Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem für ein Fahrzeug, insbesondere für ein Nutzfahrzeug, mit einer Brennstoffzelle mit einem kathodenseitigen Einlass und einem kathodenseitigen Auslass, einem Verdichter, der fluidleitend mit dem Einlass der Brennstoffzelle verbunden ist und eine Verdichterwelle aufweist, einem Expander, der eine Expanderwelle aufweist und fluidleitend mit dem Auslass der Brennstoffzelle verbunden ist, und einer Steuergeräteanordnung zum Ansteuern des Verdichters und des Expanders, wobei die Expanderwelle und die Verdichterwelle mechanisch voneinander entkoppelt sind.

Brennstoffzellensysteme der vorbezeichneten Art sind allgemein bekannt. In diesen Brennstoffzellensystemen wird der Verdichter dazu benutzt, Luft anzusaugen, zu verdichten und dem kathodenseitigen Einlass der Brennstoffzelle zum Durchführen der Brennstoffzellenreaktion zuzuführen. Das verdichtete Stoffgemisch durchläuft den o- der die Stacks der Brennstoffzelle. Das nach dem Abreagieren verbleibende Stoffgemisch tritt als gasförmiger Fluidstrom kathodenseitig aus dem Auslass der Brennstoffzelle wieder aus. Dieser Fluidstrom weist üblicherweise noch einen Überdruck gegenüber der Umgebung auf und wird daher in den meisten Brennstoffzellensystemen dazu genutzt, als Staudruck die Reaktanten balance in der Brennstoffzelle zu beeinflussen und/oder die Expanderwelle des Expanders anzutreiben. Im Expander kann das auslassseitig austretende Stoffgemisch auf Umgebungsdruck entspannt werden, und die an die Expanderwelle abgegebene Energie wird üblicherweise in elektrische Energie umgewandelt, wenn der Expander mit einem Generator verbunden ist.

Es ist aus dem Stand der Technik bekannt, die vom Expander erzeugte elektrische Energie dem Bordnetz des Fahrzeugs zur Verfügung zu stellen und bisweilen auch, jene elektrische Energie dem Brennstoffzellensystem zugänglich zu machen.

Darüber hinaus ist bekannt, den Expander bei verschiedenen Arbeitspunkten zu betreiben, um abhängig vom Arbeitspunkt der vorgelagerten Brennstoffzelle eine maximale Energieausbeute aus dem kathodenseitig austretenden Fluidstrom schöpfen zu können. Es besteht allerdings der Wunsch, die Effizienz im Betrieb eines Brennstoffzellensystems noch weiter zu verbessern.

So lag der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Brennstoffzellensystem der eingangs bezeichneten Art anzugeben, welches die im Stand der Technik empfundenen Nachteile möglichst weitgehend abmildert. Insbesondere lag der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Brennstoffzellensystem anzugeben, welches eine verbesserte und/oder verbesserte Leistung und/oder Wirtschaftlichkeit aufweist.

Die Erfindung löst die ihr zugrundeliegende Aufgabe bei einem Brennstoffzellensystem der eingangs bezeichneten Art, indem die Steuergeräteanordnung dazu eingerichtet ist, den Betriebszustand des Brennstoffzellensystems des Expanders direkt zu beeinflussen. Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass es durch eine unabhängige Anordnung der Expanderwelle und der Verdichterwelle möglich ist, die Expanderwelle losgelöst von der Verdichterwelle zu betreiben und anzusteuern. Die Rotationsgeschwindigkeit der Expanderwelle hat direkten strömungsmechanischen Einfluss auf den Fluidstrom, der vom Verdichter der Brennstoffzelle zugeführt wird und die Brennstoffzelle durchläuft, sodass sich ein unabhängiges Ansteuern der Expanderwelle auch strömungsmechanisch direkt auf die Brennstoffzelle und den Verdichter auswirkt. Hierdurch lassen sich verschiedene Betriebszustände des Brennstoffzellensystems unterstützen, ohne dass zusätzliche Hardware dafür benötigt wird. Die Fähigkeit des Expanders, aufgenommene mechanische Energie in elektrische Energie zu wandeln und dem Brennstoffzellensystem oder anderen Fahrzeugkomponenten zur Verfügung zu stellen, bleibt dadurch grundsätzlich unbeeinträchtigt.

In einer bevorzugten Weiterbildung weist der Expander einen Leerlauf-Betriebsmodus auf, und die Steuergeräteanordnung ist dazu eingerichtet, bei einem Beschleunigungsvorgang des Verdichters den Expander in den Leerlauf-Betriebsmodus zu schalten. Diese Weiterbildung betrifft einen Betriebszustand des Brennstoffzellensystems, in dem die Leistungsabgabe des Brennstoffzellensystems erhöht werden soll, beispielsweise aus dem Stillstand heraus. Um eine höhere Leistung zu erzeugen, benötigt das Brennstoffzellensystem mehr kathodenseitige Luftzufuhr, sodass der Verdichter mehr Verdichtungsleistung erbringen muss. Dafür muss die Verdichterwelle mit einer höheren Drehzahl angetrieben werden. Aufgrund der zu bewegenden Massen und der Natur des chemischen Prozesses in der Brennstoffzelle ist ein solcher Beschleunigungsvorgang im Stand der Technik vergleichsweise träge gewesen, und jene Trägheit wird dadurch verstärkt, dass der Verdichter gegen den strömungsmechanischen Widerstand an arbeiten muss, den unter anderem auch der Expander ihm entgegenstellt. Das stellt in der Praxis eine Grenze der Dynamik im Fährbetrieb dar. Indem beim Beschleunigungsvorgang, also während sich die Drehzahl der Verdichterwelle erhöht, der Expander im Leerlauf betrieben wird, sinkt aber am Auslass der Brennstoffzelle der Staudruck, welches gleichzeitig bedeutet, dass der Verdichter gegen weniger Luftwiderstand an arbeiten muss, wenn er die Beschleunigung umsetzen will. Der Verdichter wird bei einem im Leerlauf betriebenen Expander schneller auf die angeforderte Drehzahl beschleunigt, was insgesamt einen deutlich dynamischeren Betrieb der Brennstoffzelle zur Folge hat. Nach vollzogenem Beschleunigungsvorgang kann der Expander dann wieder in einen Normal-Betriebsmodus versetzt werden, in dem er wie gehabt aus dem auslassseitig austretenden Stoffgemisch mechanische Energie aufnimmt und in elektrische Energie umwandelt, wobei das Stoffgemisch entspannt wird. Zudem wird der Verschleiß im Verdichter reduziert, weil die Lager, insbesondere Luftlager, bereits nach einer relativ geringeren Anzahl Drehungen die gewünschte Drehzahl erreicht haben, und bei einer Beschleunigung aus dem Stand heraus folglich schneller ihre kritische Abhebedrehzahl erreichen, ab der kein Verschleiß mehr im nennenswerten Umfang auftritt.

Der Leerlauf-Betriebsmodus wird dadurch charakterisiert, dass der Expander in diesem Betriebsmodus keine mechanische Energie aus dem Auslassstrom der Brennstoffzelle aufnimmt. Dies kann erreicht werden, indem die Steuergeräteanordnung den Expander derart ansteuert, dass keine mit dem Expander wirkverbundenen elektrischen Maschine keine elektrische Leistung generiert wird. Dann müssen die Welle und der Rotor des Expanders zwar als träge Massen bewegt werden, aber es tritt in der elektrischen Maschine kein zusätzlicher Widerstand auf.

Alternativ kann das austretende Stoffgemisch über ein oder mehrere Ventile am Einlass des Expanders vorbeigeleitet werden, beispielswiese direkt in die Umgebung. In einer weiteren Ausführungsform kann ein Expander mit pitchbaren Rotorblättern an der Expanderwelle verwendet werden, die durch entsprechende Blatteinstellung in einen Trudelbetrieb oder in Stillstand versetzt werden können.

Alternativ oder zusätzlich kann, falls der Expander mit einer elektrischen Maschine gekoppelt ist, die mechanische Verbindung zwischen der Expanderwelle und der elektrischen Maschine ausgesetzt werden, beispielsweise mittels einer entsprechenden Kupplung, sodass die Expanderwelle sich zwar weiterdrehen kann, dies aber im Wesentlichen widerstandslos tut.

In bevorzugten Ausführungsformen ist der Expander dazu eingerichtet, bei einem veränderlichen Arbeitspunkt betrieben zu werden. Dadurch, dass der Expander gewissermaßen im Abgastrakt der Brennstoffzelle liegt, kann abhängig von der Ansteuerung des Expanders sein Arbeitspunkt im gesamten Arbeitsbereich liegen, also von 0% bis 100 % der Nennleistung des Expanders.

Für den vorstehend bereits beschriebenen Betriebszustand einer ansteigenden Leistungsanforderung für das Brennstoffzellensystem kann in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform vorgesehen sein, dass die Steuergerätanordnung dazu eingerichtet ist, bei einem Beschleunigungsvorgang des Verdichters den Expander an einem Arbeitspunkt in einem unteren Endbereich seiner Nennleistung zu betreiben, vorzugsweise in einem Bereich von 0% bis 30% seiner Nennleistung.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Steuergeräteanordnung dazu eingerichtet, bei einem Verzögerungsvorgang des Verdichters den Expander an einem Arbeitspunkt in einem oberen Teilbereich oder Endbereich seiner Nennleistung zu betreiben, vorzugsweise in einem Bereich von 50% bis 100% seiner Nennleistung, weiter vorzugsweise in einem Bereich von 60% bis 80% seiner Nennleistung. Der obere Teilbereich oder obere Endbereich wird alternativ oder zusätzlich zu der vorherigen Bereichsauswahl oberseitig vorzugsweise begrenzt durch einen maximal zulässigen auslassseitigen Staudruck an der Brennstoffzelle, um eine ungewollte vorzeitige Alterung oder Beschädigung der Brennstoffzelle zu vermeiden. Diese Ausführungsform beschreibt einen Betriebszustand des Brennstoffzellensystems, an dem die Leistungsanforderung an die Brennstoffzelle abnimmt, wodurch weniger Luft zugeführt werden muss, und wodurch folglich der Verdichter mit einer geringeren Drehzahl betrieben werden kann/muss.

Diese Ausführungsform kann auch dazu genutzt werden, den Verdichter bei einem Abschalten des Brennstoffzellensystems bis zum Stillstand zu verzögern. Insbesondere beim vollständigen Abbremsen des Verdichters in den Stillstand kommt es zu Verschleißerscheinungen im Verdichter, weil die Verdichterwelle an einem bestimmten Zeitpunkt mit ihrer Drehzahl unter die Abhebedrehzahl herabsinkt. Die Abhebedrehzahl charakterisiert die häufig bei Verdichtern verwendeten Luftlager, und insbesondere deren Übergang von einer Gleitlagerung in eine aerodynamische Lagerung. Je schneller der Abbremsvorgang realisiert wird, d.h. je geringer die Anzahl der schleifenden Umdrehungen im Gleitlagerbetrieb ist, desto geringer ist der Verschleiß vom Lager.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Steuergeräteanordnung dazu eingerichtet, den Arbeitspunkt des Expanders zum Einstellen eines gewünschten auslassseitigen Staudrucks zwischen der Brennstoffzelle und dem Expander zu steuern, vorzugsweise zu regeln. Der auslassseitig anliegende Staudruck hinter der Brennstoffzelle dient in der Praxis auch dazu, vor allem die kathodenseitige Reaktantenverarmung bei einer Brennstoffzelle mit mehreren Stacks für die später durchlaufenden Stacks abzumildern. Je höher der Staudruck, desto besser gelingt es erfahrungsgemäß, auch für die späteren Stacks aus einer Brennstoffzelle ausreichende kathodenseitige Reaktantenversorgung sicherzustellen. Im Rahmen der Balance der Reaktionskomponenten ist daher der Staudruck ein wichtiger Steuer- bzw. Regelparameter. In den meisten Brennstoffzellensystemen wird diese Aufgabe von einer Drosselklappe oder einem Druckregelventil übernommen. Mit der erfindungsgemäßen Ausführungsform wird es möglich, die Funktion dieser Drosselklappe bzw. des Druckregelventils im Falle eines Defekts durch entsprechende Steuereingriffe am Arbeitspunkt des Expanders zu übernehmen, zumindest provisorisch, als sogenannte Limp-Home-Funktion. Bei entsprechender Dimensionierung des Expanders ist es aber auch möglich, auf die Drosselklappe bzw. das Druckregelventil zu verzichten und die Funktion vollständig in den Expander zu verlagern. Es ist ebenfalls eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung, den Einbau einer Drosselklappe oder eines Druckregelventils im Brennstoffzellensystem anderweitig überflüssig zu machen, indem dem Expander selbst eine solche Drosselklappe oder ein Druckrege Iventil einlassseitig zugeordnet wird, und von der Steuergeräteanordnung dann mit angesteuert wird.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Expander mittels der Expanderwelle mit einer elektrischen Maschine gekoppelt, wobei die elektrische Maschine wahlweise als Motor oder als Generator betreibbar ist. Die Steuergeräteanordnung ist dazu eingerichtet, die elektrische Maschine in einen Normalbetriebsmodus zum Generatorantrieb anzusteuern und in einem Hilfsmodus als Motor anzusteuern.

Diese Ausführungsform betrifft einen Betriebszustand des Brennstoffzellensystems, in dem der Verdichter nicht genug Leistung zur Verfügung stellen kann, oder ausgefallen ist. In einem solchen Fall kann der Expander durch entsprechende Ansteuerung der elektrischen Maschine und entsprechende fluidtechnische Verschaltung von energieabschöpfenden Instrument zu einem zusätzlichen Druckluftlieferanten werden. Indem die elektrische Maschine die Expanderwelle motorisch antreibt, können die an der Expanderwelle angeordneten Rotorblätter wie ein Verdichter arbeiten und die dann aus der Umgebung angesaugte Luft verdichten und der Brennstoffzelle o- der dem Verdichter zuzuführen. Sofern der Verdichter noch funktionsfähig ist, können beide gemeinsam als mehrstufige oder additive Verdichteranordnung betrieben werden.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform, in welcher der Expander mittels der Expanderwelle mit einer elektrischen Maschine gekoppelt ist, wobei die elektrische Maschine wahlweise als Motor oder als Generator betreibbar ist, ist die Steuergeräteanordnung dazu eingerichtet, die elektrische Maschine bei einem Beschleunigungsvorgang des Verdichters als Motor anzusteuern. Dadurch wird der Staudruck auslassseitig der Brennstoffzelle reduziert, ähnlich wie im Leerlauf-Betriebsmodus, und der Verdichter erreicht schneller seine Ziel-Drehzahl. Vorzugsweise ist dazu im Brennstoffzellensystem ein Mehrwegeventil zum wahlweisen fluidleitenden Verbinden des Einlasses des Expanders mit dem Auslass der Brennstoffzelle oder mit dem Einlass der Brennstoffzelle vorgesehen, wobei die Steuergeräteanordnung dazu eingerichtet ist, das Mehrwegeventil derart anzusteuern, dass im Normalbetriebsmodus der Einlass des Expanders mit dem Auslass der Brennstoffzelle verbunden ist, und im Hilfsmodus der Einlass des Expanders, der dann als Auslass dient, fluidleitend mit dem Einlass der Brennstoffzelle oder dem Einlass des Verdichters verbunden ist.

Die unabhängige Lagerung und Ansteuerung von Verdichter und Expander hat noch weitere Vorteile. So ist beispielsweise in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform vorgesehen, dass der Expander derart ausgelegt ist, dass er in seinem Arbeitsbereich bei niedrigeren Drehzahlen arbeitet als der Verdichter in dessen Arbeitsbereich, wo insbesondere die Drehzahl des Expanders bei Nennleistung geringer ist als die Drehzahl des Verdichters bei Nennleistung. Der Expander kann, wenn die Ansteuerung flexibel im Vergleich zum Verdichter realisiert wird, bauarttechnisch anders ausgelegt werden als der Verdichter, sodass er prinzipbedingt bei niedrigeren Drehzahlen arbeitet. Der Drehzahlunterschied kann im Gegensatz zu einer gemeinsamen Lagerung beider Systeme mehrere zehntausend Umdrehungen pro Minute betragen, sodass bei entsprechender Auslegung des Expanders mitunter auf eine günstigere Lagerungsart der Expanderwelle ausgewichen werden kann, beispielsweise auf Wälzlager anstelle der konstruktiv aufwendigen aerostatischen oder aerodynamischen Luftlager. Hierdurch wird das System ohne Leistungsschmälerung noch wirtschaftlicher.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die Steuergeräteanordnung ein erstes Steuergerät zur Steuerung des Verdichters, und ein zweites Steuergerät zur Steuerung des Expanders auf. Die beiden Steuergeräte sind vorzugsweise signalleitend miteinander verbunden. Sie können in einem gemeinsamen Gehäuse oder in mehreren individuellen Gehäusen untergebracht sein. Die Steuergeräteanordnung kann vollständig aus dedizierten Steuergeräten aufgebaut sein, oder sie kann teilweise oder vollständig in andere, bereits im Fahrzeugsystem vorhandene Steuergeräte integriert sein, entweder hardwaretechnisch oder softwaretechnisch als entsprechendes Funktionsmodul.

Beispielsweise kann die Steuergeräteanordnung partiell oder vollständig in die Brennstoffzellensteuerung, die Verdichtersteuerung, die Expandersteuerung, oder in die Steuerung eines DC/DC-Konverters für das Brennstoffzellensystem integriert sein. Der DC/DC-Konverter ist dazu eingerichtet, die von der Brennstoffzelle erzeugte Spannung an eine vorbestimmte Spannung für das Bordnetz des Nutzfahrzeugs anzupassen. Hintergrund ist, dass die Brennstoffzelle ohmsche Eigenschaften aufweist, d. h. bei Volllast die kleinste Spannung aufweist. Weil das Bordnetz aber eine weitgehend konstante Spannung verlangt, ist zwischen Bordnetz und Brennstoffzelle vorzugsweise ein DC/DC-Konverter geschaltet. Er sorgt dafür, dass die last-abhängige Spannung der Brennstoffzelle immer auf die Bordnetzspannung gewandelt wird. Viele Bauteile in einem DC/DC-Konverter und der Leistungselektronik eines Verdichters - etwa einem Inverter - und/oder eines Expanders sind gleich. Deshalb kann eine physikalische Integration Bauteilredundanzen reduzieren.

Alternativ zu der Mehrgerätelösung, die vorstehend beschrieben ist, kann die Steuergeräteanordnung auch ein einzelnes Steuergerät zur Steuerung des Verdichters und des Expanders aufweisen. Wiederum kann die Steuergeräteanordnung in vorstehend beschriebener Art und Weise als dediziertes Steuergerät ausgebildet sein, oder in eines der Steuergeräte aus dem Nutzfahrzeugsystem hardwaremäßig oder softwaremäßig implementiert sein, siehe insoweit die obigen Ausführungen.

Die Erfindung ist vorstehend anhand eines ersten Aspekts unter Bezugnahme auf das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem beschrieben worden. Die Erfindung betrifft in einem zweiten Aspekt ferner ein Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems, insbesondere eines Brennstoffzellensystems für ein Fahrzeug, insbesondere Nutzfahrzeug, mit einer Brennstoffzelle mit einem kathodenseitigen Einlass und einem kathodenseitigen Auslass, einem Verdichter, der fluidleitend mit dem Einlass der Brennstoffzelle verbunden ist und eine Verdichterwelle aufweist, einem Expander, der eine Expanderwelle aufweist und fluidleitend mit dem Auslass der Brennstoffzelle verbunden ist, und einer Steuergeräteanordnung zum Ansteuern des Verdichters und des Expanders, wobei die Expanderwelle und die Verdichterwelle mechanisch voneinander entkoppelt sind.

Die Erfindung löst die ihr zugrundeliegende, eingangs bezeichnete Aufgabe bei einem solchen Verfahren, indem das Verfahren das Ansteuern des Verdichters und des Expanders umfasst, und der Expander derart angesteuert wird, dass damit ein Betriebszustand des Brennstoffzellensystems direkt beeinflusst wird. Die Erfindung betrifft insbesondere ein Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems nach einer der vorstehend beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen.

Das Verfahren gemäß der Erfindung im zweiten Aspekt macht sich dieselben Vorteile und dieselben Effekte zunutze, wie das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem des ersten Aspekts. Bevorzugte Ausführungsformen des Brennstoffzellensystems sind zugleich bevorzugte Ausführungsformen des Verfahrens und umgekehrt. Diesbezüglich wird daher ergänzend auf die obigen Ausführungen verwiesen.

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

- Schalten den Expander in den Leerlauf-Betriebsmodus, wenn der Verdichter beschleunigt wird;

- Betreiben des Expanders bei einem veränderlichen Arbeitspunkt;

- Betreiben des Expanders an einem Arbeitspunkt in einem unteren Endbereich seiner Nennleistung zu betreiben, vorzugsweise in einem Bereich von 0% bis 30% seiner Nennleistung, wenn der Verdichter beschleunigt wird;

- Betreiben des Expanders an einem Arbeitspunkt in einem oberen Endbereich seiner Nennleistung, vorzugsweise in einem Bereich von 50% bis 100% seiner Nennleistung, wenn der Verdichter verzögert wird;

- Steuern, vorzugsweise Regeln, des Arbeitspunkts des Expanders zum Einstellen eines gewünschten auslassseitigen Staudrucks zwischen der Brennstoffzelle und dem Expander; - Ansteuern einer mit dem Expander gekoppelten elektrischen Maschine wahlweise in einem Normalbetriebsmodus als Generator anzusteuern oder in einem Hilfsmodus als Motor;

- Ansteuern eines Mehrwegeventils derart, dass im Normalbetriebsmodus der Einlass des Expanders mit dem Auslass der Brennstoffzelle verbunden ist, und im Hilfsmodus der Einlass des Expanders, der dann als Auslass dient, mit dem Einlass der Brennstoffzelle oder des Verdichters verbunden ist.

Die Erfindung betrifft in einem weiteren Aspekt eine Steuergeräteanordnung für ein Brennstoffzellen system eines Fahrzeugs, insbesondere für ein Brennstoffzellensystem mit einer Brennstoffzelle mit einem kathodenseitigen Einlass und einem katho- denseitigen Auslass, einem Verdichter, der fluidleitend mit dem Einlass der Brennstoffzelle verbunden ist und eine Verdichterwelle aufweist, einem Expander, der eine Expanderwelle aufweist und fluidleitend mit dem Auslass der Brennstoffzelle verbunden ist, und einer Steuergeräteanordnung zum Ansteuern des Verdichters und des Expanders, wobei die Expanderwelle und die Verdichterwelle mechanisch voneinander entkoppelt sind.

Die Erfindung löst die ihr zugrundeliegende Aufgabe bei einer solchen Steuergeräteanordnung, indem die Steuergeräteanordnung dazu eingerichtet ist, das Verfahren nach einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen auszuführen. Die Steuergeräteanordnung ist insbesondere auch dazu eingerichtet, ein Brennstoffzellensystem nach einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen zu steuern.

Die Steuergeräteanordnung gemäß diesem Aspekt der Erfindung macht sich die gleichen Vorteile und Wirkungen zunutze, wie das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem und das erfindungsgemäße Verfahren. Die bevorzugten Ausführungsformen des Brennstoffzellensystems und des Verfahrens sind zugleich bevorzugte Ausführungsformen der Steuergeräteanordnung und umgekehrt. Zur Vermeidung von Wiederholungen wird diesbezüglich auf die obigen Ausführungsformen verwiesen.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beigefügte Figur näher beschrieben. Es zeigt die Fig. eine schematische Darstellung eines Nutzfahrzeugs mit Brennstoffzellensystem gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel.

In der Figur ist ein Nutzfahrzeug 200 mit einem Brennstoffzellensystem 100 dargestellt. Das Brennstoffzellensystem 100 weist eine Brennstoffzelle auf, die einen ka- thodenseitigen Einlass 3 und einen kathodenseitigen Auslass 5 aufweist. Der Einlass 3 ist zur kathodenseitigen Zufuhr von Luft vorgesehen. Für die zugeführte Luft wird das Bezugszeichen O2 verwendet, wobei hierunter zu verstehen ist, dass kein reiner Sauerstoff zugeführt werden muss, sondern dass sauerstoffhaltige Stoffgemische verwendet werden können, die neben Sauerstoff auch weitere gasförmige Bestandteile wie beispielsweise Stickstoff, Edelgase und andere Bestandteile enthalten können. Als Stoffgemisch kann beispielsweise Umgebungsluft zugeführt werden. Anodenseitig wird der Brennstoffzelle 1 Wasserstoff zugeführt, das ist hier aber aus Gründen der Fokussierung auf die erfindungswesentlichen Merkmale nicht dargestellt worden.

Aus dem Auslass 5 tritt ein um die abreagierten Bestandteile verarmtes Stoffgemisch als Abluft-Fluidstrom O2 ¹ aus der Brennstoffzelle 1 aus.

Zum Zuführen der Luft O2 zu der Brennstoffzelle 1 weist das Brennstoffzellensystem 100 einen Verdichter 7 mit einer rotatorisch angetriebenen Verdichterwelle 9 auf. Der Verdichter 7 ist dazu eingerichtet, Luft bei einem ersten Druck pi , beispielsweise Umgebungsdruck, anzusaugen, zu verdichten und mit einem entsprechend der Verdichterleistung erhöhten Druck p2 an den Einlass 3 der Brennstoffzelle 1 zu liefern.

Das Brennstoffzellensystem 100 weist ferner einen Expander 11 auf, der mechanisch von dem Verdichter 7 entkoppelt ist. Der Verdichter 7 und der Expander 11 sind zur Veranschaulichung versetzt in der Figur dargestellt. Durch die mechanische Entkopplung entsteht eine weitreichende Flexibilität hinsichtlich der Positionierung des Verdichters 7 und des Expanders 11 relativ zu der Brennstoffzelle 1 und relativ zueinander. Die Verdichter 11 und Expander 7 können in einem gemeinsamen Gehäuse und angeordnet sein, sie können aber auch in getrennten, dedizierten Gehäusen an der Brennstoffzelle 1 oder getrennt von der Brennstoffzelle 1 angeordnet werden.

Der Expander 11 weist eine Expanderwelle 13 auf, die dazu eingerichtet ist, mittels (nicht näher dargestellter) Rotorblätter mechanische Energie aus dem Abluftstrom der Brennstoffzelle 1 aufzunehmen und die Expanderwelle 13 in Rotation zu versetzen. Der Expander 11 weist hierzu einen Einlass 12 auf, über den der Expander 11 fluidleitend mit dem Auslass 5 der Brennstoffzelle 1 verbunden ist. Durch die Energieübertragung auf die Expanderwelle 13 wird der mit einem Druck ps aus der Brennstoffzelle 1 austretende Abluft-Fluidstrom O2 ¹ weiter entspannt und verlässt den Expander 11 über einen Auslass 14 mit einem Druck p4, der beispielsweise der Umgebungsdruck pi sein kann, aber nicht muss.

Die Expanderwelle 13 ist mittels einer Kupplung 19 mit einer Welle 17 einer elektrischen Maschine 15 gekoppelt. Die elektrische Maschine 15 ist dazu eingerichtet, in einem ersten Betriebsmodus als Generator betrieben zu werden, und in einem zweiten Betriebsmodus als Motor betrieben zu werden.

Zwischen dem Auslass 5 der Brennstoffzelle 1 und dem Einlass 12 des Expanders 11 ist ein Druckregelventil 21 angeordnet, das variabel zwischen einer Offenstellung und einer Sperrstellung in einer Vielzahl Zwischenstellungen geregelt werden kann und zum Regeln des Drucks an der Seite des Auslasses 5 der Brennstoffzelle 1 verwendbar ist.

Ferner ist zwischen dem Auslass 5 der Brennstoffzelle 1 und dem Einlass 12 des Expanders 11 ein Mehrwegeventil 23, beispielsweise ein 3/2 -Wegeventil, angeordnet, mit dem der Einlass 12 des Expanders 1 1 wahlweise fluidleitend mit dem Auslass 5 der Brennstoffzelle 1 , wie in der Figur gezeigt, oder mit dem Einlass 3 der Brennstoffzelle 1 oder einem Einlass 2 des Verdichters 7 verbunden werden kann, wobei dann der Einlass 12 als Auslass fungiert. Das Brennstoffzellensystem 100 weist ferner eine Steuergeräteanordnung 25 auf, im vorliegenden Ausführungsbeispiel ausgebildet als ein einzelnes Steuergerät mit einem Datenspeicher 27 und einem Prozessor 29.

Die Steuergeräteanordnung 25 ist dazu eingerichtet, den Verdichter 7 und den Expander 11 unabhängig voneinander anzusteuern, derart, dass mittels der Ansteuerung des Expanders 11 eine oder mehrere Betriebszustände des Brennstoffzellensystems 100 direkt beeinflusst werden. Die Steuergeräteanordnung 25 ist hierzu signalleitend mit dem Verdichter 7 und dem Expander 1 1 verbunden.

Darüber hinaus ist die Steuergeräteanordnung 25 signalleitend mit der elektrischen Maschine 15 verbunden und dazu eingerichtet, jene wahlweise im ersten Betriebsmodus oder im zweiten Betriebsmodus anzusteuern. Die elektrische Maschine 15 und der Expander 1 1 können auch eine integrierte Einheit sein, die von der Steuergeräteanordnung 25 als solche angesteuert wird.

Vorzugsweise ist die Steuergeräteanordnung 25 auch dazu eingerichtet, die Kupplung 19 zwischen dem Expander 11 und der elektrischen Maschine 15 einzukuppeln und auszukuppeln.

Die Steuergeräteanordnung 25 ist vorzugsweise ferner dazu eingerichtet, das Mehrwegeventil 23 so zu schalten, dass es in einem Normal-Betriebsmodus wie in der Figur gezeigt den Auslass 5 der Brennstoffzelle 1 fluidleitend mit dem Einlass 12 des Expanders 11 verbindet, oder in einem Hilfsmodus den Einlass 12 des Expanders 11 , der dann als Auslass fungiert, mit entweder dem Einlass 3 der Brennstoffzelle 1 oder dem Einlass 2 des Verdichters 7.

Weiter vorzugsweise ist Steuergeräteanordnung 25 dazu eingerichtet, das Druckregelventil 21 zum Einstellen eines gewünschten Drucks am Auslass 5 der Brennstoffzelle 1 zu steuern, vorzugsweise zu regeln. Sofern beispielsweise die Brennstoffzelle 1 eine eigene Brennstoffzellensteuerung 6 aufweist, und jene Brennstoffzellensteuerung 6 vorgibt, was für ein Druck auf der Seite des Auslasses 5 der Brennstoffzelle 1 anliegen soll, ist die Steuergeräteanordnung 25 vorzugsweise signalleitend mit der Brennstoffzellensteuerung 6 verbunden und dazu eingerichtet, entsprechende Steuerbefehle von der Brennstoffzellensteuerung 6 der Brennstoffzelle 1 zu empfangen.

Die Steuergeräteanordnung 25 kann, wie in der Figur dargestellt, ein dediziertes Steuergerät sein, oder aber als Anordnung mehrerer Steuergeräte ausgebildet sein. Die Steuergeräteanordnung 25 kann hardwaremäßig oder softwaremäßig in die Brennstoffzelle 1 implementiert sein, dann vorzugsweise als Teil der Brennstoffzellensteuerung 6. Alternativ kann die Steuergeräteanordnung 25 aber auch in die Verdichtersteuerung, die Expandersteuerung oder die Steuerung der elektrischen Maschine 15 hardwaremäßig oder softwaremäßig implementiert sein. Auch eine Implementierung in ein Steuergerät extern zum Brennstoffzellensystem 100 innerhalb der Architektur des Nutzfahrzeugs 200 ist möglich.

In dem Datenspeicher 27 sind vorzugsweise Befehle zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens hinterlegt, und der Prozessor 29 ist dazu eingerichtet, diese Befehle auszuführen. Alternativ zu einem fest verbauten Datenspeicher 27 kann die Steuergeräteanordnung 25 eine Schnittstelle zu einem externen Datenspeicher aufweisen, in dem jene Befehle hinterlegt sind.

Durch die mechanische Entkopplung der Verdichterwelle 9 und der Expanderwelle 13 können die Expanderwelle 13 und die Verdichterwelle 9 bei unterschiedlichen Drehzahlenniveaus betrieben werden, wobei bevorzugt wird, das Drehzahlniveau der Expanderwelle 13 deutlich niedriger zu wählen als das Drehzahlniveau der Verdichterwelle 9. Die Expanderwelle 13 und die Welle 17 der elektrischen Maschine 15 können direkt miteinander gekoppelt sein oder über ein Getriebe miteinander verbunden sein, wobei das Getriebe vorzugsweise ein übersetzendes Getriebe ist. Weiter vorzugsweise kann das Getriebe wahlweise als übersetzendes Getriebe im Normal-Betriebsmodus geschaltet werden, oder als untersetzendes Getriebe, welches dann im Hilfsmodus, wenn also die elektrische Maschine 15 als Motor betrieben wird, wieder- rum übersetzend dahingehend wirkt, dass die Rotationsgeschwindigkeit der Expanderwelle 13 größer ist als die Rotationsgeschwindigkeit der Welle 17 der elektrischen Maschine. Im Normal-Betriebsmodus ist es andersherum, dann ist die Rotationsgeschwindigkeit der Expanderwelle 13 geringer als die Rotationsgeschwindigkeit der Welle 17 der elektrischen Maschine 15.

Im Folgenden wird der Betrieb des Brennstoffzellensystem 200 näher erläutert. Den folgenden Ausführungen ist gemein, dass der Expander 11 dazu eingerichtet ist, bei einem veränderlichen Arbeitspunkt, d.h. mit einer veränderlichen Rate seiner Nennleistung betrieben zu werden, und die Steuergeräteanordnung 25 ist dazu eingerichtet, den Expander 11 entsprechend anzusteuern, um das Brennstoffzellensystem 100 in verschiedenen Betriebszuständen zu unterstützen. Nachfolgend wird exemplarisch auf einige relevante Betriebszustände eingegangen.

Ein erster exemplarischer Betriebszustand betrifft das Hochfahren oder Belastung der Brennstoffzelle 1 von einem unteren Leistungsniveau, beispielsweise dem Stillstand, auf ein relativ dazu höheres Leistungsniveau. Wird ein solcher Anstiegsbefehl registriert, beispielsweise von der Brennstoffzellensteuerung 6 kommend, steuert die Steuergeräteanordnung 25 den Verdichter ? entsprechend zu einer Erhöhung der Rotationsgeschwindigkeit der Verdichterwelle 9 an, um mehr Luft zu der Brennstoffzelle 1 zuführen zu können. Ferner steuert die Steuergeräteanordnung 25 den Expander 11 in einer ersten Variante in einen Leerlauf-Betriebsmodus. Beispielsweise kann dazu die Kupplung 19 geöffnet werden, wodurch die Expanderwelle 13 zwar noch weiterdreht, aber ohne nennenswerten Rotationswiderstand, wodurch sich am Auslass 5 der Brennstoffzelle 1 kein nennenswerter Staudruck aufbaut. Hierdurch ist es möglich, in sehr kurzer Zeit und mit vergleichsweise wenigen notwendigen Umdrehungen der Verdichterwelle 9 die angestrebte Rotationsgeschwindigkeit im Verdichter 7 zu erreichen. Hierdurch wird die Dynamik des Brennstoffzellensystems 1 verbessert und der Verschleiß auf die Lager der Verdichterwelle 9 vermindert. Nach erfolgtem Beschleunigungsvorgang kann die Kupplung 19 wieder geschlossen werden, und kann sich der für den Betrieb der Brennstoffzelle 1 notwendige Staudruck am Auslass 5 der Brennstoffzelle 1 einstellen. Der Expander kann in allgemein bekannter Weise Energie aus dem Abluft-Fluidstrom O2 ¹ aufnehmen und mittels der elektrischen Maschine 15, die im Normalbetriebsmodus als Generator betrieben wird, in elektrische Energie wandeln. Alternativ oder zusätzlich kann der Betriebszustand des Heraufsetzens der Brennstoffzellenleistung dadurch unterstützt werden, dass die Steuergerätanordnung 25 den Expander 11 nicht in einen Leerlauf-Betriebsmodus versetzt, sondern den Arbeitspunkt des Expanders 11 in einen unteren Endbereich der für den Expanderbetrieb vorgesehenen Nennleistung. In diesem Bereich setzt der Expander 11 dem ankommenden Abluft-Fluidstrom O2 ¹ wenig Widerstand entgegen, und das Beschleunigen der Verdichterwelle 9 gelingt wie vorstehend beschrieben entsprechend einfach.

Das Verlegen des Arbeitspunktes kann entweder über eine Einstellung des Pitchwin- kels der (nicht dargestellten) Rotorelemente im Expander 11 erfolgen, sofern vorhanden, oder über eine gezielte Ansteuerung der elektrischen Maschine 15, beispielsweise über die Ansteuerung eines der elektrischen Maschine 15 zugeordneten Inverters oder ähnlichen Elements einer Leistungselektronik. Dies kann in allgemein bekannter Weise geschehen.

Ein weiterer Betriebszustand betrifft das Herabsetzen der von der Brennstoffzelle 1 zu erzeugenden elektrischen Leistung. Soll die von der Brennstoffzelle 1 abgegebene elektrische Leistung reduziert werden, beispielsweise bis zum Stillstand, oder jedenfalls ausgehend vom aktuellen Leistungsniveau auf ein relativ dazu niedrigeres Leistungsniveau, wird ein Befehl zur Verzögerung der Verdichterwelle 9 ausgesendet, beispielsweise wiederrum von der Brennstoffzellensteuerung 6, an die Steuergeräteanordnung 25. Die Steuergeräteanordnung 25 steuert dann den Expander 11 dahingehend an, dass dessen Arbeitspunkt in einen oberen Endbereich der für den Expander 11 spezifizierten Nennleistung verlegt wird. Dies kann wiederum durch eine Einstellung des Pitchwinkels der (nicht dargestellten) Rotorelemente im Expander 11 erfolgen, sofern vorhanden, oder über eine gezielte Ansteuerung der elektrischen Maschine 15, beispielsweise über die Ansteuerung eines der elektrischen Maschine 15 zugeordneten Inverters oder ähnlichen Elements einer Leistungselektronik. Hierdurch wird am Auslass 5 der Brennstoffzelle 1 ein vergleichsweiser hoher Staudruck erzeugt, der für den Verdichter 7 einen hohen Widerstand darstellt. Je höher der Widerstand für den Verdichter 7 ist, desto schneller wird bei Ausbleiben einer entgegen- wirkenden Antriebsarbeit der Verdichterwelle 9 die Rotationsgeschwindigkeit der Verdichterwelle 9 abnehmen. Dadurch, dass der Stillstand der Verdichterwelle 9 schneller, d.h. nach einer geringeren Anzahl von Umdrehungen erreicht wird, wird wieder- rum die Dynamik des Systems verbessert, und zudem der Verschleiß im Verdichter 7 reduziert, weil nur vergleichsweise wenige Umdrehungen von der Verdichterwelle 9 durchgeführt werden müssen, bis diese zum Stillstand gekommen ist.

In einem weiteren Betriebsmodus wird mittels der Ansteuerung des Expanders 11 die Brennstoffzelle 1 unmittelbar unterstützt, in dem der Expander 11 von der Steuergeräteanordnung 25 derart angesteuert wird, dass der Druck an der Seite des Auslasses 5 der Brennstoffzelle 1 gezielt gesteuert, vorzugsweise geregelt wird. Wie vorstehend beschrieben beeinflusst die Höhe des Staudrucks an der Seite des Auslasses 5 der Brennstoffzelle 1 das Ausmaß der Reaktantenverarmung in einer Brennstoffzelle, vor allem einer Brennstoffzelle mit mehreren Stacks, und dort vor allem bei den später von der Luft O2 durchlaufenen Stacks.

Diese Ansteuerung des Expanders 11 zur Staudruckbeeinflussung kann unterstützend zu einer Ansteuerung des Druckregelventils 21 erfolgen, oder als Überbrückungsmaßnahme im Fall eines Defekts des Druckregelventils 21. Bei entsprechender Dimensionierung des Expanders 11 und entsprechender Ausgestaltung des Steueralgorithmus kann auf das Druckregelventil 21 sogar verzichtet werden. Das Druckregelventil 21 kann im Übrigen baulich sowohl der Brennstoffzelle 1 zugeordnet sein, als auch ein separates Bauteil sein im Brennstoffzellensystem 100. Es kann erfindungsgemäß aber auch dem Expander 11 zugeordnet sein, beispielsweise an dessen Einlass 12 montiert werden.

In einem weiteren Betriebsmodus, der den Ausfall oder Unterstützungsfall für den im Brennstoffzellensystem 100 vorhandenen Verdichter 7 betrifft, steuert die Steuergeräteanordnung 25 das Mehrwegeventil 23 dazu an, von der in der Figur gezeigten Normal-Betriebs-Schaltstellung in eine Hilfsmodus-Schaltstellung umzuschalten, in welcher der Einlass 12 des Expanders 1 1 fluidleitend mit den Einlass 3 der Brennstoffzelle 1 verbunden wird, oder alternativ mit dem Einlass 2 des Verdichters 7. Der Auslass 14 des Expanders, aus dem normalerweise der entspannte Fluidstrom des abreagierten Abluft-Fluidstroms O2 ¹ austritt, dient dann als Einlass, und dadurch, dass die elektrische Maschine 15 in dem nun ausgelösten Hilfsmodus als Motor arbeitet, wird die Expanderwelle 13 von der Welle 17 der elektrischen Maschine 15 angetrieben und sorgt für eine Verdichtung im Inneren des Expanders, der dann wie ein Verdichter arbeitet. Der Einlass 12 des Verdichters fungiert dann als Auslass und führt dem entsprechenden Einlass 3 der Brennstoffzelle 1 oder dem Einlass 2 des Verdichters 7 verdichtete Luft bei einem Druck ps zu. Ist der Verdichter 7 selber noch funktionsfähig, wirkt der Expander wie eine erste Verdichterstufe vorverdichtend und der Verdichter 7 als zweite Verdichterstufe. Ist der Verdichter 7 ausgefallen, kann der Expander 11 , zumindest als „Limp Home“-Funktion, die Druckluftversorgung für die Brennstoffzelle 1 wenigstens temporär übernehmen.

Das Mehrwegeventil 23 kann ein dediziertes Ventil im Brennstoffzellensystem 100 sein, es kann aber auch baulich an den Expander 11 angeschlossen sein.

Die vorstehenden Erörterungen illustrieren, dass der Expander eine Funktionsvielfalt zur Verfügung stellen kann, die weit über das bloße Erzeugen elektrischer Energie aus dem Abluft-Fluidstrom O2 ¹ der Brennstoffzelle 1 hinausgeht, und dass mit dem Expander das Brennstoffzellensystem 100 vielfältig in seiner allgemeinen Funktionsweise unterstützt und effizienter gemacht werden kann.

Bezuqszeichen

Brennstoffzelle

Einlass, Verdichter

Einlass, Brennstoffzelle

Auslass, Brennstoffzelle

Brennstoffzellensteuerung

Verdichter

Verdichterwelle

Expander

Einlass des Expanders

Expanderwelle

Auslass des Expanders elektrische Maschine

Welle der elektrischen Maschine

Kupplung

Druckregelventil

Mehrwegeventil

Steuergeräteanordnung

Datenspeicher

Prozessor

Brennstoffzellensystem

Nutzfahrzeug