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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, mit einem Brennstoffzellenstack, dem über eine Gasförderung ein Gasmassenstrom mit einem Oxidationsmittel zugeführt wird, wobei die Gasförderung eine erste Verdichterstufe mit mindestens einem elektromotorisch angetriebenen Verdichter und eine zweite Verdichterstufe mit einem Verdichter umfasst, der über eine Turbine angetrieben ist, die mit einem Abgasmassenstrom des Brennstoffzellenstacks antreibbar ist, der einen Kathodenpfad mit einem Kathodenmassenstrom und mit einem Kathodendruck umfasst, wobei der Verdichter der ersten Verdichterstufe mit einer variablen Drehzahl angetrieben werden kann, wobei der Turbine der zweiten Verdichterstufe ein Turbinenbypass mit einem Turbinenbypassventil zugeordnet ist, wobei dem Brennstoffzellenstack ein Stackbypass mit einem Stackbypassventil zugeordnet ist, wobei dem Brennstoffzellenstack ein Nachstackventil nachgeschaltet ist.
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Stand der Technik
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Aus der deutschen Offenlegungsschrift
DE 10 2012 224 052 A1 ist ein Brennstoffzellensystem mit einer Brennstoffzelle, einem Verdichter, einer Antriebsvorrichtung zum elektrischen Antreiben eines Verdichters und mit einem Regelungsgerät bekannt, wobei das Regelungsgerät eingerichtet ist zur Erfassung eines Verdichterpumpens des elektrisch angetriebenen Verdichters, wobei eine Regelung zum Anpassen des Antriebmoments an ein auf die Antriebsvorrichtung wirkendes Lastmoment eingerichtet ist, wobei das Antriebsmoment der Antriebsvorrichtung basierend auf einer Soll-Drehzahl des Verdichters ermittelt wird, wobei ein Soll-Strom der Antriebsvorrichtung basierend auf der Soll-Drehzahl des Verdichters ermittelt wird, wobei basierend auf dem Soll-Strom eine Spannung zum Antreiben der Antriebsvorrichtung erzeugt wird, wobei ein Ist-Strom der Antriebsvorrichtung und eine Ist-Drehzahl des Verdichters erfasst werden, wobei die Ist-Drehzahl des Verdichters basierend auf einem aus dem Antriebsmoment und dem Lastmoment resultierenden Drehmoment der Antriebsvorrichtung ermittelt wird, wobei das Verdichterpumpen basierend auf einer Änderung des resultierenden Drehmoments und basierend auf der Soll-Drehzahl und des Soll-Stroms erfasst wird.
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Offenbarung der Erfindung
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Aufgabe der Erfindung ist es, das Betreiben eines Brennstoffzellensystems gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zu vereinfachen und/oder zu verbessern.
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Die Aufgabe ist bei einem Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 dadurch gelöst, dass im Betrieb des Brennstoffzellensystems in einer Betriebsstrategie Stellgrößen für eine Kathodenmassenstromregelung und für eine Kathodendruckregelung umgeschaltet werden. Bei den Stellgrößen handelt es sich insbesondere um eine Solldrehzahl, die verstellbar ist, sowie um Ventile, die verstellbar sind. Bei den Ventilen handelt es sich um das Turbinenbypassventil, das Stackbypassventil und das Nachstackventil. Das beanspruchte Verfahren betrifft eine Regelung beziehungsweise Reglerstruktur hinsichtlich des Druckniveaus im Brennstoffzellenstack und des Massenstroms durch den Brennstoffzellenstack. Die Reglerstruktur beziehungsweise Regelung kann sowohl als Druckverhältnis als auch als Druck, das heißt als Absolutdruck oder Relativdruck, realisiert werden. Der Begriff Druck bezieht sich, wenn nichts anderes angegeben ist, auf den Kathodendruck im Kathodenpfad. Druckverluste innerhalb des Kathodenpfads können gemessen und/oder berechnet werden. Die gemessenen und/oder, zum Beispiel mit Hilfe eines geeigneten Modells, berechneten Druckverluste können in der Regelung beziehungsweise deren Vorsteuerung mit berücksichtigt werden. Das Nachstackventil ist zwischen dem Brennstoffzellenstack und der Turbine angeordnet. Zwischen dem Brennstoffzellenstack und dem Nachstackventil kann optional noch eine Gaskonditioniereinheit angeordnet sein, zum Beispiel in Form einer Befeuchtungseinrichtung. Je nach Ausführung kann das Nachstackventil auch der Turbine nachgeschaltet sein. Die Kathodendruckregelung wird vereinfacht auch als Druckregelung bezeichnet und kann, wie vorab beschrieben ist, auch als Druckverhältnisregelung ausgeführt sein.
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Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass das Turbinenbypassventil in einem Betriebsbereich A bei hohen Druckverhältnissen geschlossen bleibt, wobei das Nachstackventil im Betriebsbereich A verwendet wird, um den Kathodenmassenstrom einzuregeln. Die hohen Druckverhältnisse sind abhängig vom Massenstrom. Als Grenze kann eine Trennlinie zwischen den Betriebsbereichen A und B in einem kartesischen Koordinatendiagramm betrachtet werden, in welchem der Druck beziehungsweise das Druckverhältnis über dem Massenstrom aufgetragen ist. Auf der Grenze ist das Nachstackventil offen und der Turbinenbypass geschlossen.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass die Drehzahl des Verdichters der ersten Verdichterstufe im Betriebsbereich A verwendet wird, um das Druckverhältnis einzuregeln. Mit dem Nachstackventil kann die Charakteristik des Kathodenpfads verstellt werden.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass das Nachstackventil in einem Betriebsbereich B bei kleinen Druckverhältnissen vollständig geöffnet bleibt, wobei die Drehzahl des Verdichters der ersten Verdichterstufe im Betriebsbereich B verwendet wird, um den Kathodenmassenstrom einzuregeln, wobei der Druck über den Turbinenbypass geregelt wird. Dabei wird der Betriebsbereich B nach unten durch eine Stopfgrenze des Verdichters der ersten Verdichterstufe begrenzt. Kleine oder niedrige Druckverhältnisse sind abhängig vom Massenstrom. Als Grenze kann eine Trennlinie zwischen den Bereichen A und B in einem kartesischen Koordinatendiagramm betrachtet werden, in welchem die Drücke oder Druckverhältnisse über dem Massenstrom aufgetragen sind. Auf der Grenze ist das Nachstackventil offen und der Turbinenbypass geschlossen.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass der Kathodenmassenstrom in einem Betriebsbereich C mit dem Stackbypassventil zusätzlich reduziert wird, wobei der Druck, wie im Betriebsbereich A, über die Drehzahl geregelt wird. Der Massenstrom wird mit dem Nachstackventil vorteilhaft nur soweit reduziert, dass die Pumpgrenze der beiden Verdichterstufen eingehalten wird. Mit dem Stackbypassventil kann der Massenstrom durch den Brennstoffzellenstack zusätzlich reduziert werden, wenn der Massenstrom durch die beiden Verdichterstufen unterhalb der Pumpgrenze liegen würde.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Umschaltung vom Betriebsbereich A nach Betriebsbereich B erfolgt, wenn das Nachstackventil vollständig geöffnet ist/wird oder bei einem geänderten Reglerwunsch. Geänderter Reglerwunsch heißt, dass man bei einem Sprung der Soll-Werte schon aus den beiden Soll-Größen, also Soll-Druck und Soll-Massenstrom, ablesen kann, in welchen Betriebsbereich gewechselt wird.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Umschaltung vom Betriebsbereich B nach Betriebsbereich A erfolgt, wenn das Turbinenbypassventil vollständig geschlossen ist/wird oder bei einem geänderten Reglerwunsch. Geänderter Reglerwunsch heißt, dass man bei einem Sprung der Soll-Werte schon aus den beiden Soll-Größen, also Soll-Druck und Soll-Massenstrom, ablesen kann, in welchen Betriebsbereich gewechselt wird.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Umschaltung vom Betriebsbereich A nach Betriebsbereich C erfolgt, wenn ein Soll-Massenstrom unter einen Mindestmassenstrom sinkt, wobei eine Umschaltung vom Betriebsbereich C nach Betriebsbereich A erfolgt, wenn der Soll-Massenstrom den Mindestmassenstrom übersteigt. Als Soll-Massenstrom wird der Massenstrom durch den Brennstoffzellenstack bezeichnet, der als Soll-Wert von der Steuerung vorgegeben wird. Der Stackmassenstrom entspricht dem Verdichtermassenstrom abzüglich des Bypassmassenstroms.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass ein PID-Regler mit Vorsteuerung verwendet wird. Sowohl die Regelung als auch die Vorsteuerung berücksichtigen optional eine Anzahl von Eingangsparametern, zum Beispiel Sensorwerte aus dem Brennstoffzellensystem, Werte aus Berechnungsmodellen der Brennstoffzellensteuerung, Umgebungsparameter et cetera. Dabei handelt es sich insbesondere um eine Stacktemperatur, um einen Umgebungsdruck beziehungsweise um eine aktuelle Höhe über dem Meeresspiegel, um eine Umgebungstemperatur et cetera.
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Die Erfindung betrifft des Weiteren ein System zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems gemäß einem vorab beschriebenen Verfahren.
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Die Erfindung betrifft gegebenenfalls auch ein Fahrzeug mit einem Antrieb, der ein vorab beschriebenes Brennstoffzellensystem umfasst. Die Erfindung betrifft gegebenenfalls auch eine mobile Anwendung oder eine stationäre Anwendung mit einem vorab beschriebenen Brennstoffzellensystem.
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Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Computerprogrammprodukt mit einem Computerprogramm, das Softwaremittel zum Durchführen eines vorab beschriebenen Verfahrens aufweist, wenn das Computerprogramm auf einer programmierbaren Computereinrichtung ausgeführt wird. Bei der Computereinrichtung handelt es sich zum Beispiel um ein Steuergerät des Bren nstoffzellensystems.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung verschiedene Ausführungsbeispiele im Einzelnen beschrieben sind.
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Figurenliste
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Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems mit zwei Verdichterstufen;
- 2 ein kartesisches Koordinatendiagramm, in welchem der Kathodendruck über den Kathodenmassenstrom aufgetragen ist;
- 3 eine Regelung in einem Betriebsbereich C;
- 4 eine Regelung in einem Betriebsbereich A;
- 5 eine Regelung in einem Betriebsbereich B;
- 6 ein kartesisches Koordinatendiagramm zur Regelung im Betriebsbereich A;
- 7 ein kartesisches Koordinatendiagramm zur Regelung im Betriebsbereich B;
- 8 eine schematische Darstellung einer möglichen Variante für einen PID-Regler mit Vorsteuerung für den Betriebsbereich A; und
- 9 eine mögliche Variante für einen PID-Regler mit Vorsteuerung für den Betriebsbereich B.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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1 zeigt ein Brennstoffzellensystem 1 mit einem Brennstoffzellenstack 2. Über eine Gasförderung 3 wird dem Brennstoffzellenstack 2 ein Oxidationsmittel, insbesondere Luft, die Sauerstoff enthält, in Form eines Gasmassenstroms 4 zugeführt. Die Gasförderung 3 umfasst eine erste Verdichterstufe 5 und eine zweite Verdichterstufe 10.
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Die erste Verdichterstufe 5 umfasst zwei parallel geschaltete Verdichter 7, 8, die durch einen Elektromotor 6 angetrieben sind. Der ersten Verdichterstufe 5 ist ein Luftfilter 9 vorgeschaltet.
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Die zweite Verdichterstufe 10 umfasst einen Verdichter 11 und eine Turbine 12. Der Verdichter 11 ist durch eine Welle 13 antriebsmäßig mit der Turbine 12 verbunden. Zu diesem Zweck wird die Turbine 12 mit einem Abgasmassenstrom 14 des Brennstoffzellenstacks 2 angetrieben.
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Der Turbine 12 ist ein Turbinenbypass 15 mit einem Turbinenbypassventil 16 zugeordnet. Dem Brennstoffzellenstack 2 ist ein Stackbypass 17 mit einem Stackbypassventil 18 zugeordnet. Dem Brennstoffzellenstack 2 ist ein Nachstackventil 19 nachgeschaltet. Das Nachstackventil 19 ist zwischen einer Gaskonditioniereinheit 20 und der Turbine 12 angeordnet.
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Durch ein gestricheltes Rechteck ist angedeutet, dass die Gaskonditioniereinheit 20, die zum Beispiel eine Befeuchtungseinrichtung umfasst, optional ist. Durch ein Rechteck 21 ist angedeutet, dass der Gasmassenstrom 4, insbesondere in Form von Umgebungsluft, aus der Umgebung entnommen wird. Der Abgasmassenstrom 14 wird der Umgebung 21 zugeführt. Dem Verdichter 11 der zweiten Verdichterstufe10 ist ein Verdichterbypass 22 mit einem Verdichterbypassventil 23 zugeordnet.
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In den 2 bis 8 ist gezeigt, wie in dem Brennstoffzellenstack 2 in 1 ein gewünschter Kathodenmassenstrom und ein gewünschter Kathodendruck eingestellt beziehungsweise geregelt werden kann. Das Einstellen beziehungsweise Regeln erfolgt mit Hilfe der durch den Elektromotor 6 variablen Drehzahl der ersten Verdichterstufe 5, mit Hilfe des Turbinenbypassventils 16 und mit Hilfe des Stackbypassventils 18.
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Durch eine geschickte Umschaltung der Betriebsstrategie für KathodenMassenstromregelung und Kathoden-Druckregelung wird eine robuste Steuerung beziehungsweise Regelung geschaffen, die den kompletten Betriebsbereich des Brennstoffzellensystems nutzbar macht. Eine aufwendige Verstelleinrichtung an der Turbine (12 in 1) kann entfallen. Dadurch können die Systemkosten reduziert werden. Darüber hinaus werden aufwendige Systemmaßnahmen, wie eine Enteisung einer durch Eisbildung blockierten Turbine mit einer variablen Turbinengeometrie, vermieden.
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2 zeigt ein kartesisches Koordinatendiagramm, mit einer x-Achse 25 und einer y-Achse 26. Auf der x-Achse 25 ist der Kathodenmassenstrom in einer geeigneten Maßeinheit aufgetragen.
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Auf der y-Achse 26 ist der Kathodendruck in einer geeigneten Druckeinheit beziehungsweise ein entsprechendes Druckverhältnis aufgetragen. Insgesamt drei Betriebsbereiche sind durch Großbuchstaben A, B und C bezeichnet. Druckverhältnisse und Drücke sind entsprechend ineinander umrechenbar.
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Vom Ursprung des Koordinatendiagramms in 2 gehen drei Trennlinien 27, 28, 29 aus. Die Trennlinie 27 stellt eine Grenze zwischen den Betriebsbereichen A und C dar. Die Trennlinie 28 stellt eine Grenze zwischen den Betriebsbereichen A und B dar. Die Trennlinie 29 stellt eine untere Grenze des Betriebsbereichs B dar.
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Die Regelung im Betriebsbereich A sieht wie folgt aus. Bei hohen Druckverhältnissen ist das Turbinenbypassventil 16 geschlossen. Mit dem Nachstackventil 19 kann die Charakteristik des Kathodenpfads verstellt werden, das heißt, die Anlagenkennlinie verschiebt sich von der eingezeichneten Trennlinie 28 in Richtung Pumpgrenze. Das Nachstackventil 19 wird dabei benutzt, um den Kathodenmassenstrom einzuregeln.
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In einer optionalen Vorsteuerung wird eine Kennlinie KL2 (siehe Rechteck 73 in 8) für den Massenstrom bei vollständig geöffnetem Nachstackventil 19 in Abhängigkeit von der Drehzahl abgelegt. Eine weitere Kennlinie KL3 (siehe Rechteck 75 in 8) enthält die prozentuale Massenstromreduktion in Abhängigkeit der Ventilstellung des Nachstackventils 19.
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Die Drehzahl der ersten Verdichterstufe 5 wird dann benutzt, um das Druckverhältnis einzuregeln. In einer optionalen Vorsteuerung kann eine Kennlinie KL1(siehe Rechteck 72 in 8) für die Drehzahl in Abhängigkeit vom Druckverhältnis hinterlegt werden.
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Die Regelung im Betriebsbereich B sieht wie folgt aus. Bei kleinen Druckverhältnissen ist das Nachstackventil 19 vollständig geöffnet. Mit der Drehzahl der ersten Verdichterstufe 5 wird der Massenstrom geregelt. Mit dem Turbinenbypassventil 16 wird der Druck geregelt. Der Bereich B wird nach unten durch die Trennlinie 29 begrenzt, welche die Stopfgrenze darstellt.
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Als Vorsteuerung für die Drehzahl im Betriebsbereich B kann eine Kennlinie KL4 (siehe Rechteck 92 in 9) für den Massenstrom über der Drehzahl hinterlegt werden (Kennlinie von Bereich A) bei geöffnetem Nachstackventil 19. Für die Reduktion des Druckverhältnisses kann eine Kennlinie KL5 (siehe Rechteck 94 in 9) mit dem maximalen Druckverhältnis der zweiten Verdichterstufe 10 über der Drehzahl sowie dem Druckverhältnis der ersten Verdichterstufe 5 in Abhängigkeit von der Drehzahl KL6 (siehe Rechteck 93 in 9) und eine Kennlinie KL7 (siehe Rechteck 96 in 9) mit der prozentualen Reduktion des Druckverhältnisses der zweiten Verdichterstufe 10 in Abhängigkeit von der Ventilstellung des Turbinenbypassventils 16 abgelegt werden.
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Die Regelung im Bereich C sieht wie folgt aus. Der Massenstrom darf mit dem Nachstackventil 19 nur soweit reduziert werden, dass die Pumpgrenze der beiden Verdichterstufen 5 und 10 eingehalten wird (Bereich A). Mit dem Stackbypassventil 18 kann der Massenstrom durch den Brennstoffzellenstack 2 zusätzlich reduziert werden, wenn der Massenstrom durch die Verdichterstufen 5 und 10 unterhalb der Pumpgrenze liegen würde.
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Als Vorsteuerung kann im Betriebsbereich C eine Kennlinie hinterlegt werden, in der die Ventilstellung über der Massenstromreduktion der Pumpgrenze aufgetragen ist.
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Die Regelung in den verschiedenen Bereichen kann jeweils mit oder ohne Vorsteuerung umgesetzt werden. Als Regler kann beispielsweise ein PID-Regler mit Vorsteuerung verwendet werden.
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In den 3 bis 5 ist gezeigt, dass die vorgeschlagene Regelung beziehungsweise Reglerstruktur hinsichtlich dem Druckniveau sowohl als Druckverhältnis als auch Druck (Absolutdruck oder Relativdruck) realisiert werden kann. Die 3 bis 5 zeigen eine Übersicht über die Regler und die Umschaltungen. 3 zeigt die Regelung im Betriebsbereich C. 4 zeigt die Regelung im Betriebsbereich A. 5 zeigt die Regelung im Betriebsbereich B.
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Rechteck 31 symbolisiert eine Druckregelung. Rechteck 32 symbolisiert eine Massenstromregelung. Rechteck 33 symbolisiert eine Regelstrecke, die verkürzt auch als Strecke bezeichnet wird. Pfeil 34 symbolisiert einen Soll-Druck. Pfeil 35 symbolisiert einen Ist-Druck, der verkürzt auch als Druck bezeichnet wird. Pfeil 36 symbolisiert einen Soll-Massenstrom. Pfeil 37 symbolisiert einen Ist-Massenstrom, der verkürzt auch als Massenstrom bezeichnet wird. Pfeil 38 symbolisiert eine Pumpgrenze. Pfeil 39 symbolisiert eine Kompressordrehzahl der ersten Verdichterstufe 5.
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Das Bezugszeichen 17 steht, wie in 1, für den Stackbypass. Das Bezugszeichen 19 steht, ebenfalls wie in 1, für das Nachstackventil.
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Ein Pfeil 41 veranschaulicht in 3, dass der Turbinenbypass (15 in 1) geschlossen ist. In 4 veranschaulicht ein Pfeil 42, dass zusätzlich der Stackbypass (17 in 1) geschlossen ist. In 5 veranschaulicht ein Pfeil 43, dass das Nachstackventil 19 offen ist. Ein Pfeil 44 veranschaulicht in 5 zusätzlich eine Drehzahl der ersten Verdichterstufe 5.
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Eine Umschaltung vom Bereich A nach Bereich B erfolgt, wenn das Nachstackventil 19 vollständig geöffnet ist/wird. Darüber hinaus erfolgt eine Umschaltung vom Bereich A nach Bereich B mit Hilfe der vorgegebenen Drücke und Massenströme, zum Beispiel bei einem geänderten Reglerwunsch. Geänderter Reglerwunsch heißt, dass man bei einem Sprung der Soll-Werte schon aus den beiden Soll-Größen, also Soll-Druck und Soll-Massenstrom, ablesen kann, in welchen Betriebsbereich gewechselt wird.
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Als Soll-Massenstrom wird der Massenstrom durch den Brennstoffzellenstack 2 bezeichnet. Der entsprechende Soll-Wert ist zum Beispiel in einer Steuerung des Brennstoffzellensystems 1 abgelegt. Der Massenstrom durch den Stack, der auch als Stackmassenstrom bezeichnet wird, ergibt sich aus dem durch die Verdichterstufen 5 und 10 bereitgestellten Verdichtermassenstrom abzüglich eines eventuellen Bypassmassenstroms. Beim Umschalten vom Bereich A nach Bereich B, also von 4 nach 5, geht das Nachstackventil 19 in einen geöffneten Zustand über.
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Eine Umschaltung vom Bereich B nach Bereich A erfolgt, wenn das Turbinenbypassventil 16 vollständig geschlossen ist/wird. Darüber hinaus erfolgt eine Umschaltung vom Bereich B nach Bereich A mit Hilfe der vorgegebenen Drücke und Massenströme, zum Beispiel bei einem geänderten Reglerwunsch. Bei einem Umschalten von 5 nach 4 geht der Turbinenbypass 15 in einen komplett geschlossenen Zustand über.
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Eine Umschaltung vom Bereich A nach Bereich C erfolgt, wenn der Soll-Massenstrom unter den Mindestmassenstrom, der von der Pumpgrenze abhängt, sinkt. Eine Aktivierung der Massenstromregelung erfolgt durch das Stackbypassventil 18.
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Eine Umschaltung vom Bereich C nach Bereich A erfolgt, wenn der Soll-Massenstrom den Mindestmassenstrom, der von der Pumpgrenze abhängt, übersteigt. Eine Deaktivierung der Massenstromregelung erfolgt durch das Stackbypassventil 18.
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Optional kann für jede Reglerumschaltung auch eine entsprechende Hysterese verwendet werden, um ein unerwünschtes Toggeln zu vermeiden. Bei der Hysterese kann es sich um eine zeitliche Hysterese, eine Massenstromhysterese oder um eine Druckbereichshysterese handeln.
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Hinsichtlich Komponentenschutz beziehungsweise Pumpschutz der Verdichter der Verdichterstufen 5 und 10 ist vorteilhaft eine Sicherheit mit zu berücksichtigen. Aus Sicherheitsgründen findet eine Umschaltung vom Betriebsbereich A nach Betriebsbereich C vor Erreichen der Pumpkennlinie statt.
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Anders als in den Figuren dargestellt, kann das als Regelventil ausgeführte Nachstackventil 19, nicht wie in 1 dargestellt, vor der Turbine 12, sondern auch in Abgasströmungsrichtung nach der Turbine 12 angeordnet werden.
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In 6 ist ein kartesisches Koordinatendiagramm mit einer x-Achse 48 und einer y-Achse 49 dargestellt. Auf der x-Achse 48 ist ein Massenstrom der ersten Verdichterstufe 5 in einer geeigneten Einheit aufgetragen. Auf der y-Achse 49 ist ein Druck beziehungsweise ein Druckverhältnis der ersten Verdichterstufe 5 aufgetragen.
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Durch einen vertikalen Pfeil 50 ist in 6 angedeutet, dass der Druck mit Erhöhung der Drehzahl steigt. Durch einen horizontalen Pfeil 51 ist in 6 angedeutet, dass bei etwa gleichem Druckverhältnis mit Hilfe des Nachstackventils eine Reduktion des Massenstroms erfolgt. 6 betrifft die Regelung im Bereich A.
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7 betrifft die Regelung im Bereich B. Auf einer x-Achse 54 ist der Massenstrom durch die zweite Verdichterstufe 10 aufgetragen. Auf einer y-Achse 55 ist der Druck beziehungsweise das Druckverhältnis der zweiten Verdichterstufe 10 aufgetragen. Durch einen Pfeil 56 ist in 7 angedeutet, dass durch Öffnen des Turbinenbypassventils die Drehzahl der zweiten Verdichterstufe 10 reduziert wird. Dementsprechend wird der Druck beziehungsweise das Druckverhältnis der zweiten Verdichterstufe 10 kleiner.
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In 8 ist eine mögliche Variante für einen PID-Regler mit Vorsteuerung für den Bereich A dargestellt. In 9 ist eine mögliche Variante für einen PID-Regler mit Vorsteuerung für den Bereich B dargestellt.
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In 8 sind durch Rechtecke 71 bis 78 Regler beziehungsweise Regelstrukturen angedeutet. Rechteck 71 symbolisiert einen PID-Regler. Rechteck 72 symbolisiert eine Vorsteuerung mit einer Kennlinie KL1. Rechteck 73 symbolisiert eine Vorsteuerung mit einer Kennlinie KL2. Rechteck 74 symbolisiert einen Anteil, der sich aus 64 und 65 zusammensetzt. Rechteck 75 symbolisiert eine Vorsteuerung mit einer Kennlinie KL3. Rechteck 76 symbolisiert einen PID-Regler. Die Rechtecke 77 und 78 symbolisieren additive Verknüpfungen. 60 steht für einen Ist-Druck. 61 steht für einen Soll-Druck. 62 und 63 stehen für eine Soll-Drehzahl. 64 steht für einen Massenstrom bei geöffnetem Nachstackventil. 65 steht für einen auf die Pumpkennlinie begrenzten Soll-Massenstrom. 66 steht für einen Ist-Massenstrom. 67 und 68 stehen für Ventilstellungen des Nachstackventils.
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In 9 symbolisiert das Rechteck 91 einen PID-Regler. Das Rechteck 92 symbolisiert eine Vorsteuerung mit einer Kennlinie KL4. Das Rechteck 93 symbolisiert eine Vorsteuerung mit einer Kennlinie KL6. Das Rechteck 94 symbolisiert eine Vorsteuerung mit einer Kennlinie KL5. Das Rechteck 95 symbolisiert einen Anteil des Druckverhältnisses der zweiten Verdichterstufe. Das Rechteck 96 symbolisiert eine Vorsteuerung mit einer Kennlinie KL7. Das Rechteck 97 symbolisiert einen PID-Regler. Die Rechtecke 98 und 99 symbolisieren additive Verknüpfungen.
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80 symbolisiert einen Ist-Massenstrom. 81 symbolisiert einen Soll-Massenstrom. 82 und 83 symbolisieren Soll-Drehzahlen. 84 symbolisiert eine Stacktemperatur. 85 symbolisiert einen Druck beziehungsweise ein Druckverhältnis der ersten Verdichterstufe. 86 symbolisiert einen maximalen Druck beziehungsweise ein maximales Druckverhältnis der zweiten Verdichterstufe. 87 symbolisiert einen Soll-Druck beziehungsweise ein Soll-Druckverhältnis. 88 symbolisiert einen Ist-Druck beziehungsweise ein Ist-Druckverhältnis. 89 und 90 symbolisieren Ventilstellungen des Turbinenbypassventils.
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Das beanspruchte Verfahren kann zum einen in der Betriebsstrategie von Fahrzeugantrieben mit Brennstoffzellensystemen verwendet werden. Dabei kann es sich auch um Nutzfahrzeuge handeln. Das beanspruchte Verfahren kann aber auch in mobilen Applikationen, zum Beispiel Baumaschinen, mit Brennstoffzellensystemen zur Anwendung kommen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012224052 A1 [0002]
