DE10116712A1 - Luftversorgungseinrichtung eines Brennstoffzellensystems und Verfahren zur Luftversorgung von Funktionseinheiten eines Brennstoffzellensystems - Google Patents

Abstract

Die Luftversorgungseinrichtung (10) eines Brennstoffzellensystems (11), insbesondere eines Fahrzeugs, dient zur Luftversorgung einer Mehrzahl an Funktionseinheiten (12, 13) mittels Luftverdichtern (A, B). Hierbei ist vorgesehen, dass mindestens ein Luftverdichter (A) mittels einer Schaltanordnung (29) zur Wirkungsgradoptimierung mit einer Mehrzahl der Funktionseinheiten (12, 13) wirkverbindbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Luftversorgungseinrichtung eines Brennstoffzellensystems, insbesondere in einem Fahrzeug, mit einer Mehrzahl an mittels Luftverdichtern mit Luft zu versorgenden Funktionseinheiten, gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1, und ein Verfahren zur Luftversorgung von Funktionseinheiten eines Brennstoffzellensystems, mit einer Mehrzahl an mittels Luftverdichtern mit Luft zu versorgenden Funktionseinheiten, entsprechend Oberbegriff des Anspruchs 7.

Luftversorgungseinrichtungen und Verfahren zur Luftversorgung der hier angesprochenen Art sind bereits bekannt. Sie sind derart ausgebildet, dass jeder mit Luft zu versorgenden Funktionseinheit ein entsprechender Luftverdichter zugeordnet ist. Nachteilhafterweise ist ein Brennstoffzellensystem mit einer derartigen bekannten Versorgungseinrichtung nicht in allen Betriebszuständen wirkungsgradgünstig mit Luft versorgbar.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Luftversorgungseinrichtung und ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, bei denen eine wirkungsgradoptimierte Luftversorgung des Brennstoffzellensystems möglich ist.

Zur Lösung der Aufgabe wird eine Luftversorgungseinrichtung eines Brennstoffzellensystems mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen, die sich dadurch auszeichnet, dass mindestens ein Luftverdichter mittels einer Schaltanordnung zur Wirkungsgradoptimierung mit einer Mehrzahl der Funktionseinheiten wirkverbindbar ist. Hierdurch ist es vorteilhafterweise möglich, lediglich solche Luftverdichter zur Luftbeaufschlagung von Funktionseinheiten zu aktivieren, welche bei den jeweils vorliegenden Betriebsparametern (beispielsweise jeweils bereit zu stellender Massenstrom) unter einem verhältnismäßig günstigen Wirkungsgrad betreibbar sind. Dadurch können bei bestimmten Betriebspunkten wirkungsgradungünstig arbeitende Luftverdichter mittels der Schaltanordnung abgeschaltet werden und die dadurch fehlende Förderleistung von einem oder mehreren Luftverdichtern übernommen werden, welche auch bei einer erhöhten Förderleistung in einem wirkungsgradgünstigeren Betriebspunkt arbeiten. Aufgrund der flexiblen Luftversorgung der Funktionseinheiten des Brennstoffzellensystems ist eine besonders effektive und gegebenenfalls kontrollierbare Wirkungsgradoptimierung (Optimierung des Gesamtwirkungsgrads) möglich.

Die Funktionseinheiten können unterschiedliche Bedarfsvolumenstrom- und/oder Bedarfsdruckniveaus aufweisen. Insbesondere bei derartigen Funktionseinheiten wirkt sich eine flexible Luftversorgung derselben besonders wirkungsgradoptimierend aus, da das Volumenstromniveau und das Druckniveau wirkungsgradbeeinflussende Betriebsparameter der Luftverdichter darstellen.

Vorzugsweise sind die Luftverdichter mittels der Schaltanordnung parallel mit den Funktionseinheiten wirkverbindbar. Parallel mit Funktionseinheiten wirkverbindbare Luftverdichter erlauben eine besonders flexible und wirkungsgradoptimierende Zuschaltung von Luftverdichtern an ein aktiviertes Luftversorgungssystem.

Die Schaltanordnung weist mit Vorteil eine Betriebsdaten der Luftverdichter verarbeitende Steuereinheit auf, welche die Betriebspunkte der Luftverdichter regelt. Darüber hinaus erfolgt erfindungsgemäß bei Betrieb eines oder mehrerer Luftverdichter in ungünstigen Betriebsbereichen mittels einer derartigen Steuereinheit eine schnelle und wirkungsgradgünstige Zuschaltung oder Inbetriebnahme von Luftverdichtern an ein aktives beziehungsweise zu aktivierendes Luftversorgungssystem. Dabei kann die Steuereinheit Betriebsdaten der Luftverdichter verarbeiten, welche insbesondere zur Bestimmung des jeweiligen Betriebswirkungsgrads des entsprechenden Luftverdichters dienen sollen. Dabei können die Betriebsdaten beispielsweise in Form von Tabellen oder Kennlinien in der Steuereinheit gespeichert sein.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist die Schaltanordnung mindestens einen Luftstromteiler auf, der austrittsseitig mit mindestens zwei Funktionseinheiten wirkverbunden ist. Ein Luftstromteiler ist schalttechnisch verhältnismäßig einfach und schnell steuerbar, zur Durchführung einer wirkungsgradoptimierenden Aktivierung beziehungsweise Deaktivierung von Luftverdichtern.

Die Funktionseinheiten können unterschiedliche Bedarfsdruckniveaus aufweisen, wobei die Schaltanordnung in einem zu einer Funktionseinheit mit einem niedrigeren Bedarfsdruckniveau führenden Zuführstrang ein Druckminderelement aufweist. Ein derartiges Druckminderelement kann beispielsweise eine Drossel sein.

Zur Lösung der Aufgabe wird auch ein Verfahren zur Luftversorgung von Funktionseinheiten eines Brennstoffzellensystems vorgeschlagen, das die Merkmale des Anspruchs 7 aufweist. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass zur Wirkungsgradoptimierung mindestens ein Luftverdichter mittels einer Schaltanordnung mit einer Mehrzahl an Funktionseinheiten wirkverbunden wird. Mittels dieses Verfahrens sind die in Bezug auf die Luftversorgungseinrichtung vorerwähnten Vorteile erzielbar.

Vorzugsweise werden die jeweiligen Luftverdichter vor Herstellung einer Wirkverbindung mit den Funktionseinheiten einer vergleichenden Wirkungsgradkontrolle mittels einer Steuereinheit unterzogen. Eine permanente Wirkungsgradgegenüberstellung der jeweiligen Luftverdichter erlaubt eine effektive Wirkungsgradoptimierung der entsprechenden Luftversorgungseinrichtung zur Luftbeaufschlagung von Funktionseinheiten eines Brennstoffzellensystems.

Entsprechend einer weiteren Ausführungsvariante wird als Entscheidungskriterium zur Herstellung einer Wirkverbindung zwischen den Luftverdichtern und den Funktionseinheiten zusätzlich zur Wirkungsgradoptimierung eine Anzahlminimierung von aktivierten Luftverdichtern herangezogen. Hierdurch werden zur Luftversorgung von Funktionseinheiten möglichst wenige Luftverdichter bei maximal möglichem Wirkungsgrad betrieben.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung.

Die Erfindung wird nachfolgend in einem Ausführungsbeispiel anhand zugehöriger Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine aus dem Stand der Technik bekannte Luftversorgungseinrichtung in Form eines Blockschaltbildes;

Fig. 2 eine Diagrammdarstellung einer Wirkungsgradkennlinie der Luftversorgungseinrichtung der Fig. 1;

Fig. 3 eine erfindungsgemäße Luftversorgungseinrichtung in Form eines Blockschaltbildes und

Fig. 4 eine Diagrammdarstellung einer Wirkungsgradkennlinie der Luftversorgungseinrichtung der Fig. 3.

Die Fig. 1 und 2 zeigen eine allgemein mit 9 bezeichnete Luftversorgungseinrichtung, welche aus dem Stand der Technik bekannt ist. Die Luftversorgungseinrichtung 9 ist mit einem Brennstoffzellensystem 11, insbesondere eines Fahrzeugs (nicht dargestellt), wirkverbunden. Das Brennstoffzellensystem 11 weist eine Mehrzahl von Funktionseinheiten 12, 13 auf, wobei jede Funktionseinheit 12, 13 mit einem zugehörigen Luftverdichter A, B zur Luftversorgung wirkverbunden ist. Das heißt, dass der Luftverdichter A mittels einer separaten Luftzuführleitung (Pfeil 17) mit der Funktionseinheit 12 und der Luftverdichter B mittels einer weiteren separaten Luftzuführleitung (Pfeil 18) mit der Funktionseinheit 13 wirkverbunden ist. Die Luftverdichter A, B werden jeweils mittels eines oder mehrerer Antriebsmotoren 16 angetrieben.

Fig. 2 zeigt eine Wirkungsgradkennlinie der Luftversorgungseinrichtung 9 in Abhängigkeit des zu fördernden relativen Massenstroms. Wie aus Fig. 2 hervorgeht, arbeiten die Luftverdichter A, B mit unterschiedlichen Wirkungsgraden, da sie unterschiedliche relative Massenströme fördern. Dabei wird der Luftverdichter B mit einem verhältnismäßig schlechten Wirkungsgrad betrieben (verhältnismäßig kleiner relativer Massenstrom). Dadurch arbeitet auch die gesamte Luftversorgungseinrichtung 9 unter einem nicht optimalen Wirkungsgrad (Gesamtwirkungsgrad). Da die Funktionseinheiten 12, 13 jedoch zum Betreiben des Brennstoffzellensystems 11 jeweils mit Luft beaufschlagt werden müssen, ist eine Wirkungsgradverbesserung der Luftversorgungseinrichtung 9 gemäß Fig. 1 nicht ohne weiteres möglich.

Die Fig. 3 zeigt beispielhaft eine allgemein mit 10 bezeichnete Luftversorgungseinrichtung, welche ebenfalls mit einem Brennstoffzellensystem 11, insbesondere in einem Fahrzeug (nicht dargestellt), wirkverbunden ist. Das Brennstoffzellensystem 11 weist eine Mehrzahl an Funktionseinheiten 12, 13 auf, welche zu deren Luftversorgung mit einer Mehrzahl an Luftverdichtern A, B wirkverbunden beziehungsweise wirkverbindbar sind. Erfindungsgemäß ist mindestens ein Luftverdichter, im vorliegenden Beispiel der Luftverdichter A, mittels einer Schaltanordnung 29 zur Wirkungsgradoptimierung mit der Mehrzahl der Funktionseinheiten 12, 13 wirkverbindbar. Die Schaltanordnung 29 weist eine Steuereinheit 23 und einen Luftstromteiler 14 auf. Die Steuereinheit 23 steht mit dem Luftstromteiler 14, den Luftverdichtern A, B sowie mit einem zum Antrieb der Luftverdichter A, B vorgesehenen Antriebsmotor 16 in operativer Wirkverbindung (Datenübertragungsleitungen gemäß Doppelpfeilen 24, 25, 27, 26). Der Luftverdichter A ist zur Luftbeaufschlagung mittels einer Luftzuführleitung 17 mit dem Lufistromteiler 14 verbunden, von welchem eine Luftzuführleitung 19 zur Funktionseinheit 12 führt. Ferner ist der Luftverdichter B mittels einer Luftzuführleitung 18, einer Leitungsverbindungsstelle 30 und einer Luftzuführleitung 22 mit der Funktionseinheit 13 wirkverbunden. Der Luftstromteiler 14 ist zusätzlich mittels einer Luftzuführleitung 20 mit einem Druckminderelement 15 (Drossel) verbunden, von welcher eine Luftzuführleitung 21 zur Leitungsverbindungsstelle 30 führt. Da die Funktionseinheiten 12, 13 bei unterschiedlichen Bedarfsdruckniveaus arbeiten, wobei die Funktionseinheit 13 bei einem im Vergleich zur Funktionseinheit 12 niedrigeren Bedarfsdruckniveau betrieben wird, ist das Druckminderelement 15, beispielsweise in Form einer Drossel, in dem zur Funktionseinheit 13 führenden Zuführstrang, bestehend aus den Luftzuführleitungen 20, 21, 22, angeordnet.

Weiterhin sind in den Leitungen 17, 18 sogenannte Rückflußverhinderer, z. B. in Form von Rückschlagventilen 31 angeordnet, die ein Rückströmen in die Luftverdichter A und B vermeiden.

Da der Luftverdichter A im Vergleich zum Luftverdichter B unter einem besseren Wirkungsgrad betrieben werden kann (siehe auch Fig. 2), ist es vorteilhaft, sowohl die Funktionseinheit 12 als auch die Funktionseinheit 13 lediglich mittels des Luftverdichters A mit Luft zu beaufschlagen. Hierzu wird der Luftstromteiler 14 mittels der Steuereinheit 23 so geschaltet, dass Luft durch die Luftzuführleitung 19 (erster Luftzuführzweig) und gleichzeitig durch die Luftzuführleitung 20, das Druckminderelement 15, die Luftzuführleitung 21, die Leitungsverbindungsstelle 30 und die Luftzuführleitung 22 (zweiter Luftzuführzweig) strömt. Gleichzeitig wird der Luftverdichter B mittels der Steuereinheit 23 deaktiviert, so dass keine Luft durch die Luftzuführleitung 18 strömen kann. Die Steuereinheit 23 kann dabei mit weiteren, gegebenenfalls für eine wirkungsgradoptimierende Schaltung der Luftverdichter A, B wichtigen Betriebsdaten der Luftversorgungseinrichtung 10 beziehungsweise des Brennstoffzellensystems 11 versorgt werden (Pfeil 28). In dieser Weise werden die Funktionseinheiten 12, 13 unter Erzielung einer Wirkungsgradoptimierung (sowohl des Verdichters A als auch des Gesamtsystems) lediglich mittels des Luftverdichters A mit Luft beaufschlagt. Fig. 4 zeigt die Wirkungsgradkennlinie der erfindungsgemäßen Luftversorgungseinrichtung 10 und illustriert den nun erzielten günstigeren Wirkungsgrad im Vergleich zu der Luftversorgungseinrichtung 9 des Standes der Technik (siehe auch Fig. 2).

Es ist somit vorteilhafterweise möglich, mittels der Schaltanordnung 29 den Wirkungsgrad der Luftversorgung eines derartig komplexen Systems zu verbessern und höhere Lastspreizungen im Betrieb der Luftversorgungseinrichtung 10 wenigstens zeitweise zu realisieren. Aufgrund der sich einstellenden Wirkungsgradoptimierung der Luftversorgungseinrichtung 10 wird deren Leistungsaufnahme vorteilhafterweise verringert. Statt wie im Stand der Technik gemäß Fig. 1 zwei geringe Massenströme bei geringem Wirkungsgrad zu fördern, wird erfindungsgemäß die Gesamtförderleistung von nur einem Lufiverdichter (Luftverdichter A) übernommen, der bei dieser Gesamtförderleistung in einem wirkungsgradgünstigeren Betriebspunkt arbeitet. Dabei kann der Förderstrom druckseitig mittels des Luftstromteilers 14 entsprechend des jeweiligen Luftbedarfs der Funktionseinheit 12, 13 aufgeteilt werden. Es ist somit eine Luftversorgung von mehreren Funktionseinheiten (Subsystemen) auch über verhältnismäßig große Lastsprünge bei nahezu linearem Druckniveau realisierbar. Selbstverständlich können mittels der Schaltanordnung 29 bei einem hohen Bedarfsluftstrom auch wieder beide Luftverdichter A, B in Betrieb genommen werden. Ferner ist es denkbar, unter Erzielung einer Wirkungsgradverbesserung der Versorgungseinrichtung 10 beide Lufiverdichter A, B zu betreiben und gleichzeitig einen Teilluftstrom vom Luftverdichter A bei entsprechender Betriebsstellung des Luftstromteilers 14 in die Funktionseinheit 13 zu führen. Es ist somit auch ein wirkungsgradgünstiger Kombinationsbetrieb von zwei gleichzeitig aktivierten Luftverdichtern A, B möglich.

Claims (9)

1. Luftversorgungseinrichtung eines Brennstoffzellensystems, insbesondere in einem Fahrzeug, mit einer Mehrzahl an mittels Luftverdichtern mit Luft zu versorgenden Funktionseinheiten, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Luftverdichter (A) mittels einer Schaltanordnung (29) zur Wirkungsgradoptimierung mit einer Mehrzahl der Funktionseinheiten (12, 13) wirkverbindbar ist.

2. Luftversorgungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktionseinheiten (12, 13) unterschiedliche Bedarfsvolumenstrom- und/oder Bedarfsdruckniveaus aufweisen.

3. Luftversorgungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Schaltanordnung (29) die Lufiverdichter (A, B) parallel mit den Funktionseinheiten (12, 13) wirkverbindbar sind.

4. Luftversorgungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltanordnung (29) eine Betriebsdaten der Luftverdichter (A, B) verarbeitende Steuereinheit (23) aufweist.

5. Luftversorgungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltanordnung (29) mindestens einen Lufistromteiler (14) aufweist, der austrittsseitig mit mindestens zwei Funktionseinheiten (12, 13) wirkverbunden ist.

6. Luftversorgungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktionseinheiten (12, 13) unterschiedliche Bedarfsdruckniveaus aufweisen, wobei die Schaltanordnung (29) in einem zu einer Funktionseinheit (13) mit einem niedrigeren Bedarfsdruckniveau führenden Zuführstrang (20, 21, 22) ein Druckminderelement (15) aufweist.

7. Verfahren zur Luftversorgung von Funktionseinheiten eines Brennstoffzellensystems, mit einer Mehrzahl an mittels Luftverdichtern mit Luft zu versorgenden Funktionseinheiten, insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Wirkungsgradoptimierung mindestens ein Luftverdichter (A) mittels einer Schaltanordnung (29) mit einer Mehrzahl an Funktionseinheiten (12, 13) wirkverbunden wird.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweiligen Luftverdichter (A, B) vor Herstellung einer Wirkverbindung mit den Funktionseinheiten (12, 13) einer vergleichenden Wirkungsgradkontrolle mittels einer Steuereinheit (23) unterzogen werden.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Entscheidungskriterium zur Herstellung einer Wirkverbindung zwischen den Luftverdichtern (A, B) und den Funktionseinheiten (12, 13) zusätzlich zur Wirkungsgradoptimierung eine Anzahlminimierung von aktivierten Luftverdichtern (A, B) herangezogen wird.