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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines elektromotorisch angetriebenen, luftgelagerten Luftverdichters in einem Luftsystem zur Versorgung eines Brennstoffzellenstapels eines mobilen Brennstoffzellensystems mit Luft als Kathodengas. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Steuergerät, das dazu eingerichtet ist, Schritte des Verfahrens auszuführen.
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Stand der Technik
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Wasserstoffbasierte Brennstoffzellen gelten als Mobilitätskonzept der Zukunft, da sie lediglich Wasser als Abgas emittieren und schnelle Betankungszeiten ermöglichen. Die bei der elektrochemischen Reaktion in den Brennstoffzellen ferner erzeugte Wärme kann mittels eines Kühlkreises abgeführt und über den Hauptfahrzeugkühler an die Umgebung abgegeben werden.
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Die elektrochemische Reaktion in den Brennstoffzellen benötigt neben Wasserstoff auch Sauerstoff als Reaktionsgas, wobei üblicherweise Umgebungsluft als Sauerstofflieferant genutzt wird. Die Luft wird den Brennstoffzellen mittels eines Luftverdichtungssystems mit einem elektromotorisch angetriebenen Luftverdichter zugeführt, da die elektrochemische Reaktion einen bestimmten Luftmassenstrom sowie ein bestimmtes Druckniveau erfordert. Zum Einsatz gelangen luftgelagerte Luftverdichter, da die den Brennstoffzellen zugeführte Luft ölfrei sein muss. Luftlager ermöglichen einen nahezu reibungslosen und damit verschleißfreien Betrieb oberhalb einer bestimmten Drehzahl. Wird diese jedoch unterschritten, beispielsweise beim Anlaufen, ist der Verschleiß hoch. Gleiches gilt bei Stillstand des Luftverdichters, wenn dieser währenddessen einer externen Beanspruchung, beispielsweise durch Stöße und/oder Schwingungen, ausgesetzt ist.
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Dies kann insbesondere der Fall sein, wenn sich das Fahrzeug bei hohen Geschwindigkeiten mit ausgeschaltetem Brennstoffzellensystem bewegt oder bei ausgeschaltetem Brennstoffzellensystem bewegt bzw. transportiert wird.
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Die vorliegende Erfindung ist mit der Aufgabe befasst, den Lagerverschleiß eines Luftverdichters in einem Luftsystem eines mobilen Brennstoffzellensystems zu mindern. Auf diese Weise soll die Lebensdauer des Luftverdichters erhöht werden.
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Zur Lösung der Aufgabe wird das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen. Ferner wird ein Steuergerät vorgeschlagen.
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Offenbarung der Erfindung
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Vorgeschlagen wird ein Verfahren zum Betreiben eines elektromotorisch angetriebenen, luftgelagerten Luftverdichters in einem Luftsystem zur Versorgung eines Brennstoffzellenstapels eines mobilen Brennstoffzellensystems mit Luft als Kathodengas. Bei dem Verfahren wird außerhalb des Betriebs des Brennstoffzellensystems in einer lagerverschleißkritischen Situation der Luftverdichter gestartet und mit einer Drehzahl betrieben, die zum Aufbau eines Luftlagers führt.
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Das Verfahren wird bei Stillstand des Brennstoffzellensystems durchgeführt, das heißt bei stillstehendem Luftverdichter. Bei einem Stillstand des Luftverdichters kontaktieren die relativ zueinander beweglichen Lagerteile einander, so dass bei einer externen Beanspruchung, wie beispielsweise durch einen Stoß, die Lagerteile im Kontaktbereich einem erhöhten Verschleiß unterliegen. Die Erfindung schlägt daher den Aufbau eines Luftlagers durch Starten des Luftverdichters bei an sich stillstehendem Brennstoffzellensystem vor. Das Luftlager verhindert einen Kontakt der relativ zueinander beweglichen Lagerteile, so dass diese bei einer externen Beanspruchung nicht auf Verschleiß beansprucht werden. In der Folge erhöht sich die Lebensdauer des Luftverdichters. Zugleich kann eine Kostenreduzierung bewirkt werden, da weniger verschleißmindernde Maßnahmen, beispielsweise in Form einer verschleißmindernden Beschichtung, erforderlich sind. Ferner können gröbere Fertigungstoleranzen toleriert werden.
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Die Drehzahl, die zum Aufbau eines Luftlagers benötigt wird, wird in der Regel als Mindestdrehzahl bezeichnet. Der Luftverdichter wird demnach bei der Durchführung des Verfahrens bevorzugt mit der Mindestdrehzahl betrieben.
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Bevorzugt wird vor dem Starten des Luftverdichters das Luftsystem entdrosselt und die Luftzufuhr zum Brennstoffzellenstapel wird durch Schließen mindestens eines Absperrventils gesperrt. Auf diese Weise werden der Druckverlust im Luftpfad des Luftsystems und somit der Leistungsbedarf des Luftverdichters minimiert. Durch Schließen des mindestens einen Absperrventils werden zudem die in Anwesenheit von Luft bedingten Degradationsmechanismen im Brennstoffzellenstapel unterbunden.
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Die zum Starten des Luftverdichters erforderliche elektrische Energie wird vorzugsweise einer Batterie, insbesondere einer Hochvolt-Batterie, entnommen. Der Luftverdichter kann somit unabhängig vom Brennstoffzellensystem gestartet werden. Während der Durchführung des Verfahrens kann somit das Brennstoffzellensystem weiterhin stillstehen.
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Mit Erkennen der Beendigung der lagerverschleißkritischen Situation kann der Luftverdichter abgeschaltet werden. Auf diese Weise kann elektrische Energie eingespart werden, so dass das Verfahren möglichst energieeffizient durchführbar ist.
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Um eine lagerverschleißkritische Situation zu erkennen, können Positionsdaten eines das Brennstoffzellensystem aufweisenden Fahrzeugs erfasst und mit dem aktuellen Fahrmodus des Fahrzeugs verglichen werden. Ergibt der Vergleich, dass sich das Fahrzeug bewegt, obwohl der Motor abgestellt ist, kann hieraus geschlossen werden, dass das Fahrzeug bewegt bzw. transportiert wird. In diesem Fall besteht die Gefahr eines erhöhten Lagerverschleißes des Luftverdichters aufgrund externer Beanspruchung. Eine lagerverschleißkritische Situation kann ferner gegeben sein, wenn sich das Fahrzeug bei laufendem Motor aber stillstehenden Brennstoffzellensystem mit hoher Geschwindigkeit bewegt. Auch diese Situation ist durch Vergleich der Positionsdaten mit dem aktuellen Fahrmodus erkennbar.
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Für den Vergleich können insbesondere Positionsdaten eines Ortungs- und/oder Navigationssystems des Fahrzeugs genutzt werden. Da heutige Fahrzeuge in der Regel mit einem entsprechenden System ausgestattet sind, stehen geeignete Positionsdaten zur Verfügung.
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Alternativ oder ergänzend wird vorgeschlagen, dass zum Erkennen einer lagerverschleißkritischen Situation Bewegungsdaten eines das Brennstoffzellensystem aufweisenden Fahrzeugs erfasst und mit dem aktuellen Fahrmodus des Fahrzeugs verglichen werden. Ergeben die Bewegungsdaten, dass sich das Fahrzeug bei zugleich stillstehendem Motor bewegt, kann hieraus wiederum geschlossen werden, dass das Fahrzeug bewegt bzw. transportiert wird. Ferner kann erkannt werden, ob sich das Fahrzeug bei laufendem Motor aber stillstehenden Brennstoffzellensystem mit hoher Geschwindigkeit bewegt. Die erforderlichen Bewegungsdaten können insbesondere mit Hilfe von Bewegungssensoren des Fahrzeugs erfasst werden. Derartige Bewegungssensoren sind üblicherweise vorhanden, so dass auch diese Daten zur Verfügung stehen und der Auswertung zu Grunde gelegt werden können.
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Vorteilhafterweise wird eine steuergeräte- oder cloudbasierte Funktion zum Erkennen einer lagerverschleißkritischen Situation verwendet. Das Verfahren kann somit automatisiert werden. Sofern eine steuergerätebasierte Funktion verwendet wird, liegt der Vorteil insbesondere darin, dass dem Steuergerät die notwendigen Informationen bzw. Daten, beispielsweise die Daten, die Aufschluss über den aktuellen Fahrmodus geben, bereits vorliegen. Bei Verwendung einer cloudbasierten Funktion kann die Durchführung des Verfahrens extern gesteuert werden, beispielsweise durch den OEM oder den Fahrzeugbesitzer, der bei einem Transport seines Fahrzeugs nicht dabei sein kann.
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Zur Lösung der eingangs genannten Aufgabe wird daher ferner ein Steuergerät vorgeschlagen, dass dazu eingerichtet ist, Schritte eines erfindungsgemäßen Verfahrens auszuführen. Mit Hilfe des Steuergeräts kann zunächst festgestellt werden, ob das Brennstoffzellensystem ausgeschaltet ist. Denn Voraussetzung für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist, dass das Brennstoffzellensystem und damit der Luftverdichter des Luftsystems des Brennstoffzellensystems inaktiv ist. Denn nur dann kann eine verschleißkritische Situation aufgrund eines nicht aufgebauten Luftlagers auftreten.
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Mit Hilfe des Steuergeräts können ferner Positions- und/oder Bewegungsdaten des Fahrzeugs sowie Daten, die Aufschluss über den aktuellen Fahrmodus des Fahrzeugs geben, ausgewertet bzw. verglichen werden. Das heißt, dass das Steuergerät zum Erkennen einer lagerverschleißkritischen Situation eingesetzt werden kann. Wird eine lagerverschleißkritische Situation erkannt, kann mit Hilfe des Steuergeräts zudem der Luftverdichter gestartet werden, so dass ein Luftlager aufgebaut wird, dass einem Lagerverschleiß entgegenwirkt.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines mobilen Brennstoffzellensystems zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens und
- 2 ein Blockschaltbild zur Darstellung des Ablaufs eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt ein Fahrzeug mit einem Elektromotor 8, der über eine Batterie 7 mit elektrischer Energie versorgt wird. Zur Erzeugung der elektrischen Energie weist das Fahrzeug ein Brennstoffzellensystem 4 mit einem Brennstoffzellenstapel 3 auf.
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Der Brennstoffzellenstapel 3 wird über ein Luftsystem 2 mit Luft als Sauerstofflieferant versorgt. Die Luft wird der Umgebung entnommen und über einen Luftfilter 9 einem Luftverdichters 1 zugeführt. Die mit Hilfe des Luftverdichters 1 verdichtete Luft wird dann über einen Zuluftpfad 10, in den vorliegend ein Wärmetauscher 11 integriert ist, dem Brennstoffzellenstapel 3 zugeführt. Die aus dem Brennstoffzellenstapel 3 austretende Abluft wird über einen Abluftpfad 12 abgeführt. Zur Umgehung des Brennstoffzellenstapels 3 ist ein Bypasspfad 13 mit integriertem Bypassventil 14 vorgesehen. Zum Absperren des Brennstoffzellenstapels 3 vom Luftsystem 2, ist im Zuluftpfad 10 sowie im Abluftpfad 12 jeweils ein Absperrventil 5, 6 vorgesehen.
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Der ferner benötigte Wasserstoff wird in einem Tank 15 bevorratet und mit Hilfe eines Dosierventils 16 in einen Anodenkreis 17 eindosiert. Aus dem Brennstoffzellenstapel 3 austretender abgereicherter Wasserstoff wird mit Hilfe eines Gebläses 18 sowie eine Saugstrahlpumpe 19 rezirkuliert. Zuvor wird ein Flüssigwasseranteil mit Hilfe eines Wasserabscheiders 20 abgeschieden und in einem Behälter 21 gesammelt. Zum Entleeren des Behälters 21 ist ein Drainventil 22 vorgesehen, das bei vollem Behälter 21 geöffnet wird. Zum Entfernen von Stickstoff aus dem Anodenkreis 17 kann ein Purgeventil 23 geöffnet werden.
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Da bei dem elektrochemischen Prozess in den Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels 3 Wärme anfällt, ist der Brennstoffzellenstapel 3 an einen Kühlkreis 24 angeschlossen. Dieser führt die Werra an einen Fahrzeug 25 ab.
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Die dem Brennstoffzellenstapel 3 zugeführte verdichtete Luft muss ölfrei sein, um Schäden an den Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels 3 zu verhindern. Der Luftverdichter 1 weist daher luftgeschmierte Lager bzw. Luftlager auf. Bei stillstehendem Brennstoffzellensystem 3 und damit stillstehendem Luftverdichter 1 ist kein umlaufendes Luftlager aufgebaut, so dass die relativ zueinander beweglichen Lagerteile einander kontaktieren. Wird der Luftverdichter 1 zugleich extern beansprucht, beispielsweise durch Stöße oder Schwingungen, besteht eine lagerverschleißkritische Situation. Das Erkennen einer solchen Situation triggert die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Dieses wird nachfolgend anhand der 2 näher erläutert.
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In Schritt 100 wird demnach zunächst eine lagerverschleißkritische Situation erkannt. Dies führt in Schritt 200 dazu, dass das Luftsystem 2 entdrosselt und die Absperrventile 5, 6 geschlossen werden. Anschließend wird in Schritt 300 der Luftverdichter 1 gestartet, wobei die benötigte elektrische Energie der Batterie 7 entnommen wird. In Schritt 400 wird die Drehzahl des Luftverdichters 1 auf die Mindestdrehzahl eingestellt, so dass es zum Aufbau eines Luftlagers kommt. Der Verschleiß im Lagerbereich wird dadurch deutlich reduziert. In Schritt 500 wird geprüft, ob die lagerverschleißkritische Situation weiter andauert oder beendet ist. Sofern letzteres der Fall ist, wird in Schritt 600 der Luftverdichter 1 abgeschaltet. In Schritt 700 sind somit das Brennstoffzellensystem 4 und der Luftverdichter 1 wieder inaktiv.
