WO2010020332A1

WO2010020332A1 - Verfahren zum betrieb eines brennstoffzellensystems mit einer brennstoffzelle und einem elektrisch antreibbaren turbolader

Info

Publication number: WO2010020332A1
Application number: PCT/EP2009/005451
Authority: WO
Inventors: Rolf-Peter Essling; Andreas Knoop; Jörg STRAUHS; Thorsten Tüxen; Markus Walter; Klaus Weigele; Norbert Wiesheu
Original assignee: Daimler Ag; Ford Global Technologie, Llc
Priority date: 2008-08-22
Filing date: 2009-07-28
Publication date: 2010-02-25
Also published as: DE102008039407A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems mit einer Brennstoffzelle 16, einem elektrisch antreibbaren Turbolader, der einen Verdichter 13 und eine parallel zum Verdichter angeordnete Bypassleitung 19 mit einer Durchflusssteuereinrichtung 15 umfasst, und einer Sensoreinrichtung 12, 20 zur Messung und/oder Berechnung eines Massenstroms durch die Bypassleitung 19, bei dem mit Hilfe der Durchflusssteuereinrichtung 15 ein Massenstrom durch die Bypassleitung 19 derart eingestellt wird, dass der Verdichter 13 in einem Betriebsbereich zwischen einer Pumpgrenze 2 des Verdichters 13 und einer Druckverlustkurve 3 der Brennstoffzelle 16 betrieben wird. Die Erfindung betrifft ferner ein Brennstoffzellensystem 10 zur Durchführung des Verfahrens.

Description

Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems mit einer Brennstoffzelle und einem elektrisch antreibbaren Turbolader

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems mit einer Brennstoffzelle, einem elektrisch antreibbaren Turbolader, der einen Verdichter und einen parallel zum Verdichter angeordneten Bypass mit einer Durchflusssteuereinrichtung umfasst, und einer Sensoreinrichtung zur Messung und/oder Berechnung eines Massenstroms durch den Bypass. Die Erfindung betrifft ferner ein Brennstoffzellensystem zur Durchführung des Verfahrens.

Aus der DE 11 2005 000 767 T5 ist ein Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems mit einer Brennstoffzelle und einem elektrisch antreibbaren Turbolader bekannt, bei dem das Brennstoffzellensystems in Abhängigkeit von einer gemessenen Durchflussmenge der eingeleiteten Luft betrieben wird.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems mit einer Brennstoffzelle und einem elektrisch antreibbaren Turboladers anzugeben, bei dem die Gefahr von Beschädigungen an Verdichter und/oder Brennstoffzellen verringert ist.

Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Dabei wird mit Hilfe der Durchflusssteuereinrichtung ein Massenstrom durch den Bypass derart eingestellt, dass der Verdichter in einem Betriebsbereich zwischen einer Pumpgrenze des Verdichters und einer Druckverlustkurve der Brennstoffzelle betrieben wird. Dadurch ist die Gefahr von Beschädigungen des Verdichters verringert. Durch eine Druckregelung auf der Kathodenseite und der Anodenseite der Brennstoffzelle lässt sich ferner eine Druckdifferenz zwischen der Kathodenseite und der Anodenseite innerhalb vorgegebener Grenzen halten, so dass Beschädigungen einer Elektrolytmembran zwischen der Luft führenden Kathodenseite und der Wasserstoff führenden Anodenseite der Brennstoffzelle zumindest weitgehend ausgeschlossen sind.

Die Aufgabe wird ferner gelöst durch ein Brennstoffzellensystem mit einer Brennstoffzelle und einem elektrisch antreibbaren Turbolader, der einen Verdichter umfasst, bei dem erfindungsgemäß parallel zum Verdichter eine Bypassleitung mit einer Durchflusssteuereinrichtung angeordnet ist, wobei ein Massenstrom durch die Bypassleitung mit Hilfe eines Ventilelements einstellbar ist und mit Hilfe einer Sensoreinrichtung messbar und/oder berechenbar ist.

In einer Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Sensoreinrichtung einen ersten Luftmassenstromsensor in einer Ansaugleitung des Brennstoffzellensystems. Der erste Luftmassenstromsensor kann dabei alternativ stromaufwärts oder stromabwärts einer Einmündungsstelle der Bypassleitung in die Ansaugleitung angeordnet sein. Damit ist eine erste aussagekräftige Messgröße zur Bestimmung eines Betriebspunkts des Verdichters in einem Kennfeld gegeben.

In weiteren Ausgestaltungen der Erfindung umfasst die Sensoreinrichtung einen zweiten Luftmassenstromsensor, der in der Bypassleitung oder in einer Zuleitung zu dem elektrisch betreibbaren Turbolader stromabwärts einer Einmündungsstelle der Bypassleitung angeordnet ist. Durch eine Messung eines zweiten Luftmassenstroms steht eine zweite, einfach zu ermittelnde Messgröße zur Bestimmung des Betriebspunkts des Verdichters und/oder zur Regelung eines Betriebspunkts des Verdichters und/oder der Brennstoffzelle zur Verfügung. Ein stabiler Betrieb des Brennstoffzellensystems ist damit erleichtert.

Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher beschrieben. Dabei sind die vorstehend genannten und nachfolgend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Merkmalskombination, sonder auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

Dabei zeigen:

Fig. 1 ein Betriebskennfeld eines elektrisch betreibbaren Turboladers für ein

Brennstoffzellensystem; Fig. 2 eine schematische Darstellung eines ersten erfindungsgemäßen

Brennstoffzellensystems; Fig. 3 Verfahrensschritte zur Bestimmung eines erforderlichen Luftmassenstroms; Fig. 4 Verfahrensschritte zur Bestimmung einer Durchflussstellung eines

Ventilelements;

Fig. 5 Verfahrensschritte zur Schätzung eines Bypassvolumenstroms; Fig. 6 eine schematische Darstellung des Verfahrens zur Steuerung / Regelung des elektrischen Verdichters; Fig. 7 Verfahrensschritte zur Ermittlung eines Soll-Luftdrucks auf einer Kathodenseite der Brennstoffzelle;

Fig. 8 Verfahrensschritte zur Ermittlung eines erforderlicher Basisluftmengenstroms;

Fig. 9 Verfahrensschritte zur Korrektur des erforderlichen Basisluftmengenstroms;

Hg. 10 Verfahrensschritte zur Ermittlung einer erforderlichen

Wasserstoff Konzentration;

Fig. 11 Verfahrensschritte zum Abgleich eines Differenzdrucks Anode / Kathode;

Fig. 12 Verfahrensschritte zur Korrektor eines Anodendrucks im Purge-Fall;

Fig. 13 eine schematische Darstellung eines Verfahrens zur Regelung eines

Anodendrucks bei einem statischen Lastfall;

Fig. 14 eine schematische Darstellung des Verfahrens zur Regelung eines

Anodendrucks;

Hg. 15 eine schematische Darstellung eines zweiten erfindungsgemäßen

Brennstoffzellensystems;

Fig. 16 eine schematische Darstellung eines dritten erfindungsgemäßen

Brennstoffzellensystems und

Fig. 17 eine schematische Darstellung eines vierten erfindungsgemäßen

Brennstoffzellensystems.

In Fig. 1 ist ein Betriebskennfeld 1 eines elektrisch betreibbaren Verdichters exemplarisch dargestellt. Das Betriebskennfeld 1 ist in Richtung eines hohen Druckverhältnisses durch eine Pumpgrenze 2 des Verdichters begrenzt, die auch als so genannte „Surge-Linie" bekannt ist. In Richtung eines niedrigen Druckverhältnisses ist das Betriebskennfeld 1 durch eine Druckverlustkurve 3 der Brennstoffzelle begrenzt, die auch als Brennstoffzellen-Systemkennlinie bezeichnet ist.

Prinzipbedingt weisen unterschiedliche Bauarten von Verdichtern jeweils spezifische Kennfelder auf. Dabei weisen Schraubenverdichter ein analoges Verhalten zu Zahnradpumpen auf, und Turboverdichter sind in ihrem Betriebsverhalten mit Kreiselpumpen vergleichbar. Fig. 1 sind erste Förderkennlinien 4 des Verdichters bei konstanter Drehzahl zu entnehmen. Zum Vergleich sind in Fig. 1 darüber hinaus zweite Förderlinien 5 eines Schraubenverdichters bei konstanter Drehzahl eingezeichnet.

Beim Betrieb eines Brennstoffzellensystems sind die zugeführten Mengen an Brennstoff (Wasserstoff) und Oxidationsmittel (Sauerstoff beziehungsweise Luft) sowie die Absolutdrücke auf der Anodenseite und der Kathodenseite und der Differenzdruck zwischen beiden Seiten von besonderer Bedeutung. Die Menge der zugeführten Luft bestimmt nachhaltig die Luftstöchiometrie auf der Kathodenseite.

In Brennstoffzellensysteme mit einem Schraubenverdichter lassen sich die zugeführte Luftmenge und der Druck im System vorteilhaft mittels einer herkömmlichen Druckregelung einstellen, da große Änderungen des Druckverhältnisses bei gleicher Drehzahl lediglich zu geringen Änderungen des Massenstroms führen (siehe zweite Förderlinien 5 des Schraubenverdichters in Fig. 1). In der vorliegenden Erfindung wird die Brennstoffzelle demgegenüber jedoch mittels eines elektrisch antreibbaren Turboladers in Form eines Verdichters mit Luft versorgt. Aus Fig. 1 wird deutlich, dass eine herkömmliche Druckregelung in diesem Fall nur äußerst bedingt zur Regelung der zugeführten Luftmenge und des Drucks geeignet ist, da bereits geringe Änderungen des Drucksignals beziehungsweise des Druckverhältnisses zu großen Änderungen des reduzierten Massenstroms führen würden. So ist aus Fig. 1 beispielsweise ersichtlich, dass eine Änderung des Drucksignals um ca. 10 mbar oder einer Änderung des Druckverhältnisses um 0, 1 eine Förderbandbreite von 100 kg/h bis 200 kg/h zur Folge hat. Ziel der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems mit einem elektrisch betreibbaren Turbolader anzugeben, bei dem mittels einer neu definierten Druckregelung insbesondere die Gefahr einer Beschädigung des Verdichters und/oder der Brennstoffzelle verringert ist.

Der elektrisch antreibbare Turbolader ist in diesem Ausführungsbeispiel als Verdichter ausgeführt und umfasst keine mit dem Verdichter verbundene Turbine. Ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen ist es jedoch auch möglich, einen Turbolader mit einer Turbine vorzusehen, bei dem die Turbine beispielsweise von Austrittsgasen der Brennstoffzelle angetrieben ist.

In Fig. 2 ist ein Brennstoffzellensystem 10 zur Durchführung des Verfahrens schematisch dargestellt. Das Brennstoffzellensystem 10 umfasst eine Brennstoffzelle 16, die von Wasserstoff und Sauerstoff beziehungsweise Luft durchströmt ist (in Fig. 2 ist lediglich der Luftpfad dargestellt), wobei durch eine kontrollierte Reaktion von Wasserstoff und Luftsauerstoff ein elektrischer Strom erzeugt werden kann, der wiederum zum Antrieb eines Elektromotors 17 dient. Nach Durchströmen der Brennstoffzelle 16 lässt sich die Luft über eine Drosselklappe 18 aus dem System ausleiten.

Das Brennstoffzellensystem 10 umfasst ferner einen elektrisch antreibbaren Turbolader, der in diesem Ausführungsbeispiel als Verdichter 13 ausgeführt ist und dessen Drehzahl mit Hilfe eines Antriebsmotors 14 einstellbar ist. Dem Verdichter 13 ist Luft zuführbar, wobei im Ansaugpfad ein erster Luftmassenstromsensor 12 zur Messung des Luftmassenstroms in das Brennstoffzellensystem angeordnet ist. Parallel zum Verdichter 13 ist eine Bypassleitung 19 mit einer Durchflusssteuereinrichtung in Form eines Ventilelements 15 angeordnet. In einem modifizierten Ausführungsbeispiel ist die Durchflusssteuereinrichtung als Regelklappe ausgeführt. Die Kombination aus Bypassleitung 19 und Ventilelement 15 wird allgemein auch als „Waste Gate" bezeichnet.

Mit Hilfe der Bypassleitung 19 und des Ventilelements 15 ist eine Rückströmung um den Verdichter 13 von der Hochdruckseite zur Niederdruckseite realisierbar. Eine Regelung des Massenstroms durch die Bypassleitung 19 ermöglicht es, einen Betriebspunkt des Verdichters 13 in dem Betriebskennfeld 1 einzustellen. Insbesondere lässt sich der Verdichter 13 mittels einer entsprechenden Regelung des Massenstroms durch die Bypassleitung 19 in einem Betriebsbereich unterhalb der Pumpgrenze betreiben (vergleiche Fig. 1). Auf diese Weise ist die Gefahr von Beschädigungen des Verdichters verringert.

Der Betriebspunkt des Verdichters 13 in dem Betriebskennfeld 1 wird in diesem Ausführungsbeispiel mit Hilfe des ersten Luftmassenstromsensors 12 bestimmt. Dazu wird aus einer Lastanforderung EL_S_req eine erforderliche Luftmenge Lf_Smi_req am Eingang der Brennstoffzelle 16 ermittelt. Als Stellgrößen zur Einstellung der Luftmenge dienen die Drehzahl des elektrisch betreibbaren Verdichters 13 sowie die Durchflussstellung des Ventilelements 15. Die erforderliche Luftmenge wird mit der gemessenen Luftmenge des ersten Luftmassenstromsensors 12 abgeglichen und zur Regelung des Verdichters verwendet. Das Verfahren wird nachfolgend anhand der Figuren 3 bis 9 näher erläutert.

In Fig. 3 sind die Verfahrensschritte zur Herleitung des erforderlichen Luftmassenstroms Lf_Smi_req schematisch dargestellt. Als Maßzahl für eine Lastanforderung EI_S_req dient in diesem Ausführungsbeispiel eine geforderte Eingangsspannung für den Elektromotor 17, die sich beim Betrieb des Brennstoffzellensystems in einem Kraftfahrzeug zum Beispiel aus einer Gaspedalstellung ermitteln lässt. In einem nachfolgenden Schritt wird aus der Lastanforderung EI_S_req und der Kühlmitteltemperatur KwT-Si der Brennstoffzelle ein rechnerisch erforderlicher Luftmassenstrom Lf_Smi_req_Normal ermittelt. Bei stationärem Betrieb oder bei einem Lastwechsel in Richtung höherer geforderter Lasten ist der tatsächlich erforderliche Luftmassenstrom Lf_Smi_req identisch mit dem rechnerisch erforderlichen Luftmassenstrom Lf_Smi_req_Normal. Bei einem Lastwechsel in Richtung niedrigerer geforderter Lasten wird der erforderliche Luftmassenstrom Lf_Smi_req wie nachfolgend noch näher erläutert anhand eines unter Berücksichtigung der Systemdynamik ermittelten erforderlichen dynamischen erforderlichen Luftmassenstroms Lf_SMi_req_DT festgelegt. Um kurzzeitige Sprünge in Richtung größerer erforderlicher Luftmengenströme zu vermeiden, darf der durchgereichte Sollwert für den Luftmassenstrom dabei nicht größer sein als ein Sollwert aus einem vorangegangenen Zyklus.

In Fig. 4 ist dargestellt, wie die Durchflussstellung aLR_WG des Ventilelements 13 eingestellt wird. Die Durchflussstellung aLR_WG ist beeinflusst durch

• einen erforderlichen Luftmassenstrom Lf_Smi_req, der mittels eines Luftdrucks Lp_Ki und einer Lufttemperatur LT_Ki am Verdichtereingang zu einem temperatur- und druckkompensiertem Luftmassenstrom Lf_Smi_req_red umgerechnet wird;

• einen Umgebungsluftdruck LPJJm;

• einer bauteilspezifischen Druckkennlinie des Waste Gates WG_LUT;

• einer bauartspezifischen Pumpgrenze des Verdichters PI_ETC_SurgeLine in Abhängigkeit von einer Drehzahl des Verdichters;

• einer Druckerhöhung des Verdichters IP_ETC.

Durch die Berücksichtigung der Druckkennlinie des Waste Gates WG_LUT und der Pumpgrenze des Verdichters PI_ETC_SurgeLine ist sichergestellt, dass der Verdichter in einem Betriebsbereich innerhalb dieser beiden Grenzlinien betrieben werden kann.

Das Verfahren zur Regelung des Bypassluftvolumenstroms Ef_WG_estimate durch die Bypassleitung 19 und das Ventilelement 15 ist in Fig. 5 dargestellt. Dazu wird zunächst aus der Durchflussstellung aLR_WG des Ventilelements 13 (siehe Fig. 4) und der Druckerhöhung des Verdichters PI_ETC ein rechnerischer Luftvolumenstrom WG_2_dotV durch die Bypassleitung 19 und das Ventilelement 15 berechnet. Dieser wird in einem nachfolgenden Schritt mit Hilfe des Luftdrucks Lp_Ki und der Lufttemperatur LT_Ki am Verdichtereingang in einen geschätzten Bypassluftvolumenstrom Lf_WG_estimate umgerechnet.

In Fig. 6 ist schematisch ein Gesamtsystem zur Steuerung / Regelung des elektrischen Verdichters ergänzt um einen nachfolgend näher erläuterten Luftmassenabgleich dargestellt. Aus dem erforderlichen Luftmassenstrom Lf_Smi_req und dem geschätzten Bypassluftvolumenstrom Lf_WG_estimate wird ein temperatur- und druckkompensierter Luftvolumenstrom Lf_Ki_req_red berechnet. Aus dem temperatur- und druckkompensierten Luftvolumenstrom Lf_Ki_req_red und der Druckerhöhung des Verdichters PI_ETC wird mit Hilfe eines Kennfelds ETC_Speed eine erforderliche Drehzahl des Verdichters ermittelt. In einem nachfolgenden Schritt wird die Drehzahl unter Berücksichtigung der Lufttemperatur am Verdichtereingang LT_Ki korrigiert. Zur Absicherung des benötigten Luftvolumenstroms am Eintritt der Brennstoffzelle wird die korrigierte Drehzahl anhand des mit Hilfe des ersten Luftmassenstromsensors 12 am Lufteintritt gemessenen Luftmassenstroms Lf_Smi überprüft, und die Drehzahl des Verdichters beziehungsweise die Durchflussstellung des Ventilelements wird angepasst.

In den Fig. 7 bis 9 ist schematisch ein Verfahren zur Herleitung des erforderlichen Luftmassenstroms bei schnellen Lastwechseln in Richtung niedrigerer Lasten dargestellt (so genannte downtransiente Lastwechsel). Der dynamischen Regelung liegt dabei der Gedanke zugrunde, dass der Luftdruck auf der Kathodenseite Lp-Si dem Wasserstoffdruck auf der Anodenseite Hp_Si folgt.

Gemäß Fig. 7 wird ein Soll-Luftdruck auf der Kathodenseite Lp_Si_req_DT aus einer vorgegebenen Druckdifferenz zwischen Anode und Kathode HpLp_Si_DT_setpoint und dem Wasserstoffdruck auf der Anodenseite Hp_Si bestimmt.

Zur definierten Einstellung eines Kathoden-Luftdrucks wird in einem nachfolgendem Schritt gemäß Fig. 8 ein erforderlicher Basisluftmengenstrom Lf_Smi_req_base_DT mit Hilfe eines Differenzdrucks aus dem Soll-Luftdruck auf der Kathodenseite Lp_Si_req_DT und des Umgebungsluftdrucks Lp_Um berechnet. Mit Hilfe von Betriebskennlinien der einzelnen Systemkomponenten dp_Stack-Exhaust_2_dotV wird ein Luftvolumenstrom dotV_Stack_req_DT ermittelt, dem anschließend der Luftdruck auf der Kathodenseite Lp_Si zugeordnet wird, um schließlich den Basisluftmengenstrom Lf_Smi_req_base_DT kompensiert um die Temperatur am Brennstoffzelleneingang LT_Si zu bestimmen. Sollte sich bei dieser Regelung der gewünschte Luftdruck am Kathodeneingang Lp_Si nicht unmittelbar einstellen, wird der Basisluftmengenstrom Lf_Smi_req_base_DT gemäß Fig. 10 noch durch einen Regler DT_Lf_SMi_controller korrigiert.

Das Verfahren zur Regelung des Anodendrucks Hp_i_req wird im Folgenden anhand der Fig. 10 bis 14 näher beschrieben.

Gemäß Fig. 10 lässt sich eine erforderliche zuzuführende Wasserstoffmenge im Anodenkreislauf aus der Lastanforderung an das Brennstoffzellensystem EI_S_req und der Kühlwassertemperatur KwT-Si bestimmen. In Fig. 11 ist die Verknüpfung des Solldifferenzdrucks Anode/Kathode HLp_Sd_req dargestellt. Dazu werden der Kathodenluftdruck am Stapeleingang Lp_Si, der Solldifferenzdruck Anode/Kathode HLp_Sd_req und der gemessene Differenzdruck Anode/Kathode HLp-Sd über ein in diesem Beispiel als PID-Regler ausgeführtes Regelglied abgeglichen.

In Fig. 12 ist gezeigt wie der zur Einhaltung der Wasserstoffkonzentration erforderliche Soll-Anodendruck im Purge-Fall HP_Sd_req (H2-Purge) über eine Messung der Wasserstoffkonzentration HcH_So bestimmt wird.

In Fig. 13 sind die zuvor im Detail dargestellten Regelungsschritte zur Anodendruckregelung in einer Gesamtverschaltung für einen statischen Lastfall dargestellt. Zusammenfassend ist festzuhalten, dass die Messgrößen

• Kathodenluftdruck am Stapeleingang Lp-Si und

• Differenzdruck Kathode/Anode HLp_Sd mit den Sollgrößen

• Solldifferenzdruck Kathode/Anode HLp_Sd_req und

• Soll-Anodendruck im Purge-Fall HP-Sd_req verarbeitet und zur Bestimmung des erforderlichen Anodendrucks am Stapeleingang Hp_Si_req verwendet werden.

In Fig. 14 ist die Gesamtverschaltung aus Fig. 13 um Regelungseinheiten für den dynamischen Lastfall ergänzt. Bei einem Lastwechsel hin zu niedrigeren Lasten (downtransient) wird dieser über eine Verknüpfung von dem rechnerisch notwendigen Luftmengenstrom Lf_SMi-req_Normal und der zeitlichen Änderung des erforderlichen Luftmengenstroms Lf_SMi_req-DT erkannt und mit dem Kathodenluftdruck am Stapeleingang Lp_Si abgeglichen, wobei ein Mindestwert, beispielsweise in Höhe von 0,1 bar, vorgegeben ist. Somit kann für quasi-stationäre und dynamische Lastanforderungen auch im Purge-Fall aus den Größen

• Luftdruck auf Kathodenseite Lp_Si,

• Wasserstoffkonzentration HcH-So,

• Lastanforderung EI_S_req,

• Kühlwassertemperatur KWT_Si und

• Differenzdruck Anode/Kathode HLp-Sd ein erforderlicher Anodendruck am Eingang der Brennstoffzelle HP_Si_req rechnerisch ermittelt werden.

Gemäß Fig. 15 kann der erste Luftmassensensor 12 auch in einer Zuleitung 21 zu dem elektrisch betreibbaren Turbolader stromabwärts von einer Einmündungsstelle 22 der Bypassleitung in die Zuleitung 21 angeordnet sein. Somit ist mittels des ersten Luftmassensensors 21 die von dem Verdichter 13 geförderte Luftmenge messbar. Bei geschlossenem Ventilelement 15 ist die geförderte Luftmenge gleich der der Brennstoffzelle zugeführten Luftmenge. Auf diese Weise ist es möglich, jederzeit den Betriebspunkt des Verdichters 13 in Relation zu der Pumpgrenze 2 zu bestimmen. Die Positionierung des ersten Luftmassenstromsensors 12 direkt vor dem Verdichter 13 zeichnet sich in zweifacher Hinsicht aus. In einem hohen Lastbereich wird das Brennstoffzellensystem in der Regel mit geschlossenem Ventilelement 15 betrieben. In diesem Lastbereich entspricht der mit Hilfe des ersten Luftmassenstromsensors 12 gemessene Luftmassenstrom dem der Brennstoffzelle 16 zugeführten Luftmassenstrom, so dass eine eventuelle Unterversorgung der Brennstoffzelle 16 sicher erkannt werden kann. Das Ventilelement 15 in der Bypassleitung 198 kommt vorrangig im dynamischen Betrieb bei Lastwechseln zu niedriger Last hin (downtransiente Lastwechsel) sowie im unteren Lastbereich zum Einsatz. In beiden Fällen ist ein Luftbedarf der Brennstoffzelle reduziert, während der Verdichter 16 Gefahr läuft, über der Pumpgrenze 2 betrieben zu werden. Durch das Regeln des Luftmassenstroms im unteren Lastbereich auf den Bedarf des Verdichters wird die Brennstoffzelle in der Regel ausreichend mit Sauerstoff versorgt.

In Fig. 16 ist schematisch ein Brennstoffzellensystem gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel dargestellt. Dabei ist ein zweiter Luftmassenstromsensor 20 in der Bypassleitung 19 angeordnet. Aus den Messgrößen Luftmassenstrom in der Ansaugleitung (gemessen am ersten Luftmassenstromsensor 12) und Luftmassenstrom in der Bypassleitung (gemessen am zweiten Luftmassenstromsensor 20) kann ein in die Brennstoffzelle 16 eingeleiteter Luftmassenstrom errechnet und mit dem Druck korreliert werden. Somit ist ein eindeutiger Betriebspunkt im Verdichterkennfeld bestimmbar, der wiederum in einer Steuerung oder Regelung des Brennstoffzellensystems einsetzbar ist.

Gemäß Fig. 17 kann der zweite Luftmassenstromsensor 20 auch in einer Zuleitung 21 zu dem elektrisch betreibbaren Turbolader stromabwärts von einer Einmündungsstelle 22 der Bypassleitung in die Zuleitung 21 angeordnet sein. Auch hier kann aus den Messsignalen ein in die Brennstoffzelle 16 eingeleiteter Luftmassenstrom errechnet werden.

Um ein Druckniveau im System, d.h. die Steigung der Systemkennlinie 3 variieren zu können, ist weiterhin eine Drosselklappe 18 am Systemausgang vorgesehen. Auf diese Weise kann ein Druckniveau im System bzw. in der Brennstoffzelle durch Änderung eines Strömungswiderstands mit Hilfe der Drosselklappe zusätzlich beeinflusst werden.

In einem modifizierten, nicht dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Brennstoffzelle 16 ein Ladeluftkühler zugeordnet. Auf diese Weise lässt sich eine ausreichende Befeuchtung der zugeführten Luft und ein adäquater Betrieb der Brennstoffzelle trotz einer Temperaturerhöhung in der zugeführten Luft bei der Verdichtung im Verdichter sicherstellen. Dabei sollte die in der Bypassleitung rückgeführte Luft hinter dem Ladeluftkühler abgezweigt werden, da ansonsten eine Gefahr einer thermischen Beschädigung des zweiten Massenstromsensors droht.

Die vorliegende Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass eine Brennstoffzelle bei einem vergleichsweise hohen Druckverlust mit einem elektrisch antreibbaren Turbolader, insbesondere einem elektrisch antreibbaren Verdichter, betrieben werden kann. Dabei ist mit einfachen Mitteln eine Druckregelung unter Beachtung einer Pumpgrenze des Verdichters realisiert. Ein Wirkungsgrad des Verdichters ist in der Nähe der Pumpgrenze maximal; eine Überschreitung der Pumpgrenze sollte jedoch nach Möglichkeit vermieden werden, da ansonsten die Gefahr einer Beschädigung des Verdichters besteht.

Insbesondere bei einem Lastwechsel zu niedrigeren Lasten (downtransient) ist eine maximale Druckdifferenz zwischen Anode und Kathode der Brennstoffzelle vorgegeben, aus der ein neuer Sollwert für den Luftdruck auf der Kathodenseite ermittelt wird. Auf diese Weise kann auch in einem dynamischen Lastfall ein Differenzdruck zwischen Anode und Kathode innerhalb vorgegebener Grenzen gehalten werden, so dass die Gefahr einer Beschädigung der Membran oder der Membran-Elektroden Einheit zwischen der Anode und der Kathode verringert ist. Je nach Lastabnahme aus dem Brennstoffzellensystem (Hybridisierung, Rekuperation etc.) weist das Brennstoffzellensystem ein hochdynamisches Systemverhalten auf.

Die vorliegende Erfindung zeichnet sich weiterhin dadurch aus, das ein elektrisch antreibbarer Turbolader in zumindest annähernd allen Lastfällen in einem Betriebsbereich betrieben wird, der durch eine reale Druckverlustkurve der Brennstoffzelle und durch eine Pumpgrenze des Turboladers begrenzt ist. Dadurch ist die insbesondere die Gefahr einer Beschädigung des Verdichters durch Betrieb des Turboladers an der Pumpgrenze verringert. Als wesentliche regelungstechnische Eingangsgrößen sind dabei vorgesehen:

• Lastanforderung EI_S_req an das Brennstoffzellensystem, zum Beispiel in Form eines geforderten elektrischen Stroms;

• Erforderliche Luftmenge (Lf_SMi_req)

• Kühlwassertemperatur (KWT_Si)

• Differenzdruck Anode/Kathode (HLp-Sd)

Aus einer Lastanforderung wird zunächst ein geforderter elektrischer Strom EI_S_req ermittelt. Der erforderliche Luftmassenstrom Lf_Smi_req und die erforderliche Wasserstoffmenge werden anhand einer spezifizierten Stöchiometrie bestimmt. Mittels einer Messung des Differenzdrucks Anode/Kathode HLp-Sd und einer angepassten Regelstrategie wird insbesondere einer Schädigung der Membran-Elektroden-Einheit in der Brennstoffzelle, durch die der Wasserstoff und Luft voneinander getrennt sind, verhindert. Als weitere Größe wird die Kühlwassertemperatur KwT-Si berücksichtigt, die auch als Brennstoffzellentemperatur, Stacktemperatur oder Stapeltemperatur bezeichnet ist. Durch die Kühlwassertemperatur KwT-Si sind die zugeführten Luft- und Wasserstoffmengen sowie deren Feuchte und weitere Parameter beeinflusst.

Zur Vermeidung von Schäden an der Brennstoffzelle kommt dem an der Membran- Elektroden-Einheit anliegenden Differenzdruck Anode/Kathode HLp_Sd eine besondere Bedeutung zu. Darüber hinaus ist die Systemträgheit insbesondere auf der Anodenseite berücksichtigt, da hier ein Druck nur über die Wasserstoffverstromung beeinflusst werden kann.

Bevorzugt wird die Lastanforderung als Führungsgröße gewählt und der Kathodendruck direkt mit dem Anodendruck verknüpft.

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems (10) mit einer Brennstoffzelle (16), einem elektrisch antreibbaren Turbolader, der einen Verdichter (13) und eine parallel zum Verdichter (13) angeordnete Bypassleitung (19) mit einer Durchflusssteuereinrichtung (15) umfasst, und einer Sensoreinrichtung (12, 20) zur Messung und/oder Berechnung eines Massenstroms durch die Bypassleitung (19), bei dem mit Hilfe der Durchflusssteuereinrichtung (15) ein Massenstrom durch die Bypassleitung (19) derart eingestellt wird, dass der Verdichter (13) in einem Betriebsbereich zwischen einer Pumpgrenze (2) des Verdichters (13) und einer Druckverlustkurve (3) der Brennstoffzelle (16) betrieben wird.

2. Brennstoffzellensystem zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 mit einer Brennstoffzelle und einem elektrisch antreibbaren Turbolader, der einen Verdichter umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass parallel zum Verdichter (13) eine Bypassleitung (19) mit einer Durchflusssteuereinrichtung (15) angeordnet ist, wobei ein Massenstrom durch die Bypassleitung (19) mit Hilfe der Durchflusssteuereinrichtung (15) einstellbar ist und mit Hilfe einer Sensoreinrichtung (12, 20) messbar und/oder berechenbar ist.

3. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinrichtung einen ersten Luftmassenstromsensor (12) in einer Ansaugleitung des Brennstoffzellensystems (10) umfasst.

4. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweiter Luftmassenstromsensor (20) in der Bypassleitung (19) vorgesehen ist.

5. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweiter Luftmassenstromsensor (20) in einer Zuleitung (21) zu dem elektrisch betreibbaren Turbolader stromabwärts einer Einmündungsstelle (22) der Bypassleitung (19) in die Zuleitung (21) vorgesehen ist.