WO2013110311A1 - Verfahren zur luftversorgung einer brennstoffzelle - Google Patents

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Sven Schmalzriedt
Jonas Hanschke
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Daimler Ag
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Definitions

  • the invention relates to a method for supplying air to a fuel cell according to the type defined in more detail in the preamble of claim 1. Furthermore, the invention relates to the use of such a method.
  • a controllable air conveying device is used for this purpose, which can be regulated in its rotational speed, for example, such that the required amount of air or air mass for the fuel cell can thereby be set.
  • Air supply device are adjusted accordingly.
  • the air mass flow sensors known from vehicle technology are typically designed for internal combustion engines. They are comparatively expensive and, due to the different requirements of an internal combustion engine and a fuel cell, are not optimized for the purpose required for supplying air to the fuel cell. As in a fuel cell system other conditions in the
  • Air supply prevail as in an internal combustion engine, it comes as a result to a high degree of inaccuracy of the measurement and, as the inventors have observed, to a premature failure of the air mass flow sensors. This is especially true when the additional need for a flow compressor than
  • the controllable air supply device is regulated in dependence of the power generated by the fuel cell. This regulation, purely based on electrical quantities, is basically simple. However, it leads to considerable inaccuracies, since the flow conditions of the air, temperature, humidity and other factors on the air mass flow or the air flow remain completely unconsidered.
  • the object of the present invention is therefore to provide a method for supplying air to a fuel cell, which avoids these disadvantages and to provide the most accurate control of the air mass flow for the fuel cell with a simple and inexpensive system.
  • the air conveying device to a predetermined value of a suitable pressure in the air gap of
  • the complicated, expensive air mass flow sensor which is very susceptible to interference when used in a fuel cell system can be saved.
  • the method allows a correction of the desired value for the pressure or pressure loss with known measured variables, a measurement of the pressure or a pressure loss and according to an advantageous development very reliable determination of the air mass flow or a value correlating with it via measured values of simple, reliable and cost-effective sensors.
  • the pressure sensors are typically present anyway in the fuel cell system, so that the method can be performed easily and efficiently without any additional design effort in the area of the fuel cell system.
  • the pressure or pressure loss can be measured at any point of the air gap.
  • the inventive method for supplying air to a fuel cell thus enables a safe and reliable air supply of the fuel cell in the desired manner. The failure of needed for the air supply
  • Components are reduced to an absolute minimum.
  • the predetermined value of the pressure and / or the pressure loss is corrected with measured influencing factors.
  • measured values there are different measured values from the air gap of the fuel cell system anyway. This also applies to other measured values from the fuel cell system, such as temperatures and the like. All of these values, which are measured anyway and typically available in a controller, can now be used to appropriately correct the desired value of pressure or pressure loss to control the measured value of pressure or pressure loss as accurately as possible to ensure the desired air mass flow.
  • other values which only indirectly have an influence on the air mass flow, after suitable model calculations for correcting the setpoint for the control
  • the predetermined value of the pressure and / or the pressure loss is corrected with other influencing factors, which originate from model calculations.
  • model calculations all available measured values can be incorporated and it can be calculated, for example via a simulation of the system conclusions of the power on the air mass flow of hydrogen consumption on the air mass flow and the like. These values can then also be used to correct the desired value of the pressure and / or the pressure loss, the more so
  • the measured influencing factors for the direct correction and / or the measured values can be used as a basis for the model calculations, which then also lead to a correction of the desired values of the pressure and / or the pressure loss on a or more of the values listed below. As values are
  • the ambient temperature, the temperature of the fuel cell and / or the temperature of the air mass flow suitable in particular the ambient temperature, the temperature of the fuel cell and / or the temperature of the air mass flow suitable.
  • a composition of the air mass flow, the operating state of the fuel cell and the current performance of the fuel cell may also be suitable basic quantities.
  • the position of valve devices in the air gap, the humidification of the air mass flow or possible air losses due to measured or known leaks can serve as a basis for the correction or the model calculation for correction.
  • an air mass flow sensor is arranged in the air gap, wherein depending on the operating state of the fuel cell
  • Air conveyor is adjusted to a predetermined value of the pressure, the pressure loss and / or the measured air mass flow.
  • the control can then be based on a favorable combination of the measured values of the
  • Air mass flow sensor and a pressure or pressure loss measurement carried out are carried out.
  • control of the pressure or pressure loss can take place.
  • control of the pressure or pressure loss can take place in other operating conditions of the fuel cell, in which the
  • Air mass flow sensor works well known, this can be used. This applies in particular to operating states in which, if appropriate, the measurement via the pressure or pressure loss alone is difficult or inaccurate. Overall results then one over the entire load range or over all operating states of the
  • Fuel cell system very accurate control of the air supply.
  • the air conveying device it is also possible for the air conveying device to be adjusted to one of the values in each case, the one or the other (-n) value (-e) serving for the plausibility check of the control. This makes it possible to monitor the control for plausibility
  • the other measuring method can then for
  • the preferred use of the method according to the invention for supplying air to a fuel cell is therefore the use for supplying air to a fuel cell in one
  • Fuel cell system which electrical power, in particular electrical
  • Such a vehicle may in particular be a trackless land vehicle, but also a rail vehicle or a watercraft.
  • a fuel cell system for on-board power supply in an aircraft is of the definition according to the invention
  • Fuel cell system which supplies electric power for a vehicle includes.
  • Air supply of a fuel cell will be apparent from the following Embodiments which are described in more detail below with reference to the figures.
  • FIG. 3 shows a detail of a fuel cell system for carrying out the
  • Fig. 4. a section of a fuel cell system for carrying out the
  • FIG. 1 shows a detail of a fuel cell system 1 relevant for carrying out the method described below.
  • This essentially comprises a fuel cell 2, which in turn has a
  • the fuel cell 2 itself should be designed as a stack of PEM fuel cells.
  • the fuel cell system 1 is intended in the embodiment shown here electrical drive power for a
  • Deliver motor vehicle which is indicated by the box designated 5 by way of example. Since the hydrogen supply of the anode compartment 3 of the fuel cell 2 for the present invention does not play a significant role, a supply of hydrogen (H 2 ) is indicated merely by way of example.
  • the hydrogen may, for example, be recycled in a circuit denoted by 6 around the anode compartment 3 of the fuel cell 2.
  • Recirculation conveyors, valves for discharging water and / or gases in the circuit 6 are not shown, but may of course be present.
  • the anode compartment 4 of the fuel cell 2 is supplied via an air conveyor 7 with air as an oxygen supplier.
  • air conveyor 7 which, for example, as
  • Flow compressor can be designed in their speed controlled so that the desired air mass flow or oxygen mass flow in the region of the cathode chamber 4 sets.
  • the control of the air conveyor 7 is taken over by an electronic control unit 8.
  • an electronic control unit 8 In the illustration of Figure 1 is the
  • Control electronics 8 as an input value of the value of a pressure p, which - in the example shown here - by a pressure sensor 9 in the air gap before the
  • Cathode space 4 of the fuel cell 2 is measured.
  • Figure 2 is an alternative position of the pressure sensor 9 in the air gap, in this case
  • a pressure loss ⁇ can also be measured. This is shown in FIG. 3 in an analogous embodiment.
  • the value of the pressure loss ⁇ can be measured via a pressure loss sensor 10 as shown or via two pressure sensors.
  • the air conveying device 7 can thus be very well adjusted to the requirements of the fuel cell 2 via the control electronics 8.
  • the air delivery device 7 is thus adjusted in the embodiments shown here waiving a mass air flow sensor to a predetermined value (setpoint) of the pressure p so n and / or the pressure loss Ap S0 n in a closed loop. This means that the speed of the air conveyor 7 on the
  • Control electronics 8 is changed so that the measured values of the pressure p and / or the pressure loss ⁇ on the predetermined values of the pressure p so n and / or the pressure loss Ap so n ein regulate. This already leads to a good air supply to the fuel cell 2 with the air mass or oxygen mass flow required in the respective conditions of the fuel cell 2.
  • the quality of the regulation of the air supply of the fuel cell 2 can be further increased by the predetermined value of the pressure Pson and / or the pressure loss Ap soM , so the pressure and / or
  • Pressure loss setpoint for the control additionally corrected with other influencing factors.
  • Such a correction can take place, for example, via calculations and / or characteristic maps which are stored in the control electronics 8. In particular, you can In doing so, all values of the fuel cell system 1 that are measured anyway, which have a direct or indirect influence on the air mass flow, are taken into account.
  • the influencing factors can be measured directly. It is also conceivable to derive or calculate the influencing factors via model calculations, such as a simulation calculation or the like, from other measured values.
  • the correction can be carried out with a rather basic character, so that, for example, a correction is carried out depending on longer-term values, or it can be done currently, in which for each individual time with high temporal resolution, the setpoints for the pressure p so n or the pressure loss Ap be adapted so n.
  • Conceivable influencing variables and measured values which are indirectly converted into influencing variables by means of model calculations, can be, for example, the following:
  • FIG. 5 corresponds largely to the structure shown in Figure 4.
  • an air mass flow sensor 11 is positioned in the air gap.
  • This air mass flow sensor 11, which is now arranged in addition to the pressure sensors 9 and 10 in the fuel cell system 1, can be used to further improve the control of the air supply. He is here by the example of
  • Embodiment shown according to Figure 4 ie with the sensor 9 for detecting the Pressure p and the sensor 10 for detecting the pressure loss ⁇ .
  • a supplement to the other illustrated embodiments according to Figures 1 to 3 to the air mass flow sensor 11 is conceivable and possible.
  • the regulation of the air mass flow can now take place on the basis of a favorable combination of the measured values of the air mass flow sensor 11 and the sensors 9 and / or 10.
  • the air supply to the predetermined desired value of the pressure p so n or the pressure loss ⁇ 5 ⁇ be regulated.
  • the instead of the air supply to the predetermined desired value of the pressure p so n or the pressure loss ⁇ 5 ⁇ be regulated.
  • Air mass flow sensor 11 are used for control.
  • the air mass flow dm / dt currently measured by the air mass flow sensor 11 is adjusted to the predetermined required set value of the air mass flow dm SO ii / dt.
  • This particularly favorable variant then gives over the entire load range or over all operating conditions of the fuel cell 2 very accurate control of
  • the regulation is in particular more accurate than when using only one measurement principle.
  • Control can also be switched to the other measured value.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Luftversorgung einer Brennstoffzelle (2) mit einer regelbaren Luftfördereinrichtung, welche einen Luftmassenstrom für einen Kathodenraum (4) der Brennstoffzelle (2) liefert. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Luftfördereinrichtung (7) auf einen vorgegebenen Wert eines Drucks (psoll) in der Luftstrecke und/oder einen vorgegebenen Wert eines Druckverlusts (Δpsoll) über einer Komponente der Luftstrecke eingeregelt wird.

Description

Verfahren zur Luftversorgung einer Brennstoffzelle
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Luftversorgung einer Brennstoffzelle nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art. Außerdem betrifft die Erfindung die Verwendung eines derartigen Verfahrens.
Verfahren zur Luftversorgung einer Brennstoffzelle in einem Brennstoffzellensystem sind aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Typischerweise wird dafür eine regelbare Luftfördereinrichtung verwendet, welche beispielsweise in ihrer Drehzahl so geregelt werden kann, dass sich dadurch die benötigte Luftmenge beziehungsweise Luftmasse für die Brennstoffzelle einstellen lässt. Insbesondere bei
Fahrzeuganwendungen von Brennstoffzellensystemen ist es dabei allgemein bekannt und üblich, einen Luftmassenstromsensor beziehungsweise Luftmassenmesser einzusetzen. Solche Luftmassenmesser sind bei Fahrzeuganwendungen aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Mit einem solchen Luftmassenmesser kann dann der
Luftmassenstrom in einem geschlossenen Regelkreis mit Hilfe der
Luftversorgungseinrichtung entsprechend eingeregelt werden.
Die aus der Fahrzeugtechnik bekannten Luftmassenstromsensoren sind jedoch typischerweise für Verbrennungsmotoren konzipiert. Sie sind vergleichsweise teuer und aufgrund der unterschiedlichen Anforderungen eines Verbrennungsmotors und einer Brennstoffzelle nicht für den zur Luftversorgung der Brennstoffzelle benötigten Zweck hin optimiert. Da in einem Brennstoffzellensystem andere Bedingungen bei der
Luftversorgung vorherrschen als bei einem Verbrennungsmotor, kommt es in der Folge zu einer hohen Ungenauigkeit der Messung und, so haben die Erfinder beobachtet, zu einem verfrühten Ausfall der Luftmassenstromsensoren. Dies gilt insbesondere dann, wenn die zusätzliche Notwendigkeit einen Strömungsverdichter als
Luftversorgungseinrichtung nicht zu nahe an seiner Pumpgrenze zu betreiben, es in bestimmten Systemarchitekturen erfordert, den für die Versorgung der Brennstoffzelle notwendigen Luftmassenstrom nicht wie bei den Verbrennungsmotoren üblich in der Ansaugstrecke zu messen, sondern auf der Druckseite der Luftfördereinrichtung. Eine solche Messung auf der Druckseite der Luftfördereinrichtung stellt die herkömmlichen Luftmassenstromsensoren vor erhebliche Probleme und wirkt sich außerordentlich negativ auf deren Zuverlässigkeit, Messgenauigkeit und Lebensdauer aus.
Ferner ist es aus der US 2011/0003223 A1 bekannt, eine Steuerung einer
Luftversorgungseinrichtung eines Brennstoffzellensystems in Abhängigkeit der Last des Brennstoffzellensystems vorzunehmen. Die regelbare Luftversorgungseinrichtung wird dabei in Abhängigkeit der von der Brennstoffzelle erzeugten Leistung geregelt. Diese Regelung, rein auf der Basis von elektrischen Größen, ist im Prinzip einfach. Sie führt jedoch zu erheblichen Ungenauigkeiten, da die Strömungsbedingungen der Luft, Temperatur, Feuchtigkeit und andere Einflussgrößen auf den Luftmassenstrom beziehungsweise den Luftvolumenstrom hierbei vollkommen unberücksichtigt bleiben.
Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht daher darin, ein Verfahren zur Luftversorgung einer Brennstoffzelle anzugeben, welches diese Nachteile vermeidet und mit einem einfachen und kostengünstigen System eine möglichst genaue Regelung des Luftmassenstroms für die Brennstoffzelle bereitzustellen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen hiervon ergeben sich aus den restlichen abhängigen Unteransprüchen. Ferner ist im Anspruch 9 eine besonders bevorzugte Verwendung des Verfahrens angegeben.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es vorgesehen, dass die Luftfördereinrichtung auf einen vorgegebenen Wert eines geeigneten Drucks in der Luftstrecke der
Brennstoffzelle und/oder auf den vorgegebenen Wert eines Druckverlusts über einer Komponente der Luftstrecke eingeregelt wird.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann der aufwändige, teure und beim Einsatz in einem Brennstoffzellensystem sehr störanfällige Luftmassenstromsensor eingespart werden. Dennoch erlaubt das Verfahren über eine Messung des Drucks beziehungsweise eines Druckverlusts sowie gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung eine Korrektur des Soll-Werts für den Druck oder Druckverlust mit bekannten gemessenen Größen, eine sehr zuverlässige Bestimmung des Luftmassenstroms beziehungsweise eines mit ihm korrelierenden Werts über Messwerte von einfachen, zuverlässigen und kostengünstigen Sensoren. Die Drucksensoren sind dabei in dem Brennstoffzellensystem typischerweise ohnehin vorhanden, sodass das Verfahren ohne konstruktiven Zusatzaufwand im Bereich des Brennstoffzellensystems einfach und effizient durchgeführt werden kann. Der Druck bzw. Druckverlust kann dabei an jeder beliebigen Stelle der Luftstrecke gemessen werden. Das erfindungsgemäße Verfahren zur Luftversorgung einer Brennstoffzelle ermöglicht so, eine sichere und zuverlässige Luftversorgung der Brennstoffzelle in der gewünschten Art und Weise. Der Ausfall von für die Luftversorgung benötigten
Komponenten wird auf ein absolutes Minimum reduziert.
In einer besonders günstigen und vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es ferner vorgesehen, dass der vorgegebene Wert des Drucks und/oder des Druckverlusts mit gemessenen Einflussfaktoren korrigiert wird. Typischerweise liegen aus der Luftstrecke des Brennstoffzellensystems verschiedene Messwerte ohnehin vor. Dies gilt darüber hinaus auch für andere Messwerte aus dem Brennstoffzellensystem wie beispielsweise Temperaturen und dergleichen. All diese Werte, welche ohnehin gemessen werden und in einem Steuergerät typischerweise zur Verfügung stehen, können nun verwendet werden, um den Soll-Wert des Drucks oder des Druckverlusts entsprechend zu korrigieren, um eine möglichst exakte Regelung des gemessenen Werts des Drucks oder des Druckverlusts auf den gewünschten Luftmassenstrom zu gewährleisten. Neben derartigen gemessenen Werten, welche einen Einfluss auf den Luftmassenstrom haben und zur Korrektur herangezogen werden können, können auch andere Werte, welche nur indirekt einen Einfluss auf den Luftmassenstrom haben, nach geeigneten Modellberechnungen zur Korrektur des Sollwerts für die Regelung
herangezogen werden. Dementsprechend ist es in einer vorteilhaften Weiterbildung vorgesehen, dass der vorgegebene Wert des Drucks und/oder des Druckverlusts mit weiteren Einflussfaktoren korrigiert wird, welche aus Modellberechnungen stammen. In diese Modellberechnungen können alle verfügbaren gemessenen Werte einfließen und es können beispielsweise über eine Simulation des Systems Rückschlüsse von der Leistung auf den Luftmassenstrom vom Wasserstoffverbrauch auf den Luftmassenstrom und dergleichen berechnet werden. Auch diese Werte können dann zur Korrektur des Soll-Werts des Drucks und/oder des Druckverlusts eingesetzt werden, umso die
Genauigkeit der Anpassung des Druckwerts an den Luftmassenstrom weiter zu erhöhen. In einer günstigen und vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens können die gemessenen Einflussfaktoren für die direkte Korrektur und/oder die gemessenen Werte als Basis für die Modellberechnungen, welche dann ebenfalls zu einer Korrektur der Soll-Werte des Drucks und/oder des Druckverlusts führen, auf einem oder mehreren der nachfolgend aufgeführten Werte basieren. Als Werte sind
insbesondere die Umgebungstemperatur, die Temperatur der Brennstoffzelle und/oder die Temperatur des Luftmassenstroms geeignet. Auch eine Zusammensetzung des Luftmassenstroms, der Betriebszustand der Brennstoffzelle und die aktuelle Leistung der Brennstoffzelle können geeignete Basisgrößen sein. Ebenso können die Stellung von Ventileinrichtungen in der Luftstrecke, die Befeuchtung des Luftmassenstroms oder eventuelle Luftverluste durch gemessene oder bekannte Leckagen als Basis für die Korrektur oder die Modellberechnung zur Korrektur dienen.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist es außerdem vorgesehen, dass die Korrektur der vorgegebenen Werte über Berechnungen und/oder über Kennfelder über die Korrelation der gemessenen oder aus der Modellberechnung stammenden Werte mit dem
Luftmassenstrom erfolgt. Hierdurch kann sehr einfach und effizient die Genauigkeit der Luftversorgung der Brennstoffzelle verbessert werden.
In einer weiteren sehr günstigen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es außerdem vorgesehen, dass zusätzlich ein Luftmassenstromsensor in der Luftstrecke angeordnet wird, wobei je nach Betriebszustand der Brennstoffzelle die
Luftfördereinrichtung auf einen vorgegebenen Wert des Drucks, des Druckverlusts und/oder des gemessenen Luftmassenstroms eingeregelt wird. In dieser vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird also wieder ein
Luftmassenstromsensor zusätzlich zu dem oder den Drucksensor(en) verwendet. Die Regelung kann dann anhand einer günstigen Kombination der Messwerte des
Luftmassestromsensors und einer Druck- bzw. Druckverlustmessung erfolgen. So kann beispielsweise im Bereich von Luftmassenströmen oder mit diesen einhergehenden Betriebszuständen der Brennstoffzelle, bei denen bekanntermaßen die Genauigkeit des Luftmassenstromsensors gering ist, eine Regelung auf den Druck- oder Druckverlust erfolgen. In anderen Betriebszuständen der Brennstoffzelle, in denen der
Luftmassenstromsensor bekanntermaßen gut arbeitet, kann dieser verwendet werden. Dies gilt insbesondere für Betriebszustände, in denen gegebenenfalls die Messung über den Druck bzw. Druckverlust alleine schwierig oder ungenau ist. Insgesamt ergibt sich dann eine über den gesamten Lastbereich bzw. über alle Betriebszustände des
Brennstoffzellensystems hinweg sehr genaue Regelung der Luftversorgung.
Insbesondere ist diese genauer und zuverlässiger als bei der Verwendung lediglich eines Messprinzips, insbesondere bei der alleinigen Verwendung des Luftmassenstromsensors.
In einer vorteilhaften Weiterbildung dieser erfindungsgemäßen Idee ist es außerdem möglich, dass die Luftfördereinrichtung auf jeweils einen der Werte eingeregelt wird, wobei der oder die jeweils andere(-n) Wert(-e) zur Plausibilitätsprüfung der Regelung dienen. Dies ermöglicht eine Überwachung der Regelung auf Plausibilität, um
beispielsweise den Ausfall eines Sensors oder dergleichen einfach und effizient erkennen zu können. Wie oben bereits ausgeführt, kann es je nach Betriebszustand des
Brennstoffzellensystems besonders sinnvoll sein, einmal die eine und einmal die andere Messmethode einzusetzen. Die jeweils andere Messmethode kann dann zur
Plausibilisierung der Regelung dienen, sodass beide eingerichteten Messmethoden im regulären Betrieb des Brennstoffzellensystems genutzt werden.
Die Notwendigkeit einer möglichst guten Luftversorgung mit einem möglichst exakt auf die Bedürfnisse der Brennstoffzelle angepassten Luftmassenstrom spielt insbesondere bei Brennstoffzellensystemen eine Rolle, welche hochdynamisch betrieben werden, also mit einem häufigen Wechsel in der benötigten Leistung beziehungsweise der benötigten Versorgung mit Luft und Wasserstoff. Solche Systeme werden insbesondere in
Fahrzeugen eingesetzt. In Fahrzeugen herrscht typischerweise ein sehr dynamischer Leistungsbedarf, insbesondere dann, wenn die Leistung zumindest teilweise als
Antriebsleistung für das Fahrzeug genutzt wird. Die bevorzugte Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Luftversorgung einer Brennstoffzelle liegt daher in der Verwendung zur Luftversorgung einer Brennstoffzelle in einem
Brennstoffzellensystem, welches elektrische Leistung, insbesondere elektrische
Antriebsleistung, für ein Fahrzeug liefert. Ein solches Fahrzeug kann insbesondere ein gleisloses Landfahrzeug, jedoch auch ein Schienenfahrzeug oder ein Wasserfahrzeug sein. Auch die Verwendung des Brennstoffzellensystems zur Bordstromversorgung in einem Luftfahrzeug ist von der erfindungsgemäßen Definition eines
Brennstoffzellensystems, welches elektrische Leistung für ein Fahrzeug liefert, umfasst.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens zur
Luftversorgung einer Brennstoffzelle ergeben sich aus den nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispielen, welche unter Bezugnahme auf die Figuren nachfolgend näher beschrieben sind.
Dabei zeigen:
Fig. 1 einen Ausschnitt aus einem Brennstoffzellensystem zur Durchführung des
Verfahrens in einer ersten möglichen Ausführungsform;
Fig. 2 einen Ausschnitt aus einem Brennstoffzellensystem zur Durchführung des
Verfahrens in einer zweiten möglichen Ausführungsform;
Fig. 3 einen Ausschnitt aus einem Brennstoffzellensystem zur Durchführung des
Verfahrens in einer dritten möglichen Ausführungsform;
Fig. 4 . einen Ausschnitt aus einem Brennstoffzellensystem zur Durchführung des
Verfahrens in einer vierten möglichen Ausführungsform; und
Fig. 5 einen Ausschnitt aus einem Brennstoffzellensystem zur Durchführung des
Verfahrens in einer fünften möglichen Ausführungsform.
In der Darstellung der Figur 1 ist ein zur Durchführung des nachfolgend beschriebenen Verfahrens relevanter Ausschnitt aus einem Brennstoffzellensystem 1 zu erkennen. Dieses umfasst im Wesentlichen eine Brennstoffzelle 2, welche ihrerseits einen
Anodenraum 3 und einen Kathodenraum 4 aufweist. Die Brennstoffzelle 2 selbst soll als Stapel von PEM-Brennstoffzellen ausgebildet sein. Das Brennstoffzellensystem 1 soll in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel elektrische Antriebsleistung für ein
Kraftfahrzeug liefern, welches durch den mit 5 bezeichneten Kasten beispielhaft angedeutet ist. Da die Wasserstoffversorgung des Anodenraums 3 der Brennstoffzelle 2 für die hier vorliegende Erfindung keine wesentliche Rolle spielt, ist eine Zufuhr von Wasserstoff (H2) lediglich beispielhaft angedeutet. Der Wasserstoff kann beispielsweise in einem mit 6 bezeichneten Kreislauf um den Anodenraum 3 der Brennstoffzelle 2 zurückgeführt sein. Allgemein übliche Komponenten wie
Rezirkulationsfördereinrichtungen, Ventile zum Ablassen von Wasser und/oder Gasen in dem Kreislauf 6 sind dabei nicht dargestellt, können jedoch selbstverständlich vorhanden sein.
Der Anodenraum 4 der Brennstoffzelle 2 wird über eine Luftfördereinrichtung 7 mit Luft als Sauerstofflieferant versorgt. Um eine ideale Luftversorgung beziehungsweise Sauerstoffversorgung des Kathodenraums 4 der Brennstoffzelle 2 in jeder Situation sicherzustellen, wird die Luftfördereinrichtung 7, welche beispielsweise als
Strömungsverdichter ausgebildet sein kann, in ihrer Drehzahl so geregelt, dass sich der gewünschte Luftmassenstrom beziehungsweise Sauerstoffmassenstrom im Bereich des Kathodenraums 4 einstellt. Die Regelung der Luftfördereinrichtung 7 wird dabei von einer Steuerungselektronik 8 übernommen. In der Darstellung der Figur 1 dient der
Steuerungselektronik 8 als Eingangsgröße der Wert eines Drucks p, welcher - in dem hier dargestellten Beispiel - von einem Drucksensor 9 in der Luftstrecke vor dem
Kathodenraum 4 der Brennstoffzelle 2 gemessen wird. In der Darstellung der Figur 2 ist eine alternative Position des Drucksensors 9 in der Luftstrecke, in diesem
Ausführungsbeispiel nach dem Kathodenraum 4 der Brennstoffzelle 2, angedeutet. Auch eine solche Position des Drucksensors 9 ist möglich und denkbar. Alternativ zur Messung eines Werts des Drucks p in der Luftstrecke kann auch ein Druckverlust Δρ gemessen werden. Dies ist in der Figur 3 in einem analogen Ausführungsbeispiel dargestellt. Der Wert des Druckverlusts Δρ kann über einen Druckverlustsensor 10 - wie dargestellt - oder auch über zwei Drucksensoren gemessen werden. Auf Basis des Drucks p oder des Druckverlusts Δρ kann so die Luftfördereinrichtung 7 über die Steuerungselektronik 8 sehr gut an die Anforderungen der Brennstoffzelle 2 angepasst geregelt werden.
Selbstverständlich ist auch eine Kombination dieser beiden Alternativen denkbar und möglich. Diese ist in der Darstellung der Figur 4 zu erkennen. In diesem Aufbau kann ein Ausfall eines der Sensoren 9, 10 kompensiert werden.
Die Luftfördereinrichtung 7 wird bei den hier dargestellten Ausführungsbeispielen also unter Verzicht auf einen Luftmassenstromsensor auf einen vorgegebenen Wert (Sollwert) des Drucks pson und/oder des Druckverlusts ApS0n in einem geschlossenen Regelkreis eingeregelt. Dies bedeutet, dass die Drehzahl der Luftfördereinrichtung 7 über die
Steuerungselektronik 8 so verändert wird, dass sich die gemessenen Werte des Drucks p und/oder des Druckverlusts Δρ auf die vorgegebenen Werte des Drucks pson und/oder des Druckverlusts Apson einregeln. Dies führt bereits zu einer guten Luftversorgung der Brennstoffzelle 2 mit dem in den jeweiligen Bedingungen der Brennstoffzelle 2 benötigten Luftmassen- bzw. Sauerstoffmassenstrom. Die Qualität der Regelung der Luftversorgung der Brennstoffzelle 2 lässt sich nun weiter steigern, indem der vorgegebene Wert des Drucks Pson und/oder des Druckverlusts ApsoM, also der Druck- und/oder
Druckverlustsollwert für die Regelung, zusätzlich mit weiteren Einflussfaktoren korrigiert wird. Eine solche Korrektur kann beispielsweise über Berechnungen und/oder Kennfelder, welche in der Steuerungselektronik 8 gespeichert sind, erfolgen. Insbesondere können dabei alle ohnehin gemessenen Werte des Brennstoffzellensystems 1 , welche einen direkten oder indirekten Einfluss auf den Luftmassenstrom haben, berücksichtigt werden. Die Einflussfaktoren können dabei unmittelbar gemessen werden. Es ist auch denkbar, die Einflussfaktoren über Modellberechnungen, wie eine Simulationsrechung oder dergleichen aus anderen gemessenen Werten herzuleiten bzw. zu berechnen. Die Korrektur kann dabei mit eher grundsätzlichem Charakter erfolgen, sodass beispielsweise eine Korrektur in Abhängigkeit von längerfristig geltenden Werten erfolgt, oder sie kann aktuell erfolgen, in dem zu jedem einzelnen Zeitpunkt mit hoher zeitlicher Auflösung die Sollwerte für den Druck pson beziehungsweise den Druckverlust Apson angepasst werden. Denkbare Einflussgrößen und gemessene Werte, welche über Modellrechnungen indirekt zu Einflussgrößen umgesetzt werden, können beispielsweise folgende sein:
- Umgebungstemperatur,
- Temperatur der Brennstoffzelle 2,
- Temperatur der Luft vor und/oder nach der Luftfördereinrichtung 7,
- Zusammensetzung des Luftmassenstroms,
- Betriebszustand der Brennstoffzelle 2,
- aktuelle Leistung der Brennstoffzelle 2,
- Stellung von Ventileinrichtungen der Luftstrecke,
- Befeuchtung der Luft, und/oder
- Verluste durch Leckagen in der Luftstrecke.
Durch das Verfahren kann so unter Verzicht auf einen aufwändigen, teuren und beim speziellen Einsatz in Brennstoffzellensystemen 1 sehr störanfälligen
Luftmassenstromsensor einfach, effizient und ohne den Bedarf an zusätzlichen
Sensoren, da die benötigten Sensoren typischerweise ohnehin vorhanden sind, eine sehr exakte Regelung der Luftversorgung der Brennstoffzelle 2 realisiert werden.
Ein weiterer alternativer Aufbau für das Verfahren ist in der Darstellung der Figur 5 zu erkennen. Die Figur 5 entspricht dabei weitgehend dem in Figur 4 dargestellten Aufbau. Zusätzlich wird ein Luftmassenstromsensor 11 in der Luftstrecke positioniert. Dieser Luftmassenstromsensor 11 , welcher nun zusätzlich zu den Drucksensoren 9 und 10 in dem Brennstoffzellensystem 1 angeordnet ist, kann zur weiteren Verbesserung der Regelung der Luftversorgung genutzt werden. Er ist hier am Beispiel der
Ausführungsform gemäß Figur 4 dargestellt, also mit dem Sensor 9 zur Erfassung des Drucks p und dem Sensor 10 zur Erfassung des Druckverlusts Δρ. Ebenso wäre eine Ergänzung der anderen dargestellten Ausführungsbeispiele gemäß den Figuren 1 bis 3 um den Luftmassenstromsensor 11 denkbar und möglich.
Bei dieser Ausführungsform des Verfahrens kann die Regelung des Luftmassenstroms nun anhand einer günstigen Kombination der Messwerte des Luftmassenstromsensors 11 und der Sensoren 9 und/oder 10 erfolgen. So kann beispielsweise im Bereich von Luftmassenströmen bzw. Betriebszuständen der Brennstoffzelle 2 mit bekanntermaßen geringer Genauigkeit des Luftmassenstromsensors 11 die Luftversorgung auf den vorgegebenen Sollwert des Drucks pson bzw. des Druckverlusts Δρ5θΝ geregelt werden. In anderen Betriebszuständen der Brennstoffzelle 2 kann stattdessen jedoch der
Luftmassenstromsensor 11 zur Regelung eingesetzt werden. Hierfür wird der durch den Luftmassenstromsensor 11 aktuell gemessene Luftmassenstrom dm/dt auf den vorgegebenen benötigten Sollwert des Luftmassenstroms dmSOii/dt eingeregelt. Diese besonders günstige Variante ergibt dann eine über den gesamten Lastbereich bzw. über alle Betriebszustände der Brennstoffzelle 2 sehr genaue Regelung des
Luftmassenstroms. Die Regelung ist insbesondere genauer als bei der Verwendung lediglich eines Messprinzips.
Außerdem ist es bei diesem Aufbau denkbar, grundsätzlich, insbesondere je nach Betriebszustand der Brennstoffzelle 2, entweder auf den Luftmassenstrom dm/dt oder den Druckwert p bzw. den Druckverlust Δρ zu regeln. Der oder die jeweils anderen Messwerte können dann zur Plausibilisierung bzw. Überwachung desjenigen Messwerts eingesetzt werden, auf den geregelt wird. Dadurch wird die Störanfälligkeit des Systems minimiert und es entsteht eine sehr sichere und zuverlässige Regelung der
Luftversorgung der Brennstoffzelle 2. Bei einem erkannten Störungsfall kann die
Regelung außerdem auf den anderen Messwert umgestellt werden.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Luftversorgung einer Brennstoffzelle (2) mit einer regelbaren
Luftfördereinrichtung, welche einen Luftmassenstrom für einen Kathodenraum (4) der Brennstoffzelle (2) liefert,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Luftfördereinrichtung (7) auf einen vorgegebenen Wert eines Drucks (pson) in der Luftstrecke und/oder einen vorgegebenen Wert eines Druckverlusts (Apson) über einer Komponente der Luftstrecke eingeregelt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
der aktuelle Werte des Druckverlusts (Δρ) über einer Komponente der Luftstrecke gemessen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
der aktuelle Werte des Druckverlusts (Δρ) über dem Kathodenraum (4) als
Komponente gemessen wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 , 2 oder 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
der aktuelle Wert des Drucks (p) vor dem Kathodenraum (4) gemessen wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, dass der vorgegebene Wert des Drucks (pson) und/oder des Druckverlusts (Apson) mit gemessenen Einflussfaktoren korrigiert wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
der vorgegebene Wert des Drucks (pson) oder des Druckverlusts (Δρ30ιι) mit weiteren Einflussfaktoren korrigiert wird, welche über Modellberechnungen ermittelt werden.
7. Verfahren nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Modellberechnungen auf der Basis von gemessenen Werten durchgeführt werden.
8. Verfahren nach Anspruch 5 oder 7,
dadurch gekennzeichnet, dass
die gemessene Einflussfaktoren und/oder die gemessenen Werte wenigstens eine der nachfolgenden Größen umfassen:
- Umgebungstemperatur,
- Temperatur der Brennstoffzelle (2),
- Temperatur der Luft vor und/oder nach der Luftfördereinrichtung (7),
- Zusammensetzung des Luftmassenstroms,
- Betriebszustand der Brennstoffzelle (2),
- aktuelle Leistung der Brennstoffzelle (2),
- Stellung von Ventileinrichtungen der Luftstrecke,
- Befeuchtung der Luft, und/oder
- Verluste durch Leckagen in der Luftstrecke.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Korrektur der vorgegebenen Werte des Drucks (pson) und/oder des
Druckverlusts (Δρ5θΝ) über Berechnungen und/oder Kennfelder erfolgt.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, dass
zusätzlich ein Luftmassenstromsensor (11) in der Luftstrecke angeordnet wird, wobei je nach Betriebszustand der Brennstoffzelle (2) die Luftfördereinrichtung (7) auf einen vorgegebenen Wert des Drucks (pSoii), des Druckverlusts (Δρ30ιι) und/oder eines Luftmassenstroms (dmson/dt) eingeregelt wird.
11. Verfahren nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Luftfördereinrichtung (7) auf jeweils einen der Werte eingeregelt wird, wobei der oder die jeweils andere/-n Wert/-e zur Plausibilitätsprüfung der Regelung genutzt werden.
12. Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 11 als zur
Luftversorgung einer Brennstoffzelle (2) in einem Brennstoffzellensystem (1), welches elektrische Leistung, insbesondere zumindest teilweise als Antriebsleistung genutzte elektrische Leistung, für ein Fahrzeug (5) liefert.
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