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Die
Erfindung betrifft ein Verdichtersystem für eine Brennstoffzellenanordnung
zur Versorgung von Brennstoffzellen der Brennstoffzellenanordnung mit
einem Oxidanten, mit einer Verdichtungsvorrichtung zur Verdichtung
des Oxidanten, wobei die Charakteristika der Verdichtungsvorrichtung
mittels eines Verdichterkennfelds und einer Pumpgrenzlinie, welche
das Verdichterkennfeld in einen stabilen und einen instabilen Bereich
unterteilt, beschreibbar sind, mit einer Kontrollvorrichtung, welches
ausgebildet ist, die Verdichtungsvorrichtung entlang einer Betriebskennlinie
zu kontrollieren, wobei die Betriebskennlinie zumindest abschnittsweise
um einen Abstandswert von der Pumpgrenzlinie versetzt ist. Die Erfindung
betrifft weiter eine Brennstoffzellenanordnung mit dem Verdichtersystem
sowie ein Verfahren zur Kontrolle eines oder des Verdichtersystems.
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Brennstoffzellenanordnungen
sind mobile oder stationäre Energiegeneratoren, welche
durch eine Umsetzung von chemischer Energie in elektrische Energie
die Versorgung eines Energieverbrauchers mit Strom erlauben. Die
Umsetzung erfolgt über einen elektro-chemischen Prozess,
wobei ein Brennstoff, meist Wasserstoff, mit einem Oxidanten, Sauerstoff,
insbesondere Umgebungsluft, katalytisch verbrannt wird. Mit der
Technologie der Brennstoffzellenanordnungen ist es beispielsweise
möglich, konventionelle Verbrennungsmotoren in Fahrzeugen durch
brennstoffzellenversorgte Elektromotoren zu ersetzen oder zumindest
Hybridbauweisen zu realisieren, um abgasarme bzw. -lose Fahrzeuge
für den Alltagsgebrauch bereit zu stellen.
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Eine
wirtschaftliche und damit alltagstaugliche Betriebsweise von Brennstoffzellenanordnungen erscheint
nur dann möglich, wenn alle Einzelkomponenten der Brennstoffzellenanordnungen
für ihren Anwendungszweck optimal ausgelegt sind. Ähnlich wie
bei dem Verbrennungsmotor muss eine besondere Aufmerksamkeit auf
die Versorgung der Brennstoffzellen mit den Arbeitsgasen bzw. den
Brennstoffen gelegt werden.
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Die
Druckschrift
DE 10120947
A1 offenbart beispielsweise eine Brennstoffzellen-Luftversorgung, welche
einen zweistufigen Verdichter zur Verdichtung von Umgebungsluft
als Oxidanten für die Brennstoffzellen umfasst. Der Verdichter
weist zwei hintereinander geschaltete Strömungsmaschinen
auf, die beispielsweise als Radialverdichter ausgebildet sind. Der
Betriebsbereich des Verdichters wird zu den niederen Massendurchsätzen
durch die sogenannte Pumpgrenze beschränkt, welche einen
stabilen Bereich in einem Massenstrom-Verdichtungs-Diagramm von
einem instabilen Bereich trennt. In der Druckschrift wird vorgeschlagen,
dass bei niedrigen Massenströmen durch Zuschaltung einer
Abzweigungsleitung nach dem Verdichter ein Teil des Massenstroms
abgezweigt wird, um den Massenstrom durch den Verdichter künstlich
zu erhöhen und damit einen Eintritt des Verdichters in
den instabilen Bereich zu vermeiden.
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Die
Druckschrift mit der Anmeldenummer
DE 10 2004 035 575.4 , welche
wohl den nächstkommenden Stand der Technik bildet, beschreibt
ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung einer Brennkraftmaschine
mit einem Verdichter, insbesondere mit einem Abgasturbolader zur
Verdichtung der angesaugten Luft, wobei ein Sicherheitsabstand zur Pumpgrenze
dynamisch in Abhängigkeit der Volumenstromänderung
am Verdichter und/oder der Druckänderung am Verdichteraustritt
angepasst wird. Diese Druckschrift geht von dem Standpunkt aus,
dass zur Gewährleistung eines sicheren Betriebes jederzeit
ein Sicherheitsabstand des Betriebspunktes des Verdichters von der
Pumpgrenze einzuhalten ist, jedoch der Sicherheitsabstand in Abhängigkeit
der Fahrdynamik automatisch angepasst werden kann.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verdichtersystem, eine
Brennstoffzellenanordnung mit dem Verdichtersystem sowie ein Verfahren zur
Kontrolle eines bzw. des Verdichtersystems vorzuschlagen, wobei
sich die Neuerung durch die Möglichkeit einer Verringerung
der benötigten Bauteile und/oder eines verbesserten Teilwirkungsgrads
auszeichnet.
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Die
Aufgabe wird durch ein Verdichtersystem mit den Merkmalen des Anspruchs
1, einer Brennstoffzellenanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs
12 sowie durch ein Verfahren zur Kontrolle mit den Merkmalen des
Anspruchs 13 gelöst. Bevorzugte oder vorteilhafte Ausführungsformen
der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüche, der nachfolgenden
Beschreibung und/oder den beigefügten Figuren.
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Im
Rahmen der Erfindung wird ein Verdichtersystem für eine
Brennstoffzellenanordnung vorgeschlagen, welches zur Versorgung
der Brennstoffzellen mit einem Oxidanten, also beispielsweise Umgebungsluft,
ausgebildet ist. Die Brennstoffzellen sind bevorzugt in Brennstoffzellenstapeln
mit mindestens 100, vorzugsweise mindestens 150 Brennstoffzellen organisiert.
Bei einer bevorzugten Realisierung weist jede Brennstoffzelle einen
Anoden- und einen Kathodenbereich auf, welche durch eine Membran,
insbesondere durch eine PEN (Proton-Exchange-Membrane) voneinander
getrennt sind. Das Verdichtersystem ist bevorzugt ausgebildet, den
Oxidanten von einem Ausgangszustand durch Energieübertrag
in einen Verbrauchszustand zu überführen. Bevorzugt weist
der Oxidant in dem Verbrauchszustand gegenüber dem Ausgangszustand
einen höheren Druck und/oder eine höhere Geschwindigkeit
auf.
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Dieser
Energieübertrag, auch Verdichten genannt, erfolgt mittels
einer Verdichtungsvorrichtung, wobei deren Betriebseigenschaften über
ein Verdichterkennfeld mit einer Pumpgrenzlinie modellhaft beschreibbar
ist.
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Das
Verdichterkennfeld wird bevorzugt als Kennlinienfeld aufgetragen,
wobei sich die unterschiedlichen Kennlinien durch unterschiedliche
Drehzahlen der Verdichtungsvorrichtung unterscheiden und/oder als
Iso-Drehzahllinien ausgebildet sind. Die Kennlinien werden – ebenfalls
bevorzugt – gegenüber dem Massenstrom und dem
Druckverhältnis des Oxidanten im Ausgangszustand und im
Verbrauchszustand aufgetragen. Der Massenstrom – auch Durchsatz
genannt – wird beispielsweise in [kg/s] und das Druckverhältnis
als der Quotient Ausgangszustandsdruck/Verbrauchszustandsdruck,
also dimensionslos, angegeben.
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Die
Pumpgrenzlinie trennt Arbeitspunkte, also Massenstrom-Druckverhältnis-Tupel,
in einen stabilen und in einen instabilen Bereich auf. Prinzipbedingt
sind bei als Strömungsmaschinen ausgebildeten Verdichtungsvorrichtungen
der geförderte Massenstrom und der maximale Druckaufbau
miteinander gekoppelt. Die Kopplung wird durch aerodynamische Komponenten,
wie z. B. Verdichterrad, Verdichterspirale, Diffusor, Brennstoffzellen
etc. festgelegt. Es ist jedoch nicht jeder beliebiger Arbeitspunkt tatsächlich
erreichbar, vielmehr kommt es bei gleichbleibender Drehzahl und
sich verringernden Massenstrom irgendwann zu messbaren Druck- und/oder Volumenstromschwankungen,
also Instabilitäten. Die Instabilitäten werden
im Wesentlichen durch zu hohe Verzögerungen der Strömung
in der Verdichtungsvorrichtung hervorgerufen. Wird der Massenstrom weiter
vermindert, so führt dies zu einer Strömungsablösung
in der Verdichtergeometrie und zum sogenannten Pumpen. Das Pumpen
ist gekennzeichnet durch ein insbesondere zyklisches Fördern
und Rückströmen des komprimierten Mediums, üblicherweise
begleitet von hohen Vibrationen etc.
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Eine
Pumpgrenze bzw. Pumpgrenzlinie wird gemäß einer
ersten möglichen Definition als Grenzlinie zu dem Bereich
gelegt, in dem die geschilderten Instabilitäten vorliegen
und diesen bereits als instabilen Bereich von dem stabilen Bereich
abtrennen. Gemäß einer zweiten, möglichen
Definition wird die Pumpgrenze bzw. Pumpgrenzlinie als Grenzlinie
zu dem Bereich gelegt, in dem das sogenannte Pumpen bereits auftritt,
der Bereich der Instabilitäten jedoch noch zu dem stabilen
Bereich zugeordnet. Alternativ oder ergänzend beschreibt
die Pumpgrenze bzw. Pumpgrenzlinie den maximalen Druckaufbau bei
einem bestimmten Massenstrom und einer bestimmten oder angepassten
Drehzahl der Verdichtungsvorrichtung.
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Es
ist auch möglich, das Kennlinienfeld und/oder die Pumpgrenzlinie
in einer alternativen und/oder äquivalenten mathematischen
Darstellung anzugeben.
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Das
Verdichtersystem umfasst ferner eine Kontrollvorrichtung, die die
Verdichtungsvorrichtung steuert und/oder regelt und zwar entlang
mindestens einer Betriebskennlinie. Es ist zwar, insbesondere um
den Kontrollaufwand einzuschränken, bevorzugt, dass die
Kontrollvorrichtung genau eine Betriebskennlinie benutzt. Bei abgewandelten
Ausführungsformen kann die Kontrollvorrichtung jedoch auch zwei
oder mehr Betriebskennlinien verwenden, die sich im speziellen sogar
zu einem Betriebskennfeld ergänzen können. Die
eine oder mehrere Betriebskennlinien sind jedoch zumindest abschnittsweise um
einen Abstandswert zu der Pumpgrenzlinie angeordnet.
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Gemäß der
Erfindung wird der Abstandswert so gewählt, dass dieser
eine drehzahlabhängige Komponente aufweist, also eine Komponente,
welche in Abhängigkeit der Drehzahl und/oder einer effektiven
Drehzahl der Verdichtungsvorrichtung gewählt ist. Beispielsweise
wird mit sinkender Drehzahl die drehzahlabhängige Komponente
und/oder der Abstandswert stetig und/oder linear kleiner.
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Es
ist dabei eine Überlegung der Erfindung, dass bei den üblichen
Auslegungen von Verdichtersystemen, insbesondere Verdichtungsvorrichtungen, der
Druckaufbau bei geringen Massenströmen und Drehzahlen zu
gering ist, um das für die Brennstoffzellen notwendige
Druckniveau aufzubauen. Wird dagegen auf das notwendige Druckniveau
geregelt oder gesteuert, ist der Massenstrom zu hoch, was zum Beispiel
zu Austrocknungsproblemen in den Brennstoffzellen führen
kann. Es wurde festgestellt, dass die negativen Folgen bei einer
Unterschreitung der Pumpgrenzlinie bei einem Betrieb eines Verdichtersystems
bzw. einer Verdichtungsvorrichtung über den gesamten verfügbaren
Drehzahlbereich der Verdichtungsvorrichtungen nicht gleichmäßig
auftreten, sondern bei hohen Drehzahlen besonders schwer ins Gewicht
fallen. Die Erfindung nutzt diese Erkenntnis, indem der Abstandswert
der Betriebskennlinie in Abhängigkeit von der Drehzahl
der Verdichtungsvorrichtung gewählt ist.
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Bei
einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist der Abstandswert
so gewählt, dass die Betriebskennlinie zumindest abschnittsweise
in dem instabilen Bereich verläuft. Insbesondere ist dieser
im instabilen Bereich verlaufende Abschnitt der Betriebskennlinie
bei niedrigen Drehzahlen und/oder in einem Teillastbereich der Verdichtungsvorrichtung bzw.
des Verdichtersystems angeordnet. Optional ist es bevorzugt, dass
die Betriebskennlinie im Bereich des Volllastarbeitspunkts in einem
stabilen Bereich angeordnet ist, so dass die Betriebskennlinie die Pumpgrenzlinie
mindestens oder genau einmal schneidet. Diese Weiterbildung unterstreicht
den erfinderischen Gedanken, gerade bei kleinen Drehzahlen und/oder
in einem Teillastbereich der Verdichtungsvorrichtung die Drehzahlabhängigkeit
des Abstandswerts so zu gestalten, dass die Betriebskennlinie in
dem instabilen Bereich verläuft, da bei den niedrigen Betriebspunkten,
die Druckschwankungen in der Verdichtungsvorrichtung so gering sind,
dass keine mechanischen Schäden der Verdichtungsvorrichtung
befürchtet werden müssen.
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Bei
dieser Ausgestaltung ergibt sich auch der Vorteil, dass keine zusätzlichen
Ventile, Bypass-Leitungen oder Abblasleitungen zur Ableitung von
dem komprimierten Oxidanten nach der Verdichtungsvorrichtung eingesetzt
werden müssen, um den erforderlichen Mindestmassenstrom
bzw- -durchsatz aufrechtzuerhalten. Auf diese Weise werden zum einen Bauteile
und somit erhebliche Kosten eingespart, zum anderen wird ein erheblich
verbesserter Teillastwirkungsgrad erwartet. So haben bereits Experimente
gezeigt, dass Verdichtungsvorrichtungen in dem Teillastbereich mit
einer Betriebskennlinie im instabilen Bereich eine Laufzeit von
mehr als vierhundert Stunden ohne Schäden absolvieren konnten.
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Bei
einer bevorzugten Realisierung der Erfindung ist die Betriebskennlinie
so ausgebildet, dass diese die Pumpgrenzlinie über den
aufgetragenen Massestrom und/oder über die aufgetragene
Druckerhöhung in etwa mittig schneidet. Diese Realisierung
unterstreicht den Nutzen der Erfindung, da diese etwa 50% der Betriebszustände
der Verdichtungsvorrichtung abdecken kann.
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Wie
bereits erläutert, ist es bevorzugt, dass die Betriebskennlinie
in einem Volllastarbeitspunkt bzw. in dessen Bereich in dem stabilen
Bereich des Verdichterkennfelds verläuft. Unter Volllastarbeitspunkt
wird der Arbeitspunkt verstanden, bei dem die mit der Verdichtungsvorrichtung
versorgte Brennstoffzellenanordnung unter Volllastbedingungen arbeitet.
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Dabei
ist es besonders vorteilhaft, wenn der Volllastarbeitspunkt in einem
lokalen Maximum des Wirkungsgrads des Verdichtersystems und/oder
der Verdichtungsvorrichtung gelegt ist. Auf diese Weise ist sichergestellt,
dass das Verdichtersystem im Volllastbetrieb der Brennstoffzellenanordnung
am effektivsten und/oder am sparsamsten arbeitet.
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Bei
einer vorteilhaften Auslegung des Verdichtersystems sind die Betriebskennlinie
und/oder die Pumpgrenzlinie als eine Gerade oder zumindest geradenähnlich
ausgebildet, wobei es besonders bevorzugt ist, dass beide einen
gemeinsamen Schnittpunkt aufweisen, um den diese zueinander verdreht angeordnet
sind. Insbesondere ist die Verdrehung so realisiert, dass der Teillastbereich
der Betriebskennlinie in dem instabilen Bereich des Verdichterkennfelds
und der Abschnitt des Volllastarbeitsbereichs in einem stabilen
Bereich des Verdichterkennfelds angeordnet ist.
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Bei
einer konstruktiven Realisierung des Verdichtersystems ist vorgesehen,
dass die Verdichtungsvorrichtung eine oder mehrere Strömungsmaschinen,
bevorzugt zwei Strömungsmaschinen, aufweist. Im Falle von
mehreren Strömungsmaschinen ist bevorzugt, dass diese seriell
zueinander geschaltet sind. Die drehzahlabhängige Komponente
wird in Abhängigkeit der genau einen Strömungsmaschine, einer
beliebigen der Strömungsmaschinen oder einem Kumulationswert
oder einer effektiven Drehzahl von mehreren Strömungsmaschinen
gebildet. Die effektive Drehzahl kann beliebig realisiert sein,
so zum Beispiel als eine Mittelung von mehreren Drehzahlen.
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Die
Verdichtungsvorrichtung ist bevorzugt als ein Turbolader, insbesondere
als ein Abgasturbolader, insbesondere mit einem elektrischen Antrieb und/oder
einem Abgasantrieb, ausgebildet.
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Die
Festlegung der Pumpgrenzlinie erfolgt bevorzugt dadurch, dass stationäre
Zustände der Verdichtungsvorrichtung ermittelt und ausgewertet werden.
Die Pumpgrenzlinie stellt somit – wie bereits eingangs
erläutert – ein Charakteristikum der Verdichtungsvorrichtung
dar.
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Bei
einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung
ist die Kontrollvorrichtung ausgebildet, im normalen Betrieb die
Verdichtungsvorrichtung auf die Betriebskennlinie ohne Benutzung
einer Abzweigungsleitung, einer Abblaseinrichtung oder dergleichen
zur Abzweigung eines Teils des komprimierten Massenstroms zu kontrollieren. Dabei
kann es zum einen vorgesehen sein, dass eine derartige Abzweigungsleitung
etc. vorgesehen ist, diese jedoch nicht im normalen Betrieb verwendet wird,
sondern nur in Sonderbetriebszuständen, wie zum Beispiel
Entlüftung oder dergleichen des Verdichtungssystems eingesetzt
wird. Alternativ hierzu ist das Verdichtersystem frei von derartigen
Abzweigungs-, Abblas- oder Bypass-Leitungen ausgebildet.
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Ein
weiterer Gegenstand der Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenanordnung
für den mobilen Betrieb, welche insbesondere zur Versorgung
eines Antriebsstrangs für ein Kraftfahrzeug geeignet und/oder
ausgebildet ist, welche gemäß dem Anspruch 12
durch ein Verdichtersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche
gekennzeichnet ist.
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Ein
weiterer Gegenstand der Erfindung betrifft ein Verfahren mit den
Merkmalen des Anspruchs 13 zur Kontrolle eines Verdichtersystems
für eine Brennstoffzellenanordnung, wobei das Verdichtersystem
und/oder die Brennstoffzellenanordnung nach einem der vorhergehenden
Ansprüche ausgebildet ist oder das Verdichtersystem nach
dem Oberbegriff des Anspruchs 1 in einer beliebigen Kombinationen
der nachfolgenden Merkmale der Unteransprüche und/oder
der Beschreibung ausgebildet ist. Charakterisiert wird das Verfahren
dadurch, dass die Betriebskennlinie in einem Kleinlastarbeitsbereich zumindest
abschnittsweise in dem instabilen Bereich des Verdichterkennfelds
verläuft.
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Weitere
Merkmale, Vorteile und Wirkungen der Erfindung ergeben sich aus
der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels
der Erfindung. Dabei zeigen:
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1 ein
Verdichterkennfeld zur Illustration der Wirkungsweise eines Ausführungsbeispiels
der Erfindung;
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2 ein
Blockschaltbild eines Verdichtersystems als ein oder das Ausführungsbeispiel
der Erfindung.
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Die 1 zeigt
in einer schematischen Darstellung ein Verdichterkennfeld 1,
welches in einem Koordinatensystem aufgetragen ist, dessen X-Achse 2 einen
Massenstrom, zum Beispiel in Kilogramm pro Sekunde, als einen Durchsatz
durch eine Verdichtungsvorrichtung und dessen Y-Achse 3 das
Druckverhältnis PE/PA, also das Druckverhältnis
zwischen Eingangsdruck und Ausgangsdruck des Oxidanten in der Verdichtungsvorrichtung
zeigt. In dem Verdichterkennfeld 1 sind eine Mehrzahl von
Kennlinien 4a–f eingetragen, welche jeweils Kennlinien
gleicher Drehzahl der Verdichtungsvorrichtung (n = konstant) repräsentieren.
Die Kennlinien 4a bis 4f geben somit bei einer
festen Drehzahl n den Zusammenhang zwischen dem Durchsatz und dem
Druckverhältnis wieder.
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Die
Kennlinien 4a–4f können jedoch
nicht über den gesamten, im Betrieb benötigten
Durchsatz abgefahren werden, vielmehr zeigt jede Kennlinie 4a–f
in Richtung eines geringer werdenden Durchsatzes eine Begrenzung,
welche für alle Kennlinien 4a bis 4f durch
eine gemeinsame Pumpgrenzlinie 5 dargestellt ist. Die Pumpgrenzlinie 5 veranschaulicht
für jede Kennlinie 4a–4f den
Arbeitspunkt in dem Verdichterkennfeld 1, an dem bei einer
festen Drehzahl n eine Verringerung des Durchsatzes nicht mehr störungsarm
möglich ist. In den durch die Kennlinien 4a–f
und der Pumpgrenzlinie 5 gebildeten Schnittpunkten kommt
es gemäß einer ersten Definition der Pumpgrenze
zu Instabilitäten, welche den Beginn einer Strömungsablösung
in der Verdichtergeometrie der Verdichtungsvorrichtung kennzeichnen
oder gemäß einer zweiten Definition zum sogenannten
Pumpen, also zu einem teilweise Rückströmen des
Gasstroms gegen die Förderrichtung in dem komprimierten
Gasstrom. Die Pumpgrenzlinie 5 unterteilt das Verdichterkennfeld 1 somit
in einen instabilen Bereich I, welcher oberhalb der Pumpgrenzlinie 5 liegt und
einen stabilen Bereich II, welcher unterhalb der Pumpgrenzlinie 5 angeordnet
ist.
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Die
Auslegung und/oder die Betriebsweise der Verdichtungsvorrichtung
wird gemäß einer Betriebskennlinie 6 gewählt,
welche sich in dem Verdichterkennfeld 1 von einem Volllastarbeitspunkt 7 beginnend
erstreckt. Der Volllastarbeitpunkt 7 entspricht dem Massenstrom,
welcher benötigt wird, um eine nachgeschaltete Brennstoffzellenanordnung
in einem Volllastbetrieb mit dem Oxidanten zu versorgen.
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Ausgehend
von dem Volllastarbeitspunkt 7 erstreckt sich die Betriebskennlinie 6 geradenartig und
schneidet in Bezug auf den Durchsatz die Pumpgrenzlinie 5 in
einem Schnittpunkt 8 etwa mittig. Im weiteren Verlauf verläuft
die Betriebskennlinie 5 nach dem Schnittpunkt 8 in
den instabilen Bereich I. In diesem Abschnitt wird ausgehend vom
Schnittpunkt 8 der Abstand d der Betriebskennlinie 6 zu
der Pumpgrenzlinie 5 stetig größer.
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Im
gezeigten Beispiel ist der Abstandswert d zu der Pumpgrenzlinie 5 demnach
so gewählt, dass im Bereich des Volllastarbeitspunkts 7 ein
maximaler Abstandswert Dmax vorliegt, welcher sich stetig und/oder
linear bis zu dem Schnittpunkt 8 verkleinert und nach dem
Schnittpunkt 8 – jedoch im instabilen Bereich
II – betragsmäßig wieder größer
wird, vorzeichenbehaftet aber kleiner wird. Bezüglich der
Pumpgrenzlinie 5 wechselt der Abstandswert d somit sein Vorzeichen.
Die in der Nähe des Koordinatenursprungs eingezeichnete
Fläche in dem instabilen Bereich I zeigt den verfügbaren
Bereich an, in den die Betriebskennlinie 6 gelegt werden
kann, ohne eine Beschädigung der Verdichtungsvorrichtung
zu provozieren.
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Die 2 zeigt
in einer schematischen Blockdarstellung ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung in Form einer Brennstoffzellenanordnung 9,
die mindestens einen Brennstoffzellenstapel mit Brennstoffzellen 10 umfasst,
welche jeweils über eine Membran 11 in einen Kathoden-
und einen Anodenraum unterteilt sind. Die Brennstoffzellenanordnung 9 ist
beispielweise als mobile Einheit für ein Kraftfahrzeug
ausgebildet.
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Zur
Versorgung der Brennstoffzellen 10 mit einem Oxidanten,
insbesondere Umgebungsluft, ist ein Verdichtersystem 12 vorgesehen,
welches eine Verdichtungsvorrichtung 13 aufweist. Die Verdichtungsvorrichtung 13 bringt
den Oxidanten, insbesondere Umgebungsluft, von einem Ausgangszustand
A in einen Verbrauchszustand V, indem dem Oxidanten Energie zugeführt
und/oder dieser verdichtet wird. Die Verdichtungsvorrichtung 13 ist
ein-, zwei- oder mehrstufig ausgebildet, wobei eine, einige oder
jede Stufe als eine Strömungsmaschine, beispielsweise als
ein Radialverdichter realisiert ist.
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Zum
Antrieb der Verdichtungsvorrichtung 13 kann zum einen ein
elektrischer Antrieb vorgesehen sein, zum anderen kann die Verdichtungsvorrichtung 13 auch
als ein Abgasturbolader realisiert sein, wobei die Antriebsenergie
vollständig oder zum Teil von einer Abgasturbine 14 gestellt
wird, welche entweder mechanisch oder elektrisch mit der Verdichtungsvorrichtung 13 verbunden
ist.
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Um
das Verdichtersystem 12 in der anhand der 1 dargestellten
Betriebsweise anzusteuern, zeigt das Verdichtersystem 12 eine
Kontrollvorrichtung 15, welche beispielsweise als ein Microcontroller
oder eine zentrale Steuereinrichtung o. ä. ausgebildet
sein kann, die die Verdichtungsvorrichtung 13 gemäß der
Leistungsanforderung entlang der Betriebskennlinie 6 in 1 kontrolliert,
wobei das Verdichterkennfeld 1 in der 1 die
Charakteristika der Verdichtungsvorrichtung 13 bzw. des
Verdichtersystems 12 als ein mögliches Beispiel
repräsentiert.
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Im
Besonderen ist darauf hinzuweisen, dass zwischen der Ausgangsseite
der Verdichtungsvorrichtung 12 und der Eingangsseite der
Brennstoffzelle 10 keine Abblas-, Bypass-Leitung oder dergleichen
vorgesehen ist, um den Massenstrom in der Verdichtungsvorrichtung 13 künstlich
zu erhöhen.
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Durch
den Betrieb der Verdichtungsvorrichtung 13 in dem durch
die Strichelung angedeuteten Bereich in der 1, also
im Teillastbetrieb im instabilen Bereich II, wird zum einen in dem
Bereich II ein sehr hoher Wirkungsgrad erreicht und zum anderen können
Bauteile, wie zum Beispiel für die Abblas- oder Bypass-Leitung
eingespart werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 10120947
A1 [0004]
- - DE 102004035575 [0005]