WO2024132384A1 - Verfahren zum betreiben eines luftsystems, steuergerät - Google Patents

Verfahren zum betreiben eines luftsystems, steuergerät Download PDF

Info

Publication number
WO2024132384A1
WO2024132384A1 PCT/EP2023/083148 EP2023083148W WO2024132384A1 WO 2024132384 A1 WO2024132384 A1 WO 2024132384A1 EP 2023083148 W EP2023083148 W EP 2023083148W WO 2024132384 A1 WO2024132384 A1 WO 2024132384A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
turbine
compressor
air
driven
bypass
Prior art date
Application number
PCT/EP2023/083148
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Peter Philipp
Jochen Braun
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch Gmbh filed Critical Robert Bosch Gmbh
Publication of WO2024132384A1 publication Critical patent/WO2024132384A1/de

Links

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D25/00—Pumping installations or systems
    • F04D25/02—Units comprising pumps and their driving means
    • F04D25/024—Units comprising pumps and their driving means the driving means being assisted by a power recovery turbine
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D25/00—Pumping installations or systems
    • F04D25/02—Units comprising pumps and their driving means
    • F04D25/06—Units comprising pumps and their driving means the pump being electrically driven
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D25/00—Pumping installations or systems
    • F04D25/16—Combinations of two or more pumps ; Producing two or more separate gas flows
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D27/00—Control, e.g. regulation, of pumps, pumping installations or pumping systems specially adapted for elastic fluids
    • F04D27/02—Surge control
    • F04D27/0292—Stop safety or alarm devices, e.g. stop-and-go control; Disposition of check-valves
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D29/00—Details, component parts, or accessories
    • F04D29/05—Shafts or bearings, or assemblies thereof, specially adapted for elastic fluid pumps
    • F04D29/056—Bearings
    • F04D29/057—Bearings hydrostatic; hydrodynamic
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04111—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants using a compressor turbine assembly
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04223—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids during start-up or shut-down; Depolarisation or activation, e.g. purging; Means for short-circuiting defective fuel cells
    • H01M8/04228—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids during start-up or shut-down; Depolarisation or activation, e.g. purging; Means for short-circuiting defective fuel cells during shut-down
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04746—Pressure; Flow
    • H01M8/04753—Pressure; Flow of fuel cell reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04955—Shut-off or shut-down of fuel cells
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2220/00—Application
    • F05D2220/40—Application in turbochargers
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2260/00—Function
    • F05D2260/60—Fluid transfer
    • F05D2260/606—Bypassing the fluid

Definitions

  • a method for operating an air system for supplying a fuel cell stack with air comprising a multi-stage air conveying and air compression system which has a compression stage with an electric motor-driven compressor and a compression stage with a compressor driven by a turbine, wherein the compressors of the two compression stages each have a rotor mounted on gas bearings.
  • the air system in order to stop the turbine-driven compressor in a way that protects the gas bearings, the air system is transferred from any operating point to an operating point that enables the speed of the turbine-driven compressor to be reduced. Then either step a) or step b) can be carried out.
  • the method comprising step a) therefore provides not only for stopping the turbine-driven compressor, but also the electric motor-driven compressor.
  • the method can therefore be used whenever the air system is to be stopped as a whole. However, this does not rule out the possibility of the electric motor compressor being switched on again after the air system has been stopped in order to continue operating the air system without the turbine-driven compressor.
  • step a) or b) the fuel cell stack is separated from the air system by closing shut-off valves and a bypass valve is opened in a stack bypass that bypasses the fuel cell stack.
  • a bypass valve is opened in a stack bypass that bypasses the fuel cell stack.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Fluid Mechanics (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Luftsystems (1) zur Versorgung eines Brennstoffzellenstapels (2) mit Luft, umfassend ein mehrstufiges Luftförder- und Luftverdichtungssystem (3) das eine Verdichtungsstufe (3.1) mit einem elektromotorisch angetriebenen Verdichter (4) sowie eine Verdichtungsstufe (3.2) mit einem mittels einer Turbine (5) angetriebenen Verdichter (4) aufweist, wobei die Verdichter (4) der beiden Verdichtungsstufen (3.1, 3.2) jeweils einen über Gaslager gelagerten Rotor aufweisen. Erfindungsgemäß wird zum gaslagerschonenden Stoppen des turbinengetriebenen Verdichters (4) das Luftsystem (1) von einem beliebigen Betriebspunkt in einen Betriebspunkt überführt, der eine Verringerung der Drehzahl des turbinengetriebenen Verdichters (4) ermöglicht, danach wird a) der elektromotorisch angetriebene Verdichter (4) abgeschaltet und ein Bypassventil (6) in einem Turbinen-Bypass (7) geschlossen oder geschlossen gehalten, bis der Rotor des mittels der Turbine (5) angetriebenen Verdichters (4) ausgelaufen ist, oder b) der elektromotorisch angetriebene Verdichter (4), vorzugsweise mit verringerter Drehzahl, weiter betrieben und das Bypassventil (6) im Turbinen- Bypass (7) transient geöffnet, so dass das Antriebsmoment an der Turbine (5) durch Absenkung des Massenstroms durch die Turbine (5) und durch Absenken des Drucks (p) vor der Turbine (5) transient abgesenkt wird. Die Erfindung betrifft ferner ein Steuergerät zur Ausführung von Schritten des Verfahrens.

Description

Beschreibung
Verfahren zum Betreiben eines
Figure imgf000003_0001
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Luftsystems mit einem mehrstufig ausgeführten Luftförder- und Luftverdichtungssystems, umfassend eine Verdichtungsstufe mit einem elektromotorisch angetriebenen Verdichter sowie eine Verdichtungsstufe mit einem mittels einer Turbine angetriebenen Verdichter, wobei die Verdichter jeweils einen über Gaslager gelagerten Rotor aufweisen. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Steuergerät zur Ausführung von Schritten des Verfahrens.
Bevorzugter Anwendungsbereich der Erfindung sind Brennstoffzellensysteme, insbesondere mobile Brennstoffzellensysteme bzw. Brennstoffzellenfahrzeuge.
Stand der Technik
Brennstoffzellensysteme benötigen ein Reduktionsmittel, in der Regel Wasserstoff, sowie ein Oxidationsmittel, in der Regel Sauerstoff. Als Sauerstofflieferant dient üblicherweise Luft, die der Umgebung entnommen wird. Wasserstoff und Sauerstoff werden in den Brennstoffzellen in elektrische Energie, Wärme und Wasser gewandelt. In der Praxis wird eine Vielzahl von Brennstoffzellen zu einem Brennstoffzellenstapel bzw. Stack zusammengefasst.
Da die elektrochemische Reaktion in den Brennstoffzellen einen gewissen Luftmassenstrom sowie ein gewisses Druckniveau erfordert, wird die den Brennstoffzellen zugeführte Luft zuvor mit Hilfe eines Luftförder- und Luftverdichtungssystem verdichtet. Dieses kann ein- oder mehrstufig sowie ein- oder mehrflutig aufgebaut sein. Darüber hinaus kann eine Turbine zur Energierückgewinnung vorgesehen sein, der hierzu die verbrauchte Luft bzw. Abluft zugeführt wird. Bei einstufigen Luftförder- und Luftverdichtungssystemen ist die Turbine über eine gemeinsame Welle mit einem elektromotorischen Antrieb eines Verdichters verbunden. Bei mehrstufigen, insbesondere zweistufigen, Systemen, kann eine erste Stufe elektromotorisch und eine zweite Stufe mittels einer Turbine angetrieben werden. Die turbinengetriebene Stufe kann dabei der elektromotorisch angetriebenen Stufe vor- oder nachgeschaltet sein. Die mehrstufige Verdichtung besitzt den Vorteil, dass höhere Systemdrücke möglich sind.
Als Verdichter in einem Luftförder- und Luftverdichtungssystem werden häufig thermische Strömungsmaschinen eingesetzt. Diese weisen einen Rotor auf, der in der Regel über zwei Radiallager und ein Axiallager drehbar gelagert ist. In Brennstoffzellensystemen sind diese Lager aus Gründen der Ölfreiheit als Gas- bzw. Luftlager ausgeführt. Gas- bzw. Luftlager weisen bei sehr hohen Umdrehungsgeschwindigkeiten eine sehr geringe Reibung und damit sehr geringe Lagerverluste auf. Wird jedoch eine Mindestdrehzahl, die sogenannte Abhebedrehzahl, unterschritten, kommt es anstelle einer Gasreibung zu einer Festkörperreibung und damit zu einer hohen Beanspruchung der Lager. Dies ist regelmäßig beim Stoppen der thermischen Strömungsmaschine, das heißt beim Auslaufen des Rotors der Fall. Bei einem sehr schnellen Stopp und einem damit verbundenen hohen Drehzahlgradienten kann es zu irreversiblen Schäden oder sogar zur Zerstörung der Lager kommen. Um dies zu verhindern, sollte die Aufsetzdrehzahl möglichst geringgehalten werden. Aufgrund von Druckstößen kann sich der Rotor zudem in axialer Richtung hin und her bewegen, so dass es im schlimmsten Fall zu einem Kontakt zwischen dem Rotor und dem Axiallager kommt. Druckstöße sollten daher möglichst vermieden werden.
Die vorliegende Erfindung ist mit der Aufgabe befasst, das Auslaufen eines gasgelagerten Rotors eines turbinengetriebenen Verdichters eines mehrstufig ausgeführten Luftförder- und Luftverdichtungssystem in einem Luftsystem komponentenschonender zu gestalten.
Zur Lösung der Aufgabe wird das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen. Darüber hinaus wird ein Steuergerät zur Ausführung von Schritten des Verfahrens angegeben. Offenbarung der Erfindung
Vorgeschlagen wird ein Verfahren zum Betreiben eines Luftsystems zur Versorgung eines Brennstoffzellenstapels mit Luft, umfassend ein mehrstufiges Luftförder- und Luftverdichtungssystem, das eine Verdichtungsstufe mit einem elektromotorisch angetriebenen Verdichter sowie eine Verdichtungsstufe mit einem mittels einer Turbine angetriebenen Verdichter aufweist, wobei die Verdichter der beiden Verdichtungsstufen jeweils einen über Gaslager gelagerten Rotor aufweisen. Erfindungsgemäß wird zum gaslagerschonenden Stoppen des turbinengetriebenen Verdichters das Luftsystem von einem beliebigen Betriebspunkt in einen Betriebspunkt überführt, der eine Verringerung der Drehzahl des turbinengetriebenen Verdichters ermöglicht, Danach kann wahlweise Schritt a) oder Schritt b) ausgeführt werden.
In Schritt a) wird der elektromotorisch angetrieben Verdichter abgeschaltet und ein Bypassventil in einem Turbinen-Bypass geschlossen oder geschlossen gehalten, bis der Rotor des mittels der Turbine angetriebenen Verdichters ausgelaufen ist.
In Schritt b) wird der elektromotorisch angetriebene Verdichter, vorzugsweise bei verringerter Drehzahl, weiter betrieben und das Bypassventil im Turbinen-Bypass wird transient geöffnet, so dass das Antriebsmoment an der Turbine durch Absenkung des Massenstroms durch die Turbine und durch Absenken des Drucks p) vor der Turbine transient abgesenkt wird.
Das den Schritt a) aufweisende Verfahren sieht demnach nicht nur das Stoppen des turbinengetriebenen Verdichters vor, sondern auch des elektromotorisch angetriebenen Verdichters. Das Verfahren kann daher immer dann angewandt werden, wenn das Luftsystem insgesamt gestoppt werden soll. Dies schließt jedoch nicht aus, dass nach dem Stoppen des Luftsystems der elektromotorische Verdichter wieder eingeschaltet wird, um das Luftsystem ohne den turbinengetriebenen Verdichter weiterzubetreiben.
Das den Schritt b) aufweisende Verfahren sieht nur das Stoppen des turbinengetriebenen Verdichters vor, während der elektromotorisch angetriebene Verdichter weiter betrieben wird. Dies kann beispielsweise bei niedrigen Stack- Drücken, z.B. bei niedrigen Außentemperaturen erwünscht sein.
Das Absenken des Massenstroms durch die Turbine und das Absenken des Drucks vor der Turbine, insbesondere am Eintritt der Turbine, in Schritt b) führt zu einem moderaten Gradienten des Antriebsmoments bei zugleich moderatem Drehzahlgradienten, was sich komponentenschonend, insbesondere gaslagerschonend, auswirkt. Das Absenken wird dabei transient vorgenommen, das heißt schrittweise oder mittels einer Rampe bzw. Trajektorie. Messungen haben gezeigt, dass, wenn der Massenstrom durch die Turbine und der Druck am Eintritt der Turbine nicht schlagartig, sondern transient abgesenkt wird, axiale Bewegungen des Rotors des turbinengetriebenen Verdichters verringert werden, so dass ein Kontakt des Rotors mit seinem Axiallager vermieden wird.
Noch gaslagerschonender, insbesondere schonender für das Axiallager, kann der turbinengetriebene Verdichter jedoch nach Schritt a) gestoppt werden, so dass Schritt a) gegenüber Schritt b) bevorzugt wird. Denn beim Stoppen nach Schritt a) kann der Rotor des turbinengetriebenen Verdichters ruhig aussegeln.
Soll jedoch der elektromotorisch angetriebene Verdichter nicht abgeschaltet werden, das heißt Schritt b) statt Schritt a) ausgeführt werden, sollte der elektromotorisch angetriebene Verdichter bei möglichst niedriger Drehzahl, vorzugsweise im Leerlauf, weiter betrieben werden, um den turbinengetriebenen Verdichter so gaslagerschonend wie möglich zu stoppen.
In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass vor Schritt a) oder b) der Brennstoffzellenstapel durch Schließen von Absperrventilen vom Luftsystem getrennt wird und ein Bypassventil in einem den Brennstoffzellenstapel umgehenden Stack-Bypass geöffnet wird. Das heißt, dass das Luftsystem in den Kathodenbypass-Betrieb überführt wird. Die mit Hilfe des Luftförder und Luftverdichtungssystem verdichtete Luft wird dann der Turbine direkt, das heißt ohne Umweg über den Brennstoffzellenstapel, zugeführt. Das im Stack-Bypass angeordnete Bypassventil kann hierzu ganz oder teilweise geöffnet werden.
Nach Schritt a), das heißt nach dem Auslaufen des Rotors des turbinengetriebenen Verdichters, kann bzw. können das im Turbinen-Bypass angeordnete Bypassventil und/oder das im Stack-Bypass angeordnete Bypassventil geöffnet oder offengehalten werden. Das gesamte Luftförder- und Luftverdichtungssystem ist somit gestoppt und es kann eine entsprechende Bestätigung an eine übergeordnete Steuerung gesendet werden.
Soll nicht das gesamte Luftsystem gestoppt werden, kann nach Schritt a) der elektromotorisch angetriebene Verdichter bei geöffnetem Bypassventil im Turbinen-Bypass wieder eingeschaltet werden. Der elektromotorisch angetriebene Verdichter kann dann allein weiterbetrieben werden.
Wird jedoch gemäß Schritt b) der elektromotorisch angetriebene Verdichter nicht abgeschaltet, sondern mit verringerter Drehzahl weiterbtrieben, wird bevorzugt vor dem Schritt b) das Luftsystem zur Verringerung der Drehzahl des turbinengetriebenen Verdichters in den Teillast- oder Leerlaufbetrieb überführt. Da im Leerlaufbetrieb die Drehzahl des turbinengetriebenen Verdichters minimal ist, wird dieser dem Teillastbetrieb vorgezogen.
Da dies auch sinnvoll sein kann, wenn gemäß Schritt a) der elektromotorisch angetriebene Verdichter abgeschaltet wird, kann auch vor Schritt a) das Luftsystem zur Verringerung der Drehzahl des turbinengetriebenen Verdichters in den Teillast- oder Leerlaufbetrieb überführt werden.
In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Auslaufzeit des Rotors des mittels der Turbine angetriebenen Verdichters mittels einer Sensorik und/oder modellbasiert ermittelt und zur Abschätzung des Verschleißzustands der Gaslager des Rotors verwendet wird. Da sich die Auslaufzeit eines Rotors mit zunehmendem Lagerverschleiß verkürzt, kann von der Auslaufzeit auf den Zustand der Gaslager geschlossen werden. Die ermittelte Auslaufzeit kann gespeichert und so der Zustand der Gaslager über die gesamte Laufzeit des turbinengetriebenen Verdichters überwacht werden. Ferner kann prognostiziert werden, wann ein Austausch der Gaslager erforderlich ist.
Während eines Stoppvorgangs kann von einer übergeordneten Steuerung ein Abbruch des Stoppvorgangs gefordert werden, wenn beispielsweise der Weiterbetrieb des turbinengetriebenen Verdichters bzw. der Verdichter beider Verdichtungsstufen erforderlich ist. Bei einem derartigen Abbruch des Stoppvorgangs wird vorzugsweise ein Startvorgang mit den Parametern initialisiert, die bei Abbruch des Stoppvorgangs vorlagen. Das heißt, dass diese Parameter erfasst und gespeichert werden.
Soll der turbinengetriebene Verdichter gaslagerschonend gestoppt werden, kann zwischen zwei Verfahren gewählt werden, entweder wird das Verfahren gewählt, das den Schritt a) umfasst, oder das Verfahren, das den Schritt b) umfasst. Da das Stoppen nach Schritt a) grundsätzlich schonender als das nach Schritt b) ist, wird Schritt a) bevorzugt. Es können jedoch auch Randbedingungen vorliegen, in denen sich Schritt b) als vorteilhafter erweist. Die Wahl zwischen Schritt a) oder b) wird daher bevorzugt abhängig von den jeweiligen Randbedingungen, insbesondere der angeforderten Dynamik und/oder dem Lastprofil, getroffen. Das Lastprofil kann dabei die Anzahl der bereits erfolgten Abschaltvorgänge berücksichtigen. Je nach akkumuliertem Lastprofil und den sonstigen Randbedingungen kann die Entscheidung zwischen Schritt a) und Schritt b) auch adaptiv erfolgen.
Darüber hinaus wird ein Steuergerät vorgeschlagen, das dazu eingerichtet ist, Schritte eines erfindungsgemäßen Verfahrens auszuführen. Mit Hilfe des Steuergeräts können die Stoppvorgänge nach Schritt a) oder b) eingeleitet werden, wobei vorzugsweise das Steuergerät abhängig von den aktuellen Randbedingen zwischen Schritt a) oder b) wählt. Anschließend kann mit Hilfe des Steuergeräts das Luftsystem in einen günstigen Betriebspunkt überführt werden, indem über das Steuergerät die jeweiligen Bypass- und/oder Absperrventile angesteuert werden. Ferner kann mit Hilfe des Steuergeräts der elektromotorisch angetriebene Verdichter abgeschaltet werden (Schritt a) oder die Drehzahl des elektromotorisch angetriebenen Verdichters reduziert werden (Schritt b).
Die Erfindung und ihre Vorteile werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines ersten Luftsystems, das nach einem erfindungsgemäßen Verfahren betrieben werden kann,
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines zweiten Luftsystems, das nach einem erfindungsgemäßen Verfahren betrieben werden kann, Fig. 3 ein Diagramm zur Darstellung bevorzugter Verfahrensabläufe,
Fig. 4 ein Diagramm zur Darstellung sensorisch erfasster Größen während eines Stoppvorgangs eines mehrstufigen Luftförder- und Luftverdichtungssystems und
Fig. 5 ein weiteres Diagramm zur Darstellung sensorisch erfasster Größen während eines Stoppvorgangs eines mehrstufigen Luftförder und Luftverdichtungssystems.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
Der Figur 1 ist ein Luftsystem 1 zu entnehmen, das der Versorgung eines Brennstoffzellenstapels 2 mit Luft dient. Da die elektrochemische Reaktion in den Brennstoffzellen einen gewissen Luftmassenstrom erfordert, umfasst das Luftsystem 1 ein Luftförder- und Luftverdichtungssystem 3, das vorliegend mehrstufig ausgeführt ist. Es weist eine erste Verdichtungsstufe 3.1 mit einem elektromotorisch angetriebenen Verdichter 4 sowie eine zweite Verdichtungsstufe 3.2 mit einem mittels einer Turbine 5 angetriebenen Verdichter 4 auf. Die Verdichter 4 sind in Reihe in einem Zuluftpfad 11 des Luftsystems 1 angeordnet. Die Turbine 5 der zweiten Verdichtungsstufe 3.2 ist in einem Abluftpfad 12 angeordnet, so dass ihr die aus dem Brennstoffzellenstapel 2 austretende Luft bzw. Abluft zugeführt wird. Auf diese Weise kann ein Teil der zuvor zum Verdichten eingesetzten Energie zurückgewonnen werden.
Die vom Brennstoffzellenstapel 2 benötigte Luft wird der Umgebung 13 entnommen und über einen Luftfilter 14 erst dem elektromotorisch angetriebenen Verdichter 4 dann dem turbinengetriebenen Verdichter 4 zugeführt. Da sich die Luft beim Verdichten stark erwärmt, kann jeweils nach eine Verdichtungsstufe 3.1 , 3.2 ein Wärmeübertrager 15 und/oder ein Kühler 16 zum Kühlen der verdichteten Luft im Zuluftpfad 11 angeordnet sein. Um den Brennstoffzellenstapel 2 vom Luftsystem 1 zu trennen, ist im Zuluftpfad 6 sowie im Abluftpfad 12 jeweils ein Absperrventil 8 vorgesehen. Bei geschlossenen Absperrventilen 8 kann ein Bypassventil 9 in einem Stack-Bypass 10 geöffnet werden, so dass der Zuluftpfad 11 und der Abluftpfad 12 kurzgeschlossen werden. Der Turbine 5 wird dann verdichtete Luft anstelle von Abluft zugeführt. Zur Umgehung der Turbine 5 ist ein Turbinen-Bypass 7 mit integriertem Bypassventil 6 vorgesehen. Stromabwärts der Turbine 5 ist ein Druckregler 17 im Abluftpfad 12 angeordnet.
Der Figur 2 ist ein weiteres Luftsystem 1 zur Versorgung eines Brennstoffzellenstapels 2 mit Luft zu entnehmen. Dieses weist die gleichen Komponenten wie das Luftsystem 1 der Figur 1 auf, jedoch in einer anderen Anordnung. Gleiche Bezugszeichen kennzeichnen gleiche Komponenten. Der Unterschied zum System der Figur 1 besteht im Wesentlichen darin, dass die erste und die zweite Verdichtungsstufe 3.1 , 3.2 vertauscht sind.
Da die dem Brennstoffzellenstapel 2 zugeführte Luft ölfrei sein muss, weisen alle Verdichter 4 einen Rotor auf, der über Gaslager gelagert ist. Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben eines Luftsystems 1 dient der Schonung der Gaslager des turbinengetriebenen Verdichters 4 beim Stoppen.
Bevorzugte Abläufe erfindungsgemäßer Verfahren sind in der Figur 3 dargestellt. Die linke Seite mit den Schritten S10 bis S15 zeigt ein Verfahren, bei dem die Verdichter 4 beider Verdichtungsstufen 3.1 , 3.2 gestoppt werden. Das heißt, dass das Stoppen nach Schritt a) ausgeführt wird. Die rechte Seite mit den Schritten S20 bis S24 zeigt ein Verfahren, bei dem lediglich der turbinengetriebene Verdichter 4 gestoppt und der elektromotorisch angetriebene Verdichter 4 weiterbetrieben wird. Das heißt, dass das Stoppen nach Schritt b) ausgeführt wird.
In Schritt S10 wird das Verfahren durch eine Stopp-Anforderung gestartet. Da die Verdichter 4 beider Verdichtungsstufen 3.1 , 3.2 gestoppt werden sollen, wird - sofern nicht bereits geschehen - der Brennstoffzellenstapel 2 abgeschaltet. Das heißt, dass die Absperrventile 8 geschlossen werden, um den Brennstoffzellenstapel 2 vom Luftsystem 1 zu trennen. Zugleich wird das Bypassventil 9 im Stack-Bypass 10 - ganz oder zumindest teilweise - geöffnet.
In Schritt S11 wird das Luftsystem 1 von einem beliebigen Betriebspunkt in einen definierten Leerlaufpunkt überführt, um die Drehzahl des turbinengetriebenen Verdichters 4 zu reduzieren. Vorteilhafterweise ist dabei das im Turbinen-Bypass 7 angeordnete Bypassventil 6 ganz geschlossen.
In Schritt S12 wird der elektromotorisch angetriebene Verdichter 4 abgeschaltet. In Schritt S13 läuft der Rotor des turbinengetriebenen Verdichters 4 aus. Die Dauer des Auslaufens kann sensorisch erfasst oder modellbasiert ermittelt werden, von der Auslaufdauer auf den Verschleißzustand der Gaslager des Rotors geschlossen werden kann. Nach dem Auslaufen des Rotors ist das Luftförder- und Luftverdichtungssystem 3 komplett gestoppt. In Schritt S14 können dann die Bypassventile 6, 9 stromlos geschaltet werden. In Schritt S15 kann eine Bestätigung der Beendigung des Stoppvorgangs an eine übergeordnete Steuerung gesendet werden.
Tritt während des Stopp-Vorgangs ein „Change-of-Mind“ auf, das heißt eine Rücknahme der Stopp-Anforderung, kann der Vorgang in Schritt S16 abgebrochen und das Luftförder- und Luftverdichtungssystem 3 in Schritt S17 erneut gestartet werden. Der Startvorgang wird dabei mit den Parametern initialisiert, die zum Zeitpunkt des Abbruchs vorlagen.
Bei dem auf der rechten Seite dargestellten Verfahrensablauf wird in Schritt S20 das Verfahren durch eine Stopp-Anforderung gestartet, allerdings nur für den turbinengetriebenen Verdichter 4. Der elektromotorisch angetriebene Verdichter 4 wird weiterbetrieben.
In Schritt S21 wird das Luftsystem 1 von einem beliebigen Betriebspunkt in den Leerlaufbetrieb oder in einen Teillastbetrieb überführt, um die Drehzahl des turbinengetriebenen Verdichters 4 zu reduzieren.
In Schritt S22 wird das Bypassventil 6 im Turbinen-Bypass 7 transient geöffnet, um die Drehzahl des turbinengetriebenen Verdichters 4 weiter zu reduzieren. Vorteilhafterweise wird auch die Drehzahl des elektromotorisch angetriebenen Verdichters 4 reduziert.
In Schritt S23 läuft dann der Rotor des turbinengetriebenen Verdichters 4 aus. In Schritt S24 wird dann das Luftsystem 1 ohne den turbinengetriebenen Verdichter 4 weiterbetrieben.
Auch bei dem Verfahren mit den Schritten S20 bis S24 kann ein „Change-of- Mind“ auftreten, das heißt eine Rücknahme der Stopp-Anforderung. In diesem Fall wird - analog dem zuvor beschriebenen Verfahren - in Schritt S25 der Stopp-Vorgang abgebrochen und in Schritt S26 der turbinengetriebene Verdichter 4 erneut gestartet.
Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens werden nachfolgend anhand der Diagramme der Figuren 4 und 5 erläutert.
Das Diagramm der Figur 4 zeigt verschiedene Messungen, die während eines Stoppvorgangs eines zweistufigen Luftförder- und Luftverdichtungssystems 3 auf einem Prüfstand gemacht wurden, wobei der Stoppvorgang nach Schritt a) ausgeführt wurde. Das heißt, dass die Verdichter 4 beider Verdichtungsstufen 3.1 , 3.2 gestoppt wurden. Die Kurve n,EAC gibt die Drehzahl des elektromotorisch angetriebenen Verdichters 4 an und die Kurve n,TAC die Drehzahl des turbinengetriebenen Verdichters 4. Die Kurve p zeigt den Druckverlauf am Eingang der Turbine 5. Die Kurve B gibt den Zustand des Bypassventils 6 im Turbinen-Bypass 7 an.
Zum Zeitpunkt h wird zunächst der elektromotorisch angetriebene Verdichter 4 abgeschaltet, so dass die Drehzahl n,EAC gleich null ist. Im Zeitpunkt t2 setzt der Rotor des turbinengetriebenen Verdichters 4 auf, so dass die Auslaufzeit des Rotors, in der Figur 4 angegeben mit At, beendet ist. Die Auslaufzeit ist umso kürzer, je höher der Verschleiß der Lager ist. Von der Auslaufzeit kann somit auf den Zustand der Lager geschlossen werden. Das Bypassventil 6 im Turbinen- Bypass 7 wird erst nach dem Auslaufen des Rotors geöffnet.
Das Diagramm der Figur 5 zeigt Messungen, die während eines Stoppvorgangs eines zweistufigen Luftförder- und Luftverdichtungssystems 3 auf einem Prüfstand gemacht wurden, wobei in diesem Fall der Stoppvorgang nach Schritt b) ausgeführt wurde. Das heißt, dass nur der turbinengetriebene Verdichter 4 gestoppt wurde. Die Kurve n,EAC gibt auch hier die Drehzahl des elektromotorisch angetriebenen Verdichters 4 an und die Kurve n,TAC die Drehzahl des turbinengetriebenen Verdichters 4. Die Kurve p zeigt wiederum den Druckverlauf am Eingang der Turbine 5. Die Kurve B gibt den Zustand des Bypassventils 6 im Turbinen-Bypass 7 an.
Zum Zeitpunkt h wird zunächst die Drehzahl n,EAC des elektromotorisch angetriebenen Verdichters 4 abgesenkt, was zur Folge hat, dass auch die Drehzahl n,TAC des turbinengetriebenen Verdichters 4 abnimmt. Zum Zeitpunkt t2, das heißt aus einem niedrigen Lastpunkt heraus, wird dann das Bypassventil 6 im Turbinen-Bypass 7 geöffnet, um den turbinengetriebenen Verdichter zu stoppen. Bis zum Zeitpunkt ts läuft der Rotor des turbinengetriebenen Verdichters 4 aus. Die Auslaufzeit ist durch At angegeben. Nach dem Auslaufen des turbinengetriebenen Verdichters 4 bzw. zu einem Zeitpunkt kann die Drehzahl des elektromotorisch angetriebenen Verdichters 4 wieder angehoben werden, und zwar bei geöffnetem Bypassventil 6 im Turbinen-Bypass 7, so dass der turbinengetriebene Verdichter 4 abgestellt bleibt.

Claims

Ansprüche
1 . Verfahren zum Betreiben eines Luftsystems (1) zur Versorgung eines Brennstoffzellenstapels (2) mit Luft, umfassend ein mehrstufiges Luftförder- und Luftverdichtungssystem (3) das eine Verdichtungsstufe (3.1) mit einem elektromotorisch angetriebenen Verdichter (4) sowie eine Verdichtungsstufe (3.2) mit einem mittels einer Turbine (5) angetriebenen Verdichter (4) aufweist, wobei die Verdichter (4) der beiden Verdichtungsstufen (3.1 , 3.2) jeweils einen über Gaslager gelagerten Rotor aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass zum gaslagerschonenden Stoppen des turbinengetriebenen Verdichters (4) das Luftsystem (1) von einem beliebigen Betriebspunkt in einen Betriebspunkt überführt wird, der eine Verringerung der Drehzahl des turbinengetriebenen Verdichters (4) ermöglicht, danach a) der elektromotorisch angetriebene Verdichter (4) abgeschaltet wird und ein Bypassventil (6) in einem Turbinen-Bypass (7) geschlossen oder geschlossen gehalten wird, bis der Rotor des mittels der Turbine (5) angetriebenen Verdichters (4) ausgelaufen ist, oder b) der elektromotorisch angetriebene Verdichter (4), vorzugsweise mit verringerter Drehzahl, weiter betrieben wird und das Bypassventil (6) im Turbinen-Bypass (7) transient geöffnet wird, so dass das Antriebsmoment an der Turbine (5) durch Absenkung des Massenstroms durch die Turbine (5) und durch Absenken des Drucks (p) vor der Turbine (5) transient abgesenkt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass vor Schritt a) oder b) der Brennstoffzellenstapel (2) durch Schließen von Absperrventilen (8) vom Luftsystem (1) getrennt wird und ein Bypassventil (9) in einem den Brennstoffzellenstapel (2) umgehenden Stack-Bypass (10) geöffnet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass nach Schritt a) das im Turbinen-Bypass (7) angeordnete Bypassventil (6) und/oder das im Stack-Bypass (10) angeordnete Bypassventil (9) geöffnet oder offengehalten wird bzw. werden.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach Schritt a) der elektromotorisch angetriebene Verdichter (4) bei geöffnetem Bypassventil (6) im Turbinen-Bypass (7) wieder eingeschaltet wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass vor Schritt a) oder b) das Luftsystem (1) zur Verringerung der Drehzahl des turbinengetriebenen Verdichters (4) in den Teillast- oder Leerlaufbetrieb überführt wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auslaufzeit des Rotors des mittels der Turbine (5) angetriebenen Verdichters (4) mittels einer Sensorik und/oder modellbasiert ermittelt und zur Abschätzung des Verschleißzustands der Gaslager des Rotors verwendet wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Abbruch des Stoppvorgangs ein Startvorgang mit den Parametern initialisiert wird, die bei Abbruch des Stoppvorgangs vorlagen.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wahl zwischen Schritt a) oder b) abhängig von den jeweiligen Randbedingungen, insbesondere der angeforderten Dynamik und/oder dem Lastprofil, getroffen wird.
9. Steuergerät, das dazu eingerichtet ist, Schritte eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche auszuführen.
PCT/EP2023/083148 2022-12-21 2023-11-27 Verfahren zum betreiben eines luftsystems, steuergerät WO2024132384A1 (de)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102022214110.5A DE102022214110A1 (de) 2022-12-21 2022-12-21 Verfahren zum Betreiben eines Luftsystems, Steuergerät
DE102022214110.5 2022-12-21

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2024132384A1 true WO2024132384A1 (de) 2024-06-27

Family

ID=89073057

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2023/083148 WO2024132384A1 (de) 2022-12-21 2023-11-27 Verfahren zum betreiben eines luftsystems, steuergerät

Country Status (2)

Country Link
DE (1) DE102022214110A1 (de)
WO (1) WO2024132384A1 (de)

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102017220855A1 (de) * 2017-11-22 2019-05-23 Robert Bosch Gmbh Turbokompressor, insbesondere für ein Brennstoffzellensystem
DE102018221531A1 (de) * 2018-12-12 2020-06-18 Robert Bosch Gmbh Verfahren zum Betreiben eines Luftverdichtungssystems für ein Brennstoffzellensystem, Steuergerät zur Durchführung des Verfahrens
DE102021205456A1 (de) * 2021-05-28 2022-12-01 Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung Brennstoffzellensystem mit verbessertem Startverhalten

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102017220855A1 (de) * 2017-11-22 2019-05-23 Robert Bosch Gmbh Turbokompressor, insbesondere für ein Brennstoffzellensystem
DE102018221531A1 (de) * 2018-12-12 2020-06-18 Robert Bosch Gmbh Verfahren zum Betreiben eines Luftverdichtungssystems für ein Brennstoffzellensystem, Steuergerät zur Durchführung des Verfahrens
DE102021205456A1 (de) * 2021-05-28 2022-12-01 Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung Brennstoffzellensystem mit verbessertem Startverhalten

Also Published As

Publication number Publication date
DE102022214110A1 (de) 2024-06-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP2600007B1 (de) Kraftfahrzeugsystemeinrichtung sowie Verfahren zum Betreiben einer Kraftfahrzeugsystemeinrichtung
DE102017220855A1 (de) Turbokompressor, insbesondere für ein Brennstoffzellensystem
EP1281836B1 (de) Turbomaschine
EP2267286A1 (de) Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine
EP2785977A2 (de) Aufladeeinrichtung für eine brennstoffzelle, insbesondere eines kraftwagens
DE102007052831A1 (de) Turbokompressor-Abschaltmechanismus
DE102019127456A1 (de) Verfahren zum Betrieb einer Turbomaschine
WO2014000867A1 (de) Strömungsmaschine für einen energiewandler sowie brennstoffzelleneinrichtung mit einer solchen strömungsmaschine
DE102018221531A1 (de) Verfahren zum Betreiben eines Luftverdichtungssystems für ein Brennstoffzellensystem, Steuergerät zur Durchführung des Verfahrens
WO2021121899A1 (de) Verfahren zum betreiben eines luftverdichtungssystems für ein brennstoffzellensystem, steuergerät zur durchführung des verfahrens
WO2021148183A1 (de) Verfahren zum betreiben eines brennstoffzellensystems, brennstoffzellensystem
DE102015001662A1 (de) Brennkraftmaschine, Verfahren zum Betreiben derselben und Steuerungseinrichtung zur Duchführung des Verfahrens
DE102012221303A1 (de) Antriebseinrichtung mit einer Brennstoffzelle und einem Abgasturbolader
EP2721258B1 (de) Verfahren zum betrieb einer rotationsmaschine
WO2024132384A1 (de) Verfahren zum betreiben eines luftsystems, steuergerät
EP3596412B1 (de) Verfahren zum betreiben eines kältemittelkreislaufs für eine fahrzeugklimaanlage
DE102020202125A1 (de) Verfahren und System zum Betreiben eines Antriebssystems
DE102019216576A1 (de) Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine und Brennkraftmaschine zur Durchführung eines solchen Verfahrens
DE102022213623A1 (de) Brennstoffzellensystem und Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems
DE102022204524A1 (de) Verfahren zum Betreiben eines Luftverdichtungssystems, Luftverdichtungssystem sowie Brennstoffzellensystem
WO2024120729A1 (de) Verfahren zum betreiben eines luftförder- und luftverdichtungssystems, steuergerät
DE102022213620A1 (de) Brennstoffzellensystem und Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems
DE102022213618A1 (de) Brennstoffzellensystem und Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems
DE102022204160A1 (de) Verfahren zum Betreiben eines mehrstufigen Luftverdichtungssystems, mehrstufiges Luftverdichtungssystem sowie Brennstoffzellensystem
DE102022203573A1 (de) Verfahren zum Betreiben eines mehrstufigen Luftverdichtungssystems, mehrstufiges Luftverdichtungssystem sowie Brennstoffzellensystem