugsweise eine Datenschnittstelle zur signalleitenden Verbindung mit dem Drucksensor auf, vorzugsweise eine Busschnittstelle, insbesondere eine CAN-Bus-Schnittstelle. Über eine solche Schnittstelle kann die Brennstoffzellensteuerung auf ohnehin im Fahrzeugsystem vorhandene Drucksensoren zugreifen, welche erfindungsgemäß die Messeinrichtung darstellen. Die Erfindung ist vorstehend in einem ersten Aspekt unter Bezugnahme auf ein Brennstoffzellensystem beschrieben worden, welches dazu eingerichtet ist, in einem Fahrzeug eingebaut zu werden. Die Erfindung betrifft in einem zweiten Aspekt ferner ein Fahrzeug, insbesondere ein Nutzfahrzeug, mit einer Druckluftversorgung und einem Brennstoffzellensystem.

Die Erfindung löst bei einem solchen Fahrzeug die eingangs bezeichnete Aufgabe, indem sie ein Brennstoffzellensystem nach einer der vorstehend beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen vorschlägt, wobei das Brennstoffzellensystem insbesondere einen Verdichter aufweist, insbesondere Turboverdichter, zur kathodenseitigen Luftversorgung einer Brennstoffzelle, wobei der Verdichter eine aerostatisch unterstützte Lageranordnung aufweist, wobei die Lageranordnung eine Druckluftschnittstelle aufweist, welche zur aerostatischen Unterstützung fluidleitend mit der Druckluftversorgung verbunden ist, und eine Brennstoffzellensteuerung, die dazu eingerichtet ist, den Verdichter in Abhängigkeit einer bereitzustellenden elektrischen Leistung des Brennstoffzellensystems anzusteuern, wobei das Fahrzeug eine Messeinrichtung zur Ermittlung eines Luftdrucks der Druckluftversorgung aufweist, und die Brennstoffzellensteuerung signalleitend mit der Messeinrichtung verbunden und dazu eingerichtet ist, bei Empfang eines Startwunschs für das Brennstoffzellensystem den Verdichter in Abhängigkeit des Luftdrucks der Druckluftversorgung anzusteuern.

Das erfindungsgemäße Fahrzeug macht sich dieselben Vorteile zunutze und weist dieselben bevorzugten Ausführungsformen auf wie das Brennstoffzellensystem gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung. Die bevorzugten Ausführungsformen des Brennstoffzellensystems sind somit zugleich bevorzugte Ausführungsformen des Fahrzeugs und umgekehrt, weswegen zur Vermeidung von Wiederholungen auf die obigen Ausführungen verwiesen wird. Das erfindungsgemäße Fahrzeug wird insbesondere vorteilhaft weitergebildet, indem der Verdichter des Brennstoffzellensystems ein erster Verdichter ist, und das Fahrzeug einen zweiten Verdichter aufweist, welcher dazu eingerichtet ist, der Druckluftversorgung druckbeaufschlagte Luft zuzuführen, wobei die Druckluftversorgung dazu eingerichtet ist, den Luftdruck der Druckluftversorgung mittels des zweiten Verdichters auf einen vorbestimmten Betriebsdruck einzustellen.

Vorzugsweise weist hierbei das Fahrzeug ein ansteuerbares Absperrorgan auf, welches der Druckluftschnittstelle zugeordnet und dazu eingerichtet ist, die aerostatische Unterstützung selektiv zu sperren und freizugeben, wobei die Brennstoffzellensteuerung dazu eingerichtet ist, mittels Ansteuern des Absperrorgans die aerostatische Unterstützung zu starten, sobald der Luftdruck der Druckluftversorgung einen vorbestimmten Schwellwert erreicht oder überschreitet, wobei der Schwellwert für die aerostatische Unterstützung und/oder für die Ansteuerung des ersten Verdichters kleiner oder gleich dem Betriebsdruck ist, und vorzugsweise unterhalb des Betriebsdrucks liegt.

In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems zum Antreiben eines Fahrzeugs, insbesondere eines Brennstoffzellensystems der eingangs bezeichneten Art, wobei das Fahrzeug insbesondere ein Fahrzeug nach dem vorstehend beschriebenen zweiten Aspekt ist. Das Brennstoffzellensystem ist vorzugsweise ein Brennstoffzellensystem gemäß dem oben beschriebenen ersten Aspekt.

Das Verfahren löst die eingangs bezeichnete Aufgabe, indem es die Schritte umfasst:

- Empfangen eines Startwunschs für das Brennstoffzellensystem,

- fluidleitendes Verbinden einer Lageranordnung eines Verdichters des Brennstoffzellensystems zur aerostatischen Unterstützung mit einer Druckluftversorgung des Fahrzeugs, und - Ansteuern des Verdichters zur kathodenseitigen Luftversorgung einer Brennstoffzelle, wobei das Ansteuern des Verdichters in Abhängigkeit des Luftdrucks der Druckluftversorgung erfolgt.

Das Verfahren macht sich dieselben Vorteile und bevorzugten Ausführungsformen zunutze wie das Brennstoffzellensystem gemäß dem ersten Aspekt und/oder das Fahrzeug gemäß dem zweiten Aspekt. Bevorzugte Ausführungsformen der ersten beiden Aspekte sind zugleich bevorzugte Ausführungsformen des Verfahrens und umgekehrt, weswegen auch auf die obigen Ausführungen verwiesen wird.

Das Verfahren wird vorzugsweise durch einen, mehrere oder sämtliche der folgenden Schritte weitergebildet:

- Erzeugen elektrischer Energie, vorzugsweise mittels Ansteuern des Brennstoffzellensystems durch die Brennstoffzellensteuerung;

- Ermitteln eines Luftdrucks der Druckluftversorgung;

- Empfangen und Verarbeiten eines für den ermittelten Luftdruck repräsentativen Signals mittels der Brennstoffzellensteuerung derart, dass der Verdichter angesteuert wird;

- selektiv Sperren oder Freigeben der aerostatischen Unterstützung, insbesondere mittels Ansteuern eines Absperrorgans;

- Starten der aerostatischen Unterstützung, sobald der Luftdruck der Druckluftversorgung einen vorbestimmten Schwellwert erreicht oder überschreitet;

- Starten des Verdichters, nachdem die aerostatische Unterstützung freigegeben worden ist;

- Starten des Verdichters, sobald der Luftdruck der Druckluftversorgung einen vorbestimmten Schwellwert erreicht oder überschreitet, wobei vorzugsweise der Schwellwert bei 4,0 bar oder darüber liegt, vorzugsweise bei 5,0 bar oder darüber, weiter vorzugsweise bei 7,0 bar oder darüber, und besonders bevorzugt bei 8,0 bar oder darüber;

- Einstellen des Schwellwerts mittels externer Dateneingabe;

- Zuführen der erzeugten elektrischen Energie zu einem elektrischen Speicher; - Ermitteln eines Ladestands des elektrischen Speichers, und Starten des Verdichters zum Betrieb der Brennstoffzelle in einem Notstrombetriebsmodus, sobald der Ladestand einen vorbestimmten Grenzwert erreicht oder unterschreitet, insbesondere unabhängig vom Absperrorgan (21 );

- Ansteuern des Absperrorgans in dem Notstrombetriebsmodus zum Freigeben der aerostatischen Unterstützung, insbesondere unabhängig vom Luftdruck der Druckluftversorgung;

- Beenden des Notstrombetriebsmodus, sobald der Ladestand den Grenzwert überschreitet;

- Zuführen von druckbeaufschlagter Luft zu der Druckluftversorgung, vorzugsweise derart, dass der Luftdruck auf einen vorbestimmten Betriebsdruck eingestellt wird, wobei weiter vorzugsweise der Schwellwert für die aerostatische Unterstützung und/oder für die Ansteuerung des ersten Verdichters kleiner oder gleich dem Betriebsdruck ist, vorzugsweise unterhalb des Betriebsdrucks liegt.

Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels beschrieben. Hierbei zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs mit Brennstoffzellensystem gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel,

Fig. 2 eine schematische Darstellung des Verfahrens gemäß der Erfindung, und

Fig. 3 eine optionale Detailgestaltung für das Verfahren gemäß Fig. 2.

In Fig. 1 ist ein Nutzfahrzeug 1 dargestellt, welches ein Brennstoffzellensystem 3 aufweist und einen elektrischen Speicher 5, vorzugsweise ausgebildet als Hochvolt-Batterie. Das Brennstoffzellensystem 3 ist dazu eingerichtet, dem elektrischen Speicher 5 elektrische Energie bei einer elektrischen Leistung P _ei zuzuführen. Das Fahrzeug 1 weist ferner ein elektronisches Bremssystem (EBS) 7 auf, welches dazu eingerichtet ist, mittels elektronischer Befehle die Komponenten des Bremssystems anzusteuern und die für den Betrieb des Fahrzeugs 1 notwendigen Bremsbefehl auszuführen.

Das Brennstoffzellensystem 3 weist eine Brennstoffzellensteuerung 9 auf, die zum Steuern des Brennstoffzellensystems 3 eingerichtet ist. Die Brennstoffzellensteuerung 9 weist eine Datenschnittstelle 11 zum Empfangen von Steuerbefehlen und/oder externen Daten auf.

Das Brennstoffzellensystem 3 umfasst ferner einen ersten Verdichter 13, insbesondere einen Turboverdichter, zur kathodenseitigen Luftversorgung einer (nicht dargestellten) Brennstoffzelle. Der erste Verdichter 13 weist eine Lageranordnung 15 auf. Die Lageranordnung 15 weist insbesondere ein oder mehrere Luftlager auf, die dazu eingerichtet sind, bei Erreichen einer bestimmten Abhebedrehzahl eine berührungsfreie Lagerung der rotierenden Massen des ersten Verdichters 13 zu gewährleisten. Zum Unterstützen der Lageranordnung im Wege einer aerostatischen Unterstützung weist die Lageranordnung 15 eine Druckluftschnittstelle 17 auf, über die druckbeaufschlagte Luft in die Lageranordnung 15 eingeleitet werden kann.

Das Fahrzeug 1 weist ferner eine Druckluftversorgung 19 auf. Die Druckluftversorgung 19 umfasst einen zweiten Verdichter 21 , der dazu eingerichtet ist, Umgebungsluft anzusaugen, zu verdichten, und die verdichtete Luft einer Anzahl von Druckluftbehältern 23 zur Verfügung zu stellen. Optional ist zwischen die Druckluftbehälter 23 und den zweiten Verdichter 21 noch eine Luftaufbereitungseinrichtung 25 zwischengeschaltet, welche vorzugsweise einen Lufttrockner umfasst.

Die verdichtete Druckluft wird vorzugsweise mittels eines oder mehrerer Mehrkreisschutzventile 27 auf die Anzahl der Druckluftbehälter 23 verteilt. Zumindest einer der Druckluftbehälter 23 ist fluidleitend mit der Druckluftschnittstelle 17 der Lageranordnung 15 des ersten Verdichters 13 verbunden. Dies ist bei Mehrkreissystemen beispielsweise der Druckluftbehälter des sogenannten vierten Kreises. In einem Strömungspfad 29, der sich zwischen dem Druckluftbehälter 23 und dem ersten Verdichter 13 erstreckt, ist ein Absperrorgan 31 angeordnet. Das Absperrorgan 31 ist dazu eingerichtet, in einem Sperrzustand den Strömungspfad 29 zu schließen, und in einem Freigabezustand zu öffnen, sodass druckbeaufschlagte Luft vom Druckluftbehälter 23 zu der Druckluftschnittstelle 17 der Lageranordnung 15 gefördert wird. Das Absperrorgan 31 ist beispielsweise als Mehrwegeventil, vorzugsweise als 2/2-Wegeventil, ausgebildet.

Das Absperrorgan 31 ist signalleitend mit der Brennstoffzellensteuerung 9 verbunden, und die Brennstoffzellensteuerung 9 ist dazu eingerichtet, das Absperrorgan 31 selektiv in den Freigabezustand oder Sperrzustand zu bewegen.

Das Fahrzeug 1 weist ferner eine Messeinrichtung 33 auf, welche vorzugsweise einen Drucksensor 35 umfasst. Die Messeinrichtung 33 ist signalleitend mit einem, mehreren oder sämtlichen der Druckluftbehälter 23 verbunden und dazu eingerichtet, den in der Druckluftversorgung 19 herrschenden Druck stromabwärts des zweiten Verdichters 21 , insbesondere in dem/den Druckluftbehälter(n) 23, zu ermitteln. Die Messeinrichtung 33 ist ferner signalleitend mit der Brennstoffzellensteuerung 9, beispielsweise über eine Busverbindung, wie etwa eine CAN-Busverbindung, verbunden und dazu eingerichtet, Signale an die Brennstoffzellensteuerung 9 zu übertragen, die repräsentativ für den ermittelten Druck sind.

Die Brennstoffzellensteuerung 9 ist vorzugsweise signalleitend mit dem elektronischen Bremssystem 7 verbunden und dazu eingerichtet, entweder mittelbar oder unmittelbar, durch Übertragen entsprechender Steuerbefehle einen Antrieb des zweiten Verdichters 21 der Druckluftversorgung 19 zu triggern. Die Brennstoffzellensteuerung 9 ist insbesondere dazu eingerichtet, das nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren 2 und 3 geschilderte erfindungsgemäße Verfahren auszuführen.

In Fig. 2 ist zunächst der grundsätzliche Verfahrensablauf abgebildet. In einem Verfahrensschritt 101 empfängt die Brennstoffzellensteuerung 9 einen Startwunsch für das Brennstoffzellensystem 3, welcher entweder von einem Fahrer oder einem autonomen Fahrzeugsteuerungssystem ausgehen kann. In einem Schritt 103 prüft die Brennstoffzellensteuerung 9, mittels der Messeinrichtung 33, einen Druck p in den Druckluftbehältern 23. In einem Prüfschritt 105 ermittelt die Brennstoffzellensteuerung 9, ob der Druck p im Druckluftbehälter 23 einen Schwellwert pe erreicht oder überschreitet. Der Schwellwert pe kann beispielsweise bei 5,0 bar liegen. Ist der Druck p bei oder oberhalb dieses Schwellwertes pe, löst die Brennstoffzellensteuerung 9 in einem Steuerschritt 107 die Öffnung des Absperrorgans 31 zum Starten der aerostatischen Unterstützung der Lageranordnung 15 des ersten Verdichters 13 aus. Danach startet die Brennstoffzellensteuerung 9 in Schritt 109 den ersten Verdichter 13. Nach dem Starten des Verdichters 13 prüft die Brennstoffzellensteuerung 9 in Schritt 111 , wie lange der Verdichter 13 bereits betrieben wird, und/oder wie hoch die Drehzahl der rotierenden Teile des Verdichters 13, vorzugsweise an der Lageranordnung 15, ist. Wird in einem Prüfschritt 113 festgestellt, dass eine vorbestimmte Einschaltdauer erreicht wurde, oder eine vorbestimmte Drehzahl, welche repräsentativ für die Abhebedrehzahl der rotierenden Teile des Verdichters 13 ist, erreicht wurde, kann in einem Schritt 115 das Absperrorgan 31 wieder geschlossen werden. Ist die Einschaltdauer oder Abhebedrehzahl noch nicht erreicht, wird der Verdichter 13 weiter betrieben und gemäß Schritt 111 so lange erneut überprüft, bis die Voraussetzungen für ein Schließen des Absperrorgans 31 gemäß Schritt 115 vorliegen.

Ergibt allerdings die Prüfung in Schritt 105, dass der Druck p in den

Druckluftbehältern 23 den Schwellwert pe nicht erreicht, wird ausgehend von Schritt 105 in einem Schritt 117 durch die Brennstoffzellensteuerung 9 ein entsprechender Steuerbefehl generiert, der zum Starten des zweiten Verdichters 21 der Druckluftversorgung 19 führt, beispielsweise unter Vermittlung durch das elektronische Bremssystem 7. Der zweite Verdichter 21 fördert verdichtete Druckluft in die Druckluftbehälter 23, und mittels der Messeinrichtung 33 wird wiederum in Schritt 119 geprüft, wie sich der Luftdruck in den Druckluftbehältern 23 verändert. Wird in einem Prüfschritt 121 festgestellt, dass der Druck p im Druckluftbehälter 23 den Schwellwert po erreicht oder überschreitet, wird zum Schritt 109 übergegangen und der erste Verdichter 13 in Betrieb genommen. Ist das Ergebnis des Prüfschrittes 121 , dass der Druck p im Druckluftbehälter 23 noch nicht den Schwellwert pe erreicht, wird noch nicht zu Schritt 109 übergegangen.

Der grundsätzliche Verfahrensaufbau gemäß Fig. 2 geht davon aus, dass das Fahrzeug bei Schritt 117 ein Starten des elektrisch angetriebenen zweiten Verdichters 21 unproblematisch zulässt. Zum Betrieb des zweiten Verdichters 21 ist elektrische Energie nötig, die das Fahrzeug aus dem elektrischen Speicher 5 entnimmt. Zum Sicherstellen, dass ein Fahrzeugstart in jeder Betriebssituation gelingen kann, schlägt Fig. 3 eine zusätzliche Verfahrensroutine vor. In diesem Szenario würde, falls in Schritt 105 festgestellt worden ist, dass der Schwellwert pe noch nicht erreicht worden ist, zunächst in einem Schritt 123 geprüft, ob ein Ladestand L des elektrischen Speichers 5 oberhalb eines vorbestimmten Grenzwertes LG liegt. Ist dies der Fall, kann zu Schritt 117 übergegangen werden und die Druckluftversorgung auf die in Fig. 2 gezeigte Weise sichergestellt werden.

Wird in Schritt 123 aber festgestellt, dass der Ladestand den vorbestimmten Grenzwert LG erreicht oder unterschreitet, leitet die Brennstoffzellensteuerung 9 in Schritt 125 einen Start der aerostatischen Unterstützung mittels Öffnen des Absperrorgans 31 ein, auch wenn dort der Druck p noch nicht den notwendigen Schwellwert po erreicht hat. Nach dem Starten der aerostatischen Unterstützung in Schritt 125, oder alternativ dazu, wird in Schritt 127 der erste Verdichter 13 in einem Notstrombetriebsmodus gestartet und dem elektrischen Speicher 5 vom Brennstoffzellensystem 3 elektrische Energie zugeführt, damit, dann wiederum bei ausreichendem Ladestand L, der zweite Verdichter 21 zum Befüllen der Druckluftbehälter 23 angesteuert werden kann.

Der Notstrombetriebsmodus wird so lange fortgesetzt, bis der Ladestand L den kritischen Ladestands-Grenzwert LG erreicht bzw. überschritten hat. Ist dies der Fall, wird vorzugsweise in Schritt 129 der erste Verdichter 13 wieder heruntergefahren und auch die aerostatische Unterstützung, falls zuvor aktiviert, beendet, und die Verfahrensroutine wird bei Schritt 103, 105 etc. fortgesetzt.

Falls der Druckluftbehälter 23 drucklos sein sollte, und somit keine Druckluft für die aerostatische Unterstützung bereitstellen kann, kann der erste Verdichter vorzugsweise unabhängig von einer Ansteuerung des Absperrorgans 31 , und damit unabhängig von der Druckluftversorgung angesteuert werden. Mittels der Brennstoffzelle wird im Notstrombetriebsmodus so zügig wie möglich der zweite Verdichter 21 in Betriebsbereitschaft versetzt, um die Druckluftversorgung wieder mit Druck zu beaufschlagen und auch die aerostatische Unterstützung für den ersten Verdichter 13 wieder zu ermöglichen.

BEZUGSZEICHENLISTE (TEIL DER BESCHREIBUNG)

1 Nutzfahrzeug

3 Brennstoffzellensystem

5 elektrischer Speicher

7 elektronisches Bremssystem (EBS)

9 Brennstoffzellensteuerung

11 Datenschnittstelle

13 erster Verdichter

15 Lageranordnung

17 Druckluftschnittstelle

19 Druckluftversorgung

21 zweiter Verdichter

23 Druckluftbehälter

25 Luftaufbereitungseinrichtung

27 Mehrkreisschutzventil

29 Strömungspfad

31 Absperrorgan

33 Messeinrichtung

35 Drucksensor

101 -129 Verfahrensschritte

P Druck

PG Schwellwert, Druck

L Ladestand

LG Grenzwert, Ladestand

Pel elektrische Leistung