DE102014016244A1

DE102014016244A1 - Vorrichtung zur Luftversorgung einer Brennstoffzelle

Info

Publication number: DE102014016244A1
Application number: DE102014016244.3A
Authority: DE
Inventors: Jonas Hanschke; Julio Orozco Santos Coy
Original assignee: Daimler AG; Ford Motor Co
Current assignee: Cellcentric GmbH and Co KG; Ford Motor Co
Priority date: 2014-11-04
Filing date: 2014-11-04
Publication date: 2016-05-04

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (8) zur Luftversorgung eines Kathodenbereichs (4), welche zu einer Brennstoffzelle (3) mit Luft als Sauerstofflieferant, mit einer Luftfördereinrichtung (10) und einer Einrichtung zur Ermittlung der von der Luftfördereinrichtung (10) geförderten Luftmasse, und mit einer Berechnungseinheit zur Ermittlung des Drucks (Ap_Ti) in einer Abluftstrecke der Brennstoffzelle (3) versehen ist. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist gekennzeichnet durch einen Verzicht auf Sensoren zur Erfassung des Drucks (Ap_Ti) in der Zuluft- und Abluftstrecke der Brennstoffzelle (3). Ein erfindungsgemäßes Verfahren dient zum Ermitteln des Drucks (Ap_Ti) in der Abluftstrecke der Brennstoffzelle (3).

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Luftversorgung eines Kathodenbereichs wenigstens einer Brennstoffzelle nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Ermitteln des Drucks in der Abluftstrecke einer über eine solche Vorrichtung mit Luft versorgten Brennstoffzelle. Letztlich betrifft die Erfindung außerdem die Verwendung der Vorrichtung bzw. des Verfahrens.
Brennstoffzellensysteme, insbesondere in einer Verwendung zur Bereitstellung von elektrischer Antriebsleistung in einem Fahrzeug, sind aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Typisch für derartige Brennstoffzellensysteme ist es, dass die Brennstoffzellen mit Luft als Sauerstofflieferant versorgt werden, sodass kein Sauerstoff in dem Fahrzeug mitgeführt werden muss. Die üblichen Luftversorgungsvorrichtungen sind dabei so aufgebaut, dass diese eine Luftfördereinrichtung und einen Luftmassenstromsensor zum Ermitteln der geförderten Luftmasse bzw. des Volumenstroms aufweisen. Zur Steuerung der Brennstoffzelle und der Luftversorgung wird typischerweise auch der Druck der geförderten Luft, beispielsweise vor und insbesondere in der Abluftstrecke nach der Brennstoffzelle erfasst. Dieser Druckwert fließt dann in die Regelung der Luftversorgung und/oder der anodenseitigen Wasserstoff- bzw. Brennstoffversorgung der Brennstoffzelle ein. Da in der Brennstoffzelle als eines der „Abfallprodukte” reines Wasser entsteht, ist insbesondere die Abluftstrecke der Brennstoffzelle bei niedrigen Umgebungstemperaturen sehr kritisch hinsichtlich eines Einfrierens. Dort angebrachte Drucksensoren müssen also so aufgebaut werden, dass sie auch dann, wenn in diesem Bereich der Abluftstrecke des Brennstoffzellensystems Eis vorhanden ist, sicher und zuverlässig funktionieren, da ansonsten beispielsweise ein Starten des Brennstoffzellensystems nicht möglich ist.
Aus der gattungsgemäßen JP 2008 077 955 A ist ein Brennstoffzellensystem bekannt, bei welchem Druckwerte in der Abluftstrecke eines Brennstoffzellensystems über eine Berechnungseinheit erfasst werden. Die Berechnung der Druckwerte ist für den Fall vorgesehen, dass der entsprechende Sensor beispielsweise defekt ist oder hinsichtlich seiner Funktionalität plausibilisiert werden soll. Außerdem ergibt sich aus dieser Schrift, dass die Berechnung auch dann angewandt werden kann, wenn der Sensor temporär nicht funktioniert, weil er beispielsweise eingefroren ist, wie es oben als Szenario beschrieben worden ist.
Sowohl der Einsatz von gefriersicheren Sensoren als auch die Verwendung von einfacheren und damit kostengünstigeren Sensoren sowie ihre Plausulierung bzw. ihr Backup über eine Berechnungseinheit zum Ermitteln des Drucks in der Abluftstrecke sind entsprechend aufwändig und teuer.
Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, eine verbesserte Vorrichtung zur Luftversorgung des Kathodenbereichs wenigstens einer Brennstoffzelle sowie ein verbessertes Verfahren zum Ermitteln des Druckwerts in einer derartigen Vorrichtung anzugeben.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen im Anspruch 1 gelöst. Ein erfindungsgemäßes Verfahren, welches die Aufgabe ebenfalls löst, ist durch die Merkmale des Anspruchs 4 beschrieben. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Vorrichtung und des Verfahrens ergeben sich aus den hiervon jeweils abhängigen Unteransprüchen. Im Anspruch 9 ist außerdem eine besonders bevorzugte Verwendung der Vorrichtung bzw. des Verfahrens angegeben.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung verzichtet, anders als sämtliche Aufbauten im Stand der Technik, auf jegliche Form von Drucksensoren in der Zuluft- und Abluftstrecke, also dem Luftversorgungssystem der wenigstens einen Brennstoffzelle. Vielmehr nutzt die erfindungsgemäße Vorrichtung die Berechnungseinheit zum Erfassen des Drucks in allen Betriebssituationen. Damit können Sensoren grundsätzlich eingespart werden und eine sichere und zuverlässige Funktionalität unter Bereitstellung des errechneten Druckwertes in der Abluftstrecke ist unabhängig von Umgebungstemperaturen und einer eventuellen Eisbildung in der Abluftstrecke des Brennstoffzellensystems möglich. Darüber hinaus lassen sich Bauraum und Montageaufwand für die Drucksensoren einsparen. Das Brennstoffzellensystem mit einer derartigen Vorrichtung kann auch unter widrigen klimatischen Bedingungen ohne Einbußen an Betriebsqualität eingesetzt werden.
Gemäß einer weiteren sehr vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist dabei zusätzlich eine Abluftturbine am Ende der Abluftstrecke vorgesehen. Der Druck in der Abluftstrecke, welcher durch die Berechnungseinheit erfasst wird, ist in dieser Ausführungsform dann insbesondere der Eingangsdruck in diese Turbine, welcher als Kenngröße zur Ansteuerung des Brennstoffzellensystems und verschiedener Funktionalitäten sowohl der Turbine als auch der Luftversorgung ideal genutzt werden kann.
Eine weitere sehr günstige Ausgestaltung dieser Variante der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht es dabei ferner vor, dass die Abluftturbine in Wirkverbindung mit der Luftfördereinrichtung und einer elektrischen Maschine steht. Ein solcher Aufbau, bei dem die Luftfördereinrichtung, die Abluftturbine und eine elektrische Maschine in Wirkverbindung zueinander stehen, wird auch als elektrischer Turbolader oder motorunterstützer Turbolader bezeichnet. Bei dem Aufbau kann die im Bereich der Abluftturbine anfallende Energie, welche aus Wärme und Druck der Abluft zurückgewonnen wird, unmittelbar der Luftfördereinrichtung zur Verfügung gestellt werden. Im regulären Betrieb wird dies zum Antrieb der Luftfördereinrichtung nicht ausreichen, sodass über die elektrische Maschine zusätzliche Leistung bereitgestellt werden kann. Falls im Bereich der Turbine mehr Leistung anfällt, als aktuell von der Luftfördereinrichtung benötigt wird, dann kann die elektrische Maschine auch generatorisch betrieben werden, um elektrische Energie zu gewinnen und diese anderweitig Nebenverbrauchern zur Verfügung zu stellen und/oder diese elektrische Energie zwischen zu speichern.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Ermitteln des Drucks in der Abluftstrecke der Brennstoffzelle, mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß einem der oben genannten Ansprüche, sieht es dabei vor, dass der Druck in der Abluftstrecke als Funktion der

– Temperatur in der Abluftstrecke,
– des Luftmassenstroms in der Abluftstrecke, und
– des Umgebungsdrucks der Vorrichtung

Gemäß einer weiteren sehr günstigen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es dabei vorgesehen, dass der Luftmassenstrom in der Abluftstrecke seinerseits als Funktion des geförderten Luftmassenstroms, welcher im Bereich der Luftfördereinrichtung gemessen oder aus Leistungsparametern der Luftfördereinrichtung berechnet werden kann, und dem Luftmassenstrom für Nebenverbrauer und/oder Leckagen errechnet wird. Die benötigten Luftströme zu Nebenverbrauchern wie beispielsweise Luftlagern oder dergleichen sind typischerweise konstruktiv bekannt. Auch auftretende Leckagen, sofern sie unvermeidbar sind, lassen sich entsprechend berechnen oder messen, sodass die Werte von dem zuvor über einen Sensor oder die elektrischen Werte der Luftfördereinrichtung abgeschätzten Luftmassenstrom, welcher insgesamt gefördert wird, abgezogen werden können. Da bei einem Bereich der Brennstoffzelle selbst typischerweise keine Verluste an Luft mehr auftauchen, ist die Differenz dieser beiden Werte der Luftmassenstrom im Bereich der Abluftstrecke, also der an einer gegebenenfalls vorhandenen Abluftturbine ankommende Massenstrom, von an Sauerstoff abgereicherter Luft.
Eine weitere sehr günstige Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht es nun ferner vor, dass die Temperatur in der Abluftstrecke anhand der Umgebungstemperatur der Vorrichtung und der Temperatur am Ausgang des Kathodenbereichs der Brennstoffzelle errechnet oder einem Kennfeld entnommen wird. Typischerweise ist die Abkühlung der Abluft innerhalb der Abluftstrecke zwischen dem Ausgang des Kathodenbereichs und dem Bereich der Abluftstrecke, in dem der Druck ermittelt werden soll, durch den Systemaufbau vorgegeben und lässt sich basierend auf der Umgebungstemperatur über eine Funktion oder ein Kennfeld herleiten. Somit kann die Temperatur an der gewünschten Stelle der Abluftstrecke, beispielsweise vor einer Abluftturbine, über diesen Weg einfach und effizient ermittelt werden, sofern kein Temperatursensor in der Abluftstrecke vorhanden ist. Da dieser jedoch vergleichsweise unkritisch gegenüber einem Einfrieren ist, ist ein solcher leichter, einfacher und kostengünstiger einzusetzen als es ein Drucksensor wäre.
Eine weitere sehr günstige Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht es nun ferner vor, dass die Temperatur am Ausgang des Kathodenbereichs, welche der soeben angesprochenen Berechnung oder dem Nachschauen in einem Kennfeld zugrunde liegen kann, in Abhängigkeit einer Kühlmitteltemperatur am Ausgang eines Kühlmittels aus der Brennstoffzelle und der Umgebungstemperatur errechnet oder einem Kennfeld entnommen wird. Zur Steuerung der Kühlung einer Brennstoffzelle ist insbesondere die Ausgangstemperatur des Kühlmittels an der Brennstoffzelle bzw. einem in der Brennstoffzelle angeordneten Kühlwärmetauscher notwendig. Diese Temperatur wird daher bei annähernd allen Brennstoffzellensystemen gemäß dem Stand der Technik erfasst. Wird nun die Temperatur am Ausgang des Kathodenbereichs und hierüber indirekt die gewünschte Temperatur beispielsweise am Eintritt in die Turbine auf Basis dieser ohnehin gemessenen Temperatur des Kühlmittels abgeschätzt, so kann ein Temperatursensor eingespart und der entsprechende Hardware- und Montageaufwand vermieden werden.
Neben dieser eben beschriebenen Berechnung ist es grundlegend auch denkbar, die Temperatur am Ausgang des Kathodenbereichs zu messen, da hier insbesondere wenn der Ausgang der Abluftstrecke aus dem Kathodenbereich räumlich in etwa mit dem Austritt des Kühlmediums aus der Brennstoffzelle zusammenfällt, ohnehin eine Signalleitung für den im Kühlmedium vorhandenen Temperatursensor vorgesehen werden muss. Der Aufwand hinsichtlich der Montage und des Bauraums für einen eigenen Temperatursensor am Ausgang des Kathodenbereichs ist damit typischerweise gering, im Allgemeinen geringer als eine grundsätzlich auch denkbare Messung in dem Bereich, in dem der Druck ermittelt werden soll, insbesondere also im Bereich des Eintritts der Abluftstrecke in die Abluftturbine.
Wie bereits mehrfach erwähnt und angedeutet eignet sich die erfindungsgemäße Vorrichtung bzw. das Verfahren zum Ermitteln des Drucks in einer derartigen erfindungsgemäßen Vorrichtung insbesondere dann, wenn ein Ausfall von Drucksensoren beispielsweise aufgrund von widrigen Witterungsbedingungen zu erwarten ist, bzw. entsprechend aufwändige und teure – insbesondere gefriersichere – Sensoren erforderlich machen würde. Aus diesem Grund liegt die besonders bevorzugte Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung und insbesondere des erfindungsgemäßen Verfahrens in der Luftversorgung eines Brennstoffzellensystems, welches in einem Fahrzeug zur Bereitstellung zumindest eines Teils der elektrischen Antriebsleistung dient. Ein solches Brennstoffzellensystem in einem Fahrzeug ist typischerweise sehr häufig wechselnden Betriebsbedingungen ausgesetzt und muss auch bei all diesen Betriebsbedingungen, welche insbesondere auch Umgebungstemperaturen unterhalb des Gefrierpunkts beinhalten können, immer startfähig sein. Insbesondere für derartige Anwendungen sind das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung besonders geeignet.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sowie des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich auch aus dem Ausführungsbeispiel, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben ist.
Dabei zeigen:
1 ein sehr stark schematisiert dargestelltes Brennstoffzellensystem in einem angedeuteten Fahrzeug; und
2 eine schematische Darstellung der Anodenseite des Brennstoffzellensystems zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
In der Darstellung der 1 ist sehr stark schematisiert ein vereinfachtes Brennstoffzellensystem 1 dargestellt. Es soll in einem angedeuteten Fahrzeug 2 zur Bereitstellung von elektrischer Antriebsleistung eingesetzt werden. Das Brennstoffzellensystem 1 umfasst eine Brennstoffzelle 3, welche insbesondere als sogenannter Stapel bzw. Stack von Einzelzellen aufgebaut sein soll. Diese Einzelzellen, vorzugsweise in PEM-Bauweise, sind dabei zu dem sogenannten Brennstoffzellenstack aufgestapelt, wobei in der vereinfachten Darstellung lediglich einer ihrer Kathodenräume 4 und einer ihrer Anodenräume 5 beispielhaft dargestellt ist. Dem Anodenbereich 5 wird Wasserstoff aus einem Druckgasspeicher 6 über eine Druckregel- und Dosiereinheit 7 zugeführt. Der Wasserstoff gelangt in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel aus dem Anodenbereich 5 wieder in die Umgebung. Dem Fachmann ist klar, dass hier eine Nachverbrennung, eine Kreislaufführung der Anodenabgase oder dergleichen vorgesehen werden kann. Dies ist für die Erfindung nicht weiter wesentlich, sodass auf eine weitere Detailierung der Anodenseite des Brennstoffzellensystems 1 hier verzichtet worden ist.
Die Kathodenseite des Brennstoffzellensystems 1 umfasst im Wesentlichen eine Vorrichtung 8 zur Luftversorgung, welche auch in der Darstellung der 2, mit strichpunktierter Linie umrandet, nochmals exemplarisch zur Erläuterung des später noch beschriebenen Berechnungsverfahrens dargestellt ist. Die Luft gelangt über einen Lufteinlass, welcher insbesondere einen Luftfilter 9 aufweist, in das Fahrzeug 2. Die Luft wird dann von einer Luftfördereinrichtung 10, insbesondere einem Strömungsverdichter, entsprechend verdichtet und über eine Zuluftleitung 11 zu der Brennstoffzelle 3 bzw. dem Kathodenbereich 4 gefördert. Die Abluftstrecke wird wiederum durch eine Abluftleitung 12 gebildet, welche in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel der Vorrichtung 8 zur Luftversorgung im Bereich einer Abluftturbine 13 endet. Die Abluftturbine 13 ist zusammen mit der Luftfördereinrichtung 10 und einer elektrischen Maschine 14 zu einem sogenannten elektrischen Turbolader oder ETC zusammengefasst. Der Aufbau eines solchen elektrischen Turboladers, welcher auch als motorunterstützter Turbolader bezeichnet wird, ist dem Fachmann geläufig, sodass hierauf nicht weiter eingegangen werden muss. Selbstverständlich können in der Zuluftstrecke und Abluftstrecke des Brennstoffzellensystems 1 weitere Bauteile wie beispielsweise Ladeluftkühler, Befeuchter, Wasserabscheider und dergleichen vorgesehen sein. All dies ist für die hier vorliegende Erfindung von untergeordneter Bedeutung, sodass hierauf nicht weiter eingegangen wird. Lediglich ein optionaler Systembypass 5 mit einem Bypassventil 16 ist in der Darstellung der 1 eingezeichnet. Über diesen kann beispielsweise verdichtete Luft von der Luftfördereinrichtung 10 direkt in den Bereich der Abluftturbine 13 abgeblasen werden, um so das Unterschreiten der Pumpgrenze zu verhindern. Auch dies ist dem Fachmann für elektrische Turbolader als sogenanntes Umblasventil bekannt, sodass auch hier auf die detaillierte Funktionalität nicht weiter eingegangen werden muss.
Um in dem Fahrzeug 2 bzw. dem Brennstoffzellensystem 1 nun auf störanfällige Drucksensoren verzichten zu können, welche bei widrigen Witterungsbedingungen gegebenenfalls einfrieren können, wird der für die Steuerung bzw. Regelung des Brennstoffzellensystems 1 wichtige Druck am Eingang in die Abluftturbine 13, welcher nachfolgend als Ap_Ti (Air pressure-Turbine in) bezeichnet wird, ausschließlich berechnet. Um diesen Druck Ap_Ti berechnen zu können, sind nur einige typischerweise sowieso gemessene Werte notwendig, wie es sich aus der Übersichtsdarstellung der 2 ergibt.
In der Darstellung der 2 ist wiederum die Brennstoffzelle 3 zusammen mit einem Kühlkreislauf 17 zu erkennen. Dieser Kühlkreislauf 17 weist neben Kühlmittelleitungen und einer nicht dargestellten Kühlmittelfördereinrichtung einen Kühler 18 auf, über welchen das Kühlmittel beispielsweise durch ein Durchströmen mit der Luft aus der Umgebung abgekühlt wird. Außerdem ist in der Darstellung der 2 der kathodenseitige Aufbau des Brennstoffzellensystems 1 und hier insbesondere die mit strichpunktierter Linie umrandete Vorrichtung 8 zur Luftversorgung angedeutet. Von einem Lufteinlass, welcher beispielsweise den bereits angesprochenen Luftfilter 9 umfassen kann und daher mit dem Bezugszeichen 9 versehen ist, strömt die Luft mit einem bekannten, gemessenen oder berechneten Luftmassenstrom Amf_SMi (Air mass flow-System in) zu der eigentlichen Luftfördereinrichtung 10 und von dort über die Zuluftleitung 12 in die Brennstoffzelle 3. Durch zwei schräge Striche in den Leitungen sind jeweils Anschlusspunkte angedeutet. Hier können weitere Elemente angeschlossen sein, beispielsweise eine Entnahme von Luft für eine Luftlagerung des elektrischen Turboladers, die bereits angesprochene Bypassleitung 15 oder dergleichen. Je nach Luftbedarf, welcher typischerweise konstruktiv vorgegeben ist, oder bei der Bypassleitung 15 durch die an sich bekannte Öffnungsstellung des Bypassventils 16 bekannt ist, geht ein gewisser Luftmassenstrom für diese Nebenverbraucher verloren. Dieser ist nachfolgend mit Amf_Interf bezeichnet. Der verbleibende Luftmassenstrom gelangt durch den Kathodenbereich 4 der Brennstoffzelle 3 und verlässt diese über die Abluftleitung 12 wiederum in Richtung der Abluftturbine 13. Am Eintritt in die Abluftturbine 13, und dies ist der für die Steuerung des Brennstoffzellensystems 1 relevante Punkt der Abluftstrecke, liegt dann ein Luftmassenstrom vor, welcher entsprechend mit Amf_Ti (Air mass flow_turbine in) angegeben ist. Dieser berechnet sich als Funktion des Luftmassenstroms im Bereich der Luftfördereinrichtung 10 und der durch die Nebenverbraucher und Leckagen aufgebrachten Luftmasse. Amf_Ti = f(Amf_SMi, Amf_Interf)
Er lässt sich insbesondere errechnen oder gegebenenfalls auch in Abhängigkeit der beiden Werte in einem Kennfeld oder mit einer Kennlinie nachsehen.
Zur gewünschten Berechnung des Drucks Ap_Ti in der Abluftstrecke ist nun außerdem die Lufttemperatur am Turbineneintritt notwendig, welche nachfolgend mit AT_Ti bezeichnet wird. Diese Temperatur kann beispielsweise durch einen Temperatursensor direkt erfasst werden. Ein solcher Temperatursensor ist jedoch ebenfalls anfällig gegen Einfrieren und, wenn in diesem Bereich keine weiteren Sensoren vorhanden sind, würde die Montage und der Einbau des Sensors mit einem nicht unerheblichen Aufwand einhergehen. Anstelle einer Messung kann daher auch eine Berechnung oder ein Nachschlagen in einem Kennfeld erfolgen, insbesondere in Abhängigkeit einer typischerweise ohnehin gemessenen Umgebungstemperatur der Vorrichtung 8, welche nachfolgend als AT_AMB dargestellt ist. Kennt man die Temperatur der Abluft am Ausgang des Brennstoffzellenstacks AT_So (Air Temperature Stack out), dann hängt die Temperatur am Turbineneintritt AT_Ti von der Umgebungstemperatur und der Temperatur am Ausgang der Brennstoffzelle 3 bzw. des Kathodenbereichs 4 ab, weil der konstruktive Aufbau der Abluftleitung 12 die Abkühlung entsprechend bestimmt. Die Temperatur ließe sich also auch anhand der Formel: AT_Ti = f(AT_So, AT_AMB) ermitteln.
Nun gilt jedoch für die Messung der Temperatur am Luftaustritt der Brennstoffzelle dasselbe, sodass auch hier nach Möglichkeit auf einen Temperatursensor verzichtet werden soll. Da zur Regelung der Kühlung, welche beispielsweise durch die Drehzahl der Kühlmittelfördereinrichtung und/oder die Menge an Kühlmittel, welche durch den Kühler 18 strömt, entsprechend beeinflusst werden kann, ist in einem derartigen Brennstoffzellensystem 1 eine Kenntnis der Kühlmitteltemperatur am Ausgang aus der Brennstoffzelle 3 wichtig. Diese Temperatur CT_So (Cooling Temperature-Stack out) ist also in den allermeisten Brennstoffzellensystemen ohnehin bekannt. Auf Basis dieser Temperatur lässt sich nun ebenfalls die Lufttemperatur AT_So am Ausgang der Brennstoffzelle 3 bzw. des Kathodenbereichs 4 abschätzen, da diese Lufttemperatur wiederum von der Kühlmitteltemperatur am Ausgang der Brennstoffzelle 3 und der Umgebungstemperatur der Luft abhängt: AT_So = f(CT_So, AT_AMB).
Auf diese Art lassen sich nun mit einer minimalen Anzahl von Sensoren alle relevanten Größen zur Bestimmung des Drucks Ap_Ti am Eintritt in die Luftturbine 13 entsprechend ermitteln, direkt oder indirekt über die oben beschriebenen Berechnungswege, welche nach Möglichkeit auch jeweils durch ein entsprechendes Kennfeld und einem Nachschlagen der Werte in Abhängigkeit der Eingangsgrößen in diesem Kennfeld ersetzt werden können.
Letztlich ergibt sich somit für den gewünschten Druck Ap_Ti eine Berechnung in der Art, dass Ap_Ti_calc. = f(AT_Ti, Amf_Ti, Ap_AMB) ist.
Der gewünschte Druckwert am Eingang in die Abluftturbine 13 lässt sich als relevanter Druckwert der Abluftstrecke also über die beschriebene Funktion berechnen und/oder ganz oder teilweise aus einem oder mehreren Kennfeldern ermitteln. Durch diese vergleichsweise genaue und exakte Kenntnis des Drucks aufgrund einer Berechnung und/oder eines Nachschlagens kann somit das Brennstoffzellensystem 1 in der gewünschten Art und Weise geregelt werden, wobei durch den Verzicht auf die entsprechende Sensorik, insbesondere durch den Verzicht auf die hinsichtlich eines Einfrierens sehr anfälligen Drucksensoren, ein sehr einfaches und unter allen Betriebsbedingungen zuverlässig funktionierendes Brennstoffzellensystem 1 in dem Fahrzeug 2 gewährleistet ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2008077955 A [0003]

Claims

Vorrichtung (8) zur Luftversorgung eines Kathodenbereichs (4), welche zu einer Brennstoffzelle (3) mit Luft als Sauerstofflieferant, mit einer Luftfördereinrichtung (10) und einer Einrichtung zur Ermittlung der von der Luftfördereinrichtung (10) geförderten Luftmasse, und mit einer Berechnungseinheit zur Ermittlung des Drucks (Ap_Ti) in einer Abluftstrecke der Brennstoffzelle (3) versehen ist, gekennzeichnet durch einen Verzicht auf Sensoren zur Erfassung des Drucks (Ap_Ti) in der Zuluft- und Abluftstrecke der Brennstoffzelle (3).
Vorrichtung (8) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass am Ende der Abluftstrecke eine Abluftturbine (13) vorgesehen ist.
Vorrichtung (8) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Abluftturbine (13) in Wirkverbindung mit der Luftfördereinrichtung (10) und einer elektrischen Maschine (14) steht.
Verfahren zum Ermitteln des Drucks (Ap_Ti) in der Abluftstrecke einer Brennstoffzelle (3) mit einer Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck (Ap_Ti) in der Abluftstrecke als Funktion, – der Temperatur in der Abluftstrecke (AT_Ti), – des Luftmassenstroms (Amf_Ti) in der Abluftstrecke, und – des Umgebungsdrucks (Ap_AMB) der Vorrichtung (8) errechnet und/oder einem Kennfeld entnommen wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Luftmassenstrom (Amf_Ti) in der Abluftstrecke als Funktion des geförderten Luftmassenstroms (Amf_SMi) der Luftfördereinrichtung (10) und der Luftmassenströme (Amf_Interf) für Nebenverbraucher und/oder Leckagen errechnet oder einem Kennfeld entnommen wird.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur (AT_Ti) in dem Abluftstrom anhand der Umgebungstemperatur (AT_AMB) und der Temperatur (AT_So) am Ausgang des Kathodenbereichs (4) der Brennstoffzelle (3) errechnet oder einem Kennfeld entnommen wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur (AT_So) am Ausgang des Kathodenbereichs (4) der Brennstoffzelle (3) in Abhängigkeit einer Kühlmitteltemperatur (CT_So) am Ausgang des Kühlmittels aus der Brennstoffzelle (3) und der Umgebungstemperatur (AT_AMB) errechnet oder einem Kennfeld entnommen wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur (AT_SO) am Ausgang des Kathodenbereichs (4) der Brennstoffzelle (3) über einen Sensor gemessen wird.
Verwendung der Vorrichtung (8) nach einem der Ansprüche 1 bis 3 und insbesondere des Verfahrens nach einem der Ansprüche 4 bis 8, zur Luftversorgung eines Brennstoffzellensystems (1), welches in einem Fahrzeug (2) zur Bereitstellung zumindest eines Teils der Antriebsleistung dient.