DE102019132611A1 - Verfahren zur Regelung des Strömungsquerschnitts der Treibdüse eines einstellbaren Ejektors, Brennstoffzellensystem und Kraftfahrzeug - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung des Strömungsquerschnitts (250) einer Treibdüse (102) eines in einen Anodenkreislauf eines Brennstoffzellensystems (100) eingebundenen, einstellbaren Ejektors (200), bei dem der Strömungsquerschnitt (250) der Treibdüse (202) druckgeführt geregelt wird. Die Regelung des Strömungsquerschnitts (250) der Treibdüse (202) wird durch mindestens eine weitere Führungsgröße geführt unter Beibehaltung eines Mindestquerschnitts des Strömungsquerschnitts (250) mittels eines Begrenzers (300). Die Erfindung betrifft außerdem ein Brennstoffzellensystem (100) zur Durchführung des Verfahrens sowie ein Kraftfahrzeug mit einem solchen Brennstoffzellensystem (100).

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung des Strömungsquerschnitts einer Treibdüse eines in einen Anodenkreislauf eines Brennstoffzellensystems eingebundenen, einstellbaren Ejektors, bei dem der Strömungsquerschnitt der Treibdüse druckgeführt geregelt wird. Die Erfindung betrifft außerdem ein Brennstoffzellensystem zur Durchführung des Verfahrens sowie ein Kraftfahrzeug mit einem solchen Brennstoffzellensystem.
• Brennstoffzellen nutzen die chemische Umsetzung eines Brennstoffs mit Sauerstoff zu Wasser, um elektrische Energie zu erzeugen. Hierfür enthalten Brennstoffzellen als Kernkomponente die sogenannte Membran-Elektroden-Einheit (MEA für membrane electrode assembly), die ein Verbund aus einer protonenleitenden Membran und jeweils einer, beidseitig an der Membran angeordneten Elektrode (Anode und Kathode) ist. Zudem können Gasdiffusionslagen (GDL) beidseitig der Membran-Elektroden-Einheit an den der Membran abgewandten Seiten der Elektroden angeordnet sein. In der Regel wird die Brennstoffzelle durch eine Vielzahl, im Stapel (englisch: stack) angeordneter MEA gebildet, deren elektrische Leistungen sich addieren. Durch die direkte Umsetzung von chemischer in elektrische Energie erzielen Brennstoffzellen gegenüber anderen Elektrizitätsgeneratoren aufgrund der Umgehung des Carnot-Faktors einen verbesserten Wirkungsgrad.
• Da die Anodenreaktion üblicherweise unter überstöchiometrischer Bemessung des Brennstoffs betrieben wird, erfolgt im Brennstoffzellenstapel keine vollständige Reaktion des gesamten zugeführten Brennstoffs. Ebenso wenig erfolgt eine vollständige Reaktion des Sauerstoffs. Zur effizienten Nutzung des Brennstoffs wird dieser daher häufig in einen Anodenkreislauf / Anodenloop geführt (rezirkuliert), wobei vor Wiederzuführung des Brennstoffs zu dem Brennstoffzellenstapel der Brennstoff wieder soweit angereichert wird, dass wieder eine überstöchiometrische Bemessung des Brennstoffs vorliegt und die Reaktion stattfinden kann.
• Im Anodenkreislauf kann ein Ejektor (Strahlpumpe) eingesetzt werden, der mittels der potentiellen Energie des Brennstoffes aus einem Brennstofftank das Anodengas rezirkuliert. Die Effizienz eines Ejektors hängt stark von dessen Geometrie ab und dabei besonders von der Größe der Treibdüse und der Größe des Mischrohres. Die optimale Ejektorgeometrie ist abhängig von den jeweiligen Betriebsbedingungen der Brennstoffzelle, die sich während des Betriebes eines Fahrzeugs ändern. So unterscheidet sich eine ideale Geometrie für das Mischrohr und die Treibdüse für hohe Lastpunkte von der bei niedrigen Lastpunkten. Um die für die unterschiedlichen Lastpunkte erforderlichen Brennstoffmasseströme bereitstellen zu können, werden sogenannte einstellbare Ejektoren verwendet, bei denen sich der Strömungsquerschnitt der Treibdüse einstellen lässt. Zumeist findet dabei eine Nadel Einsatz, die sich zur Spitze verjüngt und die mittels eines Aktuators axial entlang der Nadellängsachse verstellbar ist. Durch die Verstellung der Nadel ändert sich dann der Strömungsquerschnitt der Treibdüse, womit sich die Zufuhr von frischem Brennstoff in den Anodenkreislauf verändert und damit die Rezirkulationsrate des im Anodenkreislauf vorhandenen Brennstoffs variieren lässt.
• In der DE 11 2008 001 997 B4 ist ein Brennstoffzellensystem beschrieben, das einen Anodenkreislauf mit einem darin eingebundenen Rezirkulationsgebläse umfasst. Um dem Anodenkreislauf Brennstoff temperaturgeregelt zuzuführen wird ein Abscheiderventil in Abhängigkeit der Temperatur geöffnet oder geschlossen und zugleich über eine Einspritzdüse frischer Brennstoff in den Anodenkreislauf eingebracht. Die Einspritzdüse kann geöffnet oder geschlossen werden, um die Gasströmungsrate zu regulieren und entsprechend den Druck zu mindern. Diese Einspritzdüse ist dabei als ein Druckregelventil gebildet. Auch in der EP 1 727 227 A1 ist ein solches Brennstoffzellensystem mit einem stromauf des Anodenkreislaufs angeordneten Druckregelventil offenbart, das unterschiedliche Öffnungsgrade aufweisen kann. Auch hier ist ein Rezirkulationsgebläse für die Zirkulation des Brennstoffs im Anodenkreislauf vorhanden. In der JP 2007 - 234 333 A ist demgegenüber ein Brennstoffzellensystem mit einem Ejektor beschrieben, mit dem die Rezirkulation bewirkt wird. Dieser Ejektor ist ausgebildet, eine druckgeführte Regelung des Strömungsquerschnitts der Treibdüse zu bewirken und bildet damit den Gegenstand des Oberbegriffs des unabhängigen Anspruchs 1.
• Ausgehend davon ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Regelung des Strömungsquerschnitt einer Treibdüse eines in einen Anodenkreislauf eines Brennstoffzellensystems eingebundenen, einstellbaren Ejektors bereitzustellen, das die Betriebssicherheit des Brennstoffzellensystems gewährleistet. Darüber hinaus ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Brennstoffzellensystem und ein verbessertes Kraftfahrzeug bereitzustellen.
• Die das Verfahren betreffende Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Die das Brennstoffzellensystem betreffende Aufgabe wird gelöst durch ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Anspruchs 8 und die das Kraftfahrzeug betreffende Aufgabe mit einem Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 9. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
• Das erfindungsgemäße Verfahren nutzt die Erkenntnis und schließt diese mit ein, wonach jeder Lastanforderung ein entsprechendes Druckverhältnis des Gasgemisches im Anodenkreislauf entspricht. Abhängig vom Druckverhältnis im Anodenkreislauf muss daher ein darin bestehendes Drucklevel entweder weiter „aufgepumpt“ oder hinsichtlich des vorherrschenden Levels entspannt werden. Der Zustand oder das Drucklevel im Anodenkreislauf bedingt somit die Brennstoffzufuhr, die in unmittelbarem Zusammenhang mit der an das Brennstoffzellensystem gestellten Lastanforderung steht. Die einzelnen Drucklevel sind dabei in einem Steuergerät hinterlegt, so dass ein Zusammenhang vorliegt zwischen der Lastanforderung, also der Stromanforderung an das Brennstoffzellensystem, und dem im Anodenkreislauf herrschenden Druck.
• Das Verfahren zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass die Regelung des Strömungsquerschnitt der Treibdüse durch mindestens eine weitere Führungsgröße geführt wird unter Beibehaltung eines Mindestquerschnitts des Strömungsquerschnitts mittels eines Begrenzers. Somit ergibt sich also ein Regler, der sowohl druckgeführt als auch durch eine weitere Führungsgröße geführt ist. Damit ergibt sich ein noch besseres Regelungsverhalten für den Ejektor, wobei gewährleistet ist, dass die Rezirkulation im Anodenkreislauf aufrechterhalten bleibt durch den Einsatz des Begrenzers, der einen Mindestquerschnitt für die Treibdüse vorgibt. Dies führt zu einem stabilen Betrieb und zur Vermeidung einer Brennstoffunterversorgung, da die Rezirkulation aufrechterhalten bleibt und die Stöchiometrie für die Brennstoffzellenreaktion eingehalten werden kann. Auch bei verringernden Leistungstransienten des Brennstoffzellensystems ist gewährleistet, dass die Rezirkulationsleistung im Anodenkreislauf aufrechterhalten bleibt und diese nicht abreißt.
• In diesem Zusammenhang hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die mindestens eine weitere Führungsgröße das Brennstoffverhältnis betrifft, welches gebildet ist aus dem Verhältnis der Summe aus dem durch die Treibdüse des Ejektors in den Anodenkreislauf eintretenden Massenstrom und dem im Anodenkreislauf rezirkulierten Brennstoffmassenstrom zu dem auf die kathodenseitig gelangenden, verbrauchten Brennstoffmassenstrom. Aufgrund der (-) Regelung des Öffnungsgrads der Treibdüse (sowohl druckgeführten als auch brennstoffverhältnisgeführten) lässt sich eine effiziente Betriebsweise des Brennstoffzellensystems unter sparsamen Brennstoffstoffeinsatz und mit geringerer Komplexität realisieren.
• Alternativ oder ergänzend ist es möglich, dass die mindestens eine weitere Führungsgröße den vom Brennstoffzellensystem bereitzustellenden elektrischen Strom, mithin die an das Brennstoffzellensystem gestellte Lastanforderung betrifft. Auch hierdurch lässt sich eine Regelung des Ejektors mittels mindestens zwei Stellgrößen realisieren, wobei der Begrenzer zur Vermeidung einer Brennstoffunterversorgung vorgesehen ist. Die durch die gegebenenfalls zu große von der Brennstoffzellen erzeugte elektrische Leistung kann dabei anteilig an einen Akkumulator, beispielsweise an eine Hochvoltbatterie übertragen werden und darin gespeichert werden.
• Der Mindestquerschnitt kann ebenfalls lastabhängig sein, sodass es von Vorteil ist, wenn der Mindestquerschnitt durch eine lastabhängige Kennlinie gebildet ist. In diesem Zusammenhang ist die Möglichkeit eröffnet, dass die lastabhängige Kennlinie durch ein in Abhängigkeit der an das Brennstoffzellensystem gestellten Lastanforderung entsprechendes Mindestbrennstoffverhältnis gebildet ist. Wird dieses Mindestbrennstoffverhältnis unterschritten, so kann dies dazu führen, dass die regelbare Strahlpumpe den Strömungsquerschnitt der Treibdüse so sehr verengt, dass eine Rezirkulation des sich im Anodenkreislauf befindlichen Gasgemisches nicht mehr stattfindet, was zu einer unerwünschten Unterversorgung an Brennstoff führen kann. Durch diese Kennlinie wird also erzielt, dass der Begrenzer einen in Abhängigkeit der eingestellten Last Mindestquerschnitt des Strömungsquerschnitts der Treibdüse bereitstellt.
• Die Kennlinie lässt sich beispielsweise anhand eines Modells für das Brennstoffverhältnis festlegen, wobei auch eine modellbasierte Bestimmung des Brennstoffverhältnisses während des laufenden Betriebs des Brennstoffzellensystems ermittelt und berücksichtigt werden kann. Alternativ kann aber auch eine sensorische Messung stattfinden, um die Kennlinie des Brennstoffverhältnisses festzulegen. Letzteres führt zu einer betriebssicheren Bestimmung der Kennlinie während die modellbasierte Bestimmung der Kennlinie zu einer vereinfachten, weil sensorfreien Gestaltung des Brennstoffzellensystems führt.
• Die in Verbindung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschriebenen Vorteile und bevorzugten Ausführungsformen gelten auch für das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem. Dieses kommt mit weniger Sensoren aus. Es weist daher eine geringere Komplexität auf und kann deshalb günstiger hergestellt werden. Diese Vorteile wirken auch beim Einsatz des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems in einem erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug.
• Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Es sind somit auch Ausführungen als von der Erfindung umfasst und offenbart anzusehen, die in den Figuren nicht explizit gezeigt oder erläutert sind, jedoch durch separierte Merkmalskombinationen aus den erläuterten Ausführungen hervorgehen und erzeugbar sind.
• Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:
• 1 ein schematisch dargestelltes Brennstoffzellensystem,
• 2 eine Schnittansicht eines schematisch dargestellten Ejektors, und
• 3 die schematische Darstellung des Reglers des Strömungsquerschnitts der Treibdüse des Ejektors, bei dem die Regelung sowohl druckgeführt (p_Ist / p_Soll) als auch brennstoffverhältnisgeführt (λ_Ist / λ_Soll) erfolgt,
• 4 eine schematische Darstellung der Regelstrecke für den Strömungsquerschnitt der Treibdüse des Ejektors mit seinem Begrenzer für mindestens eine der Stellgrößen (vorliegend: Begrenzer für das Brennstoffverhältnis λ), und
• 5 eine zeitabhängige Darstellung des Druckes und eine zeitabhängige Darstellung des Brennstoffverhältnisses, wobei die Sollgrößen strichliert und die Istgrößen durchgezogen dargestellt sind.
• In 1 ist ein Brennstoffzellensystem 100 gezeigt, das einen Kathodenräume und Anodenräume aufweisenden Brennstoffzellenstapel 104 umfasst. Der Brennstoffzellenstapel 104 weist dabei eine Mehrzahl von in Reihe geschalteten Brennstoffzellen auf.
• Jede der Brennstoffzellen umfasst eine Anode und eine Kathode sowie eine die Anode von der Kathode trennende protonenleitfähige Membran. Die Membran ist aus einem lonomer, vorzugsweise einem sulfonierten Tetrafluorethylen-Polymer (PTFE) oder einem Polymer der perfluorierten Sulfonsäure (PFSA) gebildet. Alternativ kann die Membran als eine sulfonierte Hydrocarbon-Membran gebildet sein.
• Den Anoden und/oder den Kathoden kann zusätzlich ein Katalysator beigemischt sein, wobei die Membranen vorzugsweise auf ihrer ersten Seite und/oder auf ihrer zweiten Seite mit einer Katalysatorschicht aus einem Edelmetall oder aus Gemischen umfassend Edelmetalle wie Platin, Palladium, Ruthenium oder dergleichen beschichtet sind, die als Reaktionsbeschleuniger bei der Reaktion der jeweiligen Brennstoffzelle dienen.
• Über die Anodenräume innerhalb des Brennstoffzellenstapels 104 wird den Anoden Brennstoff (zum Beispiel Wasserstoff) zugeführt. In einer Polymerelektrolytmembranbrennstoffzelle (PEM-Brennstoffzelle) werden an der Anode Brennstoff oder Brennstoffmoleküle in Protonen und Elektronen aufgespaltet. Die Membran lässt die Protonen (zum Beispiel H⁺) hindurch, ist aber undurchlässig für die Elektronen (e^-). An der Anode erfolgt dabei die folgende Reaktion: 2H₂ → 4H⁺ + 4e^- (Oxidation/Elektronenabgabe). Während die Protonen durch die Membran zur Kathode hindurchtreten, werden die Elektronen über einen externen Stromkreis an die Kathode oder an einen Energiespeicher geleitet. Über die Kathodenräume innerhalb des Brennstoffzellenstapels 104 kann den Kathoden Kathodengas (zum Beispiel Sauerstoff oder Sauerstoff enthaltende Luft) zugeführt werden, so dass kathodenseitig die folgende Reaktion stattfindet: O₂ + 4H⁺ + 4e^- → 2H₂O (Reduktion/Elektronenaufnahme).
• Dem Brennstoffzellenstapel 104 ist kathodenseitig eine Kathodengasversorgung zugeordnet, welche eine mit den Kathodenräumen stapeleintrittseitig strömungsmechanisch verbundene Kathodenzufuhrleitung 103 zur Zufuhr des Kathodengases an die Kathoden der Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels 104 aufweist. In die Kathodenzufuhrleitung 103 ist vorliegend zur Vorkonditionierung des Kathodengases ein Befeuchter 102 integriert. Der Befeuchter 102 ist mit seinem kathodenseitigen Auslass mit den Kathodenräumen des Brennstoffzellenstapels 104 verbunden. Stromauf des Befeuchters 102 ist ein Verdichter 112 vorhanden, der das Kathodengas ansaugt, um es anschließend komprimiert über die Kathodenzufuhrleitung 103 an einem Frischgaseinlass des Befeuchters 102 bereitzustellen. Da das Kathodengas beim Verdichten sehr stark erhitzt, wird dieses bereits vor einem Eintritt in den Befeuchter 102 mittels eines Ladeluftkühlers 105 heruntergekühlt, um Schädigungen zu vermeiden. Die Kathodengasversorgung umfasst außerdem eine Kathodenabgasleitung 106 zur Ausbringung von Kathodenabgas aus dem Brennstoffzellenstapel 104, wobei die Kathodenabgasleitung 106 ebenfalls strömungsmechanisch mit den Kathodenräumen des Brennstoffzellenstapels 104 verbunden ist. Der Befeuchter 102 ist vorliegend zusätzlich in die Kathodenabgasleitung 106 eingebunden, so dass er mit anderen Worten mit seinem kathodenseitigen Einlass ebenfalls mit den Kathodenräumen über die Kathodenabgasleitung 106 verbunden ist, über die nicht abreagiertes Kathodengas bzw. feuchtes Kathodenabgas zum Befeuchter 102 rückgeführt wird. Der Befeuchter 102 ist aus einer Mehrzahl an wasserdampfpermeablen Membranen gebildet, die ausgestaltet sind, um dem Kathodenabgas Feuchtigkeit zu entziehen und diese dem frischen Kathodengas zuzuführen. Die Kathodenabgasleitung 6 setzt sich nach dem Befeuchter 102 fort, so dass das (teil-)getrocknete Kathodenabgas einer weiteren Verwertung zugeführt oder an die Umwelt abgegeben werden kann.
• Dem Brennstoffzellensystem 100 ist anodenseitig eine Brennstoffversorgung zugeordnet, um den Anodenräumen und damit den Anoden der im Brennstoffzellenstapel 104 vorhandenen Brennstoffzellen den Brennstoff zuzuleiten. Die Anodenräume sind über eine Anodenzufuhrleitung 107 mit einem den Brennstoff bereitstellenden Brennstoffspeicher 108 verbunden. Über eine Anodenrezirkulationsleitung 109 kann an den Anoden nicht abreagierter Brennstoff den Anodenräumen erneut zugeführt werden. Die Anodenrezirkulationsleitung 109 mündet stromauf des Brennstoffzellenstapels 104 also wieder in die Anodenzufuhrleitung 107 und bildet mit stromab der Mündung gebildeten Teil der Anodenzufuhrleitung 107 einen Anodenkreislauf. Um das Anodenabgas mittels einer einstellbaren Zufuhr von frischem Brennstoff zirkulieren zu können, ist vorliegend im Punkt der Mündung ein Ejektor 200 eingebunden, auf den untenstehend näher eingegangen wird. Stromauf des Ejektors 200 kann zur weiteren Regelung der Zufuhr des Brennstoffes in der Anodenzufuhrleitung 107 ein Brennstoffstellglied 110 angeordnet sein. Dieses Brennstoffstellglied 110 ist vorzugsweise als ein Druckregelventil gebildet. Stromaufwärts des Druckregelventils ist ein Wärmeübertrager 111 in Form eines Rekuperators zur Erwärmung des Brennstoffes vorgesehen. Das Brennstoffzellensystem 100 umfasst ferner ein nicht näher dargestelltes Steuergerät.
• In 2 ist der Ejektor 200 des Anodenkreislaufs näher gezeigt. Hierbei handelt es sich um einen einstellbaren, also mit unterschiedlichen Öffnungsgraden betreibbaren Ejektor 200. Der Ejektor 200 weist eine Saugdüse 210, eine Treibdüse 202 sowie ein Mischrohr 204 auf. Beim gezeigten Ejektor 200 schließt sich an das Mischrohr 204 zudem ein Diffusor 214 an. Die Treibdüse 202 ist strömungsmechanisch mit einem Anschluss 216 verbunden, der seinerseits mit dem Brennstoffspeicher 108 des Brennstoffzellensystems 100 verbunden ist, so dass durch den Anschluss 216 frischer Brennstoff durch die Treibdüse 202 ins Mischrohr 204 gegeben werden kann. Die Saugdüse 210 weist auch einen Anschluss 218 auf, über den der rezirkulierte Brennstoff eingebracht oder eingesaugt wird, welcher in dem Brennstoffzellenstapel 104 nicht verbraucht wurde. Der Ejektor 200 ist also in den Anodenkreislauf eingebunden. Innerhalb der Treibdüse 202, insbesondere konzentrisch zu dieser, ist eine Nadel 208 angeordnet, die eine sich konisch in Richtung der Düsenöffnung 220 der Treibdüse 202 verjüngende Nadelspitze 222 aufweist. Auch die Treibdüse 202 selbst ist mit einem sich in Richtung der Düsenöffnung 220 verjüngenden Düsenabschnitt 224 gestaltet. Durch die Nadel 208 lässt sich ein Strömungsquerschnitt 250 der Treibdüse 202 variieren. Hierzu ist die Nadel 208 axial verstellbar, so dass bei einem Verstellen der Nadel 208 in Richtung der Düsenöffnung 220 der Strömungsquerschnitt 250 der Treibdüse 202 verringert wird. Bei einem axialen Verstellen der Nadel 208 in einer der Düsenöffnung 220 abgewandten Richtung wird der Strömungsquerschnitt 250 vergrößert und ein größerer Anteil von frischem Brennstoff kann in das Mischrohr 204 gelangen. Zur Verstellung der Nadel 208 ist ein Aktuator 212 vorgesehen, der beispielsweise als elektrischer Linearantrieb gebildet ist. Auch die Saugdüse 210 ist mit einem sich in Richtung des Mischrohrs 204 verjüngenden Düsenabschnitt 226 gebildet. Ein Strömungsquerschnitt 252 des Mischrohrs 204 ist vorliegend fest vorgegeben. Es besteht aber die Möglichkeit, dass sich dieser mittels einer nicht näher dargestellten Einstelleinrichtung variieren lässt.
• Wenn das Brennstoffzellensystem 100 bei einer niedrigen Last betrieben werden soll, so sind die Strömungsquerschnitte 250, 252 möglichst gering zu halten. In diesem Fall wird die Nadel 208 in Richtung der Düsenöffnung 220 verstellt, womit sich der Strömungsquerschnitt 250 der Treibdüse 202 reduziert. In diesem Falle wird also mit anderen Worten eine niedrige Lastanforderung (oder Strombedarf/Stromabnahme) an das Brennstoffzellensystem 100 gestellt. Im umgekehrten Falle, zum Beispiel wenn das Brennstoffzellensystem 100 mit einer großen Last betrieben werden soll, wird die Nadel 208 mittels des Aktuators 212 zurückgezogen und der Strömungsquerschnitt 250 der Treibdüse 202 wieder vergrößert. In diesem Falle wird also mit anderen Worten an das Brennstoffzellensystem 100 eine gegenüber der niedrigen Lastanforderung erhöhte hohe Lastanforderung (oder Strombedarf/Stromabnahme) gestellt.
• Die Verstellung der Nadel 208 mittels des Aktuators 212 erfolgt vorliegend druckgeführt, sodass sich der Strömungsquerschnitt 250 der Treibdüse 202 also druckgeführt geregelt durch einen Regler 304 einstellt. Darüber hinaus erfolgt eine Regelung des Strömungsquerschnitts 250 der Treibdüse 202 durch den Regler 304 geführt durch mindestens eine weitere Führungsgröße, wobei diese Führungsgröße vorliegend das Brennstoffverhältnis λ betrifft, welches gebildet ist aus dem Verhältnis der Summe aus dem durch die Treibdüse 202 des Ejektors 200 in den Anodenkreislauf eintretenden Brennstoffmassenstrom ṁ_lN und dem im Anodenkreislauf rezirkulierten Brennstoffmassenstrom ṁ_R zu dem auf die kathodenseitig gelangenden, verbrauchten Brennstoffmassenstrom ṁ_V (siehe 1). Diese Regelungsart des Ejektors 200 ist illustrativ in 3 dargestellt, die linksseitig jeweils den Solldruck p_soll und das Sollbrennstoffverhältnis λ_soll anzeigt und ausgehend davon den Ist-Druck p_Ist und das Ist-Brennstoffverhältnis λ_Ist andeutet. Um zu vermeiden, dass die Rezirkulation im Anodenkreislauf abbricht, ist zusätzlich ausweislich 4 ein Begrenzer 300 vorhanden, der einen Mindestquerschnitt des Strömungsquerschnitts 250 der Treibdüse 202 gewährleistet. Dieser Begrenzer 300 weist eine Kennlinie 302 auf, die lastabhängig, insbesondere abhängig von der an das Brennstoffzellensystem 100 gestellten Lastanforderung oder dem damit einhergehenden entsprechenden Mindestbrennstoffverhältnis Amin gebildet ist. Diese Kennlinie 302 kann beispielsweise modellbasiert ermittelt oder festgelegt sein. Alternativ kann die Kennlinie 302 aber auch anhand einer Prüfstandmessung festgelegt werden.
• In 5 ist im oberen Diagramm der Solldruck p_soll durchgezogen dargestellt, wobei der Ist-Druck p_Ist im Anodenkreis strichliiert gekennzeichnet wurde. Im unteren Diagramm ist dabei das Brennstoffverhältnis λ dargestellt, wobei wiederum mit durchgezogener Linie das Ist-Brennstoffzellenverhältnis λ_Ist über der Zeit aufgetragen ist und strichliert ein Mindestbrennstoffverhältnis Amin dargestellt ist, welches wiederum in Form einer Kennlinie 302 vorliegt oder auf einer solchen basiert.
• Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist die punktiert bzw. mit sehr kurzen Strichen eingezeichnete Situation vermieden, in welcher das Ist-Brennstoffzellenverhältnis unter das Mindestbrennstoffzellenverhältnis absinkt, da ein Mindestöffnungsgrad, insbesondere ein Mindestquerschnitt des Strömungsquerschnitt 250 mittels des Begrenzers 300 aufrechterhalten bleibt. Der Begrenzer 300 kann dabei beispielsweise intern im Regler 304 auch extern des Reglers 304 vorgesehen sein. Hierdurch ist es möglich, dass eine druckgeführte Regelung nachträglich ergänzt wird um eine brennstoffverhältnisgeführte Regelung im Rahmen einer Stellgrößenbegrenzung mittels des Begrenzers 300.
• Insgesamt ist es durch die vorliegende Erfindung möglich, ein Brennstoffzellensystem und ein mit einem solchen ausgestattetes Kraftfahrzeug weniger komplex zu bilden, was die Kosten und den Montageaufwand senkt. Zugleich ist gewährleistet, dass stets ein hinreichend großer Massenstrom durch die Treibdüse 202 tritt, um die Rezirkulation im Anodenkreislauf aufrecht zu erhalten, sodass im Idealfall ein bauraumintensives und unnötige Kosten auslösendes Brennstoffzellenrezirkulationsgebläse entfallen kann.
• Bezugszeichenliste

100

Brennstoffzellenvorrichtung

102

Befeuchter

103

Kathodenzufuhrleitung

104

Brennstoffzellenstapel

105

Ladeluftkühler

106

Kathodenabgasleitung

107

Anodenzufuhrleitung

108

Brennstoffspeicher

109

Anodenrezirkulationsleitung

110

Brennstoffstellglied

111

Wärmeübertrager

112

Verdichter

200

Ejektor

202

Treibdüse

204

Mischrohr

206

Dichtung

208

Nadel

210

Saugdüse

212

Aktuator

214

Diffusor

216

Anschluss (frischer Brennstoff)

218

Anschluss (rezirkulierter Brennstoff)

220

Düsenöffnung (Treibdüse)

222

Nadelspitze

224

Düsenabschnitt (Treibdüse)

226

Düsenabschnitt (Saugdüse)

250

Strömungsquerschnitt (Treibdüse)

252

Strömungsquerschnitt (Mischrohr)

300

Begrenzer

302

Kennlinie

304

Regler

• 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 112008001997 B4 [0005]
• EP 1727227 A1 [0005]
• JP 2007234333 A [0005]

Claims (9)

1. Verfahren zur Regelung des Strömungsquerschnitts (250) einer Treibdüse (202) eines in einen Anodenkreislauf eines Brennstoffzellensystems (100) eingebundenen, einstellbaren Ejektors (200), bei dem der Strömungsquerschnitt (250) der Treibdüse (202) druckgeführt geregelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelung des Strömungsquerschnitts (250) der Treibdüse (202) durch mindestens eine weitere Führungsgröße geführt wird unter Beibehaltung eines Mindestquerschnitts des Strömungsquerschnitts (250) mittels eines Begrenzers (300).
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine weitere Führungsgröße das Brennstoffverhältnis (λ) betrifft, welches gebildet ist aus dem Verhältnis der Summe aus dem durch die Treibdüse (202) des Ejektors (200) in den Anodenkreislauf eintretenden Brennstoffmassenstrom (ṁ_IN) und dem im Anodenkreislauf rezirkulierten Brennstoffmassenstrom (ṁ_R) zu dem auf die Kathodenseite gelangenden, verbrauchten Brennstoffmassenstrom (ṁ_v).
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine weitere Führungsgröße den vom Brennstoffzellensystem (100) bereitzustellenden elektrischen Strom betrifft.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Mindestquerschnitt durch eine lastabhängige Kennlinie (302) gebildet ist.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die lastabhängige Kennlinie (302) durch ein in Abhängigkeit der an das Brennstoffzellensystem (100) gestellten Lastanforderung entsprechendes Mindestbrennstoffverhältnis (λ_min) gebildet ist.
6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kennlinie (302) anhand eines Modells für das Brennstoffverhältnis (λ) festgelegt wird oder festgelegt ist.
7. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kennlinie (302) anhand einer Messung des Brennstoffverhältnisses (λ) festgelegt wird oder festgelegt ist.
8. Brennstoffzellensystem (100) mit einem zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6 eingerichteten Steuergerät.
9. Kraftfahrzeug mit einem Brennstoffzellensystem (100) nach Anspruch 8.

Images