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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Offenbarung betrifft ein Brennstoffzellensystem und ein Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Brennstoffzellen sind als eine saubere, effiziente sowie umweltfreundliche Energiequelle für Elektrofahrzeuge und verschiedene andere Anwendungen vorgeschlagen worden. Mehrere Brennstoffzellen können in Reihe aneinander gestapelt werden, um einen Brennstoffzellenstapel zu bilden, der in der Lage ist, eine gewünschte Menge an Elektrizität zu liefern. Der Brennstoffzellenstapel ist als eine potentielle Alternative für die in Kraftfahrzeugen verwendete, herkömmliche Brennkraftmaschine erkannt worden.
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Ein Typ von Brennstoffzelle ist als eine Protonenaustauschmembran-(PEM)-Brennstoffzelle bekannt. Die PEM-Brennstoffzelle ist eine elektrochemische Vorrichtung, die eine Anode und eine Kathode mit einer Elektrolytmembran dazwischen aufweist. Die Anode nimmt Wasserstoffgas auf und die Kathode nimmt Sauerstoff auf. Das Wasserstoffgas wird in der Anode katalytisch aufgespalten, um freie Protonen und Elektronen zu erzeugen. Die Protonen gelangen durch den Elektrolyt zu der Kathode. Die Protonen reagieren mit dem Sauerstoff und den Elektronen in der Kathode, um Wasser zu erzeugen. Die Elektronen von der Anode können nicht durch den Elektrolyt gelangen und werden somit durch eine Last geführt, in der sie Arbeit verrichten, bevor sie an die Kathode geliefert werden. Die Arbeit dient dazu, das Fahrzeug zu betreiben.
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Der Brennstoffzellenstapel nimmt typischerweise Sauerstoff für die Kathoden aus geladener Luft auf, die durch einen Luftkompressor bzw. Luftverdichter bereitgestellt wird. In der Technik ist es bekannt, in einem Brennstoffzellensystem einen Kompressor vom Turbomaschinentyp zu verwenden, der einen schnell rotierenden Rotor besitzt, der die Geschwindigkeit und den Druck des sich hindurchbewegenden Fluides erhöht. Typische Kompressoren vom Turbomaschinentyp umfassen Zentrifugal-, Radial-, Axial-, Schraubenradkompressoren und dergleichen. Kompressoren vom Turbomaschinentyp sind kostengünstig und besitzen ein geringes Gewicht und arbeiten mit minimalem Geräusch. Eine andere Kategorie von Kompressoren, die zur Verwendung in Brennstoffzellensystemen bekannt ist, ist der ”Verdränger”-Kompressor. Der Verdrängerkompressor besitzt zumindest einen Rotor in nächster Nähe zu einem anderen Rotor oder zu einem Stator. Der Verdrängerkompressor ist in der Technik gut bekannt und umfasst Rotationsmaschinen, wie Schneckenmaschinen, Flügelmaschinen und Schraubenmaschinen, Roots-Gebläse und dergleichen.
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Der typische Luftkompressor arbeitet gemäß einem Kompressorkennfeld des Druckverhältnisses (Auslassdruck/Einlassdruck) gegenüber dem Massenstrom. 1 ist ein beispielhaftes Kompressorkennfeld 10 für einen Kompressor vom Turbomaschinentyp, das einen Massenstrom an der horizontalen Achse und ein Druckverhältnis an der vertikalen Achse zeigt. Das Kompressorkennfeld 10 umfasst eine Reihe von Drehzahllinien 12, die die Beziehung zwischen dem Massenstrom durch den Luftkompressor und dem Druckverhältnis über den Luftkompressor bei verschiedenen Kompressordrehzahlen zeigen. Die meisten Luftkompressoren sind allgemein mit Kompressorkennfeldern 10 versehen und arbeiten gemäß diesen.
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Das Kompressorkennfeld 10 ist durch eine Pumpgrenze 14 und eine Stopfgrenze 15 begrenzt. Im Betrieb unter Bedingungen, die die Pumpgrenze 14 überschreiten, ist der Luftkompressor einer durch zu starken Gegendruck bewirkten Strömungsumkehr ausgesetzt. Die Pumpgrenze 14 wird durch eine Anzahl von Faktoren bestimmt, einschließlich der Drehzahl oder der U/min des Kompressors, dem Systemgegendruck, der Höhe sowie der Temperatur. Insbesondere ein zu großer Gegendruck von dem Brennstoffzellensystem kann ein Kompressorpump- bzw. Kompressorpumpstoßereignis bewirken. Das Pumpereignis kann in einer unerwünschten Schwingung des Luftstroms durch den Luftkompressor resultieren.
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Ein bekanntes System und Verfahren, die ein Verhindern eines Pumpes durch elektronische Zuordnung des Kompressors für Entladedruck gegenüber Massenluftstrom anwenden, ist in der
US 2005/0 164 057 A offenbart, die durch Bezugnahme hierdurch in ihrer Gesamtheit hier eingeschlossen ist. Ein anderes bekanntes System und Verfahren zum Vermeiden eines Pumpens, das ein Steuerventil zum Öffnen und Schließen eines Rezirkulationsventils in Ansprechen auf eine Erfassung eines beginnenden Pumpzustandes verwendet, ist in der
US 2004/0 161 647 A beschrieben, das durch Bezugnahme hierdurch in seiner Gesamtheit hier eingeschlossen ist.
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Eine Pumpsteuerdistanz (SCD) 16 ist ein bekannter Steuerparameter, der dazu verwendet wird, das Pumpereignis bei Betrieb des Luftkompressors in dem Brennstoffzellensystem zu vermeiden. Die SCD 16 ist eine Solldifferenz zwischen einem gegenwärtigen Betriebszustand des Luftkompressors und einem minimalen stabilen Betriebszustand, der durch die Pumpgrenze 14 bestimmt ist. Die SCD 16 basiert für einen Standardluftkompressor generell statistisch auf einem relevanten Muster gleicher Luftkompressoren. Die SCD 16 berücksichtigt eine Variation von Teil zu Teil in dem Luftkompressor, eine Variation in Sensoren des Brennstoffzellensystems sowie Änderungen der Luftkompressortoleranz aufgrund von Abnutzung mit dem Gebrauch. Jedoch soll die SCD 16 minimiert werden, um den Wirkungsgrad des Luftkompressors zu maximieren und den Gebrauch der Bypassluftströmung zu minimieren, die typischerweise verwendet wird, um Pumpereignisse zu korrigieren.
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Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein Brennstoffzellensystem und ein Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellenystems zum Maximieren des Wirkungsgrades des Luftkompressors in dem Brennstoffzellensystem, zum Minimieren der Menge an Kompressorbypassluft und zum Vermeiden von Pumpereignissen zu schaffen.
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Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 6.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Gemäß der vorliegenden Offenbarung sind überraschend ein System und ein Verfahren zum Maximieren des Wirkungsgrades des Luftkompressors in dem Brennstoffzellensystem, zum Minimieren der Menge an Kompressorbypassluft und zum Vermeiden von Pumpereignissen entdeckt worden.
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Bei einer Ausführungsform umfasst ein Brennstoffzellensystem einen Brennstoffzellenstapel, der einen Anodeneinlass und einen Kathodeneinlass aufweist. Ein Luftkompressor steht in Fluidkommunikation mit dem Kathodeneinlass. Zumindest ein Sensor ist derart angepasst, um einen Pumpindikator des Brennstoffzellensystems zu messen. Das Brennstoffzellensystem umfasst ferner einen Controller in elektrischer Kommunikation mit dem zumindest einen Sensor, der derart ausgebildet ist, um ein adaptives bzw. anpassbares Kompressorkennfeld in Ansprechen auf den gemessenen Pumpindikator einzustellen. Der Controller ist auch derart ausgebildet, um einen Betriebseinstellpunkt des Luftkompressors auf Grundlage des gemessenen Pumpindikators einzurichten.
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Bei einer anderen Ausführungsform umfasst ein Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems die Schritte, dass: a) das Brennstoffzellensystem bereitgestellt wird; b) das anpassbare Kompressorkennfeld, das eine Pumpgrenze sowie eine Pumpsteuerdistanz (SCD) aufweist, bereitgestellt wird; c) ein anfänglicher Betriebseinstellpunkt für den Luftkompressor auf Grundlage des anpassbaren Kompressorkennfeldes eingerichtet wird; d) ein Pumpindikator überwacht wird; e) das anpassbare Kompressorkennfeld auf Grundlage des Pumpindikators eingestellt wird; f) ein Soll-Betriebseinstellpunkt auf Grundlage des eingestellten anpassbaren Kompressorkennfeldes bestimmt wird; g) ein angepasster Betriebseinstellpunkt für den Luftkompressor auf Grundlage des anpassbaren Kompressorkennfeldes nach dessen Einstellung eingerichtet wird; und h) die Schritte d) bis g) wiederholt werden. Hierdurch wird das anpassbare Kompressorkennfeld für den Luftkompressor optimiert.
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Bei einer weiteren Ausführungsform umfasst ein Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems die Schritte, dass: a) das Brennstoffzellensystem bereitgestellt wird; b) das anpassbare Kompressorkennfeld derart bereitgestellt wird, dass es eine Pumpgrenze und eine Pumpsteuerdistanz (SCD) aufweist; c) ein anfänglicher Betriebseinstellpunkt für den Luftkompressor auf Grundlage des anpassbaren Kompressorkennfeldes eingerichtet wird, wobei der anfängliche Betriebseinstellpunkt einen stabilen Betrieb des Luftkompressors gemäß dem anpassbaren Kompressorkennfeld bereitstellt; d) ein beginnendes Pumpen durch Messen der Druckschwankung und/oder der Massenstromschwankung überwacht wird; e) das anpassbare Kompressorkennfeld eingestellt wird durch: i) Erhöhen der SCD oder Verringern der Pumpgrenze, wenn das beginnende Pumpen erfasst wird; ii) Verringern der SCD oder Erhöhen der Pumpgrenze, wenn das beginnende Pumpen nicht erfasst wird und eine Sollschwelle nicht erreicht worden ist oder iii) Aufrechterhalten der SCD oder Aufrechterhalten der Pumpgrenze, wenn die Sollschwelle erreicht worden ist, und Wiederholen der Schritte d) bis e), bis das beginnende Pumpen erfasst wird; f) ein Soll-Betriebseinstellpunkt auf Grundlage des eingestellten anpassbaren Kompressorkennfeldes bestimmt wird; g) ein angepasster Betriebseinstellpunkt für den Luftkompressor auf Grundlage des anpassbaren Kompressorkennfeldes nach dessen Einstellung eingerichtet wird; und h) die Schritte d) bis g) wiederholt werden. Hierdurch wird das anpassbare Kompressorkennfeld für den Luftkompressor optimiert.
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ZEICHNUNGEN
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Die obigen wie auch andere Vorteile der vorliegenden Offenbarung werden dem Fachmann leicht aus der folgenden detaillierten Beschreibung insbesondere angesichts der hier beschriebenen Zeichnungen offensichtlich, in welchen:
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1 ein Diagramm ist, das ein typisches Kompressorkennfeld zeigt, das einen Massenluftstrom gegenüber dem Druckverhältnis aufträgt;
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2 ein schematisches Schaubild eines Brennstoffzellensystems zur adaptiven Pumpsteuerung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung ist;
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3 ein schematisches Flussdiagramm ist, das ein Verfahren zur adaptiven Pumpsteuerung mit Einstellung einer Pumpsteuerdistanz eines Kompressorkennfeldes zeigt; und
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4 ein schematisches Flussdiagramm ist, das ein Verfahren zur adaptiven Pumpsteuerung mit Einstellung einer Pumpgrenze eines Kompressorkennfeldes zeigt.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Die folgende Beschreibung ist lediglich beispielhafter Natur und nicht dazu bestimmt, die vorliegende Offenbarung, Anwendung oder den vorliegenden Gebrauch zu beschränken. Es sei auch zu verstehen, dass in den Zeichnungen entsprechende Bezugszeichen gleiche und entsprechende Teile oder Merkmale angeben. In Bezug auf die offenbarten Verfahren sind die dargestellten Schritte lediglich beispielhafter Natur und sind somit weder notwendig noch kritisch.
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2 zeigt ein beispielhaftes Brennstoffzellensystem 200 gemäß der vorliegenden Offenbarung. Das Brennstoffzellensystem 200 umfasst einen Brennstoffzellenstapel 202, der mehrere Brennstoffzellen aufweist, wie es in der Technik gut bekannt ist. Der Brennstoffzellenstapel 202 besitzt einen Anodeneinlass 204 und einen Anodenauslass 205, einen Kathodeneinlass 206 und einen Kathodenauslass 207. Der Anodeneinlass 204 steht in Fluidkommunikation mit einer Wasserstoffquelle 208. Der Kathodeneinlass 206 steht in Fluidkommunikation mit einem Luftkompressor 210. Das Brennstoffzellensystem 200 kann für eine beliebige geeignete Anwendung verwendet werden, wie beispielsweise an einem Fahrzeug oder an einem Energiesystem mit verteilter Erzeugung.
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Der Luftkompressor 210 ist derart angepasst, um Ladeluft für den Kathodeneinlass 206 des Brennstoffzellenstapels 202 bereitzustellen. Die Luft wird von der Atmosphäre typischerweise durch ein Filter (nicht gezeigt) zu dem Luftkompressor 210 gezogen. Der Luftkompressor 210 kann in Verbindung mit einem Motor 212 stehen. Der Motor 212 treibt den Luftkompressor 210 mit einer Soll-Drehzahl an, um beispielsweise eine Menge an Ladeluft an den Brennstoffzellenstapel 202 zu liefern, um eine bestimmte Ausgangsleistung zu erzielen. Der Luftkompressor 210 kann ein beliebiger geeigneter Kompressor bzw. Verdichter vom Turbomaschinentyp mit einem Kompressorkennfeld sein, wie ein Zentrifugalkompressor, ein Radialkompressor, ein Axialkompressor, ein Schraubenradkompressor und dergleichen. Dem Fachmann sei angemerkt, dass auch andere Luftkompressoren 210, die Kompressorkennfelder aufweisen, geeignet sind.
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Das Brennstoffzellensystem 200 umfasst mehrere Sensoren 214, 216, 218, die derart angepasst sind, um zumindest einen Pumpindikator für einen beginnenden Pumpzustand zu messen, von dem bekannt ist, dass er einem Pumpereignis in dem Luftkompressor 210 vorausgeht. Der beginnende Pumpzustand wird dadurch erfasst, dass der Massendurchfluss und/oder der Auslassdruck für eine charakteristische Schwankung oder Schwingung überwacht werden. Als nicht beschränkende Beispiele können die Sensoren 214, 216, 218 einen Massenstrommesser (MFM) 214, einen Druckwandler 216 und einen Drehzahlsensor 218 aufweisen. Der MFM 214 steht in Fluidkommunikation mit dem Einlass des Luftkompressors 210. Der MFM 214 ist derart angepasst, um eine Rate der Luftströmung oder des Massenstroms durch den Luftkompressor 210 zu messen. Beispielsweise kann der MFM 214 ein Spannungssignal erzeugen, das die Geschwindigkeit des Massenstroms durch den MFM 214 angibt. Der Druckwandler 216 steht in Kommunikation mit dem Luftkompressor 210. Der Druckwandler 216 ist derart angepasst, um den Auslassdruck an dem Luftkompressor 210 zu messen und dadurch eine Bestimmung des Druckverhältnisses zu unterstützen. Der Drehzahlsensor 218 steht in Kommunikation mit dem Luftkompressor 210 und ist derart angepasst, um eine Drehzahl des Luftkompressors 210 zu messen. Bei einer anderen Ausführungsform wird die Schwankung des Massendurchflusses oder des Auslassdrucks akustisch gemessen. Andere Sensoren, die verwendet werden können, um eine Schwankung in dem Massendurchfluss und dem Auslassdruck direkt oder indirekt zu erfassen, können ebenfalls verwendet werden.
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Das Brennstoffzellensystem 200 umfasst einen Controller 220. Der Controller 220 steht in elektrischer Kommunikation mit zumindest einem der Sensoren 214, 216, 218 und ist derart angepasst, um Signale, die Pumpindikatormessungen angeben, davon aufzunehmen. Der Controller 220 steuert die Drehzahl des Luftkompressors 210 beispielsweise durch Steuerung des Motors 212. Der Controller 220 kann ferner ein Gegendruck- bzw. Rückschlagventil 222 steuern, das in Fluidkommunikation mit dem Kathodenauslass 207 des Brennstoffzellenstapels 202 steht. Das Gegendruckventil 222 ist derart angepasst, um den Innendruck des Brennstoffzellenstapels 202 zu steuern, wie es in der Technik gut bekannt ist. Der Controller 220 steuert die Betriebseinstellpunkte des Luftkompressors 210, wie einen bestimmten Massendurchfluss und ein Druckverhältnis, nach Bedarf. Es sei angemerkt, dass eine Vielzahl von Faktoren verwendet werden kann, um die Betriebseinstellpunkte zu bestimmen, einschließlich der Soll-Ausgangsleistung, der Umgebungstemperatur, der Höhe und dergleichen.
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Bei einer Ausführungsform steuert der Controller 220 ein Bypassventil (nicht gezeigt), das zwischen dem Luftkompressor 210 und dem Kathodeneinlass 206 des Brennstoffzellenstapels 202 angeordnet ist. Das Bypassventil kann eine Luftströmung um den Brennstoffzellenstapel 202 nach Bedarf zirkulieren. Das Bypassventil kann derart angepasst sein, um den Druck des Brennstoffzellenstapels 202 im geöffneten Zustand zu reduzieren und Pumpereignisse in dem Luftkompressor 210 zu beseitigen.
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Das Brennstoffzellensystem 200 besitzt ein anpassbares Kompressorkennfeld 10. Der Controller 220 ist in der Lage, die Kennfeldstelle, an der der Luftkompressor 210 arbeitet, in Echtzeit abzuleiten. Der Controller 220 stellt die Betriebseinstellpunkte ein und hält den Luftkompressor 210 innerhalb von stabilen Bedingungen ”auf dem Kennfeld”. Der hier verwendete Begriff ”anpassbar” bedeutet, dass das anpassbare Kompressorkennfeld 10 im Gegensatz dazu, dass es lediglich verwendet wird, die Betriebseinstellpunkte des Luftkompressors 210 einzustellen, während eines Betriebs des Luftkompressors 210 abgewandelt oder anderweitig ein- bzw. nachgestellt werden kann. Bei einer bestimmten Ausführungsform stellt der Controller 220 das anpassbare Kompressorkennfeld 10 in Ansprechen auf zumindest einen der Pumpindikatoren ein, die durch den zumindest einen Sensor 214, 216, 218 gemessen werden. Der Controller 220 ist derart ausgebildet, um beispielsweise die Pumpgrenze 14 und/oder die SCD 16 selektiv zu erhöhen oder zu verringern. Der Controller 220 kann einen Speicher aufweisen, innerhalb dem das anpassbare Kompressorkennfeld 10 nach seiner Einstellung elektronisch gespeichert ist. Das anpassbare Kompressorkennfeld 10 kann kontinuierlich oder diskontinuierlich eingestellt werden, um eine Änderung von Teil zu Teil sowie eine lebensdauerbedingte Abnutzung des Luftkompressors 210 zu berücksichtigen, wodurch der Wirkungsgrad des Luftkompressors 210 optimiert und Pumpereignissen entgegengewirkt wird.
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Wie in 3 gezeigt ist, umfasst die vorliegende Offenbarung ein Verfahren 300 zum Betrieb des Brennstoffzellensystems 200. Das Brennstoffzellensystem 200 wird gemäß dem Verfahren 300 betrieben, um das anpassbare Kompressorkennfeld 10 für den Luftkompressor 210 zu optimieren. Das Verfahren 300 umfasst die Schritte, dass das Brennstoffzellensystem 200, wie hier oben beschrieben ist, mit dem anpassbaren Kompressorkennfeld 10, das die Pumpgrenze 14 und die SCD 16 aufweist, bereitgestellt wird. Anfänglich wird eine Kompressoranforderung 302 während eines Inbetriebnahmevorgangs des Brennstoffzellensystems 200 ausgeführt und startet typischerweise das Verfahren 300.
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Der Kompressoranforderung 302 folgt ein Einrichten 304 von anfänglichen Betriebseinstellpunkten für den Luftkompressor 210. Die anfänglichen Betriebseinstellpunkte werden auf Grundlage des anpassbaren Kompressorkennfeldes 10 eingerichtet. Als ein nicht beschränkendes Beispiel kann eine anfängliche Drehzahl des Luftkompressors 210 während des Einrichtens 304 der anfänglichen Betriebseinstellpunkte eingestellt werden. Es können auch andere geeignete Betriebsparameter während des Einrichtens 304 der Betriebseinstellpunkte eingestellt werden.
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Das Verfahren 300 umfasst einen Schritt zum Überwachen 306 des zumindest einen Pumpindikators, wie dem Massendurchfluss oder dem Druckverhältnis, wie durch die Sensoren 214, 216, 218 angegeben ist. Die Sensoren 214, 216, 218 können eine Schwankung oder Schwingung des Druckverhältnisses und/oder des Massendurchflusses messen, deren Schwankung ein beginnendes Pumpen angibt, wie es in der Technik bekannt ist. Die Überwachung 306 beginnt typischerweise bei Betrieb des Luftkompressors 210 mit den anfänglichen Betriebseinstellpunkten und kann nach Bedarf kontinuierlich oder diskontinuierlich sein. Das anpassbare Kompressorkennfeld 210 wird dann in Ansprechen auf den zumindest einen Pumpindikator, der während des Schritts zur Überwachung 306 gemessen wird, modifiziert oder eingestellt 308.
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Der Einstellschritt 308 umfasst nach Bedarf ein Erhöhen 310 der SCD, ein Verringern 312 der SCD 16 oder ein Beibehalten der SCD 16. Bei einer bestimmten Ausführungsform wird die SCD 16 erhöht, wenn das beginnende Pumpen erfasst wird, wird die SCD 16 verringert, wenn das beginnende Pumpen nicht erfasst wird und eine Soll-Schwelle für die SCD 16 nicht erreicht worden ist, und wird die SCD 16 beibehalten, wenn die Soll-Schwelle erreicht worden ist. Wenn die SCD 16 beibehalten wird, wird das anpassbare Kompressorkennfeld 10 solange nicht weiter eingestellt, bis das beginnende Pumpen durch die Überwachung 306 der Pumpindikatoren erfasst wird.
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Nach der Einstellung 308 des anpassbaren Kompressorkennfeldes 10 umfasst das Verfahren 300 den Schritt zum Bestimmen 314 der Soll-Betriebseinstellpunkte. Die Soll-Betriebseinstellpunkte werden für den Luftkompressor 210 so gewählt, dass dieser in einem stabilen Gebiet des anpassbaren Kompressorkennfeldes 10 arbeitet. Beispielsweise können die Soll-Betriebseinstellpunkte z. B. im Wesentlichen bei der eingestellten SCD 16 liegen. Bei einem anderen Beispiel können die Soll-Betriebseinstellpunkte zwischen der eingestellten SCD 16 und der Stopfgrenze 15 liegen, die auch als das ”stabile Gebiet” des anpassbaren Kompressorkennfeldes 10 bekannt ist. Dem Fachmann sei angemerkt, dass die Soll-Betriebseinstellpunkte, die in einen stabilen Betrieb bereitstellen, nach Bedarf gewählt werden können.
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Die Soll-Betriebseinstellpunkte, die für die Luftkompressoren 210 gewählt sind, werden dazu verwendet, die Betriebseinstellpunkte des Luftkompressors 210 wiedereinzurichten 304. Das Verfahren 300 wird dann nach Bedarf beispielsweise solange wiederholt, bis eine echte Pumpgrenze 14 und eine geeignete SCD 16 bestimmt sind oder das anpassbare Kompressorkennfeld 10 als ausreichend eingestellt erachtet wird. Der Wirkungsgrad des Luftkompressors 210 wird dadurch optimiert, und es wird einem Auftreten des Pumpereignisses entgegengewirkt.
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Die Soll-Schwelle für die SCD 16 ist allgemein ein Wert, der größer als die SCD 16 ist, die bei dem Schritt zum Einrichten 304 des anfänglichen Betriebseinstellpunkts verwendet ist. Beispielsweise ist die Soll-Schwelle der SCD 16 bis zu etwa ein Prozent (1%) größer, bei bestimmten Ausführungsformen bis zu etwa 0,5 Prozent größer und bei einer bevorzugtesten Ausführungsform bis zu etwa 0,25 Prozent größer als die SCD 16, die bei dem Einrichtungsschritt 304 verwendet ist. Dem Fachmann sei zu verstehen, dass gegebenenfalls andere geeignete Schwellen gewählt werden können.
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Als ein nicht beschränkendes Beispiel wird die SCD 16 durch ein erstes Inkrement erhöht, wenn das beginnende Pumpen erfasst wird. Das erste Inkrement kann einen Puffer bereitstellen, der ausreichend ist, um dem beginnenden Pumpen bei einem Betrieb des Luftkompressors 210 unmittelbar nach der Einstellung 308 entgegenzuwirken. Nach der Einstellung 308 des anpassbaren Kompressorkennfeldes 10 und der Wiedereinrichtung 304 der Betriebseinstellpunkte wird die SCD 16 um ein zweites Inkrement verringert, wenn kein beginnendes Pumpen erfasst wird.
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Das zweite Inkrement ist typischerweise so gewählt, dass es kleiner als das erste Inkrement ist, so dass die SCD 16 nach der Erfassung des beginnenden Pumpens inkrementell verringert und optimiert werden kann. Der Schritt zum Verringern der SCD 16 kann ein oder mehrere Male so lange ausgeführt werden, bis das beginnende Pumpen erfasst ist oder die Soll-Schwelle für die SCD 16 erreicht ist. Als ein nicht beschränkendes Beispiel kann die SCD nach der Erfassung des beginnenden Pumpens auf bis zu etwa zehn Prozent (10%) erhöht werden. Nachdem die Betriebseinstellpunkte wieder eingerichtet 304 sind, kann die SCD 16 bis zu etwa drei Prozent (3%) bis zu jeweils dreimal verringert werden, um die Soll-Schwelle von etwa einem Prozent (1%) zu erreichen oder bis das beginnende Pumpen wieder auftritt und die SCD 16 weiter erhöht wird. Andere geeignete Inkremente zur Erhöhung der SCD 16 und zur Verringerung der SCD 16 können nach Bedarf gewählt werden.
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Es sei angemerkt, dass, wenn das Brennstoffzellensystem 200, das den Luftkompressor 210 aufweist, zum ersten Mal betrieben wird, die Einrichtung 304 der anfänglichen Betriebseinstellpunkte auf Grundlage des anpassbaren Kompressorkennfeldes 10 erfolgen kann, das eine statistische Pumpgrenze 14 und eine statistische SCD 16 aufweist. Das Verfahren 300 kann einen weiteren Schritt zum Speichern des anpassbaren Kompressorkennfeldes 10 in dem Speicher des Controllers 220 nach dessen Einstellung 308 aufweisen. Das anpassbare Kompressorkennfeld 10 kann beispielsweise während eines Abschaltvorgangs des Brennstoffzellensystems 200 gespeichert werden. Während eines anschließenden Inbetriebnahmevorgangs basiert die Einrichtung 304 der anfänglichen Betriebseinstellpunkte auf demjenigen anpassbaren Kompressorkennfeld 10, das während eines vorhergehenden Betriebs des Brennstoffzellensystems 200 eingestellt worden ist.
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Nun Bezug nehmend auf 4 umfasst die vorliegende Offenbarung ferner ein zweites Verfahren 400 zum Betrieb des Brennstoffzellensystems 200, um das anpassbare Kompressorkennfeld 10 für den Luftkompressor 210 zu optimieren. Gleiche oder damit in Verbindung stehende Schritte aus 3 und, wie in 4 gezeigt ist, sind zu Zwecken der Deutlichkeit mit einem Strichindex-(')-Symbol dargestellt.
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Das zweite Verfahren 400 umfasst den Schritt zum Anfordern 302' des Kompressorbetriebs, zum Einrichten 304' der Betriebseinstellpunkte, zum Überwachen 306' der Pumpindikatoren, zum Einstellen 308' des anpassbaren Kompressorkennfelds 10, zum Bestimmen 314' der Soll-Einstellpunkte von dem anpassbaren Kompressorkennfeld 10 und zum Wiedereinrichten 304' der Betriebseinstellpunkte auf Grundlage des eingestellten anpassbaren Kompressorkennfeldes 10.
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Der Schritt zum Einstellen 308' des anpassbaren Kompressorkennfelds 10 bei dem zweiten Verfahren 400 umfasst, dass der Ort der Pumpgrenze 14 eingestellt wird. Beispielsweise wird die Pumpgrenze 14 verringert 410, wenn das beginnende Pumpen erfasst wird, erhöht 412, wenn das beginnende Pumpen nicht erfasst wird und die Soll-Schwelle für die Pumpgrenze 14 nicht erreicht worden ist, und beibehalten, wenn die Soll-Schwelle der Pumpgrenze 14 erreicht worden ist.
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Ein Fachmann kann erkennen, dass die Verfahren 300, 400 der vorliegenden Offenbarung den Wirkungsgrad des Brennstoffzellensystems 200 maximieren, indem ermöglicht wird, dass das anpassbare Kompressorkennfeld 10 für einen bestimmten Luftkompressor 210, der in dem Brennstoffzellensystem 200 verwendet wird, optimiert werden kann. Ein minimaler Gebrauch von Kompressorbypassluft, die in herkömmlichen Systemen verwendet wird, um Pumpereignisse zu korrigieren, kann mit der Optimierung der Betriebseinstellpunkte des Luftkompressors 210 auf Grundlage des anpassbaren Kompressorkennfeldes 10 verwirklicht werden. Das Verfahren 300, 400 unterstützt das Erlernen der echten Pumpgrenze 14 des Luftkompressors 210 durch langsames Verringern der SCD 16 solange, bis entweder das beginnende Pumpen erfasst wird oder die Soll-Schwelle erfüllt ist. Hierdurch wird dem Auftreten des Pumpereignisses während des Betriebs des Brennstoffzellensystems 200 entgegengewirkt.
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Mit dem Brennstoffzellensystem 200 und den Verfahren 300, 400 der vorliegenden Offenbarung ist überraschend herausgefunden worden, dass das anpassbare Kompressorkennfeld 10 in Echtzeit ohne Erfordernis einer Off-Line-Charakterisierung optimiert werden kann. Die Verfahren 300, 400 sind daher in der Lage, alterungsbezogene Effekte zu berücksichtigen, wie eine Abnutzung über die Lebensdauer des Luftkompressors 210, von denen bekannt ist, dass sie die Kennfeldanordnung der Pumpgrenze 14 beeinträchtigen.
