EP4348741A1 - Brennstoffzellensystem zum antrieb eines fahrzeugs - Google Patents

Brennstoffzellensystem zum antrieb eines fahrzeugs

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Publication number
EP4348741A1
EP4348741A1 EP22729459.2A EP22729459A EP4348741A1 EP 4348741 A1 EP4348741 A1 EP 4348741A1 EP 22729459 A EP22729459 A EP 22729459A EP 4348741 A1 EP4348741 A1 EP 4348741A1
Authority
EP
European Patent Office
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bearing
electric motor
fuel cell
cell system
rotor shaft
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP22729459.2A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Janik RICKE
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
ZF CV Systems Global GmbH
Original Assignee
ZF CV Systems Global GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by ZF CV Systems Global GmbH filed Critical ZF CV Systems Global GmbH
Publication of EP4348741A1 publication Critical patent/EP4348741A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04746—Pressure; Flow
    • H01M8/04776—Pressure; Flow at auxiliary devices, e.g. reformer, compressor, burner
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C32/00—Bearings not otherwise provided for
    • F16C32/06—Bearings not otherwise provided for with moving member supported by a fluid cushion formed, at least to a large extent, otherwise than by movement of the shaft, e.g. hydrostatic air-cushion bearings
    • F16C32/0603—Bearings not otherwise provided for with moving member supported by a fluid cushion formed, at least to a large extent, otherwise than by movement of the shaft, e.g. hydrostatic air-cushion bearings supported by a gas cushion, e.g. an air cushion
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C33/00—Parts of bearings; Special methods for making bearings or parts thereof
    • F16C33/02—Parts of sliding-contact bearings
    • F16C33/04—Brasses; Bushes; Linings
    • F16C33/06—Sliding surface mainly made of metal
    • F16C33/10—Construction relative to lubrication
    • F16C33/1005—Construction relative to lubrication with gas, e.g. air, as lubricant
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
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    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H—ELECTRICITY
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    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
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    • H01M8/04425—Pressure; Ambient pressure; Flow at auxiliary devices, e.g. reformers, compressors, burners
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y02E60/50—Fuel cells
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T90/00—Enabling technologies or technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02T90/40—Application of hydrogen technology to transportation, e.g. using fuel cells

Definitions

  • the present invention relates to a fuel cell system for driving a vehicle, in particular a commercial vehicle, with a compressor, in particular a turbo compressor, for supplying air to a fuel cell on the cathode side, the compressor having an electric motor, a rotor shaft which is operatively connected to the electric motor in order to be driven in rotation by means of the electric motor and has a bearing arrangement which rotatably supports the rotor shaft in the compressor, the bearing arrangement having at least one air bearing with an air gap, which supports the rotor shaft in the compressor with a gap and is set up to do so when the rotor shaft reaches or exceeds a predetermined lift-off speed form a circumferential air gap.
  • Fuel cell systems play a prominent role here.
  • fuel cell systems In hydrogen-operated fuel cell systems, it is necessary to supply oxygen to the fuel cell on the cathode side, mostly in the form of pressurized air.
  • Fuel cell systems are known in which the air supply on the cathode side is taken over by a compressor, in particular a turbo compressor.
  • the compressors commonly used have a rotor shaft that is driven by an electric motor.
  • the rotor shafts in the compressors of such systems reach very high speeds, so that the bearing of the rotor shafts is of central importance.
  • Air bearings with aerodynamic air bearings have prevailed, which form a constant circumferential air gap when they reach their bearing-specific lift-off speed and thus put themselves in a state of levitation offset.
  • the advantage of such air bearings is extremely low friction above the lift-off speed.
  • the air bearings are also among the most sensitive parts of a compressor in fuel cell systems. If the rotating parts, preferably the rotor shaft or rotating parts connected to it, such as rotating bearing shells, touch parts that are in operation, such as stationary bearing shells, sliding friction occurs and thus wear, for example in the bearings. Since the optimum air supply to the fuel cell can no longer be guaranteed when the bearings are worn in extreme situations, the bearings must be replaced or serviced in good time, so that the life expectancy of a bearing is a determining factor for the length of the maintenance intervals for the compressor and thus for the fuel cell systems. Known fuel cell systems use bearings with a service life of approximately 8,000 to 9,000 operating hours.
  • the invention was therefore based on the object of overcoming the challenges described above as far as possible.
  • the invention was based on the object of specifying a fuel cell system of the type described initially, in which the maintenance intervals can be extended.
  • the object of the invention was in particular to improve the longevity of the bearings in such systems.
  • the invention solves the task on which it is based in a fuel cell system of the type described at the beginning, in that the compressor has an air bearing flow path, in particular for compressed air, which opens into the bearing gap and has an interface for fluid-conducting connection to a compressed air supply of the vehicle, and the fuel cell system further has a controllable shut-off element, which is arranged in the air bearing flow path between the compressed air supply and the bearing gap and is set up to selectively block and open the air bearing flow path, and in which the fuel cell system has a control unit which communicates signals with the Electric motor for controlling it and connected to the obturator and set up to open and lock the obturator depending on each other and to control the electric motor.
  • control of the electric motor is to be understood according to the invention as meaning that the electric motor is to take place both directly and indirectly with the participation and/or interposition of other components such as power electronics in a generally known manner, with individual, several or all components of such power electronics being dedicated components or can be components integrated into the electric motor or compressor.
  • This also includes the use of the necessary signal transmission means, by means of which the power electronics, the electric motor, and the control unit communicate.
  • the invention follows the basic approach of switching the operating state of the electric motor depending on the presence of compressed air support in the bearing gap and, conversely, being able to switch the compressed air support on or off depending on the operating state of the electric motor.
  • the rotational speed of the rotor shaft is a relevant control parameter that is representative of the operating condition of the electric motor.
  • the invention proposes in this connection to support the bearing arrangement by additionally blowing pressurized air into the bearing gap by means of the air bearing flow path when the electric motor is to be activated. By additionally blowing compressed air into the bearing gap, the frictional force acting between the components is reduced, and thus also the wear.
  • pressurized air can be blown into the bearing gap in a very targeted manner at those points in time when due to the speed, the otherwise expected wear on the bearings is greatest, namely when the compressor is starting up from standstill and when the compressor is stopping at standstill, when the speed of the rotor shaft falls or falls below the lift-off speed in particular. This measure can more than double the service life of air bearings.
  • the bearing arrangement has two or more air bearings, each of which has a bearing gap with access to the air bearing flow path and shut-off element assigned to it.
  • Dedicated valves can be used, or a common valve for all flow paths.
  • the lift-off speed of the air bearing or bearings can be determined experimentally or with the aid of a computer for each bearing in connection with the respective rotating mass, i.e. the rotor shaft, and stored in the control unit.
  • a multi-way valve is preferably provided as the shut-off element, for example a 2/2-way valve, which can be controlled by the control unit in a wired or wireless manner and for this purpose can be connected to the control unit in a signal-conducting manner.
  • control unit can be a dedicated control unit or a module implemented in the control unit of the compressor in terms of software or hardware.
  • the control unit can be designed as a module implemented in the fuel cell control system in terms of software or hardware.
  • the control unit can be integrated into a brake control unit of the vehicle, in particular a trailer or brake control unit, in terms of hardware or software
  • Towing vehicle brake control unit integrated or designed as such a device.
  • control unit is set up to start the electric motor at a desired start of drive at the same time as a To control opening of the obturator for driving the rotor shaft.
  • This type of control is very easy to implement in terms of circuitry or programming and, with each switch-on process that causes the electric motor to start, ensures additional support of the air bearings by means of compressed air blown into the bearing gap.
  • control unit is set up to first open the shut-off element when the rotor shaft is to start driving in order to convey pressurized air into the bearing gap and only then to activate the electric motor to drive the rotor shaft.
  • the weight acting on the contact point between the rotating parts, preferably the rotor shaft or shaft-side bearing shells or counterparts, and stationary parts such as housing-side bearing shells or counterparts, is already supported by blowing in the air before the electric motor starts rotating the Rotor shaft initiates. Air is particularly preferably blown into the bearing gap to a sufficient extent for the rotor shaft to be lifted off. To this end, it can be advantageous to blow pressurized air into the bearing gap from a plurality of circumferentially distributed inlet openings.
  • control unit is set up to activate the electric motor only after a predetermined period of time has elapsed following the opening of the shut-off element, the period of time preferably being representative of a necessary time until an expected first lifting of the rotor shaft by the introduced or injected compressed air.
  • the length of time that elapses before the rotor shaft lifts off for the first time simply by blowing in pressurized air can be determined empirically in preliminary tests and stored in the control unit as a control parameter.
  • a mass flow sensor is assigned to the air bearing flow path, and the control unit is connected in a signal-conducting manner to the mass flow sensor and set up to activate the electric motor only after a predetermined amount of compressed air has been conveyed into the bearing gap, the predetermined amount of compressed air preferably being representative of a necessary amount of compressed air up to a first lifting of the rotor shaft.
  • the quantity of air blown into the bearing gap can be empirically determined by means of a mass flow sensor, after which a first lifting is recorded.
  • a pressure sensor is preferably assigned to the air bearing flow path, and the control unit is connected to the pressure sensor in a signal-conducting manner and is set up to activate the electric motor only after a predetermined pressure, so-called support pressure, has been reached, the predetermined pressure being representative for a necessary pressure in the bearing gap to lift the rotor shaft.
  • the supporting pressure is preferably in a range of 4 bar or more, more preferably 6 bar or more, particularly preferably 8 bar or more.
  • the mass flow and/or pressure sensor is preferably arranged either in the housing-internal part of the air bearing flow path or upstream of the compressor housing in the air bearing flow path, for example at the interface for connecting to the compressed air supply or in the compressed air supply.
  • a rotating part preferably the rotor shaft or a shaft-side bearing shell of the air bearing, and a stationary part of the compressor, preferably a housing-side bearing shell of the air bearing, are operatively connected to a contact sensor which is designed to detect a lifting of the rotating part from the stationary part can be seen, and the control unit is connected to the contact sensor in a conducting manner and is set up to only control the electric motor to drive the rotor shaft after the contact sensor is on detected lifting of the rotating part.
  • the contact sensor is accordingly preferably set up to detect a change in the respective electrical variable and can, for example, signal a lifting to the control device if the current flowing through the contact falls below a threshold value or the voltage or capacitance exceeds certain threshold values.
  • the fuel cell system has a measuring device for detecting field strength changes in the field of the electric motor, the measuring device being connected to the control unit in a signal-conducting manner and the control unit being set up to detect a lifting of the rotor shaft based on the transmitted signals based on the field strength change.
  • the rotor shaft acts like an electromagnetic core in the electric motor, and the change in its position causes a detectable change in field strength.
  • control unit is set up to only block the shut-off device again after the start of activation of the electric motor for driving the rotor shaft when the rotor shaft has reached or exceeded the lift-off speed.
  • the electric motor is preferably operatively connected to power electronics and is controlled by means of the power electronics.
  • the power electronics preferably includes an inverter. The operating information of the power electronics can be read out and the rotational speed of the rotor shaft can be determined from them in a generally known manner.
  • control unit is set up to open the shut-off element when the drive of the electric motor is to be stopped, ie during operation, before the speed drops below the lift-off speed, preferably precisely when the lift-off speed is reached.
  • the same anti-wear effect that can be achieved at start-up of the electric motor is also achieved at the end of compressor operation by reactivating the additional air assist over the compressed air flow path into the bearing gap as the rotor shaft speed decreases and lift-off speed approaches, this time coming from above - i.e. a range of higher speeds - is approaching.
  • the lift-off speed is reached, before the rotating parts on the rotor shaft can come into contact with the stationary parts of the compressor again, the air cushion formed in the bearing gap by the additional air blown in takes over the support task and enables further braking of the rotor shaft without wear.
  • control unit is set up to block the shut-off element only when the rotational speed of the rotor shaft is in a range below 500 rpm , preferably below 200 rpm , more preferably below 100 rpm . particularly preferably below 50 min -1 and in particular at 0.
  • the air bearing is an axial bearing or a radial bearing. More preferably, the bearing arrangement has both one or more axial air bearings and one or more radial air bearings, one, several or all of the air bearings preferably each having one or a common bearing gap fluidly connected to the air bearing flow path.
  • the air bearing is preferably an aerostatic bearing, and the bearing arrangement also preferably has at least one aerodynamic bearing, which is preferably designed as a foil bearing, such as a leaf type or bump type, or as a spiral groove bearing, such as a radial or axial spiral groove bearing.
  • the aerodynamic bearing, or preferably the plurality of aerodynamic bearings is/are preferably located adjacent to the aerostatic bearing. In preferred embodiments, the aerostatic bearing and the aerodynamic bearing share the bearing gap.
  • the bearing arrangement has at least two aerostatic bearings and at least two aerodynamic bearings.
  • a filter in particular an oil filter and/or a particle filter, is assigned to the air bearing flow path.
  • the oil filter and/or the particle filter are preferably arranged in the flow path between the interface for the compressed air supply and the bearing gap or upstream of the interface between the interface and the compressed air supply, preferably upstream of the shut-off element.
  • the compressed air supply for example, for a brake system of the vehicle—has one or more filters, so that the compressed air which is supplied to the air bearing flow path is already present in filtered form.
  • the air bearing flow path is then preferably designed without a filter.
  • the invention relates to a vehicle, in particular a commercial vehicle a fuel cell system for driving the vehicle, and a compressed air supply, which is set up to provide pressurized air for pneumatic consumers of the vehicle.
  • the invention solves the problem on which it is based by proposing that the fuel cell system is designed according to one of the preferred embodiments described above, and the air bearing flow path is fluidly connected to the compressed air supply in such a way that when the shut-off element is open, pressurized air flows into the bearing gap.
  • the invention makes use of the same advantages and preferred embodiments as the fuel cell system according to the first aspect, which is why reference is made to the above explanations to avoid repetition.
  • the vehicle's compressed air supply is configured to supply compressed air to a plurality of vehicle compressed air circuits, and the air bearing flow path is fluidly connected to one of these compressed air circuits.
  • the invention takes advantage of the fact that the vehicle already has a compressor and an air treatment device in its compressed air supply, for example to supply the vehicle brakes and possibly other systems such as air suspension, a gearbox, etc.
  • the air bearing flow path uses synergy effects by one of the compressed air circuits draws the required compressed air.
  • the various compressed air circuits of the vehicle are usually differentiated in terms of their safety relevance and the type of components to be controlled and supplied.
  • Safety-relevant compressed air circuits regulate, for example, the brake functions or support the vehicle or the vehicle's gear shifting processes.
  • Not Safety-relevant compressed air circuits are used to supply compressed air to so-called secondary consumers.
  • compressed air circuits are used to supply compressed air to any vehicle trailers (trailer supply).
  • the air bearing flow path is preferably connected in a fluid-conducting manner to a compressed air circuit for secondary consumers that are not safety-relevant.
  • the invention relates to a method for operating a fuel cell system of a vehicle, in particular a commercial vehicle, the fuel cell system being designed in particular according to one of the preferred embodiments described above.
  • the proposed procedure includes the steps:
  • the method is advantageously further developed by comprising one, several or all of the following steps:
  • the period of time is preferably representative of a time necessary to an expected first lift-off of the rotor shaft
  • the predetermined pressure preferably being representative of a necessary pressure for the first lifting of the rotor shaft
  • the invention relates to a control device for a fuel cell system of a vehicle, in particular a fuel cell system according to one of the embodiments described above.
  • the controller can be a dedicated controller for a compressor, or a controller for the fuel cell, or a stand-alone controller.
  • the control unit can be implemented as a module in hardware or software in other control units, for example in a brake control unit, in particular a trailer or Towing vehicle brake control unit, a compressor control unit, or the fuel cell control.
  • the control device can also be in the form of such a device as previously described.
  • the control unit is set up to execute the method according to one of the preferred embodiments described above, and for this purpose has, for example, a data memory in which instructions for executing the method of the preferred embodiments described above are stored, and a processor which is set up to use the commands stored in the data memory to execute the method according to one of the preferred embodiments described above.
  • a data memory in which instructions for executing the method of the preferred embodiments described above are stored
  • a processor which is set up to use the commands stored in the data memory to execute the method according to one of the preferred embodiments described above.
  • the invention relates to a computer program product.
  • the invention solves the problem described at the outset in that the computer program product contains instructions which, when executed on a computer, cause the computer to form a control device according to one of the preferred embodiments described above and/or the method according to one of the preferred embodiments described above perform preferred embodiments.
  • the computer program product may be in computer-readable medium or in downloadable form.
  • 1 shows a schematic representation of a fuel cell system according to a preferred exemplary embodiment
  • 2 shows a schematic representation of a method for operating a fuel cell system according to the preferred exemplary embodiment.
  • a fuel cell system 100 is shown in FIG. 1 .
  • the fuel cell system 100 shown here functions essentially like previously known fuel cell systems with the exception of the aspects of the invention described here.
  • the fuel cell system 100 has a fuel cell 101 .
  • the fuel cell 101 has an oxygen supply 102 on the cathode side and a hydrogen supply 104 on the anode side.
  • the anode-side hydrogen supply 104 is fluidly connected to a hydrogen supply in a manner that is not shown.
  • the cathode-side oxygen supply 102 is connected to a compressor 1 in a fluid-conducting manner.
  • the compressor 1 shown in FIG. 1 has at least one compressor stage 2 .
  • the compressor 1 can also be designed as a multi-stage compressor, but the explanation of just one compressor stage is sufficient for understanding the invention.
  • the compressor stage 2 is connected in a fluid-conducting manner to an oxygen supply 4 and is set up to compress the gas or mixture of substances supplied to it, usually air, and to deliver it at increased pressure in the direction of the fuel cell 101 .
  • the compressor 1 has an electric motor 3 with a stator 5 and a rotor 7 for operating the compressor stage 2 .
  • the rotor 7 is coupled to a rotor shaft 9 which is driven in rotation by the electric motor 3 .
  • the electric motor 3 can be controlled by means of power electronics 8, for example.
  • the rotor shaft 9 is rotatably mounted in a compressor housing 10 by means of a bearing assembly 11, the bearing assembly 11 having at least one aerodynamic-aerostatic axial bearing 11a and two aerostatic radial air bearings 11b. Furthermore, the bearing arrangement 11 has two aerodynamic radial air bearings 11c.
  • At least the radial air bearings 11b, 11c each have a bearing gap 13, which is not completely circumferential when the rotor shaft 9 is stationary, but at least at certain points due to the rotor shaft 9 or bearing shells arranged correspondingly on the rotor shaft resting against the corresponding parts of the air bearings 11a, b, c is interrupted.
  • the aerostatic radial air bearings 11b and the aerodynamic radial air bearings 11c are each spaced apart from one another by a track disk 15 with ventilation openings.
  • An air bearing flow path 17 opens into each of the bearing gaps 13 and can be fluidly connected to a compressed air supply 200 via an interface 19 arranged on the compressor housing 10 in order to make pressurized air L available to the air bearing flow path.
  • the compressed air supply 200 can be a dedicated compressed air supply with an accumulator and/or a compressor (both not shown).
  • the compressed air supply 200 is particularly preferably integrated into a compressed air supply system of the vehicle 300, for example with its own compressor (not shown) and its own air treatment device (not shown).
  • the compressed air supply system is provided, for example, to supply the vehicle brakes and possibly other systems such as air suspension, a transmission, etc., and has one or more compressed air circuits 201 for this purpose.
  • the fuel cell system can, for example, draw pressurized air L from a compressed air circuit 203 for non-safety-related secondary consumers.
  • the air bearing flow path 17 has a filter 27 upstream of the interface 19, which can be, for example, an oil filter 27a or a particle filter 27b (hereinafter collectively 27).
  • the filter 27 ensures that technically clean air, especially oil-free air, can get into the compressor 1 , but dirt and contaminants, especially oil, are prevented from entering the compressor 1 .
  • a shut-off element 21 is preferably also arranged, in the exemplary embodiment between the interface 19 and the filter 27.
  • the shut-off element 21 is set up to be switched back and forth selectively between an open position and a blocking position, in which Blocking slope a fluid flow through the air bearing flow path 17 is prevented in the bearing column 13 and released in the open position.
  • a sensor 23 is preferably arranged in the air bearing flow path 17 .
  • the sensor 23 can be designed, for example, as a mass flow sensor 23a for detecting a mass flow m, or as a pressure sensor 23b for detecting a pressure pi_.
  • the fuel cell system 100 has a control unit 103 .
  • the control unit 103 can be a dedicated control unit, a (part of) a brake control unit(s) 103a, compressor control unit(s) 103b or the fuel cell control unit 103c.
  • a brake control unit(s) 103a a brake control unit
  • compressor control unit(s) 103b a compressor control unit
  • the fuel cell control unit 103c a dedicated control unit, a (part of) a brake control unit(s) 103a, compressor control unit(s) 103b or the fuel cell control unit 103c.
  • the compressor 1 has a contact sensor 25, which in the exemplary embodiment shown is formed on a part 9a rotating with the rotor shaft 9, for example one of the aerodynamic radial air bearings 11c, in order to detect the lifting of the rotating part 9a moving with the rotor shaft 9, for example a Bearing inner shell, from a standing one on the housing side Part 10a, such as a bearing outer shell to monitor.
  • the contact sensor 25 is preferably designed as described above in the general part.
  • control unit 103 is connected to the fuel cell 101 in a signal-conducting manner in order to control the compressor 1 for supplying oxygen to the cathode side of the fuel cell 101 as required.
  • the control unit 103 is connected to the electric motor 3 conducting signals, for example via the power electronics 8 , and is set up to control the electric motor 3 to drive the rotor shaft 9 for a compression output of the compressor stage 2 required by the fuel cell 101 .
  • the power electronics 8 preferably includes an inverter.
  • the control unit 103 is also connected to the shut-off element 21 in a signal-conducting manner and is set up to open and block the shut-off element 21 depending on the activation of the electric motor 3 .
  • the control unit 103 is also connected to the sensor 23 in a signal-conducting manner and is set up to receive and process signals from the sensor 23 which are representative of the presence of a switch-on condition for the electric motor 3 .
  • the switch-on condition is expediently the delivery of a predetermined quantity of air into the bearing gaps 13 .
  • the switch-on condition is correspondingly when a predetermined pressure is reached.
  • control unit 103 is connected to contact sensor 25 in a signal-conducting manner and is set up to receive and process representative signals from contact sensor 25 as to whether rotor shaft 9 is resting on the corresponding bearing shells or is lifted is what by the Contact sensor 25 is monitored. This signal is also representative of the presence of a switch-on condition for the electric motor 3.
  • a start command is issued, which is representative of a start request for the delivery of oxygen to the cathode side of the fuel cell 101, ie is representative of a desired start of drive of the compressor 1.
  • the control unit 103 controls the shut-off element 21 in order to trigger the conveying of compressed air into the bearing gaps 13 in step 303 .
  • step 305 either at the same time as step 303 or following step 303, the control unit 103 controls the electric motor 3, preferably via the power electronics 8, to set the rotor shaft 9 in rotation in order to circulate the air entering via the supply 4 to compress in the compressor stage 2.
  • the activation of the electric motor 3 depends on whether a switch-on condition S1 occurs or not.
  • the switch-on condition S1 is, for example, a predetermined period of time t stored in control unit 103 after the shut-off element 21 has opened in step 303, or a representative mass flow signal detected in step 302a, and/or a pressure signal detected in step 302b, or a step 302c detected contact (interruption) signal and its message from one of the sensors 23, 25 to the control unit 103 to the effect that the rotor shaft 9 can now be started safely because it can be assumed that the rotor shaft 9 has reached a state of levitation, in Question.
  • the rotor shaft 9 is driven by the electric motor 3 and rotates faster and faster until a speed no commanded by the control unit 103 is reached.
  • control unit 103 then activates shut-off element 21 again and brings it into the blocking position.
  • the initiation of the locking stage in step 307 depends on whether a locking criterion S2 occurs.
  • blocking criterion S2 can be, for example, a signal about the speed no, in particular the lift-off speed n, which is detected by the electric motor 3 or the power electronics 8 coupled to the electric motor 3 in a step 306 and sent to the control unit 103.
  • the compressed air supply in air bearing flow path 17 can be shut off safely in step 307 by locking shut-off element 21, because a circumferential air gap SL has formed in bearing gap 13 and aerodynamic air bearings 11 c can hold the rotor shaft 9 in suspension without additional air L having to be supplied.
  • the compressor 1 can now be operated stably. There is no appreciable wear of the aerodynamic bearing 11c or the aerostatic bearing 11a, b.
  • step 309 If the operation of the compressor 1 is to be switched off, a switch-off command is issued in step 309, whereupon the electric motor 3 is controlled in step 311 to reduce its speed no up to a standstill. While the rotational speed of the rotor shaft 9 of the compressor 1 decreases steadily starting from step 311, the control unit 103 controls the shut-off element 21 again in step 313 in order to bring it into the open position and again pump air into the bearing gaps 13. The opening of the obturator 21 depends on whether a release criterion S3 occurs.
  • the release criterion S3 can be present, for example, if the electric motor 3 or the power electronics 8 detects and outputs a signal in a step 312 which is representative of the fact that the engine speed or the speed no of the rotor shaft 9 is approaching the lift-off speed n or achieve it.
  • the re-enabling of the air bearing flow path 17 by opening the shut-off member 21 enables the rotor shaft 9 to be supported before it can settle down and cause wear if the speed at which the lift-off speed n is fallen below.
  • the shut-off element 21 can also be controlled again by the control unit 103 and put into the blocking position.
  • the re-blocking of the obturator 21 depends on whether a blocking criterion S4 occurs.
  • the blocking criterion S4 is given, for example, if in a step 314 a representative signal from the electric motor 3 or from the power electronics 8 is detected and transmitted to the control unit 103 indicating that the speed no of the rotor shaft 9 has fallen below a critical speed, below the critical speed itself when the rotating and stationary parts 9a, 10a come into contact with one another, little or no wear occurs.
  • control unit 103a compressor controller

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Abstract

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

Description

Brennstoffzellensystem zum Antrieb eines Fahrzeugs
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem zum Antrieb eines Fahrzeugs, insbesondere eines Nutzfahrzeugs, mit einem Verdichter, insbesondere Turboverdichter, zur kathodenseitigen Luftversorgung einer Brennstoffzelle, wobei der Verdichter einen Elektromotor, eine Rotorwelle, die mit dem Elektromotor wirkverbunden ist, um mittels des Elektromotors rotatorisch angetrieben zu werden, und eine Lageranordnung aufweist, welche die Rotorwelle drehbar in dem Verdichter lagert, wobei die Lageranordnung zumindest ein Luftlager mit einem Luftspalt aufweist, das die Rotorwelle spaltbehaftet in dem Verdichter lagert und dazu eingerichtet ist, bei Erreichen oder Überschreiten einer vorbestimmten Abhebedrehzahl der Rotorwelle einen umlaufenden Luftspalt auszubilden.
Im Zuge des Mobilitätswandels gewinnen, insbesondere in der Nutzfahrzeugindustrie, alternative Antriebe zunehmend an Bedeutung. Brennstoffzellensysteme nehmen hierbei eine prominente Stellung ein. In wasserstoffbetriebenen Brennstoffzellensystemen ist es erforderlich, der Brennstoffzelle kathodenseitig Sauerstoff, zumeist in Form von druckbeaufschlagter Luft, zuzuführen. Es sind Brennstoffzellensysteme bekannt, bei denen die kathodenseitige Luftversorgung von einem Verdichter, insbesondere Turboverdichter, übernommen wird. Die üblicherweise verwendeten Verdichter weisen eine Rotorwelle auf, die elektromotorisch angetrieben wird. Die Rotorwellen in den Verdichtern solcher Systeme erreichen sehr hohe Drehzahlen, sodass der Lagerung der Rotorwellen eine zentrale Bedeutung zukommt.
Es haben sich Luftlagerungen mit aerodynamischen Luftlagern durchgesetzt, die bei Erreichen ihrer lagerspezifischen Abhebedrehzahl einen konstanten umlaufenden Luftspalt ausbilden und sich so selbst in einen Schwebezustand versetzen. Der Vorteil solcher Luftlagerungen ist eine extrem niedrige Reibung oberhalb der Abhebedrehzahl.
Zugleich gehören die Luftlager aber auch zu den empfindlichste Teilen eines Verdichters in Brennstoffzellensystemen. Wenn die rotierenden Teile, vorzugsweise die Rotorwelle oder mit ihr verbundene rotierende Teile, etwa rotierende Lagerschalen, im Betrieb stehende Teile, etwa stehende Lagerschalen, berühren, kommt es zu Gleitreibung und damit zu Verschleiß, etwa bei den Lagern. Da bei verschlissenen Lagern in Extremsituationen die optimale Luftversorgung der Brennstoffzelle nicht mehr gewährleistet werden kann, müssen die Lager rechtzeitig getauscht oder gewartet werden, so dass die Lebenserwartung eines Lagers ein bestimmender Faktor für die Länge der Wartungsintervalle des Verdichters und somit der Brennstoffzellensysteme ist. Bekannte Brennstoffzellensysteme verwenden Lager mit einer Lebensdauer von ca. 8.000 bis 9.000 Betriebsstunden.
Der Erfindung lag folglich die Aufgabe zugrunde, die vorstehend beschriebenen Herausforderungen möglichst weitgehend zu überwinden. Insbesondere lag der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Brennstoffzellensystem der eingangs bezeichneten Art anzugeben, bei dem die Wartungsintervalle verlängert werden können. Ferner lag der Erfindung insbesondere die Aufgabe zugrunde, bei solchen Systemen die Langlebigkeit der Lager zu verbessern.
Die Erfindung löst die ihr zugrundeliegende Aufgabe bei einem Brennstoffzellensystem der eingangs bezeichneten Art, indem der Verdichter einen Luftlager-Strömungspfad, insbesondere für Druckluft, aufweist, welcher in den Lagerspalt mündet und eine Schnittstelle zur fluidleitenden Verbindung mit einer Druckluftversorgung des Fahrzeugs aufweist, und das Brennstoffzellensystem ferner ein ansteuerbares Absperrorgan aufweist, welches in dem Luftlager-Strömungspfad zwischen der Druckluftversorgung und dem Lagerspalt angeordnet und dazu eingerichtet ist, den Luftlager- Strömungspfad selektiv zu sperren und zu öffnen, und indem das Brennstoffzellensystem ein Steuergerät aufweist, welches signalleitend mit dem Elektromotor zu dessen Ansteuerung und mit dem Absperrorgan verbunden und dazu eingerichtet ist, in Abhängigkeit voneinander das Absperrorgan zu öffnen und zu sperren und den Elektromotor anzusteuern.
Unter der Ansteuerung des Elektromotors ist erfindungsgemäß zu verstehen, dass der Elektromotor sowohl unmittelbar als auch mittelbar unter Mitwirkung und/oder Zwischenschalten weiterer Komponenten wie etwa einer Leistungselektronik in allgemein bekannter Weise erfolgen soll, wobei einzelne, mehrere oder sämtliche Komponenten einer solchen Leistungselektronik dedizierte Bauteile oder in den Elektromotor oder Kompressor integrierte Bauteile sein können. Hierunter ist auch die Verwendung der notwendigen Signalübertragungsmittel zu fassen, mittels welcher die Leistungselektronik, der Elektromotor, und das Steuergerät kommunizieren.
Die Erfindung folgt hierbei dem grundlegenden Ansatz, den Betriebszustand des Elektromotors abhängig von dem Vorhandensein von einer Druckluftunterstützung im Lagerspalt zu schalten und umgekehrt die Druckluftunterstützung in Abhängigkeit vom Betriebszustand des Elektromotors zu- oder abschalten zu können. Die Drehzahl der Rotorwelle ist ein relevanter Steuerparameter, der für den Betriebszustand des Elektromotors repräsentativ ist. Die Erfindung schlägt in dem Zusammenhang mit anderen Worten vor, die Lageranordnung durch zusätzliches Einblasen druckbeaufschlagter Luft mittels des Luftlager-Strömungspfads in den Lagerspalt zu unterstützen, wenn der Elektromotor angesteuert werden soll. Durch zusätzliches Einblasen von Druckluft in den Lagerspalt wird die zwischen den Komponenten wirkende Reibkraft gemindert, und hierdurch auch der Verschleiß. Optimalerweise wird so viel Druckluft durch den Strömungspfad in den Lagerspalt gefördert, dass auch ein Abheben der Rotorwelle erreicht wird, bevor diese ihre eigentliche, lagerspezifische Abhebedrehzahl erreicht hat. Dadurch, dass das Öffnen des Absperrorgans zum Einblasen von druckbeaufschlagter Luft in den Lagerspalt in funktionalem Zusammenhang mit dem Zeitpunkt des Ansteuerns des Elektromotors gesetzt wird, kann druckbeaufschlagte Luft ganz gezielt in denjenigen Zeitpunkten in den Lagerspalt eingeblasen werden, wenn drehzahlbedingt der sonst zu erwartende Verschleiß der Lager am größten ist, nämlich beim Anlauf des Verdichters aus dem Stillstand und beim Stoppen des Verdichters in den Stillstand, wenn die Drehzahl der Rotorwelle insbesondere unter die Abhebedrehzahl fällt bzw. absinkt. Die Lebensdauer von Luftlagern kann mit dieser Maßnahme auf mehr als das Doppelte erhöht werden.
In einer ersten bevorzugten Weiterbildung der Erfindung weist die Lageranordnung zwei oder mehr Luftlager auf, die jeweils einen Lagerspalt mit ihm zugeordneten Luftlager-Strömungspfad- und Absperrorganzugang aufweisen. Es können dedizierte Absperrorgane verwendet werden, oder ein gemeinsames Absperrorgan für alle Strömungspfade.
Die Abhebedrehzahl des oder der Luftlager kann experimentell oder rechnergestützt für jedes Lager in Verbindung mit der jeweiligen rotierenden Masse, also der Rotorwelle, bestimmt und im Steuergerät hinterlegt werden.
Als Absperrorgan ist vorzugsweise ein Mehrwegeventil vorgesehen, beispielsweise ein 2/2-Wegeventil, welches kabelgebunden oder kabellos mittels des Steuergeräts ansteuerbar ist und zu diesem Zweck signalleitend mit dem Steuergerät verbunden werden kann.
Das Steuergerät kann erfindungsgemäß ein dediziertes Steuergerät sein, oder ein in das Steuergerät des Verdichters softwaremäßig oder hardwaremäßig implementiertes Modul sein. Alternativ oder zusätzlich kann das Steuergerät als ein softwaremäßig oder hardwaremäßig in die Brennstoffzellensteuerung implementiertes Modul ausgebildet sein. Weiter alternativ oder zusätzlich kann das Steuergerät hardwaremäßig oder softwaremäßig in ein Bremssteuergerät des Fahrzeugs, insbesondere ein Anhänger- oder
Zugfahrzeugbremssteuergerät integriert bzw. als ein solches Gerät ausgebildet sein.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Steuergerät dazu eingerichtet, den Elektromotor bei einem gewünschten Antriebsbeginn zeitgleich mit einem Öffnen des Absperrorgans zum Antreiben der Rotorwelle anzusteuern. Diese Art der Steuerung ist sehr einfach schaltungstechnisch oder programmiertechnisch umzusetzen und stellt bei jedem Anschaltvorgang, der ein Starten des Elektromotors bewirkt, ein zusätzliches Unterstützen der Luftlager mittels in den Lagerspalt eingeblasener Druckluft sicher.
In einer alternativen bevorzugten Ausführungsform ist das Steuergerät dazu eingerichtet, bei einem gewünschten Antriebsbeginn der Rotorwelle zuerst das Absperrorgan zu öffnen, um druckbeaufschlagte Luft in den Lagerspalt zu fördern, und erst anschließend den Elektromotor zum Antrieb der Rotorwelle anzusteuern. In dieser Ausführungsform wird die auf die Kontaktstelle zwischen den rotierenden Teilen, vorzugsweise der Rotorwelle oder wellenseitigen Lagerschalen oder -gegenstücken, und stehenden Teilen wie etwa gehäuseseitigen Lagerschalen oder -gegenstücken, wirkende Gewichtskraft durch das Einblasen der Luft bereits unterstützt, bevor der Elektromotor eine Rotation der Rotorwelle einleitet. Besonders bevorzugt wird Luft in einem ausreichenden Maße in den Lagerspalt eingeblasen, dass bereits ein Abheben der Rotorwelle stattfindet. Hierzu kann es vorteilhaft sein, druckbeaufschlagte Luft von mehreren umfänglich verteilten Einlassöffnungen aus in den Lagerspalt einzublasen.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das Steuergerät dazu eingerichtet, den Elektromotor erst nach Ablauf einer vorbestimmten Zeitdauer im Anschluss an das Öffnen des Absperrorgans anzusteuern, wobei die Zeitdauer vorzugsweise repräsentativ für eine notwendige Zeit bis zu einem erwarteten ersten Abheben der Rotorwelle durch die eingebrachte bzw. eingeblasene Druckluft ist. Die Zeitdauer, die verstreicht, bis die Rotorwelle nur durch das Einblasen druckbeaufschlagter Luft erstmalig abhebt, kann in Vorversuchen empirisch ermittelt werden und in dem Steuergerät als Steuerparameter hinterlegt werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist dem Luftlager- Strömungspfad ein Massenstromsensor zugeordnet, und das Steuergerät ist signalleitend mit dem Massenstromsensor verbunden und dazu eingerichtet, den Elektromotor erst anzusteuern, nachdem eine vorbestimmte Menge Druckluft in den Lagerspalt gefördert worden ist, wobei die vorbestimmte Menge Druckluft vorzugsweise repräsentativ für eine notwendige Druckluftmenge bis zu einem ersten Abheben der Rotorwelle ist. Alternativ zu dem vorstehend beschriebenen empirischen Ermitteln einer Zeitdauer bis zum ersten Abheben kann, und übrigens auch zusätzlich dazu, mittels eines Massenstromsensors die in den Lagerspalt eingeblasene Luftmenge empirisch ermittelt werden, nach welcher ein erstes Abheben zu verzeichnen ist.
Alternativ oder zusätzlich zu dem Massenstromsensor ist vorzugsweise ein Drucksensor dem Luftlager-Strömungspfad zugeordnet, und das Steuergerät signalleitend mit dem Drucksensor verbunden und dazu eingerichtet, den Elektromotor erst anzusteuern, nachdem ein vorbestimmter Druck, sogenannter Tragdruck, erreicht worden ist, wobei der vorbestimmte Druck repräsentativ für einen notwendigen Druck im Lagerspalt zum Abheben der Rotorwelle ist. Der Tragdruck liegt vorzugsweise in einem Bereich von 4 bar oder mehr, weiter vorzugsweise 6 bar oder mehr, besonders bevorzugt 8 bar oder mehr.
Der Massenstrom- und/oder Drucksensor ist vorzugsweise jeweils entweder im gehäuseinneren Teil des Luftlager-Strömungspfads oder stromaufwärts des Verdichtergehäuses im Luftlager-Strömungspfad angeordnet, beispielsweise an der Schnittstelle zum Anschluss an die Druckluftversorgung oder in der Druckluftversorgung.
In einerweiteren bevorzugten Ausführungsform sind ein rotierender Teil, vorzugsweise die Rotorwelle oder eine wellenseitige Lagerschale des Luftlagers, und ein stehender Teil des Verdichters, vorzugsweise eine gehäuseseitige Lagerschale des Luftlagers, mit einem Kontaktsensor wirkverbunden, der dazu eingerichtet ist, ein Abheben der des rotierenden Teils von dem stehenden Teil zu erkennen, und das Steuergerät ist signalleitend mit dem Kontaktsensor verbunden und dazu eingerichtet, den Elektromotor erst dann zum Antrieb der Rotorwelle anzusteuern, nachdem der Kontaktsensor ein Abheben des rotierenden Teils erkannt hat. Vorzugsweise liegt ein elektrischer Kontakt zwischen dem mit der Rotorwelle zusammenwirkenden rotierenden Teil und dem stehenden Teil vor, der bei Abheben unterbrochen wird, oder eine Kapazität oder ein Widerstand, die/der sich jeweils beim Abheben ändert. Der Kontaktsensor ist entsprechend vorzugsweise dazu eingerichtet, eine Änderung der jeweiligen elektrischen Größe zu erfassen und kann beispielsweise ein Abheben an das Steuergerät signalisieren, wenn der über den Kontakt fließende Strom einen Schwellwert unterschreitet, oder die Spannung bzw. Kapazität bestimmte Schwellwerte überschreiten.
Alternativ oder zusätzlich weist das Brennstoffzellensystem ein Messgerät zur Erfassung von Feldstärkenänderungen im Feld des Elektromotors auf, wobei das Messgerät signalleitend mit dem Steuergerät verbunden ist und das Steuergerät dazu eingerichtet ist, ausgehend von den übermittelten Signalen anhand der Feldstärkenänderung ein Abheben der Rotorwelle zu erkennen. Die Rotorwelle wirkt im Elektromotor wie ein elektromagnetischer Kern, und die Veränderung ihrer Lage bewirkt eine erfassbare Feldstärkenänderung.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das Steuergerät dazu eingerichtet, nach dem Beginn der Ansteuerung des Elektromotors zum Antreiben der Rotorwelle das Absperrorgan erst dann wieder zu sperren, wenn die Rotorwelle die Abhebedrehzahl erreicht oder überschritten hat. Vorzugsweise ist der Elektromotor mit einer Leistungselektronik wirkverbunden und wird mittels der Leistungselektronik angesteuert. Die Leistungselektronik umfasst vorzugsweise einen Inverter. Die Betriebsinformationen der Leistungselektronik lassen sich auslesen, und aus ihnen lässt sich die Drehzahl der Rotorwelle in allgemein bekannter Weise ermitteln.
In dieser Ausführungsform wird nach dem Erreichen der Abhebedrehzahl keine weitere Druckluft mehr in den Lagerspalt zusätzlich eingeblasen, weil das Luftlager jenseits der Abhebedrehzahl aus sich selbst heraus in der Lage ist, einen umlaufenden Luftspalt auszubilden und die Welle in der Schwebe zu halten. Dadurch wird die Druckluftversorgung des Fahrzeugs entlastet. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das Steuergerät dazu eingerichtet, das Absperrorgan bei einem gewünschten Antriebsstopp des Elektromotors, also aus dem Betrieb heraus, zu öffnen, bevor die Abhebedrehzahl unterschritten wird, vorzugsweise genau dann wenn die Abhebedrehzahl erreicht ist. Der gleiche Verschleißminderungseffekt, der sich beim Start des Elektromotors erzielen lässt, wird auch beim Betriebsende des Verdichters erreicht, indem die zusätzliche Luftunterstützung über dem Druckluft-Strömungspfad in den Lagerspalt hinein wieder aktiviert wird, wenn die Drehzahl der Rotorwelle abnimmt und sich der Abhebedrehzahl, diesmal von oben - also einem Bereich höherer Drehzahlen - kommend, nähert. Bei Erreichen der Abhebedrehzahl, bevor die rotierenden Teile an der Rotorwelle wieder mit den stehenden Teilen des Verdichters in Berührung kommen können, übernimmt das von der zusätzlich eingeblasenen Luft im Lagerspalt gebildete Luftkissen die Stützaufgabe und ermöglicht ein verschleißfreies weiteres Abbremsen der Rotorwelle.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das Steuergerät dazu eingerichtet, das Absperrorgan erst dann zu sperren, wenn die Drehzahl der Rotorwelle in einem Bereich unterhalb von 500 min-1, vorzugsweise unterhalb von 200 min-1, weiter vorzugsweise unterhalb von 100 min-1, besonders bevorzugt unterhalb von 50 min-1 und insbesondere bei 0 liegt.
Je länger die unterstützende Wirkung der zusätzlich eingeblasenen Luft in dieser Phase aufrechterhalten wird, desto geringer ist der Verschleiß.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Luftlager ein Axiallager oder ein Radiallager. Weiter vorzugsweise weist die Lageranordnung sowohl ein oder mehrere Axial-Luftlager als auch ein oder mehrere Radial-Luftlager auf, wobei eines, mehrere oder sämtliche der Luftlager vorzugsweise jeweils einen, oder einen gemeinsamen, - fluidleitend mit dem Luftlager-Strömungspfad verbundenen Lagerspalt aufweisen. Vorzugsweise ist das Luftlager ein aerostatisches Lager, und die Lageranordnung weist ferner vorzugsweise zumindest ein aerodynamisches Lager auf, welches vorzugsweise als Folienlager, etwa Leaf-Type oder Bump- Type, oder als Spiralrillenlager, etwa Radial- oder Axial-Spiralrillenlager, ausgebildet ist. Das aerodynamische Lager, oder vorzugsweise die mehreren aerodynamischen Lager, ist bzw. sind vorzugsweise benachbart vom aerostatischen Lager angeordnet. In bevorzugten Ausführungsformen teilen sich das aerostatische Lager und das aerodynamische Lager den Lagerspalt.
In weiteren bevorzugten Ausführungsformen weist die Lageranordnung mindestens zwei aerostatische Lager und mindestens zwei aerodynamische Lager auf.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist dem Luftlager- Strömungspfad ein Filter, insbesondere ein Ölfilter und/oder ein Partikelfilter zugeordnet. Der Ölfilter und/oder der Partikelfilter sind vorzugsweise im Strömungspfad zwischen der Schnittstelle für die Druckluftversorgung und dem Lagerspalt oder stromaufwärts der Schnittstelle zwischen der Schnittstelle und der Druckluftversorgung angeordnet, vorzugsweise stromaufwärts des Absperrorgans. Für die Verwendung dieser Filter wird das Risiko, das durch die Luft für das Luftlager diejenige Druckluft kontaminiert werden könnte, die von dem Verdichter der Kathodenseite der Brennstoffzelle zugeführt werden soll, weiter reduziert.
In einer alternativen bevorzugten Ausführungsform weist bereits die Druckluftversorgung - also etwa für eine Bremsanlage des Fahrzeugs - einen oder mehrere Filter auf, so dass die Druckluft, welche dem Luftlager- Strömungspfad zugeführt wird, bereits in gefilterter Form vorliegt. Vorzugsweise ist der Luftlager-Strömungspfad dann filterlos ausgebildet.
Die Erfindung wurde vorstehend in einem ersten Aspekt unter Bezugnahme auf das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem beschrieben. In einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung ein Fahrzeug, insbesondere ein Nutzfahrzeug, mit einem Brennstoffzellensystem zum Antrieb des Fahrzeugs, und einer Druckluftversorgung, die zur Bereitstellung druckbeaufschlagter Luft für pneumatische Verbraucher des Fahrzeugs eingerichtet ist.
Die Erfindung löst die ihr zugrundeliegende Aufgabe, indem sie vorschlägt, dass das Brennstoffzellensystem nach einer der vorstehend beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen ausgebildet ist, und der Luftlager- Strömungspfad derart fluidleitend mit der Druckluftversorgung verbunden ist, dass bei geöffnetem Absperrorgan druckbeaufschlagte Luft in den Lagerspalt strömt.
Die Erfindung macht sich in dem zweiten Aspekt dieselben Vorteile und bevorzugten Ausführungsformen zunutze wie das Brennstoffzellensystem gemäß dem ersten Aspekt, weswegen zur Vermeidung von Wiederholungen auf die obigen Ausführungen verwiesen wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Druckluftversorgung des Fahrzeugs dazu eingerichtet, mehrere Druckluftkreise des Fahrzeugs mit Druckluft zu versorgen, und der Luftlager-Strömungspfad ist fluidleitend mit einem dieser Druckluftkreise verbunden.
Die Erfindung macht sich zunutze, dass das Fahrzeug in seiner Druckluftversorgung ohnehin einen Kompressor und eine Luftaufbereitungseinrichtung aufweist, beispielsweise zur Versorgung der Fahrzeugbremse und ggf. weiterer Systeme wie etwa einer Luftfederung, einem Getriebe etc.. Der Luftlager-Strömungspfad nutzt Synergieeffekte, indem er über einen der Druckluftkreise die benötigte Druckluft bezieht.
Die verschiedenen Druckluftkreise des Fahrzeugs sind üblicherweise hinsichtlich ihrer Sicherheitsrelevanz und der Art der anzusteuernden und zu versorgenden Komponenten unterschieden. Sicherheitsrelevante Druckluftkreise regeln beispielsweise die Bremsfunktionen oder unterstützen das Fahrzeug oder die Getriebeschaltvorgänge des Fahrzeugs. Nicht sicherheitsrelevante Druckluftkreise dienen zur Druckluftversorgung sogenannter Nebenverbraucher.
Andere Druckluftkreise wiederum dienen der Druckluftversorgung von etwaigen Fahrzeuganhängern (Trailer Supply). Vorzugsweise ist der Luftlagerströmungspfad fluidleitend mit einem Druckluftkreis für nicht sicherheitsrelevante Nebenverbraucher verbunden.
Die Erfindung betrifft in einem weiteren Aspekt ein Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems eines Fahrzeugs, insbesondere eines Nutzfahrzeugs, wobei das Brennstoffzellensystem insbesondere nach einer der vorstehend beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen ausgebildet ist. Das vorgeschlagene Verfahren umfasst die Schritte:
- Übermitteln eines Startbefehls an ein Steuergerät, wenn ein Antriebsbeginn gewünscht wird, und in Abhängigkeit voneinander:
- Öffnen des Absperrorgans in dem Luftlager-Strömungspfad des Verdichters, mittels des Steuergeräts, so dass von der Druckluftversorgung aus druckbeaufschlagte Luft in den Lagerspalt gefördert wird, und
- Ansteuern des Elektromotos zum Antreiben der Rotorwelle, insbesondere mittels des Steuergeräts.
Das Verfahren macht sich dieselben Vorteile und bevorzugten Ausführungsformen zunutze wie das Brennstoffzellensystem und das Fahrzeug der beiden vorstehend beschriebenen Aspekte, weshalb zur Vermeidung von Wiederholungen wiederum auf die obigen Ausführungen verwiesen wird.
Das Verfahren wird vorteilhaft weitergebildet, indem es einen, mehrere oder sämtliche der folgenden Schritte umfasst:
- zeitgleiches Ansteuern des Elektromotos zum Antreiben der Rotorwelle, und Öffnen des Absperrorgans zur Druckluftförderung in den Lagerspalt, oder zuerst Öffnen des Absperrorgans und erst anschließend Ansteuern des Elektromotors zum Antrieb der Rotorwelle;
- Ansteuern des Elektromotors erst nach Ablauf einer vorbestimmten Zeitdauer im Anschluss an das Öffnen des Absperrorgans, wobei die Zeitdauer vorzugsweise repräsentativ für eine notwendige Zeit bis zu einem erwarteten ersten Abheben der Rotorwelle ist;
- Erfassen des durch den Strömungspfad geförderten Massenstroms, und Ansteuern des Elektromotors erst nachdem eine vorbestimmte Menge Druckluft in den Lagerspalt gefördert worden ist, wobei die vorbestimmte Menge Druckluft vorzugsweise repräsentativ für eine notwendige Druckluftmenge bis zu einem ersten Abheben der Rotorwelle ist;
- Erfassen des in dem Luftlager-Strömungspfad anliegenden Drucks, und Ansteuern des Elektromotors erst nachdem ein vorbestimmter Druck erreicht worden ist, wobei der vorbestimmte Druck vorzugsweise repräsentativ für einen notwendige Druck zum ersten Abheben der Rotorwelle ist;
- Erkennen des Abhebens eines rotierenden Teils von einem stehenden Teil des Verdichters, und Ansteuern des Elektromotors erst nachdem das Abheben des rotierenden Teils erkannt worden ist;
- Sperren des Absperrorgans nach dem Beginn des Ansteuerns des Elektromotors erst dann wieder, wenn die Rotorwelle die Abhebedrehzahl erreicht oder überschritten hat;
- Öffnen des Absperrorgans bei einem gewünschten Antriebsstopp des Elektromotors, bevor die Abhebedrehzahl unterschritten wird, vorzugsweise wenn die Abhebedrehzahl erreicht ist; und/oder
- Sperren des Absperrorgans erst dann, wenn die Drehzahl der Rotorwelle in einem Bereich unterhalb von 500 min-1, vorzugsweise unterhalb von 200 min-1, weiter vorzugsweise unterhalb von 100 min-1, besonders bevorzugt unterhalb von 50 min-1, und insbesondere bei 0 liegt.
Die Erfindung betrifft in einem weiteren Aspekt ein Steuergerät für ein Brennstoffzellensystem eines Fahrzeugs, insbesondere eines Brennstoffzellensystems nach einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen. Das Steuergerät kann ein dediziertes Steuergerät für einen Verdichter sein, oder ein Steuergerät für die Brennstoffzelle oder ein alleinstehendes Steuergerät. Das Steuergerät kann in andere Steuergeräte hardwaremäßig oder softwaremäßig als Modul implementiert sein, etwa in einem Bremssteuergerät, insbesondere Anhänger- oder Zugfahrzeugbremssteuergerät, einem Verdichtersteuergerät, oder der Brennstoffzellensteuerung. Mit anderen Worten kann das Steuergerät auch als ein solches vorbezeichnetes Gerät ausgebildet sein. Das Steuergerät ist dazu eingerichtet das Verfahren nach einer der vorstehend beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen auszuführen, und weist beispielsweise dazu einen Datenspeicher auf, in dem Befehle zur Ausführung des Verfahrens der vorstehend beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen hinterlegt sind, und einen Prozessor, der dazu eingerichtet ist, mittels der im Datenspeicher hinterlegten Befehle das Verfahren nach einer der vorstehend beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen auszuführen. Die Vorteile und bevorzugten Ausführungsformen des Brennstoffzellensystems, des Fahrzeugs und des Verfahrens sind zugleich Vorteile und bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Steuergeräts und umgekehrt, weswegen zur Vermeidung von Wiederholungen wiederum auf die obigen Ausführungen verwiesen wird.
Schließlich betrifft die Erfindung in einem weiteren Aspekt ein Computerprogrammprodukt. Die Erfindung löst diesbezüglich die eingangs bezeichnete Aufgabe, indem das Computerprogrammprodukt Befehle enthält, die, wenn sie auf einem Computer ausgeführt werden, den Computer veranlassen, ein Steuergerät nach einer der vorstehend beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen zu bilden und/oder das Verfahren nach einer der vorstehend beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen auszuführen. Das Computerprogrammprodukt kann auf einem computerlesbaren Medium oder in herunterladbarer Form vorliegen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren näher beschrieben.
Hierbei zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems nach einem bevorzugten Ausführungsbeispiel, und Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Verfahrens zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel.
In Fig. 1 ist ein Brennstoffzellensystem 100 dargestellt. Zur besseren Anschaulichkeit sind nur die für die Erfindung und für denen Verständnis relevanten Komponenten dargestellt. Es soll verstanden werden, dass das Brennstoffzellensystem diverse weitere Komponenten zu seiner ordnungsgemäßen Funktionsweise benötigen kann und regelmäßig aufweist. Das hier gezeigte Brennstoffzellensystem 100 funktioniert im Wesentlichen wie vorbekannte Brennstoffzellensysteme mit Ausnahme der hier geschilderten Erfindungsaspekte.
Das Brennstoffzellensystem 100 weist eine Brennstoffzelle 101 auf. Die Brennstoffzelle 101 weist eine kathodenseitige Sauerstoffzufuhr 102 und eine anodenseitige Wasserstoffzufuhr 104 auf. Die anodenseitige Wasserstoffzufuhr 104 ist in nicht dargestellter Weise mit einer Wasserstoffversorgung fluidleitend verbunden. Die kathodenseitige Sauerstoffzufuhr 102 ist fluidleitend mit einem Verdichter 1 verbunden. Der in Fig. 1 gezeigte Verdichter 1 weist wenigstens eine Verdichterstufe 2 auf. Der Verdichter 1 kann auch als mehrstufiger Verdichter ausgebildet sein, für das Verständnis der Erfindung genügt aber die Erläuterung nur einer Verdichterstufe.
Die Verdichterstufe 2 ist fluidleitend mit einer Sauerstoffzufuhr 4 verbunden und dazu eingerichtet, dass ihr zugeführte Gas oder Stoffgemisch, üblicherweise Luft, zu verdichtet und mit erhöhtem Druck in Richtung der Brennstoffzelle 101 abzugeben.
Der Verdichter 1 weist zum Betrieb der Verdichterstufe 2 einen Elektromotor 3 mit einem Stator 5 und einem Rotor 7 auf. Der Rotor 7 ist mit einer Rotorwelle 9 gekoppelt, welche von dem Elektromotor 3 rotatorisch angetrieben wird. Der Elektromotor 3 ist beispielsweise mittels einer Leistungselektronik 8 anzusteuern. Die Rotorwelle 9 ist mittels einer Lageranordnung 11 rotatorisch in einem Verdichtergehäuse 10 gelagert, wobei die Lageranordnung 11 wenigstens ein aerodynamisch-aerostatisches Axiallager 11a sowie zwei aerostatische Radial- Luftlager 11 b aufweist. Ferner weist die Lageranordnung 11 zwei aerodynamische Radial-Luftlager 11c auf.
Wenigstens die radialen Luftlager 11b, 11c weisen jeweils einen Lagerspalt 13 auf, der bei stillstehender Rotorwelle 9 nicht vollständig umlaufend ausgebildet ist, sondern zumindest punktuell durch ein Anliegen der Rotorwelle 9 oder entsprechend an der Rotorwelle angeordneter Lagerschalen an den jeweils korrespondierenden Teilen der Luftlager 11a, b, c unterbrochen ist. Die aerostatischen Radial-Luftlager 11 b und die aerodynamischen Radial-Luftlager 11 c sind jeweils über eine Spurscheibe 15 mit Entlüftungsöffnungen voneinander beabstandet.
In die Lagerspalte 13 mündet jeweils ein Luftlager-Strömungspfad 17, der über eine am Verdichtergehäuse 10 angeordnete Schnittstelle 19 mit einer Druckluftversorgung 200 fluidleitend verbindbar ist, um dem Luftlager- Strömungspfad druckbeaufschlagte Luft L zur Verfügung zu stellen. Die Druckluftversorgung 200 kann eine dedizierte Druckluftversorgung sein mit einem Druckspeicher und/oder einem Kompressor (beide nicht dargestellt). Die Druckluftversorgung 200 ist besonders bevorzugt in ein Druckluftversorgungssystem des Fahrzeugs 300 integriert, beispielsweise mit einem eigenen Kompressor (nicht dargestellt) und einer eigenen Luftaufbereitungseinrichtung (nicht dargestellt). Das Druckluftversorgungssystem ist beispielsweise zur Versorgung der Fahrzeugbremse und ggf. weiterer Systeme wie etwa einer Luftfederung, einem Getriebe etc. vorgesehen und dazu einen oder mehrere Druckluftkreise 201 aufweisen. Das Brennstoffzellensystem kann dadurch beispielsweise druckbeaufschlagte Luft L aus einem Druckluftkreis 203 für nicht sicherheitsrelevante Nebenverbraucher entnehmen. Diesbezüglich wird auf die obigen Ausführungen im allgemeinen Teil verwiesen. Der Luftlager-Strömungspfad 17 weist stromaufwärts der Schnittstelle 19 einen Filter 27 auf, welcher beispielsweise ein Ölfilter 27a oder ein Partikelfilter 27b sein kann (im Folgenden zusammenfassend 27). Mithilfe des Filters 27 wird sichergestellt, dass technisch reine Luft, vor allem ölfreie Luft, in den Verdichter 1 gelangen kann, Verschmutzungen und Verunreinigungen, insbesondere Öl, aber vom Eindringen in den Verdichter 1 abgehalten werden.
In dem Luftlager-Strömungspfad 17 ist vorzugsweise ferner ein Absperrorgan 21 angeordnet, im Ausführungsbeispiel zwischen der Schnittstelle 19 und dem Filter 27. Das Absperrorgan 21 ist dazu eingerichtet, selektiv zwischen einer Öffnungsstellung und einer Sperrsteilung hin- und her geschaltet zu werden, wobei in der Sperrsteilung ein Fluidstrom durch den Luftlager-Strömungspfad 17 in die Lagerspalte 13 unterbunden und in der Öffnungsstellung freigegeben ist.
Ferner ist im Luftlager-Strömungspfad 17 vorzugsweise ein Sensor 23 angeordnet. Der Sensor 23 kann beispielsweise als Massenstromsensor 23a zum Erfassen eines Massenstroms m, oder als Drucksensor 23b zum Erfassen eines Drucks pi_ ausgebildet sein.
Das Brennstoffzellensystem 100 weist ein Steuergerät 103 auf. Das Steuergerät 103 kann ein dediziertes Steuergerät, ein (Teil eines) Bremssteuergerät(s) 103a, Verdichtersteuergerät(s) 103b oder der Brennstoffzellensteuerung 103c sein. Insoweit wird wiederum auf die obigen Ausführungen im allgemeinen Teil verwiesen und im Folgenden zusammenfassend das Bezugsszeichen 103 verwendet.
Der Verdichter 1 weist einen Kontaktsensor 25 auf, der im gezeigten Ausführungsbeispiel an einem mit der Rotorwelle 9 rotierenden Teil 9a, beispielsweise eines der aerodynamischen Radial-Luftlager 11c, ausgebildet ist, um das Abheben des mit der Rotorwelle 9 bewegten rotierenden Teils 9a, beispielsweise einer Lagerinnenschale, von einem gehäuseseitigen stehenden Teil 10a, beispielsweise einer Lageraußenschale, zu überwachen. Der Kontaktsensor 25 ist vorzugsweise wie vorstehend im allgemeinen Teil beschrieben ausgebildet.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist das Steuergerät 103 signalleitend mit der Brennstoffzelle 101 verbunden, um bedarfsabhängig den Verdichter 1 zum Zuführen von Sauerstoff zur Kathodenseite der Brennstoffzelle 101 anzusteuern.
Das Steuergerät 103 ist signalleitend mit dem Elektromotor 3, etwa über die Leistungselektronik 8, verbunden und dazu eingerichtet, den Elektromotor 3 zum Antreiben der Rotorwelle 9 für eine von der Brennstoffzelle 101 benötigte Verdichtungsleistung der Verdichterstufe 2 anzusteuern. Die Leistungselektronik 8 umfasst vorzugsweise einen Inverter.
Das Steuergerät 103 ist ferner mit dem Absperrorgan 21 signalleitend verbunden und dazu eingerichtet, das Absperrorgan 21 in Abhängigkeit der Ansteuerung des Elektromotors 3 zu öffnen und zu sperren.
Das Steuergerät 103 ist ferner mit dem Sensor 23 signalleitend verbunden und dazu eingerichtet, von dem Sensor 23 Signale zu erhalten und zu verarbeiten, welche repräsentativ für das Vorliegen einer Einschaltbedingung für den Elektromotor 3 sind. Ist der Sensor 23 als Massenstromsensor ausgebildet, ist zweckmäßigerweise die Einschaltbedingung das Fördern einer vorbestimmten Menge an Luft in die Lagerspalte 13 hinein. Bei Verwendung eines Drucksensors ist die Einschaltbedingung entsprechend das Erreichen eines vorbestimmten Drucks.
Alternativ oder zusätzlich ist, bei Vorhandensein des Kontaktsensors 25, das Steuergerät 103 signalleitend mit dem Kontaktsensor 25 verbunden und dazu eingerichtet, von dem Kontaktsensor 25 repräsentative Signale darüber zu empfangen und zu verarbeiten, ob die Rotorwelle 9 doch an den entsprechenden Lagerschalen aufliegt, oder abgehoben ist, was durch den Kontaktsensor 25 überwacht wird. Auch dieses Signal ist repräsentativ für das Vorliegen einer Einschaltbedingung für den Elektromotor 3.
Die Funktionsweise des Brennstoffzellensystems 100 wird nachfolgend auch unter Bezugnahme auf Fig. 2 näher beschrieben.
Zu Beginn wird in Schritt 301 ein Startbefehl erteilt, der einem Startwunsch für die Zulieferung vom Sauerstoff zur Kathodenseite der Brennstoffzelle 101 repräsentativ ist, also repräsentativ für einen gewünschten Antriebsbeginn des Verdichters 1 ist.
Das Steuergerät 103 steuert das Absperrorgan 21 an, um in Schritt 303 das Fördern von Druckluft in die Lagerspalte 13 auszulösen.
In einem Schritt 305, entweder zeitgleich mit Schritt 303 oder im Anschluss an Schritt 303, steuert das Steuergerät 103 den Elektromotor 3, vorzugsweise über die Leistungselektronik 8, dazu an, die Rotorwelle 9 in Rotation zu versetzen, um die über die Zufuhr 4 eintretende Luft zu verdichten in der Verdichterstufe 2. Die Ansteuerung des Elektromotors 3 ist davon abhängig, ob eine Einschaltbedingung S1 eintritt oder nicht. Als Einschaltbedingung S1 kommen beispielsweise eine vorbestimmte, im Steuergerät 103 hinterlegte Zeitdauer t nach dem Öffnen des Absperrorgans 21 in Schritt 303, oder ein in einem Schritt 302a erfasstes repräsentatives Massenstromsignal, und/oder ein in einem Schritt 302b erfasstes Drucksignal, oder ein in einem Schritt 302c erfasstes Kontakt(unterbrechungs-)signal und dessen Meldung jeweils von einem der Sensoren 23, 25 an das Steuergerät 103 dahingehend, dass die Rotorwelle 9 nun gefahrlos gestartet werden kann, weil davon auszugehen ist, dass die Rotorwelle 9 einen Schwebezustand erreicht hat, in Frage. Die Rotorwelle 9 wird vom Elektromotor 3 angetrieben und dreht sich immer schneller, bis eine von dem Steuergerät 103 angewiesene Drehzahl no erreicht ist.
Das Steuergerät 103 steuert in Schritt 307 dann erneut das Absperrorgan 21 an und bringt dieses in die Sperrsteilung. Das Einleiten der Sperrsteilung in Schritt 307 ist davon abhängig, ob ein Sperrkriterium S2 eintritt. Als Sperrkriterium S2 kann beispielsweise ein vom Elektromotor 3 bzw. der mit dem Elektromotor 3 gekoppelte Leistungselektronik 8 in einem Schritt 306 erfasstes und an das Steuergerät 103 geliefertes Signal über die Drehzahl no , insbesondere Abhebedrehzahl n sein. Ist beispielsweise eine im Steuergerät 103 hinterlegte Abhebedrehzahl n erreicht, kann in dem Schritt 307 die Druckluftzufuhr im Luftlager-Strömungspfad 17 gefahrlos mittels Sperren des Absperrorgans 21 abgestellt werden, weil sich in dem Lagerspalt 13 ein umlaufender Luftspalt SL ausgebildet hat und die aerodynamischen Luftlager 11 c die Rotorwelle 9 in der Schwebe halten können, ohne dass zusätzliche Luft L zugeführt werden muss.
Der Verdichter 1 kann nun stabil betrieben werden. Es kommt nicht zu nennenswertem Verschleiß der aerodynamischen Lager 11 c oder der aerostatischen Lager 11 a, b.
Soll der Betrieb des Verdichters 1 abgestellt werden, ergeht in Schritt 309 ein Abschaltbefehl, woraufhin der Elektromotor 3 in Schritt 311 entsprechend zum Verringern seiner Drehzahl no bis hin zum Stillstand angesteuert wird. Während sich ausgehend von Schritt 311 die Drehzahl der Rotorwelle 9 des Verdichters 1 also stetig verringert, steuert das Steuergerät 103 in Schritt 313 das Absperrorgan 21 wiederum an, um jenes in die Öffnungsstellung zu bringen und erneut Luft in die Lagerspalte 13 zu fördern. Das Öffnen des Absperrorgans 21 ist davon abhängig, ob ein Freigabekriterium S3 eintritt. Das Freigabekriterium S3 kann beispielsweise vorliegen, wenn von dem Elektromotor 3 bzw. der Leistungselektronik 8 ausgehend ein Signal in einem Schritt 312 erfasst und ausgegeben wird, welches repräsentativ dafür ist, dass die Motordrehzahl bzw. die Drehzahl no der Rotorwelle 9 sich der Abhebedrehzahl n nähert oder diese erreicht. Durch das erneute Freigeben des Luftlager-Strömungspfades 17 mittels Öffnen des Absperrorgans 21 wird eine Abstützung der Rotorwelle 9 ermöglicht, bevor diese sich bei Unterschreiten der Abhebedrehzahl n absetzen und Verschleiß erzeugen kann.
Die Drehzahl der Rotorwelle 9 kann nun ohne weiteren Schaden bzw. Verschleiß an den Lagern weiter in Richtung Stillstand abgesenkt werden. So kann schließlich in einem Schritt 315 auch das Absperrorgan 21 wieder vom Steuergerät 103 angesteuert und in die Sperrsteilung versetzt werden. Das erneute Sperren des Absperrorgans 21 ist davon abhängig, ob ein Sperrkriterium S4 eintritt. Das Sperrkriterium S4 ist beispielsweise gegeben, wenn in einem Schritt 314 ein repräsentatives Signals vom Elektromotor 3 bzw. von der Leistungselektronik 8 erfasst und an das Steuergerät 103 übermittelt wird darüber, dass die Drehzahl no der Rotorwelle 9 eine kritische Drehzahl unterschritten hat, unterhalb derer selbst bei einem Kontaktieren der rotierenden und stehenden Teile 9a, 10a miteinander kein oder kaum Verschleiß auftritt.
Im Anschluss daran ist der Steuerablauf in Schritt 317 beendet.
Bezugzeichenliste (Teil der Beschreibung)
1 Verdichter
2 Verdichterstufe
3 Elektromotor
4 Sauerstoffzufuhr
5 Stator
7 Rotor
8 Leistungselektronik
9 Rotorwelle,
9a rotierender Teil
10 Verdichtergehäuse,
10a stehender Teil
11 Lageranordnung
11 a aerostatisches Axiallager
11 b aerostatische Radial-Luftlager
11c aerodynamische Radial-Luftlager 13 Lagerspalt
15 Spurscheibe
17 Luftlager-Strömungspfad
19 Schnittstelle
21 Absperrorgan
23 Sensor:
23a Massenstromsensor,
23b Drucksensor;
25 Kontaktsensor
27 Filter:
27a Ölfilter
27b Partikelfilter;
100 Brennstoffzellensystem
101 Brennstoffzelle
102 kathodenseitige Sauerstoffzufuhr
103 Steuergerät: 103a Verdichtersteuergerät
103b Bremssteuergerät
103c Brennstoffzellensteuergerät;
104 anodenseitige Wasserstoffzufuhr
200 Druckluftversorgung
201 Druckluftkreis
203 Druckluftkreis für nicht sicherheitsrelevante Nebenverbraucher
300 Fahrzeug301 -317 Schritte des Verfahrens:
301 Übermitteln eines Startbefehls bei gewünschtem Antriebsbeginn
302, Erfassen einer Einschaltbedingung: 302a in Form eines Massenstroms, 302b in Form eines Drucks, 302c in Form einer Kontaktunterbrechung,
303, 313 Öffnen des Absperrorgans
305 Ansteuern des Elektromotors, Beginn
306 Erfassen eines Sperrkriteriums 309 gewünschter Antriebsstopp
307, 315 Sperren des Absperrorgans
311 Ansteuern des Elektromotoes, Ende
312 Erfassen eines Freigabekriteriums 317 Ende no Drehzahl n Abhebedrehzahl m Massenstrom
PL Druck
SL Luftspalt t vorbestimmte Zeitdauer
L Luft
51 Einschaltbedingung
52 Sperrkriterium
53 Freigabekriterium S4 Sperrkriterium

Claims

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