DE10018066A1

DE10018066A1 - Verfahren zur Begrenzung von Schallemissionen eines Verdrägerkompressors in einer Brennstoffzellenvorrichtung, und entsprechende Brennstoffzellenvorrichtung

Info

Publication number: DE10018066A1
Application number: DE10018066A
Authority: DE
Inventors: Gerd Hinsenkamp
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2000-04-12
Filing date: 2000-04-12
Publication date: 2001-10-25
Also published as: FR2807791A1; FR2807791B1

Abstract

Das Verfahren dient zur Begrenzung von Schallemissionen eines Verdrängerkompressors (15) in einer Brennstoffzellenvorrichtung (10), insbesondere eines Fahrzeugs. Dabei sind folgende Verfahrensschritte vorgesehen: DOLLAR A - Ermitteln eines jeweils am Verdrängerkompressor (15) vorliegenden Betriebsschallpegels mittels eines Messmittels (24); DOLLAR A - Verstellen von druck- und/oder saugseitigen Steuerkanten (30) des Verdrängerkompressors (15) in Abhängigkeit des ermittelten Betriebsschallpegels mittels einer Steuereinheit (28). DOLLAR A In Abhängigkeit der Verstellung der Steuerkanten (30) erfolgt eine volumenstromanpassende Verstellung der Drehzahl eines Antriebsmittels (22) des Verdrängerkompressors (15).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Begrenzung von Schallemissionen eines Ver drängerkompressors in einer Brennstoffzellenvorrichtung, insbesondere eines Fahrzeugs, gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ferner bezieht sich die Erfindung auf eine Brennstoffzellenvorrichtung, insbesondere ei nes Fahrzeugs, mit einem Verdrängerkompressor und einem mit diesem in Wirkverbin dung stehenden Antriebsmittel, gemäß Oberbegriff des Anspruchs 7.

In bekannten Brennstoffzellenvorrichtungen werden zur Luftversorgung unter anderem Verdrängerkompressoren, wie zum Beispiel Schrauben-, Spiral-, Kolben-, Wassering- oder Vielzellenverdichter, bei unterschiedlichen Betriebsstoffvolumenströmen und Ver dichtungsenddrücken eingesetzt. Der jeweilige Verdrängerkompressor wird vorzugsweise drehzahlvariabel angetrieben mittels eines wirkverbundenen Elektromotors und/oder mittels einer mechanisch an den Verdrängerkompressor angekoppelten Expansionsein heit. Nachteilhafterweise treten beim Betreiben derartiger Verdrängerkompressoren stö rende Schallemissionen auf, welche im Wesentlichen bedingt sind durch stark verlustbe haftete Ausgleichsvorgänge bei einem druckseitigen Öffnen des Arbeitsraums des Ver drängerkompressors, sofern in diesem Arbeitsraum Druckunterschiede zwischen einem indizierten Verdichtungsenddruck und einem anliegenden Gegendruck herrschen. Dabei hängt die Schallemission unter anderem von der Verdichterdrehzahl des Verdränger kompressors ab, da mit der Erhöhung der Verdichterdrehzahl höhere Ladungswechsel geschwindigkeiten erzeugt werden. Die bei höheren Ladungswechselgeschwindigkeiten auftretenden größeren Druckverluste führen zu einer Vergrößerung des inneren Ver dichtungsverhältnisses im Verdrängerkompressor, da beim Öffnen der Arbeitskammer gegen die Druckseite ein Ausschiebevorgang erst nach Überwindung eines derartigen Zusatzdruckverlustes beginnen kann.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Brennstoffzellenvorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, mittels welchen Schallemissionen des Verdrän gerkompressors in effektiver und zuverlässiger Weise begrenzt werden können. Zur Lösung der Aufgabe wird ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorge schlagen, das durch folgende Verfahrensschritte gekennzeichnet ist:

- Ermitteln eines jeweils am Verdrängerkompressor vorliegenden Betriebsschallpegels;
- Verstellen von druck- und/oder saugseitigen Steuerkanten des Verdrängerkompressors in Abhängigkeit des ermittelten Betriebsschallpegels.

Durch das Verstellen der druck- und/oder saugseitigen Steuerkanten des Verdränger kompressors in Abhängigkeit des ermittelten Betriebsschalpegels wird eine effektive und zuverlässige Begrenzung beziehungsweise Reduzierung von Schallemissionen des Ver drängerkompressors ermöglicht.

Mit Vorteil erfolgt in Abhängigkeit der Verstellung der Steuerkanten eine volumenstro manpassende Verstellung der Drehzahl eines Antriebsmittels des Verdrängerkompres sors. Durch die zusätzliche Verstellung der Drehzahl eines mit dem Verdrängerkompres sor in Wirkverbindung stehenden Antriebsmittels ist es möglich, einerseits eine effektive Begrenzung der Schallemission des Verdrängerkompressors zu erzielen und anderer seits eine erwünschte Volumenstromförderung eines Betriebsstoffs mittels des Verdrän gerkompressors zu gewährleisten. Wird beispielsweise im Rahmen der erwünschten Schallreduktion eine Verstellung der saugseitigen Steuerkanten des Verdrängerkompres sors in Richtung "später" eingeleitet, so kann vorteilhafterweise der daraus resultierende geringere Betriebsstoffvolumenstrom durch den Verdrängerkompressor mittels einer Er höhung der Verdichterdrehzahl desselben kompensiert werden. Es lässt sich somit zur Gewährleistung eines vorgegebenen Betriebsstoffvolumenstroms durch den Verdränger kompressor ein Betriebsstellbereich der saugseitigen Steuerkanten unter Beachtung ei ner zulässigen Verdichterdrehzahl des Verdrängerkompressors definieren. In dieser Wei se ist es möglich, in Abhängigkeit des ermittelten Betriebsschallpegels eine Verstellung der druck- und/oder saugseitigen Steuerkanten des Verdrängerkompressors einzuleiten, um eine effektive Begrenzung beziehungsweise Minimierung der Schallemission des Verdrängerkompressors zu erzielen und gleichzeitig mittels einer angepassten Verstel lung der Verdichterdrehzahl des Verdrängerkompressors einen gewünschten Betriebs stoffvolumenstrom zu gewährleisten.

Vorzugsweise wird der Betriebsschallpegel an einem Druckstutzen des Verdrängerkom pressors ermittelt. Da der Betriebsschallpegel des Verdrängerkompressors messtech nisch einfach zu bestimmen ist, eignet sich der Druckstutzen des Verdrängerkompressors besonders zu einer zuverlässigen und korrekten Ermittlung des jeweils vorliegenden Be triebsschallpegels.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsvariante wird zusätzlich die Betriebstemperatur eines gasförmigen Betriebsstoffs im Druckstutzen des Verdrängerkompressors ermittelt. Die Betriebstemperatur des gasförmigen Betriebsstoffs dient hierbei als Hilfsgröße, mit tels welcher Rückschlüsse auf die jeweils erforderliche Antriebsleistung des Verdränger kompressors bezogen werden können. Somit ist mittels dieser Hilfsgröße eine betriebs günstige Minimierung der Antriebsleistung des Verdrängerkompressors möglich.

Mit Vorteil erhält eine Steuereinheit Daten in Bezug auf den Betriebsschallpegel und leitet die angepasste Verstellung der Steuerkanten und der Drehzahl des Antriebsmittels ein. Eine Steuereinheit eignet sich besonders zur Erzielung einer zuverlässigen und schnellen Verstellung der Steuerkanten und der Drehzahl des Antriebsmittels in Abhängigkeit des jeweils ermittelten Betriebsschallpegels. Dabei kann die Steuereinheit auch rechtzeitig weitere Betriebsfunktionen erfüllen.

Vorteilhafterweise erhält die Steuereinheit Daten in Bezug auf die Betriebstemperatur des gasförmigen Betriebsstoffs und minimiert in Abhängigkeit dieser Daten die Antriebs leistung zum Betreiben des Verdrängerkompressors. Eine Steuereinheit ist besonders geeignet, eine Koordination von verschiedenen Betriebsparametern in betriebsgünstiger Weise zu gewährleisten, so dass auch die Antriebsleistung zum Betreiben des Verdrän gerkompressors mittels der Steuereinheit in Abhängigkeit der ermittelten Betriebstempe ratur des gasförmigen Betriebsstoffs in effektiver Weise minimierbar ist. Die Steuereinheit stellt somit ein zentrales Koordinationszentrum dar, mittels welchem eine betriebsgün stige Begrenzung beziehungsweise Minimierung von Schallemissionen eines Verdrän gerkompressors in einer Brennstoffzellenvorrichtung und/oder eine Reduzierung bezie hungsweise Minimierung der Antriebsleistung zum Betreiben des Verdrängerkompres sors in betriebsgünstiger Weise realisierbar ist.

Zur Lösung der Aufgabe wird auch eine Brennstoffzellenvorrichtung, insbesondere eines Fahrzeugs, vorgeschlagen, welche die Merkmale des Anspruchs 7 aufweist. Die erfin dungsgemäße Brennstoffzellenvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass ein Messmittel zur Ermittlung eines jeweils am Verdrängerkompressor vorliegenden Betriebs schallpegels vorgesehen ist, das mit einer Steuereinheit wirkverbunden ist, welche mit dem Verdrängerkompressor zur vom ermittelten Betriebsschallpegel abhängigen Ver stellung von druck- und/oder saugseitigen Steuerkanten in Wirkkontakt steht. Mittels einer derartig ausgebildeten Brennstoffzellenvorrichtung ist es möglich, die bereits in Bezug auf das Verfahren vorgenannten Vorteile zu erzielen.

Vorzugsweise ist das Messmittel am Druckstutzen des Verdrängerkompressors angeord net. Am Druckstutzen des Verdrängerkompressors ist eine verhältnismäßig einfache In tegration eines Messmittels zur zuverlässigen Ermittlung eines Betriebsschallpegels möglich.

Vorzugsweise ist die Steuereinheit mit dem Antriebsmittel wirkverbunden zur volumen stromanpassenden Verstellung der Drehzahl des Antriebsmittels. Mittels der Steuerein heit ist eine zuverlässige und insbesondere betriebsgünstige Verstellung der Drehzahl des Antriebsmittels und somit der Verdichterdrehzahl des Verdrängerkompressors mög lich, wobei unterschiedliche Betriebsdaten, wie zum Beispiel Betriebsschallpegel, Ver stellungswerte von druck- und/oder saugseitigen Steuerkanten, in schneller und zuver lässiger Weise zur Verstellung der Drehzahl des Antriebsmittels verarbeitet werden kön nen.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Steuereinheit mit einem Messmittel zur Ermittlung der Betriebstemperatur eines gasförmigen Betriebsstoffs wirkverbunden. Hierbei kann das Messmittel zur Ermittlung der Betriebstemperatur des gasförmigen Be triebsstoffs auch im Druckstutzen des Verdrängerkompressors angeordnet sein. Die Steuereinheit kann in Abhängigkeit der ermittelten Betriebstemperatur des gasförmigen Betriebsstoffs eine betriebsgünstige Minimierung der zum Betreiben des Verdrängerkom pressors erforderlichen Antriebsleistung mittels entsprechender Einstellung von Betriebs parametern in der Brennstoffzellenvorrichtung gewährleisten.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung.

Die Erfindung wird nachfolgend in einem Ausführungsbeispiel anhand einer zugehörigen Zeichnung näher erläutert. In einer einzigen Figur ist eine erfindungsgemäße Brennstoff zellenvorrichtung anhand eines Blockschaltbildes dargestellt.

Die Figur zeigt in schematischer Darstellung eine allgemein mit 10 bezeichnete Brenn stoffzellenvorrichtung, die eine Brennstoffzelle 11 aufweist, welche eine Kathodeneinheit 12 und eine Anodeneinheit 13 aufweist. Die Kathodeneinheit 12 ist eingangsseitig mittels einer als Pfeil 14 dargestellten Betriebsstoffzuführleitung mit einem Kompressor 15 wirk verbunden, der eingangsseitig mittels einer als Pfeil 29 dargestellten Betriebsstoffzuführ leitung mit Betriebsstoff, wie zum Beispiel Luft, beaufschlagt wird. Der Kompressor 15 ist insbesondere als Verdrängerkompressor ausgebildet. Die Anodeneinheit 13 ist ein gangsseitig mit einer als Pfeil 16 dargestellten Betriebsstoffzuführleitung wirkverbunden. Zwei als Pfeile 18 dargestellte Abgasleitungen führen von der Kathodeneinheit 12 und der Anodeneinheit 13 der Brennstoffzelle 11 zu einer katalytischen Brennereinheit 17, welche ausgangsseitig mittels einer als Pfeil 19 dargestellten Abgasleitung mit einer Ex pansionseinheit 20 wirkverbunden ist. Von der Expansionseinheit 20 führt eine als Pfeil 21 dargestellte Abgasleitung zu weiteren, nicht dargestellten Aggregaten der Brennstoff zellenvorrichtung 10 beziehungsweise von anderen Systemen. Die Expansionseinheit 20 ist mittels einer Welleneinheit 22, welche mit einem Elektromotor 23 wirkverbunden ist, mit dem Verdrängerkompressor 15 mechanisch gekoppelt. Die Welleneinheit 22 stellt ein Antriebsmittel für den Verdrängerkompressor 15 dar, wobei die Welleneinheit 22 mittels der Expansionseinheit 20 und/oder des Elektromotors 23, der zusätzlich auch als Gene rator ausgebildet sein kann, antreibbar ist. Der Verdrängerkompressor 15 weist allgemein mit 30 bezeichnete druck- und/oder saugseitige Steuerkanten auf, welche gemäß Dop pelpfeil 34 verstellbar sind. Der Verdrängerkompressor 15 weist vorzugsweise im Druck stutzen (nicht dargestellt) ein Messmittel 24 zur Ermittlung eines jeweils am Verdränger kompressor 15, beziehungsweise in dessen unmittelbarer Nähe, vorliegenden Betriebs schallpegels auf, das mittels einer als Pfeil 25 dargestellten Datenübertragungsleitung mit einer Steuereinheit 28 wirkverbunden ist. Ferner weist der Verdrängerkompressor 15 vorzugsweise im Druckstutzen (nicht dargestellt) ein Messmittel 26 zur Ermittlung der Betriebstemperatur des durch den Verdrängerkompressor 15 geförderten, gasförmigen Betriebsstoffs auf, welches mittels einer als Pfeil 27 dargestellten Datenübertragungslei tung mit der Steuereinheit 28 wirkverbunden ist. Die Steuereinheit 28 ist zusätzlich mittels der als Doppelpfeile 31, 32, 33 dargestellten Steuerleitungen mit dem Verdrängerkom pressor 15, dem Elektromotor 23 und der Expansionseinheit 20 operativ verbunden. Fer ner ist die Steuereinheit 28 mittels einer als Doppelpfeil 35 dargestellten Steuerleitung beziehungsweise Datenübertragungsleitung mit weiteren, nicht dargestellten Aggregaten der Brennstoffzellenvorrichtung 10 beziehungsweise von anderen Systemen wirkverbun den.

Die derartig ausgebildete Brennstoffzellenvorrichtung 10 ist vorteilhafterweise geeignet, einen jeweils am Verdrängerkompressor 15 vorliegenden Betriebsschallpegel mittels des Messmittels 24 zu ermitteln und die druck- und/oder saugseitigen Steuerkanten 30 des Verdrängerkompressors 15 in Abhängigkeit des ermittelten Betriebsschallpegels mittels der Steuereinheit 28 zu verstellen. Hierdurch wird eine vorteilhafte Begrenzung bezie hungsweise Minimierung von Schallemissionen während des Betriebs des Verdränger kompressors 15 in der Brennstoffzellenvorrichtung 10 erzielt. Ferner erfolgt mittels der Steuereinheit 28 in Abhängigkeit der Verstellung der Steuerkanten 30 eine volumenstro manpassende Verstellung der Drehzahl der Welleneinheit 22 (Antriebsmittel des Ver drängerkompressors 15). In dieser Weise wird mittels der Steuereinheit 28 gewährleistet, dass eventuell aufgrund der Verstellung der druck- und/oder saugseitigen Steuerkanten 30 des Verdrängerkompressors 15 auftretende Volumenstromveränderungen des mittels des Verdrängerkompressors 15 zu fördernden Betriebsstoffs (Luft) ausgeglichen werden. Somit wird auch bei Begrenzung beziehungsweise Reduzierung von Schallemissionen des Verdrängerkompressors 15 gewährleistet, dass der Verdrängerkompressor 15 stets die erforderliche Fördermenge an Betriebsstoff (Luft) an die Brennstoffzelle 11 fördert. Die entsprechenden Parameter werden somit mittels der Steuereinheit 28 einander an gepasst, um sowohl hinsichtlich der Schallemissionen als auch hinsichtlich der Förder menge an Betriebsstoff eine betriebsgünstige beziehungsweise wirkungsgradgünstige Einstellung der Brennstoffzellenvorrichtung 10 zu erzielen. Dabei erfolgt die Einstellung der druck- und/oder saugseitigen Steuerkanten 30 des Verdrängerkompressors 15 mittels der Steuerleitung 31 in Abhängigkeit des durch das Messmittel 24 ermittelten Betriebs schallpegels, während die volumenstromanpassende Verstellung der Drehzahl der Wel leneinheit 22 (Antriebsmittel des Verdrängerkompressors 15) mittels der als Doppelpfeile 32, 33 dargestellten Steuerleitung erfolgt. Die Ermittlung der Betriebstemperatur des gasförmigen Betriebsstoffs (Luft) durch das Betriebsmittel 26 dient zur vorteilhaften Mini mierung der erforderlichen Antriebsleistung zum Betreiben des Verdrängerkompressors 15 mittels der Steuereinheit 28.

Der weitere konstruktive Aufbau und die weitere Funktionsweise der Brennstoffzellenvor richtung 10 ist an sich bereits bekannt und wird nicht weiter ausführlich dargestellt bezie hungsweise beschrieben.

Claims

1. Verfahren zur Begrenzung von Schallemissionen eines Verdrängerkompressors in einer Brennstoffzellenvorrichtung, insbesondere eines Fahrzeugs, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

- Ermitteln eines jeweils am Verdrängerkompressor (15) vorliegenden Betriebs schallpegels;
- Verstellen von druck- und/oder saugseitigen Steuerkanten (30) des Verdränger kompressors (15) in Abhängigkeit des ermittelten Betriebsschallpegels.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit der Verstellung der Steuerkanten (30) eine volumenstromanpassende Verstellung der Drehzahl eines Antriebsmittels (22) des Verdrängerkompressors (15) erfolgt.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Betriebsschallpegel an einem Druckstutzen des Verdrängerkompressors (15) ermittelt wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich die Betriebstemperatur eines gasförmigen Betriebsstoffs im Druck stutzen des Verdrängerkompressors (15) ermittelt wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuereinheit (28) Daten in Bezug auf den Betriebsschallpegel erhält und die angepasste Verstellung der Steuerkanten (30) und der Drehzahl des Antriebs mittels (22) einleitet.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (28) Daten in Bezug auf die Betriebstemperatur des gasför migen Betriebsstoffs erhält und in Abhängigkeit dieser Daten die Antriebsleistung zum Betreiben des Verdrängerkompressors (15) minimiert.

7. Brennstoffzellenvorrichtung, insbesondere eines Fahrzeugs, mit einem Verdränger kompressor und einem mit diesem in Wirkverbindung stehenden Antriebsmittel, dadurch gekennzeichnet, dass ein Messmittel (24) zur Ermittlung eines jeweils am Verdrängerkompressor (15) vorliegenden Betriebsschallpegels vorgesehen ist, das mit einer Steuereinheit (28) wirkverbunden ist, welche mit dem Verdränger kompressor (15) zur vom ermittelten Betriebsschallpegel abhängigen Verstellung von druck- und/oder saugseitigen Steuerkanten (30) in Wirkkontakt steht.

8. Brennstoffzellenvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Messmittel (24) am Druckstutzen des Verdrängerkom pressors (15) angeordnet ist.

9. Brennstoffzellenvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (28) mit dem Antriebsmittel (22) wirkver bunden ist zur volumenstromanpassenden Verstellung der Drehzahl des Antriebs mittels (22).

10. Brennstoffzellenvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (28) mit einem Messmittel (26) zur Ermitt lung der Betriebstemperatur eines gasförmigen Betriebsstoffs wirkverbunden ist.