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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Steuergerät, das eingerichtet ist, Schritte des erfindungsgemäßen 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.
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Die elektrochemische Reaktion in den Brennstoffzellen benötigt neben Wasserstoff Sauerstoff als Reaktionsgas. Üblicherweise wird Umgebungsluft als Sauerstofflieferant genutzt. Zur Bereitstellung eines gewissen Luftmassenstroms sowie eines gewissen Druckniveaus wird die benötigte Luft den Brennstoffzellen eines Brennstoffzellensystems mittels eines Luftverdichtungssystems zugeführt. Zum Einsatz gelangen insbesondere Luftverdichtungssysteme mit hochdrehenden Strömungsmaschinen. Da zum Schutz der Brennstoffzellen die zugeführte Luft ölfrei sind muss, werden üblicherweise gasgelagerte Strömungsmaschinen eingesetzt. Neben der Ölfreiheit besitzen Gaslager den Vorteil, dass sie einen nahezu reibungslosen und damit verschleißfreien Betrieb oberhalb einer gewissen Drehzahl (Abhebedrehzahl) ermöglichen. Wird diese jedoch unterschritten, beispielsweise beim Aus- oder Anlaufen, ist der Verschleiß hoch. Ein Start/Stopp-Betrieb stellt daher eine deutliche Mehrbelastung im Vergleich zu einem kontinuierlichen Betrieb der gasgelagerten Strömungsmaschine dar. Häufige Staufahrten und/oder Fahrten im Stadtverkehr tragen somit zu einer Verkürzung der Lebensdauer der Strömungsmaschine bei.
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Zum Schutz der Gaslager ist daher im Leerlaufbetrieb eine Mindestdrehzahl einzuhalten. Eine maximale Drehzahl ist ebenfalls vorgegeben. Des Weiteren wird der Betriebsbereich einer Strömungsmaschine durch eine Pumpgrenze einerseits und eine Stopfgrenze andererseits eingeschränkt.
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Ein typisches Kennfeld einer thermischen Strömungsmaschine ist beispielhaft in der 1 dargestellt. Es zeigt den Zusammenhang zwischen der Drehzahl (n), dem Druckverhältnis (po/pi) und dem geförderten Massenstrom (m). Die Stopfgrenze (S) gibt den maximal durchsetzbaren Massenstrom an, die Pumpgrenze (P) das maximale Druckverhältnis. Wird die Pumpgrenze überschritten, kommt es zunächst zu lokalen Strömungsabrissen am Einlass und/oder am Auslass der Strömungsmaschine. In der Folge kann der Druckaufbau zusammenbrechen und die Strömungsmaschine in einen instabilen Zustand übergehen, so dass der geforderte Luftmassenstrom nicht mehr bereitgestellt werden kann und ein Betrieb des Brennstoffzellensystems im gewünschten Betriebspunkt nicht mehr möglich ist. Dies hat direkte Auswirkungen auf die Effizienz, die Emissionen und den Verschleiß des Systems.
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Ein Überschreiten der Pumpgrenze gilt es daher zu vermeiden. Üblicherweise ist hierzu in die Systemsteuerung eine applizierbare Grenz-Betriebskennlinie implementiert. Da im Realbetrieb die Pumpgrenze nicht exakt für alle Betriebsbedingungen bekannt ist und Alterungseffekte zu einer Verschiebung der Pumpgrenze führen können, hält die implementierte Grenz-Betriebskennlinie einen Sicherheitsabstand zur Pumpgrenze ein (siehe schraffierten Bereich in der 1). Dieser Sicherheitsabstand schränkt jedoch den nutzbaren Betriebsbereich der Strömungsmaschine weiter ein. Dies erweist sich insbesondere im Leerlaufbetrieb sowie in den weiteren unteren Teillastbereichen als Nachteil, da er sich negativ auf den Energie- und Brennstoffverbrauch auswirkt.
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Die vorliegende Erfindung ist mit der Aufgabe befasst, den Energieverbrauch bzw. Leistungsbedarf einer Strömungsmaschine zur Luftverdichtung in einem Brennstoffzellensystem zu senken, und zwar insbesondere im Leerlauf- sowie Teillastbetrieb.
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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 zur Ausführung des Verfahrens bzw. einzelner Verfahrensschritte angegeben.
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Offenbarung der Erfindung
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Bei dem vorgeschlagenen Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems wird einem Brennstoffzellenstapel über einen Zuluftpfad Luft zugeführt, die zuvor mit Hilfe einer in den Zuluftpfad integrierten Strömungsmaschine, insbesondere gasgelagerten thermischen Strömungsmaschine, verdichtet wird. Erfindungsgemäß wird im Leerlauf- oder Teillastbetrieb des Brennstoffzellensystems eine Pumpgrenze der Strömungsmaschine gezielt überschritten und die Strömungsmaschine in einem quasi-stabilen Bereich mit lokalen Strömungsablösungen betrieben.
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Bei dem vorgeschlagenen Verfahren wird demnach nicht nur auf die Einhaltung eines Sicherheitsabstands zur Pumpgrenze verzichtet, sondern die Pumpgrenze bewusst überschritten. Der Betriebsbereich der Strömungsmaschine wird auf diese Weise signifikant erweitert.
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Die Erweiterung des Betriebsbereichs im Leerlauf und den unteren Teillastberiechen ist unkritisch. Denn bevor der Druckaufbau komplett zusammenbricht und es zu einem Rückströmen durch die Strömungsmaschine, dem sogenannten „Pumpen“ (engl.: „deep surge“), kommt, treten lediglich lokale Strömungsablösungen auf, welche auf einzelne Schaufelbereiche begrenzt sind. Die dabei entstehenden lokalen Ablösegebiete sind nicht ortsfest, sondern umlaufen die Schaufelbereiche in Umfangsrichtung. Dieses Phänomen wird daher auch „rotierende Ablösung“ (engl.: „rotating stall“) genannt. Die Strömungsmaschine befindet sich dann in einem quasi-stabilen Zustand bzw. quasi-stabilen Bereich (engl.: „mild surge“). Im Unterschied zum „Pumpen“ kehrt sich die Strömungsrichtung nicht um, sondern bleibt erhalten.
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Durch Nutzung des „mild surge“ Bereichs kann im Leerlaufbetrieb bei sehr geringen Druckverhältnissen der Massenstrom und damit die Leistungsaufnahme der Strömungsmaschine reduziert werden. Dies ist insbesondere vorteilhaft im stationären Betrieb, beispielsweise im Start/Stopp-Betrieb eines das Brennstoffzellensystem aufweisenden Brennstoffzellenfahrzeugs bei nicht abgeschaltetem Verdichteraggregat, im Stand-by-Betrieb sowie beim Aus-oder Anlaufen der Strömungsmaschine. Ferner können die Betriebspunkte des Brennstoffzellenstapels bei Teillast gezielter und energieoptimaler getroffen werden, da bei reduziertem Luftmassenstrom weniger Luft nutzlos über einen Bypasspfad zur Umgehung des Brennstoffzellenstapels abgeströmt werden muss.
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Da der Leerlaufbetrieb nach dem vorgeschlagenen Verfahren weniger energieintensiv ist, können Leerlaufphasen verlängert werden. Auf diese Weise kann die Anzahl der Start-Stopp-Vorgänge reduziert werden. Die Gaslager der Strömungsmaschine werden demnach weniger auf Verschleiß beansprucht, so dass die Lebensdauer der Strömungsmaschine steigt.
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Zur gezielten Überschreitung der Pumpgrenze wird bevorzugt der Luftmassenstrom stromabwärts der Strömungsmaschine gedrosselt. Wird bei konstanter Drehzahl der Strömungsmaschine der Luftmassenstrom minimiert, steigt das Druckverhältnis bis zum Erreichen der Pumpgrenze zunächst an. Danach, bei weiterer Reduktion des Luftmassenstroms, sinkt es ab. Aus den vorstehend genannten Gründen muss in den unteren Drehzahlbereichen kein Sicherheitsabstand zur Pumpgrenze eingehalten werden und die Pumpgrenze kann überschritten werden, so dass der quasi-stabilen Zustand bzw. Bereich erreicht wird.
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Ferner bevorzugt wird zur Drosselung des Luftmassenstroms stromabwärts der Strömungsmaschine der Strömungsquerschnitt in einem Bypasspfad zur Umgehung des Brennstoffzellenstapels und/oder in einem Abluftpfad zum Abführen der aus dem Brennstoffzellenstapel austretenden Luft verringert. Die Drosselung im Bypasspfad setzt voraus, dass dieser zumindest teilweise geöffnet ist. Zumindest ein Teilmassenstrom wird in diesem Fall nutzlos über den Bypasspfad abgeströmt. Bevorzugt wird daher der Bypasspfad geschlossen und der Luftmassenstrom vollständig über den Brennstoffzellenstapel geführt. Die Drosselung des Luftmassenstroms kann dann durch Verringern des Strömungsquerschnitts im Abluftpfad realisiert werden.
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Des Weiteren bevorzugt wird bzw. werden zur Drosselung des Luftmassenstroms ein Ventil und/oder eine Drosselklappe stromabwärts der Strömungsmaschine zumindest teilweise geschlossen. Das Ventil und/oder die Drosselklappe kann bzw. können im Bypasspfad und/oder im Abluftpfad angeordnet sein. Bei dem Ventil kann es sich insbesondere um ein in den Bypasspfad integriertes Bypassventil oder ein in den Abluftpfad integriertes Regelventil handeln. Sofern im Eintritts- und/oder Austrittsbereich des Brennstoffzellenstapels mindestens ein Absperrventil vorgesehen ist, bleibt dieses bevorzugt geöffnet.
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Da bei höheren oder hohen Drehzahlen der Strömungsmaschine die Strömung schlagartig ins „Pumpen“ umschlagen kann, sollte die Pumpgrenze nur bei niedrigen und mittleren Drehzahlen gezielt überschritten werden, um den „mild surge“ Bereich nutzbar zu machen. Bei höheren und hohen Drehzahlen sollte dagegen der stabile Betriebsbereich der Strömungsmaschine aus Gründen der Sicherheit und Robustheit nicht verlassen werden. Das heißt, dass vorzugsweise die Pumpgrenze nur in einem bestimmten Drehzahlbereich gezielt überschritten wird. Von Vorteil ist ferner, wenn bei höheren und hohen Drehzahlen ein Sicherheitsabstand zu Pumpgrenze eingehalten wird.
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Die Strömungsmaschine kann daher bevorzugt in verschiedenen Betriebsmodi betrieben werden. Vorzugsweise kann zwischen einem ersten Betriebsmodus und einem zweiten Betriebsmodus der Strömungsmaschine umgeschaltet werden. Im ersten Betriebsmodus erfolgt der Betrieb in einem stabilen Betriebsbereich, vorzugsweise unter Einhaltung eines Sicherheitsabstands zur Pumpgrenze, und im zweiten Betriebsmodus wird der stabile Betriebsbereich um einen quasi-stabilen Betriebsbereich jenseits der Pumpgrenze erweitert. Das heißt, dass der „mild surge“ Bereich genutzt wird.
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Da die Nutzung des „mild surge“ Bereichs nur in einem bestimmten Drehzahlbereich unkritisch ist, wird ferner vorgeschlagen, dass das Umschalten zwischen dem ersten und zweiten Betriebsmodus von der aktuellen Drehzahl der Strömungsmaschine abhängig gemacht wird. Aufgrund des insgesamt großen Betriebsbereichs kann das Umschalten auch von weiteren Parametern abhängig gemacht werden, beispielsweise von der aktuellen Betriebstemperatur. Auf diese Weise kann vorgegeben werden, dass bei bestimmten Bedingungen und/oder in bestimmten Situationen kein Umschalten erfolgt.
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Soll die Erweiterung des Betriebsbereichs um den „mild surge“ Bereich nur im Leerlaufbetrieb genutzt werden, erfolgt vorzugsweise das Umschalten zwischen dem ersten und dem zweiten Betriebsmodus nur dann, wenn das System in den Leerlaufbetrieb übergeht bzw. diesen wieder verlässt.
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Vorteilhafterweise kann auch eine Hysterese bzw. Richtungsabhängigkeit beim Umschalten und/oder eine minimale Verweilzeit appliziert werden, um ein Toggeln zwischen den Betriebsmodi zu vermeiden.
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Darüber hinaus wird ein Steuergerät vorgeschlagen, das eingerichtet ist, Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens auszuführen. Insbesondere kann über das Steuergerät eine geeignete Systemsteuerung zur Verfügung gestellt werden. Im Steuergerät kann hierzu das Kennfeld der Strömungsmaschine hinterlegt sein. Ferner können verschiedene Betriebsmodi definiert sein, zwischen denen mit Hilfe des Steuergeräts drehzahlabhängig umgeschaltet wird.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:
- 1 eine grafische Darstellung eines typischen Kennfelds einer thermischen Strömungsmaschine,
- 2 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems mit einer Strömungsmaschine zur Luftverdichtung,
- 3 eine graphische Darstellung eines Kennfelds einer thermischen Strömungsmaschine mit erweitertem Betriebsbereich und
- 4 ein Diagramm zur graphischen Darstellung der Reduzierung des Leistungsbedarfs der Strömungsmaschine bei einer Drosselung des Luftmassenstroms.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
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1, auf welche eingangs bereits Bezug genommen wurde, zeigt ein typisches Kennfeld einer thermischen Strömungsmaschine. Aufgetragen ist das Druckverhältnis zwischen dem Druck po am Auslass und dem Druck pi am Einlass der Strömungsmaschine über dem Massenstrom ṁ. Dazwischen sind Linien dargestellt, entlang welcher die Verdichterdrehzahl n konstant ist.
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Das Kennfeld zeigt den stabilen Betriebsbereich der Strömungsmaschine. Dieser wird einerseits von einer Pumpgrenze P und andererseits von einer Stopfgrenze S begrenzt. Bei Überschreiten der Pumpgrenze P verlässt die Strömungsmaschine den stabilen Betriebsbereich und es kommt zum sogenannten „Pumpen“ der Strömungsmaschine. Um dies zu verhindern, wird der als schraffierter Bereich dargestellte Sicherheitsabstand zur Pumpgrenze P eingehalten. Dieser engt jedoch den Betriebsbereich der Strömungsmaschine ein.
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In der 3, welche ein weiteres Kennfeld einer thermischen Strömungsmaschine zeigt, ist der stabile Betriebsbereich als „Area A“ gekennzeichnet. Jenseits der Pumpgrenze P sind zwei weitere Bereiche dargestellt, die als „Area B“ und „Area D“ ausgewiesen sind. „Area B“ bezeichnet den „mild surge“ Bereich und „Area D“ bezeichnet den „deep surge“ Bereich. Dem „deep surge“ Bereich ist eine Sicherheitszone A1 vorgelagert, die einen Sicherheitsabstand zur Pumpgrenze P einhält.
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Bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird bis zu einer vorgegebenen Drehzahl der Strömungsmaschine der stabile Betriebsbereich „Area A“ um den Betriebsbereich „Area B“ erweitert. Das heißt, dass ein Sicherheitsabstand zur Pumpgrenze P nicht eingehalten und die Pumpgrenze P bewusst überschritten wird. In diesem Drehzahlbereich wird somit der Betriebsbereich der Strömungsmaschine nicht nur um den Bereich „Area B“, sondern ferner um eine nicht eingehaltene Sicherheitszone A2 erweitert.
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In dem erweiterten Betriebsbereich „Area B“ befindet sich die Strömungsmaschine in einem quasi-stabilen Zustand bzw. in einem quasi-stabilen Bereich. Das heißt, dass es zu Strömungsabrissen kommen kann, diese aber lokal begrenzt sind. Ferner bleibt die Hauptströmungsrichtung unverändert, so dass es nicht zu einem „Pumpen“ der Strömungsmaschine kommt. Dies ist lediglich im Betriebsbereich „Area D“ der Fall, so dass in dem entsprechenden Drehzahlbereich der Pumpgrenze P die Sicherheitszone A1 vorgelagert ist, um ein „Pumpen“ der Strömungsmaschine sicher zu vermeiden.
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Eine Strömungsmaschine 4, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren betreibbar ist, ist beispielhaft in der 2 dargestellt.
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2 zeigt ein Brennstoffzellensystem 1 mit einem Brennstoffzellenstapel 2 der mit Hilfe der Strömungsmaschine 4 über einen Zuluftpfad 3 mit verdichteter Luft versorgbar ist. Denn der Betrieb des Brennstoffzellenstapels 2 erfordert einen gewissen Luftmassenstrom sowie ein gewisses Druckniveau. Die Luft wird der Umgebung 11 entnommen und über einen Luftfilter 12 der Strömungsmaschine 4 zugeführt. Die Strömungsmaschine 4 wird über einen Elektromotor 14 angetrieben. Da sich die Luft beim Verdichten erwärmt, ist in den Zuluftpfad 3 eine Kühleinrichtung 13 integriert. Optional, daher nur gestrichelt dargestellt, kann eine Befeuchtungseinrichtung 15 zum Befeuchten der verdichteten Luft in den Zuluftpfad 3 integriert sein.
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Die in der 2 dargestellte Topologie zur Luftverdichtung ist lediglich beispielhaft gewählt. Anstelle der dargestellten Strömungsmaschine 4 kann wahlweise auch ein elektrisch angetriebener Luftverdichter mit einer in einem Abluftpfad 6 angeordneten Turbine oder ein rein turbinenangetriebener Luftverdichter eingesetzt werden. Der Luftverdichter kann zudem zweistufig und/oder zweiflutig ausgeführt sein.
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Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird bei geöffneten Absperrventilen 9, 10 der Luftmassenstrom stromabwärts der Strömungsmaschine 4 gedrosselt. Zur Drosselung des Luftmassenstroms kann stromabwärts der Strömungsmaschine 4 eine Verengung des Strömungsquerschnitts herbeigeführt werden, beispielsweise durch teilweises Schließen eines in einem Bypasspfad 5 angeordneten Ventils 7 und/oder eines im Abluftpfad 6 angeordneten Ventils 8. Die Drosselung des Luftmassenstroms ṁ hat bis zur Pumpgrenze einen Anstieg des Druckverhältnisses po/pi zur Folge, so dass der stabile Betriebsbereich „Area A“ verlassen und der quasi-stabile Betriebsbereich „Area B“ erreicht wird (siehe 3). In diesem Bereich sinkt das Druckverhältnis wieder ab.
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Die Drosselung des Luftmassenstroms hat den Effekt, dass der Leistungsbedarf der Strömungsmaschine 4 sinkt. Dies ist beispielhaft in der 4 anhand von zwei Messungen dargestellt. Innerhalb des Betriebsbereichs „Area A“ konnte der Leistungsbedarf durch Nutzung des Bereichs A2 um etwa 7 bis 9 % gesenkt werden. Eine entsprechende Senkung des Leistungsbedarfs konnte nochmals im Betriebsbereich „Area B“ erzielt werden, so dass der Leistungsbedarf insgesamt um etwa 14 bis 16 % gesenkt werden konnte.
