DE10233822A1

DE10233822A1 - Verfahren und Anordnung zur Bestimmung der von einem Verdichter in einem Brennstoffzellensystem angesaugten Gasmasse

Info

Publication number: DE10233822A1
Application number: DE10233822A
Authority: DE
Inventors: Falko Berg; Dirk Dr.-Ing. Schröter
Original assignee: DaimlerChrysler AG; Ballard Power Systems AG; Siemens VDO Electric Drives Inc
Current assignee: Mercedes Benz Fuel Cell GmbH; Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2002-07-25
Filing date: 2002-07-25
Publication date: 2004-02-26

Abstract

Gegenstand der Erfindung sind ein Verfahren und eine Anordnung zur Bestimmung der Gasmasse, die von einem Verdichter (3) in einem Brennstoffzellensystem (1) angesaugt wird. Das Brennstoffzellensystem (1) weist eine Brennstoffzelle (2) auf, der das Gas zugeführt wird. Ein Gasmassensensor (7) ist im Ausgangskanal in einem Abstand vor dem Gaseinlaß des Verdichters an einer Stelle angeordnet, an der die vom Verdichter (3) erzeugten Schwingungen, die sich in dem Ausgangskanal fortpflanzen, praktisch nicht mehr die Arbeitsweise des Verdichters stören.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Bestimmung der Gasmasse, die von einem Verdichter in einem Brennstoffzellensystem angesaugt wird, das wenigstens eine Brennstoffzelle aufweist, der gasförmiger Brennstoff und ein oxidierendes Gas zugeführt werden.

Es ist ein Antriebsaggregat in einem Fahrzeug bekannt, das einen Elektrofahrmotor, eine Brennstoffzelle, einen Brennstofftank, einen Wasserspeicher, einen Verdampfer und einen Reformer aufweist. Der Brennstofftank enthält Methanol, das mit Wasser aus dem Wasserspeicher im Verdampfer in den gasförmigen Zustand überführt und danach zum Reformer geleitet wird, in dem unter Zufuhr von Wärme mittels eines katalytischen Brenners im wesentlichen Wasserstoff, Kohlendioxid und Kohlenmonoxid gebildet wird. Das Kohlenmonoxid kann mit einem Oxidator oxidiert werden. Das wasserstoffhaltige Brenngas aus dem Reformer wird mittels eine Kompressors der Brennstoffzelle zugeführt, die aus einem Brennstoffzellen-Stack besteht, in dem eine Vielzahl einzelner Brennstoffzellen-Module integriert sind. Mit einem weiteren Kompressor wird der Brennstoffzelle Luft zugeführt. In der Brennstoffzelle wird aus dem Wasserstoff und dem Sauerstoff der Luft elektrische Energie für den Elektrofahrmotor erzeugt ( DE 44 12 450 A1 ).

Bekannt ist auch eine Anordnung zur Berechnung des Ausnutzungsgrads von Wasserstoff oder Sauerstoff einer Brennstoffzelle. In einem Durchlaß für die Versorgung einer Elektrode für Wasserstoff, einem Durchlaß für verbrauchtes Brenngas, einem Durchlaß für die Versorgung eines oxidierenden Gases und einem Durchlaß für verbrauchtes oxidierendes Gas ist jeweils eine Sensor für den Gasdurchsatz angeordnet. Durch Verarbeitung der Meßwerte der Sensoren wird der Wasserstoff- und der Sauerstoffausnutzungsgrad berechnet (Patent Abstracts of Japan, Publication Number 610 51 773 A, Patentanmeldung Nr. 591 72 039).

Bei einer Anordnung zur Abgasregelung eines Dieselmotors ist es bekannt, einen Abgasmassensensor direkt in die Abgasrückführleitung einzufügen. Vor dem Abgassensor ist ein Kühler angebracht, der die Abgasleitung und damit die Abgase kühlt. Der Abgasmassensensor besitzt zwei Heizsensoren und zwei Temperatursensoren. Die Heiz- und Temperatursensoren sind zu einer Wheatstone-Brücke verschaltet, die sich auf einem Bauteilträger befindet. Durch die Verschiebung des inneren Brückenverhältnisses wird die Menge der vorbeiströmenden Abgase bestimmt ( DE 199 53 718 A1 ).

Für den einwandfreien Betrieb einer Brennstoffzelle ist insbesondere unter wechselnden Betriebsbedingungen eine genaue Dosierung des zugeführten Brenngases und des oxidierenden Gases erforderlich. Voraussetzung für eine genaue Zufuhr dieser Gase ist eine genaue Ermittlung des jeweiligen Gasmassenstroms, der von den Verdichtern angesaugt wird. Als oxidierendes Gas wird vielfach Luft verwendet, deren Sauerstoffanteil mit dem Brenngas in der Brennstoffzelle reagiert. Als Brenngas wird häufig ein wasserstoffhaltiges Gasgemisch verwendet, das auf die oben beschriebene Art z. B. aus Methanol erzeugt wird.

Das oxidierende Gas und das Brenngas können der Brennstoffzelle unter Druck zugeführt werden. Zur Druckerhöhung der Gase werden Verdichter, z. 8. Gebläse und Kompressoren, eingesetzt. Als Verdichter können Kreiselverdichter verwendet werden.

Strömende Gase werden nach Durchfluß und Menge gemessen. Durchflüsse sind Mengen je Zeiteinheit und können als Volumendurchflüsse oder Massendurchflüsse bestimmt werden. Mengen lassen sich durch Summieren von Durchflüssen über die Zeit berechnen.

Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, in einem Brennstoffzellensystem mit wenigstens einem Verdichter für ein der Brennstoffzelle zuzuführendes Gas den vom Verdichter angesaugten Gasmassenstrom so zu messen, dass Einflüsse, die den fehlerfreien Betrieb des Brennstoffzellensystems beeinträchtigen können, praktisch nicht zur Geltung kommen.

Das Problem wird bei einem Verfahren der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Gasmasse des vom Verdichter angesaugten Gasmassenstroms im Gasführungskanal vor der Gaseinlassöffnung des Verdichters mit einem Gasmassensensor im Abstand von der Gaseinlassöffnung des Verdichters an einer Stelle gemessen wird, an dem die vom Verdichter im Betrieb bewirkte ungleichmäßige Strömung in ihrem Einfluß auf die Arbeitsweise des Verdichters und damit der Brennstoffzelle praktisch vernachlässigbar ist. Praktisch vernachlässigbar bedeutet, daß sich eventuell nach vorhandene Gasmassenschwingungen nicht störend für die einwandfreie Arbeitsweise der Brennstoffzelle bemerkbar machen. Verdichter entwickeln bereits im Normalbetrieb starke Schwingungen bzw. Geräusche, die durch die hohen Geschwindigkeiten insbesondere bei Kreiselverdichtern und ungleichmäßiger, teilweise verzögerter Strömung entstehen. Solche Strömungen entstehen z. B. beim Vorbeistreichen von Laufschaufeln an Leitschaufeln.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird die Gasmasse hinter einem im Gasführungskanal vor der Gaseinlassöffnung des jeweiligen Verdichters angeordneten Gasfiltersystem gemessen, das durch den elastischen Ansaug- bzw. Gasführungskanal mit der Einlassöffnung des Verdichters verbunden ist. Schwingungen, die vom Verdichter im strömenden Gas hervorgerufen werden und die sich in den Gasführungskanal vor der Einlassöffnung fortpflanzen, werden durch den elastischen Gasführungskanal gedämpft. Damit verbunden ist auch eine Verminderung der unangenehm empfundenen hochfrequenten Geräusche, die vom Verdichter ausgehen. Um eine von Schwingungen oder Pulsationen des Gases möglichst unbeeinflusste Messung zu erzielen, kann der elastische Gasführungskanal so lang ausgebildet sein, daß praktisch keine störenden Gasbewegungen am Gasfiltersystem mehr vorhanden sind. Der Gasführungskanal ist hierbei als zum Ansaugkanal des Verdichters gehörig anzusehen.

Vorzugsweise wird die Betriebsspannung des Gasmassensensors von einem Spannungsversorgungssystem erzeugt, das eine Speicherbatterie aufweist. Die Spannungsversorgung des Gasmessensensors ist hierbei unabhängig von der durch die Brennstoffzelle erzeugten Energie. Bei Starten der Brennstoffzelle, deren Verdichter in der Startphase ebenfalls von einer Speicherbatterie mit Energie versorgt wird, kann der angesaugte Gasmassenstrom sofort bestimmt werden.

Zweckmäßigerweise werden die Meßwerte des Gasmassensensors digitalisiert und an eine Steuereinheit des Brennstoffzellensystems übertragen.

Bei einer Anordnung zur Bestimmung der Gasmasse, die von einem Verdichter in einem Brennstoffzellensystem angesaugt wird, das wenigstens eine Brennstoffzelle aufweist, der gasförmiger Brennstoff und ein oxidierendes Gas zugeführt werden, wird das Problem erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein Gasmassensensor für die Messung des vom Verdichter angesaugten Gasmassenstroms im Ansaugkanal des Verdichters bzw. im Gasführungskanal vor der Gaseinlassöffnung des Verdichters im Abstand von der Gaseinlaßöffnung des Verdichters an einer Stelle angeordnet ist, an der die vom Verdichter im Betrieb bewirkte ungleichmäßige Strömung im Ansaug- bzw. Gasführungskanal in ihrem Einfluss auf die Arbeitsweise des Verdichters bzw. der Brennstoffzelle praktisch vernachlässigbar ist. Der Gasmassensensor wird hierbei nicht am Verdichter angeordnet, so daß die störenden Schwingungen, die vom Verdichter im Gasstrom hervorgerufen werden und die sich in den Gasführungskanal vor dem Gaseinlaß fortpflanzen und dabei mit zunehmendem Abstand vom Gaseinlaß gedämpft werden, in ihrem Einfluss auf die Messung der Gasmasse abnehmen.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist der Verdichter an seiner Gaseinlassöffnung über einen elastischen, einen gasdichten Mantel aufweisenden Gasführungs- bzw. Ansaugkanal mit einem Gasfiltersystem verbunden, hinter dem im Gasführungs- bzw. Ansaugkanal in der Nähe des Gasfiltersystems der Gasmassensensor angeordnet ist. Durch den elastischen Gasführungskanal werden die vom Verdichter im Gasführungskanal hervorgerufenen Schwingungen in der Gassäule gedämpft. In Abhängigkeit von den Dämpfungseigenschaften des Gasführungskanals und dessen Länge können die Schwingungen am Gasmassensensor so stark gedämpft werden, daß sie für die genaue Messung des Gasmassenstroms ohne Bedeutung sind. Der Gasführungskanal kann insbesondere aus textilem Material bestehen, das eine elastische Beschichtung aufweist. Das Gasfiltersystem ist zumindest für die Abscheidung von Partikeln im angesaugten Gasstrom ausgelegt, so daß die Verunreinigung des Gasmassensensors durch den Niederschlag von Partikeln vermieden wird, die die Meßgenauigkeit beeinflussen könnten.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird der elektrische Teil des Gasmassensensors von einer Spannungsversorgung gespeist, die eine Speicherbatterie aufweist. Die Spannungsversorgung ist daher unabhängig vom Brennstoffzellensystem und arbeitet bereits in der Anlaufphase des Brennstoffzellensystems genau.

Bei einer weiteren zweckmäßigen Ausführungsform ist der elektrische Teil des Gasmassensensors mit einer Steuerung des Brennstoffzellensystems verbunden. Beispielsweise ist der Gasmessensensor Teilnehmer an einem CAN-Bus.

Insbesondere ist das vom Verdichter angesaugte Gas Luft. Bei Brennstoffzellensystem mit einem Tank, in dem als Brenngas Wasserstoff unter Druck gespeichert ist, dessen Druck vor der Brennstoffzelle mit einem Ventil geregelt wird, reicht im Brennstoffzellensystem ein Verdichter für Luft aus.

Besonders günstig ist es, wenn die erfindungsgemäße Anordnung zur Bestimmung des von einem Verdichter angesaugten Gasmassenstroms in einer mobilen Einrichtung, wie einem Automobil oder einem Boot oder einer Lokomotive, angeordnet ist.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand eines in einer Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher beschrieben, aus dem sich weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile ergeben.
In der Zeichnung ist schematisch eine Anordnung mit einem Brennstoffzellensystem für die Erzeugung elektrischer Energie dargestellt. Die Anordnung befindet sich insbesondere in einem nicht näher dargestellten Elektrofahrzeug.
Ein Brennstoffzellensystem 1, das in an sich bekannter Weise eine Brennstoffzelle 2, z. B. vom Typ PEM, und weitere in der Zeichnung nicht dargestellte Bauelemente wie einen Brennstofftank, einen Wasserspeicher, einen Verdampfer und einen Reformer enthält, weist auch einen Verdichter 3 zum Ansaugen und Verdichten eines Gases auf. Bei diesem Gas handelt es sich z. B. um Luft, dessen Sauserstoff das oxidierende Gas ist, das in der Brennstoffzelle 2 mit dem gasförmigen Brennstoff zur Erzeugung elektrischer Energie reagiert. Der gasförmige Brennstoff enthält z. B. Wasserstoff.
Die verdichtete Luft gelangt über einen Kanal 4 zur Brennstoffzelle 2. Als Verdichter 3 bzw. Kompressor wird z. B. ein Kreiselverdichter eingesetzt, der von einem nicht dargestellten Elektromotor angetrieben wird.
Brennstoffzellensysteme werden wegen des relative hohen Wirkungsgrades und geringen Schadstoffausstoßes auch in mobilen Vorrichtungen wie Kraftfahrzeugen eingesetzt. In diesen sind geringe Bauteilabmessungen und geringe Gewichte von Bedeutung. Wegen der geringen Abmessungen bei großer Förderleistung wird der Kompressor 3 für hohe Drehzahlen ausgelegt. Bei hohen Drehzahlen entstehen im Kompressor durch unregelmäßige Luftströmungen Schwingungen, die auch lästige Geräusche bewirken.
Die Brennstoffzelle 2 gibt an ihren elektrischen Ausgängen 5 eine elektrische Leistung ab, die für den Fahrmotor im Elektrofahrzeug und für weitere Verbraucher im Fahrzeug bestimmt ist. Eine Brennstoffzellensystemsteuereinheit 6 stellt in Abhängigkeit von der jeweils angeforderten Leistung über Stellelemente die Zufuhr des Brenngases und des oxidierenden Gases zur Brennstoffzelle 2 so ein, daß diese die entsprechende elektrische Leistung ausgibt.
Für die Einstellung der Brennstoffzellenleistung ist auf Seiten der Zufuhr der Gase die genaue Messung des Gasmassenströme Voraussetzung. Die genau Messung des Gasmassenstroms des einen Gases, nämlich des oxidierendes Gases, insbesondere Luft, wird im folgenden näher erläutert. Zur Messung des Luftmassenstroms ist ein an sich bekannter Luftmassensensor 7 vorgesehen, der nach dem Wirkdruckverfahren arbeitet. Mit dem Luftmassensensor wird der Durchfluß an Luft durch einen Ansaug- bzw. einen Gasführungskanal 8 gemessen, der vor der nicht näher bezeichneten Gaseinlassöffnung des Verdichters 3 angeordnet ist. Massendurchflüsse sind Mengen pro Zeiteinheit Die Durchflussmessung kann nach dem Wirkdruckverfahren erfolgen, wobei im Gasführungskanal 8 eine Drossel eingebaut ist.
Der Luftmassensensor 7 ist an einer Stelle im Gasführungskanal 8 angeordnet, die soweit entfernt von der Gaseinlassöffnung des Verdichters 3 angeordnet ist, daß die vom Verdichter ausgehenden Schwingungen, die sich auch in die. Luftsäule im Gasführungskanal 8 fortpflanzen so stark gedämpft sind, daß ihr Einfluß auf die Messung und damit Arbeitsweise der Brennstoffzelle 2 praktisch vernachlässigt werden kann.
Der Verdichter 3 ist über den Gasführungskanal 8 mit einem Gasfiltersystem 9 verbunden, mit dem zumindest Partikel, z. B. Staub oder Ruß, aus der angesaugten Luft abgeschieden werden. Der Gasführungskanal 8 besteht aus elastischem, gasdichtem Material, z. B. textilem Material, und ist insbesondere ein Schlauch aus textilen Fasern oder Fäden, z. B. in Form eines Gewebes. Er weist eine Beschichtung auf, die das Eindringen von Gasen aus dem Raum außerhalb des Gasführungskanals 8 verhindert. Es können also keine Verunreinigungen mehr hinter dem Filtersystem 9 in das vom Kompressor 3 angesaugte Gas gelangen. Die textile Beschichtung kann innen und/oder außen am Gasführungskanal angebracht sein. Der Gasführungskanal 8 absorbiert durch seinen Aufbau Schwingungsenergie in der Luftsäule. Zum Gasfiltersystem 9 gelangt daher höchstens noch ein Teil der vom Kompressor ausgehenden Schwingungsenergie. Der Luftmassensensor 7 ist an demjenigen Ausgang des Luftfiltersystem 9 angeordnet, der dem Verdichter 3 zugewandt ist. Die Länge des Gasführungskanals 8 ist auf die bei der höchsten Verdichterdrehzahl auftretenden Schwingung derart abgestimmt, daß eine so starke Dämpfung der Schwingungen im Gasführungskanal 8 bis zum Gasfiltersystem 9 erfolgt, daß bei der Messung des Luftmassenstroms die Einflüsse von Schwingungen oder Pulsationen sich praktisch nicht mehr auf die Steuerung des Verdichters auswirken.
Der Gasmassensensor 7 ist über seinen elektrischen Teil 10 mit einem Bus 11, insbesondere einem CAN-Bus, verbunden, an den auch die Brennstoffzellensystemsteuereinheit 6 angeschlossen ist, d. h. der Gasmassensensor 7 ist Teilnehmer am Bus 11. Möglich ist auch eine direkte Leitungsverbindung zwischen dem Teil 10 und der Brennstoffzellensystemsteuereinheit 6.
Im Fahrzeug ist ein Bordnetz 12 vorhanden, das eine geringere Spannung als die Brennstoffzelle 2 hat und mit dem an die Brennstoffzelle 2 angeschlossenen Hochvoltnetz 13 über einen bidirektionalen DC/DC-Wandler 14 verbunden ist, der von der Brennstoffzellensteuereinheit 6 gesteuert werden kann.
Das Bordnetz 12 enthält eine Speicherbatterie 15. Die Spannungsversorgung des Luftmassensensors 7 ist somit unabhängig von der Ausgangsspannung der Brennstoffzelle 2.
Für die Messung der Ausgangsspannung der Brennstoffzelle ist ein Spannungssensor 16 und für den Ausgangsstrom ein Stromsensor 17 vorgesehen. Beide Sensoren 16, 17 sind an die Brennstoffzellensteuereinheit 6 angeschlossen Die Anordnung des Luftmassensensors 7 nahe am Gasfiltersystem 9 hat auch den Vorteil, daß der Luftmassensensor 7 zu Servicezwecken leicht zugänglich ist. Die Zugänglichkeit des Gasfiltersystems 9 muß nämlich wegen des von Zeit zu Zeit notwendigen Filterwechsels vorgesehen sein.

Claims

Verfahren zur Bestimmung der Gasmasse, die von einem Verdichter in einem Brennstoffzellensystems angesaugt wird, das wenigstens eine Brennstoffzelle ausweist, der gasförmiger Brennstoff und ein oxidierendes Gas zugeführt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasmasse des vom Verdichter angesaugten Gasmassenstroms im Ansaugkanal des Verdichters bzw. im Gasführungskanal vor der Gaseinlassöffnung des Verdichters mit einem Gasmassensensor im Abstand vor der Gaseinlassöffnung des Verdichters an einer Stelle gemessen wird, an dem die vom Verdichter im Betrieb bewirkte ungleichmäßige Strömung des Gases in ihrem Einfluß auf die Arbeitsweise der Verdichters und damit auch der Brennstoffzelle praktisch vernachlässigbar ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasmasse im Ansaugkanal bzw. im Gasführungskanal vor der Gaseinlassöffnung des Verdichters hinter einem im Ausgang- bzw. Gasführungskanal angeordneten Gasfiltersystem gemessen wird, das durch den elastischen Ansaugbzw. Gasführungskanal mit der Gaseinlassöffnung des Verdichters verbunden ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Betriebsspannung für den Gasmassensensor durch ein Spannungsversorgungssystem erzeugt wird, das eine Speicherbatterie aufweist.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßwerte des Gasmassensensors digitalisiert und zu einer Brennstoffzellensystemsteuereinheit übertragen werden.
Anordnung zur Bestimmung der Gasmasse, die von einem Verdichter in einem Brennstoffzellesystem angesaugt wird, das wenigstens eine Brennstoffzelle aufweist, der gasförmiger Brennstoff und ein oxidierendes Gas zugeführt werden, dadurch gekennzeichnet, daß ein Gasmassensensor (7) für die Messung des vom Verdichter (3) angesaugten Gasmassenstroms in Ausgangskanal des Verdichters (3) bzw. im Gasführungskanal vor der Gaseinlassöffnung des Verdichters (3) im Abstand von der Gaseinlassöffnung an einer Stelle angeordnet ist, an dem die vom Verdichter (3) bewirkte ungleichmäßige Strömung des Gases in ihrem Einfluss auf die störungsfreie Arbeitsweise des Verdichters bzw. der Brennstoffzelle (2) praktisch vernachlässigbar ist.
Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdichter (3) an seiner Gaseinlassöffnung über einen elastischen, einen gasdichten Umfang aufweisenden Gasführungs- bzw. Ansaugkanal (8) mit einem Gasfiltersystem (9) verbunden ist, hinter dem im Gasführungskanal (9) in der Nähe des Gasfiltersystems der Gasmassensensor (7) angeordnet ist.
Anordnung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Gasführungskanal (8) aus textilem Material besteht, das ein elastische Beschichtung aufweist.
Anordnung nach zumindest einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrische Teil (10) des Gasmassensensors (7) von einer Spannungsversorgung gespeist wird, die eine Speicherbatterie (15) aufweist.
Anordnung nach zumindest einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrische Teil (10) des Gasmassensensors (7) mit einer Brennstoffzellensystemsteuereinheit (6) verbunden ist.
Anordnung nach zumindest einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das vom Verdichter angesaugte Gas Luft ist.
Anordnung nach zumindest einem der Anspräche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Gasmassensensor (7) Teilnehmer eines CAN-Busses ist, dessen Teilnehmer auch die Brennstoffzellensystemsteuereinheit (6) ist.
Anordnung nach zumindest einem der Anspräche 5 bis 11, gekennzeichnet durch die Einfügung in ein mobile Vorrichtung.