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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems
mit einer Brennstoffzelle, einem elektrisch antreibbaren Turbolader, der
einen Verdichter und einen parallel zum Verdichter angeordneten
Bypass mit einer Durchflusssteuereinrichtung umfasst, und einer
Sensoreinrichtung zur Messung und/oder Berechnung eines Massenstroms durch
den Bypass. Die Erfindung betrifft ferner ein Brennstoffzellensystem
zur Durchführung des Verfahrens.
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Aus
der
DE 11 2005
000 767 T5 ist ein Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems mit
einer Brennstoffzelle und einem elektrisch antreibbaren Turbolader
bekannt, bei dem das Brennstoffzellensystems in Abhängigkeit
von einer gemessenen Durchflussmenge der eingeleiteten Luft betrieben
wird.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Betrieb eines
Brennstoffzellensystems mit einer Brennstoffzelle und einem elektrisch antreibbaren
Turboladers anzugeben, bei dem die Gefahr von Beschädigungen
an Verdichter und/oder Brennstoffzellen verringert ist.
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Die
Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen
des Anspruchs 1. Dabei wird mit Hilfe der Durchflusssteuereinrichtung
ein Massenstrom durch den Bypass derart eingestellt, dass der Verdichter
in einem Betriebsbereich zwischen einer Pumpgrenze des Verdichters
und einer Druckverlustkurve der Brennstoffzelle betrieben wird.
Dadurch ist die Gefahr von Beschädigungen des Verdichters
verringert. Durch eine Druckregelung auf der Kathodenseite und der
Anodenseite der Brennstoffzelle lässt sich ferner eine
Druckdifferenz zwischen der Kathodenseite und der Anodenseite innerhalb
vorgegebener Grenzen halten, so dass Beschädigungen einer Elektrolytmembran
zwischen der Luft führenden Kathodenseite und der Wasserstoff
führenden Anodenseite der Brennstoffzelle zumindest weitgehend
ausgeschlossen sind.
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Die
Aufgabe wird ferner gelöst durch ein Brennstoffzellensystem
mit einer Brennstoffzelle und einem elektrisch antreibbaren Turbolader,
der einen Verdichter umfasst, bei dem erfindungsgemäß parallel
zum Verdichter eine Bypassleitung mit einer Durchflusssteuereinrichtung
angeordnet ist, wobei ein Massenstrom durch die Bypassleitung mit
Hilfe eines Ventilelements einstellbar ist und mit Hilfe einer Sensoreinrichtung
messbar und/oder berechenbar ist.
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In
einer Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Sensoreinrichtung
einen ersten Luftmassenstromsensor in einer Ansaugleitung des Brennstoffzellensystems.
Der erste Luftmassenstromsensor kann dabei alternativ stromaufwärts
oder stromabwärts einer Einmündungsstelle der
Bypassleitung in die Ansaugleitung angeordnet sein. Damit ist eine erste
aussagekräftige Messgröße zur Bestimmung eines
Betriebspunkts des Verdichters in einem Kennfeld gegeben.
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In
weiteren Ausgestaltungen der Erfindung umfasst die Sensoreinrichtung
einen zweiten Luftmassenstromsensor, der in der Bypassleitung oder
in einer Zuleitung zu dem elektrisch betreibbaren Turbolader stromabwärts
einer Einmündungsstelle der Bypassleitung angeordnet ist.
Durch eine Messung eines zweiten Luftmassenstroms steht eine zweite, einfach
zu ermittelnde Messgröße zur Bestimmung des Betriebspunkts
des Verdichters und/oder zur Regelung eines Betriebspunkts des Verdichters und/oder
der Brennstoffzelle zur Verfügung. Ein stabiler Betrieb
des Brennstoffzellensystems ist damit erleichtert.
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Vorteilhafte
Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand
der Zeichnungen näher beschrieben. Dabei sind die vorstehend
genannten und nachfolgend noch zu erläuternden Merkmale
nicht nur in der jeweils angegebenen Merkmalskombination, sonder
auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar,
ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Dabei
zeigen:
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1 ein
Betriebskennfeld eines elektrisch betreibbaren Turboladers für
ein Brennstoffzellensystem;
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2 eine
schematische Darstellung eines ersten erfindungsgemäßen
Brennstoffzellensystems;
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3 Verfahrensschritte
zur Bestimmung eines erforderlichen Luftmassenstroms;
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4 Verfahrensschritte
zur Bestimmung einer Durchflussstellung eines Ventilelements;
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5 Verfahrensschritte
zur Schätzung eines Bypassvolumenstroms;
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6 eine
schematische Darstellung des Verfahrens zur Steuerung/Regelung des
elektrischen Verdichters;
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7 Verfahrensschritte
zur Ermittlung eines Soll-Luftdrucks auf einer Kathodenseite der Brennstoffzelle;
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8 Verfahrensschritte
zur Ermittlung eines erforderlicher Basisluftmengenstroms;
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9 Verfahrensschritte
zur Korrektur des erforderlichen Basisluftmengenstroms;
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10 Verfahrensschritte
zur Ermittlung einer erforderlichen Wasserstoffkonzentration;
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11 Verfahrensschritte
zum Abgleich eines Differenzdrucks Anode/Kathode;
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12 Verfahrensschritte
zur Korrektor eines Anodendrucks im Purge-Fall;
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13 eine
schematische Darstellung eines Verfahrens zur Regelung eines Anodendrucks
bei einem statischen Lastfall;
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14 eine
schematische Darstellung des Verfahrens zur Regelung eines Anodendrucks;
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15 eine
schematische Darstellung eines zweiten erfindungsgemäßen
Brennstoffzellensystems;
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16 eine
schematische Darstellung eines dritten erfindungsgemäßen
Brennstoffzellensystems und
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17 eine
schematische Darstellung eines vierten erfindungsgemäßen
Brennstoffzellensystems.
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In 1 ist
ein Betriebskennfeld 1 eines elektrisch betreibbaren Verdichters
exemplarisch dargestellt. Das Betriebskennfeld 1 ist in
Richtung eines hohen Druckverhältnisses durch eine Pumpgrenze 2 des
Verdichters begrenzt, die auch als so genannte „Surge-Linie” bekannt
ist. In Richtung eines niedrigen Druckverhältnisses ist
das Betriebskennfeld 1 durch eine Druckverlustkurve 3 der
Brennstoffzelle begrenzt, die auch als Brennstoffzellen-Systemkennlinie
bezeichnet ist.
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Prinzipbedingt
weisen unterschiedliche Bauarten von Verdichtern jeweils spezifische
Kennfelder auf. Dabei weisen Schraubenverdichter ein analoges Verhalten
zu Zahnradpumpen auf, und Turboverdichter sind in ihrem Betriebsverhalten
mit Kreiselpumpen vergleichbar. 1 sind erste
Förderkennlinien 4 des Verdichters bei konstanter
Drehzahl zu entnehmen. Zum Vergleich sind in 1 darüber
hinaus zweite Förderlinien 5 eines Schraubenverdichters
bei konstanter Drehzahl eingezeichnet.
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Beim
Betrieb eines Brennstoffzellensystems sind die zugeführten
Mengen an Brennstoff (Wasserstoff) und Oxidationsmittel (Sauerstoff
beziehungsweise Luft) sowie die Absolutdrücke auf der Anodenseite
und der Kathodenseite und der Differenzdruck zwischen beiden Seiten
von besonderer Bedeutung. Die Menge der zugeführten Luft
bestimmt nachhaltig die Luftstöchiometrie auf der Kathodenseite.
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In
Brennstoffzellensysteme mit einem Schraubenverdichter lassen sich
die zugeführte Luftmenge und der Druck im System vorteilhaft
mittels einer herkömmlichen Druckregelung einstellen, da
große Änderungen des Druckverhältnisses
bei gleicher Drehzahl lediglich zu geringen Änderungen
des Massenstroms führen (siehe zweite Förderlinien 5 des Schraubenverdichters
in 1). In der vorliegenden Erfindung wird die Brennstoffzelle
demgegenüber jedoch mittels eines elektrisch antreibbaren
Turboladers in Form eines Verdichters mit Luft versorgt. Aus 1 wird
deutlich, dass eine herkömmliche Druckregelung in diesem
Fall nur äußerst bedingt zur Regelung der zugeführten
Luftmenge und des Drucks geeignet ist, da bereits geringe Änderungen
des Drucksignals beziehungsweise des Druckverhältnisses
zu großen Änderungen des reduzierten Massenstroms
führen würden. So ist aus 1 beispielsweise
ersichtlich, dass eine Änderung des Drucksignals um ca.
10 mbar oder einer Änderung des Druckverhältnisses
um 0,1 eine Förderbandbreite von 100 kg/h bis 200 kg/h
zur Folge hat. Ziel der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein
Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems mit einem elektrisch
betreibbaren Turbolader anzugeben, bei dem mittels einer neu definierten
Druckregelung insbesondere die Gefahr einer Beschädigung
des Verdichters und/oder der Brennstoffzelle verringert ist.
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Der
elektrisch antreibbare Turbolader ist in diesem Ausführungsbeispiel
als Verdichter ausgeführt und umfasst keine mit dem Verdichter
verbundene Turbine. Ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen ist
es jedoch auch möglich, einen Turbolader mit einer Turbine
vorzusehen, bei dem die Turbine beispielsweise von Austrittsgasen
der Brennstoffzelle angetrieben ist.
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In 2 ist
ein Brennstoffzellensystem 10 zur Durchführung
des Verfahrens schematisch dargestellt. Das Brennstoffzellensystem 10 umfasst
eine Brennstoffzelle 16, die von Wasserstoff und Sauerstoff
beziehungsweise Luft durchströmt ist (in 2 ist
lediglich der Luftpfad dargestellt), wobei durch eine kontrollierte
Reaktion von Wasserstoff und Luftsauerstoff ein elektrischer Strom
erzeugt werden kann, der wiederum zum Antrieb eines Elektromotors 17 dient.
Nach Durchströmen der Brennstoffzelle 16 lässt
sich die Luft über eine Drosselklappe 18 aus dem
System ausleiten.
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Das
Brennstoffzellensystem 10 umfasst ferner einen elektrisch
antreibbaren Turbolader, der in diesem Ausführungsbeispiel
als Verdichter 13 ausgeführt ist und dessen Drehzahl
mit Hilfe eines Antriebsmotors 14 einstellbar ist. Dem
Verdichter 13 ist Luft zuführbar, wobei im Ansaugpfad
ein erster Luftmassenstromsensor 12 zur Messung des Luftmassenstroms
in das Brennstoffzellensystem angeordnet ist. Parallel zum Verdichter 13 ist
eine Bypassleitung 19 mit einer Durchflusssteuereinrichtung
in Form eines Ventilelements 15 angeordnet. In einem modifizierten
Ausführungsbeispiel ist die Durchflusssteuereinrichtung
als Regelklappe ausgeführt. Die Kombination aus Bypassleitung 19 und
Ventilelement 15 wird allgemein auch als „Waste
Gate” bezeichnet.
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Mit
Hilfe der Bypassleitung 19 und des Ventilelements 15 ist
eine Rückströmung um den Verdichter 13 von
der Hochdruckseite zur Niederdruckseite realisierbar. Eine Regelung
des Massenstroms durch die Bypassleitung 19 ermöglicht
es, einen Betriebspunkt des Verdichters 13 in dem Betriebskennfeld 1 einzustellen.
Insbesondere lässt sich der Verdichter 13 mittels
einer entsprechenden Regelung des Massenstroms durch die Bypassleitung 19 in
einem Betriebsbereich unterhalb der Pumpgrenze betreiben (vergleiche 1).
Auf diese Weise ist die Gefahr von Beschädigungen des Verdichters
verringert.
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Der
Betriebspunkt des Verdichters 13 in dem Betriebskennfeld 1 wird
in diesem Ausführungsbeispiel mit Hilfe des ersten Luftmassenstromsensors 12 bestimmt.
Dazu wird aus einer Lastanforderung EL_S_req eine erforderliche
Luftmenge Lf_Smi_req am Eingang der Brennstoffzelle 16 ermittelt.
Als Stellgrößen zur Einstellung der Luftmenge
dienen die Drehzahl des elektrisch betreibbaren Verdichters 13 sowie
die Durchflussstellung des Ventilelements 15. Die erforderliche
Luftmenge wird mit der gemessenen Luftmenge des ersten Luftmassenstromsensors 12 abgeglichen
und zur Regelung des Verdichters verwendet. Das Verfahren wird nachfolgend
anhand der 3 bis 9 näher
erläutert.
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In 3 sind
die Verfahrensschritte zur Herleitung des erforderlichen Luftmassenstroms Lf_Smi_req
schematisch dargestellt. Als Maßzahl für eine
Lastanforderung El_S_req dient in diesem Ausführungsbeispiel
eine geforderte Eingangsspannung für den Elektromotor 17,
die sich beim Betrieb des Brennstoffzellensystems in einem Kraftfahrzeug
zum Beispiel aus einer Gaspedalstellung ermitteln lässt. In
einem nachfolgenden Schritt wird aus der Lastanforderung El_S_req
und der Kühlmitteltemperatur KwT_Si der Brennstoffzelle
ein rechnerisch erforderlicher Luftmassenstrom Lf_Smi_req_Normal
ermittelt. Bei stationärem Betrieb oder bei einem Lastwechsel
in Richtung höherer geforderter Lasten ist der tatsächlich
erforderliche Luftmassenstrom Lf_Smi_req identisch mit dem rechnerisch
erforderlichen Luftmassenstrom Lf_Smi_req_Normal. Bei einem Lastwechsel
in Richtung niedrigerer geforderter Lasten wird der erforderliche
Luftmassenstrom Lf_Smi_req wie nachfolgend noch näher erläutert
anhand eines unter Berücksichtigung der Systemdynamik ermittelten
erforderlichen dynamischen erforderlichen Luftmassenstroms Lf_SMi_req_DT
festgelegt. Um kurzzeitige Sprünge in Richtung größerer
erforderlicher Luftmengenströme zu vermeiden, darf der durchgereichte
Sollwert für den Luftmassenstrom dabei nicht größer
sein als ein Sollwert aus einem vorangegangenen Zyklus.
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In 4 ist
dargestellt, wie die Durchflussstellung aLR_WG des Ventilelements 13 eingestellt wird.
Die Durchflussstellung aLR_WG ist beeinflusst durch
- • einen erforderlichen Luftmassenstrom Lf_Smi_req,
der mittels eines Luftdrucks Lp_Ki und einer Lufttemperatur LT_Ki
am Verdichtereingang zu einem temperatur- und druckkompensiertem
Luftmassenstrom Lf_Smi_req_red umgerechnet wird;
- • einen Umgebungsluftdruck LP_Um;
- • einer bauteilspezifischen Druckkennlinie des Waste
Gates WG_LUT;
- • einer bauartspezifischen Pumpgrenze des Verdichters
PI_ETC_SurgeLine in Abhängigkeit von einer Drehzahl des
Verdichters;
- • einer Druckerhöhung des Verdichters IP_ETC.
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Durch
die Berücksichtigung der Druckkennlinie des Waste Gates
WG_LUT und der Pumpgrenze des Verdichters PI_ETC_SurgeLine ist sichergestellt, dass
der Verdichter in einem Betriebsbereich innerhalb dieser beiden
Grenzlinien betrieben werden kann.
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Das
Verfahren zur Regelung des Bypassluftvolumenstroms Ef_WG_estimate
durch die Bypassleitung 19 und das Ventilelement 15 ist
in 5 dargestellt. Dazu wird zunächst aus
der Durchflussstellung aLR_WG des Ventilelements 13 (siehe 4) und
der Druckerhöhung des Verdichters PI_ETC ein rechnerischer
Luftvolumenstrom WG_2_dotV durch die Bypassleitung 19 und
das Ventilelement 15 berechnet. Dieser wird in einem nachfolgenden
Schritt mit Hilfe des Luftdrucks Lp_Ki und der Lufttemperatur LT_Ki
am Verdichtereingang in einen geschätzten Bypassluftvolumenstrom
Lf_WG_estimate umgerechnet.
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In 6 ist
schematisch ein Gesamtsystem zur Steuerung/Regelung des elektrischen
Verdichters ergänzt um einen nachfolgend näher
erläuterten Luftmassenabgleich dargestellt. Aus dem erforderlichen
Luftmassenstrom Lf_Smi_req und dem geschätzten Bypassluftvolumenstrom
Lf_WG_estimate wird ein temperatur- und druckkompensierter Luftvolumenstrom
Lf_Ki_req_red berechnet. Aus dem temperatur- und druckkompensierten
Luftvolumenstrom Lf_Ki_req_red und der Druckerhöhung des
Verdichters PI_ETC wird mit Hilfe eines Kennfelds ETC_Speed eine
erforderliche Drehzahl des Verdichters ermittelt. In einem nachfolgenden
Schritt wird die Drehzahl unter Berücksichtigung der Lufttemperatur am
Verdichtereingang LT_Ki korrigiert. Zur Absicherung des benötigten
Luftvolumenstroms am Eintritt der Brennstoffzelle wird die korrigierte
Drehzahl anhand des mit Hilfe des ersten Luftmassenstromsensors 12 am
Lufteintritt gemessenen Luftmassenstroms Lf_Smi überprüft,
und die Drehzahl des Verdichters beziehungsweise die Durchflussstellung
des Ventilelements wird angepasst.
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In
den 7 bis 9 ist schematisch ein Verfahren
zur Herleitung des erforderlichen Luftmassenstroms bei schnellen
Lastwechseln in Richtung niedrigerer Lasten dargestellt (so genannte
downtransiente Lastwechsel). Der dynamischen Regelung liegt dabei
der Gedanke zugrunde, dass der Luftdruck auf der Kathodenseite Lp_Si
dem Wasserstoffdruck auf der Anodenseite Hp_Si folgt.
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Gemäß 7 wird
ein Soll-Luftdruck auf der Kathodenseite Lp_Si_req_DT aus einer
vorgegebenen Druckdifferenz zwischen Anode und Kathode HpLp_Si_DT_setpoint
und dem Wasserstoffdruck auf der Anodenseite Hp_Si bestimmt.
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Zur
definierten Einstellung eines Kathoden-Luftdrucks wird in einem
nachfolgendem Schritt gemäß 8 ein
erforderlicher Basisluftmengenstrom Lf_Smi_req_base_DT mit Hilfe
eines Differenzdrucks aus dem Soll-Luftdruck auf der Kathodenseite
Lp_Si_req_DT und des Umgebungsluftdrucks Lp_Um berechnet. Mit Hilfe
von Betriebskennlinien der einzelnen Systemkomponenten dp_Stack-Exhaust_2_dotV
wird ein Luftvolumenstrom dotV_Stack_req_DT ermittelt, dem anschließend
der Luftdruck auf der Kathodenseite Lp_Si zugeordnet wird, um schließlich
den Basisluftmengenstrom Lf_Smi_req_base_DT kompensiert um die Temperatur
am Brennstoffzelleneingang LT_Si zu bestimmen.
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Sollte
sich bei dieser Regelung der gewünschte Luftdruck am Kathodeneingang
Lp_Si nicht unmittelbar einstellen, wird der Basisluftmengenstrom
Lf_Smi_req_base_DT gemäß 10 noch durch
einen Regler DT_Lf_SMi_controller korrigiert.
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Das
Verfahren zur Regelung des Anodendrucks Hp_i_req wird im Folgenden
anhand der 10 bis 14 näher
beschrieben.
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Gemäß 10 lässt
sich eine erforderliche zuzuführende Wasserstoffmenge im
Anodenkreislauf aus der Lastanforderung an das Brennstoffzellensystem
El_S_req und der Kühlwassertemperatur KwT_Si bestimmen.
In 11 ist die Verknüpfung des Solldifferenzdrucks
Anode/Kathode HLp_Sd_req dargestellt. Dazu werden der Kathodenluftdruck
am Stapeleingang Lp_Si, der Solldifferenzdruck Anode/Kathode HLp_Sd_req
und der gemessene Differenzdruck Anode/Kathode HLp_Sd über
ein in diesem Beispiel als PID-Regler ausgeführtes Regelglied abgeglichen.
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In 12 ist
gezeigt wie der zur Einhaltung der Wasserstoffkonzentration erforderliche
Soll-Anodendruck im Purge-Fall HP_Sd_req (H2-Purge) über eine
Messung der Wasserstoffkonzentration HcH_So bestimmt wird.
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In 13 sind
die zuvor im Detail dargestellten Regelungsschritte zur Anodendruckregelung
in einer Gesamtverschaltung für einen statischen Lastfall
dargestellt. Zusammenfassend ist festzuhalten, dass die Messgrößen
- • Kathodenluftdruck am Stapeleingang
Lp_Si und
- • Differenzdruck Kathode/Anode HLp_Sd
mit
den Sollgrößen - • Solldifferenzdruck
Kathode/Anode HLp_Sd_req und
- • Soll-Anodendruck im Purge-Fall HP-Sd_req
verarbeitet
und zur Bestimmung des erforderlichen Anodendrucks am Stapeleingang
Hp_Si_req verwendet werden.
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In 14 ist
die Gesamtverschaltung aus 13 um
Regelungseinheiten für den dynamischen Lastfall ergänzt.
Bei einem Lastwechsel hin zu niedrigeren Lasten (downtransient)
wird dieser über eine Verknüpfung von dem rechnerisch
notwendigen Luftmengenstrom Lf_SMi-req_Normal und der zeitlichen Änderung
des erforderlichen Luftmengenstroms Lf_SMi_req-DT erkannt und mit
dem Kathodenluftdruck am Stapeleingang Lp_Si abgeglichen, wobei ein
Mindestwert, beispielsweise in Höhe von 0,1 bar, vorgegeben
ist.
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Somit
kann für quasi-stationäre und dynamische Lastanforderungen
auch im Purge-Fall aus den Größen
- • Luftdruck auf Kathodenseite Lp_Si,
- • Wasserstoffkonzentration HcH_So,
- • Lastanforderung El_S_req,
- • Kühlwassertemperatur KWT_Si und
- • Differenzdruck Anode/Kathode HLp_Sd
ein
erforderlicher Anodendruck am Eingang der Brennstoffzelle HP_Si_req
rechnerisch ermittelt werden.
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Gemäß 15 kann
der erste Luftmassensensor 12 auch in einer Zuleitung 21 zu
dem elektrisch betreibbaren Turbolader stromabwärts von
einer Einmündungsstelle 22 der Bypassleitung in
die Zuleitung 21 angeordnet sein. Somit ist mittels des ersten
Luftmassensensors 21 die von dem Verdichter 13 geförderte
Luftmenge messbar. Bei geschlossenem Ventilelement 15 ist
die geförderte Luftmenge gleich der der Brennstoffzelle
zugeführten Luftmenge. Auf diese Weise ist es möglich,
jederzeit den Betriebspunkt des Verdichters 13 in Relation
zu der Pumpgrenze 2 zu bestimmen. Die Positionierung des ersten
Luftmassenstromsensors 12 direkt vor dem Verdichter 13 zeichnet
sich in zweifacher Hinsicht aus. In einem hohen Lastbereich wird
das Brennstoffzellensystem in der Regel mit geschlossenem Ventilelement 15 betrieben.
In diesem Lastbereich entspricht der mit Hilfe des ersten Luftmassenstromsensors 12 gemessene
Luftmassenstrom dem der Brennstoffzelle 16 zugeführten
Luftmassenstrom, so dass eine eventuelle Unterversorgung der Brennstoffzelle 16 sicher
erkannt werden kann. Das Ventilelement 15 in der Bypassleitung 198 kommt
vorrangig im dynamischen Betrieb bei Lastwechseln zu niedriger Last
hin (downtransiente Lastwechsel) sowie im unteren Lastbereich zum
Einsatz. In beiden Fällen ist ein Luftbedarf der Brennstoffzelle
reduziert, während der Verdichter 16 Gefahr läuft, über
der Pumpgrenze 2 betrieben zu werden. Durch das Regeln
des Luftmassenstroms im unteren Lastbereich auf den Bedarf des Verdichters
wird die Brennstoffzelle in der Regel ausreichend mit Sauerstoff
versorgt.
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In 16 ist
schematisch ein Brennstoffzellensystem gemäß einem
dritten Ausführungsbeispiel dargestellt. Dabei ist ein
zweiter Luftmassenstromsensor 20 in der Bypassleitung 19 angeordnet.
Aus den Messgrößen Luftmassenstrom in der Ansaugleitung
(gemessen am ersten Luftmassenstromsensor 12) und Luftmassenstrom
in der Bypassleitung (gemessen am zweiten Luftmassenstromsensor 20) kann
ein in die Brennstoffzelle 16 eingeleiteter Luftmassenstrom
errechnet und mit dem Druck korreliert werden. Somit ist ein eindeutiger
Betriebspunkt im Verdichterkennfeld bestimmbar, der wiederum in
einer Steuerung oder Regelung des Brennstoffzellensystems einsetzbar
ist.
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Gemäß 17 kann
der zweite Luftmassenstromsensor 20 auch in einer Zuleitung 21 zu
dem elektrisch betreibbaren Turbolader stromabwärts von einer
Einmündungsstelle 22 der Bypassleitung in die Zuleitung 21 angeordnet
sein. Auch hier kann aus den Messsignalen ein in die Brennstoffzelle 16 eingeleiteter
Luftmassenstrom errechnet werden.
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Um
ein Druckniveau im System, d. h. die Steigung der Systemkennlinie 3 variieren
zu können, ist weiterhin eine Drosselklappe 18 am
Systemausgang vorgesehen. Auf diese Weise kann ein Druckniveau im
System bzw. in der Brennstoffzelle durch Änderung eines
Strömungswiderstands mit Hilfe der Drosselklappe zusätzlich
beeinflusst werden.
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In
einem modifizierten, nicht dargestellten Ausführungsbeispiel
ist der Brennstoffzelle 16 ein Ladeluftkühler
zugeordnet. Auf diese Weise lässt sich eine ausreichende
Befeuchtung der zugeführten Luft und ein adäquater
Betrieb der Brennstoffzelle trotz einer Temperaturerhöhung
in der zugeführten Luft bei der Verdichtung im Verdichter
sicherstellen. Dabei sollte die in der Bypassleitung rückgeführte
Luft hinter dem Ladeluftkühler abgezweigt werden, da ansonsten
eine Gefahr einer thermischen Beschädigung des zweiten
Massenstromsensors droht.
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Die
vorliegende Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass eine Brennstoffzelle
bei einem vergleichsweise hohen Druckverlust mit einem elektrisch
antreibbaren Turbolader, insbesondere einem elektrisch antreibbaren
Verdichter, betrieben werden kann. Dabei ist mit einfachen Mitteln
eine Druckregelung unter Beachtung einer Pumpgrenze des Verdichters
realisiert. Ein Wirkungsgrad des Verdichters ist in der Nähe
der Pumpgrenze maximal; eine Überschreitung der Pumpgrenze
sollte jedoch nach Möglichkeit vermieden werden, da ansonsten
die Gefahr einer Beschädigung des Verdichters besteht.
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Insbesondere
bei einem Lastwechsel zu niedrigeren Lasten (downtransient) ist
eine maximale Druckdifferenz zwischen Anode und Kathode der Brennstoffzelle
vorgegeben, aus der ein neuer Sollwert für den Luftdruck
auf der Kathodenseite ermittelt wird. Auf diese Weise kann auch
in einem dynamischen Lastfall ein Differenzdruck zwischen Anode und
Kathode innerhalb vorgegebener Grenzen gehalten werden, so dass
die Gefahr einer Beschädigung der Membran oder der Membran-Elektroden Einheit
zwischen der Anode und der Kathode verringert ist. Je nach Lastabnahme
aus dem Brennstoffzellensystem (Hybridisierung, Rekuperation etc.) weist
das Brennstoffzellensystem ein hochdynamisches Systemverhalten auf.
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Die
vorliegende Erfindung zeichnet sich weiterhin dadurch aus, das ein
elektrisch antreibbarer Turbolader in zumindest annähernd
allen Lastfällen in einem Betriebsbereich betrieben wird,
der durch eine reale Druckverlustkurve der Brennstoffzelle und durch
eine Pumpgrenze des Turboladers begrenzt ist. Dadurch ist die insbesondere
die Gefahr einer Beschädigung des Verdichters durch Betrieb
des Turboladers an der Pumpgrenze verringert. Als wesentliche regelungstechnische
Eingangsgrößen sind dabei vorgesehen:
- • Lastanforderung El_S_req an das Brennstoffzellensystem,
zum Beispiel in Form eines geforderten elektrischen Stroms;
- • Erforderliche Luftmenge (Lf_SMi_req)
- • Kühlwassertemperatur (KWT_Si)
- • Differenzdruck Anode/Kathode (HLp_Sd)
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Aus
einer Lastanforderung wird zunächst ein geforderter elektrischer
Strom El_S_req ermittelt. Der erforderliche Luftmassenstrom Lf_Smi_req
und die erforderliche Wasserstoffmenge werden anhand einer spezifizierten
Stöchiometrie bestimmt. Mittels einer Messung des Differenzdrucks
Anode/Kathode HLp_Sd und einer angepassten Regelstrategie wird insbesondere
einer Schädigung der Membran-Elektroden-Einheit in der
Brennstoffzelle, durch die der Wasserstoff und Luft voneinander
getrennt sind, verhindert. Als weitere Größe wird
die Kühlwassertemperatur KwT_Si berücksichtigt,
die auch als Brennstoffzellentemperatur, Stacktemperatur oder Stapeltemperatur
bezeichnet ist. Durch die Kühlwassertemperatur KwT_Si sind
die zugeführten Luft- und Wasserstoffmengen sowie deren
Feuchte und weitere Parameter beeinflusst.
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Zur
Vermeidung von Schäden an der Brennstoffzelle kommt dem
an der Membran-Elektroden-Einheit anliegenden Differenzdruck Anode/Kathode
HLp_Sd eine besondere Bedeutung zu. Darüber hinaus ist
die Systemträgheit insbesondere auf der Anodenseite berücksichtigt,
da hier ein Druck nur über die Wasserstoffverstromung beeinflusst
werden kann.
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Bevorzugt
wird die Lastanforderung als Führungsgröße
gewählt und der Kathodendruck direkt mit dem Anodendruck
verknüpft.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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T5 [0002]