WO2014040721A1 - Verfahren zur luftversorgung einer brennstoffzelle - Google Patents

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WO2014040721A1
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Jonas Hanschke
Sven Schmalzriedt
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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.
  • controllable air conveying devices are used here, which can be regulated in their rotational speed, for example, such that the required air quantity or air mass for the fuel cell can thereby be set.
  • Air mass flow sensors are also used in vehicle applications.
  • the air mass flow sensors known from vehicle technology are typically designed for internal combustion engines. They are relatively expensive and due to the different requirements of an internal combustion engine and a fuel cell not necessarily to the air supply of the fuel cell in all
  • Air mass flow sensors are used in the flow direction after the air conveyor. The inventors have shown that when using
  • Air gap in the fuel cell system different air mass flows occur. This can be caused in particular by leaks, secondary consumers and by so-called system bypass lines, which allow a connection of the Zu Kunststoffwegs to the fuel cell with the exhaust path of the fuel cell, so as to allow in certain operating situations funded supply air to flow past the fuel cell.
  • system bypass lines which allow a connection of the Zu Kunststoffwegs to the fuel cell with the exhaust path of the fuel cell, so as to allow in certain operating situations funded supply air to flow past the fuel cell.
  • due to the relatively expensive sensors and their limited functionality for fuel cell systems functionality this is associated with significant additional costs and yet does not allow safe and reliable measurement of air mass in all
  • the object of the present invention is now to provide a method for supplying air to a fuel cell, which avoids the disadvantages mentioned and provides a simple, safe and reliable way to supply air to a fuel cell.
  • Embodiments of the method according to the invention result from the remaining dependent therefrom dependent claims.
  • a particularly preferred use of the method according to the invention is specified in claim 10.
  • At least one air mass flow sensor is arranged in the air gap for supplying air to the fuel cell.
  • a mathematical estimation of the air mass flow present there is carried out for at least one point of the air gap which is at a distance from the at least one (first) air mass flow sensor in the direction of flow.
  • the method according to the invention fulfills the requirement that often at least two different locations within an air gap of the
  • Fuel cell system a reliable value for the air mass flow is needed.
  • the inventive concept in the presence of several air mass flow sensors, the inventive
  • the at least one (first) air mass flow sensor in
  • Flow direction is arranged in front of an air conveyor.
  • a comparatively high reliability of the measured value of the mass air flow sensor can be obtained because the inventors have found that air mass flow sensors in fuel cell systems operate more reliably and long-lived at this point than behind the air conveyor. This means that air mass flow sensors in the flow direction to the air conveyor are far more susceptible than before.
  • Air conveyor arranged air mass flow sensor to generate a very reliable reading to a computational estimate the air mass flow in other places of the air route, especially in places after the
  • Air conveyor to estimate accordingly.
  • a further air mass flow sensor may be arranged in the region of at least one of the locations for which the air mass flow is estimated.
  • this further air mass flow sensor can then in principle the
  • Air mass flow can be measured in the area of this point.
  • Air mass flow sensor is a function monitoring thereof.
  • the safe and reliable operation of the further air mass flow sensor is monitored and ensured, and in the event of a failure, a further operation can take place on the basis of the values obtained by the mathematical estimation.
  • a warning device can be actuated and switched on so that the defective air mass flow sensor can be exchanged in a timely manner.
  • the mathematically estimated value can continue to be meaningful and reliable.
  • the value of the calculated estimate or the measured value of the further air mass flow sensor is taken into account as the actual variable in the control.
  • Air conveyor is arranged and the first air mass flow sensor in
  • Air conveyor device the measurement depends very much on the operating conditions of the fuel cell system.
  • the functionality of the further air mass flow sensor in which the functionality of the further air mass flow sensor is known to be limited, can then be switched over an operating control of the fuel cell system, which these situations are known and, for example, from different measured values on pressures, temperatures, electrical power and the like, accordingly. This ensures that in situations where experience has shown that the functionality of the air mass flow sensor is good, the measured values are used and in situations where this is not the case
  • Fuel cell system is getting better and on creeping changes, for example, by aging and wear - for example, in the field of bearings of the air conveyor, in the field of seals or the like - can respond and permanently ensures safe and reliable functionality.
  • the mathematical estimation takes place on the basis of models and / or characteristic diagrams.
  • Such an estimate can be made, for example, via measurement data stored in characteristic maps of specific operating situations of the fuel cell system and taking into account different measured values of sensors already present in the fuel cell system by using the values stored in the characteristic diagrams.
  • the need for the best possible air supply with a tailor-made as possible to the needs of the fuel cell mass of the fuel cell promoted air flow play a role especially in fuel cell systems, which are highly dynamically operated, so what a frequent change in the required power or the required supply of air exhibit.
  • Such systems are in particular used in vehicles fuel cell systems.
  • In vehicles there is typically a very dynamic power requirement, especially when the power is at least partially used as drive power for the vehicle.
  • the preferred use of the method according to the invention for supplying air to a fuel cell is therefore the use of the air supply of a fuel cell in a fuel cell system which supplies electrical power, in particular electric drive power, for a vehicle.
  • a vehicle may in particular be a trackless land vehicle, but also a rail vehicle or a watercraft.
  • the use of the 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 to a vehicle includes.
  • Air supply of a fuel cell will become apparent from the remaining dependent claims and will become apparent from the embodiment described below, which is explained in more detail with reference to the figure.
  • Fuel cell system for carrying out the method according to the invention in one possible embodiment.
  • This essentially comprises one
  • Fuel cell 2 which in turn has an anode compartment 3 and a cathode compartment 4.
  • the fuel cell 2 itself should be designed as a stack of PEM fuel cells.
  • the fuel cell system 1 is intended in the here shown
  • Embodiment provide electrical drive power for a motor vehicle, which is indicated by the box designated 5 by way of example. Because 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 merely exemplified.
  • the hydrogen can, for example, in one with 6
  • Common components such as recirculation conveyors or valves for discharging water and / or gases in the circuit 6 are not shown here, however, they may of course be present.
  • Fuel cell 2 is supplied via an air conveyor 7 with air as an oxygen supplier.
  • the air delivery device 7 which may be designed, for example, as a flow compressor, is controlled in its rotational speed so that the desired air mass flow or oxygen mass flow is established.
  • the control of the air conveyor 7 or its speed N is taken over by a control electronics, not shown.
  • Air conveyor 7 is either known from the regulation of the air conveyor 7 or is detected by a suitable sensor, which is provided in the illustration of the figure by the reference numeral 8.
  • a mass air flow sensor 9 designated in principle by F1 measures the air mass flow in front of the air conveying device 7 in a manner known per se.
  • Further relevant sensors are, for example, a sensor 10 for the pressure P, a sensor 11 for the temperature T, and a further sensor 12, which likewise measures the pressure P elsewhere, however, within the so-called air gap of the fuel cell system 1.
  • a so-called system bypass 13 with a controllable bypass valve 14 is arranged. Either from the control of the bypass valve 14 or detected by a sensor 15 indicated here in principle, the currently present position Y of the valve device 14 is known and for the
  • a line 16 with an aperture 17 is also indicated in the illustration of the figure.
  • This line 16 with the aperture 17 is intended to symbolize a leak, which is typically unavoidable in real systems. About such unregulated leakage air is lost from the Zu Kunststoffuite. Neither the leakage via the line 16 nor the
  • Tired exhaust duct of the air gap They could just as well flow into the environment, which in the case of the leaks, which are only indicated here in principle, will normally also be the case.
  • an exact prediction of the air mass flow flowing into the cathode space 4 is not possible due to the construction described, the system bypass leakage and the like.
  • a further air mass flow sensor 18 is therefore provided at a distance from the air mass flow sensor 9 in the air gap, which is to be understood as optional in the exemplary embodiment shown here. Regardless, it is necessary for safe and reliable operation of the fuel cell system to know the air mass flow at the point designated 19, in the area of the air mass flow sensor 18 is arranged.
  • Fuel cell system 1 and the vehicle 5 maintained on the basis of the value determined by the computational estimation, so that a possible impairment of the user of the vehicle 5 can be limited.
  • the arithmetic estimation is carried out partly via maps and / or a model-based simulation, in any case, already available sizes such as the speed N, pressures P, temperatures T and in particular the position Y of the valve device 14 in the system bypass 13 are taken into account.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Luftversorgung einer Brennstoffzelle (2) mit einer regelbaren Luftfördereinrichtung (7), welche einen Luftmassenstrom für einen Kathodenraum (4) der Brennstoffzelle (2) liefert, mit wenigstens einem Luftmassenstromsensor (9, 18). Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass für wenigstens eine in Strömungsrichtung beabstandet von dem wenigstens einen Luftmassenstromsensor (9) liegende Stelle (19) der Luftstrecke eine rechnerische Abschätzung des dort vorliegenden Luftmassenstroms erfolgt.

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 werden dabei regelbare Luftfördereinrichtungen verwendet, welche beispielsweise so in ihrer Drehzahl geregelt werden können, dass sich hierdurch die benötigte Luftmenge bzw. Luftmasse für die Brennstoffzelle einstellen lässt. Insbesondere bei Fahrzeuganwendungen von
Brennstoffzellensystemen ist es dabei allgemein bekannt und üblich, einen
Luftmassenstromsensor bzw. Luftmassenmesser einzusetzen. Solche
Luftmassenstromsensoren sind auch bei Fahrzeuganwendungen mit
Verbrennungsmotoren allgemein bekannt und üblich. Mit ihnen kann der
Luftmassenstrom gemessen und bei der Verwendung in einem Brennstoffzellensystem in einem geschlossenen Regelkreis mit Hilfe der Luftversorgungseinrichtung entsprechend eingeregelt werden.
Die aus der Fahrzeugtechnik bekannten Luftmassenstromsensoren sind dabei typischerweise für Verbrennungsmotoren konzipiert. Sie sind vergleichsweise teuer und aufgrund der unterschiedlichen Anforderungen eines Verbrennungsmotors und einer Brennstoffzelle nicht unbedingt zur Luftversorgung der Brennstoffzelle in allen
auftretenden Betriebspunkten optimiert. Dies gilt insbesondere dann, wenn die
Luftmassenstromsensoren in Strömungsrichtung nach der Luftfördereinrichtung eingesetzt werden. Den Erfindern hat sich gezeigt, dass beim Einsatz von
Luftmassenstromsensoren in Strömungsrichtung der Luft nach der Luftfördereinrichtung
BESTÄTIGUNGSKOPIE häufig enorme Probleme auftreten, und dass diese Luftmassensensoren sehr anfällig gegenüber Ausfällen sind. Dies ist im Betrieb eines Fahrzeugs ärgerlich, da ein Ausfall des Luftmassenstromsensors an dieser Stelle häufig einen Ausfall des gesamten
Fahrzeugsystems zur Folge hat.
Neben dem Einsatz von Luftmassenstromsensoren ist es aus dem Stand der Technik bekannt, alternativ zur Verwendung eines Luftmassenstromsensor die Luftmenge entsprechend zu berechnen, umso auf den Luftmassenstromsensor gänzlich verzichten zu können. Beispielhaft wird hierzu die DE 10 2008 043 740 A1 genannt.
Ein weiteres Problem, welches speziell bei Brennstoffzellen bzw. der Luftversorgung von Brennstoffzellen auftritt, ist es, dass an verschiedenen Stellen der sogenannten
Luftstrecke in dem Brennstoffzellensystem unterschiedliche Luftmassenströme auftreten. Dies kann insbesondere durch Leckagen, Nebenverbraucher und durch sogenannte Systembypassleitungen verursacht sein, welche eine Verbindung des Zuluftwegs zur Brennstoffzelle mit dem Abluftweg der Brennstoffzelle ermöglichen, um so in bestimmten Betriebssituationen geförderte Zuluft an der Brennstoffzelle vorbeiströmen zu lassen. Um nun dennoch an allen Stellen, an denen eine genaue Kenntnis des Luftmassenstroms notwendig ist, die entsprechenden Werte zu erfassen, wäre es vergleichsweise naheliegend, die Zahl der Luftmassenstromsensoren zu erhöhen und an jeder der notwendigen Stellen einen Luftmassenstromsensor zu platzieren. Aufgrund der vergleichsweise teuren Sensoren und ihrer für Brennstoffzellensysteme eingeschränkten Funktionalität ist dies jedoch mit erheblichen Mehrkosten verbunden und ermöglicht dennoch keine sichere und zuverlässige Messung der Luftmassenwerte in allen
Betriebssituationen.
Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, ein Verfahren zur Luftversorgung einer Brennstoffzelle anzugeben, welche die genannten Nachteile vermeidet und eine einfache, sichere und zuverlässige Möglichkeit zur Luftversorgung einer Brennstoffzelle bietet.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen und
Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus den restlichen hiervon abhängigen Unteransprüchen. Außerdem ist im Anspruch 10 eine besonders bevorzugte Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens angegeben.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es vorgesehen, dass in der Luftstrecke zur Luftversorgung der Brennstoffzelle wenigstens ein Luftmassenstromsensor angeordnet ist. Erfindungsgemäß ist es nun so, dass für wenigstens eine in Strömungsrichtung beabstandet von dem wenigstens einen (ersten) Luftmassenstromsensor liegenden Stelle der Luftstrecke, eine rechnerische Abschätzung des dort vorliegenden Luftmassenstroms erfolgt. Das erfindungsgemäße Verfahren wird der Anforderung gerecht, dass häufig an wenigstens zwei unterschiedlichen Stellen innerhalb einer Luftstrecke des
Brennstoffzellensystems ein zuverlässiger Wert für den Luftmassenstrom benötigt wird. Dadurch, dass lediglich ein Luftmassenstromsensor installiert wird und an der anderen Stelle eine rechnerische Abschätzung des Werts des Luftmassenstroms ermöglicht wird, kann ein weiterer Luftmassenstromsensor eingespart werden. Dies kann insbesondere dann sinnvoll sein, wenn die weitere Stelle, an der eine Kenntnis des Luftmassenstroms notwendig ist, in einem Bereich liegt, welche zur Messung des Luftmassenstroms mittels eines Luftmassenstromsensors ungeeignet ist. Ergänzend oder alternativ dazu kann bei Vorhandensein von mehreren Luftmassenstromsensoren das erfindungsgemäße
Verfahren dennoch eingesetzt werden, wobei dann über die rechnerische Abschätzung der von dem oder den weiteren Luftmassenstromsensoren generierte Messwert plausibilisiert wird, sodass eine sichere und zuverlässige Funktionalität des weiteren Luftmassenstromsensor überwacht werden kann.
In einer sehr günstigen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es dabei vorgesehen, dass der wenigstens eine (erste) Luftmassenstromsensor in
Strömungsrichtung vor einer Luftfördereinrichtung angeordnet wird. Über einen solchen Aufbau, weicher den Luftmassenstromsensor vor der Luftfördereinrichtung aufweist, kann eine vergleichsweise hohe Zuverlässigkeit des Messwerts des Luftmassenstromsensors erzielt werden, da es sich den Erfindern gezeigt hat, dass Luftmassenstromsensoren in Brennstoffzellensystemen an dieser Stelle zuverlässiger und langlebiger arbeiten, als hinter der Luftfördereinrichtung. Dies bedeutet, dass Luftmassenstromsensoren in Strömungsrichtung nach der Luftfördereinrichtung weitaus anfälliger sind, als davor. Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist es nun möglich, mit einem vor der
Luftfördereinrichtung angeordneten Luftmassenstromsensor einen sehr zuverlässigen Messwert zu generieren, um über eine rechnerische Abschätzung den Luftmassenstrom an anderen Stellen der Luftstrecke, insbesondere an Stellen nach der
Luftfördereinrichtung, entsprechend abzuschätzen.
In einer besonders günstigen und vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es dabei vorgesehen, dass lediglich ein Luftmassenstromsensor verwendet wird. Durch die Verwendung dieses einen Luftmassenstromsensors und die rechnerische Abschätzung des Werts des Luftmassenstroms im Bereich einer oder mehrerer anderer Stellen, an denen eine genaue Kenntnis des Werts des Luftmassenstroms erforderlich ist, entsteht ein sehr einfacher und effizienter Aufbau, welcher kostengünstig und bei einer geeigneten Anordnung des Luftmassenstromsensors, beispielsweise in
Strömungsrichtung vor der Luftfördereinrichtung, sehr langlebig und zuverlässig ist.
In einer alternativen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann es jedoch auch vorgesehen sein, dass im Bereich wenigstens einer der Stellen, für die der Luftmassenstrom abgeschätzt wird, ein weiterer Luftmassenstromsensor angeordnet wird. Für diesen weiteren Luftmassenstromsensor kann dann im Prinzip der
Luftmassenstrom im Bereich dieser Stelle gemessen werden. Die weiterhin gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgende rechnerische Abschätzung des dort
vorliegenden Luftmassenstroms erlaubt nun gemäß einer besonders günstigen
Weiterbildung der erfindungsgemäßen Idee, dass durch einen Vergleich der
rechnerischen Abschätzung und des gemessenen Werts des weiteren
Luftmassenstromsensors eine Funktionsüberwachung desselben erfolgt. Hierdurch wird die sichere und zuverlässige Funktion des weiteren Luftmassenstromsensors überwacht und gewährleistet, wobei im Falle eines Ausfalls ein weiterer Betrieb auf Basis der durch die rechnerische Abschätzung gewonnenen Werte erfolgen kann. Ungeachtet dessen lässt sich beispielsweise eine Warneinrichtung betätigen und einschalten, sodass der defekte Luftmassenstromsensor zeitnah ausgetauscht werden kann. Dennoch kann über den rechnerisch abgeschätzten Wert weiterhin ein sinnvoller und zuverlässiger Betheb erfolgen.
In einer besonders günstigen Weiterbildung dieser Ausgestaltung des
erfindungsgemäßen Verfahrens kann es außerdem vorgesehen sein, dass je nach Betriebssituation der Brennstoffzelle der Wert der rechnerischen Abschätzung oder der gemessene Wert des weiteren Luftmassenstromsensors als Ist-Größe bei der Regelung berücksichtigt wird. Dieser Aufbau ist insbesondere dann von entscheidendem Vorteil, wenn der weitere Luftmassenstromsensor in Strömungsrichtung nach der
Luftfördereinrichtung angeordnet ist und der erste Luftmassenstromsensor in
Strömungsrichtung vor einer solchen Luftfördereinrichtung. Nach der
Luftfördereinrichtung hängt die Messung sehr stark von den Betriebsbedingungen des Brennstoffzellensystems ab. In solchen Situationen, in denen die Funktionalität des weiteren Luftmassenstromsensors bekanntermaßen eingeschränkt ist, kann dann über eine Betriebssteuerung des Brennstoffzellensystems, welcher diese Situationen bekannt sind und beispielsweise aus andersartigen Messwerten über Drücke, Temperaturen, elektrische Leistungen und dergleichen ermittelt werden, entsprechend umgeschaltet werden. Hierdurch wird sichergestellt, dass in Situationen, in denen erfahrungsgemäß eine gute Funktionalität des Luftmassenstromsensors gegeben ist, die gemessenen Werte verwendet werden und in Situationen, in denen dies nicht der Fall ist, die
rechnerisch abgeschätzten Werte verwendet werden. Zeitgleich kann, insbesondere in den Situationen, in denen die gemessenen Werte verwendet werden, über die
rechnerische Abschätzung eine Plausibilisierung der Messwerte erfolgen, sodass eine sichere und zuverlässige Funktionalität des weiteren Luftmassenstromsensors
gewährleistet ist.
Darüber hinaus ist es auch möglich, in diesen Situationen durch einen ständigen Abgleich der gemessenen Werte und der durch rechnerische Abschätzung erhaltenen Werte eine adaptive Anpassung der rechnerischen Abschätzung vorzunehmen, sodass die
rechnerische Abschätzung im Laufe der Betriebszeit der Brennstoffzelle bzw. des
Brennstoffzellensystems immer besser wird und auf schleichende Veränderungen, beispielsweise durch Alterung und Verschleiß - beispielsweise im Bereich der Lager der Luftfördereinrichtung, im Bereich von Dichtungen oder dergleichen - reagieren kann und dauerhaft eine sichere und zuverlässige Funktionalität gewährleistet.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Idee ist es dabei vorgesehen, dass die rechnerische Abschätzung auf Basis von Modellen und/oder Kennfeldern erfolgt. Eine solche Abschätzung kann beispielsweise über in Kennfeldern abgespeicherte Messdaten von bestimmten Betriebssituationen des Brennstoffzellensystems und unter Berücksichtigung von verschiedenen Messwerten von ohnehin vorhandenen Sensoren in dem Brennstoffzellensystem durch Verwendung der in den Kennfeldern gespeicherten Werte erfolgen. Ergänzend oder alternativ dazu ist auch die Verwendung von
Simulationsrechnungen bzw. Simulationsmodellen sinnvoll und möglich, wodurch eine vergleichsweise exakte und zuverlässige dynamische Abschätzung des Luftmassenstroms an der von dem wenigstens einen ersten Luftmassenstromsensor beabstandeten Stelle erfolgen kann.
In einer sehr günstigen Weiterbildung hiervon ist es dabei vorgesehen, dass in die rechnerische Abschätzung wenigstens eine der nachfolgenden Größen einfließt. Bei diesen Größen handelt es sich insbesondere um:
- Drehzahl und/oder Leistungsaufnahme der Luftfördereinrichtung;
- Druck und/oder Temperatur an einer oder mehreren Stellen der Luftstrecke;
- Stellung von Ventileinrichtung in der Luftstrecke;
- Stellung einer Ventileinrichtung in einem Systembypass;
- Umgebungstemperatur;
- Temperatur der Brennstoffzelle;
- Zusammensetzung des Luftmassenstroms;
- Betriebszustand und/oder aktuelle elektrische Leistung der Brennstoffzelle;
- Befeuchtung der Zuluft; und/oder
- Verluste durch Leckagen in der Luftstrecke.
Diese Größen werden in dem Brennstoffzellensystem typischerweise ohnehin erfasst, da insbesondere Temperaturen und Drücke einfach zu erfassen sind und zur Regelung und Steuerung des Brennstoffzellensystems in jedem Fall notwendig sind. Vergleichbares gilt für die Erfassung von elektrischen Größen wie beispielsweise Strom und Spannung bzw. Leistung der Brennstoffzelle und dergleichen. Diese Größen haben alle einen mehr oder weniger starken Einfluss auf die rechnerische Abschätzung des Luftmassenstroms an der von dem wenigstens einen (ersten) Luftmassenstromsensor beabstandeten Stelle und fließen in eine derartige Berechnung mit ein, bzw., falls die Berechnung nicht oder nur über eine modelbasierte Simulationsrechnung erfolgt, werden sie über entsprechende Kennfelder mitberücksichtigt, beispielsweise die Drehzahl der Luftfördereinrichtung, die von ihr aufgenommene Leistung oder dergleichen.
Die Notwendigkeit einer möglichst guten Luftversorgung mit einer möglichst exakt auf die Bedürfnisse der Brennstoffzelle angepassten Masse des zur Brennstoffzelle geförderten Luftstroms spielen insbesondere bei Brennstoffzellensystemen eine Rolle, welche hochdynamisch betrieben werden, also welche einen häufigen Wechsel in der benötigten Leistung bzw. der benötigten Versorgung mit Luft aufweisen. Solche Systeme sind insbesondere in Fahrzeugen eingesetzte Brennstoffzellensysteme. 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 der 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 an ein Fahrzeug liefert, umfasst.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens zur
Luftversorgung einer Brennstoffzelle ergeben sich aus den restlichen abhängigen Ansprüchen und werden aus dem nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiel deutlich, welches unter Bezugnahme auf die Figur näher erläutert wird.
Dabei zeigt die einzige beigefügte Figur einen Ausschnitt aus einem
Brennstoffzellensystem zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens in einer möglichen Ausführungsform.
In der Darstellung der einzigen beigefügten Figur 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 in den Anodenraum 3 der Brennstoffzelle 2 zurückgeführt sein. Allgemein übliche Komponenten wie Rezirkulationsfördereinrichtungen oder Ventile zum Ablassen von Wasser und/oder Gasen in dem Kreislauf 6 sind dabei nicht dargestellt, können jedoch selbstverständlich vorhanden sein. Der Kathodenraum 4 der
Brennstoffzelle 2 wird über eine Luftfördereinrichtung 7 mit Luft als Sauerstofflieferant versorgt. Um eine ideale Luftversorgung bzw. 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 bzw. Sauerstoffmassenstrom einstellt. Die Regelung der Luftfördereinrichtung 7 bzw. ihrer Drehzahl N wird dabei von einer nicht dargestellten Steuerungselektronik übernommen. Die Drehzahl N der
Luftfördereinrichtung 7 ist dabei entweder aus der Regelung der Luftfördereinrichtung 7 bekannt oder wird über einen geeigneten Sensor, welcher in der Darstellung der Figur mit dem Bezugszeichen 8 versehen ist, erfasst. Über einen prinzipmäßig mit F1 bezeichneten Luftmassenstromsensor 9 wird der Luftmassenstrom vor der Luftfördereinrichtung 7 in an sich bekannter Art und Weise gemessen. Weitere relevante Sensoren sind beispielsweise ein Sensor 10 für den Druck P, ein Sensor 11 für die Temperatur T sowie ein weiterer Sensor 12, welcher ebenfalls den Druck P jedoch an anderer Stelle innerhalb der sogenannten Luftstrecke des Brennstoffzellensystems 1 misst.
Wie es bei Brennstoffzellensystemen 1 nun häufig üblich ist, ist zwischen der
Zuluftstrecke zu dem Kathodenraum 4 der Brennstoffzelle 2 und der Abluftstrecke aus dem Kathodenraum 4 der Brennstoffzelle 2 ein sogenannter Systembypass 13 mit einem regelbaren Bypassventil 14 angeordnet. Entweder aus der Regelung des Bypassventils 14 oder über einen hier prinzipmäßig angedeuteten Sensor 15 erfasst, ist dabei die aktuell vorliegende Stellung Y der Ventileinrichtung 14 bekannt und für die
Systemsteuerung verfügbar. Neben diesen üblicherweise vorhandenen Bauteilen innerhalb des Brennstoffzellensystems 1 bzw. seiner Luftstrecke ist in der Darstellung der Figur außerdem eine Leitung 16 mit einer Blende 17 angedeutet. Diese Leitung 16 mit der Blende 17 soll dabei eine Leckage symbolisieren, welche in reellen Systemen typischerweise unvermeidlich ist. Über eine derartige ungeregelte Leckage geht Luft aus der Zuluftstrecke verloren. Weder die Leckage über die Leitung 16 noch die
Systembypassleitung 13 müssen zum Erfüllen ihrer Funktionalität dabei in die
Abluftleitung der Luftstrecke müden. Sie könnten genauso gut in die Umgebung münden, was insbesondere bei den hier nur prinzipmäßig angedeuteten Leckagen im Normalfall auch der Fall sein wird. Nun ist es so, dass auf Basis der von dem Luftmassenstromsensor 9 gemessenen Werte eine exakte Vorhersage des in den Kathodenraum 4 einströmenden Luftmassenstroms aufgrund des beschriebenen Aufbaus, der Leckagen des Systembypass und dergleichen nicht möglich ist. Typischerweise ist daher beabstandet von dem Luftmassenstromsensor 9 in der Luftstrecke ein weiterer Luftmassenstromsensor 18 vorgesehen, welcher in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel als optional zu verstehen ist. Ungeachtet dessen ist es zum sicheren und zuverlässigen Betrieb des Brennstoffzellensystems notwendig, an der mit 19 bezeichneten Stelle, in deren Bereich der Luftmassenstromsensor 18 angeordnet ist, den Luftmassenstrom zu kennen. Neben der aufwändigen und teuren Verwendung von zwei Luftmassenstromsensoren 9, 18 sowie aufgrund der Tatsache, dass im Bereich nach der Luftfördereinrichtung 7 der Luftmassenstromsensor 18 sehr anfällig gegenüber Fehlmessungen und Störungen ist, ist es nun vorgesehen, dass bei dem Verfahren zur Luftversorgung der Brennstoffzelle 2 der Wert des Luftmassenstroms im Bereich der Stelle 19 über eine rechnerische Abschätzung ermittelt wird. Durch diese rechnerische Abschätzung des Werts des Luftmassenstroms im Bereich der Stelle 19 kann so entweder der zweite Luftmassenstromsensor 18 gänzlich eingespart werden, oder, falls dieser dennoch vorhanden ist, lässt sich dieser in seiner Funktionalität überwachen, um so einen eventuellen Ausfall oder eine eventuelle Fehlfunktion schnell, sicher und zuverlässig detektieren zu können. Bis zu einem eventuellen Austausch dieses zweiten Luftmassenstromsensors 18 lässt sich dann der Betrieb des
Brennstoffzellensystems 1 bzw. des Fahrzeugs 5 auf Basis des über die rechnerische Abschätzung ermittelten Werts aufrechterhalten, sodass eine eventuelle Beeinträchtigung des Nutzers des Fahrzeugs 5 begrenzt werden kann.
Die rechnerische Abschätzung erfolgt dabei teilweise über Kennfelder und/oder über eine modellbasierte Simulation, wobei in jedem Fall ohnehin verfügbare Größen wie beispielsweise die Drehzahl N, Drücke P, Temperaturen T und insbesondere die Stellung Y der Ventileinrichtung 14 im Systembypass 13 mitberücksichtigt werden. Unter
Berücksichtigung dieser ohnehin vorhandenen Messwerte und der Abschätzung der nicht regelbaren Leckage beispielsweise anhand eines Betriebspunkts der Brennstoffzelle 2, des insgesamt geförderten Luftmassenstroms, der aktuell von der Brennstoffzelle 2 gelieferten elektrischen Leistung oder dergleichen, lässt sich somit eine sehr sichere und zuverlässige rechnerische Abschätzung des im Bereich der Stelle 19 vorliegenden Luftmassenstroms vornehmen. Hierdurch wird eine sichere und zuverlässige
Funktionalität immer dann gewährleistet, wenn der zweite Luftmassenstromsensor 18 beispielsweise nicht vorhanden ist, ausgefallen ist oder aufgrund von für ihn ungünstigen Betriebsbedingungen der Brennstoffzelle 2 sehr ungenaue und schlechte Messwerte liefert. In diesem Fall ist es auch bei vorhandenem und im Prinzip korrekt
funktionierenden weiteren Luftmassenstromsensor 18 möglich, die Werte der rechnerischen Abschätzung zu verwenden, um den Betrieb der Brennstoffzelle 2 in der gewünschten Art und Weise aufrechtzuerhalten und systembedingte Ungenauigkeiten in der Messung durch den weiteren Luftmassenstromsensor 18 zu eliminieren. Hierdurch wird insgesamt ein sehr sicherer und zuverlässiger Betrieb bei einfachem Aufbau und hoher Lebensdauer der eingesetzten Sensoren 9, 18 erzielt.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Luftversorgung einer Brennstoffzelle (2) mit einer regelbaren
Luftfördereinrichtung (7), welche einen Luftmassenstrom für einen Kathodenraum (4) der Brennstoffzelle (2) liefert, mit wenigstens einem Luftmassenstromsensor (9, 18),
dadurch gekennzeichnet, dass
für wenigstens eine in Strömungsrichtung beabstandet von dem wenigstens einen Luftmassenstromsensor (9) liegende Stelle (19) der Luftstrecke eine rechnerische Abschätzung des dort vorliegenden Luftmassenstroms erfolgt.
2. Verfahren nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
der wenigstens eine (erste) Luftmassenstromsensor (9) in Strömungsrichtung vor der Luftfördereinrichtung (7) angeordnet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
lediglich ein Luftmassenstromsensor (9) verwendet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
im Bereich wenigstens einer der Stellen (19), an der der Luftmassenstrom rechnerisch abgeschätzt wird, ein weiterer Luftmassenstromsensor (18) angeordnet wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, dass
mittels der rechnerischen Abschätzung und des gemessenen Werts des weiteren Luftmassenstromsensors (18) eine Funktionsüberwachung des weiteren
Luftmassenstromsensors (18) erfolgt.
6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
je nach Betriebssituation der Brennstoffzelle (2) der Wert der rechnerischen
Abschätzung oder der gemessene Werte des weiteren Luftmassenstromsensors (18) als Ist-Größe bei der Regelung der Luftversorgung berücksichtigt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 4, 5 oder 6,
dadurch gekennzeichnet, dass
im Falle eines defekten weiteren Luftmassenstromsensors (18) die rechnerische Abschätzung als Ist-Größe bei der Regelung der Luftversorgung berücksichtigt wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, dass
die rechnerische Abschätzung auf Basis von Modellen und/oder Kennfeldern erfolgt.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, dass
in die rechnerische Abschätzung wenigstens eine der nachfolgenden Größen einfließt:
- Drehzahl (N) und/oder Leistungsaufnahme der Luftfördereinrichtung (7);
- Druck (P) und/oder Temperatur (T) an einer oder mehreren Stellen der
Luftstrecke;
- Stellung (Y) von Ventileinrichtung in der Luftstrecke;
- Stellung einer Ventileinrichtung (14) in einem Systembypass (13);
- Umgebungstemperatur;
- Temperatur der Brennstoffzelle (2);
- Zusammensetzung des Luftmassenstroms;
- Betriebszustand und/oder aktuelle elektrische Leistung der Brennstoffzelle (2); - Befeuchtung der Zuluft; und/oder
- Verluste durch Leckagen in der Luftstrecke.
10. Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9 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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