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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems mit einer Luftfördereinrichtung und einer mit dieser mechanisch verbundenen Abluftturbine sowie einen Systembypass mit einem im stromlosen Normalzustand geöffneten Bypassventil, welches die Druckseiten der Luftfördereinrichtung und der Abluftturbine verbindet, für den Fall, dass das Bypassventil defekt ist und in seiner im stromlosen Normalzustand geöffneten Stellung verharrt.
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Es ist aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt, ein Systembypassventil in einem Brennstoffzellensystem mit einem Strömungsverdichter als Luftfördereinrichtung und einer mit dieser mechanisch verbundenen Abluftturbine vorzusehen. Typischerweise steht in weiterer mechanischer Verbindung mit diesen beiden Bauelementen eine elektrische Maschine, sodass der gesamte Aufbau auch als elektrischer Turbolader oder motorunterstützter Turbolader bezeichnet wird. Die von der Luftfördereinrichtung geförderte Luft zur Versorgung der Brennstoffzelle wird dabei sowohl im stationären als auch im dynamischen Betrieb aufgeteilt in eine Leitung zur Brennstoffzelle selbst und in ebendiese Bypassleitung an der Brennstoffzelle vorbei. Die Bypassleitung verbindet dabei die Druckseiten der Luftfördereinrichtung und der Abluftturbine, sodass die verdichtete über die Bypassleitung strömende Luft zumindest der Abluftturbine zur Rückgewinnung von Energie zugutekommt. Die Luftmenge durch diesen Systembypass wird durch ein Bypassventil, beispielsweise in Form einer Regelklappe, eingestellt. Das Bypassventil dient dazu, die Luftfördereinrichtung vor einem schädlichen Betrieb im Pumpbereich zu schützen sowie den Druck auf der Kathodenseite der Brennstoffzelle abhängig vom Betriebsbereich bei Bedarf zu erhöhen, auch wenn dies aufgrund der Charakteristik der Luftfördereinrichtung als Strömungsmaschine prinzipiell nicht möglich ist.
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Ein Ausfall des Bypassventils im Systembypass führt typischerweise dazu, dass das im stromlosen Normalzustand geöffnete Bypassventil dauerhaft geöffnet ist. Dies führt zu einer potenziellen Unterversorgung der Brennstoffzelle mit Luft und kann letztlich zu einer Schädigung der Brennstoffzelle führen.
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Prinzipiell ist es denkbar, bei einem Ausfall des Bypassventils das Brennstoffzellensystem abzuschalten. Dies schützt die Brennstoffzelle vor einer Schädigung. Das Abschalten des Brennstoffzellensystems ist jedoch immer mit gravierenden Nachteilen verbunden, da beispielsweise beim Einsatz des Brennstoffzellensystems in einem Fahrzeug zur Bereitstellung von elektrischer Antriebsleistung das Fahrzeug dann ”liegen bleibt”. Dies stellt für den Nutzer des Fahrzeugs einen gravierenden Nachteil dar.
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Aus dem weiteren Stand der Technik in Form der
DE 10 2009 050 934 A1 ist ein Verfahren bekannt, welches sich mit der gleichen Problematik beschäftigt, wobei der Systembypass hier in Verbindung mit einem beliebigen Kompressor eingesetzt wird, und wobei bei diesem System in Strömungsrichtung des Abgases vor der Mündung des Systembypasses in die Abgasleitung eine weitere Druckregelklappe für die Kathodenseite der Brennstoffzelle vorhanden ist. Die genannte deutsche Offenlegungsschrift beschäftigt sich nun mit einer Ersatzstrategie für den Fall eines Ausfalls des Bypassventils im Systembypass. Dabei ist es so, dass aufgrund der Druckregelklappe in der Abgasleitung nach dem Kathodenbereich der Brennstoffzelle in einem solchen Fehlerfall die Luft durch den Systembypass praktisch vollständig in die Abgasleitung abgeführt wird. Um trotzdem noch einen Notbetrieb zu ermöglichen, wird nun die Druckregelklappe auf der Kathodenseite in der Abgasleitung vollständig geöffnet, um eine Druckabsenkung in dem Brennstoffzellenstapel und damit einen höheren Luftmassenstrom durch denselben zu ermöglichen. Diese Strategie erlaubt nur noch einen sehr eingeschränkten Betrieb, da unabhängig von der Stellung der Regelklappe der Druckverlust in der Brennstoffzelle selbst immer höher als im Systembypass sein wird und deshalb ein großer Anteil des Luftmassenstroms nach wie vor direkt in die Abgasleitung gelangt.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht nun darin, ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems in der oben beschriebenen Art zu schaffen, welches die Nachteile im Falle eines Ausfalls des Bypassventils minimiert.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch das Verfahren mit den Merkmalen im Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es im Falle eines Ausfalls des Bypassventils, welches dann typischerweise in seine im stromlosen Normalzustand geöffnete Stellung geht und damit den Systembypass gänzlich öffnet, vorgesehen, die Förderleistung der Luftfördereinrichtung zu erhöhen. Im Gegensatz zum oben genannten Stand der Technik ist es damit mit dem erfindungsgemäßen Verfahren möglich, das Brennstoffzellensystem annähernd uneingeschränkt weiter zu betreiben, solange die Luftfördereinrichtung noch nicht an ihrem Leistungslimit ist. Erfolgt also ein Ausfall des Bypassventils im Systembypass, erhöht sich in dem erfindungsgemäßen Verfahren durch die Anhebung der Förderleistung der Luftfördereinrichtung der Luftmassenstrom. Hierdurch kommt es einerseits zu einem größeren Luftmassenstrom durch den Systembypass, gleichzeitig wird aber auch der Luftmassenstrom durch die Brennstoffzelle vergrößert, da der gesamte zur Verfügung stehende Luftmassenstrom größer ist.
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Ein Ausfall des Bypassventils kann beispielsweise durch einen Sensor am Bypassventil selbst festgestellt werden. Ein geeigneter Regler im Steuergerät kann aufgrund einer Abnahme des Luftmassenstroms durch die Brennstoffzelle mittels Drucksensoren vor und nach dem Bypassventil, die in dem Brennstoffzellensystem typischerweise ohnehin implementiert sind, bei konstantem Luftmassenstrom, welcher durch die Luftfördereinrichtung gefördert wird, ebenfalls feststellen, dass ein solches Problem vorliegt und ein zu großer Luftmassenstrom durch den Systembypass fließt. In beiden Fällen wird die Förderung des Luftmassenstroms durch die Luftfördereinrichtung erhöht, vorzugsweise so, dass es zu keiner Beeinträchtigung des Betriebs des Brennstoffzellensystems kommt, solange dies aufgrund der Möglichkeit, die Förderleistung der Luftfördereinrichtung zu erhöhen, möglich ist. Diese Strategie funktioniert also sehr gut, wenn die Luftfördereinrichtung zum Zeitpunkt des Ausfalls noch entsprechend große Leistungsreserven hat oder wenn diese grundsätzlich ausreichend groß ausgelegt ist, um einen Ausfall des Bypassventils im Systembypass komplett zu kompensieren.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens wird im Betrieb mit ausgefallenem Bypassventil die Förderleistung der Luftfördereinrichtung erhöht.
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Dies erfolgt nun so lange, bis der benötigte Luftmassenstrom zur Brennstoffzelle erreicht wird, diese also in der gewünschten Art und Weise ohne weitere Beeinträchtigungen betrieben werden kann. Erst wenn die benötigte Förderleistung der Luftfördereinrichtung hierfür nicht mehr bereitgestellt werden kann, da die maximale Förderleistung der Luftfördereinrichtung erreicht ist, kommt es zu einer Reduzierung der elektrischen Leistung der Brennstoffzelle, sodass auch hier die Brennstoffzelle ihr Leistungsmaximum nicht mehr während aller Zeitpunkte erreicht und zumindest hinsichtlich der Leistungsspitzen in einer Art ”Notbetrieb” weiter funktioniert. Die Beeinträchtigung ist dabei jedoch lange nicht so hoch wie sie es wäre, wenn das Brennstoffzellensystem komplett abschaltet oder in allen Leistungsstufen nur noch in einem Notbetriebsmodus arbeitet.
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Wie bereits erwähnt, kann gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Idee der Luftmassenstrom anhand der Messwerte von Drucksensoren vor und nach dem Bypassventil ermittelt werden, um so festzustellen, ob das Bypassventil funktioniert oder nicht und um den benötigten Luftmassenstrom abzuschätzen, ggf. in Kombination mit einem Luftmassenstrommesser im Bereich der Luftfördereinrichtung oder einer rechnerischen Ermittlung der geförderten Luftmasse beispielsweise anhand elektrischer Parameter der Luftfördereinrichtung, von Drücken und/oder Temperaturen.
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Ferner kann es gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Idee vorgesehen sein, dass das Bypassventil als eine Klappe, insbesondere eine Regelklappe ausgestaltet wird. Dies lässt eine kontinuierliche Regelung des Luftmassenstroms zu und verhindert so Druckpulsationen in der Zuluft, welche beim prinzipiell auch denkbaren Einsatz einer Ansteuerung des Bypassventils durch ein pulsweitenmoduliertes Steuersignals auftreten könnten.
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Gemäß einer weiteren sehr günstigen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann es dabei vorgesehen sein, dass das Brennstoffzellensystem zum Bereitstellen von elektrischer Antriebsleistung in einem Fahrzeug dient. Insbesondere bei Fahrzeuganwendungen ist ein komplettes Abschalten der Energieversorgung und damit ein ”Liegenbleiben” des Fahrzeugs ein gravierender Nachteil. Auch ein Notbetrieb kann beispielsweise bei einer Überlandfahrt bis zur nächsten Reparaturwerkstatt außerordentlich lästig und ggf., je nach Verkehrssituation, gefährlich sein. Die besonderen Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens erschließen sich also insbesondere dann, wenn das derart betriebene Brennstoffzellensystem zur Bereitstellung von elektrischer Antriebsleistung in einem Fahrzeug eingesetzt wird.
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Die einzige beigefügte Figur zeigt ein prinzipmäßig angedeutetes Brennstoffzellensystem in einem Fahrzeug.
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In der Figur ist ein Fahrzeug 1 sehr stark schematisiert angedeutet. Zur Bereitstellung der elektrischen Antriebsleistung weist das Fahrzeug 1 ein Brennstoffzellensystem 2 auf, dessen Kern eine Brennstoffzelle 3, vorzugsweise ein Stapel von Einzelzellen in PEM-Technologie ist. Rein beispielhaft sind von der Brennstoffzelle 3 ein gemeinsamer Kathodenraum 4 sowie ein gemeinsamer Anodenraum 5 dargestellt. Dem Anodenraum 5 wird Wasserstoff aus einem Druckgasspeicher 6 zur Verfügung gestellt. Dieser strömt über ein Druckregel- und Dosierventil 7 sowie eine optionale Gasstrahlpumpe 8 in den Anodenraum 5. Nicht verbrauchter Wasserstoff gelangt zusammen mit inerten Gasen und Produktwasser über eine Rezirkulationsleitung 9 zurück zur Gasstrahlpumpe 8 und wird vermischt mit dem frischen Wasserstoff dem Anodenraum 5 erneut zugeführt. Dieser Aufbau wird auch als Anodenkreislauf bezeichnet und ist dem Fachmann allgemein bekannt. In der Rezirkulationsleitung 9 ist typischerweise ein Wasserabscheider 10 angeordnet, welcher über eine Ablassleitung 11 mit einem Ablassventil 12 mit einer Abgasleitung 13 aus dem Brennstoffzellensystem 2 verbunden ist. Da die Anodenseite für die vorliegende Erfindung von untergeordneter Bedeutung ist, wird hierauf nicht weiter eingegangen. Dem Fachmann ist jedoch klar, dass der beschriebene Aufbau rein beispielhaft zu verstehen ist. Er könnte auch auf den Anodenkreislauf verzichten und/oder einen anderen Weg für das Ablassen von Wasser und Gas auf dem Wasserabscheider 10 vorsehen.
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Der Kathodenraum 4 wird mit Luft über eine Luftfördereinrichtung 14 versorgt. Diese Luftfördereinrichtung 14 soll ein Strömungsverdichter sein, welcher zusammen mit einer Abluftturbine 15 auf einer gemeinsamen Welle 16 angeordnet ist und hierdurch in mechanischer Wirkverbindung steht. Ferner kann auf der Welle 16 eine elektrische Maschine 17 angeordnet sein, welche einerseits überschüssige Energie der Abluftturbine 15 generatorisch in elektrische Energie umwandelt, und welche andererseits bei Bedarf die Abluftturbine 15 dabei unterstützt, die Luftfördereinrichtung 14 anzutreiben. Die mechanische Verbindung zwischen 14 und 15 muss dabei nicht vorhanden sein. Anstelle einer mechanischen Verbindung zwischen der Luftfördereinrichtung 14 und der Abluftturbine 15 sowie der elektrischen Maschine 17 wäre prinzipiell auch eine andersartige Wirkverbindung denkbar, beispielsweise das Aufteilen der elektrischen Maschine 17 in einen Generator in Verbindung mit der Abluftturbine 15 einerseits und in einen Motor in Verbindung mit der Luftfördereinrichtung 14 andererseits. Auch dann wäre das nachfolgend noch beschriebene Verfahren so einsetzbar.
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Die verdichtete Zuluft strömt über eine Zuluftleitung 18 sowie einen Befeuchter 19 zum Kathodenraum 4 der Brennstoffzelle 3. Auch hier könnten weitere Aufbauten, wie beispielsweise ein Ladeluftkühler, vorgesehen sein. Da dieser für die Erfindung eine untergeordnete Bedeutung hat, wurde auf seine Darstellung verzichtet. Dass ein solcher eingesetzt werden kann, ist dem Fachmann jedoch klar. Auch könnte der Befeuchter 9 anders als hier dargestellt und nachfolgend beschrieben ausgebildet sein.
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Über eine Abluftleitung 20 strömt das an Sauerstoff abgereicherte Abgas zusammen mit dem in der Brennstoffzelle 3 entstandenen Produktwasser aus dem Kathodenraum 4 der Brennstoffzelle 3 ab. Es strömt wiederum über den Befeuchter 19, welcher bevorzugt als Gas/Gas-Befeuchter, beispielsweise unter Einsatz von für Wasserdampf durchlässigen Membranen ausgestaltet ist. Die Abluftleitung 20 mündet dann druckseitig in die Turbine 19, sodass die Restenergie in der Abluft, Wärme und Druck, in der Abluftturbine 15 genutzt und zumindest teilweise zurückgewonnen werden können.
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Das Brennstoffzellensystem 2 weist außerdem einen sogenannten Systembypass 21 mit einem Bypassventil 22 auf. Dieses Bypassventil 22 kann dabei vorzugsweise als Klappe bzw. Regelklappe ausgebildet sein. Der Systembypass 21 verbindet die Druckseiten der Luftfördereinrichtung 14 einerseits und der Abluftturbine 15 andererseits miteinander. Er dient insbesondere dazu, bei Bedarf Luft um die Brennstoffzelle 3 bzw. ihren Kathodenraum 4 herumzuleiten. Dies kann in bestimmten Betriebssituationen notwendig sein, um die gewünschten Verhältnisse von Massenstrom und Druck bereitzustellen, ohne dass die Luftfördereinrichtung 14 ihre Pumpgrenze überschreitet, was für den Betrieb der Luftfördereinrichtung 14, welche ja als Strömungsverdichter ausgebildet sein soll, außerordentlich ungünstig und kritisch wäre.
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Das Bypassventil 22 ist, wie es durch die Buchstaben in der Darstellung der Figur angedeutet ist, als im Normalzustand geöffnetes N. O. Ventil bzw. im Normalzustand geöffnete Regelklappe ausgebildet. Das im Normalzustand geöffnete Ventil bezeichnet dabei nicht den Normalzustand des Systembypass, sondern den elektrischen Normalzustand des Ventils. Dieses ist also im stromlosen Zustand geöffnet, weshalb auch davon gesprochen wird, dass das Ventil im stromlosen Normalzustand geöffnet ist. Kommt es zu einem Fehler, wird das Bypassventil 22 also seinen stromlosen Normalzustand einnehmen, welcher geöffnet ist. Ein solcher Ausfall des Bypassventils 22 in dem Systembypass 21 führt dann dazu, dass sich einerseits der Luftmassenstrom durch den Systembypass 21 erhöht und im gleichen Maße der Luftmassenstrom durch den Befeuchter 19 zu dem Kathodenraum 4 der Brennstoffzelle 3 abnimmt. Ein solches Verhalten kann insbesondere durch angedeutete Drucksensoren 23 in der Zuluftleitung 18 und der Abluftleitung 23, also letztlich in Strömungsrichtung vor und nach dem Bypassventil 22 in dem Systembypass 21 ermittelt werden.
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In diesem Fall wird nun über ein angedeutetes Steuergerät 24 die Förderleistung der Luftfördereinrichtung 14 erhöht, um das Absinken des zu der Brennstoffzelle 3 strömenden Luftmassenstroms auszugleichen. Bei ausreichend großzügig dimensionierter Luftfördereinrichtung 14 oder zum Zeitpunkt des Ausfalls des Bypassventils 22 vorliegendem Teillastbetrieb des Brennstoffzellensystems 2, was zu den allermeisten Zeitpunkten, zu denen das Brennstoffzellensystem 2 in dem Fahrzeug 1 betrieben wird, der Fall sein wird, kann über eine solche Erhöhung der Förderleistung der Luftfördereinrichtung 14 das durch das defekte Bypassventil 22 erzeugte Problem vollständig und ohne Einfluss auf das Fahrzeug 1 ausgeglichen werden. Das Fahrzeug 1 kann mit der Leistung aus dem Brennstoffzellensystem 2 also ohne erkennbare Beeinträchtigung weiter betrieben werden.
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Ferner ist es so, dass in diesem Fall durch die höhere Förderleistung der Luftfördereinrichtung 14 bei geöffnetem Bypassventil 22 auch mehr Luft über die Ablufturbine 15 abströmt, was die Leistung zum Antreiben der Luftfördereinrichtung 14 weiter erhöht. Hierdurch wird insgesamt der Druck der geförderten Zuluft erhöht. Durch diesen erhöhten Druck stellt sich in der Brennstoffzelle 3 beziehungsweise im Kathodenraum 4 ein Zustand ein, bei welchem auf Grund des höheren Drucks die Spannung der Brennstoffzelle ansteigt. Die von der Brennstoffzelle geforderte elektrische Leistung lässt sich somit bei niedrigeren Strömen bereits erzielen. Dies schiebt in vorteilhafter Weise die Grenze, ab welcher nur noch ein eingeschränkter Betrieb möglich ist, weiter nach oben.
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Lediglich dann, wenn die von der Brennstoffzelle 3 geforderte Leistung so hoch ist, dass der maximal mögliche Luftmassenstrom bei maximaler Förderleistung der Luftfördereinrichtung 14 und höherer Spannung der Brennstoffzelle 3 nicht ausreicht, um die Anforderungen zu erfüllen, wird über das Steuergerät 24 in die Leistungsregelung zwischen Brennstoffzellensystem 2 und Fahrzeug 1 in der Art eingegriffen, dass die von dem Brennstoffzellensystem 2 abrufbare maximale elektrische Leistung entsprechend des maximal möglichen Luftmassenstroms bei maximaler Förderleistung der Luftfördereinrichtung 14 begrenzt wird. Das Verfahren ermöglicht so in den allermeisten Betriebszuständen einen weiterhin andauernden Betrieb des Brennstoffzellensystems 2 ohne nennenswerte Beeinträchtigung, was hinsichtlich der Verfügbarkeit des Brennstoffzellensystems 2 und damit letztlich des Fahrzeugs 1 ein entscheidender Vorteil für den Nutzer ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009050934 A1 [0005]