DE102021113910A1

DE102021113910A1 - Brennstoffzellensystem zum Antrieb eines Fahrzeugs

Info

Publication number: DE102021113910A1
Application number: DE102021113910.4A
Authority: DE
Inventors: Janik Ricke
Original assignee: ZF CV Systems Global GmbH
Current assignee: ZF CV Systems Global GmbH
Priority date: 2021-05-28
Filing date: 2021-05-28
Publication date: 2022-12-01
Also published as: EP4348741A1; CN117355966A; WO2022248234A1; US20240083262A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem (100) zum Antrieb eines Fahrzeugs, insbesondere Nutzfahrzeugs, mit einem Verdichter (1), insbesondere Turboverdichter, zur kathodenseitigen Luftversorgung einer Brennstoffzelle (101), wobei der Verdichter (1) einen Elektromotor (3) aufweist, eine Rotorwelle (9), die mit dem Elektromotor (3) wirkverbunden ist, um mittels des Elektromotors rotatorisch angetrieben zu werden, und eine Lageranordnung (11) aufweist, welche die Rotorwelle (9) drehbar in dem Verdichter (1) lagert, wobei die Lageranordnung (11) zumindest ein Luftlager (11a,11b,11c) mit einem Lagerspalt (13) aufweist, das die Rotorwelle (9) spaltbehaftet in dem Verdichter (1) lagert und dazu eingerichtet ist, bei Erreichen oder Überschreiten einer vorbestimmten Abhebedrehzahl (n) der Rotorwelle (9) einen umlaufenden Luftspalt auszubilden. Es wird vorgeschlagen, dass der Verdichter (1) einen Luftlager-Strömungspfad (17) aufweist, welcher in den Lagerspalt (13) mündet und eine Schnittstelle zur fluidleitenden Verbindung mit einer Druckluftversorgung (200) aufweist, und das Brennstoffzellensystem (100) ferner ein ansteuerbares Absperrorgan (21), welches in dem Luftlager-Strömungspfad (17) zwischen der Druckluftversorgung (200) und dem Lagerspalt (13) angeordnet und dazu eingerichtet ist, den Luftlager-Strömungspfad (17) selektiv zu sperren und zu öffnen, und ein Steuergerät (103) aufweist, welches signalleitend mit dem Elektromotor (3) zu dessen Ansteuerung und mit dem Absperrorgan (21) verbunden und dazu eingerichtet ist, in Abhängigkeit voneinander das Absperrorgan (21) zu öffnen und zu sperren und den Elektromotor (3) anzusteuern.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem zum Antrieb eines Fahrzeugs, insbesondere eines Nutzfahrzeugs, mit einem Verdichter, insbesondere Turboverdichter, zur kathodenseitigen Luftversorgung einer Brennstoffzelle, wobei der Verdichter einen Elektromotor, eine Rotorwelle, die mit dem Elektromotor wirkverbunden ist, um mittels des Elektromotors rotatorisch angetrieben zu werden, und eine Lageranordnung aufweist, welche die Rotorwelle drehbar in dem Verdichter lagert, wobei die Lageranordnung zumindest ein Luftlager mit einem Luftspalt aufweist, das die Rotorwelle spaltbehaftet in dem Verdichter lagert und dazu eingerichtet ist, bei Erreichen oder Überschreiten einer vorbestimmten Abhebedrehzahl der Rotorwelle einen umlaufenden Luftspalt auszubilden.
Im Zuge des Mobilitätswandels gewinnen, insbesondere in der Nutzfahrzeugindustrie, alternative Antriebe zunehmend an Bedeutung. Brennstoffzellensysteme nehmen hierbei eine prominente Stellung ein. In wasserstoffbetriebenen Brennstoffzellensystemen ist es erforderlich, der Brennstoffzelle kathodenseitig Sauerstoff, zumeist in Form von druckbeaufschlagter Luft, zuzuführen. Es sind Brennstoffzellensysteme bekannt, bei denen die kathodenseitige Luftversorgung von einem Verdichter, insbesondere Turboverdichter, übernommen wird. Die üblicherweise verwendeten Verdichter weisen eine Rotorwelle auf, die elektromotorisch angetrieben wird. Die Rotorwellen in den Verdichtern solcher Systeme erreichen sehr hohe Drehzahlen, sodass der Lagerung der Rotorwellen eine zentrale Bedeutung zukommt.
Es haben sich Luftlagerungen mit aerodynamischen Luftlagern durchgesetzt, die bei Erreichen ihrer lagerspezifischen Abhebedrehzahl einen konstanten umlaufenden Luftspalt ausbilden und sich so selbst in einen Schwebezustand versetzen. Der Vorteil solcher Luftlagerungen ist eine extrem niedrige Reibung oberhalb der Abhebedrehzahl.
Zugleich gehören die Luftlager aber auch zu den empfindlichste Teilen eines Verdichters in Brennstoffzellensystemen. Wenn die rotierenden Teile, vorzugsweise die Rotorwelle oder mit ihr verbundene rotierende Teile, etwa rotierende Lagerschalen, im Betrieb stehende Teile, etwa stehende Lagerschalen, berühren, kommt es zu Gleitreibung und damit zu Verschleiß, etwa bei den Lagern. Da bei verschlissenen Lagern in Extremsituationen die optimale Luftversorgung der Brennstoffzelle nicht mehr gewährleistet werden kann, müssen die Lager rechtzeitig getauscht oder gewartet werden, so dass die Lebenserwartung eines Lagers ein bestimmender Faktor für die Länge der Wartungsintervalle des Verdichters und somit der Brennstoffzellensysteme ist. Bekannte Brennstoffzellensysteme verwenden Lager mit einer Lebensdauer von ca. 8.000 bis 9.000 Betriebsstunden.
Der Erfindung lag folglich die Aufgabe zugrunde, die vorstehend beschriebenen Herausforderungen möglichst weitgehend zu überwinden. Insbesondere lag der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Brennstoffzellensystem der eingangs bezeichneten Art anzugeben, bei dem die Wartungsintervalle verlängert werden können. Ferner lag der Erfindung insbesondere die Aufgabe zugrunde, bei solchen Systemen die Langlebigkeit der Lager zu verbessern.
Die Erfindung löst die ihr zugrundeliegende Aufgabe bei einem Brennstoffzellensystem der eingangs bezeichneten Art, indem der Verdichter einen Luftlager-Strömungspfad, insbesondere für Druckluft, aufweist, welcher in den Lagerspalt mündet und eine Schnittstelle zur fluidleitenden Verbindung mit einer Druckluftversorgung des Fahrzeugs aufweist, und das Brennstoffzellensystem ferner ein ansteuerbares Absperrorgan aufweist, welches in dem Luftlager-Strömungspfad zwischen der Druckluftversorgung und dem Lagerspalt angeordnet und dazu eingerichtet ist, den Luftlager-Strömungspfad selektiv zu sperren und zu öffnen, und indem das Brennstoffzellensystem ein Steuergerät aufweist, welches signalleitend mit dem Elektromotor zu dessen Ansteuerung und mit dem Absperrorgan verbunden und dazu eingerichtet ist, in Abhängigkeit voneinander das Absperrorgan zu öffnen und zu sperren und den Elektromotor anzusteuern.
Unter der Ansteuerung des Elektromotors ist erfindungsgemäß zu verstehen, dass der Elektromotor sowohl unmittelbar als auch mittelbar unter Mitwirkung und/oder Zwischenschalten weiterer Komponenten wie etwa einer Leistungselektronik in allgemein bekannter Weise erfolgen soll, wobei einzelne, mehrere oder sämtliche Komponenten einer solchen Leistungselektronik dedizierte Bauteile oder in den Elektromotor oder Kompressor integrierte Bauteile sein können. Hierunter ist auch die Verwendung der notwendigen Signalübertragungsmittel zu fassen, mittels welcher die Leistungselektronik, der Elektromotor, und das Steuergerät kommunizieren.
Die Erfindung folgt hierbei dem grundlegenden Ansatz, den Betriebszustand des Elektromotors abhängig von dem Vorhandensein von einer Druckluftunterstützung im Lagerspalt zu schalten und umgekehrt die Druckluftunterstützung in Abhängigkeit vom Betriebszustand des Elektromotors zu- oder abschalten zu können. Die Drehzahl der Rotorwelle ist ein relevanter Steuerparameter, der für den Betriebszustand des Elektromotors repräsentativ ist. Die Erfindung schlägt in dem Zusammenhang mit anderen Worten vor, die Lageranordnung durch zusätzliches Einblasen druckbeaufschlagter Luft mittels des Luftlager-Strömungspfads in den Lagerspalt zu unterstützen, wenn der Elektromotor angesteuert werden soll. Durch zusätzliches Einblasen von Druckluft in den Lagerspalt wird die zwischen den Komponenten wirkende Reibkraft gemindert, und hierdurch auch der Verschleiß. Optimalerweise wird so viel Druckluft durch den Strömungspfad in den Lagerspalt gefördert, dass auch ein Abheben der Rotorwelle erreicht wird, bevor diese ihre eigentliche, lagerspezifische Abhebedrehzahl erreicht hat. Dadurch, dass das Öffnen des Absperrorgans zum Einblasen von druckbeaufschlagter Luft in den Lagerspalt in funktionalem Zusammenhang mit dem Zeitpunkt des Ansteuerns des Elektromotors gesetzt wird, kann druckbeaufschlagte Luft ganz gezielt in denjenigen Zeitpunkten in den Lagerspalt eingeblasen werden, wenn drehzahlbedingt der sonst zu erwartende Verschleiß der Lager am größten ist, nämlich beim Anlauf des Verdichters aus dem Stillstand und beim Stoppen des Verdichters in den Stillstand, wenn die Drehzahl der Rotorwelle insbesondere unter die Abhebedrehzahl fällt bzw. absinkt. Die Lebensdauer von Luftlagern kann mit dieser Maßnahme auf mehr als das Doppelte erhöht werden.
In einer ersten bevorzugten Weiterbildung der Erfindung weist die Lageranordnung zwei oder mehr Luftlager auf, die jeweils einen Lagerspalt mit ihm zugeordneten Luftlager-Strömungspfad- und Absperrorganzugang aufweisen. Es können dedizierte Absperrorgane verwendet werden, oder ein gemeinsames Absperrorgan für alle Strömungspfade.
Die Abhebedrehzahl des oder der Luftlager kann experimentell oder rechnergestützt für jedes Lager in Verbindung mit der jeweiligen rotierenden Masse, also der Rotorwelle, bestimmt und im Steuergerät hinterlegt werden.
Als Absperrorgan ist vorzugsweise ein Mehrwegeventil vorgesehen, beispielsweise ein 2/2-Wegeventil, welches kabelgebunden oder kabellos mittels des Steuergeräts ansteuerbar ist und zu diesem Zweck signalleitend mit dem Steuergerät verbunden werden kann.
Das Steuergerät kann erfindungsgemäß ein dediziertes Steuergerät sein, oder ein in das Steuergerät des Verdichters softwaremäßig oder hardwaremäßig implementiertes Modul sein. Alternativ oder zusätzlich kann das Steuergerät als ein softwaremäßig oder hardwaremäßig in die Brennstoffzellensteuerung implementiertes Modul ausgebildet sein. Weiter alternativ oder zusätzlich kann das Steuergerät hardwaremäßig oder softwaremäßig in ein Bremssteuergerät des Fahrzeugs, insbesondere ein Anhänger- oder Zugfahrzeugbremssteuergerät integriert bzw. als ein solches Gerät ausgebildet sein.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Steuergerät dazu eingerichtet, den Elektromotor bei einem gewünschten Antriebsbeginn zeitgleich mit einem Öffnen des Absperrorgans zum Antreiben der Rotorwelle anzusteuern. Diese Art der Steuerung ist sehr einfach schaltungstechnisch oder programmiertechnisch umzusetzen und stellt bei jedem Anschaltvorgang, der ein Starten des Elektromotors bewirkt, ein zusätzliches Unterstützen der Luftlager mittels in den Lagerspalt eingeblasener Druckluft sicher.
In einer alternativen bevorzugten Ausführungsform ist das Steuergerät dazu eingerichtet, bei einem gewünschten Antriebsbeginn der Rotorwelle zuerst das Absperrorgan zu öffnen, um druckbeaufschlagte Luft in den Lagerspalt zu fördern, und erst anschließend den Elektromotor zum Antrieb der Rotorwelle anzusteuern. In dieser Ausführungsform wird die auf die Kontaktstelle zwischen den rotierenden Teilen, vorzugsweise der Rotorwelle oder wellenseitigen Lagerschalen oder -gegenstücken, und stehenden Teilen wie etwa gehäuseseitigen Lagerschalen oder -gegenstücken, wirkende Gewichtskraft durch das Einblasen der Luft bereits unterstützt, bevor der Elektromotor eine Rotation der Rotorwelle einleitet. Besonders bevorzugt wird Luft in einem ausreichenden Maße in den Lagerspalt eingeblasen, dass bereits ein Abheben der Rotorwelle stattfindet. Hierzu kann es vorteilhaft sein, druckbeaufschlagte Luft von mehreren umfänglich verteilten Einlassöffnungen aus in den Lagerspalt einzublasen.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das Steuergerät dazu eingerichtet, den Elektromotor erst nach Ablauf einer vorbestimmten Zeitdauer im Anschluss an das Öffnen des Absperrorgans anzusteuern, wobei die Zeitdauer vorzugsweise repräsentativ für eine notwendige Zeit bis zu einem erwarteten ersten Abheben der Rotorwelle durch die eingebrachte bzw. eingeblasene Druckluft ist. Die Zeitdauer, die verstreicht, bis die Rotorwelle nur durch das Einblasen druckbeaufschlagter Luft erstmalig abhebt, kann in Vorversuchen empirisch ermittelt werden und in dem Steuergerät als Steuerparameter hinterlegt werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist dem Luftlager-Strömungspfad ein Massenstromsensor zugeordnet, und das Steuergerät ist signalleitend mit dem Massenstromsensor verbunden und dazu eingerichtet, den Elektromotor erst anzusteuern, nachdem eine vorbestimmte Menge Druckluft in den Lagerspalt gefördert worden ist, wobei die vorbestimmte Menge Druckluft vorzugsweise repräsentativ für eine notwendige Druckluftmenge bis zu einem ersten Abheben der Rotorwelle ist. Alternativ zu dem vorstehend beschriebenen empirischen Ermitteln einer Zeitdauer bis zum ersten Abheben kann, und übrigens auch zusätzlich dazu, mittels eines Massenstromsensors die in den Lagerspalt eingeblasene Luftmenge empirisch ermittelt werden, nach welcher ein erstes Abheben zu verzeichnen ist.
Alternativ oder zusätzlich zu dem Massenstromsensor ist vorzugsweise ein Drucksensor dem Luftlager-Strömungspfad zugeordnet, und das Steuergerät signalleitend mit dem Drucksensor verbunden und dazu eingerichtet, den Elektromotor erst anzusteuern, nachdem ein vorbestimmter Druck, sogenannter Tragdruck, erreicht worden ist, wobei der vorbestimmte Druck repräsentativ für einen notwendigen Druck im Lagerspalt zum Abheben der Rotorwelle ist. Der Tragdruck liegt vorzugsweise in einem Bereich von 4 bar oder mehr, weiter vorzugsweise 6 bar oder mehr, besonders bevorzugt 8 bar oder mehr.
Der Massenstrom- und/oder Drucksensor ist vorzugsweise jeweils entweder im gehäuseinneren Teil des Luftlager-Strömungspfads oder stromaufwärts des Verdichtergehäuses im Luftlager-Strömungspfad angeordnet, beispielsweise an der Schnittstelle zum Anschluss an die Druckluftversorgung oder in der Druckluftversorgung.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind ein rotierender Teil, vorzugsweise die Rotorwelle oder eine wellenseitige Lagerschale des Luftlagers, und ein stehender Teil des Verdichters, vorzugsweise eine gehäuseseitige Lagerschale des Luftlagers, mit einem Kontaktsensor wirkverbunden, der dazu eingerichtet ist, ein Abheben der des rotierenden Teils von dem stehenden Teil zu erkennen, und das Steuergerät ist signalleitend mit dem Kontaktsensor verbunden und dazu eingerichtet, den Elektromotor erst dann zum Antrieb der Rotorwelle anzusteuern, nachdem der Kontaktsensor ein Abheben des rotierenden Teils erkannt hat. Vorzugsweise liegt ein elektrischer Kontakt zwischen dem mit der Rotorwelle zusammenwirkenden rotierenden Teil und dem stehenden Teil vor, der bei Abheben unterbrochen wird, oder eine Kapazität oder ein Widerstand, die/der sich jeweils beim Abheben ändert. Der Kontaktsensor ist entsprechend vorzugsweise dazu eingerichtet, eine Änderung der jeweiligen elektrischen Größe zu erfassen und kann beispielsweise ein Abheben an das Steuergerät signalisieren, wenn der über den Kontakt fließende Strom einen Schwellwert unterschreitet, oder die Spannung bzw. Kapazität bestimmte Schwellwerte überschreiten.
Alternativ oder zusätzlich weist das Brennstoffzellensystem ein Messgerät zur Erfassung von Feldstärkenänderungen im Feld des Elektromotors auf, wobei das Messgerät signalleitend mit dem Steuergerät verbunden ist und das Steuergerät dazu eingerichtet ist, ausgehend von den übermittelten Signalen anhand der Feldstärkenänderung ein Abheben der Rotorwelle zu erkennen. Die Rotorwelle wirkt im Elektromotor wie ein elektromagnetischer Kern, und die Veränderung ihrer Lage bewirkt eine erfassbare Feldstärkenänderung.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das Steuergerät dazu eingerichtet, nach dem Beginn der Ansteuerung des Elektromotors zum Antreiben der Rotorwelle das Absperrorgan erst dann wieder zu sperren, wenn die Rotorwelle die Abhebedrehzahl erreicht oder überschritten hat. Vorzugsweise ist der Elektromotor mit einer Leistungselektronik wirkverbunden und wird mittels der Leistungselektronik angesteuert. Die Leistungselektronik umfasst vorzugsweise einen Inverter. Die Betriebsinformationen der Leistungselektronik lassen sich auslesen, und aus ihnen lässt sich die Drehzahl der Rotorwelle in allgemein bekannter Weise ermitteln.
In dieser Ausführungsform wird nach dem Erreichen der Abhebedrehzahl keine weitere Druckluft mehr in den Lagerspalt zusätzlich eingeblasen, weil das Luftlager jenseits der Abhebedrehzahl aus sich selbst heraus in der Lage ist, einen umlaufenden Luftspalt auszubilden und die Welle in der Schwebe zu halten. Dadurch wird die Druckluftversorgung des Fahrzeugs entlastet.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das Steuergerät dazu eingerichtet, das Absperrorgan bei einem gewünschten Antriebsstopp des Elektromotors, also aus dem Betrieb heraus, zu öffnen, bevor die Abhebedrehzahl unterschritten wird, vorzugsweise genau dann wenn die Abhebedrehzahl erreicht ist. Der gleiche Verschleißminderungseffekt, der sich beim Start des Elektromotors erzielen lässt, wird auch beim Betriebsende des Verdichters erreicht, indem die zusätzliche Luftunterstützung über dem Druckluft-Strömungspfad in den Lagerspalt hinein wieder aktiviert wird, wenn die Drehzahl der Rotorwelle abnimmt und sich der Abhebedrehzahl, diesmal von oben - also einem Bereich höherer Drehzahlen - kommend, nähert. Bei Erreichen der Abhebedrehzahl, bevor die rotierenden Teile an der Rotorwelle wieder mit den stehenden Teilen des Verdichters in Berührung kommen können, übernimmt das von der zusätzlich eingeblasenen Luft im Lagerspalt gebildete Luftkissen die Stützaufgabe und ermöglicht ein verschleißfreies weiteres Abbremsen der Rotorwelle.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das Steuergerät dazu eingerichtet, das Absperrorgan erst dann zu sperren, wenn die Drehzahl der Rotorwelle in einem Bereich unterhalb von 500 min^-1, vorzugsweise unterhalb von 200 min^-1, weiter vorzugsweise unterhalb von 100 min^-1, besonders bevorzugt unterhalb von 50 min^-1 und insbesondere bei 0 liegt.
Je länger die unterstützende Wirkung der zusätzlich eingeblasenen Luft in dieser Phase aufrechterhalten wird, desto geringer ist der Verschleiß.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Luftlager ein Axiallager oder ein Radiallager. Weiter vorzugsweise weist die Lageranordnung sowohl ein oder mehrere Axial-Luftlager als auch ein oder mehrere Radial-Luftlager auf, wobei eines, mehrere oder sämtliche der Luftlager vorzugsweise jeweils einen, oder einen gemeinsamen, - fluidleitend mit dem Luftlager-Strömungspfad verbundenen Lagerspalt aufweisen.
Vorzugsweise ist das Luftlager ein aerostatisches Lager, und die Lageranordnung weist ferner vorzugsweise zumindest ein aerodynamisches Lager auf, welches vorzugsweise als Folienlager, etwa Leaf-Type oder Bump-Type, oder als Spiralrillenlager, etwa Radial- oder Axial-Spiralrillenlager, ausgebildet ist. Das aerodynamische Lager, oder vorzugsweise die mehreren aerodynamischen Lager, ist bzw. sind vorzugsweise benachbart vom aerostatischen Lager angeordnet. In bevorzugten Ausführungsformen teilen sich das aerostatische Lager und das aerodynamische Lager den Lagerspalt.
In weiteren bevorzugten Ausführungsformen weist die Lageranordnung mindestens zwei aerostatische Lager und mindestens zwei aerodynamische Lager auf.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist dem Luftlager-Strömungspfad ein Filter, insbesondere ein Ölfilter und/oder ein Partikelfilter zugeordnet. Der Ölfilter und/oder der Partikelfilter sind vorzugsweise im Strömungspfad zwischen der Schnittstelle für die Druckluftversorgung und dem Lagerspalt oder stromaufwärts der Schnittstelle zwischen der Schnittstelle und der Druckluftversorgung angeordnet, vorzugsweise stromaufwärts des Absperrorgans. Für die Verwendung dieser Filter wird das Risiko, das durch die Luft für das Luftlager diejenige Druckluft kontaminiert werden könnte, die von dem Verdichter der Kathodenseite der Brennstoffzelle zugeführt werden soll, weiter reduziert.
In einer alternativen bevorzugten Ausführungsform weist bereits die Druckluftversorgung - also etwa für eine Bremsanlage des Fahrzeugs - einen oder mehrere Filter auf, so dass die Druckluft, welche dem Luftlager-Strömungspfad zugeführt wird, bereits in gefilterter Form vorliegt. Vorzugsweise ist der Luftlager-Strömungspfad dann filterlos ausgebildet.
Die Erfindung wurde vorstehend in einem ersten Aspekt unter Bezugnahme auf das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem beschrieben. In einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung ein Fahrzeug, insbesondere ein Nutzfahrzeug, mit einem Brennstoffzellensystem zum Antrieb des Fahrzeugs, und einer Druckluftversorgung, die zur Bereitstellung druckbeaufschlagter Luft für pneumatische Verbraucher des Fahrzeugs eingerichtet ist.
Die Erfindung löst die ihr zugrundeliegende Aufgabe, indem sie vorschlägt, dass das Brennstoffzellensystem nach einer der vorstehend beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen ausgebildet ist, und der Luftlager-Strömungspfad derart fluidleitend mit der Druckluftversorgung verbunden ist, dass bei geöffnetem Absperrorgan druckbeaufschlagte Luft in den Lagerspalt strömt.
Die Erfindung macht sich in dem zweiten Aspekt dieselben Vorteile und bevorzugten Ausführungsformen zunutze wie das Brennstoffzellensystem gemäß dem ersten Aspekt, weswegen zur Vermeidung von Wiederholungen auf die obigen Ausführungen verwiesen wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Druckluftversorgung des Fahrzeugs dazu eingerichtet, mehrere Druckluftkreise des Fahrzeugs mit Druckluft zu versorgen, und der Luftlager-Strömungspfad ist fluidleitend mit einem dieser Druckluftkreise verbunden.
Die Erfindung macht sich zunutze, dass das Fahrzeug in seiner Druckluftversorgung ohnehin einen Kompressor und eine Luftaufbereitungseinrichtung aufweist, beispielsweise zur Versorgung der Fahrzeugbremse und ggf. weiterer Systeme wie etwa einer Luftfederung, einem Getriebe etc.. Der Luftlager-Strömungspfad nutzt Synergieeffekte, indem er über einen der Druckluftkreise die benötigte Druckluft bezieht.
Die verschiedenen Druckluftkreise des Fahrzeugs sind üblicherweise hinsichtlich ihrer Sicherheitsrelevanz und der Art der anzusteuernden und zu versorgenden Komponenten unterschieden. Sicherheitsrelevante Druckluftkreise regeln beispielsweise die Bremsfunktionen oder unterstützen das Fahrzeug oder die Getriebeschaltvorgänge des Fahrzeugs. Nicht sicherheitsrelevante Druckluftkreise dienen zur Druckluftversorgung sogenannter Nebenverbraucher.
Andere Druckluftkreise wiederum dienen der Druckluftversorgung von etwaigen Fahrzeuganhängern (Trailer Supply). Vorzugsweise ist der Luftlagerströmungspfad fluidleitend mit einem Druckluftkreis für nicht sicherheitsrelevante Nebenverbraucher verbunden.
Die Erfindung betrifft in einem weiteren Aspekt ein Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems eines Fahrzeugs, insbesondere eines Nutzfahrzeugs, wobei das Brennstoffzellensystem insbesondere nach einer der vorstehend beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen ausgebildet ist. Das vorgeschlagene Verfahren umfasst die Schritte:

- Übermitteln eines Startbefehls an ein Steuergerät, wenn ein Antriebsbeginn gewünscht wird, und in Abhängigkeit voneinander:
- Öffnen des Absperrorgans in dem Luftlager-Strömungspfad des Verdichters, mittels des Steuergeräts, so dass von der Druckluftversorgung aus druckbeaufschlagte Luft in den Lagerspalt gefördert wird, und
- Ansteuern des Elektromotos zum Antreiben der Rotorwelle, insbesondere mittels des Steuergeräts.

Das Verfahren macht sich dieselben Vorteile und bevorzugten Ausführungsformen zunutze wie das Brennstoffzellensystem und das Fahrzeug der beiden vorstehend beschriebenen Aspekte, weshalb zur Vermeidung von Wiederholungen wiederum auf die obigen Ausführungen verwiesen wird.
Das Verfahren wird vorteilhaft weitergebildet, indem es einen, mehrere oder sämtliche der folgenden Schritte umfasst:

- zeitgleiches Ansteuern des Elektromotos zum Antreiben der Rotorwelle, und Öffnen des Absperrorgans zur Druckluftförderung in den Lagerspalt, oder zuerst Öffnen des Absperrorgans und erst anschließend Ansteuern des Elektromotors zum Antrieb der Rotorwelle;
- Ansteuern des Elektromotors erst nach Ablauf einer vorbestimmten Zeitdauer im Anschluss an das Öffnen des Absperrorgans, wobei die Zeitdauer vorzugsweise repräsentativ für eine notwendige Zeit bis zu einem erwarteten ersten Abheben der Rotorwelle ist;

- Erfassen des durch den Strömungspfad geförderten Massenstroms, und Ansteuern des Elektromotors erst nachdem eine vorbestimmte Menge Druckluft in den Lagerspalt gefördert worden ist, wobei die vorbestimmte Menge Druckluft vorzugsweise repräsentativ für eine notwendige Druckluftmenge bis zu einem ersten Abheben der Rotorwelle ist;
- Erfassen des in dem Luftlager-Strömungspfad anliegenden Drucks, und Ansteuern des Elektromotors erst nachdem ein vorbestimmter Druck erreicht worden ist, wobei der vorbestimmte Druck vorzugsweise repräsentativ für einen notwendige Druck zum ersten Abheben der Rotorwelle ist,
- Erkennen des Abhebens eines rotierenden Teils von einem stehenden Teil des Verdichters, und Ansteuern des Elektromotors erst nachdem das Abheben des rotierenden Teils erkannt worden ist;
- Sperren des Absperrorgans nach dem Beginn des Ansteuerns des Elektromotors erst dann wieder, wenn die Rotorwelle die Abhebedrehzahl erreicht oder überschritten hat;
- Öffnen des Absperrorgans bei einem gewünschten Antriebsstopp des Elektromotors, bevor die Abhebedrehzahl unterschritten wird, vorzugsweise wenn die Abhebedrehzahl erreicht ist; und/oder
- Sperren des Absperrorgans erst dann, wenn die Drehzahl der Rotorwelle in einem Bereich unterhalb von 500 min^-1, vorzugsweise unterhalb von 200 min^-1, weiter vorzugsweise unterhalb von 100 min^-1, besonders bevorzugt unterhalb von 50 min^-1, und insbesondere bei 0 liegt.

Die Erfindung betrifft in einem weiteren Aspekt ein Steuergerät für ein Brennstoffzellensystem eines Fahrzeugs, insbesondere eines Brennstoffzellensystems nach einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen. Das Steuergerät kann ein dediziertes Steuergerät für einen Verdichter sein, oder ein Steuergerät für die Brennstoffzelle oder ein alleinstehendes Steuergerät. Das Steuergerät kann in andere Steuergeräte hardwaremäßig oder softwaremäßig als Modul implementiert sein, etwa in einem Bremssteuergerät, insbesondere Anhänger- oder Zugfahrzeugbremssteuergerät, einem Verdichtersteuergerät, oder der Brennstoffzellensteuerung. Mit anderen Worten kann das Steuergerät auch als ein solches vorbezeichnetes Gerät ausgebildet sein. Das Steuergerät ist dazu eingerichtet das Verfahren nach einer der vorstehend beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen auszuführen, und weist beispielsweise dazu einen Datenspeicher auf, in dem Befehle zur Ausführung des Verfahrens der vorstehend beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen hinterlegt sind, und einen Prozessor, der dazu eingerichtet ist, mittels der im Datenspeicher hinterlegten Befehle das Verfahren nach einer der vorstehend beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen auszuführen. Die Vorteile und bevorzugten Ausführungsformen des Brennstoffzellensystems, des Fahrzeugs und des Verfahrens sind zugleich Vorteile und bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Steuergeräts und umgekehrt, weswegen zur Vermeidung von Wiederholungen wiederum auf die obigen Ausführungen verwiesen wird.
Schließlich betrifft die Erfindung in einem weiteren Aspekt ein Computerprogrammprodukt. Die Erfindung löst diesbezüglich die eingangs bezeichnete Aufgabe, indem das Computerprogrammprodukt Befehle enthält, die, wenn sie auf einem Computer ausgeführt werden, den Computer veranlassen, ein Steuergerät nach einer der vorstehend beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen zu bilden und/oder das Verfahren nach einer der vorstehend beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen auszuführen. Das Computerprogrammprodukt kann auf einem computerlesbaren Medium oder in herunterladbarer Form vorliegen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren näher beschrieben.
Hierbei zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems nach einem bevorzugten Ausführungsbeispiel, und
2 eine schematische Darstellung eines Verfahrens zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel.

In 1 ist ein Brennstoffzellensystem 100 dargestellt. Zur besseren Anschaulichkeit sind nur die für die Erfindung und für denen Verständnis relevanten Komponenten dargestellt. Es soll verstanden werden, dass das Brennstoffzellensystem diverse weitere Komponenten zu seiner ordnungsgemäßen Funktionsweise benötigen kann und regelmäßig aufweist. Das hier gezeigte Brennstoffzellensystem 100 funktioniert im Wesentlichen wie vorbekannte Brennstoffzellensysteme mit Ausnahme der hier geschilderten Erfindungsaspekte.
Das Brennstoffzellensystem 100 weist eine Brennstoffzelle 101 auf. Die Brennstoffzelle 101 weist eine kathodenseitige Sauerstoffzufuhr 102 und eine anodenseitige Wasserstoffzufuhr 104 auf. Die anodenseitige Wasserstoffzufuhr 104 ist in nicht dargestellter Weise mit einer Wasserstoffversorgung fluidleitend verbunden. Die kathodenseitige Sauerstoffzufuhr 102 ist fluidleitend mit einem Verdichter 1 verbunden. Der in 1 gezeigte Verdichter 1 weist wenigstens eine Verdichterstufe 2 auf. Der Verdichter 1 kann auch als mehrstufiger Verdichter ausgebildet sein, für das Verständnis der Erfindung genügt aber die Erläuterung nur einer Verdichterstufe.
Die Verdichterstufe 2 ist fluidleitend mit einer Sauerstoffzufuhr 4 verbunden und dazu eingerichtet, dass ihr zugeführte Gas oder Stoffgemisch, üblicherweise Luft, zu verdichtet und mit erhöhtem Druck in Richtung der Brennstoffzelle 101 abzugeben.
Der Verdichter 1 weist zum Betrieb der Verdichterstufe 2 einen Elektromotor 3 mit einem Stator 5 und einem Rotor 7 auf. Der Rotor 7 ist mit einer Rotorwelle 9 gekoppelt, welche von dem Elektromotor 3 rotatorisch angetrieben wird. Der Elektromotor 3 ist beispielsweise mittels einer Leistungselektronik 8 anzusteuern.
Die Rotorwelle 9 ist mittels einer Lageranordnung 11 rotatorisch in einem Verdichtergehäuse 10 gelagert, wobei die Lageranordnung 11 wenigstens ein aerodynamisch-aerostatisches Axiallager 11a sowie zwei aerostatische Radial-Luftlager 11b aufweist. Ferner weist die Lageranordnung 11 zwei aerodynamische Radial-Luftlager 11c auf.
Wenigstens die radialen Luftlager 11b, 11c weisen jeweils einen Lagerspalt 13 auf, der bei stillstehender Rotorwelle 9 nicht vollständig umlaufend ausgebildet ist, sondern zumindest punktuell durch ein Anliegen der Rotorwelle 9 oder entsprechend an der Rotorwelle angeordneter Lagerschalen an den jeweils korrespondierenden Teilen der Luftlager 11a, b, c unterbrochen ist. Die aerostatischen Radial-Luftlager 11b und die aerodynamischen Radial-Luftlager 11c sind jeweils über eine Spurscheibe 15 mit Entlüftungsöffnungen voneinander beabstandet.
In die Lagerspalte 13 mündet jeweils ein Luftlager-Strömungspfad 17, der über eine am Verdichtergehäuse 10 angeordnete Schnittstelle 19 mit einer Druckluftversorgung 200 fluidleitend verbindbar ist, um dem Luftlager-Strömungspfad druckbeaufschlagte Luft L zur Verfügung zu stellen. Die Druckluftversorgung 200 kann eine dedizierte Druckluftversorgung sein mit einem Druckspeicher und/oder einem Kompressor (beide nicht dargestellt). Die Druckluftversorgung 200 ist besonders bevorzugt in ein Druckluftversorgungssystem des Fahrzeugs 300 integriert, beispielsweise mit einem eigenen Kompressor (nicht dargestellt) und einer eigenen Luftaufbereitungseinrichtung (nicht dargestellt). Das Druckluftversorgungssystem ist beispielsweise zur Versorgung der Fahrzeugbremse und ggf. weiterer Systeme wie etwa einer Luftfederung, einem Getriebe etc. vorgesehen und dazu einen oder mehrere Druckluftkreise 201 aufweisen. Das Brennstoffzellensystem kann dadurch beispielsweise druckbeaufschlagte Luft L aus einem Druckluftkreis 203 für nicht sicherheitsrelevante Nebenverbraucher entnehmen. Diesbezüglich wird auf die obigen Ausführungen im allgemeinen Teil verwiesen.
Der Luftlager-Strömungspfad 17 weist stromaufwärts der Schnittstelle 19 einen Filter 27 auf, welcher beispielsweise ein Ölfilter 27a oder ein Partikelfilter 27b sein kann (im Folgenden zusammenfassend 27). Mithilfe des Filters 27 wird sichergestellt, dass technisch reine Luft, vor allem ölfreie Luft, in den Verdichter 1 gelangen kann, Verschmutzungen und Verunreinigungen, insbesondere Öl, aber vom Eindringen in den Verdichter 1 abgehalten werden.
In dem Luftlager-Strömungspfad 17 ist vorzugsweise ferner ein Absperrorgan 21 angeordnet, im Ausführungsbeispiel zwischen der Schnittstelle 19 und dem Filter 27. Das Absperrorgan 21 ist dazu eingerichtet, selektiv zwischen einer Öffnungsstellung und einer Sperrstellung hin- und her geschaltet zu werden, wobei in der Sperrstellung ein Fluidstrom durch den Luftlager-Strömungspfad 17 in die Lagerspalte 13 unterbunden und in der Öffnungsstellung freigegeben ist.
Ferner ist im Luftlager-Strömungspfad 17 vorzugsweise ein Sensor 23 angeordnet. Der Sensor 23 kann beispielsweise als Massenstromsensor 23a zum Erfassen eines Massenstroms m, oder als Drucksensor 23b zum Erfassen eines Drucks p_L ausgebildet sein.
Das Brennstoffzellensystem 100 weist ein Steuergerät 103 auf. Das Steuergerät 103 kann ein dediziertes Steuergerät, ein (Teil eines) Bremssteuergerät(s) 103a, Verdichtersteuergerät(s) 103b oder der Brennstoffzellensteuerung 103c sein. Insoweit wird wiederum auf die obigen Ausführungen im allgemeinen Teil verwiesen und im Folgenden zusammenfassend das Bezugsszeichen 103 verwendet.
Der Verdichter 1 weist einen Kontaktsensor 25 auf, der im gezeigten Ausführungsbeispiel an einem mit der Rotorwelle 9 rotierenden Teil 9a, beispielsweise eines der aerodynamischen Radial-Luftlager 11c, ausgebildet ist, um das Abheben des mit der Rotorwelle 9 bewegten rotierenden Teils 9a, beispielsweise einer Lagerinnenschale, von einem gehäuseseitigen stehenden Teil 10a, beispielsweise einer Lageraußenschale, zu überwachen. Der Kontaktsensor 25 ist vorzugsweise wie vorstehend im allgemeinen Teil beschrieben ausgebildet.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist das Steuergerät 103 signalleitend mit der Brennstoffzelle 101 verbunden, um bedarfsabhängig den Verdichter 1 zum Zuführen von Sauerstoff zur Kathodenseite der Brennstoffzelle 101 anzusteuern.
Das Steuergerät 103 ist signalleitend mit dem Elektromotor 3, etwa über die Leistungselektronik 8, verbunden und dazu eingerichtet, den Elektromotor 3 zum Antreiben der Rotorwelle 9 für eine von der Brennstoffzelle 101 benötigte Verdichtungsleistung der Verdichterstufe 2 anzusteuern. Die Leistungselektronik 8 umfasst vorzugsweise einen Inverter.
Das Steuergerät 103 ist ferner mit dem Absperrorgan 21 signalleitend verbunden und dazu eingerichtet, das Absperrorgan 21 in Abhängigkeit der Ansteuerung des Elektromotors 3 zu öffnen und zu sperren.
Das Steuergerät 103 ist ferner mit dem Sensor 23 signalleitend verbunden und dazu eingerichtet, von dem Sensor 23 Signale zu erhalten und zu verarbeiten, welche repräsentativ für das Vorliegen einer Einschaltbedingung für den Elektromotor 3 sind. Ist der Sensor 23 als Massenstromsensor ausgebildet, ist zweckmäßigerweise die Einschaltbedingung das Fördern einer vorbestimmten Menge an Luft in die Lagerspalte 13 hinein. Bei Verwendung eines Drucksensors ist die Einschaltbedingung entsprechend das Erreichen eines vorbestimmten Drucks.
Alternativ oder zusätzlich ist, bei Vorhandensein des Kontaktsensors 25, das Steuergerät 103 signalleitend mit dem Kontaktsensor 25 verbunden und dazu eingerichtet, von dem Kontaktsensor 25 repräsentative Signale darüber zu empfangen und zu verarbeiten, ob die Rotorwelle 9 doch an den entsprechenden Lagerschalen aufliegt, oder abgehoben ist, was durch den Kontaktsensor 25 überwacht wird. Auch dieses Signal ist repräsentativ für das Vorliegen einer Einschaltbedingung für den Elektromotor 3.
Die Funktionsweise des Brennstoffzellensystems 100 wird nachfolgend auch unter Bezugnahme auf 2 näher beschrieben.
Zu Beginn wird in Schritt 301 ein Startbefehl erteilt, der einem Startwunsch für die Zulieferung vom Sauerstoff zur Kathodenseite der Brennstoffzelle 101 repräsentativ ist, also repräsentativ für einen gewünschten Antriebsbeginn des Verdichters 1 ist.
Das Steuergerät 103 steuert das Absperrorgan 21 an, um in Schritt 303 das Fördern von Druckluft in die Lagerspalte 13 auszulösen.
In einem Schritt 305, entweder zeitgleich mit Schritt 303 oder im Anschluss an Schritt 303, steuert das Steuergerät 103 den Elektromotor 3, vorzugsweise über die Leistungselektronik 8, dazu an, die Rotorwelle 9 in Rotation zu versetzen, um die über die Zufuhr 4 eintretende Luft zu verdichten in der Verdichterstufe 2. Die Ansteuerung des Elektromotors 3 ist davon abhängig, ob eine Einschaltbedingung S1 eintritt oder nicht. Als Einschaltbedingung S1 kommen beispielsweise eine vorbestimmte, im Steuergerät 103 hinterlegte Zeitdauer t nach dem Öffnen des Absperrorgans 21 in Schritt 303, oder ein in einem Schritt 302a erfasstes repräsentatives Massenstromsignal, und/oder ein in einem Schritt 302b erfasstes Drucksignal, oder ein in einem Schritt 302c erfasstes Kontakt(unterbrechungs-)signal und dessen Meldung jeweils von einem der Sensoren 23, 25 an das Steuergerät 103 dahingehend, dass die Rotorwelle 9 nun gefahrlos gestartet werden kann, weil davon auszugehen ist, dass die Rotorwelle 9 einen Schwebezustand erreicht hat, in Frage. Die Rotorwelle 9 wird vom Elektromotor 3 angetrieben und dreht sich immer schneller, bis eine von dem Steuergerät 103 angewiesene Drehzahl no erreicht ist.
Das Steuergerät 103 steuert in Schritt 307 dann erneut das Absperrorgan 21 an und bringt dieses in die Sperrstellung. Das Einleiten der Sperrstellung in Schritt 307 ist davon abhängig, ob ein Sperrkriterium S2 eintritt. Als Sperrkriterium S2 kann beispielsweise ein vom Elektromotor 3 bzw. der mit dem Elektromotor 3 gekoppelte Leistungselektronik 8 in einem Schritt 306 erfasstes und an das Steuergerät 103 geliefertes Signal über die Drehzahl n₀, insbesondere Abhebedrehzahl n sein. Ist beispielsweise eine im Steuergerät 103 hinterlegte Abhebedrehzahl n erreicht, kann in dem Schritt 307 die Druckluftzufuhr im Luftlager-Strömungspfad 17 gefahrlos mittels Sperren des Absperrorgans 21 abgestellt werden, weil sich in dem Lagerspalt 13 ein umlaufender Luftspalt S_L ausgebildet hat und die aerodynamischen Luftlager 11c die Rotorwelle 9 in der Schwebe halten können, ohne dass zusätzliche Luft L zugeführt werden muss.
Der Verdichter 1 kann nun stabil betrieben werden. Es kommt nicht zu nennenswertem Verschleiß der aerodynamischen Lager 11c oder der aerostatischen Lager 11a, b.
Soll der Betrieb des Verdichters 1 abgestellt werden, ergeht in Schritt 309 ein Abschaltbefehl, woraufhin der Elektromotor 3 in Schritt 311 entsprechend zum Verringern seiner Drehzahl no bis hin zum Stillstand angesteuert wird. Während sich ausgehend von Schritt 311 die Drehzahl der Rotorwelle 9 des Verdichters 1 also stetig verringert, steuert das Steuergerät 103 in Schritt 313 das Absperrorgan 21 wiederum an, um jenes in die Öffnungsstellung zu bringen und erneut Luft in die Lagerspalte 13 zu fördern. Das Öffnen des Absperrorgans 21 ist davon abhängig, ob ein Freigabekriterium S3 eintritt. Das Freigabekriterium S3 kann beispielsweise vorliegen, wenn von dem Elektromotor 3 bzw. der Leistungselektronik 8 ausgehend ein Signal in einem Schritt 312 erfasst und ausgegeben wird, welches repräsentativ dafür ist, dass die Motordrehzahl bzw. die Drehzahl no der Rotorwelle 9 sich der Abhebedrehzahl n nähert oder diese erreicht. Durch das erneute Freigeben des Luftlager-Strömungspfades 17 mittels Öffnen des Absperrorgans 21 wird eine Abstützung der Rotorwelle 9 ermöglicht, bevor diese sich bei Unterschreiten der Abhebedrehzahl n absetzen und Verschleiß erzeugen kann.
Die Drehzahl der Rotorwelle 9 kann nun ohne weiteren Schaden bzw. Verschleiß an den Lagern weiter in Richtung Stillstand abgesenkt werden. So kann schließlich in einem Schritt 315 auch das Absperrorgan 21 wieder vom Steuergerät 103 angesteuert und in die Sperrstellung versetzt werden. Das erneute Sperren des Absperrorgans 21 ist davon abhängig, ob ein Sperrkriterium S4 eintritt. Das Sperrkriterium S4 ist beispielsweise gegeben, wenn in einem Schritt 314 ein repräsentatives Signals vom Elektromotor 3 bzw. von der Leistungselektronik 8 erfasst und an das Steuergerät 103 übermittelt wird darüber, dass die Drehzahl no der Rotorwelle 9 eine kritische Drehzahl unterschritten hat, unterhalb derer selbst bei einem Kontaktieren der rotierenden und stehenden Teile 9a,10a miteinander kein oder kaum Verschleiß auftritt.
Im Anschluss daran ist der Steuerablauf in Schritt 317 beendet.
Bezugszeichenliste

1: Verdichter
2: Verdichterstufe
3: Elektromotor
4: Sauerstoffzufuhr
5: Stator
7: Rotor
8: Leistungselektronik
9: Rotorwelle,
9a: rotierender Teil
10: Verdichtergehäuse,
10a: stehender Teil
11: Lageranordnung
11a: aerostatisches Axiallager
11b: aerostatische Radial-Luftlager
11c: aerodynamische Radial-Luftlager
13: Lagerspalt
15: Spurscheibe
17: Luftlager-Strömungspfad
19: Schnittstelle
21: Absperrorgan
23: Sensor:
23a: Massenstromsensor,
23b: Drucksensor;
25: Kontaktsensor
27: Filter:
27a: Ölfilter
27b: Partikelfilter;
100: Brennstoffzellensystem
101: Brennstoffzelle
102: kathodenseitige Sauerstoffzufuhr
103: Steuergerät:
103a: Verdichtersteuergerät
103b: Bremssteuergerät
103c: Brennstoffzellensteuergerät;
104: anodenseitige Wasserstoffzufuhr
200: Druckluftversorgung
201: Druckluftkreis
203: Druckluftkreis für nicht sicherheitsrelevante Nebenverbraucher
300: Fahrzeug301-317 Schritte des Verfahrens:
301: Übermitteln eines Startbefehls bei gewünschtem Antriebsbeginn
302,: Erfassen einer Einschaltbedingung:
302a: in Form eines Massenstroms,
302b: in Form eines Drucks,
302c: in Form einer Kontaktunterbrechung,
303, 313: Öffnen des Absperrorgans
305: Ansteuern des Elektromotors, Beginn
306: Erfassen eines Sperrkriteriums
309: gewünschter Antriebsstopp
307, 315: Sperren des Absperrorgans
311: Ansteuern des Elektromotoes, Ende
312: Erfassen eines Freigabekriteriums
317: Ende
no: Drehzahl
n: Abhebedrehzahl
m: Massenstrom
pL: Druck
SL: Luftspalt
t: vorbestimmte Zeitdauer
L: Luft
S1: Einschaltbedingung
S2: Sperrkriterium
S3: Freigabekriterium
S4: Sperrkriterium

Claims

Brennstoffzellensystem (100) zum Antrieb eines Fahrzeugs (300), insbesondere Nutzfahrzeugs, mit einem Verdichter (1), insbesondere Turboverdichter, zur kathodenseitigen Luftversorgung einer Brennstoffzelle (101), wobei der Verdichter (1) einen Elektromotor (3) aufweist, eine Rotorwelle (9), die mit dem Elektromotor (3) wirkverbunden ist, um mittels des Elektromotors (3) rotatorisch angetrieben zu werden, und eine Lageranordnung (11) aufweist, welche die Rotorwelle (9) drehbar in dem Verdichter (1) lagert, wobei die Lageranordnung (11) zumindest ein Luftlager (11a,11b,11c) mit einem Lagerspalt (13) aufweist, das die Rotorwelle (9) spaltbehaftet in dem Verdichter (1) lagert und dazu eingerichtet ist, bei Erreichen oder Überschreiten einer vorbestimmten Abhebedrehzahl (n) der Rotorwelle (9) einen umlaufenden Luftspalt (S_L) auszubilden, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichter (1) einen Luftlager-Strömungspfad (17) aufweist, welcher in den Lagerspalt (13) mündet und eine Schnittstelle zur fluidleitenden Verbindung mit einer Druckluftversorgung (200) aufweist, und das Brennstoffzellensystem (100) ferner - ein ansteuerbares Absperrorgan (21), welches in dem Luftlager-Strömungspfad (17) zwischen der Druckluftversorgung (200) und dem Lagerspalt (13) angeordnet und dazu eingerichtet ist, den Luftlager-Strömungspfad (17) selektiv zu sperren und zu öffnen, und - ein Steuergerät (103) aufweist, welches signalleitend mit dem Elektromotor (3) zu dessen Ansteuerung und mit dem Absperrorgan (21) verbunden und dazu eingerichtet ist, in Abhängigkeit voneinander das Absperrorgan (21) zu öffnen und zu sperren und den Elektromotor (3) anzusteuern.
Brennstoffzellensystem (100) nach Anspruch 1, wobei das Steuergerät (103) dazu eingerichtet ist, den Elektromotor (3) bei einem gewünschten Antriebsbeginn zeitgleich mit einem Öffnen (303) des Absperrorgans (21) zum Antreiben der Rotorwelle (9) anzusteuern.
Brennstoffzellensystem (100) nach Anspruch 1, wobei das Steuergerät (103) dazu eingerichtet ist, bei einem gewünschten Antriebsbeginn der Rotorwelle (9) zuerst das Absperrorgan (21) zu öffnen, und erst anschließend den Elektromotor (3) zum Antrieb der Rotorwelle (9) anzusteuern.
Brennstoffzellensystem (100) nach Anspruch 3, wobei das Steuergerät (103) dazu eingerichtet ist, den Elektromotor (3) erst nach Ablauf einer vorbestimmten Zeitdauer (t) im Anschluss an das Öffnen (303) des Absperrorgans (21) anzusteuern.
Brennstoffzellensystem (100) Anspruch 3 oder 4, wobei dem Luftlager-Strömungspfad (17) ein Massenstromsensor (23a) zugeordnet ist, und das Steuergerät (103) signalleitend mit dem Massenstromsensor (23a) verbunden und dazu eingerichtet ist, den Elektromotor (3) erst anzusteuern, nachdem eine vorbestimmte Menge (m) Druckluft (L) in den Lagerspalt (13) gefördert worden ist.
Brennstoffzellensystem (100) nach einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei dem Luftlager-Strömungspfad (17) ein Drucksensor (23b) zugeordnet ist, und das Steuergerät (103) signalleitend mit dem Drucksensor (23b) verbunden und dazu eingerichtet ist, den Elektromotor (3) erst anzusteuern, nachdem ein vorbestimmter Druck (p_L) erreicht worden ist.
Brennstoffzellensystem (100) nach einem der Ansprüche 3 bis 6, wobei ein rotierender Teil (9a) und ein stehender Teil (10a) des Verdichters (1) mit einem Kontaktsensor (25) wirkverbunden sind, der dazu eingerichtet ist, ein Abheben des rotierenden Teils (9a) von dem stehenden Teil (10a) zu erkennen, und das Steuergerät (103) signalleitend mit dem Kontaktsensor (25) verbunden und dazu eingerichtet ist, den Elektromotor (3) erst anzusteuern, nachdem der Kontaktsensor (25) ein Abheben des rotierenden Teils (9a) erkannt hat.
Brennstoffzellensystem (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Steuergerät (103) dazu eingerichtet ist, nach dem Beginn (305) der Ansteuerung des Elektromotors (3) das Absperrorgan (21) erst wieder zu sperren, wenn die Rotorwelle (9) die Abhebedrehzahl (n) erreicht oder überschritten hat.
Brennstoffzellensystem (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Steuergerät (103) dazu eingerichtet ist, das Absperrorgan (21) bei einem gewünschten Antriebsstopp (309) des Elektromotors (3) zu öffnen, bevor die Abhebedrehzahl (n) unterschritten wird.
Brennstoffzellensystem (100) nach Anspruch 9, wobei das Steuergerät (103) dazu eingerichtet ist, das Absperrorgan (21) erst dann zu sperren, wenn die Drehzahl (no) der Rotorwelle (9) in einem Bereich unterhalb von 500 min^-1 liegt.
Brennstoffzellensystem (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Luftlager ein Axiallager (11 a) oder ein Radiallager (11b; 11c) ist.
Brennstoffzellensystem (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Luftlager ein aerostatisches Lager (11a, 11b) ist, und die Lageranordnung (11) vorzugsweise ferner zumindest ein aerodynamisches Lager (11c) umfasst.
Brennstoffzellensystem (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei dem Luftlager-Strömungspfad (17) ein Filter (27) zugeordnet ist.
Fahrzeug (300), insbesondere Nutzfahrzeug, mit einem Brennstoffzellensystem (100) zum Antrieb des Fahrzeugs (300), und einer Druckluftversorgung (200), die zur Bereitstellung druckbeaufschlagter Luft (L) (eingerichtet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoffzellensystem (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche ausgebildet ist, und der Luftlager-Strömungspfad (17) derart fluidleitend mit der Druckluftversorgung (200) verbunden ist, dass bei geöffnetem Absperrorgan (21) druckbeaufschlagte Luft (L) in den Lagerspalt (13) strömt.
Fahrzeug (300) nach Anspruch 14, wobei die Druckluftversorgung (200) dazu eingerichtet ist, mehrere Druckluftkreise (201) des Fahrzeugs (300) mit Druckluft zu versorgen, und der Luftlager-Strömungspfad (17) fluidleitend mit einem dieser Druckluftkreise (201) verbunden ist.
Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems (100) eines Fahrzeugs (300), insbesondere Nutzfahrzeugs, wobei das Brennstoffzellensystem (100) insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 13 ausgebildet ist, umfassend die Schritte: - Übermitteln eines Startbefehls (301) an ein Steuergerät (103), wenn ein Antriebsbeginn gewünscht wird; und, in Abhängigkeit voneinander: - Öffnen (303) des Absperrorgans (21) in dem Luftlager-Strömungspfad (17) des Verdichters (1), mittels des Steuergeräts (103), so dass von der Druckluftversorgung (200) aus druckbeaufschlagte Luft (L) in den Lagerspalt (13) gefördert wird, und - Ansteuern (305) des Elektromotors (3) zum Antreiben der Rotorwelle (9), insbesondere mittels des Steuergeräts.
Verfahren nach Anspruch 16, umfassend einen, mehrere oder sämtlich der Schritte: - zeitgleiches Ansteuern (305) des Elektromotors (3) zum Antreiben der Rotorwelle (9), und Öffnen (303) des Absperrorgans (21) zur Druckluftförderung in den Lagerspalt (13), oder zuerst Öffnen (303) des Absperrorgans (21) und erst anschließend Ansteuern (305) des Elektromotors (3) zum Antrieb der Rotorwelle (9); - Ansteuern (305) des Elektromotors (3) erst nach Ablauf einer vorbestimmten Zeitdauer (t) im Anschluss an das Öffnen (303) des Absperrorgans (21); - Erfassen (302a) des durch den Luftlager-Strömungspfad (17) geförderten Massenstroms (m), und Ansteuern des Elektromotors (3) erst nachdem eine vorbestimmte Menge Druckluft (L) in den Lagerspalt (13) gefördert worden ist, - Erfassen (302b) des in dem Luftlager-Strömungspfad (17) anliegenden Drucks, und Ansteuern (305) des Elektromotors (3) erst nachdem ein vorbestimmter Druck (p_L) erreicht worden ist, - Erkennen (302c) des Abhebens eines rotierenden Teils (9a) von einem stehenden Teil (10a) des Verdichters (1), und Ansteuern (305) des Elektromotors (3) erst nachdem das Abheben des rotierenden Teils (9a) erkannt worden ist; - Sperren (307) des Absperrorgans (21) nach dem Beginn des Ansteuerns (305) des Elektromotors (3) erst dann wieder, wenn die Rotorwelle (9) die Abhebedrehzahl (n) erreicht oder überschritten hat; - Öffnen (313) des Absperrorgans (21) bei einem gewünschten Antriebsstopp (309) des Elektromotors (3), bevor die Abhebedrehzahl (n) unterschritten wird; und/oder - Sperren (315) des Absperrorgans (21) erst dann, wenn die Drehzahl (no) der Rotorwelle (9) in einem Bereich unterhalb von 500 min^-1 liegt.
Steuergerät (103) für ein Brennstoffzellensystem (100) eines Fahrzeugs (300), insbesondere eines Brennstoffzellensystems (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (103) dazu eingerichtet ist, das Verfahren nach Anspruch 16 oder 17 auszuführen.
Computerprogrammprodukt enthaltend Befehle, die, wenn sie auf einem Computer ausgeführt werden, den Computer veranlassen, ein Steuergerät (103) nach Anspruch 18 zu bilden und/oder das Verfahren nach Anspruch 16 oder 17 auszuführen.