EP4088333A1 - Verfahren zum betreiben eines brennstoffzellensystems - Google Patents

Verfahren zum betreiben eines brennstoffzellensystems

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EP4088333A1
EP4088333A1 EP20824469.9A EP20824469A EP4088333A1 EP 4088333 A1 EP4088333 A1 EP 4088333A1 EP 20824469 A EP20824469 A EP 20824469A EP 4088333 A1 EP4088333 A1 EP 4088333A1
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems mit einer Brennstoffzelle, der über einen elektromotorisch angetriebenen Luftverdichter verdichtete Luft zugeführt wird, dessen Arbeitsbereich in einem Kennfeld (20) darstellbar ist, das eine Pumpgrenze (26) und eine Stopfgrenze (28) aufweist und in einer Steuerung des elektromotorisch angetriebenen Luftverdichters hinterlegt ist. Um die Lebensdauer des Brennstoffzellensystems zu verlängern, wird mindestens ein Stromsignal im Betrieb des elektromotorisch angetriebenen Luftverdichters erfasst und mit einem in dem Kennfeld (20) hinterlegten Vorpumpgrenzwert (29) verglichen, wobei der elektromotorisch angetriebene Luftverdichter gezielt so angesteuert wird, dass ein ebenfalls in dem Kennfeld (20) hinterlegter Pumpgrenzwert im Betrieb des elektromotorisch angetriebenen Luftverdichters nicht erreicht wird.

Description

Beschreibung
Titel
Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems mit einer Brennstoffzelle, der über einen elektromotorisch angetriebenen Luftverdichter verdichtete Luft zugeführt wird, dessen Arbeitsbereich in einem Kennfeld darstellbar ist, das eine Pumpgrenze und eine Stopfgrenze aufweist und in einer Steuerung des elektromotorisch angetriebenen Luftverdichters hinterlegt ist. Die Erfindung betrifft des Weiteren ein derartiges Brennstoffzellensystem.
Stand der Technik
Aus dem amerikanischen Patent US 7,771,883 B2 ist ein Brennstoffzellensystem mit einem Kompressor bekannt, der einen Ladeluftstrom erzeugt, wobei in einer Steuerung des Motors ein Kompressorkennfeld des Kompressors gespeichert ist, wobei die Steuerung einen Auslassdruck und die Temperatur des Kompressors bestimmt, wobei aus der Drehzahl des Kompressors und einem Luftstromsignal von einem Massendurchflussmesser ein Ort auf dem Kompressorkennfeld bestimmt wird, an dem das System arbeitet, um zu verhindern, dass der Kompressor in einen Pumpzustand übergeht.
Offenbarung der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist es, das Betreiben eines Brennstoffzellensystems zu vereinfachen.
Die Aufgabe ist bei einem Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems mit einer Brennstoffzelle, der über einen elektromotorisch angetriebenen Luftverdichter verdichtete Luft zugeführt wird, dessen Arbeitsbereich in einem Kennfeld darstellbar ist, das eine Pumpgrenze und eine Stopfgrenze aufweist und in einer Steuerung des elektromotorisch angetriebenen Luftverdichters hinterlegt ist, dadurch gelöst, dass mindestens ein elektrisches Stromsignal im Betrieb des elektromotorisch angetriebenen Luftverdichters erfasst und mit einem in dem Kennfeld hinterlegten Vorpumpgrenzwert verglichen wird, wobei der elektromotorisch angetriebene Luftverdichter gezielt so angesteuert wird, dass ein ebenfalls in dem Kennfeld hinterlegter Pumpgrenzwert im Betrieb des elektromotorisch angetriebenen Luftverdichters nicht erreicht wird. Der Luftverdichter kann auch als Kompressor bezeichnet werden. In dem beanspruchten Verfahren werden vorausschauend Maßnahmen ergriffen, um das Erreichen der Pumpgrenze im Betrieb des elektromotorisch angetriebenen Luftverdichters zu vermeiden. Dadurch kann die Lebensdauer des Brennstoffzellensystems signifikant erhöht werden. Dabei wird das elektrische Stromsignal, mit dem der elektromotorisch angetriebene Luftverdichter angesteuert wird, gezielt so verändert, dass die Pumpgrenze im Betrieb des Luftverdichters nicht erreicht wird.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass in dem hinterlegten Kennfeld ein Druckverhältnis über einem Stromverhältnis mit Betriebspunkten des elektromotorisch angetriebenen Luftverdichters aufgetragen ist. Das Kennfeld wird vorteilhaft in Versuchen mit dem Brennstoffzellensystem erstellt, bevor das Brennstoffzellensystem mit dem elektromotorisch angetriebenen Luftverdichter in einem Serienbetrieb eingesetzt wird. Durch das Kennfeld kann der Steuerungs- und Regelungsaufwand im Betrieb des Brennstoffzellensystems wirksam reduziert werden.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Vorpumpgrenzkurve um einen Sicherheitsabstandsbereich von der Pumpgrenze beabstandet ist. Über eine geeignete Auswahl der Größe des Sicherheitsabstandsbereichs kann mit relativ geringem Aufwand erreicht werden, dass die Vorpumpgrenze im Betrieb des elektromotorisch angetriebenen Luftverdichters nie oder so gut wie nie erreicht wird. Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass das Kennfeld verwendet wird, um eine Position eines Betriebspunktes des elektromotorisch angetriebenen Luftverdichters relativ zu der Pumpgrenze des elektromotorisch angetriebenen Luftverdichters zu bestimmen. Dann kann mit geringem Aufwand durch einen einfachen Vergleich ermittelt werden, ob die vorab beschriebenen vorausschauenden Maßnahmen ergriffen werden müssen.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Stromsignal verändert wird, um den Betriebspunkt des elektromotorisch angetriebenen Luftverdichters relativ zu der Pumpgrenze anzupassen. Hier kann gegebenenfalls iterativ beziehungsweise schrittweise vorgegangen werden, um das Erreichen der Pumpgrenze ohne größere Wirkungsgradverluste zu verhindern.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass der elektromotorisch angetriebene Luftverdichter eine permanent erregte Synchronmaschine umfasst. Die permanent erregte Synchronmaschine wird vorteilhaft mit unterschiedlichen elektrischen Strömen, Stromsignalen beziehungsweise unterschiedlichen Frequenzen angesteuert, um das Erreichen der Pumpgrenze im Betrieb des elektromotorisch angetriebenen Luftverdichters zu verhindern.
Bei einem Brennstoffzellensystem mit einer Brennstoffzelle, der über einen elektromotorisch angetriebenen Luftverdichter verdichtete Luft zugeführt wird, dessen Arbeitsbereich in einem Kennfeld darstellbar ist, das eine Pumpgrenze und eine Stopfgrenze aufweist und in einer Steuerung des elektromotorisch angetriebenen Luftverdichters hinterlegt ist, ist die oben angegebene Aufgabe alternativ oder zusätzlich dadurch gelöst, dass das Kennfeld eine Vorpumpgrenzkurve umfasst, die von einem Stromverhältnis und von einem Druckverhältnis eines elektromotorischen Antriebs des Luftverdichters abhängt. So kann das Erreichen der Pumpgrenze im Betrieb des Brennstoffzellensystems auf einfache Art und Weise sicher verhindert werden. Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Brennstoffzellensystems ist dadurch gekennzeichnet, dass der elektromotorische Antrieb des Luftverdichters eine permanent erregte Synchronmaschine umfasst, die in Abhängigkeit von einer Position eines Betriebspunktes in dem Kennfeld mit unterschiedlichen Frequenzen angesteuert wird. So kann ohne großen steuerungstechnischen beziehungsweise regelungstechnischen Aufwand das Erreichen der Pumpgrenze im Betrieb des elektromotorisch angetriebenen Luftverdichters verhindert werden.
Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Computerprogrammprodukt mit einem Computerprogramm, das Softwaremittel zum Durchführen eines vorab beschriebenen Verfahrens aufweist, wenn das Computerprogramm auf einem Computer ausgeführt wird. Bei dem Computer handelt es sich zum Beispiel um eine Steuerung für den elektromotorischen Antrieb des Luftverdichters in dem Brennstoffzellensystem.
Bei einem Kennfeld für ein Brennstoffzellensystem mit einer Brennstoffzelle, der über einen elektromotorisch angetriebenen Luftverdichter verdichtete Luft zugeführt wird, dessen Arbeitsbereich in dem Kennfeld darstellbar ist, das eine Pumpgrenze und eine Stopfgrenze aufweist und in einer Steuerung des elektromotorisch angetriebenen Luftverdichters hinterlegt ist, ist die oben angegebene Aufgabe alternativ oder zusätzlich dadurch gelöst, dass in dem Kennfeld ein Druckverhältnis über einem Stromverhältnis mit Betriebspunkten des elektromotorisch angetriebenen Luftverdichters und mit einer Vorpumpgrenzkurve aufgetragen ist.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung verschiedene Ausführungsbeispiele im Einzelnen beschrieben sind.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Es zeigen: Figur 1 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems mit einer Brennstoffzelle und einem elektromotorisch angetriebenen Luftverdichter und mit einer Drucksensoreinrichtung;
Figur 2 ein ähnliches Brennstoffzellensystem wie in Figur 1 ohne die Drucksensoreinrichtung, aber mit einer Messeinrichtung zur Messung eines der Brennstoffzelle zugeführten Luftmassenstroms;
Figur 3 ein Kennfeld mit einer Pumpgrenze, einer Stopfgrenze und einer Vorpumpgrenze, das in einer Steuerung des Brennstoffzellensystems aus den Figuren 1 und 2 hinterlegt wird;
Figur 4 ein kartesisches Koordinatendiagramm, in welchem der Verlauf eines elektrischen Stromsignals über der Zeit aufgetragen ist; und
Figur 5 eine ähnliche Darstellung wie in Figur 4 mit einem veränderten Stromsignal.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
In den Figuren 1 und 2 ist schematisch ein Brennstoffzellensystem 1 mit einer Brennstoffzelle 2 und einem elektromotorisch angetriebenen Luftverdichter 3 dargestellt. Zur Bezeichnung gleicher oder ähnlicher Teile werden die gleichen Bezugszeichen verwendet. Das Brennstoffzellensystem 1 ist so oder so ähnlich aufgebaut wie das in dem eingangs gewürdigten amerikanischen Patent US 7,771,883 B2 offenbarte Brennstoffzellensystem.
Durch einen Pfeil 4 ist in den Figuren 1 und 2 Luft angedeutet, die dem Luftverdichter 3 über einen Luftfilter 5 zugeführt wird. Der Luftverdichter 5 ist durch einen elektromotorischen Antrieb 6 angetrieben. Der elektromotorische Antrieb 6 ist als permanent erregte Synchronmaschine 8 mit einer Steuerung 7 ausgeführt.
Am Luftaustritt der Brennstoffzelle 2 ist eine Ventileinrichtung 9 angeordnet. Die vorab beschriebenen Merkmale sind bei dem in den Figuren 1 und 2 dargestellten Brennstoffzellensystem 1 gleich ausgeführt. Im Folgenden wird auf die Unterschiede zwischen dem in den Figuren 1 und 2 dargestellten Brennstoffzellensystem 1 eingegangen.
Das in Figur 1 gezeigte Brennstoffzellensystem 1 umfasst eine Drucksensoreinrichtung 10, mit welcher der Druck der verdichteten Luft erfasst wird, die der Brennstoffzelle 2 von dem Luftverdichter 3 zugeführt wird. Durch einen Pfeil 11 ist angedeutet, dass die Steuerung 7 des elektromotorischen Antriebs 6 steuerungsmäßig mit der Drucksensoreinrichtung 10 verbunden ist. Durch einen Pfeil 12 ist angedeutet, dass die Steuerung 7 steuerungsmäßig mit der Ventileinrichtung 9 verbunden ist.
Bei dem in Figur 2 dargestellten Brennstoffzellensystem 1 ist anstelle der Drucksensoreinrichtung (10 in Figur 1) eine Messeinrichtung 14 vorgesehen, mit welcher ein Luftmassenstrom zwischen dem Luftfilter 5 und dem Luftverdichter 3 erfasst wird. Durch einen Pfeil 15 ist in Figur 2 angedeutet, dass die Steuerung 7 des elektromotorischen Antriebs 6 steuerungsmäßig mit der Messeinrichtung 14 verbunden ist.
In Figur 3 ist in einem kartesischen Koordinatendiagramm ein Kennfeld 20 zum Betrieb des elektromotorisch angetriebenen Luftverdichters (3 in den Figuren 1 und 2) dargestellt. Auf einer x-Achse 21 ist ein Stromverhältnis I zu lmax aufgetragen. Auf einer y-Achse 22 ist ein Druckverhältnis p zu pmax aufgetragen.
In dem Kennfeld 20 sind beispielhaft drei Betriebspunkte 23, 24, 25 im Betrieb des Luftverdichters eingezeichnet. Das Kennfeld 20 umfasst eine Pumpgrenze 26 und eine Stopfgrenze 28. Darüber hinaus umfasst das Kennfeld 20 eine Vorpumpgrenzkurve 27. Die Vorpumpgrenzkurve 27 ist von der Pumpgrenze 26 beabstandet.
In den Figuren 4 und 5 sind zwei weitere kartesische Koordinatendiagramme dargestellt. Auf einer x-Achse 31 ist eine Zeit in einer geeigneten Zeiteinheit aufgetragen. Auf einer y-Achse 32 ist eine Frequenz eines Stromsignals pro Zeiteinheit aufgetragen. In den beiden Diagrammen sind Verläufe von zwei Stromsignalen 33, 34 mit unterschiedlichen Frequenzen dargestellt. Ein Betrieb des Luftverdichters 3, der auch als Kompressor bezeichnet wird, in der Nähe der Pumpgrenze 26 soll vermieden werden. Die Ansteuerung der permanent erregten Synchronmaschine 8, die den elektromotorischen Antrieb 6 des Luftverdichters 3 darstellt, erfolgt mittels eines geregelten Drehfeldes für den elektrischen Strom, wie in den Figuren 4 und 5 angedeutet ist. Der elektrische Strom und die Permanentmagnete der permanent erregten Synchronmaschine 8 ergeben dann ein mechanisches Moment zum Verdichten der angesaugten Luft 4.
Aus Druck und Temperatur oder direkt aus dem gemessenen Luftmassenstrom des Luftverdichters 3, sowie der bekannten Frequenz des Stromsignals 33, 34 werden Betriebspunkte 23 bis 25 des Luftverdichters 3 bestimmt. Der jeweilige Betriebspunkt, zum Beispiel 24, wird dann mit dem in der Steuerung 7 gespeicherten Kennfeld 20 verglichen.
Falls der Betriebspunkt in der Nähe der Vorpumpgrenzkurve 27 liegt, kann die Frequenz des Drehfelds angepasst werden, um in einem geeigneten Sicherheitsabstand zu der Pumpgrenze 26 zu bleiben.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems (1) mit einer Brennstoffzelle (2), der über einen elektromotorisch angetriebenen Luftverdichter (3) verdichtete Luft (4) zugeführt wird, dessen Arbeitsbereich in einem Kennfeld (20) darstellbar ist, das eine Pumpgrenze (26) und eine Stopfgrenze (28) aufweist und in einer Steuerung (7) des elektromotorisch angetriebenen Luftverdichters (3) hinterlegt ist, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein elektrisches Stromsignal (33,34) im Betrieb des elektromotorisch angetriebenen Luftverdichters(3) erfasst und mit einem in dem Kennfeld (20) hinterlegten Vorpumpgrenzwert (29) verglichen wird, wobei der elektromotorisch angetriebene Luftverdichter (3) gezielt so angesteuert wird, dass ein ebenfalls in dem Kennfeld (20) hinterlegter Pumpgrenzwert (30) im Betrieb des elektromotorisch angetriebenen Luftverdichters (3) nicht erreicht wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in dem hinterlegten Kennfeld (20) ein Druckverhältnis über einem Stromverhältnis mit Betriebspunkten (23,24,25) des elektromotorisch angetriebenen Luftverdichters (3) aufgetragen ist.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vorpumpgrenzkurve (27) um einen Sicherheitsabstandsbereich von der Pumpgrenze (26) beabstandet ist.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kennfeld (20) verwendet wird, um eine Position eines Betriebspunktes (24) des elektromotorischen angetriebenen Luftverdichters (3) relativ zu der Pumpgrenze (26) des elektromotorisch angetriebenen Luftverdichters (3) zu bestimmen.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Stromsignal (33,34) verändert wird, um den Betriebspunkt (24) des elektromotorisch angetriebenen Luftverdichters (3) relativ zu der Pumpgrenze (26) anzupassen.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der elektromotorisch angetriebene Luftverdichter (3) eine permanent erregte Synchronmaschine (8) umfasst.
7. Brennstoffzellensystem (1) mit einer Brennstoffzelle (2), der über einen elektromotorisch angetriebenen Luftverdichter(3) verdichtete Luft (4) zugeführt wird, dessen Arbeitsbereich in einem Kennfeld (20) darstellbar ist, das eine Pumpgrenze (26) und eine Stopfgrenze (28) aufweist und in einer Steuerung des elektromotorisch angetriebenen Luftverdichters (3) hinterlegt ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Kennfeld (20) eine Vorpumpgrenzkurve (27) umfasst, die von einem Stromverhältnis und von einem Druckverhältnis eines elektromotorischen Antriebs (6) des Luftverdichters (3) abhängt.
8. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der elektromotorische Antrieb (6) des Luftverdichters (3) eine permanent erregte Synchronmaschine (8) umfasst, die in Abhängigkeit von einer Position eines Betriebspunktes (24) in dem Kennfeld (20) mit unterschiedlichen Frequenzen (33,34) angesteuert wird.
9. Computerprogrammprodukt mit einem Computerprogramm, das Softwaremittel zum Durchführen eines vorab beschriebenen Verfahrens aufweist, wenn das Computerprogramm auf einem Computer ausgeführt wird.
10. Kennfeld (20) für ein Brennstoffzellensystem (1) mit einer Brennstoffzelle (2), der über einen elektromotorisch angetriebenen Luftverdichter (3) verdichtete Luft (4) zugeführt wird, dessen Arbeitsbereich in dem Kennfeld (20) darstellbar ist, das eine Pumpgrenze (26) und eine Stopfgrenze (29) aufweist und in einer Steuerung (7) des elektromotorisch angetriebenen Luftverdichters (3) hinterlegt ist, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Kennfeld (20) ein Druckverhältnis über einem Stromverhältnis mit Betriebspunkten (23,24,25) des elektromotorisch angetriebenen Luftverdichters (3) und mit einer Vorpumpgrenzkurve (27) aufgetragen ist.
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