EP4416779A1 - Brennstoffzellensystem für ein fahrzeug und verfahren zu dessen betrieb - Google Patents

Brennstoffzellensystem für ein fahrzeug und verfahren zu dessen betrieb

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EP4416779A1
EP4416779A1 EP22798071.1A EP22798071A EP4416779A1 EP 4416779 A1 EP4416779 A1 EP 4416779A1 EP 22798071 A EP22798071 A EP 22798071A EP 4416779 A1 EP4416779 A1 EP 4416779A1
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EP
European Patent Office
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expander
fuel cell
compressor
inlet
cell system
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP22798071.1A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Raphael Zwick
Arne Knoblauch
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ZF Friedrichshafen AG
Original Assignee
ZF Friedrichshafen AG
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Filing date
Publication date
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the present invention relates to a fuel cell system for a vehicle, in particular for a commercial vehicle, with a fuel cell having a cathode-side inlet and a cathode-side outlet, a compressor which is fluidly connected to the inlet of the fuel cell and has a compressor shaft, an expander which has an expander shaft has and is fluidly connected to the outlet of the fuel cell, and a control unit arrangement for controlling the compressor and the expander, wherein the expander shaft and the compressor shaft are mechanically decoupled from each other.
  • Fuel cell systems of the type described above are generally known.
  • the compressor is used to draw in air, compress it, and supply it to the cathode-side inlet of the fuel cell to carry out the fuel cell reaction.
  • the compressed mixture of substances runs through the stack or stacks of the fuel cell.
  • the mixture of substances remaining after the reaction exits as a gaseous fluid stream from the outlet of the fuel cell on the cathode side.
  • This fluid flow usually still has an overpressure compared to the environment and is therefore used in most fuel cell systems to influence the reactant balance in the fuel cell as dynamic pressure and/or to drive the expander shaft of the expander.
  • the mixture of substances emerging on the outlet side can be expanded to ambient pressure, and the energy delivered to the expander shaft is usually converted into electrical energy if the expander is connected to a generator.
  • the invention was therefore based on the object of specifying a fuel cell system of the type described at the outset, which alleviates the disadvantages experienced in the prior art as far as possible.
  • the invention was based on the object of specifying a fuel cell system which has improved and/or improved performance and/or economy.
  • the invention solves the problem on which it is based in a fuel cell system of the type described at the outset in that the control unit arrangement is set up to directly influence the operating state of the fuel cell system of the expander.
  • the invention is based on the finding that by arranging the expander shaft and the compressor shaft independently, it is possible to operate and control the expander shaft separately from the compressor shaft.
  • the rotational speed of the expander shaft has a direct flow-mechanical influence on the fluid flow that is supplied to the fuel cell by the compressor and runs through the fuel cell, so that independent control of the expander shaft also has a direct flow-mechanical effect on the fuel cell and the compressor.
  • different operating states of the fuel cell system can be supported without requiring additional hardware.
  • the ability of the expander to convert absorbed mechanical energy into electrical energy and make it available to the fuel cell system or other vehicle components remains fundamentally unaffected.
  • the expander has an idling operating mode
  • the control unit arrangement is set up to switch the expander to the idling operating mode when the compressor accelerates.
  • the expander When the expander is operated at idle, the compressor is accelerated more quickly to the required speed, which results in significantly more dynamic operation of the fuel cell overall. After the acceleration process has been completed, the expander can then be switched back to a normal operating mode in which it absorbs mechanical energy from the mixture of substances emerging on the outlet side and converts it into electrical energy, with the mixture of substances being expanded.
  • the wear in the compressor is reduced because the bearings, especially air bearings, have already reached the desired speed after a relatively small number of rotations, and when accelerating from a standing start they therefore reach their critical lift-off speed faster, from which point there is no longer any significant wear scope occurs.
  • the idle operating mode is characterized in that the expander does not absorb any mechanical energy from the outlet flow of the fuel cell in this operating mode. This can be achieved by the control unit arrangement controlling the expander in such a way that no electrical power is generated in any electrical machine that is operatively connected to the expander. Then the shaft and the rotor of the expander have to be moved as inertial masses, but there is no additional resistance in the electrical machine.
  • the emerging substance mixture can be routed past the inlet of the expander via one or more valves, for example directly into the environment.
  • an expander with pitchable rotor blades can be used on the expander shaft, which can be set to spin operation or to a standstill by appropriate blade adjustment.
  • the mechanical connection between the expander shaft and the electrical machine can be suspended, for example by means of a corresponding clutch, so that the expander shaft can continue to rotate, but does so with essentially no resistance.
  • the expander is set up to be operated at a variable operating point. Due to the fact that the expander is located in the exhaust tract of the fuel cell, its operating point can be in the entire working range, ie from 0% to 100% of the nominal power of the expander, depending on the control of the expander.
  • control unit arrangement is set up to operate the expander at an operating point in a lower end range of its nominal power during an acceleration process of the compressor, preferably in a Range from 0% to 30% of its rated power.
  • control unit arrangement is set up to operate the expander at a working point in an upper sub-range or end range of its nominal output, preferably in a range from 50% to 100% of its nominal output, more preferably in one range, during a deceleration process of the compressor from 60% to 80% of its rated power.
  • the upper partial range or upper end range is preferably limited on the upper side by a maximum permissible outlet-side dynamic pressure on the fuel cell in order to avoid unwanted premature aging or damage to the fuel cell.
  • This embodiment describes an operating state of the fuel cell system in which the power demand on the fuel cell decreases, as a result of which less air has to be supplied and as a result the compressor can/must be operated at a lower speed.
  • This embodiment can also be used to delay the compressor until it comes to a standstill when the fuel cell system is switched off.
  • the compressor is completely braked to a standstill, there are signs of wear in the compressor because the speed of the compressor shaft drops below the lift-off speed at a certain point in time.
  • the lift-off speed characterizes the air bearings frequently used in compressors, and in particular their transition from a plain bearing to an aerodynamic bearing. The faster the braking process is implemented, i.e. the lower the number of grinding revolutions in plain bearing operation, the lower the wear on the bearing.
  • control unit arrangement is set up to control, preferably to regulate, the operating point of the expander for setting a desired outlet-side dynamic pressure between the fuel cell and the expander.
  • the dynamic pressure present on the outlet side downstream of the fuel cell also serves, in particular, to alleviate the depletion of reactants on the cathode side in the case of a fuel cell with a plurality of stacks for the stacks that pass through later.
  • the higher the dynamic pressure the easier it is to ensure sufficient supply of reactants on the cathode side, even for the later stacks from a fuel cell.
  • the dynamic pressure is therefore an important control or regulation parameter.
  • this task is performed by a throttle valve or a pressure control valve.
  • a throttle valve or a pressure control valve it is possible to take over the function of this throttle valve or the pressure control valve in the event of a defect by appropriate control interventions at the operating point of the expander, at least temporarily, as a so-called limp-home function.
  • appropriate dimensioning of the expander it is also possible to dispense with the throttle valve or the pressure control valve and move the function entirely into the expander.
  • the expander is coupled to an electrical machine by means of the expander shaft, with the electrical machine being able to be operated either as a motor or as a generator.
  • the control unit arrangement is set up to activate the electric machine in a normal operating mode for generator drive and to activate it as a motor in an auxiliary mode.
  • This embodiment relates to an operating state of the fuel cell system in which the compressor cannot provide enough power or has failed.
  • the expander can become an additional compressed air supplier by appropriate control of the electrical machine and appropriate fluid-technical connection of energy-absorbing instruments. Since the electric machine drives the expander shaft as a motor, the rotor blades arranged on the expander shaft can work like a compressor and then compress the air drawn in from the environment and feed it to the fuel cell or to the compressor. If the compressor is still functional, both can be operated together as a multi-stage or additive compressor arrangement.
  • the control unit arrangement is set up to control the electric machine as a motor during an acceleration process of the compressor .
  • a multi-way valve is preferably provided in the fuel cell system for the selective fluid-conducting connection of the inlet of the expander to the outlet of the fuel cell or to the inlet of the fuel cell, with the control unit arrangement being set up to control the multi-way valve in such a way that in normal operating mode the inlet of the expander is connected to the outlet of the fuel cell, and in the auxiliary mode the inlet of the expander, which then serves as the outlet, is fluidly connected to the inlet of the fuel cell or the inlet of the compressor.
  • the independent storage and control of the compressor and expander has other advantages.
  • the expander is designed in such a way that it operates at lower speeds in its operating range than the compressor in its operating range, where in particular the speed of the expander at nominal output is lower than the speed of the compressor at nominal output . If the control is implemented flexibly compared to the compressor, the expander can be designed differently than the compressor so that it works at lower speeds due to the principle.
  • the difference in speed can amount to several tens of thousands of revolutions per minute, so that with a corresponding design of the expander it is sometimes possible to switch to a more favorable type of bearing for the expander shaft, for example to roller bearings instead of the constructively complex aerostatic or aerodynamic air bearings. This makes the system even more economical without reducing performance.
  • control unit arrangement has a first control unit for controlling the compressor and a second control unit for controlling the expander.
  • the two control units are preferably connected to one another in a signal-conducting manner. They can be housed in a common housing or in several individual housings.
  • the control device arrangement can be made up entirely of dedicated control devices, or it can be partially or fully integrated into other control devices already present in the vehicle system, either in terms of hardware or software as a corresponding function module.
  • the control unit arrangement can be partially or completely integrated into the fuel cell control, the compressor control, the expander control, or into the control of a DC/DC converter for the fuel cell system.
  • the DC/DC converter is set up to adapt the voltage generated by the fuel cell to a predetermined voltage for the vehicle's electrical system.
  • the background is that the fuel cell has ohmic properties, i. H. has the lowest voltage at full load.
  • a DC/DC converter is preferably connected between the vehicle electrical system and the fuel cell. It ensures that the load-dependent voltage of the fuel cell is always converted to the on-board voltage.
  • Many components in a DC/DC converter and the power electronics of a compressor - such as an inverter - and/or an expander are the same. Therefore, physical integration can reduce component redundancies.
  • control device arrangement can also have a single control device for controlling the compressor and the expander.
  • control unit arrangement can be designed as a dedicated control unit in the manner described above, or it can be implemented in hardware or software in one of the control units from the commercial vehicle system, see the above explanations in this regard.
  • the invention also relates to a method for operating a fuel cell system, in particular a fuel cell system for a vehicle, in particular a commercial vehicle, with a fuel cell having a cathode-side inlet and a cathode-side outlet, a compressor which is fluidly connected to the inlet is connected to the fuel cell and has a compressor shaft, an expander, which has an expander shaft and is connected to the outlet of the fuel cell in a fluid-conducting manner, and a control unit arrangement for controlling the compressor and the expander, the expander shaft and the compressor shaft being mechanically decoupled from one another.
  • the invention solves the task on which it is based and described at the outset in such a method in that the method includes controlling the compressor and the expander, and the expander is controlled in such a way that an operating state of the fuel cell system is directly influenced.
  • the invention relates in particular to a method for operating a fuel cell system according to one of the preferred embodiments described above.
  • the method according to the invention in the second aspect utilizes the same advantages and the same effects as the fuel cell system according to the invention of the first aspect.
  • Preferred embodiments of the fuel cell system are at the same time preferred embodiments of the method and vice versa. In this regard, reference is therefore also made to the above statements.
  • the method is advantageously further developed by one, several or all of the following steps:
  • the invention relates to a control unit arrangement for a fuel cell system of a vehicle, in particular for a fuel cell system with a fuel cell having a cathode-side inlet and a cathode-side outlet, a compressor which is fluidly connected to the inlet of the fuel cell and has a compressor shaft , an expander, which has an expander shaft and is fluidly connected to the outlet of the fuel cell, and a control unit arrangement for controlling the compressor and the expander, wherein the expander shaft and the compressor shaft are mechanically decoupled from one another.
  • control unit arrangement is set up to carry out the method according to one of the embodiments described above.
  • control unit arrangement is also set up to control a fuel cell system according to one of the embodiments described above.
  • control unit arrangement according to this aspect of the invention makes use of the same advantages and effects as the fuel cell system according to the invention and the method according to the invention.
  • the preferred embodiments of the fuel cell system and of the method are at the same time preferred embodiments of the control device arrangement and vice versa. To avoid repetition, reference is made in this regard to the above embodiments.
  • the invention is described in more detail below using a preferred exemplary embodiment with reference to the attached figure. It shows the figure shows a schematic representation of a commercial vehicle with a fuel cell system according to a preferred exemplary embodiment.
  • a commercial vehicle 200 with a fuel cell system 100 is shown in the figure.
  • the fuel cell system 100 has a fuel cell which has an inlet 3 on the cathode side and an outlet 5 on the cathode side.
  • the inlet 3 is provided for supplying air on the cathode side.
  • the reference symbol O2 is used for the supplied air, which means that pure oxygen does not have to be supplied, but that oxygen-containing mixtures of substances can be used which, in addition to oxygen, can also contain other gaseous components such as nitrogen, noble gases and other components. Ambient air, for example, can be supplied as a mixture of substances.
  • Hydrogen is supplied to the fuel cell 1 on the anode side, but this has not been shown here for reasons of focusing on the features essential to the invention.
  • a substance mixture depleted of the reacted components exits the outlet 5 as an exhaust air fluid flow O2 1 from the fuel cell 1 .
  • the fuel cell system 100 has a compressor 7 with a compressor shaft 9 driven in rotation.
  • the compressor 7 is set up to draw in air at a first pressure pi, for example ambient pressure, to compress it and to deliver it to the inlet 3 of the fuel cell 1 at a pressure p2 that is increased in accordance with the compressor output.
  • the fuel cell system 100 also has an expander 11 which is mechanically decoupled from the compressor 7 .
  • the compressor 7 and the expander 11 are shown offset in the figure for the sake of clarity.
  • the mechanical decoupling results in far-reaching flexibility with regard to the positioning of the compressor 7 and the expander 11 relative to the fuel cell 1 and relative to one another.
  • the compressor 11 and expander 7 can be in a common housing and be arranged, but they can also be arranged in separate, dedicated housings on the fuel cell 1 or separately from the fuel cell 1 .
  • the expander 11 has an expander shaft 13 which is set up to absorb mechanical energy from the exhaust air stream of the fuel cell 1 by means of rotor blades (not shown in detail) and to cause the expander shaft 13 to rotate.
  • the expander 11 has an inlet 12 via which the expander 11 is connected in a fluid-conducting manner to the outlet 5 of the fuel cell 1 . Due to the energy transfer to the expander shaft 13, the exhaust air fluid flow O2 1 exiting the fuel cell 1 with a pressure ps is further expanded and leaves the expander 11 via an outlet 14 with a pressure p4, which can be, for example, the ambient pressure pi, but does not have to be .
  • the expander shaft 13 is coupled to a shaft 17 of an electrical machine 15 by means of a clutch 19 .
  • the electric machine 15 is set up to be operated as a generator in a first operating mode and as a motor in a second operating mode.
  • a pressure control valve 21 is arranged between the outlet 5 of the fuel cell 1 and the inlet 12 of the expander 11, which can be variably controlled between an open position and a closed position in a large number of intermediate positions and can be used to control the pressure on the side of the outlet 5 of the fuel cell 1 is.
  • a multi-way valve 23 for example a 3/2-way valve, is arranged, with which the inlet 12 of the expander 11 can optionally be fluidly connected to the outlet 5 of the fuel cell 1, such as shown in the figure, or connected to the inlet 3 of the fuel cell 1 or an inlet 2 of the compressor 7, in which case the inlet 12 acts as an outlet.
  • the fuel cell system 100 also has a control unit arrangement 25, designed in the present exemplary embodiment as a single control unit with a data memory 27 and a processor 29.
  • the control unit arrangement 25 is set up to control the compressor 7 and the expander 11 independently of one another in such a way that by means of the control of the expander 11 one or more operating states of the fuel cell system 100 are influenced directly.
  • the control unit arrangement 25 is connected to the compressor 7 and the expander 11 in a signal-conducting manner.
  • control unit arrangement 25 is connected to the electrical machine 15 in a signal-conducting manner and is set up to activate the machine either in the first operating mode or in the second operating mode.
  • the electric machine 15 and the expander 11 can also be an integrated unit that is controlled by the control unit arrangement 25 as such.
  • the control unit arrangement 25 is preferably also configured to engage and disengage the clutch 19 between the expander 11 and the electric machine 15 .
  • the control unit arrangement 25 is preferably also set up to switch the multi-way valve 23 in such a way that, in a normal operating mode as shown in the figure, it fluidly connects the outlet 5 of the fuel cell 1 to the inlet 12 of the expander 11, or in an auxiliary mode the inlet 12 of the expander 11, which then acts as an outlet, with either the inlet 3 of the fuel cell 1 or the inlet 2 of the compressor 7.
  • control unit arrangement 25 is set up to control, preferably to regulate, the pressure regulating valve 21 for setting a desired pressure at the outlet 5 of the fuel cell 1 . If, for example, the fuel cell 1 has its own fuel cell controller 6, and that fuel cell controller 6 specifies what kind of pressure should be present on the side of the outlet 5 of the fuel cell 1, the control unit arrangement 25 is preferably signal-conducting with the Connected to the fuel cell controller 6 and set up to receive corresponding control commands from the fuel cell controller 6 of the fuel cell 1 .
  • control unit arrangement 25 can be a dedicated control unit, or it can be designed as an arrangement of a plurality of control units.
  • the control unit arrangement 25 can be implemented in hardware or software in the fuel cell 1, then preferably as part of the fuel cell control 6.
  • control unit arrangement 25 can also be implemented in hardware or software in the compressor control, the expander control or the control of the electric machine 15. Implementation in a control device external to the fuel cell system 100 within the architecture of the commercial vehicle 200 is also possible.
  • Commands for executing the method according to the invention are preferably stored in the data memory 27, and the processor 29 is set up to execute these commands.
  • the control unit arrangement 25 can have an interface to an external data memory in which those commands are stored.
  • the expander shaft 13 and the compressor shaft 9 can be operated at different speed levels, it being preferred to select the speed level of the expander shaft 13 significantly lower than the speed level of the compressor shaft 9.
  • the expander shaft 13 and the Shaft 17 of the electrical machine 15 can be coupled directly to one another or connected to one another via a gear, with the gear preferably being a multiplying gear. More preferably, the transmission can be switched either as a stepping-up transmission in the normal operating mode, or as a stepping-down transmission, which then in the auxiliary mode, i.e.
  • the expander 11 is set up to operate at a variable operating point, i.e. at a variable rate of its rated power, and the control unit arrangement 25 is set up to control the expander 11 accordingly in order to operate the fuel cell system 100 in different ways to support operating conditions.
  • a variable operating point i.e. at a variable rate of its rated power
  • the control unit arrangement 25 is set up to control the expander 11 accordingly in order to operate the fuel cell system 100 in different ways to support operating conditions.
  • a first exemplary operating state relates to the ramping up or loading of the fuel cell 1 from a lower power level, for example standstill, to a relatively higher power level. If such an increase command is registered, for example coming from the fuel cell controller 6, the control unit arrangement 25 controls the compressor? corresponding to an increase in the rotational speed of the compressor shaft 9 in order to be able to supply more air to the fuel cell 1 . Furthermore, in a first variant, the control unit arrangement 25 controls the expander 11 into an idle operating mode. For example, the clutch 19 can be opened for this purpose, as a result of which the expander shaft 13 continues to rotate, but without any significant rotational resistance, as a result of which no significant dynamic pressure builds up at the outlet 5 of the fuel cell 1 .
  • the expander can absorb energy from the exhaust air fluid flow O2 1 and convert it into electrical energy by means of the electric machine 15, which is operated as a generator in the normal operating mode.
  • the operating state of increasing the fuel cell power can be supported in that the control device arrangement 25 does not put the expander 11 in an idle operating mode, but rather the operating point of the expander 11 in a lower end range of the nominal power provided for expander operation.
  • the expander 11 offers little resistance to the incoming exhaust air fluid flow O2 1 , and the acceleration of the compressor shaft 9 is correspondingly easy, as described above.
  • the operating point can be shifted either by adjusting the pitch angle of the rotor elements (not shown) in the expander 11, if present, or by selectively activating the electrical machine 15, for example by activating an inverter or the like assigned to the electrical machine 15 Elements of power electronics. This can be done in a generally known manner.
  • a further operating state relates to the reduction in the electrical power to be generated by the fuel cell 1 . If the electrical power delivered by the fuel cell 1 is to be reduced, for example to a standstill, or at least starting from the current power level to a relatively lower power level, a command to decelerate the compressor shaft 9 is sent, for example by the fuel cell controller 6, to the control unit arrangement 25. The control unit arrangement 25 then controls the expander 11 in such a way that its operating point is shifted to an upper end range of the rated power specified for the expander 11.
  • a comparatively high dynamic pressure is generated at the outlet 5 of the fuel cell 1 , which represents a high resistance for the compressor 7 .
  • the fuel cell 1 is directly supported by the control of the expander 11 in that the expander 11 is controlled by the control unit arrangement 25 in such a way that the pressure on the side of the outlet 5 of the fuel cell 1 is specifically controlled, preferably regulated.
  • the magnitude of the back pressure on the outlet 5 side of the fuel cell 1 affects the degree of reactant depletion in a fuel cell, particularly a multi-stack fuel cell, and particularly the stacks through which the air O2 later passes.
  • This activation of the expander 11 for influencing the dynamic pressure can be carried out in support of an activation of the pressure control valve 21, or as a bridging measure in the event of a defect in the pressure control valve 21. If the expander 11 is dimensioned appropriately and the control algorithm is configured accordingly, the pressure control valve 21 can even be dispensed with.
  • the pressure control valve 21 can also be structurally assigned to the fuel cell 1 or be a separate component in the fuel cell system 100. According to the invention, however, it can also be assigned to the expander 11, for example mounted at its inlet 12.
  • the control unit arrangement 25 controls the multi-way valve 23 to switch from the normal operating switching position shown in the figure to an auxiliary mode switching position in which the inlet 12 of the expander 1 1 is fluidly connected to the inlet 3 of the fuel cell 1, or alternatively to the inlet 2 of the compressor 7.
  • the outlet 14 of the expander from which normally the expanded fluid flow of the reacted exhaust air fluid flow O2 1 exits, then serves as an inlet, and because the electric machine 15 operates as a motor in the now triggered auxiliary mode, the expander shaft 13 is driven by the shaft 17 of the electric machine 15 and provides compression inside of the expander, which then works like a compressor.
  • the inlet 12 of the compressor then acts as an outlet and supplies compressed air at a pressure ps to the corresponding inlet 3 of the fuel cell 1 or the inlet 2 of the compressor 7 .
  • the expander acts like a first compressor stage in a pre-compressing manner and the compressor 7 acts as a second compressor stage. If the compressor 7 has failed, the expander 11 can at least temporarily take over the supply of compressed air for the fuel cell 1, at least as a “limp home” function.
  • the multi-way valve 23 can be a dedicated valve in the fuel cell system 100, but it can also be structurally connected to the expander 11.
  • the expander can provide a variety of functions that go far beyond the mere generation of electrical energy from the exhaust air fluid flow O2 1 of the fuel cell 1, and that the expander supports the fuel cell system 100 in many ways in its general functioning and can be made more efficient.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem (100) für ein Fahrzeug, insbesondere für ein Nutzfahrzeug (200), mit einer Brennstoffzelle (1) mit einem kathodenseitigen Einlass (3) und einem kathodenseitigen Auslass (5), einem Verdichter (7), der fluidleitend mit dem Einlass (3) der Brennstoffzelle (1) verbunden ist und eine Verdichterwelle (9) aufweist, einem Expander (11), der eine Expanderwelle (13) aufweist und fluidleitend mit dem Auslass der Brennstoffzelle (1) verbunden ist, und einer Steuergeräteanordnung (25) zum Ansteuern des Verdichters (7) und des Expanders (11), wobei die Expanderwelle (13) und die Verdichterwelle (9) mechanisch voneinander entkoppelt sind. Es wird vorgeschlagen, dass die Steuergeräteanordnung (25) dazu eingerichtet ist, den Betriebszustand des Brennstoffzellensystems (100) mittels Ansteuerung des Expanders (11) direkt zu beeinflussen.

Description

Brennstoffzellensystem für ein Fahrzeug und Verfahren zu dessen Betrieb
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem für ein Fahrzeug, insbesondere für ein Nutzfahrzeug, mit einer Brennstoffzelle mit einem kathodenseitigen Einlass und einem kathodenseitigen Auslass, einem Verdichter, der fluidleitend mit dem Einlass der Brennstoffzelle verbunden ist und eine Verdichterwelle aufweist, einem Expander, der eine Expanderwelle aufweist und fluidleitend mit dem Auslass der Brennstoffzelle verbunden ist, und einer Steuergeräteanordnung zum Ansteuern des Verdichters und des Expanders, wobei die Expanderwelle und die Verdichterwelle mechanisch voneinander entkoppelt sind.
Brennstoffzellensysteme der vorbezeichneten Art sind allgemein bekannt. In diesen Brennstoffzellensystemen wird der Verdichter dazu benutzt, Luft anzusaugen, zu verdichten und dem kathodenseitigen Einlass der Brennstoffzelle zum Durchführen der Brennstoffzellenreaktion zuzuführen. Das verdichtete Stoffgemisch durchläuft den o- der die Stacks der Brennstoffzelle. Das nach dem Abreagieren verbleibende Stoffgemisch tritt als gasförmiger Fluidstrom kathodenseitig aus dem Auslass der Brennstoffzelle wieder aus. Dieser Fluidstrom weist üblicherweise noch einen Überdruck gegenüber der Umgebung auf und wird daher in den meisten Brennstoffzellensystemen dazu genutzt, als Staudruck die Reaktanten balance in der Brennstoffzelle zu beeinflussen und/oder die Expanderwelle des Expanders anzutreiben. Im Expander kann das auslassseitig austretende Stoffgemisch auf Umgebungsdruck entspannt werden, und die an die Expanderwelle abgegebene Energie wird üblicherweise in elektrische Energie umgewandelt, wenn der Expander mit einem Generator verbunden ist.
Es ist aus dem Stand der Technik bekannt, die vom Expander erzeugte elektrische Energie dem Bordnetz des Fahrzeugs zur Verfügung zu stellen und bisweilen auch, jene elektrische Energie dem Brennstoffzellensystem zugänglich zu machen.
Darüber hinaus ist bekannt, den Expander bei verschiedenen Arbeitspunkten zu betreiben, um abhängig vom Arbeitspunkt der vorgelagerten Brennstoffzelle eine maximale Energieausbeute aus dem kathodenseitig austretenden Fluidstrom schöpfen zu können. Es besteht allerdings der Wunsch, die Effizienz im Betrieb eines Brennstoffzellensystems noch weiter zu verbessern.
So lag der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Brennstoffzellensystem der eingangs bezeichneten Art anzugeben, welches die im Stand der Technik empfundenen Nachteile möglichst weitgehend abmildert. Insbesondere lag der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Brennstoffzellensystem anzugeben, welches eine verbesserte und/oder verbesserte Leistung und/oder Wirtschaftlichkeit aufweist.
Die Erfindung löst die ihr zugrundeliegende Aufgabe bei einem Brennstoffzellensystem der eingangs bezeichneten Art, indem die Steuergeräteanordnung dazu eingerichtet ist, den Betriebszustand des Brennstoffzellensystems des Expanders direkt zu beeinflussen. Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass es durch eine unabhängige Anordnung der Expanderwelle und der Verdichterwelle möglich ist, die Expanderwelle losgelöst von der Verdichterwelle zu betreiben und anzusteuern. Die Rotationsgeschwindigkeit der Expanderwelle hat direkten strömungsmechanischen Einfluss auf den Fluidstrom, der vom Verdichter der Brennstoffzelle zugeführt wird und die Brennstoffzelle durchläuft, sodass sich ein unabhängiges Ansteuern der Expanderwelle auch strömungsmechanisch direkt auf die Brennstoffzelle und den Verdichter auswirkt. Hierdurch lassen sich verschiedene Betriebszustände des Brennstoffzellensystems unterstützen, ohne dass zusätzliche Hardware dafür benötigt wird. Die Fähigkeit des Expanders, aufgenommene mechanische Energie in elektrische Energie zu wandeln und dem Brennstoffzellensystem oder anderen Fahrzeugkomponenten zur Verfügung zu stellen, bleibt dadurch grundsätzlich unbeeinträchtigt.
In einer bevorzugten Weiterbildung weist der Expander einen Leerlauf-Betriebsmodus auf, und die Steuergeräteanordnung ist dazu eingerichtet, bei einem Beschleunigungsvorgang des Verdichters den Expander in den Leerlauf-Betriebsmodus zu schalten. Diese Weiterbildung betrifft einen Betriebszustand des Brennstoffzellensystems, in dem die Leistungsabgabe des Brennstoffzellensystems erhöht werden soll, beispielsweise aus dem Stillstand heraus. Um eine höhere Leistung zu erzeugen, benötigt das Brennstoffzellensystem mehr kathodenseitige Luftzufuhr, sodass der Verdichter mehr Verdichtungsleistung erbringen muss. Dafür muss die Verdichterwelle mit einer höheren Drehzahl angetrieben werden. Aufgrund der zu bewegenden Massen und der Natur des chemischen Prozesses in der Brennstoffzelle ist ein solcher Beschleunigungsvorgang im Stand der Technik vergleichsweise träge gewesen, und jene Trägheit wird dadurch verstärkt, dass der Verdichter gegen den strömungsmechanischen Widerstand an arbeiten muss, den unter anderem auch der Expander ihm entgegenstellt. Das stellt in der Praxis eine Grenze der Dynamik im Fährbetrieb dar. Indem beim Beschleunigungsvorgang, also während sich die Drehzahl der Verdichterwelle erhöht, der Expander im Leerlauf betrieben wird, sinkt aber am Auslass der Brennstoffzelle der Staudruck, welches gleichzeitig bedeutet, dass der Verdichter gegen weniger Luftwiderstand an arbeiten muss, wenn er die Beschleunigung umsetzen will. Der Verdichter wird bei einem im Leerlauf betriebenen Expander schneller auf die angeforderte Drehzahl beschleunigt, was insgesamt einen deutlich dynamischeren Betrieb der Brennstoffzelle zur Folge hat. Nach vollzogenem Beschleunigungsvorgang kann der Expander dann wieder in einen Normal-Betriebsmodus versetzt werden, in dem er wie gehabt aus dem auslassseitig austretenden Stoffgemisch mechanische Energie aufnimmt und in elektrische Energie umwandelt, wobei das Stoffgemisch entspannt wird. Zudem wird der Verschleiß im Verdichter reduziert, weil die Lager, insbesondere Luftlager, bereits nach einer relativ geringeren Anzahl Drehungen die gewünschte Drehzahl erreicht haben, und bei einer Beschleunigung aus dem Stand heraus folglich schneller ihre kritische Abhebedrehzahl erreichen, ab der kein Verschleiß mehr im nennenswerten Umfang auftritt.
Der Leerlauf-Betriebsmodus wird dadurch charakterisiert, dass der Expander in diesem Betriebsmodus keine mechanische Energie aus dem Auslassstrom der Brennstoffzelle aufnimmt. Dies kann erreicht werden, indem die Steuergeräteanordnung den Expander derart ansteuert, dass keine mit dem Expander wirkverbundenen elektrischen Maschine keine elektrische Leistung generiert wird. Dann müssen die Welle und der Rotor des Expanders zwar als träge Massen bewegt werden, aber es tritt in der elektrischen Maschine kein zusätzlicher Widerstand auf.
Alternativ kann das austretende Stoffgemisch über ein oder mehrere Ventile am Einlass des Expanders vorbeigeleitet werden, beispielswiese direkt in die Umgebung. In einer weiteren Ausführungsform kann ein Expander mit pitchbaren Rotorblättern an der Expanderwelle verwendet werden, die durch entsprechende Blatteinstellung in einen Trudelbetrieb oder in Stillstand versetzt werden können.
Alternativ oder zusätzlich kann, falls der Expander mit einer elektrischen Maschine gekoppelt ist, die mechanische Verbindung zwischen der Expanderwelle und der elektrischen Maschine ausgesetzt werden, beispielsweise mittels einer entsprechenden Kupplung, sodass die Expanderwelle sich zwar weiterdrehen kann, dies aber im Wesentlichen widerstandslos tut.
In bevorzugten Ausführungsformen ist der Expander dazu eingerichtet, bei einem veränderlichen Arbeitspunkt betrieben zu werden. Dadurch, dass der Expander gewissermaßen im Abgastrakt der Brennstoffzelle liegt, kann abhängig von der Ansteuerung des Expanders sein Arbeitspunkt im gesamten Arbeitsbereich liegen, also von 0% bis 100 % der Nennleistung des Expanders.
Für den vorstehend bereits beschriebenen Betriebszustand einer ansteigenden Leistungsanforderung für das Brennstoffzellensystem kann in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform vorgesehen sein, dass die Steuergerätanordnung dazu eingerichtet ist, bei einem Beschleunigungsvorgang des Verdichters den Expander an einem Arbeitspunkt in einem unteren Endbereich seiner Nennleistung zu betreiben, vorzugsweise in einem Bereich von 0% bis 30% seiner Nennleistung.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Steuergeräteanordnung dazu eingerichtet, bei einem Verzögerungsvorgang des Verdichters den Expander an einem Arbeitspunkt in einem oberen Teilbereich oder Endbereich seiner Nennleistung zu betreiben, vorzugsweise in einem Bereich von 50% bis 100% seiner Nennleistung, weiter vorzugsweise in einem Bereich von 60% bis 80% seiner Nennleistung. Der obere Teilbereich oder obere Endbereich wird alternativ oder zusätzlich zu der vorherigen Bereichsauswahl oberseitig vorzugsweise begrenzt durch einen maximal zulässigen auslassseitigen Staudruck an der Brennstoffzelle, um eine ungewollte vorzeitige Alterung oder Beschädigung der Brennstoffzelle zu vermeiden. Diese Ausführungsform beschreibt einen Betriebszustand des Brennstoffzellensystems, an dem die Leistungsanforderung an die Brennstoffzelle abnimmt, wodurch weniger Luft zugeführt werden muss, und wodurch folglich der Verdichter mit einer geringeren Drehzahl betrieben werden kann/muss.
Diese Ausführungsform kann auch dazu genutzt werden, den Verdichter bei einem Abschalten des Brennstoffzellensystems bis zum Stillstand zu verzögern. Insbesondere beim vollständigen Abbremsen des Verdichters in den Stillstand kommt es zu Verschleißerscheinungen im Verdichter, weil die Verdichterwelle an einem bestimmten Zeitpunkt mit ihrer Drehzahl unter die Abhebedrehzahl herabsinkt. Die Abhebedrehzahl charakterisiert die häufig bei Verdichtern verwendeten Luftlager, und insbesondere deren Übergang von einer Gleitlagerung in eine aerodynamische Lagerung. Je schneller der Abbremsvorgang realisiert wird, d.h. je geringer die Anzahl der schleifenden Umdrehungen im Gleitlagerbetrieb ist, desto geringer ist der Verschleiß vom Lager.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Steuergeräteanordnung dazu eingerichtet, den Arbeitspunkt des Expanders zum Einstellen eines gewünschten auslassseitigen Staudrucks zwischen der Brennstoffzelle und dem Expander zu steuern, vorzugsweise zu regeln. Der auslassseitig anliegende Staudruck hinter der Brennstoffzelle dient in der Praxis auch dazu, vor allem die kathodenseitige Reaktantenverarmung bei einer Brennstoffzelle mit mehreren Stacks für die später durchlaufenden Stacks abzumildern. Je höher der Staudruck, desto besser gelingt es erfahrungsgemäß, auch für die späteren Stacks aus einer Brennstoffzelle ausreichende kathodenseitige Reaktantenversorgung sicherzustellen. Im Rahmen der Balance der Reaktionskomponenten ist daher der Staudruck ein wichtiger Steuer- bzw. Regelparameter. In den meisten Brennstoffzellensystemen wird diese Aufgabe von einer Drosselklappe oder einem Druckregelventil übernommen. Mit der erfindungsgemäßen Ausführungsform wird es möglich, die Funktion dieser Drosselklappe bzw. des Druckregelventils im Falle eines Defekts durch entsprechende Steuereingriffe am Arbeitspunkt des Expanders zu übernehmen, zumindest provisorisch, als sogenannte Limp-Home-Funktion. Bei entsprechender Dimensionierung des Expanders ist es aber auch möglich, auf die Drosselklappe bzw. das Druckregelventil zu verzichten und die Funktion vollständig in den Expander zu verlagern. Es ist ebenfalls eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung, den Einbau einer Drosselklappe oder eines Druckregelventils im Brennstoffzellensystem anderweitig überflüssig zu machen, indem dem Expander selbst eine solche Drosselklappe oder ein Druckrege Iventil einlassseitig zugeordnet wird, und von der Steuergeräteanordnung dann mit angesteuert wird.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Expander mittels der Expanderwelle mit einer elektrischen Maschine gekoppelt, wobei die elektrische Maschine wahlweise als Motor oder als Generator betreibbar ist. Die Steuergeräteanordnung ist dazu eingerichtet, die elektrische Maschine in einen Normalbetriebsmodus zum Generatorantrieb anzusteuern und in einem Hilfsmodus als Motor anzusteuern.
Diese Ausführungsform betrifft einen Betriebszustand des Brennstoffzellensystems, in dem der Verdichter nicht genug Leistung zur Verfügung stellen kann, oder ausgefallen ist. In einem solchen Fall kann der Expander durch entsprechende Ansteuerung der elektrischen Maschine und entsprechende fluidtechnische Verschaltung von energieabschöpfenden Instrument zu einem zusätzlichen Druckluftlieferanten werden. Indem die elektrische Maschine die Expanderwelle motorisch antreibt, können die an der Expanderwelle angeordneten Rotorblätter wie ein Verdichter arbeiten und die dann aus der Umgebung angesaugte Luft verdichten und der Brennstoffzelle o- der dem Verdichter zuzuführen. Sofern der Verdichter noch funktionsfähig ist, können beide gemeinsam als mehrstufige oder additive Verdichteranordnung betrieben werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform, in welcher der Expander mittels der Expanderwelle mit einer elektrischen Maschine gekoppelt ist, wobei die elektrische Maschine wahlweise als Motor oder als Generator betreibbar ist, ist die Steuergeräteanordnung dazu eingerichtet, die elektrische Maschine bei einem Beschleunigungsvorgang des Verdichters als Motor anzusteuern. Dadurch wird der Staudruck auslassseitig der Brennstoffzelle reduziert, ähnlich wie im Leerlauf-Betriebsmodus, und der Verdichter erreicht schneller seine Ziel-Drehzahl. Vorzugsweise ist dazu im Brennstoffzellensystem ein Mehrwegeventil zum wahlweisen fluidleitenden Verbinden des Einlasses des Expanders mit dem Auslass der Brennstoffzelle oder mit dem Einlass der Brennstoffzelle vorgesehen, wobei die Steuergeräteanordnung dazu eingerichtet ist, das Mehrwegeventil derart anzusteuern, dass im Normalbetriebsmodus der Einlass des Expanders mit dem Auslass der Brennstoffzelle verbunden ist, und im Hilfsmodus der Einlass des Expanders, der dann als Auslass dient, fluidleitend mit dem Einlass der Brennstoffzelle oder dem Einlass des Verdichters verbunden ist.
Die unabhängige Lagerung und Ansteuerung von Verdichter und Expander hat noch weitere Vorteile. So ist beispielsweise in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform vorgesehen, dass der Expander derart ausgelegt ist, dass er in seinem Arbeitsbereich bei niedrigeren Drehzahlen arbeitet als der Verdichter in dessen Arbeitsbereich, wo insbesondere die Drehzahl des Expanders bei Nennleistung geringer ist als die Drehzahl des Verdichters bei Nennleistung. Der Expander kann, wenn die Ansteuerung flexibel im Vergleich zum Verdichter realisiert wird, bauarttechnisch anders ausgelegt werden als der Verdichter, sodass er prinzipbedingt bei niedrigeren Drehzahlen arbeitet. Der Drehzahlunterschied kann im Gegensatz zu einer gemeinsamen Lagerung beider Systeme mehrere zehntausend Umdrehungen pro Minute betragen, sodass bei entsprechender Auslegung des Expanders mitunter auf eine günstigere Lagerungsart der Expanderwelle ausgewichen werden kann, beispielsweise auf Wälzlager anstelle der konstruktiv aufwendigen aerostatischen oder aerodynamischen Luftlager. Hierdurch wird das System ohne Leistungsschmälerung noch wirtschaftlicher.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die Steuergeräteanordnung ein erstes Steuergerät zur Steuerung des Verdichters, und ein zweites Steuergerät zur Steuerung des Expanders auf. Die beiden Steuergeräte sind vorzugsweise signalleitend miteinander verbunden. Sie können in einem gemeinsamen Gehäuse oder in mehreren individuellen Gehäusen untergebracht sein. Die Steuergeräteanordnung kann vollständig aus dedizierten Steuergeräten aufgebaut sein, oder sie kann teilweise oder vollständig in andere, bereits im Fahrzeugsystem vorhandene Steuergeräte integriert sein, entweder hardwaretechnisch oder softwaretechnisch als entsprechendes Funktionsmodul.
Beispielsweise kann die Steuergeräteanordnung partiell oder vollständig in die Brennstoffzellensteuerung, die Verdichtersteuerung, die Expandersteuerung, oder in die Steuerung eines DC/DC-Konverters für das Brennstoffzellensystem integriert sein. Der DC/DC-Konverter ist dazu eingerichtet, die von der Brennstoffzelle erzeugte Spannung an eine vorbestimmte Spannung für das Bordnetz des Nutzfahrzeugs anzupassen. Hintergrund ist, dass die Brennstoffzelle ohmsche Eigenschaften aufweist, d. h. bei Volllast die kleinste Spannung aufweist. Weil das Bordnetz aber eine weitgehend konstante Spannung verlangt, ist zwischen Bordnetz und Brennstoffzelle vorzugsweise ein DC/DC-Konverter geschaltet. Er sorgt dafür, dass die last-abhängige Spannung der Brennstoffzelle immer auf die Bordnetzspannung gewandelt wird. Viele Bauteile in einem DC/DC-Konverter und der Leistungselektronik eines Verdichters - etwa einem Inverter - und/oder eines Expanders sind gleich. Deshalb kann eine physikalische Integration Bauteilredundanzen reduzieren.
Alternativ zu der Mehrgerätelösung, die vorstehend beschrieben ist, kann die Steuergeräteanordnung auch ein einzelnes Steuergerät zur Steuerung des Verdichters und des Expanders aufweisen. Wiederum kann die Steuergeräteanordnung in vorstehend beschriebener Art und Weise als dediziertes Steuergerät ausgebildet sein, oder in eines der Steuergeräte aus dem Nutzfahrzeugsystem hardwaremäßig oder softwaremäßig implementiert sein, siehe insoweit die obigen Ausführungen.
Die Erfindung ist vorstehend anhand eines ersten Aspekts unter Bezugnahme auf das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem beschrieben worden. Die Erfindung betrifft in einem zweiten Aspekt ferner ein Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems, insbesondere eines Brennstoffzellensystems für ein Fahrzeug, insbesondere Nutzfahrzeug, mit einer Brennstoffzelle mit einem kathodenseitigen Einlass und einem kathodenseitigen Auslass, einem Verdichter, der fluidleitend mit dem Einlass der Brennstoffzelle verbunden ist und eine Verdichterwelle aufweist, einem Expander, der eine Expanderwelle aufweist und fluidleitend mit dem Auslass der Brennstoffzelle verbunden ist, und einer Steuergeräteanordnung zum Ansteuern des Verdichters und des Expanders, wobei die Expanderwelle und die Verdichterwelle mechanisch voneinander entkoppelt sind.
Die Erfindung löst die ihr zugrundeliegende, eingangs bezeichnete Aufgabe bei einem solchen Verfahren, indem das Verfahren das Ansteuern des Verdichters und des Expanders umfasst, und der Expander derart angesteuert wird, dass damit ein Betriebszustand des Brennstoffzellensystems direkt beeinflusst wird. Die Erfindung betrifft insbesondere ein Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems nach einer der vorstehend beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen.
Das Verfahren gemäß der Erfindung im zweiten Aspekt macht sich dieselben Vorteile und dieselben Effekte zunutze, wie das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem des ersten Aspekts. Bevorzugte Ausführungsformen des Brennstoffzellensystems sind zugleich bevorzugte Ausführungsformen des Verfahrens und umgekehrt. Diesbezüglich wird daher ergänzend auf die obigen Ausführungen verwiesen.
Das Verfahren wird vorteilhaft durch einen, mehrere oder sämtliche der folgenden Schritte weitergebildet:
- Schalten den Expander in den Leerlauf-Betriebsmodus, wenn der Verdichter beschleunigt wird;
- Betreiben des Expanders bei einem veränderlichen Arbeitspunkt;
- Betreiben des Expanders an einem Arbeitspunkt in einem unteren Endbereich seiner Nennleistung zu betreiben, vorzugsweise in einem Bereich von 0% bis 30% seiner Nennleistung, wenn der Verdichter beschleunigt wird;
- Betreiben des Expanders an einem Arbeitspunkt in einem oberen Endbereich seiner Nennleistung, vorzugsweise in einem Bereich von 50% bis 100% seiner Nennleistung, wenn der Verdichter verzögert wird;
- Steuern, vorzugsweise Regeln, des Arbeitspunkts des Expanders zum Einstellen eines gewünschten auslassseitigen Staudrucks zwischen der Brennstoffzelle und dem Expander; - Ansteuern einer mit dem Expander gekoppelten elektrischen Maschine wahlweise in einem Normalbetriebsmodus als Generator anzusteuern oder in einem Hilfsmodus als Motor;
- Ansteuern eines Mehrwegeventils derart, dass im Normalbetriebsmodus der Einlass des Expanders mit dem Auslass der Brennstoffzelle verbunden ist, und im Hilfsmodus der Einlass des Expanders, der dann als Auslass dient, mit dem Einlass der Brennstoffzelle oder des Verdichters verbunden ist.
Die Erfindung betrifft in einem weiteren Aspekt eine Steuergeräteanordnung für ein Brennstoffzellen system eines Fahrzeugs, insbesondere für ein Brennstoffzellensystem mit einer Brennstoffzelle mit einem kathodenseitigen Einlass und einem katho- denseitigen Auslass, einem Verdichter, der fluidleitend mit dem Einlass der Brennstoffzelle verbunden ist und eine Verdichterwelle aufweist, einem Expander, der eine Expanderwelle aufweist und fluidleitend mit dem Auslass der Brennstoffzelle verbunden ist, und einer Steuergeräteanordnung zum Ansteuern des Verdichters und des Expanders, wobei die Expanderwelle und die Verdichterwelle mechanisch voneinander entkoppelt sind.
Die Erfindung löst die ihr zugrundeliegende Aufgabe bei einer solchen Steuergeräteanordnung, indem die Steuergeräteanordnung dazu eingerichtet ist, das Verfahren nach einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen auszuführen. Die Steuergeräteanordnung ist insbesondere auch dazu eingerichtet, ein Brennstoffzellensystem nach einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen zu steuern.
Die Steuergeräteanordnung gemäß diesem Aspekt der Erfindung macht sich die gleichen Vorteile und Wirkungen zunutze, wie das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem und das erfindungsgemäße Verfahren. Die bevorzugten Ausführungsformen des Brennstoffzellensystems und des Verfahrens sind zugleich bevorzugte Ausführungsformen der Steuergeräteanordnung und umgekehrt. Zur Vermeidung von Wiederholungen wird diesbezüglich auf die obigen Ausführungsformen verwiesen.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beigefügte Figur näher beschrieben. Es zeigt die Fig. eine schematische Darstellung eines Nutzfahrzeugs mit Brennstoffzellensystem gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel.
In der Figur ist ein Nutzfahrzeug 200 mit einem Brennstoffzellensystem 100 dargestellt. Das Brennstoffzellensystem 100 weist eine Brennstoffzelle auf, die einen ka- thodenseitigen Einlass 3 und einen kathodenseitigen Auslass 5 aufweist. Der Einlass 3 ist zur kathodenseitigen Zufuhr von Luft vorgesehen. Für die zugeführte Luft wird das Bezugszeichen O2 verwendet, wobei hierunter zu verstehen ist, dass kein reiner Sauerstoff zugeführt werden muss, sondern dass sauerstoffhaltige Stoffgemische verwendet werden können, die neben Sauerstoff auch weitere gasförmige Bestandteile wie beispielsweise Stickstoff, Edelgase und andere Bestandteile enthalten können. Als Stoffgemisch kann beispielsweise Umgebungsluft zugeführt werden. Anodenseitig wird der Brennstoffzelle 1 Wasserstoff zugeführt, das ist hier aber aus Gründen der Fokussierung auf die erfindungswesentlichen Merkmale nicht dargestellt worden.
Aus dem Auslass 5 tritt ein um die abreagierten Bestandteile verarmtes Stoffgemisch als Abluft-Fluidstrom O21 aus der Brennstoffzelle 1 aus.
Zum Zuführen der Luft O2 zu der Brennstoffzelle 1 weist das Brennstoffzellensystem 100 einen Verdichter 7 mit einer rotatorisch angetriebenen Verdichterwelle 9 auf. Der Verdichter 7 ist dazu eingerichtet, Luft bei einem ersten Druck pi , beispielsweise Umgebungsdruck, anzusaugen, zu verdichten und mit einem entsprechend der Verdichterleistung erhöhten Druck p2 an den Einlass 3 der Brennstoffzelle 1 zu liefern.
Das Brennstoffzellensystem 100 weist ferner einen Expander 11 auf, der mechanisch von dem Verdichter 7 entkoppelt ist. Der Verdichter 7 und der Expander 11 sind zur Veranschaulichung versetzt in der Figur dargestellt. Durch die mechanische Entkopplung entsteht eine weitreichende Flexibilität hinsichtlich der Positionierung des Verdichters 7 und des Expanders 11 relativ zu der Brennstoffzelle 1 und relativ zueinander. Die Verdichter 11 und Expander 7 können in einem gemeinsamen Gehäuse und angeordnet sein, sie können aber auch in getrennten, dedizierten Gehäusen an der Brennstoffzelle 1 oder getrennt von der Brennstoffzelle 1 angeordnet werden.
Der Expander 11 weist eine Expanderwelle 13 auf, die dazu eingerichtet ist, mittels (nicht näher dargestellter) Rotorblätter mechanische Energie aus dem Abluftstrom der Brennstoffzelle 1 aufzunehmen und die Expanderwelle 13 in Rotation zu versetzen. Der Expander 11 weist hierzu einen Einlass 12 auf, über den der Expander 11 fluidleitend mit dem Auslass 5 der Brennstoffzelle 1 verbunden ist. Durch die Energieübertragung auf die Expanderwelle 13 wird der mit einem Druck ps aus der Brennstoffzelle 1 austretende Abluft-Fluidstrom O21 weiter entspannt und verlässt den Expander 11 über einen Auslass 14 mit einem Druck p4, der beispielsweise der Umgebungsdruck pi sein kann, aber nicht muss.
Die Expanderwelle 13 ist mittels einer Kupplung 19 mit einer Welle 17 einer elektrischen Maschine 15 gekoppelt. Die elektrische Maschine 15 ist dazu eingerichtet, in einem ersten Betriebsmodus als Generator betrieben zu werden, und in einem zweiten Betriebsmodus als Motor betrieben zu werden.
Zwischen dem Auslass 5 der Brennstoffzelle 1 und dem Einlass 12 des Expanders 11 ist ein Druckregelventil 21 angeordnet, das variabel zwischen einer Offenstellung und einer Sperrstellung in einer Vielzahl Zwischenstellungen geregelt werden kann und zum Regeln des Drucks an der Seite des Auslasses 5 der Brennstoffzelle 1 verwendbar ist.
Ferner ist zwischen dem Auslass 5 der Brennstoffzelle 1 und dem Einlass 12 des Expanders 11 ein Mehrwegeventil 23, beispielsweise ein 3/2 -Wegeventil, angeordnet, mit dem der Einlass 12 des Expanders 1 1 wahlweise fluidleitend mit dem Auslass 5 der Brennstoffzelle 1 , wie in der Figur gezeigt, oder mit dem Einlass 3 der Brennstoffzelle 1 oder einem Einlass 2 des Verdichters 7 verbunden werden kann, wobei dann der Einlass 12 als Auslass fungiert. Das Brennstoffzellensystem 100 weist ferner eine Steuergeräteanordnung 25 auf, im vorliegenden Ausführungsbeispiel ausgebildet als ein einzelnes Steuergerät mit einem Datenspeicher 27 und einem Prozessor 29.
Die Steuergeräteanordnung 25 ist dazu eingerichtet, den Verdichter 7 und den Expander 11 unabhängig voneinander anzusteuern, derart, dass mittels der Ansteuerung des Expanders 11 eine oder mehrere Betriebszustände des Brennstoffzellensystems 100 direkt beeinflusst werden. Die Steuergeräteanordnung 25 ist hierzu signalleitend mit dem Verdichter 7 und dem Expander 1 1 verbunden.
Darüber hinaus ist die Steuergeräteanordnung 25 signalleitend mit der elektrischen Maschine 15 verbunden und dazu eingerichtet, jene wahlweise im ersten Betriebsmodus oder im zweiten Betriebsmodus anzusteuern. Die elektrische Maschine 15 und der Expander 1 1 können auch eine integrierte Einheit sein, die von der Steuergeräteanordnung 25 als solche angesteuert wird.
Vorzugsweise ist die Steuergeräteanordnung 25 auch dazu eingerichtet, die Kupplung 19 zwischen dem Expander 11 und der elektrischen Maschine 15 einzukuppeln und auszukuppeln.
Die Steuergeräteanordnung 25 ist vorzugsweise ferner dazu eingerichtet, das Mehrwegeventil 23 so zu schalten, dass es in einem Normal-Betriebsmodus wie in der Figur gezeigt den Auslass 5 der Brennstoffzelle 1 fluidleitend mit dem Einlass 12 des Expanders 11 verbindet, oder in einem Hilfsmodus den Einlass 12 des Expanders 11 , der dann als Auslass fungiert, mit entweder dem Einlass 3 der Brennstoffzelle 1 oder dem Einlass 2 des Verdichters 7.
Weiter vorzugsweise ist Steuergeräteanordnung 25 dazu eingerichtet, das Druckregelventil 21 zum Einstellen eines gewünschten Drucks am Auslass 5 der Brennstoffzelle 1 zu steuern, vorzugsweise zu regeln. Sofern beispielsweise die Brennstoffzelle 1 eine eigene Brennstoffzellensteuerung 6 aufweist, und jene Brennstoffzellensteuerung 6 vorgibt, was für ein Druck auf der Seite des Auslasses 5 der Brennstoffzelle 1 anliegen soll, ist die Steuergeräteanordnung 25 vorzugsweise signalleitend mit der Brennstoffzellensteuerung 6 verbunden und dazu eingerichtet, entsprechende Steuerbefehle von der Brennstoffzellensteuerung 6 der Brennstoffzelle 1 zu empfangen.
Die Steuergeräteanordnung 25 kann, wie in der Figur dargestellt, ein dediziertes Steuergerät sein, oder aber als Anordnung mehrerer Steuergeräte ausgebildet sein. Die Steuergeräteanordnung 25 kann hardwaremäßig oder softwaremäßig in die Brennstoffzelle 1 implementiert sein, dann vorzugsweise als Teil der Brennstoffzellensteuerung 6. Alternativ kann die Steuergeräteanordnung 25 aber auch in die Verdichtersteuerung, die Expandersteuerung oder die Steuerung der elektrischen Maschine 15 hardwaremäßig oder softwaremäßig implementiert sein. Auch eine Implementierung in ein Steuergerät extern zum Brennstoffzellensystem 100 innerhalb der Architektur des Nutzfahrzeugs 200 ist möglich.
In dem Datenspeicher 27 sind vorzugsweise Befehle zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens hinterlegt, und der Prozessor 29 ist dazu eingerichtet, diese Befehle auszuführen. Alternativ zu einem fest verbauten Datenspeicher 27 kann die Steuergeräteanordnung 25 eine Schnittstelle zu einem externen Datenspeicher aufweisen, in dem jene Befehle hinterlegt sind.
Durch die mechanische Entkopplung der Verdichterwelle 9 und der Expanderwelle 13 können die Expanderwelle 13 und die Verdichterwelle 9 bei unterschiedlichen Drehzahlenniveaus betrieben werden, wobei bevorzugt wird, das Drehzahlniveau der Expanderwelle 13 deutlich niedriger zu wählen als das Drehzahlniveau der Verdichterwelle 9. Die Expanderwelle 13 und die Welle 17 der elektrischen Maschine 15 können direkt miteinander gekoppelt sein oder über ein Getriebe miteinander verbunden sein, wobei das Getriebe vorzugsweise ein übersetzendes Getriebe ist. Weiter vorzugsweise kann das Getriebe wahlweise als übersetzendes Getriebe im Normal-Betriebsmodus geschaltet werden, oder als untersetzendes Getriebe, welches dann im Hilfsmodus, wenn also die elektrische Maschine 15 als Motor betrieben wird, wieder- rum übersetzend dahingehend wirkt, dass die Rotationsgeschwindigkeit der Expanderwelle 13 größer ist als die Rotationsgeschwindigkeit der Welle 17 der elektrischen Maschine. Im Normal-Betriebsmodus ist es andersherum, dann ist die Rotationsgeschwindigkeit der Expanderwelle 13 geringer als die Rotationsgeschwindigkeit der Welle 17 der elektrischen Maschine 15.
Im Folgenden wird der Betrieb des Brennstoffzellensystem 200 näher erläutert. Den folgenden Ausführungen ist gemein, dass der Expander 11 dazu eingerichtet ist, bei einem veränderlichen Arbeitspunkt, d.h. mit einer veränderlichen Rate seiner Nennleistung betrieben zu werden, und die Steuergeräteanordnung 25 ist dazu eingerichtet, den Expander 11 entsprechend anzusteuern, um das Brennstoffzellensystem 100 in verschiedenen Betriebszuständen zu unterstützen. Nachfolgend wird exemplarisch auf einige relevante Betriebszustände eingegangen.
Ein erster exemplarischer Betriebszustand betrifft das Hochfahren oder Belastung der Brennstoffzelle 1 von einem unteren Leistungsniveau, beispielsweise dem Stillstand, auf ein relativ dazu höheres Leistungsniveau. Wird ein solcher Anstiegsbefehl registriert, beispielsweise von der Brennstoffzellensteuerung 6 kommend, steuert die Steuergeräteanordnung 25 den Verdichter ? entsprechend zu einer Erhöhung der Rotationsgeschwindigkeit der Verdichterwelle 9 an, um mehr Luft zu der Brennstoffzelle 1 zuführen zu können. Ferner steuert die Steuergeräteanordnung 25 den Expander 11 in einer ersten Variante in einen Leerlauf-Betriebsmodus. Beispielsweise kann dazu die Kupplung 19 geöffnet werden, wodurch die Expanderwelle 13 zwar noch weiterdreht, aber ohne nennenswerten Rotationswiderstand, wodurch sich am Auslass 5 der Brennstoffzelle 1 kein nennenswerter Staudruck aufbaut. Hierdurch ist es möglich, in sehr kurzer Zeit und mit vergleichsweise wenigen notwendigen Umdrehungen der Verdichterwelle 9 die angestrebte Rotationsgeschwindigkeit im Verdichter 7 zu erreichen. Hierdurch wird die Dynamik des Brennstoffzellensystems 1 verbessert und der Verschleiß auf die Lager der Verdichterwelle 9 vermindert. Nach erfolgtem Beschleunigungsvorgang kann die Kupplung 19 wieder geschlossen werden, und kann sich der für den Betrieb der Brennstoffzelle 1 notwendige Staudruck am Auslass 5 der Brennstoffzelle 1 einstellen. Der Expander kann in allgemein bekannter Weise Energie aus dem Abluft-Fluidstrom O21 aufnehmen und mittels der elektrischen Maschine 15, die im Normalbetriebsmodus als Generator betrieben wird, in elektrische Energie wandeln. Alternativ oder zusätzlich kann der Betriebszustand des Heraufsetzens der Brennstoffzellenleistung dadurch unterstützt werden, dass die Steuergerätanordnung 25 den Expander 11 nicht in einen Leerlauf-Betriebsmodus versetzt, sondern den Arbeitspunkt des Expanders 11 in einen unteren Endbereich der für den Expanderbetrieb vorgesehenen Nennleistung. In diesem Bereich setzt der Expander 11 dem ankommenden Abluft-Fluidstrom O21 wenig Widerstand entgegen, und das Beschleunigen der Verdichterwelle 9 gelingt wie vorstehend beschrieben entsprechend einfach.
Das Verlegen des Arbeitspunktes kann entweder über eine Einstellung des Pitchwin- kels der (nicht dargestellten) Rotorelemente im Expander 11 erfolgen, sofern vorhanden, oder über eine gezielte Ansteuerung der elektrischen Maschine 15, beispielsweise über die Ansteuerung eines der elektrischen Maschine 15 zugeordneten Inverters oder ähnlichen Elements einer Leistungselektronik. Dies kann in allgemein bekannter Weise geschehen.
Ein weiterer Betriebszustand betrifft das Herabsetzen der von der Brennstoffzelle 1 zu erzeugenden elektrischen Leistung. Soll die von der Brennstoffzelle 1 abgegebene elektrische Leistung reduziert werden, beispielsweise bis zum Stillstand, oder jedenfalls ausgehend vom aktuellen Leistungsniveau auf ein relativ dazu niedrigeres Leistungsniveau, wird ein Befehl zur Verzögerung der Verdichterwelle 9 ausgesendet, beispielsweise wiederrum von der Brennstoffzellensteuerung 6, an die Steuergeräteanordnung 25. Die Steuergeräteanordnung 25 steuert dann den Expander 11 dahingehend an, dass dessen Arbeitspunkt in einen oberen Endbereich der für den Expander 11 spezifizierten Nennleistung verlegt wird. Dies kann wiederum durch eine Einstellung des Pitchwinkels der (nicht dargestellten) Rotorelemente im Expander 11 erfolgen, sofern vorhanden, oder über eine gezielte Ansteuerung der elektrischen Maschine 15, beispielsweise über die Ansteuerung eines der elektrischen Maschine 15 zugeordneten Inverters oder ähnlichen Elements einer Leistungselektronik. Hierdurch wird am Auslass 5 der Brennstoffzelle 1 ein vergleichsweiser hoher Staudruck erzeugt, der für den Verdichter 7 einen hohen Widerstand darstellt. Je höher der Widerstand für den Verdichter 7 ist, desto schneller wird bei Ausbleiben einer entgegen- wirkenden Antriebsarbeit der Verdichterwelle 9 die Rotationsgeschwindigkeit der Verdichterwelle 9 abnehmen. Dadurch, dass der Stillstand der Verdichterwelle 9 schneller, d.h. nach einer geringeren Anzahl von Umdrehungen erreicht wird, wird wieder- rum die Dynamik des Systems verbessert, und zudem der Verschleiß im Verdichter 7 reduziert, weil nur vergleichsweise wenige Umdrehungen von der Verdichterwelle 9 durchgeführt werden müssen, bis diese zum Stillstand gekommen ist.
In einem weiteren Betriebsmodus wird mittels der Ansteuerung des Expanders 11 die Brennstoffzelle 1 unmittelbar unterstützt, in dem der Expander 11 von der Steuergeräteanordnung 25 derart angesteuert wird, dass der Druck an der Seite des Auslasses 5 der Brennstoffzelle 1 gezielt gesteuert, vorzugsweise geregelt wird. Wie vorstehend beschrieben beeinflusst die Höhe des Staudrucks an der Seite des Auslasses 5 der Brennstoffzelle 1 das Ausmaß der Reaktantenverarmung in einer Brennstoffzelle, vor allem einer Brennstoffzelle mit mehreren Stacks, und dort vor allem bei den später von der Luft O2 durchlaufenen Stacks.
Diese Ansteuerung des Expanders 11 zur Staudruckbeeinflussung kann unterstützend zu einer Ansteuerung des Druckregelventils 21 erfolgen, oder als Überbrückungsmaßnahme im Fall eines Defekts des Druckregelventils 21. Bei entsprechender Dimensionierung des Expanders 11 und entsprechender Ausgestaltung des Steueralgorithmus kann auf das Druckregelventil 21 sogar verzichtet werden. Das Druckregelventil 21 kann im Übrigen baulich sowohl der Brennstoffzelle 1 zugeordnet sein, als auch ein separates Bauteil sein im Brennstoffzellensystem 100. Es kann erfindungsgemäß aber auch dem Expander 11 zugeordnet sein, beispielsweise an dessen Einlass 12 montiert werden.
In einem weiteren Betriebsmodus, der den Ausfall oder Unterstützungsfall für den im Brennstoffzellensystem 100 vorhandenen Verdichter 7 betrifft, steuert die Steuergeräteanordnung 25 das Mehrwegeventil 23 dazu an, von der in der Figur gezeigten Normal-Betriebs-Schaltstellung in eine Hilfsmodus-Schaltstellung umzuschalten, in welcher der Einlass 12 des Expanders 1 1 fluidleitend mit den Einlass 3 der Brennstoffzelle 1 verbunden wird, oder alternativ mit dem Einlass 2 des Verdichters 7. Der Auslass 14 des Expanders, aus dem normalerweise der entspannte Fluidstrom des abreagierten Abluft-Fluidstroms O21 austritt, dient dann als Einlass, und dadurch, dass die elektrische Maschine 15 in dem nun ausgelösten Hilfsmodus als Motor arbeitet, wird die Expanderwelle 13 von der Welle 17 der elektrischen Maschine 15 angetrieben und sorgt für eine Verdichtung im Inneren des Expanders, der dann wie ein Verdichter arbeitet. Der Einlass 12 des Verdichters fungiert dann als Auslass und führt dem entsprechenden Einlass 3 der Brennstoffzelle 1 oder dem Einlass 2 des Verdichters 7 verdichtete Luft bei einem Druck ps zu. Ist der Verdichter 7 selber noch funktionsfähig, wirkt der Expander wie eine erste Verdichterstufe vorverdichtend und der Verdichter 7 als zweite Verdichterstufe. Ist der Verdichter 7 ausgefallen, kann der Expander 11 , zumindest als „Limp Home“-Funktion, die Druckluftversorgung für die Brennstoffzelle 1 wenigstens temporär übernehmen.
Das Mehrwegeventil 23 kann ein dediziertes Ventil im Brennstoffzellensystem 100 sein, es kann aber auch baulich an den Expander 11 angeschlossen sein.
Die vorstehenden Erörterungen illustrieren, dass der Expander eine Funktionsvielfalt zur Verfügung stellen kann, die weit über das bloße Erzeugen elektrischer Energie aus dem Abluft-Fluidstrom O21 der Brennstoffzelle 1 hinausgeht, und dass mit dem Expander das Brennstoffzellensystem 100 vielfältig in seiner allgemeinen Funktionsweise unterstützt und effizienter gemacht werden kann.
Bezuqszeichen
Brennstoffzelle
Einlass, Verdichter
Einlass, Brennstoffzelle
Auslass, Brennstoffzelle
Brennstoffzellensteuerung
Verdichter
Verdichterwelle
Expander
Einlass des Expanders
Expanderwelle
Auslass des Expanders elektrische Maschine
Welle der elektrischen Maschine
Kupplung
Druckregelventil
Mehrwegeventil
Steuergeräteanordnung
Datenspeicher
Prozessor
Brennstoffzellensystem
Nutzfahrzeug

Claims

Patentansprüche
1. Brennstoffzellensystem (100) für ein Fahrzeug, insbesondere für ein Nutzfahrzeug (200), mit einer Brennstoffzelle (1 ) mit einem kathodenseitigen Einlass (3) und einem kathoden- seitigen Auslass (5), einem Verdichter (7), der fluidleitend mit dem Einlass (3) der Brennstoffzelle (1 ) verbunden ist und eine Verdichterwelle (9) aufweist, einem Expander (11 ), der eine Expanderwelle (13) aufweist und fluidleitend mit dem Auslass der Brennstoffzelle (1 ) verbunden ist, und einer Steuergeräteanordnung (25) zum Ansteuern des Verdichters (7) und des Expanders (11 ), wobei die Expanderwelle (13) und die Verdichterwelle (9) mechanisch voneinander entkoppelt sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuergeräteanordnung (25) dazu eingerichtet ist, den Betriebszustand des Brennstoffzellensystems (100) mittels Ansteuerung des Expanders (11 ) direkt zu beeinflussen.
2. Brennstoffzellensystem (100) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Expander (11 ) einen Leerlauf-Betriebsmodus aufweist, und die Steuergeräteanordnung (25) dazu eingerichtet ist, bei einem Beschleunigungsvorgang des Verdichters (7) den Expander (11 ) in den Leerlauf-Betriebsmodus zu schalten.
3. Brennstoffzellensystem (100) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Expander (11 ) dazu eingerichtet ist, bei einem veränderlichen Arbeitspunkt betrieben zu werden.
4. Brennstoffzellensystem (100) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuergeräteanordnung (25) dazu eingerichtet ist, bei einem Beschleunigungsvorgang des Verdichters (7) den Expander (11 ) an einem Arbeitspunkt in einem unteren Endbereich seiner Nennleistung zu betreiben, vorzugsweise in einem Bereich von 0% bis 30% seiner Nennleistung.
5. Brennstoffzellensystem (100) nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuergeräteanordnung (25) dazu eingerichtet ist, bei einem Verzögerungsvorgang des Verdichters (7) den Expander (11 ) an einem Arbeitspunkt in einem oberen Endbereich seiner Nennleistung zu betreiben, vorzugsweise in einem Bereich von 50% bis 100% seiner Nennleistung.
6. Brennstoffzellensystem (100) nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuergeräteanordnung (25) dazu eingerichtet ist, den Arbeitspunkt des Expanders (11 ) zum Einstellen eines gewünschten auslassseitigen Staudrucks zwischen der Brennstoffzelle (1 ) und dem Expander (1 1 ) zu steuern, vorzugsweise zu regeln.
7. Brennstoffzellensystem (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Expander (1 1 ) mittels der Expanderwelle (13) mit einer elektrischen Maschine (15) gekoppelt ist, wobei die elektrische Maschine (15) wahlweise als Motor oder als Generator betreibbar ist, und
- die Steuergeräteanordnung (25) dazu eingerichtet ist, die elektrische Maschine (15) in einem Normal-Betriebsmodus zum Generatorbetrieb anzusteuern und in einem Hilfsmodus als Motor anzusteuern.
8. Brennstoffzellensystem (100) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoffzellensystem (100) ein Mehrwegeventil (23) zum wahlweisen fluidleitenden Verbinden eines Einlasses (12) des Expanders (11 ) mit dem Auslass der Brennstoffzelle (1 ) oder mit dem Einlass (3) der Brennstoffzelle (1 ) aufweist, wobei die Steuergeräteanordnung (25) dazu eingerichtet ist, das Mehrwegeventil (23) derart anzusteuern, dass im Normal-Betriebsmodus der Einlass (12) des Expanders (1 1 ) mit dem Auslass der Brennstoffzelle (1 ) verbunden ist, und im Hilfsmodus der Einlass (12) des Expanders (11 ), der dann als Auslass dient, fluidleitend mit dem Einlass (3) der Brennstoffzelle (1 ) oder dem Einlass des Verdichters (7) verbunden ist.
9. Brennstoffzellensystem (100) nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Expander (11) derart ausgelegt ist, dass er in seinem Arbeitsbereich bei niedrigeren Drehzahlen arbeitet als der Verdichter (7) in dessen Arbeitsbereich, wobei insbesondere die Drehzahl bei Nennleistung des Expanders (11) geringer ist als die Drehzahl des Verdichters (7) bei Nennleistung.
10. Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems (100), mit einer Brennstoffzelle (1 ) mit einem kathodenseitigen Einlass (3) und einem kathoden- seitigen Auslass (5), einem Verdichter (7), der fluidleitend mit dem Einlass (3) der Brennstoffzelle (1 ) verbunden ist und eine Verdichterwelle (9) aufweist, einem Expander (11 ), der eine Expanderwelle (13) aufweist und fluidleitend mit dem Auslass der Brennstoffzelle (1 ) verbunden ist, wobei die Expanderwelle (13) und die Verdichterwelle (9) mechanisch voneinander entkoppelt sind, umfassend:
- Ansteuern des Verdichters (7) und des Expanders (11), wobei der Expander (11 ) derart angesteuert wird, dass damit ein Betriebszustand des Brennstoffzellensystems (100) direkt beeinflusst wird.
11 . Verfahren nach Anspruch 10, umfassend:
- Schalten des Expanders (11 ) in den Leerlauf-Betriebsmodus , wenn der Verdichter (7) beschleunigt wird.
12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11 , umfassend einen, mehrere oder sämtliche der Schritte:
- Betreiben des Expanders (11 ) bei einem veränderlichen Arbeitspunkt;
- Betreiben des Expanders (11 ) an einem Arbeitspunkt in einem unteren Endbereich seiner Nennleistung zu betreiben, vorzugsweise in einem Bereich von 0% bis 30% seiner Nennleistung, wenn der Verdichter (7) beschleunigt wird;
- Betreiben des Expanders (11 ) an einem Arbeitspunkt in einem oberen Endbereich seiner Nennleistung, vorzugsweise in einem Bereich von 50% bis 100% seiner Nennleistung, wenn der Verdichter (7) verzögert wird.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, umfassend einen, mehrere oder sämtliche der Schritte:
- Steuern, vorzugsweise Regeln, des Arbeitspunkts des Expanders (11 ) zum Einstellen eines gewünschten auslassseitigen Staudrucks zwischen der Brennstoffzelle (1 ) und dem Expander (11 );
- Ansteuern einer mit dem Expander (11 ) gekoppelten elektrischen Maschine (15) wahlweise in einem Normal-Betriebsmodus als Generator oder in einem Hilfsmodus als Motor;
- Ansteuern eines Mehrwegeventils (23) derart, dass im Normalbetriebsmodus der Einlass des Expanders (1 1 ) mit dem Auslass (5) der Brennstoffzelle (1 ) verbunden ist, und im Hilfsmodus der Einlass des Expanders (11 ), der dann als Auslass dient, mit dem Einlass (3) der Brennstoffzelle oder dem Einlass (2) des Verdichters (7) verbunden ist.
14. Steuergeräteanordnung (25) für ein Brennstoffzellensystem (100) eines Fahrzeugs, insbesondere für ein Brennstoffzellensystem (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuergeräteanordnung (25) dazu eingerichtet ist, das Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13 auszuführen.
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