DE102022121971A1

DE102022121971A1 - Vorrichtung für einen Betrieb einer Brennstoffzelle sowie Fahrzeug damit und Verfahren dafür

Info

Publication number: DE102022121971A1
Application number: DE102022121971.2A
Authority: DE
Inventors: Janik Ricke; Julian van Thiel
Original assignee: ZF CV Systems Global GmbH
Current assignee: ZF CV Systems Global GmbH
Priority date: 2022-08-31
Filing date: 2022-08-31
Publication date: 2024-02-29

Abstract

Die Erfindung umfasse eine Vorrichtung (10) zum Betreiben einer Brennstoffzelle (38) zum Wandeln einer chemischen Reaktionsenergie eines Brennstoffs (40) und eines Oxidationsmittels (36) in elektrische Energie, die einen Verdichter (30) zum Komprimieren des Oxidationsmittels (36) für die Brennstoffzelle (38) umfasst. Die Vorrichtung (10) umfasst ferner einen Expander (28), der mit dem Verdichter (30) zum Bereitstellen von Energie aus einem Abgasstrom der Brennstoffzelle (38) zum Antreiben des Verdichters (30) gekoppelt ist, wobei der Expander (28) ein Gehäuse (54) umfasst, in dem mehrere Schaufeln (62) um eine Drehachse (57) drehbar angeordnet sind und eine Düse (14), die im oder am Gehäuse (54) des Expanders (28) angeordnet und fluidleitend mit einem Druckluftkreis (16) verbindbar ist, um Druckluft aus dem Druckluftkreis (16) für den Expander (28) bereitzustellen.Die Erfindung umfasst ferner ein Fahrzeug mit einer Vorrichtung (10) und ein Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzelle (38) mit einer Vorrichtung (10).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft den Bereich der Brennstoffzellensysteme für Fahrzeuge, die somit auch als Fahrzeugbrennstoffzellensysteme bezeichnet werden können. Derartige Fahrzeugbrennstoffzellensysteme sind allgemein bekannt und umfassen neben mindestens einer Brennstoffzelle ein Verdichtersystem mit mindestens einer Verdichterstufe.
Mit der Verdichterstufe wird eine Luft-Massenstrom angesaugt, verdichtet und der verdichtete Luft-Massenstrom der Brennstoffzelle des Brennstoffzellensystems kathodenseitig zuzuführen. Der verdichtete Luft-Massenstrom ist demnach ein sauerstoffhaltiges Stoffgemisch das druckbeaufschlagter Luft, die aus der Umgebung mit dem Verdichter angesaugt wird, entspricht. Anodenseitig wird der Brennstoffzelle Wasserstoff zugeführt.
In der Brennstoffzelle findet durch Zuführen der Stoffe, die als Reaktanten bezeichnet werden, eine Reaktion statt, durch die die Brennstoffzelle elektrische Energie abgibt. Diese Reaktion erfordert eine Überwachung und Steuerung der Reaktionsbedingung und zugeführten Reaktantenmengen, um diese kontrolliert ablaufen zu lassen. Insbesondere müssen die Stoffmengen des zugeführten Sauerstoffs und des zugeführten Wasserstoffs überwacht und gesteuert werden, um einen effizienten, aber auch verschleißarmen Betrieb des Brennstoffzellensystems sicherzustellen. Die Aufgabe der Überwachung und Steuerung wird gemäß dem Stand der Technik üblicherweise mit einem Brennstoffzellensteuergerät ausgeführt.
Insbesondere dient die Steuerung des zugeführten Sauerstoffs und des zugeführten Wasserstoffs auch zum bedarfsgerechten Betrieb der Brennstoffzelle. Demnach wird eine Brennstoffzelle eines Fahrzeugbrennstoffzellensystems üblicherweise nicht in einem konstanten Betriebspunkt betrieben. Vielmehr wird der Betriebspunkt der Brennstoffzelle in Abhängigkeit von einer von der Brennstoffzelle angeforderten elektrischen Energie gesteuert oder geregelt.
Es sind Fahrzeuge bekannt, die einen Energiepufferspeicher, also beispielsweise einen Akkumulator, aufweisen, aus dem der Antrieb des Fahrzeugs gespeist und der mit elektrischer Energie aus der Brennstoffzelle aufgefüllt wird, sobald ein bestimmtes Kriterium erfüllt ist. Ein typisches Kriterium ist beispielsweise, dass die gespeicherte Energie unter einen Schwellenwert fällt. Die Brennstoffzelle schaltet demnach zumindest regelmäßig zwischen einem konstanten Betriebszustand und einem Abschaltzustand während der Fahrt des Fahrzeugs.
Weiter sind auch Fahrzeuge bekannt, bei denen die Brennstoffzelle über einen Energiepufferspeicher mit sehr geringer Kapazität oder sogar ohne Energiepufferspeicher direkt den elektrischen Antrieb versorgt. Hier folgt der Betriebspunkt der Brennstoffzelle im Wesentlichen kontinuierlich dem variierenden Energieverbrauch des elektrischen Antriebs. Bei einer Bergabfahrt schaltet das Brennstoffzellensystem demnach beispielsweise ab oder wird in einem Betriebspunkt betrieben, bei dem die elektrische Energie reduziert ist. Bei einer Beschleunigung oder Bergauffahrt, insbesondere, wenn diese nach einer Bergabfahrt folgt, muss das Brennstoffzellensystem schnell hochgefahren werden, um ausreichend elektrische Energie für den geforderten Vortrieb des Fahrzeugs bereitzustellen.
Das genannte Hochfahren des Brennstoffzellensystems umfasst im Wesentlichen ein Beschleunigen des Verdichters, um einen in einem angeforderten Betriebspunkt nötigen Luft-Massenstrom, der größer als ein im vorherigen Betriebspunkt liegender Luft-Massenstrom ist, für die Brennstoffzelle bereitzustellen. Hierbei kann das Beschleunigen des Verdichters aus einem vorherigen Zustand mit einer vergleichsweise geringeren Drehzahl aber auch von einem Stillstand aus erfolgen. Demnach muss das Verdichtersystem eingerichtet sein, von einem Stillstand bis zu einer maximalen Drehzahl möglichst schnell zu beschleunigen, um allen möglichen Fahrsituationen nachzukommen. Demnach sind zum Betrieb eines Fahrzeugs mit einem Brennstoffzellensystem, insbesondere, wenn kein Energiepufferspeicher vorgesehen ist, regelmäßige Beschleunigungsvorgänge des Verdichters nötig.
Zur Beschleunigung des Verdichters ist im Verdichtersystem ein Elektromotor vorgesehen. Dieser Elektromotor ist ausgelegt, um eine gewünschte Beschleunigung und somit eine gute Reaktionsfähigkeit des Brennstoffzellensystems zu gewährleisten. Hierfür sind leistungsfähige elektrische Motoren nötig, die einen erheblichen Teil der Kosten eines Brennstoffzellensystems darstellen.
Um Brennstoffzellensysteme dem Massenmarkt zugänglich zu machen, wird daher versucht, Brennstoffzellen so auszulegen, dass gerade im Bereich des Verdichters Kosten eingespart werden können. Um beispielsweise den elektrischen Motor zu entlasten und mit einer geringeren Leistungsfähigkeit ausbilden zu können, wurden daher bereits Expander in Brennstoffzellensysteme integriert. Mit einem Expander können mit Druck beaufschlagte Abgase der Brennstoffzelle unter Gewinnung mechanischer Energieexpandiert werden, wobei die mechanische Energie dem Verdichter zugeführt wird, um den Motor zu entlasten.
Eine solche Entlastung wirkt sich jedoch im Wesentlichen auf konstante oder variierende Drehzahlbereiche des Verdichters aus, wenn dieser nicht stillsteht. Gerade beim Beschleunigen aus einem Stillstand steht dem Expander folglich noch nicht ausreichend druckbeaufschlagtes Abgas zur Verfügung, um eine signifikante Entlastung des Verdichters zu erzielen. Vielmehr wird beim Beschleunigen aus einem Stillstand sogar zusätzliche Energie vom Expander aufgenommen, um eine Art Pumpfunktion bei noch fehlendem Abgasstrom zu erfüllen.
Demnach ist es wünschenswert, den Verdichter weiter zu entlasten, um trotz eines Motors mit vergleichsweise geringer Leistungsfähigkeit zum Antreiben des Verdichters eine hohe Reaktionsfähigkeit des Brennstoffzellensystems zu ermöglichen. So können insbesondere die Kosten und der Bauraum des Brennstoffzellensystems reduziert werden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher den Problemen des Standes der Technik zu begegnen. Insbesondere sollen die Kosten und/oder der benötigte Bauraum für ein Brennstoffzellensystem reduziert werden. Vorzugsweise soll die Leistungsfähigkeit, insbesondere die Reaktionsfähigkeit, des Brennstoffzellensystems erhalten bleiben oder verbessert werden. Zumindest soll eine Alternative zum aus dem Stand der Technik Bekannten gefunden werden.
Hierzu betrifft die Erfindung eine Vorrichtung für eine Brennstoffzelle nach Anspruch 1.
Erfindungsgemäß wird eine Vorrichtung für eine Brennstoffzelle vorgeschlagen. Vorzugsweise umfasst die Vorrichtung die Brennstoffzelle. Die Brennstoffzelle dient zum Wandeln einer chemischen Reaktionsenergie eines Brennstoffs und eines Oxidationsmittels in elektrische Energie. Die Vorrichtung umfasst einen Verdichter zum Verdichten, also Komprimieren, des Oxidationsmittels für die Brennstoffzelle. Außerdem umfasst die Vorrichtung einen Expander, der mit dem Verdichter gekoppelt ist, um Energie aus einem Abgasstrom der Brennstoffzelle für den Verdichter zum Antreiben des Verdichters bereitzustellen. Der Expander umfasst ein Gehäuse, in dem mehrere Schaufeln um eine Drehachse drehbar angeordnet sind.
Vorzugsweise sind der Verdichter und der Expander gekoppelt, indem sie auf einer gemeinsamen Welle angeordnet sind. Eine Drehung der Drehachse des Expanders resultiert so in einer Drehung einer Drehachse einer Verdichterstufe des Verdichters. Der Verdichter umfasst vorzugsweise mindestens eine Verdichterstufe und einen elektrischen Motor zum Antreiben der Verdichterstufe. Die Verdichterstufe umfasst ebenfalls Schaufeln, die um eine Drehachse drehbar angeordnet sind. Demnach umfasst die Erfindung Verdichter mit einer einzelnen Verdichterstufe, aber auch kaskadierte, aus mehreren Verdichterstufen bestehende, Verdichter. Ein elektrischer Motor des Verdichters ist vorzugsweise ein Synchronmotor und besonders bevorzugt ein permanent-erregter Synchronmotor.
Der Verdichter ist vorzugsweise eingerichtet, um mit dem Motor einen Luft-Massenstrom anzusaugen. Außerdem ist der Verdichter vorzugsweise eingerichtet, um den angesaugten Luft-Massenstrom zu verdichten und den verdichteten Luft-Massenstrom als Oxidationsmittel, also als Reaktantenzufuhr für die chemische Reaktion in der Brennstoffzelle, an die Brennstoffzelle abzugeben. Wenn hier von einer Brennstoffzelle gesprochen wird, so ist damit auch ein Brennstoffzellenstapel umfasst, der auch Brennstoffzellen-Stack genannt wird und der aus mehreren Brennstoffzellen besteht.
Erfindungsgemäß umfasst die Vorrichtung eine Düse, die im oder am Expandergehäuse angeordnet und fluidleitend mit einer Druckluftversorgungsanlage eines Fahrzeugs verbindbar ist. Die Düse ist derart angeordnet, um auf die Schaufeln des Expanders wirkende Druckluft aus einem Druckluftkreis einer Druckluftversorgungseinrichtung bereitzustellen.
Durch die Düse wird ermöglicht, den Expander zusätzlich zu den Abgasen der Brennstoffzelle mit Druckluft zu beschleunigen, der wiederum über seine Kopplung mit dem Verdichter den Verdichter antreibt. Durch Beaufschlagen der Schaufeln des Expanders ändert sich zwar der resultierende Abgasstrom, wobei dies den Betrieb der Brennstoffzelle nicht beeinflusst. Hierbei liegt der Erfindung die Erkenntnis zugrunde, dass ein Antreiben des Verdichters mit Druckluft aus der Düse Auswirkungen auf den Betrieb der Brennstoffzelle durch Verändern des Massenstroms des Verdichters hätte und ein direktes Antreiben des Verdichters somit nicht möglich ist. Vielmehr ist das vom Expander zum Antrieb des Expanders verwendete Abgas aus der Brennstoffzelle ohnehin für einen Ablass vorgesehen. Zudem wird der Tatsache Sorge getragen, dass Druckluft aus einem Druckluftkreis einer Druckluftversorgungsanlage möglicherweise nicht vollständig ölfrei ist. Druckluft mit Ölbestandteilen ist jedoch gemäß einer weiteren Erkenntnis schädlich für Brennstoffzellen und wird daher erfindungsgemäß im Abgastrakt, also durch Zuführen in den Expander, eingesetzt. Eine Beeinflussung einer Oxidationsmittelmenge oder einer Qualität des Oxidationsmittels wird so vermieden und ein Antrieb wird bei beliebiger Qualität oder Quantität der Druckluft durch die Druckluftversorgungseinrichtung für einen geeigneten Betrieb der Brennstoffzelle weiterhin ermöglicht.
Ein Antreiben des Verdichters mit Druckluft über eine Düse im Expandergehäuse führt somit zu einer Unterstützung einer Beschleunigung des Verdichters. Der Elektromotor kann bzgl. seiner Leistung, insbesondere im Hinblick auf sein bereitstellbares Drehmoment, kleiner ausgelegt werden, da die Leistung des Motors üblicherweise gerade an Beschleunigungsvorgängen ausgewählt wird. Es kann demnach ein Motor mit einer geringeren Leistung vorgesehen werden, wobei die Fähigkeiten des Gesamtsystems im Hinblick auf seine Beschleunigung aufrechterhaltbar sind. Die Kosten für ein Brennstoffzellensystem werden somit gesenkt.
Gemäß einer ersten Ausführungsform umfasst die Vorrichtung ein Ventil. Das Ventil ist zwischen Druckluftkreis und Düse geschaltet, um eine fluidleitende Verbindung zwischen Druckluftkreis und Düse herzustellen oder abzuschalten, also den Durchfluss zu blockieren. Bevorzugt ist auch eine Durchflussmenge durch das Ventil einstellbar oder regelbar, wenn eine fluidleitende Verbindung hergestellt ist. Durch das Ventil wird es möglich, die Druckluft, die durch die Düse auf die Schaufeln des Expanders wirkt, selektiv an- oder abzuschalten. Hierdurch lässt sich weiterhin die Brennstoffzelle vollständig abschalten. Dies ist beispielsweise im Betrieb erforderlich, wenn ein Pufferspeicher, beispielsweise ein Akkumulator, vollständig mit Energie aus der Brennstoffzelle geladen ist oder bei einem Fahrzeug ohne Pufferspeicher beispielsweise für eine Bergabfahrt keine Energie benötigt wird. Durch Herstellen der Verbindung kann dann der Verdichter unterstützt werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Düse in eine Volute des Expanders integriert. Eine Integration der Düse in die Volute ist vorteilhaft, da die Volute vorzugsweise als Pressform oder Gussteil hergestellt wird und die Düse bei der Herstellung einfach in den Expander integrierbar ist. Eine Volute bezeichnet einen schneckenförmigen Gang, durch den das Abgas von der Brennstoffzelle bis zu einem Ablass verläuft und dabei die Schaufeln des Expanders antreibt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Düse derart angeordnet, dass eine Hauptrichtung des Luftstroms im Wesentlichen tangential zur Drehachse des Expanders verläuft. Bevorzugt ist die Düse so angeordnet, dass der Luftstrom, insbesondere in seiner Hauptrichtung, im Wesentlichen mit einem Winkel von 80° bis 100°, bevorzugt mit einem Winkel von 85° bis 95°, besonders bevorzugt in einem Winkel von im Wesentlichen oder genau 90°, auf Oberflächen der Schaufeln trifft. Als Hauptrichtung wird die Richtung bezeichnet, in die sich der größte Anteil des Volumenstroms oder Massenstroms des Luftstroms, der aus der Düse austritt, ausbreitet. Die Anordnung der Düsen mit dem vordefinierten Winkel des ausströmenden Luftstroms dient zur effizienten Erzeugung eines Drehmoments des Expanders durch den Luftstrom der Druckluft.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst die Vorrichtung eine Steuerung, um das Ventil in Abhängigkeit von einem Anforderungssignal anzusteuern. Das Anforderungssignal ist eingerichtet, eine Soll-Drehzahl und/oder einen Soll-Massenstrom des Verdichters anzufordern. Das Anforderungssignal entspricht demnach beispielsweise einem Sollwert für einen Luft-Massenstrom, der vom Verdichter bereitgestellt werden soll, oder einem Sollwert für eine Drehzahl mit der der Verdichter drehen soll. Dieses Signal wird verwendet, um den Verdichter in Abhängigkeit von der benötigten elektrischen Energie der Brennstoffzelle anzusteuern, indem die Drehzahl bzw. der Massenstrom des Verdichters eingestellt oder geregelt wird. Von dem Anforderungssignal kann abgeleitet werden, wann eine Beschleunigung des Verdichters gefordert wird und insbesondere, ob diese so hoch ist, dass sie durch einen Motor des Verdichters nicht mehr oder unzureichend aufgebracht werden kann. In dem Fall, dass erkannt wird, dass der Motor den Verdichter entweder gar nicht oder langsamer als vordefiniert beschleunigen kann, um den mit dem Anforderungssignal vorgegebenen Sollwert zu erreichen, wird ein vom Anforderungssignal abhängiges Signal mit der Steuerung gebildet oder der Steuerung zugeführt, um mit der Steuerung das Ventil anzusteuern.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Steuerung eingerichtet, das Ventil zu öffnen, wenn der Verdichter stillsteht und das Anforderungssignal eine Anforderung für einen Anlauf des Verdichters anzeigt, also das Anforderungssignal vorzugsweise einen beliebigen positiven Sollwert aufweist. Alternativ oder zusätzlich ist die Steuerung eingerichtet, das Ventil zu öffnen, wenn der Verdichter mit einer Ist-Drehzahl dreht und das Anforderungssignal eine Soll-Drehzahl anzeigt, die höher oder um einen vorbestimmten Wert höher als die Ist-Drehzahl ist. Alternativ oder zusätzlich ist die Steuerung eingerichtet, das Ventil zu öffnen, wenn der Verdichter einen Ist-Massenstrom liefert und das Anforderungssignal einen Soll-Massenstrom anzeigt, der höher als oder um einen vorbestimmten Wert höher als der Ist-Massenstrom liegt.
Durch die letztgenannte Ausführungsform sind einfach umsetzbare Einschaltkriterien für das Ventil gefunden. Das Ventil öffnet also und der Expander wird demnach von der Druckluft durch die Düse unterstützt, wenn der Verdichter anläuft, also ein vergangenes Anforderungssignal einen Stillstand des Verdichters hervorgerufen hat, und eine weitere nun aktuelle Anforderung mit dem Anforderungssignal einen Anlauf des Verdichters anzeigt. Ausgehend von dem Anforderungssignal kann alternativ oder zusätzlich entweder die Drehzahl oder der Luft-Massenstrom, der mit dem Anforderungssignal eingestellt wird, überwacht werden. Liefert das Anforderungssignal also eine Soll-Drehzahl, die höher ist als eine Ist-Drehzahl, wobei die Ist-Drehzahl einer in der Vergangenheit mit dem Anforderungssignal übertragenen Soll-Drehzahl entspricht, so wird das Ventil geöffnet. Analog kann auch der Massenstrom berücksichtigt und das Ventil geöffnet werden, wenn der Massenstrom, der vom Anforderungssignal gefordert wird, höher ist, als ein durch das Anforderungssignal in der Vergangenheit angeforderter aktuell erzeugter Massenstrom. Vorzugsweise werden vorbestimmte Werte für die Drehzahl oder den Massenstrom hinterlegt und das Ventil nur geöffnet, wenn eine Differenz zwischen vergangenem Wert und aktuellem Wert des Anforderungssignals größer als der entsprechende vorbestimmte Wert ist. Die Unterstützung des Verdichters durch Druckluft aus der Düse wird somit durch vordefinierte Ereignisse ausgelöst, in denen eine schnelle Beschleunigung des Verdichters nötig ist.
Kann demnach der Elektromotor des Verdichters allein die geforderte Massenstromänderung oder die geforderte Drehzahländerung bewältigen, so kann das Ventil geschlossen bleiben und es wird nicht unnötig Druckluft aus dem Druckluftkreis entnommen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Steuerung eingerichtet, das Ventil nach dem Öffnen zu schließen, wenn das Ventil für eine vordefinierte Dauer geöffnet war oder der Verdichter eine vorbestimmte Drehzahl, beispielsweise im Bereich von 15 000 bis 20 000 Umdrehungen pro Minute, erreicht hat. Dies gilt insbesondere für den Fall, dass der Verdichter aus einem Stillstand anfährt. Die beispielhaft genannten Drehzahlen werden als Abhebedrehzahlen für den luftgelagerten Verdichter häufig vordefiniert und es wird damit dafür Sorge getragen, dass der Verdichter möglichst schnell diese Abhebedrehzahl erreicht, um den Verschleiß der beweglichen Teile des Verdichters zu minimieren.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Steuerung eingerichtet, das Ventil nach dem Öffnen zu schließen, wenn der Verdichter eine durch das Anforderungssignal angezeigte Soll-Drehzahl erreicht oder der Verdichter einen durch das Anforderungssignal angezeigten Soll-Massenstrom liefert. Das Schließen des Ventils nach Erreichen der Soll-Drehzahl oder des Soll-Massenstroms ist vorteilhaft, da so nur für den Beschleunigungsvorgang des Verdichters benötigte Druckluft aus dem Druckluftsystem entnommen wird. Der Verdichter wird demnach nur im Beschleunigungsvorgang unterstützt und es wird weiter vermieden unnötig Druckluft aus dem Druckluftkreis zu entnehmen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst die Vorrichtung ein Brennstoffzellensteuergerät. Das Brennstoffzellensteuergerät dient zum Erzeugen oder zum Empfangen des Anforderungssignals. Das Brennstoffzellensteuergerät erzeugt in Abhängigkeit von dem Anforderungssignal ein Ansteuersignal zum Ansteuern des Ventils. Brennstoffzellensteuergeräte dienen zum Ansteuern des Verdichters oder einer Verdichtersteuerung des Verdichters, die den Motor des Verdichters ansteuert. Ein Brennstoffzellensteuergerät kann daher in Abhängigkeit von dem Anforderungssignal ein Ansteuersignal zum Ansteuern des Ventils in geeigneter Weise erzeugen. Eine Implementierung einer solchen Funktion erfolgt vorzugsweise durch einfache Anpassung einer Betriebssoftware des Brennstoffzellensteuergeräts und ist somit einfach umsetzbar.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform entspricht die Steuerung zum Ansteuern des Ventils dem Brennstoffzellensteuergerät, so dass das Ventil unmittelbar und direkt durch das Brennstoffzellensteuergerät angesteuert wird. Gemäß einer weiteren Ausführungsform entspricht die Steuerung zum Ansteuern des Ventils einem Bremssteuergerät eines Bremssystems. Ein derartiges Bremssteuergerät ist beispielsweise eingerichtet, um Reibbremsen eines Fahrzeugs anzusteuern. Die Funktion der Steuerung zum Ansteuern des Ventils ist so Bestandteil des Bremssteuergeräts. Das Bremssteuergerät empfängt somit das Anforderungssignal zum Beispiel vom Brennstoffzellensteuergerät und erzeugt daraus das Ansteuersignal für das Ventil. Das Bremssteuergerät ist gemäß dieser Ausführungsform demnach eingerichtet, um das Ventil anzusteuern.
Das Bremssteuergerät dient vorzugsweise zur Überwachung und Ansteuerung des Druckluftsystems, nämlich zum Ansteuern im Wesentlichen aller Verbraucher der Druckluft, die über eine Druckluftversorgung eines Fahrzeugs bereitgestellt wird. Die Integration der Ansteuerung des Ventils für die Düse ist somit vorteilhafterweise in die Gesamtsteuerung des Druckluftsystems integrierbar. Insbesondere können so weitere Sicherheitsmechanismen, wie beispielsweise ein Ausbleiben der Ansteuerung des Ventils im Fall nicht ausreichender Druckluft, durch das Bremssteuergerät umgesetzt werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das Ventil Bestandteil des Bremssystems und vorzugsweise in ein Bestandteil des Bremssystems, nämlich beispielsweise einer Komponente des Bremssystems, integriert. Besonders bevorzugt ist das Ventil integraler Bestandteil einer Komponente des Bremssystems. Eine einfache Bereitstellung des Ventils für die Düse ist somit möglich.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform entspricht der Druckluftkreis, mit dem das Ventil verbunden ist, einem Nebenverbraucherkreis eines Mehrkreisschutzventils. Alternativ oder zusätzlich ist das Ventil mit einem Druckluftkreis eines Mehrkreisschutzventils verbunden, der zur Versorgung einer Parkbremse dient. Gemäß einer weiteren Alternative ist die Düse mit einem Regenerationsablass eines Luftreinigers verbunden, wobei der Regenerationsablass dem Druckluftkreis für das Ventil entspricht.
Eine Verbindung mit dem Nebenverbraucherkreis, der häufig auch als vierter Kreis bezeichnet wird, ermöglicht eine automatische Sicherheitsabschaltung der Funktion der Düse im Fall, dass nicht genügend Druckluft im Druckluftsystem zur Verfügung steht. Der Nebenverbraucherkreis wird nämlich üblicherweise über das Mehrkreisschutzventil nicht mehr mit Druckluft versorgt, wenn sicherheitsrelevante Einrichtungen, wie die Parkbremse oder die Reibbremsen eines Fahrzeugs, nicht mehr oder drohen nicht mehr mit Druckluft versorgt zu werden. Analog ist das Verbinden mit dem Ausgang einer Parkbremse des Mehrkreisschutzventils, der häufig auch als dritter Kreis bezeichnet wird, vorteilhaft, um ebenfalls die sicherheitsrelevante Abschaltung der Funktion der Düse zu ermöglichen, sobald durch die Benutzung der Düse die Gefahr droht, dass die Reibbremsen ihre Funktion nicht mehr vollständig ausführen können. Ein Verbinden des Ventils mit dem Regenerationsablass ermöglicht das Ansteuern der Düse durch Öffnen des Ventils durch einfaches Einleiten eines Regenerationszyklusses des Luftreinigers. Alle Bestandteile sind bereits vorhanden und ein Anschluss des Ventils direkt an den Ablass ist ohne weiteres möglich.
Vorzugsweise ist das Ventil Bestandteil des Mehrkreisschutzventils oder eines elektronischen Bremssystems, das auch EBS genannt wird. Das EBS bezeichnet ein System, das elektronische und pneumatische Komponenten aufweist, um eine Stabilitäts- und Bremssteuerung eines Fahrzeugs auszuführen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das Ventil ein 2/2-Ventil, das einen Eingang und einen Ausgang aufweist. Das Ventil kann vorzugsweise zwei Stellungen einnehmen, nämlich eine Stellung, bei dem ein Durchgang vom Eingang zum Ausgang gesperrt ist, und eine Stellung, bei der der Durchgang geöffnet ist. Vorzugsweise werden das Ventil und auch die Düse mit einem Druck von 7 bar bis 9 bar, beispielsweise im Bereich von 8 bar, beaufschlagt. Gemäß einer alternativen Ausführungsform ist das Ventil durch Pulsweitenmodulation ansteuerbar, so dass dies stufenlos regelbar ist. Eine stufenlose Variation des Luftmassenstroms, mit dem der Expander durch die Düse angetrieben wird, ist somit möglich.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind eine zweite Düse und ein zweites Ventil vorgesehen, wobei das zweite Ventil ebenfalls durch die Steuerung ansteuerbar ist. Die zweite Düse ist in entgegengesetzter Richtung zur ersten Düse angeordnet und dient zum Bremsen des Verdichters. Ein schnelles Abschalten des Verdichters und der Brennstoffzelle ist mit der zweiten Düse möglich, wenn Druckluft durch die zweite Düse bei geöffnetem zweiten Ventil auf die Schaufeln tritt und die Schaufeln bremst.
Außerdem betrifft die Erfindung ein Fahrzeug mit einer Vorrichtung nach einer der vorgenannten Ausführungsformen.
Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzelle mit einer Vorrichtung nach einer der vorgenannten Ausführungsformen. Gemäß dem Verfahren wird mit einer Düse Druckluft auf die Schaufeln eines Expanders geblasen, um den Expander anzutreiben. Der Expander ist mit dem Verdichter gekoppelt, um den Verdichter durch die Druckluft zu beschleunigen.
Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens wird ein Ventil zum fluidleitenden Verbinden der Düse mit einem Druckluftkreis verwendet, wobei das Ventil vorzugsweise mit einer Steuerung in Abhängigkeit von einem Anforderungssignal angesteuert wird.
Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens öffnet die Steuerung das Ventil mit einem Ansteuersignal, wenn das Anforderungssignal anzeigt, dass der Verdichter beschleunigt werden soll. Eine Beschleunigung, bei der das Ventil durch die Steuerung geöffnet wird, wird angenommen, wenn der Verdichter stillsteht und das Anforderungssignal eine Anforderung für einen Anlauf des Verdichters anzeigt. Weiter wird eine Beschleunigung angenommen, wenn der Verdichter mit einer Ist-Drehzahl dreht und das Anforderungssignal eine Soll-Drehzahl anzeigt, die höher oder um einen vorbestimmten Wert höher als die Ist-Drehzahl ist. Alternativ oder zusätzlich wird eine Beschleunigung angenommen, wenn der Verdichter einen Ist-Massenstrom liefert und das Anforderungssignal einen Soll-Massenstrom anzeigt, der höher oder um einen vorbestimmten Wert höher als der Ist-Massenstrom ist.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform schließt die Steuerung das Ventil nach dem Öffnen, wenn das Ventil für eine vordefinierte Dauer geöffnet war oder der Verdichter eine vorbestimmte Drehzahl erreicht hat. Alternativ oder zusätzlich schließt die Steuerung das Ventil, wenn der Verdichter eine durch das Anforderungssignal angezeigte Soll-Drehzahl oder einen durch das Anforderungssignal angezeigten Soll-Massenstrom liefert.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform erzeugt oder empfängt ein Brennstoffzellensteuergerät eines Brennstoffzellensystems mit der Vorrichtung das Anforderungssignal und erzeugt in Abhängigkeit von dem Anforderungssignal ein Ansteuersignal zum Ansteuern des Ventils. Vorzugsweise wird das Ansteuersignal an ein Bremssteuergerät eines Bremssystems übertragen und das Bremssteuergerät steuert das Ventil an.
Weitere Ausführungsformen ergeben sich anhand der in den Figuren näher erläuterten Ausführungsbeispiele. Hierbei zeigen:

1 ein erstes Ausführungsbeispiel der Vorrichtung,
2a eine exemplarische Ansicht eines mit einem Expander kombinierten Verdichters,
2b eine weitere Ansicht eines mit einem Expander kombinierten Verdichters,
3 ein zweites Ausführungsbeispiel der Vorrichtung,
4 ein drittes Ausführungsbeispiel der Vorrichtung,
5 ein viertes Ausführungsbeispiel der Vorrichtung und
6 Schritte eines Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel.

1 zeigt einen Aufbau der Vorrichtung 10 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel. Die Vorrichtung 10 umfasst ein Ventil 12, das eine Düse 14 mit einem von mehreren Druckluftkreisen 16 verbinden und die Verbindung trennen kann. Der Druckluftkreis 16, mit dem die Düse 14 über das Ventil 12 verbunden ist, entspricht einem Nebenverbraucherkreis 18, der neben weiteren Druckluftkreisen 16 über ein Mehrkreisschutzventil 20 von einem Kompressor 22 gespeist wird. Der Kompressor 22 ist mit einem Motor 23 verbunden, um aus der Umgebungsluft mit Umgebungsdruck Druckluft mit einem vergleichsweise höheren Druck, insbesondere über 6 bar, für das Mehrkreisschutzventil 20 bereitzustellen. Die Druckluft wird, bevor sie dem Mehrkreisschutzventil 20 vom Kompressor 22 zugeführt wird, über eine Filter-Abscheide-Vorrichtung (24) vorverarbeitet.
Ferner ist eine Steuerung 26 vorgesehen, die ein Brennstoffzellensteuergerät 27 ist. Mit der Steuerung 26 kann das Ventil 12 geöffnet und geschlossen werden. Wird das Ventil 12 geöffnet, fließt Druckluft aus dem Nebenverbraucherkreis 18 durch das Ventil 12 in die Düse 14. Die Düse 14 ist Bestandteil eines Expanders 28 und auf Schaufeln des Expanders 28 gerichtet. Die Schaufeln erzeugen ein Drehmoment auf eine Welle 29, mit der ein Verdichter 30 angetrieben wird. Auf die Welle 29 wirkt zudem ein Elektromotor 32, um den Verdichter 30 ebenfalls anzutreiben.
Der Verdichter 30 saugt Umgebungsluft 34 an, erhöht den Druck der Umgebungsluft 34 und führt die Umgebungsluft 34 als Oxidationsmittel 36 einer Brennstoffzelle 38 zu. Der Brennstoffzelle 38 wird neben dem Oxidationsmittel 36 ein Brennstoff 40, wie beispielsweise Wasserstoff, zugeführt. Durch die chemische Reaktion in der Brennstoffzelle 38 entsteht elektrische Energie sowie ein Abgas 44, das über den Expander 28 wieder an die Umgebung abgelassen wird. Hierbei wirkt durch die Abgase 44, da diese noch gegenüber dem Umgebungsdruck komprimiert sind, eine Kraft auf Schaufeln des Expanders 28, die die Welle 29 mitantreiben.
Zur Steuerung empfängt das Brennstoffzellensteuergerät 27 ein Anforderungssignal 46. Mit dem Anforderungssignal 46 wird beispielsweise eine bestimmte elektrische Leistung von der Brennstoffzelle 38 angefordert. In dem Brennstoffzellensteuergerät 27 wird in Abhängigkeit von dem Anforderungssignal 46 ein Verdichteranforderungssignal 47 erzeugt, das einer Verdichtersteuerung 50 zugeführt wird, um den Motor 32 mit der Verdichtersteuerung 50 anzusteuern und ein Drehmoment auf der Welle 29 zu erzeugen. Liegen bestimmte Voraussetzungen vor, die später erläutert werden, wird in Abhängigkeit von dem Anforderungssignal 46 ein Ansteuersignal 48 für das Ventil 12 erzeugt und das Ventil in Abhängigkeit von dem Ansteuersignal 48 geöffnet oder geschlossen.
2a zeigt eine Verdichter-Expander-Kombination 52 schematisch in teilweiser Schrittdarstellung. Der Verdichter 30 ist hier zusammen mit dem Expander 28 in einem gemeinsamen Gehäuse 54 angeordnet. Der Verdichter 30 saugt über einen Einlass 56 Umgebungsluft 34 an und verdichtet diese mithilfe von um eine Drehachse 57 rotierenden Schaufeln 58. Über einen Auslass, der in dieser Teilschnittansicht nicht dargestellt ist, wird ein verdichteter Luft-Massenstrom 59 an die Brennstoffzelle 38 ausgegeben. Ein hier zur besseren Übersichtlichkeit nicht dargestellter Elektromotor 32 treibt eine Welle 29 an, um die Schaufeln 58 zum Verdichten der Luft anzutreiben. Aus der Brennstoffzelle 38 abgegebene Abgase 44 werden über einen Einlass 60 des Expanders 28 dem Expander 28 zugeführt, wobei diese Abgase 44 Schaufeln 62 des Expanders 28 antreiben. Die Schaufeln 62 des Expanders 28 sind ebenfalls mit der Welle 29 verbunden, so dass ein mit dem Expander 28 erzeugtes Drehmoment auf den Verdichter 30 übertragen wird. Die expandierten Abgase 44 werden am Auslass 64 abgegeben. Schematisch dargestellt ist hier eine Düse 12 in eine Volute 66 des Expanders 28 integriert mit der Druckluft aus einem Druckluftkreis 16 auf die Schaufeln 62 des Expanders 28 gerichtet werden kann. Ein hierdurch erzeugtes Drehmoment wirkt ebenfalls über die Welle 29 auf den Verdichter 30 und entlastet den Elektromotor 32.
2b zeigt eine Ansicht aus einer Blickrichtung auf den Einlass 60 des Expanders 28 auf den Expander 28 sowie die Anordnung der Düse 14 in der Volute 66 des Expanders 28 der Verdichter-Expander-Kombination 52 aus 2a. Schematisch ist hier dargestellt, dass die Düse 14 über das Ventil 12 aus einem Druckluftkreis 16 mit Druckluft versorgt wird. Gemäß dieser Ausführungsform wird das Ventil 12 über ein Bremssteuergerät 68 angesteuert, das das Ansteuersignal 48 zum Ansteuern des Ventils 12 von einem Brennstoffzellensteuergerät 27 empfängt. Im vorliegenden Fall entspricht das Bremssteuergerät 68 demnach der Steuerung 26 der erfindungsgemäßen Vorrichtung 10.
3 zeigt eine weitere Ausführungsform der Vorrichtung 10. Bei dieser Ausführungsform der 3 ist das Ventil 12 zusammen mit dem Bremssteuergerät 68, das die Steuerung 26 der erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 bildet, als Bestandteil einer Druckluftversorgungseinrichtung 70 eines Bremssystems 72 ausgebildet. Durch diesen Aufbau wird das Ventil 12 in einem gemeinsamen Gehäuse oder als integraler Bestandteil des Mehrkreisschutzventils 20 bereitgestellt. Das Brennstoffzellensteuergerät 27 führt das Ansteuersignal 48 somit dem Bremssteuergerät 68 zu, das wiederum das Ventil 12 öffnet und schließt. Druckluft wird über das Ventil 12 aus dem Nebenverbraucherkreis 18 der Düse 14 zugeführt.
4 zeigt eine weitere Ausführungsform, bei der das Ventil 12 der Vorrichtung 10 mit einem Anhänger- und Parkbremskreis 74 verbunden ist. Der Anhänger- und Parkbremskreis 74 versorgt ein Anhängerfahrzeug, das mit einem Zugfahrzeug, das die erfindungsgemäße Vorrichtung 10 aufweist, verbunden wird. Zusätzlich wird eine Parkbremse 75 des Zugfahrzeugs über den Anhänger- und Parkbremskreis 74 verbunden.
5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem die Düse 14 der Vorrichtung 10 mit einem Ablass 76 verbunden wird, der für eine Regeneration der Filter-Abscheide-Vorrichtung 24 bereitgestellt ist. Das Ansteuersignal 48 wird demnach von einem Brennstoffzellensteuergerät 27 bereitgestellt und ein im Mehrkreisschutzventil 20 bereitgestelltes Ventil 77 durch das Bremssteuergerät 68 angesteuert, um Luft in entgegengesetzter Richtung vom Mehrkreisschutzventil 20 zum Ablass 76 abzulassen. Dieses Ventil 77 entspricht somit dem Ventil 12 der Vorrichtung 10 und wird in Abhängigkeit vom Ansteuersignal 48 angesteuert. Jedes Mal, wenn die Düse 14 demnach den Expander 28 antreiben soll, findet eine Regeneration der Filter-Abscheide-Vorrichtung 24 statt. Gewöhnliche Regenerationszyklen müssen demnach nicht mehr stattfinden. Eine einfache Integration der Vorrichtung 10 ist somit möglich.
6 zeigt die Schritte eines Verfahrens 90 zum Betreiben einer Brennstoffzelle 38 mit einer Vorrichtung 10 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. In einem Schritt 100 wird ein Anforderungssignal 46 für die Brennstoffzelle 38 durch ein Brennstoffzellensteuergerät 27 empfangen. Im Schritt 102 wird basierend auf diesem Anforderungssignal 46 ein Verdichteranforderungssignal 47 für einen Anlauf des Verdichters 30 erzeugt. Im Schritt 104 wird außerdem ein Ansteuersignal 48 für das Ventil 12 erzeugt. Das Ansteuersignal 48 wird im Schritt 106 an ein Bremssteuergerät 68 gesendet. Im Schritt 108 öffnet oder schließt das Bremssteuergerät 68 das Ventil 12 in Abhängigkeit von dem Ansteuersignal 48. Darauf wird wieder Schritt 100 ausgeführt. In Schritt 104 wird zum Erzeugen des Ansteuersignals 48 für das Ventil 12 aus dem Anforderungssignal 46 in Schritt 110 geprüft, ob der Verdichter 30 stillsteht. In Schritt 112 wird geprüft, ob das Anforderungssignal 46 eine Anforderung für einen Anlauf des Verdichters 30 anzeigt. Sind diese beiden Bedingungen erfüllt, wird im Schritt 116 ein Ansteuersignal 48 für das Öffnen des Ventils 12 erzeugt. Außerdem wird im Schritt 104 in dem Fall, dass der Verdichter nicht stillsteht, was im Schritt 110 geprüft wurde, im Schritt 120 geprüft, ob das Anforderungssignal 46 einen Soll-Massenstrom 122 oder eine Soll-Drehzahl 123 anzeigt, die oberhalb eines vordefinierten Werts 124 höher als die Ist-Drehzahl 125 oder Ist-Massenstrom 126 des Verdichters 30 liegt. Im Schritt 116 wird ein Ansteuersignal 48 zum Öffnen des Ventils 12 erzeugt, wenn die Bedingung erfüllt ist. Die Schritte 110 bis 118 werden ausgeführt, wenn zuvor erkannt wurde, dass das Ventil 12 geschlossen ist. Ist demgegenüber erkannt worden, dass das Ventil 12 geöffnet wurde, wird entweder im Schritt 130 für eine vorbestimmte Dauer 132 das Ventil 12 geöffnet gelassen und im Schritt 134 ein Ansteuersignal 48 für das Ventil 12 zum Schließen erzeugt. Alternativ oder zusätzlich wird im Schritt 136 die Drehzahl 138 oder der Massenstrom 140 des Brennstoffzellensystems mit einer Soll-Drehzahl 123 oder einem Soll-Massenstrom 122 verglichen und bei Erreichen im Schritt 134 das Ventil 12 geschlossen. Hierzu wird wieder ein Ansteuersignal 48 für das Ventil 12 erzeugt, das ein Schließen des Ventils 12 anfordert.
Bezugszeichen (Teil der Beschreibung):

10: Vorrichtung
12: Ventil
14: Düse
16: Druckluftkreise
18: Nebenverbraucherkreis
20: Mehrkreisschutzventil
22: Kompressor
23: Motor
24: Filter-Abscheide-Vorrichtung
26: Steuerung
27: Brennstoffzellensteuergerät
28: Expander
29: Welle
30: Verdichter
32: Elektromotor
34: Umgebungsluft
36: Oxidationsmittel
38: Brennstoffzelle
40: Brennstoff
44: Abgase
46: Anforderungssignal
47: Verdichteranforderungssignal
48: Ansteuersignal
50: Verdichtersteuerung
52: Verdichter-Expander-Kombination
54: Gehäuse
56: Einlass
57: Drehachse
58: rotierende Schaufeln
59: Luft-Massenstrom
60: Einlass
62: Schaufeln des Expanders
64: Auslass
66: Volute
68: Bremssteuergerät
70: Druckluftversorgungseinheit
72: Bremssystem
74: Anhänger- und Parkbremskreis
75: Parkbremse
76: Ablass
77: Ventil
90: Verfahren
100 - 120: Schritte des Verfahrens
122: Soll-Massenstrom
123: Soll-Drehzahl
124: vordefinierter Wert
125: Ist-Drehzahl
126: Ist-Massenstrom
130: Schritt des Verfahrens
132: vorbestimmte Dauer
134 - 136: Schritte des Verfahrens
138: Drehzahl
140: Massenstrom

Claims

Vorrichtung (10) zum Betreiben einer Brennstoffzelle (38) zum Wandeln einer chemischen Reaktionsenergie eines Brennstoffs (40) und eines Oxidationsmittels (36) in elektrische Energie, umfassend: - einen Verdichter (30) zum Komprimieren des Oxidationsmittels (36) für die Brennstoffzelle (38), - einen Expander (28), der mit dem Verdichter (30) zum Bereitstellen von Energie aus einem Abgasstrom der Brennstoffzelle (38) zum Antreiben des Verdichters (30) gekoppelt ist, wobei der Expander (28) ein Gehäuse (54) umfasst, in dem mehrere Schaufeln (62) um eine Drehachse (57) drehbar angeordnet sind und - eine Düse (14), die im oder am Gehäuse (54) des Expanders (28) angeordnet und fluidleitend mit einem Druckluftkreis (16) verbindbar ist, um Druckluft aus dem Druckluftkreis (16) für den Expander (28) bereitzustellen.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 1, wobei die Vorrichtung (10) ein Ventil (12) umfasst, das zwischen dem Druckluftkreis (16) und der Düse (14) angeordnet ist, um eine fluidleitende Verbindung zwischen Druckluftkreis (16) und Düse (14) herzustellen oder zu blockieren.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Düse (14) in eine Volute (66) des Expanders (28) integriert ist.
Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Düse (14) derart angeordnet ist, dass eine Hauptrichtung des Luftstroms aus der Düse (14) im Wesentlichen tangential zur Drehachse des Expanders (28) verläuft, und vorzugsweise der Luftstrom im Wesentlichen mit einem Winkel von 80° bis 100°, bevorzugt mit einem Winkel von 85° bis 95°, besonders bevorzugt in einem Winkel von im Wesentlichen oder genau 90° auf Oberflächen der Schaufeln (62) trifft.
Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtung (10) eine Steuerung (26) umfasst, um das Ventil (12) in Abhängigkeit von einem Anforderungssignal (46) anzusteuern, wobei das Anforderungssignal (46) eingerichtet ist, eine Soll-Drehzahl (123) und/oder einen Soll-Massenstrom (122) des Verdichters (30) anzufordern.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 5, wobei die Steuerung (26) eingerichtet ist, das Ventil (12) zu öffnen, wenn - der Verdichter (30) stillsteht und das Anforderungssignal (46) eine Anforderung für einen Anlauf des Verdichters (30) anzeigt und/oder - der Verdichter (30) mit einer Ist-Drehzahl (125) dreht und das Anforderungssignal (46) eine Soll-Drehzahl (123) anzeigt, die höher als oder um einen vorbestimmten Wert (124) höher als die Ist-Drehzahl (125) ist oder - der Verdichter (30) einen Ist-Massenstrom (126) liefert und das Anforderungssignal (46) einen Soll-Massenstrom (122) anzeigt, der höher als oder um einen vorbestimmten Wert (124) höher als der Ist-Massenstrom (126) liegt.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 5 oder 6, wobei die Steuerung (26) eingerichtet ist, das Ventil (12) nach dem Öffnen zu schließen, wenn - das Ventil (12) für eine vordefinierte Dauer (132) geöffnet war, - der Verdichter (30) eine vorbestimmte Drehzahl erreicht hat, oder - der Verdichter (30) eine durch das Anforderungssignal (46) angezeigte Soll-Drehzahl (123) erreicht oder einen durch das Anforderungssignal (46) angezeigten Soll-Massenstrom (122) liefert.
Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtung (10) ein Brennstoffzellensteuergerät (27) umfasst, um das Anforderungssignal (46) zu erzeugen oder zu empfangen und in Abhängigkeit von dem Anforderungssignal (46) ein Ansteuersignal (48) zum Ansteuern des Ventils (12) zu erzeugen.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 8, wobei das Brennstoffzellensteuergerät (27) die Steuerung (26) zum Ansteuern des Ventils (12) ist.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 8, wobei die Steuerung (26) ein zum Ansteuern der Reibbremsen eines Fahrzeugs ausgebildetes Bremssteuergerät (68) eines Bremssystems (72) ist und vorzugsweise das Brennstoffzellensteuergerät (27) in Abhängigkeit von dem Anforderungssignal (46) ein Ansteuersignal (48) für das Ventil (12) an das Bremssteuergerät (68) zum Ansteuern des Ventils (12) überträgt.
Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Ventil (12) mit einem Mehrkreisschutzventil (20), insbesondere mit einem Nebenverbraucherkreis (18) oder einem Anhänger- und Parkbremskreis (74), verbunden ist oder die Düse (14) an einem Regenerationsablass (76) einer Filter-Abscheide-Vorrichtung (24) angeordnet ist, wobei vorzugsweise das Ventil (12) Bestandteil des Bremssystems (72), ist.
Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 2 bis 11, wobei das Ventil (12) ein 2/2-Ventil ist und vorzugsweise einen Druck von 7 bar bis 9 bar, vorzugsweise 8 bar, liefert.
Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtung (10) eine zweite Düse im Gehäuse (54) des Expanders (28) aufweist, die über ein zweites Ventil mit der Steuerung (26) ansteuerbar ist, um einen Luftstrom mit entgegengesetzter Richtung zum Luftstrom aus der ersten Düse (14) zu erzeugen.
Fahrzeug mit einer Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche und einer Brennstoffzelle (38).
Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzelle (38) mit einer Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 14, wobei mit einer Düse (14), die im Gehäuse (54) eines Expanders (28) angeordnet ist, Druckluft auf Schaufeln (62) des Expanders (28) aus einem Druckluftkreis (16) geführt wird.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei ein Ventil (12) zum fluidleitenden Verbinden des Druckluftkreises (16) mit der Düse (14) geöffnet wird, wenn - der Verdichter (30) stillsteht und ein Anforderungssignal (46) eine Anforderung für einen Anlauf des Verdichters (30) anzeigt und/oder - der Verdichter (30) mit einer Ist-Drehzahl (125) dreht und das Anforderungssignal (46) eine Soll-Drehzahl (123) anzeigt, die höher als oder um einen vorbestimmten Wert (124) höher als die Ist-Drehzahl (125) ist oder - der Verdichter (30) einen Ist-Massenstrom (126) liefert und das Anforderungssignal (46) einen Soll-Massenstrom (122) anzeigt, der höher als oder um einen vorbestimmten Wert (124) höher als der Ist-Massenstrom (125) liegt und das Ventil (12) geschlossen wird, nachdem es geöffnet wurde, wenn - das Ventil (12) für eine vordefinierte Dauer (132) geöffnet war, - der Verdichter (30) eine vorbestimmte Drehzahl erreicht hat, oder - der Verdichter (30) eine durch das Anforderungssignal (46) angezeigte Soll-Drehzahl (123) erreicht oder einen durch das Anforderungssignal (46) angezeigten Soll-Massenstrom (122) liefert.