DE102019216712A1 - Method for operating and designing a fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems mit einer Brennstoffzelle, der auf einer Kathodeneingangsseite ein Kathodengas, wie Luft, mit Hilfe einer elektrisch angetriebenen Gaszuführeinrichtung (30) zugeführt wird, die als Strömungsmaschine ausgeführt ist, deren Arbeitsbereich in einem Kennfeld darstellbar ist, das eine Pumpgrenze und eine Stopfgrenze aufweist.Um die Lebensdauer des Brennstoffzellensystems zu verlängern, werden, an sich unerwünschte Pumpereignisse im Betrieb der elektrisch angetriebenen Gaszuführeinrichtung (30) in einem bestimmten Arbeitsbereich der elektrisch angetriebenen Gaszuführeinrichtung (30) jenseits der Pumpgrenze bewusst zugelassen.The invention relates to a method for operating a fuel cell system with a fuel cell to which a cathode gas, such as air, is supplied on a cathode inlet side with the aid of an electrically driven gas supply device (30) which is designed as a flow machine, the operating range of which can be represented in a characteristic diagram that has a surge limit and a stuffing limit. In order to extend the service life of the fuel cell system, undesired pumping events are deliberately permitted during operation of the electrically driven gas supply device (30) in a specific working range of the electrically driven gas supply device (30) beyond the surge limit.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems mit einer Brennstoffzelle, der auf einer Kathodeneingangsseite ein Kathodengas, wie Luft, mit Hilfe einer elektrisch angetriebenen Gaszuführeinrichtung zugeführt wird, die als Strömungsmaschine ausgeführt ist, deren Arbeitsbereich in einem Kennfeld darstellbar ist, das eine Pumpgrenze und eine Stopfgrenze aufweist. Die Erfindung betrifft des Weiteren ein derartiges Brennstoffzellensystem. Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Verfahren zum Auslegen eines derartigen Bren nstoffzellensystems.The invention relates to a method for operating a fuel cell system with a fuel cell to which a cathode gas, such as air, is supplied on a cathode inlet side with the aid of an electrically driven gas supply device, which is designed as a fluid flow machine, the working range of which can be represented in a characteristic field, which has a surge limit and has a stuffing limit. The invention also relates to such a fuel cell system. The invention also relates to a method for designing such a fuel cell system.
Stand der TechnikState of the art
Aus der deutschen Patentschrift
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Aufgabe der Erfindung ist es, die Lebensdauer eines Brennstoffzellensystems mit einer Brennstoffzelle, der auf einer Kathodeneingangsseite ein Kathodengas, wie Luft, mit Hilfe einer elektrisch angetriebenen Gaszuführeinrichtung zugeführt wird, die als Strömungsmaschine ausgeführt ist, deren Arbeitsbereich in einem Kennfeld darstellbar ist, das eine Pumpgrenze und eine Stopfgrenze aufweist, zu verlängern.The object of the invention is to increase the service life of a fuel cell system with a fuel cell to which a cathode gas, such as air, is supplied on a cathode inlet side with the aid of an electrically driven gas supply device which is designed as a flow machine, the working range of which can be represented in a characteristic diagram that has a surge limit and has a stuffing limit to extend.
Die Aufgabe ist bei einem Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems mit einer Brennstoffzelle, der auf einer Kathodeneingangsseite ein Kathodengas, wie Luft, mit Hilfe einer elektrisch angetriebenen Gaszuführeinrichtung zugeführt wird, die als Strömungsmaschine ausgeführt ist, deren Arbeitsbereich in einem Kennfeld darstellbar ist, das eine Pumpgrenze und eine Stopfgrenze aufweist, dadurch gelöst, dass an sich unerwünschte Pumpereignisse im Betrieb der elektrisch angetriebenen Gaszuführeinrichtung in einem bestimmten Arbeitsbereich der elektrisch angetriebenen Gaszuführeinrichtung jenseits der Pumpgrenze bewusst zugelassen werden. Hierbei wird eine weit verbreitete Ansicht, wie sie zum Beispiel in der eingangs gewürdigten deutschen Patentschrift
Dadurch wiederum kann ein unerwünschtes Austrocknen durch zuviel geförderte Luft des Brennstoffzellensystems verhindert werden. Das wiederum verlangsamt die Alterung der Brennstoffzelle.This in turn can prevent undesired drying out due to too much air being conveyed from the fuel cell system. This in turn slows down the aging of the fuel cell.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass ein an sich unerwünschter Pumpbetrieb der elektrisch angetriebenen Gaszuführeinrichtung jenseits der Pumpgrenze in einem unteren Arbeitsbereich der elektrisch angetriebenen Gaszuführeinrichtung bewusst zugelassen wird. Der Begriff unterer Arbeitsbereich bezieht sich auf das Kennfeld der elektrisch angetriebenen Gaszuführeinrichtung. Bei dem Kennfeld handelt es sich zum Beispiel um ein kartesisches Koordinatendiagramm, in welchem auf einer x-Achse ein Massenstrom durch die elektrisch angetriebene Gaszuführeinrichtung in einer geeigneten Maßeinheit aufgetragen ist. Auf einer y-Achse des Kennfelds ist zum Beispiel ein Druckverhältnis aufgetragen, das mit der elektrisch angetriebenen Gaszuführeinrichtung im Betrieb des Brennstoffzellensystems erzeugt wird. In dem unteren Bereich des Kennfelds sind das Druckverhältnis und der Volumenstrom relativ gering.A preferred exemplary embodiment of the method is characterized in that an intrinsically undesirable pumping operation of the electrically driven gas supply device beyond the surge limit is deliberately permitted in a lower working range of the electrically driven gas supply device. The term lower working area refers to the map of the electrically driven gas supply device. The characteristics map is, for example, a Cartesian coordinate diagram in which a mass flow through the electrically driven gas supply device is plotted in a suitable unit of measurement on an x-axis. For example, a pressure ratio that is generated with the electrically driven gas supply device when the fuel cell system is in operation is plotted on a y-axis of the characteristic diagram. In the lower area of the map, the pressure ratio and the volume flow are relatively low.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass die an sich unerwünschten Pumpereignisse im Betrieb der elektrisch angetriebenen Gaszuführeinrichtung bei einem Druckverhältnis, das kleiner als ein kritisches Druckverhältnis ist, jenseits der Pumpgrenze bewusst zugelassen werden. Das Druckverhältnis kann relativ einfach mit gegebenenfalls bereits vorhandenen Drucksensoren erfasst werden. So wird eine regelungstechnisch einfach darstellbare Maßnahme bereitgestellt, mit der die Lebensdauer des Brennstoffzellensystems wirksam verlängert werden kann.Another preferred exemplary embodiment of the method is characterized in that the inherently undesirable pumping events during operation of the electrically driven gas supply device are deliberately allowed beyond the pumping limit at a pressure ratio that is less than a critical pressure ratio. The pressure ratio can be recorded relatively easily with any pressure sensors that may already be present. So will a measure which can be easily represented in terms of control technology and with which the service life of the fuel cell system can be effectively extended.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass die an sich unerwünschten Pumpereignisse im Betrieb der elektrisch angetriebenen Gaszuführeinrichtung bei einem Druckverhältnis, das größer als das kritische Druckverhältnis ist, jenseits der Pumpgrenze nicht zugelassen werden. Wenn das kritische Druckverhältnis im Betrieb des Brennstoffzellensystems überschritten wird, dann können die in diesem Fall unerwünschten Pumpereignisse mit herkömmlichen Maßnahmen vermieden werden. Zu diesem Zweck kann zum Beispiel die Drehzahl der elektrisch angetriebenen Gaszuführeinrichtung, reduziert werden oder ein Bypass geöffnet werden.Another preferred exemplary embodiment of the method is characterized in that the per se undesirable pumping events are not permitted when the electrically driven gas supply device is in operation at a pressure ratio that is greater than the critical pressure ratio beyond the surge limit. If the critical pressure ratio is exceeded during the operation of the fuel cell system, then the pumping events that are undesirable in this case can be avoided with conventional measures. For this purpose, for example, the speed of the electrically driven gas supply device can be reduced or a bypass can be opened.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass die an sich unerwünschten Pumpereignisse im Betrieb der elektrisch angetriebenen Gaszuführeinrichtung bei einem Druckverhältnis, das größer als das kritische Druckverhältnis ist, sensorisch, insbesondere akustisch, erfasst werden. Zur sensorischen Erfassung können zum Beispiel Körperschallsensoren verwendet werden. Zu akustischen Messungen können Mikrophone verwendet werden. Alternativ oder zusätzlich kann der Strom eines elektrischen Antriebs der elektrisch angetriebenen Gaszuführeinrichtung gemessen werden.Another preferred exemplary embodiment of the method is characterized in that the inherently undesirable pumping events during operation of the electrically driven gas supply device are detected by sensors, in particular acoustically, at a pressure ratio that is greater than the critical pressure ratio. Structure-borne sound sensors, for example, can be used for sensor detection. Microphones can be used for acoustic measurements. Alternatively or additionally, the current of an electric drive of the electrically driven gas supply device can be measured.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass das kritische Druckverhältnis zwischen eins und zwei liegt. Bei im Rahmen der vorliegenden Erfindung durchgeführten Versuchen und Untersuchungen hat sich ein Wert von 1,5 für das kritische Druckverhältnis als vorteilhaft erwiesen.Another preferred embodiment of the method is characterized in that the critical pressure ratio is between one and two. In tests and investigations carried out in the context of the present invention, a value of 1.5 for the critical pressure ratio has proven to be advantageous.
Bei einem Brennstoffzellensystem mit einer Brennstoffzelle, der auf einer Kathodeneingangsseite ein Kathodengas, wie Luft, mit Hilfe einer elektrisch angetriebenen Gaszuführeinrichtung zugeführt wird, die als Strömungsmaschine ausgeführt ist, deren Arbeitsbereich in einem Kennfeld darstellbar ist, das eine Pumpgrenze und eine Stopfgrenze aufweist, ist die oben angegebene Aufgabe alternativ oder zusätzlich dadurch gelöst, dass ein Axiallagersystem der elektrisch angetriebenen Gaszuführeinrichtung im Hinblick auf die gemäß einem vorab beschriebenen Verfahren bewusst zugelassenen Pumpereignisse der elektrisch angetriebenen Gaszuführeinrichtung ausreichend robust ausgelegt ist. Das Axiallagersystem umfasst vorteilhaft eine dynamische Luftlagerung. Die dynamische Luftlagerung umfasst mindestens ein auch als Folienlager bezeichnetes Luftlager, mit dem eine Welle des elektromotorischen Antriebs der Gaszuführeinrichtung axial gelagert ist. Die ausreichend robuste Auslegung bezieht sich vorteilhaft deshalb insbesondere auf das Axiallagersystem, weil bei den bewusst zugelassenen Pumpereignissen im pumpendem Betrieb starke Fluktuationen der im Betrieb des Brennstoffzellensystems in der elektrisch angetriebenen Gaszuführeinrichtung auftretenden Axialkräfte ergeben. Beim pumpenden Betrieb wird darüber hinaus besonders vorteilhaft darauf geachtet, dass sich eventuell ergebende akustische Effekte nicht negativ auswirken. Das bedeutet insbesondere, dass die akustischen Effekte nicht für einen Fahrzeugnutzer hörbar sein dürfen. Zu diesem Zweck kann der Betrieb des Brennstoffzellensystems, insbesondere der elektrisch angetriebenen Gaszuführeinrichtung, sensorisch, insbesondere akustisch, überwacht werden. Zu diesem Zweck können Beschleunigungssensoren verwendet werden. Mit dieser Methode kann auch der pumpende Betrieb in dem oberen Kennfeldbereich sicher detektiert und vermieden werden.In a fuel cell system with a fuel cell to which a cathode gas, such as air, is supplied on a cathode inlet side with the help of an electrically driven gas supply device, which is designed as a flow machine, the working range of which can be represented in a characteristic diagram that has a surge limit and a stuffing limit The above-mentioned object is alternatively or additionally achieved in that an axial bearing system of the electrically driven gas supply device is designed to be sufficiently robust with regard to the pumping events of the electrically driven gas supply device that are deliberately permitted according to a previously described method. The axial bearing system advantageously comprises a dynamic air bearing. The dynamic air bearing comprises at least one air bearing, also referred to as a film bearing, with which a shaft of the electromotive drive of the gas supply device is axially mounted. The sufficiently robust design therefore advantageously relates in particular to the axial bearing system, because the deliberately permitted pumping events in pumping operation result in strong fluctuations in the axial forces occurring in the electrically driven gas supply device during operation of the fuel cell system. In the pumping operation, it is particularly advantageous to ensure that any acoustic effects that may result do not have a negative impact. This means in particular that the acoustic effects must not be audible to a vehicle user. For this purpose, the operation of the fuel cell system, in particular the electrically driven gas supply device, can be monitored by sensors, in particular acoustically. Accelerometers can be used for this purpose. With this method, the pumping operation in the upper map area can also be reliably detected and avoided.
Bei einem Verfahren zum Auslegen eines vorab beschriebenen Brennstoffzellensystems, ist die oben angegebene Aufgabe alternativ oder zusätzlich dadurch gelöst, dass auf einem Prüfstand in einem Prüfstandsbetrieb des Brennstoffzellensystems erfasst und gespeichert wird, wann im Betrieb der elektrisch angetriebenen Gaszuführeinrichtung Pumpereignisse auftreten. Die erfassten und gespeicherten Werte, wie das Druckverhältnis, die Drehzahl und der Massenstrom, der mit der elektrisch angetriebenen Gaszuführeinrichtung bereitgestellt wird, werden in einem geeigneten Steuergerät des Prüfstands erfasst und gespeichert. Im Betrieb des Brennstoffzellensystems können diese Werte dann verwendet werden, um die Pumpereignisse zu erkennen und zu bewerten. Eine aufwendige Sensorik am Brennstoffzellensystem selbst kann kostengünstig entfallen.In a method for designing a fuel cell system described above, the above-mentioned object is alternatively or additionally achieved in that it is recorded and stored on a test bench in a test bench operation of the fuel cell system when pumping events occur during operation of the electrically driven gas supply device. The recorded and stored values, such as the pressure ratio, the speed and the mass flow, which is provided by the electrically driven gas supply device, are recorded and stored in a suitable control device of the test stand. When the fuel cell system is in operation, these values can then be used to identify and evaluate the pumping events. A complex sensor system on the fuel cell system itself can be dispensed with in a cost-effective manner.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Prüfstand im Prüfstandsbetrieb des Brennstoffzellensystems akustisch erfasst wird, wann im Betrieb der elektrisch angetriebenen Gaszuführeinrichtung Pumpereignisse auftreten. Die Pumpereignisse können dann zusammen mit den gemessenen Druckverhältnissen, Massenströmen, Drehzahlen et cetera gespeichert werden.A preferred exemplary embodiment of the method is characterized in that it is acoustically recorded on the test stand in test stand operation of the fuel cell system when pumping events occur during operation of the electrically driven gas supply device. The pumping events can then be saved together with the measured pressure ratios, mass flows, speeds, etc.
Die Erfindung betrifft gegebenenfalls auch einen Prüfstand, auf dem das Verfahren zum Auslegen des Brennstoffzellensystems ausgeführt wird. Der Prüfstand ist zum Beispiel mit mindestens einer akustischen Messeinrichtung ausgestattet, um Pumpereignisse im Betrieb des Brennstoffzellensystems zu erfassen.The invention optionally also relates to a test stand on which the method for designing the fuel cell system is carried out. The test stand is equipped, for example, with at least one acoustic measuring device in order to record pumping events during the operation of the fuel cell system.
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.Further advantages, features and details of the invention emerge from the The following description, in which various exemplary embodiments are described in detail with reference to the drawing.
FigurenlisteFigure list
Es zeigen:
-
1 einen Verdichter mit einem Gehäuse in einer Seitenansicht auf einem schematisch nur angedeuteten Prüfstand; -
2 ein kartesisches Koordinatendiagramm, in welchem ein Kennfeld einer Gaszuführeinrichtung eines Brennstoffzellensystems dargestellt ist; -
3 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems mit einer Gaszuführeinrichtung; und -
4 ein Ablaufdiagramm zur Veranschaulichung des beanspruchten Verfahrens.
-
1 a compressor with a housing in a side view on a test stand, which is only indicated schematically; -
2 a Cartesian coordinate diagram in which a map of a gas supply device of a fuel cell system is shown; -
3 a schematic representation of a fuel cell system with a gas supply device; and -
4th a flow chart to illustrate the claimed method.
Beschreibung der AusführungsbeispieleDescription of the exemplary embodiments
In
Durch einen Pfeil
Die über den Kühlluftpfad
Da der Kühlluftmassenstrom
Der verbleibende Luftmassenstrom
Das Oxidationsmittel ist die Luft, die über die Luftzuführleitung
Der Abgasmassenstrom
Die Welle ist durch einen Elektromotor
Das Brennstoffzellensystem
Das Brennstoffzellensystem
Die Luftzuführvorrichtung
In
Das Gehäuse
In
In
In dem kartesischen Koordinatendiagramm ist ein Kennfeld
Weitere Kurven
Der maximale Massenstrom eines Radialverdichters ist in der Regel durch den Querschnitt am Verdichtereintritt begrenzt. Erreicht die Luft im Verdichtereintritt die Schallgeschwindigkeit, ist kein weiteres Anwachsen des Durchsatzes mehr möglich. Das wird auch als Stopfgrenze
Die Pumpgrenze
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wurde der Betrieb des Verdichters jenseits der Pumpgrenze
Dynamische Luftlager benötigen eine Mindestdrehzahl für ihre Funktion. Erst bei Drehzahlen in der Größenordnung von etwa zwanzigtausend Umdrehungen pro Minute wird ein ausreichend tragfähiges Luftpolster gebildet, um einerseits das Gewicht des Rotors des Verdichters zu tragen und andererseits Beschleunigungen, zum Beispiel durch eine Schlechtweganregung, kompensieren zu können. In dem Kennfeld
Die vorab beschriebenen Einschränkungen führen dazu, dass in einem Leerlaufbetrieb des Brennstoffzellensystems mehr Luft gefördert wird, als für die elektrochemische Reaktion in der Brennstoffzelle notwendig ist. Grundsätzlich werden Brennstoffzellen zwar über-stöchiometrisch betrieben, notwendige Luftlambda liegen aber zwischen 1,6 und 2,0. Durch die oben genannten Einschränkungen des Luftversorgungssystems ergeben sich unter Umständen Luftlambdawerte im Bereich von 5,0.The restrictions described above lead to the fact that when the fuel cell system is idling, more air is conveyed than is necessary for the electrochemical reaction in the fuel cell. In principle, fuel cells are operated over-stoichiometrically, but the necessary air lambda is between 1.6 and 2.0. The above-mentioned limitations of the air supply system may result in air lambda values in the range of 5.0.
Ohne zusätzliche Maßnahmen wird ein so betriebenes Brennstoffzellensystem austrocknen, weil die zugeführte Luft mehr Wasser abführt als durch die elektrochemische Reaktion in der Brennstoffzelle erzeugt wird. Hierdurch ergeben sich zwei negative Effekte. Der wasserabhängige Protonentransport durch die Membran der Brennstoffzelle wird verschlechtert und die Alterung der Brennstoffzelle erhöht.Without additional measures, a fuel cell system operated in this way will dry out because the air supplied removes more water than is generated by the electrochemical reaction in the fuel cell. This has two negative effects. The water-dependent proton transport through the membrane of the fuel cell is worsened and the aging of the fuel cell is increased.
Aus diesem Grund wird im Rahmen der Erfindung vorgeschlagen, im unteren Arbeitsbereich
Beim pumpenden Betrieb ist darauf zu achten, dass sich die ergebenden akustischen Effekte nicht negativ auf die beziehungsweise den Fahrzeugnutzer auswirken. Daher kann es notwendig sein, den pumpenden Betrieb mit beispielsweise einer Körperschallmessung zu überwachen. Hierzu werden vorzugsweise Beschleunigungssensoren verwendet. Mit dieser Methode kann dann auch der pumpende Betrieb im oberen Kennfeldbereich sicher detektiert und damit vermieden werden.With pumping operation, care must be taken that the resulting acoustic effects do not have a negative impact on the vehicle user. It may therefore be necessary to monitor the pumping operation with, for example, a structure-borne noise measurement. Acceleration sensors are preferably used for this purpose. With this method, the pumping operation in the upper map area can then be reliably detected and thus avoided.
Da es sich um einen akustischen Effekt handelt, ist für die Detektion des Pumpens auch ein Mikrophon anwendbar. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, den benötigten Strom am elektromotorischen Antrieb des Verdichters auszuwerten. Der pumpende Betrieb erzeugt Drehmomentschwankungen, die als Stromschwankungen messbar sind.Since this is an acoustic effect, a microphone can also be used to detect pumping. Another possibility is to evaluate the required current on the electric motor drive of the compressor. The pumping operation generates torque fluctuations that can be measured as current fluctuations.
In
Im Rechteck
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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