WO2021083579A1 - Method for operating and designing a fuel cell system - Google Patents

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WO2021083579A1
WO2021083579A1 PCT/EP2020/076161 EP2020076161W WO2021083579A1 WO 2021083579 A1 WO2021083579 A1 WO 2021083579A1 EP 2020076161 W EP2020076161 W EP 2020076161W WO 2021083579 A1 WO2021083579 A1 WO 2021083579A1
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gas supply
fuel cell
electrically driven
driven gas
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PCT/EP2020/076161
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Steffen Buhl
Andreas Knoop
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Robert Bosch Gmbh
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Definitions

  • the invention relates to a method for operating a fuel cell system with a fuel cell to which a cathode gas, such as air, is supplied on a cathode inlet side with the aid of an electrically driven gas supply device, which is designed as a fluid flow machine, the working range of which can be represented in a characteristic field, which has a surge limit and has a stuffing limit.
  • a cathode gas such as air
  • the invention also relates to such a fuel cell system.
  • the invention also relates to a method for designing such a fuel cell system.
  • a method for operating a fuel cell system and a fuel cell system are known from German patent specification DE 10 2009 029 837 B4, comprising: a fuel cell stack with an anode inlet and a cathode inlet; an air compressor in fluid communication with the cathode inlet; at least one sensor adapted to measure a pumping indicator for an incipient pumping condition known to precede a pumping event in the pumping compressor, the incipient pumping condition being detected by the mass flow rate and / or the outlet pressure of the Air compressor are monitored for a characteristic fluctuation or vibration, the occurrence of the pumping event is counteracted during the operation of the fuel cell system, aging-related effects are taken into account, such as wear and tear over the service life of the Air compressors that are known to affect a map arrangement of the surge limit.
  • the object of the invention is to increase the service life of a fuel cell system with a fuel cell to which a cathode gas, such as air, is supplied on a cathode inlet side with the aid of an electrically driven gas supply device which is designed as a flow machine, the working range of which can be represented in a characteristic diagram that has a surge limit and has a stuffing limit to extend.
  • a cathode gas such as air
  • the task is in a method for operating a fuel cell system with a fuel cell, to which a cathode gas, such as air, is supplied on a cathode inlet side with the help of an electrically driven gas supply device, which is designed as a flow machine, the working range of which can be represented in a characteristic diagram, which is a surge limit and has a stuffing limit, achieved in that pumping events which are undesirable per se are deliberately allowed during operation of the electrically driven gas supply device in a certain working range of the electrically driven gas supply device beyond the surge limit.
  • a cathode gas such as air
  • a preferred exemplary embodiment of the method is characterized in that an intrinsically undesirable pumping operation of the electrically driven gas supply device beyond the surge limit is deliberately permitted in a lower working range of the electrically driven gas supply device.
  • the term lower working area refers to the map of the electrically driven gas supply device.
  • the characteristics map is, for example, a Cartesian coordinate diagram in which a mass flow through the electrically driven gas supply device is plotted in a suitable unit of measurement on an x-axis.
  • a pressure ratio that is generated with the electrically driven gas supply device when the fuel cell system is in operation is plotted on a y-axis of the characteristic diagram. In the lower area of the map, the pressure ratio and the volume flow are relatively low.
  • Another preferred exemplary embodiment of the method is characterized in that the actually undesirable pumping events during operation of the electrically driven gas supply device are deliberately allowed beyond the pumping limit at a pressure ratio that is less than a critical pressure ratio.
  • the pressure ratio can be recorded relatively easily with any pressure sensors that may already be present. In this way, a measure that can be easily represented in terms of control technology is provided with which the service life of the fuel cell system can be effectively extended.
  • Another preferred exemplary embodiment of the method is characterized in that the inherently undesirable pumping events are not permitted during operation of the electrically driven gas supply device at a pressure ratio that is greater than the critical pressure ratio beyond the surge limit. If the critical pressure ratio is exceeded during the operation of the fuel cell system, then the pumping events that are undesirable in this case can be avoided with conventional measures. For this purpose, for example, the speed of the electric driven gas supply device, can be reduced or a bypass can be opened.
  • Another preferred exemplary embodiment of the method is characterized in that the inherently undesirable pumping events during operation of the electrically driven gas supply device are detected by sensors, in particular acoustically, at a pressure ratio that is greater than the critical pressure ratio.
  • Structure-borne sound sensors for example, can be used for sensor detection.
  • Microphones can be used for acoustic measurements.
  • the current of an electric drive of the electrically driven gas supply device can be measured.
  • Another preferred embodiment of the method is characterized in that the critical pressure ratio is between one and two. In tests and investigations carried out in the context of the present invention, a value of 1.5 for the critical pressure ratio has proven to be advantageous.
  • an electrically driven gas supply device which is designed as a flow machine
  • the working range of which can be represented in a characteristic diagram that has a surge limit and a stuffing limit
  • an axial bearing system of the electrically driven gas supply device is designed to be sufficiently robust with regard to the pumping events of the electrically driven gas supply device that are deliberately permitted according to a previously described method.
  • the axial bearing system advantageously includes a dynamic air bearing.
  • the dynamic air bearing comprises at least one air bearing, also referred to as a film bearing, with which a shaft of the electromotive drive of the gas supply device is axially mounted.
  • the sufficiently robust design therefore advantageously relates in particular to the axial bearing system, because in the case of the deliberately permitted pumping events in the pumping operation, there are strong fluctuations in the electrical operation of the fuel cell system driven gas supply device result in axial forces occurring.
  • the operation of the fuel cell system in particular the electrically driven gas supply device
  • sensors in particular acoustically. Accelerometers can be used for this purpose.
  • the pumping operation in the upper map area can also be reliably detected and avoided.
  • the above-mentioned object is alternatively or additionally achieved in that it is recorded and stored on a test bench in a test bench operation of the fuel cell system when pumping events occur during operation of the electrically driven gas supply device.
  • the recorded and stored values such as the pressure ratio, the speed and the mass flow, which is provided by the electrically driven gas supply device, are recorded and stored in a suitable control device of the test stand. When the fuel cell system is in operation, these values can then be used to identify and evaluate the pumping events.
  • a complex sensor system on the fuel cell system itself can be dispensed with in a cost-effective manner.
  • a preferred exemplary embodiment of the method is characterized in that it is acoustically recorded on the test stand in test stand operation of the fuel cell system when pumping events occur during operation of the electrically driven gas supply device.
  • the pumping events can then be saved together with the measured pressure ratios, mass flows, speeds, etc.
  • the invention optionally also relates to a test stand on which the method for designing the fuel cell system is carried out.
  • the test stand is, for example, with at least one acoustic measuring device equipped to record pumping events in the operation of the fuel cell system.
  • FIG. 1 shows a compressor with a housing in a side view on a test stand which is only indicated schematically;
  • FIG. 2 shows a Cartesian coordinate diagram in which a characteristic map of a gas supply device of a fuel cell system is shown
  • FIG. 3 shows a schematic representation of a fuel cell system with a gas supply device
  • FIG. 4 shows a flow chart to illustrate the claimed method.
  • a fuel cell system 1 is shown schematically in FIG. Fuel cell systems are known per se, for example from the German patent application DE 10 2012 224052 A1.
  • the fuel cell system 1 comprises a fuel cell 3, which is only indicated by a dashed rectangle.
  • the fuel cell 3 comprises at least one stack 2, which is shown with a valve symbol as an alternative.
  • An arrow 4 indicates an air mass flow which is supplied to the fuel cell 3 via an air supply device 5 designed as an air compressor.
  • An arrow 6 indicates a compressed air mass flow 6, from from which a cooling air mass flow 7 is branched off.
  • the cooling air mass flow 7 is also only indicated by an arrow and is part of a cooling air path 19 via which cooling air is supplied to the air compressor 5 via a cooling air inlet 23.
  • the cooling air supplied via the cooling air path 19 is used, for example, to cool air bearings with which a shaft of the air compressor 5 is rotatably mounted.
  • the cooling air mass flow 7 represents a loss in the compressed air mass flow 6, since the branched cooling air mass flow 7 is no longer available in the stack 2 of the fuel cell 3.
  • cooling air mass flow 7 is provided via the air compressor 5 for internal cooling, energy, in particular electrical energy, is necessary to generate it. This energy has a negative effect on the overall efficiency of an electric drive machine of a motor vehicle that is driven via the fuel cell system 1.
  • the remaining air mass flow 6 is supplied to the fuel cell 3 via an air supply line 8.
  • the fuel cell 3 is a galvanic cell which converts the chemical reaction energy of a fuel supplied via a fuel supply line (not shown) and an oxidizing agent into electrical energy.
  • the oxidizing agent is the air that is supplied to the fuel cell 3 via the air supply line 8.
  • the fuel can preferably be hydrogen or methane or methanol. Accordingly, water vapor and carbon dioxide are produced as exhaust gas.
  • the exhaust gas is discharged in the form of an exhaust gas mass flow 10 via an exhaust line 9, as indicated by an arrow 10.
  • the exhaust gas mass flow 10 is discharged via an exhaust gas turbine 11 to an exhaust gas outlet 12, which is indicated by an arrow.
  • the air compressor 5 is arranged in the air supply line 8.
  • the exhaust gas turbine 11 is arranged in the exhaust gas line 9.
  • the air compressor 5 and the exhaust gas turbine 11 are mechanically connected via a shaft.
  • the shaft can be driven electrically by an electric motor 14.
  • the exhaust gas turbine 11 serves to support the electric motor 14 in driving the air compressor 5.
  • the air compressor 5, the exhaust gas turbine 11, the shaft and the electric motor 14 together form a turbo compressor 15, which is also referred to as a turbo machine.
  • the fuel cell system 1 further comprises a bypass line 13 in which a bypass valve 16 is arranged. Via the bypass line 13 with the bypass valve 16, a bypass air mass flow 17 for reducing the pressure can be discharged from the air supply line 8, bypassing the stack 2 of the fuel cell 3, into the exhaust line 9. This is advantageous, for example, in order to bring about a pressure reduction in the air mass flow supplied to the fuel cell 3 via the air supply line 8.
  • the fuel cell system 1 further comprises an intercooler 18, which is indicated by a dashed rectangle.
  • the main task of the intercooler is to cool the air for the fuel cell 3.
  • a secondary task of the intercooler 18 is to cool the compressed air mass flow 6 before the cooling air mass flow 7 is branched off via the cooling air path 19.
  • the air supply device 5 is also generally referred to as a gas supply device 5.
  • the compressed air mass flow 6 is fed to the fuel cell 3 via the air feed line 8 on a cathode side 20 as cathode gas 21.
  • FIG. 1 an embodiment of a compressor is shown in a side view.
  • the compressor 30, which is also referred to as a compressor, comprises a housing 31 in which a shaft 32, also referred to as a rotor, for example a compressor shaft 32, is rotatably mounted. Air is conveyed into a fuel stack of a fuel cell system via the compressor 30, as shown in FIG.
  • the housing 31 of the compressor 30 comprises a housing volume 35.
  • a structure-borne sound sensor 33 is attached to the housing volume 35.
  • the Structure-borne sound sensor 33 is connected to a controller 34 via a control line indicated by dashed lines.
  • a test stand 37 with a control unit 38 is indicated schematically in FIG.
  • the test stand 37 is arranged in a stationary manner on a floor 39.
  • the shaft 32 is rotatably mounted with the aid of an axial bearing system 29.
  • the axial bearing system 29 comprises at least one air bearing, also referred to as a foil bearing.
  • the shaft 32 is supported radially in the housing 31 with the aid of bearings, which are also preferably designed as foil bearings or air bearings.
  • FIG. 41 A Cartesian coordinate diagram with an x-axis 41 and a y-axis 42 is shown in FIG. On the x-axis 41, a pressure ratio is shown, which in the fuel cell system 1 with the gas supply device 5; 30 is provided. An associated mass flow in a suitable unit of measurement is plotted on the x-axis 41.
  • a line 43 represents a surge limit of the radial compressor.
  • a curve 44 represents a stuffing limit of the radial compressor.
  • curves 45 represent lines with constant speed, the curve denoted by the reference symbol 45 representing a maximum permissible speed during operation of the centrifugal compressor. Islands 46 with a constant efficiency are shown in the map 40.
  • the maximum mass flow of a centrifugal compressor is usually limited by the cross section at the compressor inlet. If the air in the compressor inlet reaches the speed of sound, no further increase in throughput is possible. This is also referred to as the stuffing limit 44.
  • the surge limit 43 limits the left edge of the characteristic diagram 40. If the volume flows are too small and the pressure conditions are too high, the flow is released from the compressor blades. This interrupts the delivery process. The air flows backwards through the compressor until it is back in sets a stable pressure ratio with positive volume flow. The pressure builds up again. The process is repeated in quick succession. The name pumps is derived from the resulting noise.
  • Dynamic air bearings require a minimum speed for their function. Only at speeds in the order of about twenty thousand revolutions per minute is a sufficiently stable air cushion formed to bear the weight of the compressor's rotor on the one hand and to compensate for accelerations, for example due to a rough road excitation, on the other. In the characteristic diagram 40 in FIG. 2, this relationship is emphasized by a point which represents a lower working range of the compressor.
  • a fuel cell system operated in this way will dry out because the air supplied removes more water than is generated by the electrochemical reaction in the fuel cell. This has two negative effects.
  • the water-dependent proton transport through the membrane of the fuel cell is worsened and the aging of the fuel cell is increased.
  • the existing axial bearing system (29 in FIG. 1) must be designed to be sufficiently robust because there are strong fluctuations in the axial forces during pumping.
  • a microphone can also be used to detect pumping. Another possibility is to evaluate the required current on the electric motor drive of the compressor. The pumping operation generates torque fluctuations that can be measured as current fluctuations.
  • a critical speed ratio DK is given in FIG.
  • the critical pressure ratio DK is about 1.5. Below the critical pressure ratio DK, inherently undesirable pumping events are permitted during operation of the electrically driven gas supply device. The then undesired pumping events are prevented above the critical pressure ratio DK.
  • FIG. 4 shows a corresponding flow chart with rectangles 51 to 53, a rhombus 54 and arrows 55 to 58.
  • Rectangle 51 symbolizes the operation of the fuel cell system.
  • Rectangle 52 shows that a check is carried out during operation of the fuel cell system to determine whether pumping events are occurring.
  • a prepump limit detection can be carried out in the rectangle 53.
  • Appropriate control electronics prevent the
  • Pre-pump limit detection a further increase in the compressor speed.
  • the compressor speed can be reduced when the compressor is in operation, if the pre-pumping limit detection hits or the bypass 16 is opened.

Abstract

The invention relates to a method for operating a fuel cell system with a fuel cell, to which a cathode gas, such as air, is supplied on a cathode inlet side by means of an electrically powered gas supply device (30) which is designed as a turbomachine, the working range of which can be represented in a characteristic field which has a surge line and a choke line. In order to extend the service life of the fuel cell system, surge events which are intrinsically undesirable during operation of the electrically powered gas supply device (30) are deliberately permitted in a specific working range of the electrically powered gas supply device (30) beyond the surge line.

Description

Beschreibung description
Titel title
Verfahren zum Betreiben und zum Auslesen eines Brennstoffzellensystems Method for operating and reading out a fuel cell system
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems mit einer Brennstoffzelle, der auf einer Kathodeneingangsseite ein Kathodengas, wie Luft, mit Hilfe einer elektrisch angetriebenen Gaszuführeinrichtung zugeführt wird, die als Strömungsmaschine ausgeführt ist, deren Arbeitsbereich in einem Kennfeld darstellbar ist, das eine Pumpgrenze und eine Stopfgrenze aufweist.The invention relates to a method for operating a fuel cell system with a fuel cell to which a cathode gas, such as air, is supplied on a cathode inlet side with the aid of an electrically driven gas supply device, which is designed as a fluid flow machine, the working range of which can be represented in a characteristic field, which has a surge limit and has a stuffing limit.
Die Erfindung betrifft des Weiteren ein derartiges Brennstoffzellensystem. Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Verfahren zum Auslegen eines derartigen Brennstoffzellensystems. The invention also relates to such a fuel cell system. The invention also relates to a method for designing such a fuel cell system.
Stand der Technik State of the art
Aus der deutschen Patentschrift DE 10 2009 029 837 B4 sind eine Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems und ein Brennstoffzellensystem bekannt, umfassend: Einen Brennstoffzellenstapel mit einem Anodeneinlass und einem Kathodeneinlass; einen Luftkompressor in Fluidkommunikation mit dem Kathodeneinlass; zumindest einen Sensor, der derart angepasst ist, um einen Pumpindikator für einen beginnenden Pumpzustand zu messen, von dem bekannt ist, dass er einem Pumpereignis in dem Pumpkompressor vorausgeht, wobei der beginnende Pumpzustand dadurch erfasst wird, dass der Massendurchfluss und/oder der Auslassdruck des Luftkompressors für eine charakteristische Schwankung oder Schwingung überwacht werden, wobei dem Auftreten des Pumpereignisses während des Betriebs des Brennstoffzellensystems entgegengewirkt wird, wobei alterungsbezogene Effekte berücksichtigt werden, wie eine Abnutzung über die Lebensdauer des Luftkompressors, von denen bekannt ist, dass sie eine Kennfeldanordnung der Pumpgrenze beeinträchtigen. A method for operating a fuel cell system and a fuel cell system are known from German patent specification DE 10 2009 029 837 B4, comprising: a fuel cell stack with an anode inlet and a cathode inlet; an air compressor in fluid communication with the cathode inlet; at least one sensor adapted to measure a pumping indicator for an incipient pumping condition known to precede a pumping event in the pumping compressor, the incipient pumping condition being detected by the mass flow rate and / or the outlet pressure of the Air compressor are monitored for a characteristic fluctuation or vibration, the occurrence of the pumping event is counteracted during the operation of the fuel cell system, aging-related effects are taken into account, such as wear and tear over the service life of the Air compressors that are known to affect a map arrangement of the surge limit.
Offenbarung der Erfindung Disclosure of the invention
Aufgabe der Erfindung ist es, die Lebensdauer eines Brennstoffzellensystems mit einer Brennstoffzelle, der auf einer Kathodeneingangsseite ein Kathodengas, wie Luft, mit Hilfe einer elektrisch angetriebenen Gaszuführeinrichtung zugeführt wird, die als Strömungsmaschine ausgeführt ist, deren Arbeitsbereich in einem Kennfeld darstellbar ist, das eine Pumpgrenze und eine Stopfgrenze aufweist, zu verlängern. The object of the invention is to increase the service life of a fuel cell system with a fuel cell to which a cathode gas, such as air, is supplied on a cathode inlet side with the aid of an electrically driven gas supply device which is designed as a flow machine, the working range of which can be represented in a characteristic diagram that has a surge limit and has a stuffing limit to extend.
Die Aufgabe ist bei einem Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems mit einer Brennstoffzelle, der auf einer Kathodeneingangsseite ein Kathodengas, wie Luft, mit Hilfe einer elektrisch angetriebenen Gaszuführeinrichtung zugeführt wird, die als Strömungsmaschine ausgeführt ist, deren Arbeitsbereich in einem Kennfeld darstellbar ist, das eine Pumpgrenze und eine Stopfgrenze aufweist, dadurch gelöst, dass an sich unerwünschte Pumpereignisse im Betrieb der elektrisch angetriebenen Gaszuführeinrichtung in einem bestimmten Arbeitsbereich der elektrisch angetriebenen Gaszuführeinrichtung jenseits der Pumpgrenze bewusst zugelassen werden. Hierbei wird eine weit verbreitete Ansicht, wie sie zum Beispiel in der eingangs gewürdigten deutschen Patentschrift DE 102009 029 837 B4 beschrieben ist, wonach dem Auftreten von Pumpereignissen während des Betriebs des Brennstoffzellensystems entgegenzuwirken ist, entgegengetreten. Bei im Rahmen der Erfindung durchgeführten Versuchen und Untersuchungen wurde herausgefunden, dass in einem bestimmten Arbeitsbereich der elektrisch angetriebenen Gaszuführeinrichtung an sich unerwünschte Pumpereignisse nicht unbedingt zu einer Schädigung des Brennstoffzellensystems, insbesondere der elektrisch angetriebenen Gaszuführeinrichtung, führen. Durch dieses bewusste Zulassen der Pumpereignisse kann in einem Idle-Betrieb oder Leerlaufbetrieb des Brennstoffzellensystems vorteilhaft erweitert werden, dass genau die Kathodengasmenge, insbesondere Luft, mit der Gaszuführeinrichtung gefördert wird, die für die elektrochemische Reaktion in der Brennstoffzelle notwendig ist. Dadurch wiederum kann ein unerwünschtes Austrocknen durch zuviel geförderte Luft des Brennstoffzellensystems verhindert werden. Das wiederum verlangsamt die Alterung der Brennstoffzelle. The task is in a method for operating a fuel cell system with a fuel cell, to which a cathode gas, such as air, is supplied on a cathode inlet side with the help of an electrically driven gas supply device, which is designed as a flow machine, the working range of which can be represented in a characteristic diagram, which is a surge limit and has a stuffing limit, achieved in that pumping events which are undesirable per se are deliberately allowed during operation of the electrically driven gas supply device in a certain working range of the electrically driven gas supply device beyond the surge limit. Here, a widespread view, as described for example in the German patent DE 102009 029 837 B4 recognized at the outset, according to which the occurrence of pumping events during the operation of the fuel cell system is to be counteracted, is countered. In tests and investigations carried out within the scope of the invention, it was found that in a certain working area of the electrically driven gas supply device, undesired pumping events per se do not necessarily lead to damage to the fuel cell system, in particular the electrically driven gas supply device. By deliberately allowing the pumping events in idle operation or idle operation of the fuel cell system, it can be advantageously extended that precisely the amount of cathode gas, in particular air, is conveyed with the gas supply device that is necessary for the electrochemical reaction in the fuel cell. This in turn can prevent undesired drying out due to too much air being conveyed from the fuel cell system. This in turn slows down the aging of the fuel cell.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass ein an sich unerwünschter Pumpbetrieb der elektrisch angetriebenen Gaszuführeinrichtung jenseits der Pumpgrenze in einem unteren Arbeitsbereich der elektrisch angetriebenen Gaszuführeinrichtung bewusst zugelassen wird. Der Begriff unterer Arbeitsbereich bezieht sich auf das Kennfeld der elektrisch angetriebenen Gaszuführeinrichtung. Bei dem Kennfeld handelt es sich zum Beispiel um ein kartesisches Koordinatendiagramm, in welchem auf einer x-Achse ein Massenstrom durch die elektrisch angetriebene Gaszuführeinrichtung in einer geeigneten Maßeinheit aufgetragen ist. Auf einer y-Achse des Kennfelds ist zum Beispiel ein Druckverhältnis aufgetragen, das mit der elektrisch angetriebenen Gaszuführeinrichtung im Betrieb des Brennstoffzellensystems erzeugt wird. In dem unteren Bereich des Kennfelds sind das Druckverhältnis und der Volumenstrom relativ gering. A preferred exemplary embodiment of the method is characterized in that an intrinsically undesirable pumping operation of the electrically driven gas supply device beyond the surge limit is deliberately permitted in a lower working range of the electrically driven gas supply device. The term lower working area refers to the map of the electrically driven gas supply device. The characteristics map is, for example, a Cartesian coordinate diagram in which a mass flow through the electrically driven gas supply device is plotted in a suitable unit of measurement on an x-axis. For example, a pressure ratio that is generated with the electrically driven gas supply device when the fuel cell system is in operation is plotted on a y-axis of the characteristic diagram. In the lower area of the map, the pressure ratio and the volume flow are relatively low.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass die an sich unerwünschten Pumpereignisse im Betrieb der elektrisch angetriebenen Gaszuführeinrichtung bei einem Druckverhältnis, das kleiner als ein kritisches Druckverhältnis ist, jenseits der Pumpgrenze bewusst zugelassen werden. Das Druckverhältnis kann relativ einfach mit gegebenenfalls bereits vorhandenen Drucksensoren erfasst werden. So wird eine regelungstechnisch einfach darstellbare Maßnahme bereitgestellt, mit der die Lebensdauer des Brennstoffzellensystems wirksam verlängert werden kann. Another preferred exemplary embodiment of the method is characterized in that the actually undesirable pumping events during operation of the electrically driven gas supply device are deliberately allowed beyond the pumping limit at a pressure ratio that is less than a critical pressure ratio. The pressure ratio can be recorded relatively easily with any pressure sensors that may already be present. In this way, a measure that can be easily represented in terms of control technology is provided with which the service life of the fuel cell system can be effectively extended.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass die an sich unerwünschten Pumpereignisse im Betrieb der elektrisch angetriebenen Gaszuführeinrichtung bei einem Druckverhältnis, das größer als das kritische Druckverhältnis ist, jenseits der Pumpgrenze nicht zugelassen werden. Wenn das kritische Druckverhältnis im Betrieb des Brennstoffzellensystems überschritten wird, dann können die in diesem Fall unerwünschten Pumpereignisse mit herkömmlichen Maßnahmen vermieden werden. Zu diesem Zweck kann zum Beispiel die Drehzahl der elektrisch angetriebenen Gaszuführeinrichtung, reduziert werden oder ein Bypass geöffnet werden. Another preferred exemplary embodiment of the method is characterized in that the inherently undesirable pumping events are not permitted during operation of the electrically driven gas supply device at a pressure ratio that is greater than the critical pressure ratio beyond the surge limit. If the critical pressure ratio is exceeded during the operation of the fuel cell system, then the pumping events that are undesirable in this case can be avoided with conventional measures. For this purpose, for example, the speed of the electric driven gas supply device, can be reduced or a bypass can be opened.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass die an sich unerwünschten Pumpereignisse im Betrieb der elektrisch angetriebenen Gaszuführeinrichtung bei einem Druckverhältnis, das größer als das kritische Druckverhältnis ist, sensorisch, insbesondere akustisch, erfasst werden. Zur sensorischen Erfassung können zum Beispiel Körperschallsensoren verwendet werden. Zu akustischen Messungen können Mikrophone verwendet werden. Alternativ oder zusätzlich kann der Strom eines elektrischen Antriebs der elektrisch angetriebenen Gaszuführeinrichtung gemessen werden. Another preferred exemplary embodiment of the method is characterized in that the inherently undesirable pumping events during operation of the electrically driven gas supply device are detected by sensors, in particular acoustically, at a pressure ratio that is greater than the critical pressure ratio. Structure-borne sound sensors, for example, can be used for sensor detection. Microphones can be used for acoustic measurements. Alternatively or additionally, the current of an electric drive of the electrically driven gas supply device can be measured.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass das kritische Druckverhältnis zwischen eins und zwei liegt. Bei im Rahmen der vorliegenden Erfindung durchgeführten Versuchen und Untersuchungen hat sich ein Wert von 1,5 für das kritische Druckverhältnis als vorteilhaft erwiesen. Another preferred embodiment of the method is characterized in that the critical pressure ratio is between one and two. In tests and investigations carried out in the context of the present invention, a value of 1.5 for the critical pressure ratio has proven to be advantageous.
Bei einem Brennstoffzellensystem mit einer Brennstoffzelle, der auf einer Kathodeneingangsseite ein Kathodengas, wie Luft, mit Hilfe einer elektrisch angetriebenen Gaszuführeinrichtung zugeführt wird, die als Strömungsmaschine ausgeführt ist, deren Arbeitsbereich in einem Kennfeld darstellbar ist, das eine Pumpgrenze und eine Stopfgrenze aufweist, ist die oben angegebene Aufgabe alternativ oder zusätzlich dadurch gelöst, dass ein Axiallagersystem der elektrisch angetriebenen Gaszuführeinrichtung im Hinblick auf die gemäß einem vorab beschriebenen Verfahren bewusst zugelassenen Pumpereignisse der elektrisch angetriebenen Gaszuführeinrichtung ausreichend robust ausgelegt ist. Das Axial lagersystem umfasst vorteilhaft eine dynamische Luftlagerung. Die dynamische Luftlagerung umfasst mindestens ein auch als Folienlager bezeichnetes Luftlager, mit dem eine Welle des elektromotorischen Antriebs der Gaszuführeinrichtung axial gelagert ist. Die ausreichend robuste Auslegung bezieht sich vorteilhaft deshalb insbesondere auf das Axial lagersystem, weil bei den bewusst zugelassenen Pumpereignissen im pumpendem Betrieb starke Fluktuationen der im Betrieb des Brennstoffzellensystems in der elektrisch angetriebenen Gaszuführeinrichtung auftretenden Axialkräfte ergeben. Beim pumpenden Betrieb wird darüber hinaus besonders vorteilhaft darauf geachtet, dass sich eventuell ergebende akustische Effekte nicht negativ auswirken. Das bedeutet insbesondere, dass die akustischen Effekte nicht für einen Fahrzeugnutzer hörbar sein dürfen. Zu diesem Zweck kann der Betrieb des Brennstoffzellensystems, insbesondere der elektrisch angetriebenen Gaszuführeinrichtung, sensorisch, insbesondere akustisch, überwacht werden. Zu diesem Zweck können Beschleunigungssensoren verwendet werden. Mit dieser Methode kann auch der pumpende Betrieb in dem oberen Kennfeldbereich sicher detektiert und vermieden werden. In a fuel cell system with a fuel cell to which a cathode gas, such as air, is supplied on a cathode inlet side with the help of an electrically driven gas supply device, which is designed as a flow machine, the working range of which can be represented in a characteristic diagram that has a surge limit and a stuffing limit The above-mentioned object is alternatively or additionally achieved in that an axial bearing system of the electrically driven gas supply device is designed to be sufficiently robust with regard to the pumping events of the electrically driven gas supply device that are deliberately permitted according to a previously described method. The axial bearing system advantageously includes a dynamic air bearing. The dynamic air bearing comprises at least one air bearing, also referred to as a film bearing, with which a shaft of the electromotive drive of the gas supply device is axially mounted. The sufficiently robust design therefore advantageously relates in particular to the axial bearing system, because in the case of the deliberately permitted pumping events in the pumping operation, there are strong fluctuations in the electrical operation of the fuel cell system driven gas supply device result in axial forces occurring. In the pumping operation, it is also particularly advantageous to ensure that any acoustic effects that may result do not have a negative effect. This means in particular that the acoustic effects must not be audible to a vehicle user. For this purpose, the operation of the fuel cell system, in particular the electrically driven gas supply device, can be monitored by sensors, in particular acoustically. Accelerometers can be used for this purpose. With this method, the pumping operation in the upper map area can also be reliably detected and avoided.
Bei einem Verfahren zum Auslegen eines vorab beschriebenen Brennstoffzellensystems, ist die oben angegebene Aufgabe alternativ oder zusätzlich dadurch gelöst, dass auf einem Prüfstand in einem Prüfstandsbetrieb des Brennstoffzellensystems erfasst und gespeichert wird, wann im Betrieb der elektrisch angetriebenen Gaszuführeinrichtung Pumpereignisse auftreten. Die erfassten und gespeicherten Werte, wie das Druckverhältnis, die Drehzahl und der Massenstrom, der mit der elektrisch angetriebenen Gaszuführeinrichtung bereitgestellt wird, werden in einem geeigneten Steuergerät des Prüfstands erfasst und gespeichert. Im Betrieb des Brennstoffzellensystems können diese Werte dann verwendet werden, um die Pumpereignisse zu erkennen und zu bewerten. Eine aufwendige Sensorik am Brennstoffzellensystem selbst kann kostengünstig entfallen. In a method for designing a fuel cell system described above, the above-mentioned object is alternatively or additionally achieved in that it is recorded and stored on a test bench in a test bench operation of the fuel cell system when pumping events occur during operation of the electrically driven gas supply device. The recorded and stored values, such as the pressure ratio, the speed and the mass flow, which is provided by the electrically driven gas supply device, are recorded and stored in a suitable control device of the test stand. When the fuel cell system is in operation, these values can then be used to identify and evaluate the pumping events. A complex sensor system on the fuel cell system itself can be dispensed with in a cost-effective manner.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Prüfstand im Prüfstandsbetrieb des Brennstoffzellensystems akustisch erfasst wird, wann im Betrieb der elektrisch angetriebenen Gaszuführeinrichtung Pumpereignisse auftreten. Die Pumpereignisse können dann zusammen mit den gemessenen Druckverhältnissen, Massenströmen, Drehzahlen et cetera gespeichert werden. A preferred exemplary embodiment of the method is characterized in that it is acoustically recorded on the test stand in test stand operation of the fuel cell system when pumping events occur during operation of the electrically driven gas supply device. The pumping events can then be saved together with the measured pressure ratios, mass flows, speeds, etc.
Die Erfindung betrifft gegebenenfalls auch einen Prüfstand, auf dem das Verfahren zum Auslegen des Brennstoffzellensystems ausgeführt wird. Der Prüfstand ist zum Beispiel mit mindestens einer akustischen Messeinrichtung ausgestattet, um Pumpereignisse im Betrieb des Brennstoffzellensystems zu erfassen. The invention optionally also relates to a test stand on which the method for designing the fuel cell system is carried out. The test stand is, for example, with at least one acoustic measuring device equipped to record pumping events in the operation of the fuel cell system.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung verschiedene Ausführungsbeispiele im Einzelnen beschrieben sind. Further advantages, features and details of the invention emerge from the following description, in which various exemplary embodiments are described in detail with reference to the drawing.
Kurze Beschreibung der Zeichnung Brief description of the drawing
Es zeigen: Show it:
Figur 1 einen Verdichter mit einem Gehäuse in einer Seitenansicht auf einem schematisch nur angedeuteten Prüfstand; FIG. 1 shows a compressor with a housing in a side view on a test stand which is only indicated schematically;
Figur 2 ein kartesisches Koordinatendiagramm, in welchem ein Kennfeld einer Gaszuführeinrichtung eines Brennstoffzellensystems dargestellt ist; FIG. 2 shows a Cartesian coordinate diagram in which a characteristic map of a gas supply device of a fuel cell system is shown;
Figur 3 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems mit einer Gaszuführeinrichtung; und FIG. 3 shows a schematic representation of a fuel cell system with a gas supply device; and
Figur 4 ein Ablaufdiagramm zur Veranschaulichung des beanspruchten Verfahrens. FIG. 4 shows a flow chart to illustrate the claimed method.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele Description of the exemplary embodiments
In Figur 3 ist ein Brennstoffzellensystem 1 schematisch dargestellt. Brennstoffzellensysteme an sich sind bekannt, zum Beispiel aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 10 2012 224052 Al. Das Brennstoffzellensystem 1 umfasst eine Brennstoffzelle 3, die nur durch ein gestricheltes Rechteck angedeutet ist. Die Brennstoffzelle 3 umfasst mindestens einen Stack 2, der ersatzweise mit einem Ventilsymbol dargestellt ist. A fuel cell system 1 is shown schematically in FIG. Fuel cell systems are known per se, for example from the German patent application DE 10 2012 224052 A1. The fuel cell system 1 comprises a fuel cell 3, which is only indicated by a dashed rectangle. The fuel cell 3 comprises at least one stack 2, which is shown with a valve symbol as an alternative.
Durch einen Pfeil 4 ist ein Luftmassenstrom angedeutet, der über eine als Luftverdichter ausgeführte Luftzuführvorrichtung 5 der Brennstoffzelle 3 zugeführt wird. Durch einen Pfeil 6 ist ein verdichteter Luftmassenstrom 6 angedeutet, von dem ein Kühlluftmassenstrom 7 abgezweigt wird. Der Kühlluftmassenstrom 7 ist ebenfalls nur durch einen Pfeil angedeutet und ist Teil eines Kühlluftpfades 19, über welchen dem Luftverdichter 5 über einen Kühllufteintritt 23 Kühlluft zugeführt wird. An arrow 4 indicates an air mass flow which is supplied to the fuel cell 3 via an air supply device 5 designed as an air compressor. An arrow 6 indicates a compressed air mass flow 6, from from which a cooling air mass flow 7 is branched off. The cooling air mass flow 7 is also only indicated by an arrow and is part of a cooling air path 19 via which cooling air is supplied to the air compressor 5 via a cooling air inlet 23.
Die über den Kühlluftpfad 19 zugeführte Kühlluft dient zum Beispiel zur Kühlung von Luftlagern, mit denen eine Welle des Luftverdichters 5 drehbar gelagert ist. Der Kühlluftmassenstrom 7 stellt einen Verlust im verdichteten Luftmassenstrom 6 dar, da der abgezweigte Kühlluftmassenstrom 7 nicht mehr im Stack 2 der Brennstoffzelle 3 verfügbar ist. The cooling air supplied via the cooling air path 19 is used, for example, to cool air bearings with which a shaft of the air compressor 5 is rotatably mounted. The cooling air mass flow 7 represents a loss in the compressed air mass flow 6, since the branched cooling air mass flow 7 is no longer available in the stack 2 of the fuel cell 3.
Da der Kühlluftmassenstrom 7 über den Luftverdichter 5 zur internen Kühlung bereitgestellt wird, ist Energie, insbesondere elektrische Energie, notwendig, um ihn zu erzeugen. Diese Energie wirkt sich negativ auf den Gesamtwirkungsgrad einer elektrischen Antriebsmaschine eines Kraftfahrzeugs aus, das über das Brennstoffzellensystem 1 angetrieben wird. Since the cooling air mass flow 7 is provided via the air compressor 5 for internal cooling, energy, in particular electrical energy, is necessary to generate it. This energy has a negative effect on the overall efficiency of an electric drive machine of a motor vehicle that is driven via the fuel cell system 1.
Der verbleibende Luftmassenstrom 6 wird über eine Luftzuführleitung 8 der Brennstoffzelle 3 zugeführt. Die Brennstoffzelle 3 ist eine galvanische Zelle, die chemische Reaktionsenergie eines über eine nicht gezeigte Brennstoffzuführungsleitung zugeführten Brennstoffs und eines Oxidationsmittels in elektrische Energie wandelt. The remaining air mass flow 6 is supplied to the fuel cell 3 via an air supply line 8. The fuel cell 3 is a galvanic cell which converts the chemical reaction energy of a fuel supplied via a fuel supply line (not shown) and an oxidizing agent into electrical energy.
Das Oxidationsmittel ist die Luft, die über die Luftzuführleitung 8 der Brennstoffzelle 3 zugeführt wird. Der Brennstoff kann vorzugsweise Wasserstoff oder Methan oder Methanol sein. Entsprechend entsteht als Abgas Wasserdampf und Kohlendioxid. Das Abgas wird in Form eines Abgasmassenstroms 10 über eine Abgasleitung 9 abgeführt, wie durch einen Pfeil 10 angedeutet ist. The oxidizing agent is the air that is supplied to the fuel cell 3 via the air supply line 8. The fuel can preferably be hydrogen or methane or methanol. Accordingly, water vapor and carbon dioxide are produced as exhaust gas. The exhaust gas is discharged in the form of an exhaust gas mass flow 10 via an exhaust line 9, as indicated by an arrow 10.
Der Abgasmassenstrom 10 wird über eine Abgasturbine 11 zu einem Abgasaustritt 12 abgeführt, der durch einen Pfeil angedeutet ist. Der Luftverdichter 5 ist in der Luftzuführleitung 8 angeordnet. Die Abgasturbine 11 ist in der Abgasleitung 9 angeordnet. Der Luftverdichter 5 und die Abgasturbine 11 sind über eine Welle mechanisch verbunden. Die Welle ist durch einen Elektromotor 14 elektrisch antreibbar. Die Abgasturbine 11 dient der Unterstützung des Elektromotors 14 beim Antreiben des Luftverdichters 5. Der Luftverdichter 5, die Abgasturbine 11, die Welle und der Elektromotor 14 bilden zusammen einen Turboverdichter 15, der auch als Turbomaschine bezeichnet wird. The exhaust gas mass flow 10 is discharged via an exhaust gas turbine 11 to an exhaust gas outlet 12, which is indicated by an arrow. The air compressor 5 is arranged in the air supply line 8. The exhaust gas turbine 11 is arranged in the exhaust gas line 9. The air compressor 5 and the exhaust gas turbine 11 are mechanically connected via a shaft. The shaft can be driven electrically by an electric motor 14. The exhaust gas turbine 11 serves to support the electric motor 14 in driving the air compressor 5. The air compressor 5, the exhaust gas turbine 11, the shaft and the electric motor 14 together form a turbo compressor 15, which is also referred to as a turbo machine.
Das Brennstoffzellensystem 1 umfasst des Weiteren eine Bypassleitung 13, in der ein Bypassventil 16 angeordnet ist. Über die Bypassleitung 13 mit dem Bypassventil 16 kann ein Bypassluftmassenstrom 17 zur Druckabsenkung von der Luftzuführleitung 8 unter Umgehung des Stacks 2 der Brennstoffzelle 3 in die Abgasleitung 9 abgeführt werden. Das ist zum Beispiel vorteilhaft, um eine Druckabsenkung in dem über die Luftzuführleitung 8 der Brennstoffzelle 3 zugeführten Luftmassenstrom zu bewirken. The fuel cell system 1 further comprises a bypass line 13 in which a bypass valve 16 is arranged. Via the bypass line 13 with the bypass valve 16, a bypass air mass flow 17 for reducing the pressure can be discharged from the air supply line 8, bypassing the stack 2 of the fuel cell 3, into the exhaust line 9. This is advantageous, for example, in order to bring about a pressure reduction in the air mass flow supplied to the fuel cell 3 via the air supply line 8.
Das Brennstoffzellensystem 1 umfasst des Weiteren einen Zwischenkühler 18, der durch ein gestricheltes Rechteck angedeutet ist. Hauptaufgabe des Zwischenkühlers ist die Kühlung der Luft für die Brennstoffzelle 3. Nebenaufgabe des Zwischenkühlers 18 ist, den verdichteten Luftmassenstrom 6 zu kühlen, bevor der Kühlluftmassenstrom 7 über den Kühlluftpfad 19 abgezweigt wird. The fuel cell system 1 further comprises an intercooler 18, which is indicated by a dashed rectangle. The main task of the intercooler is to cool the air for the fuel cell 3. A secondary task of the intercooler 18 is to cool the compressed air mass flow 6 before the cooling air mass flow 7 is branched off via the cooling air path 19.
Die Luftzuführvorrichtung 5 wird verallgemeinert auch als Gaszuführeinrichtung 5 bezeichnet. Der verdichtete Luftmassenstrom 6 wird der Brennstoffzelle 3 über die Luftzuführleitung 8 auf einer Kathodenseite 20 als Kathodengas 21 zugeführt. The air supply device 5 is also generally referred to as a gas supply device 5. The compressed air mass flow 6 is fed to the fuel cell 3 via the air feed line 8 on a cathode side 20 as cathode gas 21.
In Figur 1 ist ein Ausführungsbeispiel eines Verdichters in einer Seitenansicht dargestellt. Der Verdichter 30, der auch als Kompressor bezeichnet wird, umfasst ein Gehäuse 31, in welchem eine auch als Rotor bezeichnete Welle 32, beispielsweise eine Kompressorwelle 32, drehbar gelagert ist. Über den Verdichter oder Kompressor 30 wird Luft in einen Brennstoffstapel eines Brennstoffzellensystems gefördert, wie es in Figur 3 dargestellt ist. In Figure 1, an embodiment of a compressor is shown in a side view. The compressor 30, which is also referred to as a compressor, comprises a housing 31 in which a shaft 32, also referred to as a rotor, for example a compressor shaft 32, is rotatably mounted. Air is conveyed into a fuel stack of a fuel cell system via the compressor 30, as shown in FIG.
Das Gehäuse 31 des Verdichters 30 umfasst eine Gehäusevolute 35. An der Gehäusevolute 35 ist ein Körperschallsensor 33 angebracht. Der Körperschallsensor 33 ist über eine gestrichelt angedeutete Steuerleitung mit einer Steuerung 34 verbunden. The housing 31 of the compressor 30 comprises a housing volume 35. A structure-borne sound sensor 33 is attached to the housing volume 35. The Structure-borne sound sensor 33 is connected to a controller 34 via a control line indicated by dashed lines.
In Figur 1 ist schematisch ein Prüfstand 37 mit einem Steuergerät 38 angedeutet. Der Prüfstand 37 ist stationär auf einem Boden 39 angeordnet. Die Welle 32 ist mit Hilfe eines Axial lagersystems 29 drehbar gelagert. Das Axiallagersystem 29 umfasst mindestens ein auch als Folienlager bezeichnetes Luftlager. Darüber hinaus ist die Welle 32 mit Hilfe von vorzugsweise ebenfalls als Folienlager oder Luftlager ausgeführten Lagern radial in dem Gehäuse 31 gelagert. A test stand 37 with a control unit 38 is indicated schematically in FIG. The test stand 37 is arranged in a stationary manner on a floor 39. The shaft 32 is rotatably mounted with the aid of an axial bearing system 29. The axial bearing system 29 comprises at least one air bearing, also referred to as a foil bearing. In addition, the shaft 32 is supported radially in the housing 31 with the aid of bearings, which are also preferably designed as foil bearings or air bearings.
In Figur 2 ist ein kartesisches Koordinatendiagramm mit einer x-Achse 41 und einer y-Achse 42 dargestellt. Auf der x-Achse 41 ist ein Druckverhältnis dargestellt, das in dem Brennstoffzellensystem 1 mit der Gaszuführeinrichtung 5; 30 bereitgestellt wird. Auf der x-Achse 41 ist ein zugehöriger Massenstrom in einer geeigneten Maßeinheit aufgetragen. A Cartesian coordinate diagram with an x-axis 41 and a y-axis 42 is shown in FIG. On the x-axis 41, a pressure ratio is shown, which in the fuel cell system 1 with the gas supply device 5; 30 is provided. An associated mass flow in a suitable unit of measurement is plotted on the x-axis 41.
In dem kartesischen Koordinatendiagramm ist ein Kennfeld 40 der vorzugsweise als Radialverdichter ausgeführten Gaszuführeinrichtung 5; 30 dargestellt. In dem Kennfeld 40 stellt eine Linie 43 eine Pumpgrenze des Radialverdichters dar. Eine Kurve 44 stellt eine Stopfgrenze des Radialverdichters dar. In the Cartesian coordinate diagram, a characteristic map 40 of the gas supply device 5, which is preferably designed as a radial compressor; 30 shown. In the characteristics map 40, a line 43 represents a surge limit of the radial compressor. A curve 44 represents a stuffing limit of the radial compressor.
Weitere Kurven 45 stellen Linien mit konstanter Drehzahl dar, wobei die mit dem Bezugszeichen 45 bezeichnete Kurve eine maximal zulässige Drehzahl im Betrieb des Radialverdichters darstellt. In dem Kennfeld 40 sind Inseln 46 mit einem konstanten Wirkungsgrad eingezeichnet. Further curves 45 represent lines with constant speed, the curve denoted by the reference symbol 45 representing a maximum permissible speed during operation of the centrifugal compressor. Islands 46 with a constant efficiency are shown in the map 40.
Der maximale Massenstrom eines Radialverdichters ist in der Regel durch den Querschnitt am Verdichtereintritt begrenzt. Erreicht die Luft im Verdichtereintritt die Schallgeschwindigkeit, ist kein weiteres Anwachsen des Durchsatzes mehr möglich. Das wird auch als Stopfgrenze 44 bezeichnet. The maximum mass flow of a centrifugal compressor is usually limited by the cross section at the compressor inlet. If the air in the compressor inlet reaches the speed of sound, no further increase in throughput is possible. This is also referred to as the stuffing limit 44.
Die Pumpgrenze 43 begrenzt den linken Kennfeldrand des Kennfelds 40. Bei zu kleinen Volumenströmen und zu hohen Druckverhältnissen löst sich die Strömung von den Verdichterschaufeln. Dadurch wird der Fördervorgang unterbrochen. Die Luft strömt rückwärts durch den Verdichter, bis sich wieder ein stabiles Druckverhältnis mit positivem Volumenstrom einstellt. Der Druck baut sich erneut auf. Der Vorgang wiederholt sich in rascher Folge. Aus dem dabei entstehenden Geräusch leitet sich die Bezeichnung Pumpen ab. The surge limit 43 limits the left edge of the characteristic diagram 40. If the volume flows are too small and the pressure conditions are too high, the flow is released from the compressor blades. This interrupts the delivery process. The air flows backwards through the compressor until it is back in sets a stable pressure ratio with positive volume flow. The pressure builds up again. The process is repeated in quick succession. The name pumps is derived from the resulting noise.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wurde der Betrieb des Verdichters jenseits der Pumpgrenze 43 untersucht. Bei einem Brennstoffzellensystem mit einem Radialverdichter zur Luftversorgung ergeben sich aufgrund der Pumpgrenze 43 Betriebseinschränkungen. Diese gelten vor allem dann, wenn die Luftversorgung des Brennstoffzellensystems eine dynamische Luftlagerung aufweist. In the context of the present invention, the operation of the compressor beyond the surge limit 43 was examined. In the case of a fuel cell system with a radial compressor for supplying air, there are operational restrictions due to the surge limit 43. These apply above all when the air supply to the fuel cell system has dynamic air storage.
Dynamische Luftlager benötigen eine Mindestdrehzahl für ihre Funktion. Erst bei Drehzahlen in der Größenordnung von etwa zwanzigtausend Umdrehungen pro Minute wird ein ausreichend tragfähiges Luftpolster gebildet, um einerseits das Gewicht des Rotors des Verdichters zu tragen und andererseits Beschleunigungen, zum Beispiel durch eine Schlechtweganregung, kompensieren zu können. In dem Kennfeld 40 in Figur 2 ist dieser Zusammenhang durch einen Punkt hervorgehoben, der einen unteren Arbeitsbereich des Verdichters darstellt. Dynamic air bearings require a minimum speed for their function. Only at speeds in the order of about twenty thousand revolutions per minute is a sufficiently stable air cushion formed to bear the weight of the compressor's rotor on the one hand and to compensate for accelerations, for example due to a rough road excitation, on the other. In the characteristic diagram 40 in FIG. 2, this relationship is emphasized by a point which represents a lower working range of the compressor.
Die vorab beschriebenen Einschränkungen führen dazu, dass in einem Leerlaufbetrieb des Brennstoffzellensystems mehr Luft gefördert wird, als für die elektrochemische Reaktion in der Brennstoffzelle notwendig ist. Grundsätzlich werden Brennstoffzellen zwar über-stöchiometrisch betrieben, notwendige Luftlambda liegen aber zwischen 1,6 und 2,0. Durch die oben genannten Einschränkungen des Luftversorgungssystems ergeben sich unter Umständen Luftlambdawerte im Bereich von 5,0. The restrictions described above lead to the fact that when the fuel cell system is idling, more air is conveyed than is necessary for the electrochemical reaction in the fuel cell. In principle, fuel cells are operated over-stoichiometrically, but the necessary air lambda is between 1.6 and 2.0. The above-mentioned limitations of the air supply system may result in air lambda values in the range of 5.0.
Ohne zusätzliche Maßnahmen wird ein so betriebenes Brennstoffzellensystem austrocknen, weil die zugeführte Luft mehr Wasser abführt als durch die elektrochemische Reaktion in der Brennstoffzelle erzeugt wird. Hierdurch ergeben sich zwei negative Effekte. Der wasserabhängige Protonentransport durch die Membran der Brennstoffzelle wird verschlechtert und die Alterung der Brennstoffzelle erhöht. Aus diesem Grund wird im Rahmen der Erfindung vorgeschlagen, im unteren Arbeitsbereich 48 des Verdichterkennfelds 40 einen an sich unerwünschten pumpenden Betrieb zuzulassen, um die oben genannten negativen Effekte zu vermeiden. Hierzu muss das vorhandene Axiallagersystem (29 in Figur 1) ausreichend robust ausgelegt sein, weil sich beim Pumpen starke Fluktuationen der Axialkräfte ergeben. Without additional measures, a fuel cell system operated in this way will dry out because the air supplied removes more water than is generated by the electrochemical reaction in the fuel cell. This has two negative effects. The water-dependent proton transport through the membrane of the fuel cell is worsened and the aging of the fuel cell is increased. For this reason, it is proposed within the scope of the invention to allow an inherently undesirable pumping operation in the lower working range 48 of the compressor characteristic map 40 in order to avoid the above-mentioned negative effects. For this purpose, the existing axial bearing system (29 in FIG. 1) must be designed to be sufficiently robust because there are strong fluctuations in the axial forces during pumping.
Beim pumpenden Betrieb ist darauf zu achten, dass sich die ergebenden akustischen Effekte nicht negativ auf die beziehungsweise den Fahrzeugnutzer auswirken. Daher kann es notwendig sein, den pumpenden Betrieb mit beispielsweise einer Körperschallmessung zu überwachen. Hierzu werden vorzugsweise Beschleunigungssensoren verwendet. Mit dieser Methode kann dann auch der pumpende Betrieb im oberen Kennfeldbereich sicher detektiert und damit vermieden werden. With pumping operation, care must be taken that the resulting acoustic effects do not have a negative impact on the vehicle user. It may therefore be necessary to monitor the pumping operation with, for example, a structure-borne noise measurement. Acceleration sensors are preferably used for this purpose. With this method, the pumping operation in the upper map area can then be reliably detected and thus avoided.
Da es sich um einen akustischen Effekt handelt, ist für die Detektion des Pumpens auch ein Mikrophon anwendbar. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, den benötigten Strom am elektromotorischen Antrieb des Verdichters auszuwerten. Der pumpende Betrieb erzeugt Drehmomentschwankungen, die als Stromschwankungen messbar sind. Since this is an acoustic effect, a microphone can also be used to detect pumping. Another possibility is to evaluate the required current on the electric motor drive of the compressor. The pumping operation generates torque fluctuations that can be measured as current fluctuations.
In Figur 2 ist ein kritisches Drehzahlverhältnis DK angegeben. Das kritische Druckverhältnis DK beträgt etwa 1,5. Unterhalb des kritischen Druckverhältnisses DK werden an sich unerwünschte Pumpereignisse im Betrieb der elektrisch angetriebenen Gaszuführeinrichtung zugelassen. Oberhalb des kritischen Druckverhältnisses DK werden die dann unerwünschten Pumpereignisse verhindert. A critical speed ratio DK is given in FIG. The critical pressure ratio DK is about 1.5. Below the critical pressure ratio DK, inherently undesirable pumping events are permitted during operation of the electrically driven gas supply device. The then undesired pumping events are prevented above the critical pressure ratio DK.
Figur 4 zeigt ein entsprechendes Ablaufdiagramm mit Rechtecken 51 bis 53, einer Raute 54 und Pfeilen 55 bis 58. Rechteck 51 symbolisiert den Betrieb des Brennstoffzellensystems. Rechteck 52 zeigt, dass im Betrieb des Brennstoffzellensystems überprüft wird, ob Pumpereignisse auftreten. FIG. 4 shows a corresponding flow chart with rectangles 51 to 53, a rhombus 54 and arrows 55 to 58. Rectangle 51 symbolizes the operation of the fuel cell system. Rectangle 52 shows that a check is carried out during operation of the fuel cell system to determine whether pumping events are occurring.
In der Raute 54 wird überprüft, ob das kritische Druckverhältnis DK überschritten wird. Wenn das Druckverhältnis DK nicht überschritten wird, dann ist durch den Pfeil 56 angedeutet, dass der Pumpbetrieb zugelassen wird. Wenn das kritische Druckverhältnis DK überschritten wird, dann ist durch den Pfeil 57 und das Rechteck 53 angedeutet, dass das Pumpen verhindert wird. In diamond 54 it is checked whether the critical pressure ratio DK is exceeded. If the pressure ratio DK is not exceeded, the arrow 56 indicates that the pumping operation is permitted. If the critical Pressure ratio DK is exceeded, then it is indicated by the arrow 57 and the rectangle 53 that pumping is prevented.
Im Rechteck 53 kann zum Beispiel eine Vorpumpgrenzerkennung durchgeführt werden. Eine geeignete Steuerelektronik verhindert beim Erreichen derFor example, a prepump limit detection can be carried out in the rectangle 53. Appropriate control electronics prevent the
Vorpumpgrenzerkennung eine weitere Erhöhung der Verdichterdrehzahl. Alternativ oder zusätzlich kann die Verdichterdrehzahl im Betrieb des Verdichters reduziert werden, wenn die Vorpumpgrenzerkennung anschlägt oder der Bypass 16 geöffnet werden. Pre-pump limit detection a further increase in the compressor speed. As an alternative or in addition, the compressor speed can be reduced when the compressor is in operation, if the pre-pumping limit detection hits or the bypass 16 is opened.

Claims

Ansprüche Expectations
1. Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems (1) mit einer Brennstoffzelle (3), der auf einer Kathodeneingangsseite (20) ein Kathodengas (21), wie Luft, mit Hilfe einer elektrisch angetriebenen Gaszuführeinrichtung (5;30) zugeführt wird, die als Strömungsmaschine ausgeführt ist, deren Arbeitsbereich in einem Kennfeld (40) darstellbar ist, das eine Pumpgrenze (43) und eine Stopfgrenze (44) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass an sich unerwünschte Pumpereignisse im Betrieb der elektrisch angetriebenen Gaszuführeinrichtung (5;30) in einem bestimmten Arbeitsbereich (48) der elektrisch angetriebenen Gaszuführeinrichtung (5;30) jenseits der Pumpgrenze (43) bewusst zugelassen werden. 1. A method for operating a fuel cell system (1) with a fuel cell (3) to which a cathode gas (21), such as air, is supplied on a cathode inlet side (20) with the aid of an electrically driven gas supply device (5; 30) which acts as a flow machine is executed, the working range of which can be represented in a characteristic map (40) which has a surge limit (43) and a stuffing limit (44), characterized in that undesired pumping events during operation of the electrically driven gas supply device (5; 30) in a certain Working area (48) of the electrically driven gas supply device (5; 30) beyond the surge limit (43) are deliberately permitted.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein an sich unerwünschter Pumpbetrieb der elektrisch angetriebenen Gaszuführeinrichtung (5;30) jenseits der Pumpgrenze (43) in einem unteren Arbeitsbereich (48) der elektrisch angetriebenen Gaszuführeinrichtung (5;30) bewusst zugelassen wird. 2. The method according to claim 1, characterized in that an intrinsically undesirable pumping operation of the electrically driven gas supply device (5; 30) beyond the surge limit (43) in a lower working area (48) of the electrically driven gas supply device (5; 30) is deliberately permitted .
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die an sich unerwünschten Pumpereignisse im Betrieb der elektrisch angetriebenen Gaszuführeinrichtung (5;30) bei einem Druckverhältnis, das kleiner als ein kritisches Druckverhältnis (DK) ist, jenseits der Pumpgrenze (43) bewusst zugelassen wird. 3. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the inherently undesirable pumping events during operation of the electrically driven gas supply device (5; 30) at a pressure ratio that is less than a critical pressure ratio (DK), beyond the surge limit (43) is consciously allowed.
4. Verfahren nach Anspruch 3, , dadurch gekennzeichnet, dass die an sich unerwünschten Pumpereignisse im Betrieb der elektrisch angetriebenen Gaszuführeinrichtung (5;30) bei einem Druckverhältnis, das größer als das kritische Druckverhältnis (Di<)ist, jenseits der Pumpgrenze (43) nicht zugelassen werden. 4. The method according to claim 3, characterized in that the inherently undesirable pumping events during operation of the electrically driven gas supply device (5; 30) at a pressure ratio which is greater than the critical pressure ratio (Di <), beyond the surge limit (43) not be admitted.
5. Verfahren nach Anspruch 4, , dadurch gekennzeichnet, dass die an sich unerwünschten Pumpereignisse im Betrieb der elektrisch angetriebenen Gaszuführeinrichtung (5;30) bei einem Druckverhältnis, das größer als das kritische Druckverhältnis (DK) ist, sensorisch, insbesondere akustisch, erfasst werden. 5. The method according to claim 4, characterized in that the inherently undesirable pumping events during operation of the electrically driven gas supply device (5; 30) at a pressure ratio that is greater than the critical pressure ratio (DK), are detected by sensors, in particular acoustically .
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das kritische Druckverhältnis (DK) zwischen 1 und 2 liegt. 6. The method according to any one of claims 3 to 5, characterized in that the critical pressure ratio (DK) is between 1 and 2.
7. Brennstoffzellensystem (1) mit einer Brennstoffzelle(3), der auf einer Kathodeneingangsseite (20) ein Kathodengas (21), wie Luft, mit Hilfe einer elektrisch angetriebenen Gaszuführeinrichtung (5;30) zugeführt wird, die als Strömungsmaschine ausgeführt ist, deren Arbeitsbereich in einem Kennfeld (40) darstellbar ist, das eine Pumpgrenze (43) und eine Stopfgrenze (44) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Axiallagersystem (29) der elektrisch angetriebenen Gaszuführeinrichtung (5;30) im Hinblick auf die gemäß einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6 bewusst zugelassenen Pumpereignisse der elektrisch angetriebenen Gaszuführeinrichtung (5;30) ausreichend robust ausgelegt ist. 7. Fuel cell system (1) with a fuel cell (3) to which a cathode gas (21), such as air, is supplied on a cathode inlet side (20) with the aid of an electrically driven gas supply device (5; 30) which is designed as a flow machine Working range can be represented in a characteristic map (40) which has a surge limit (43) and a stuffing limit (44), characterized in that an axial bearing system (29) of the electrically driven gas supply device (5; 30) with regard to the according to a method according to one of claims 1 to 6 deliberately permitted pumping events of the electrically driven gas supply device (5; 30) is designed to be sufficiently robust.
8. Verfahren zum Auslegen eines Brennstoffzellensystems (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass auf einem Prüfstand (37) in einem Prüfstandsbetrieb des Brennstoffzellensystems (1) erfasst und gespeichert wird, wann im Betrieb der elektrisch angetriebenen Gaszuführeinrichtung (5;30) Pumpereignisse auftreten. 8. The method for designing a fuel cell system (1) according to claim 7, characterized in that it is recorded and stored on a test stand (37) in a test stand operation of the fuel cell system (1) when pumping events during operation of the electrically driven gas supply device (5; 30) occur.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Prüfstand (37) im Prüfstandsbetrieb des Brennstoffzellensystems (1) akustisch erfasst wird, wann im Betrieb der elektrisch angetriebenen Gaszuführeinrichtung (5;30) Pumpereignisse auftreten. 9. The method according to claim 8, characterized in that on the test stand (37) in the test stand operation of the fuel cell system (1) it is acoustically recorded when pumping events occur during operation of the electrically driven gas supply device (5; 30).
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