DE102008006739A1 - Verdichtersystem für eine Brennstoffzellenanordnung, Brennstoffzellenanordnung und Verfahren zur Kontrolle - Google Patents

Verdichtersystem für eine Brennstoffzellenanordnung, Brennstoffzellenanordnung und Verfahren zur Kontrolle Download PDF

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Abstract

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. Hierzu wird ein Verdichtersystem 12 für eine Brennstoffzellenanordnung zur Versorgung von Brennstoffzellen 10 der Brennstoffzellenanordnung mit einem Oxidanten vorgeschlagen, mit einer Verdichtungsvorrichtung 13 zur Verdichtung des Oxidanten, wobei die Charakteristika der Verdichtungsvorrichtung 13 mittels eines Verdichterkennfelds 1 und einer Pumpgrenzlinie 5, welche das Verdichterkennfeld 1 in einen stabilen I und einen instabilen II Bereich unterteilt, beschreibbar sind, mit einer Kontrollvorrichtung 15, welche ausgebildet ist, die Verdichtungsvorrichtung 13 entlang einer Betriebskennlinie 6 zu kontrollieren, wobei die Betriebskennlinie 6 zumindest abschnittsweise um einen Abstandswert von der Pumpgrenzlinie 5 versetzt ist, wobei der Abstandswert eine drehzahlabhängige Komponente umfasst, welche abhängig von der Drehzahl der Verdichtungsvorrichtung 13 ist.

Description

  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Dieser Energieübertrag, auch Verdichten genannt, erfolgt mittels einer Verdichtungsvorrichtung, wobei deren Betriebseigenschaften über ein Verdichterkennfeld mit einer Pumpgrenzlinie modellhaft beschreibbar ist.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Es ist auch möglich, das Kennlinienfeld und/oder die Pumpgrenzlinie in einer alternativen und/oder äquivalenten mathematischen Darstellung anzugeben.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Die Verdichtungsvorrichtung ist bevorzugt als ein Turbolader, insbesondere als ein Abgasturbolader, insbesondere mit einem elektrischen Antrieb und/oder einem Abgasantrieb, ausgebildet.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Weitere Merkmale, Vorteile und Wirkungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung. Dabei zeigen:
  • 1 ein Verdichterkennfeld zur Illustration der Wirkungsweise eines Ausführungsbeispiels der Erfindung;
  • 2 ein Blockschaltbild eines Verdichtersystems als ein oder das Ausführungsbeispiel der Erfindung.
  • 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.
  • Die Kennlinien 4a4f 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 4a4f 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • - DE 10120947 A1 [0004]
    • - DE 102004035575 [0005]

Claims (13)

  1. Verdichtersystem (12) für eine Brennstoffzellenanordnung zur Versorgung von Brennstoffzellen (10) der Brennstoffzellenanordnung mit einem Oxidanten, mit einer Verdichtungsvorrichtung (13) zur Verdichtung des Oxidanten, wobei die Charakteristika der Verdichtungsvorrichtung (13) mittels eines Verdichterkennfelds (1) und einer Pumpgrenzlinie (5), welche das Verdichterkennfeld (1) in einen stabilen (I) und einen instabilen (II) Bereich unterteilt, beschreibbar sind, mit einer Kontrollvorrichtung (15), welche ausgebildet ist, die Verdichtungsvorrichtung (13) entlang einer Betriebskennlinie (6) zu kontrollieren, wobei die Betriebskennlinie (6) zumindest abschnittsweise um einen Abstandswert von der Pumpgrenzlinie (5) versetzt ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstandswert (d) eine drehzahlabhängige Komponente umfasst, welche abhängig von der Drehzahl der Verdichtungsvorrichtung (13) ist.
  2. Verdichtersystem (12) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebskennlinie (6) die Pumpgrenzlinie (5) schneidet.
  3. Verdichtersystem (12) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer linearen Auftragung die Betriebskennlinie (6) die Pumpgrenzlinie (5) mittig schneidet.
  4. Verdichtersystem (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebskennlinie (6) in einem Volllastarbeitspunkt (7) und/oder in einem Bereich des Vollastarbeitsbereichs (7) in dem stabilen Bereich (I) des Verdichterkennfelds (1) verläuft.
  5. Verdichtersystem (12) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Volllastarbeitspunkt (7) in einem lokalen Maximum des Wirkungsgrads des Verdichtersystems (12) und/oder der Verdichtungsvorrichtung (13) gelegt ist.
  6. Verdichtersystem (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebskennlinie (6) in einem Kleinlastarbeitsbereich in dem instabilen Bereich (II) des Verdichterkennfelds (1) verläuft.
  7. Verdichtersystem (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebskennlinie (6) und/oder die Pumpgrenzlinie (5) als eine Gerade oder zumindest abschnittsweise geradenähnlich ausgebildet ist bzw. sind.
  8. Verdichtersystem (12) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass Betriebskennlinie (6) und die Pumpgrenzlinie (5) um einen gemeinsamen Schnittpunkt (8) zueinander verdreht oder verschwenkt angeordnet sind.
  9. Verdichtersystem (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdichtungsvorrichtung (13) eine oder mehrere Strömungsmaschinen aufweist, wobei die drehzahlabhängige Komponente in Abhängigkeit der, einer beliebigen oder einem Kumulationswert von mehreren Strömungsmaschinen gebildet ist.
  10. Verdichtersystem (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpgrenzlinie (5) durch Auswertung von stationären Zuständen der Verdichtungsvorrichtung (13) ermittelt ist.
  11. Verdichtersystem (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontrollvorrichtung (15) ausgebildet ist, im normalen Betrieb die Verdichtungsvorrichtung (13) auf die Betriebskennlinie (6) ohne Benutzung einer Abzweigungsleitung zur Abzweigung eines Teils des ausgestoßenen Massenstroms zu kontrollieren.
  12. Brennstoffzellenanordnung (9) z. B. für den mobilen Betrieb, insbesondere zur Versorgung eines Antriebsstrangs für ein Kraftfahrzeug, gekennzeichnet durch ein Verdichtersystem (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
  13. Verfahren zur Kontrolle eines Verdichtersystems (12) für eine Brennstoffzellenanordnung (9), vorzugsweise nach einem der vorhergehenden Ansprüche und/oder nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebskennlinie (6) in einem Kleinlastarbeitsbereich zumindest abschnittsweise in dem instabilen Bereich (II) des Verdichterkennfelds (1) verläuft.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2023285214A1 (de) * 2021-07-13 2023-01-19 Robert Bosch Gmbh Verfahren zum betreiben eines brennstoffzellensystems sowie steuergerät

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP6969432B2 (ja) * 2018-02-21 2021-11-24 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システムおよび燃料電池システムの制御方法

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10120947A1 (de) 2001-04-22 2002-10-24 Daimler Chrysler Ag Brennstoffzellen-Luftversorgung
DE102004035575A1 (de) 2004-07-22 2006-02-16 Daimlerchrysler Ag Verfahren und Vorrichtung zur Steuerung einer Brennkraftmaschine mit einem Verdichter, insbesondere eines Abgasturboladers

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CA1314486C (en) * 1984-06-19 1993-03-16 Michael John Charles Waterman Axial flow compressor surge margin improvement
EP1069314A1 (de) * 1999-07-16 2001-01-17 Abb Research Ltd. Regelung einer Kompressoreinheit

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10120947A1 (de) 2001-04-22 2002-10-24 Daimler Chrysler Ag Brennstoffzellen-Luftversorgung
DE102004035575A1 (de) 2004-07-22 2006-02-16 Daimlerchrysler Ag Verfahren und Vorrichtung zur Steuerung einer Brennkraftmaschine mit einem Verdichter, insbesondere eines Abgasturboladers

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2023285214A1 (de) * 2021-07-13 2023-01-19 Robert Bosch Gmbh Verfahren zum betreiben eines brennstoffzellensystems sowie steuergerät

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