AT527707B1 - Verfahren für eine Erkennung einer Temperaturänderung in einem Brennstoffzellensystem - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren für eine Erkennung einer Temperaturänderung in einem Brennstoffzellensystem (100) mit wenigstens einem Brennstoffzellenstapel (110) und einer Turbovorrichtung (140) mit einem Kompressor (142) zur Zufuhr von Zuluft (ZL) zu einer Luftseite (120) des Brennstoffzellenstapels (110) und einer Turbine (144) zur Abfuhr von Abluft (AL) von der Luftseite (120) des Brennstoffzellenstapels (110), wobei die folgenden Schritte vorgesehen sind: ‐ Erfassen einer von der Turbovorrichtung (140) aufgenommenen Ist-Turboleistung (ITL) der Turbovorrichtung (140), ‐ Vergleich der bestimmten aufgenommen Ist-Turboleistung (ITL) mit einer Soll- Turboleistung (STL), ‐ Ausgeben eines Temperatursignals (TS) in Abhängigkeit des Ergebnisses des Vergleichs zwischen Ist-Turboleistung (ITL) und Soll-Turboleistung (STL), wobei aus Abweichungen zwischen der Ist-Turboleistung (ITL) und der Soll-Turboleistung (STL) auf Temperaturabweichungen rückgeschlossen wird.

Description

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Beschreibung

VERFAHREN FÜR EINE ERKENNUNG EINER TEMPERATURÄNDERUNG IN EINEM BRENNSTOFFZELLENSYSTEM

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren für eine Erkennung einer Temperaturänderung in einem Brennstoffzellensystem, ein Computerprogrammprodukt zur Durchführung eines solchen Verfahrens, eine Kontrollvorrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens sowie ein Brennstoffzellensystem mit einer solchen Kontrollvorrichtung.

[0002] Es ist bekannt, dass Temperaturänderungen, insbesondere unerwünschte Temperaturerhöhungen, in einem Brennstoffzellensystem, rechtzeitig erkannt werden sollen. Ist die rechtzeitige Erkennung nicht möglich, kann dies zu reversiblen oder sogar irreversiblen Schädigungen des Brennstoffzellensystems und seiner Komponenten führen. Um diese Sicherheitsfunktion zur Verfügung zu stellen, ist bei bekannten Brennstoffzellen üblicherweise zumindest ein Temperatursensor vorgesehen, welcher insbesondere auf der Luftseite des Brennstoffzellenstapels in der Lage ist, explizite Temperaturwerte als Messwerte zu erfassen.

[0003] Nachteilhaft bei den bekannten Lösungen ist es, dass der Einsatz von Temperatursensoren mit einem Kostenaufwand verbunden ist. Darüber hinaus müssen solche Temperatursensoren für eine Signalkommunikation vorbereitet werden, um entsprechend die Temperaturwerte an eine Kontrollvorrichtung übergeben zu können. Nicht zuletzt ist als ein weiterer Nachteil der Platzbedarf für solche notwendigen Temperatursensoren zu nennen. Weiter unterliegen solche Temperatursensoren auch einem Verschleiß und müssen regelmäßig gewartet oder ausgetauscht werden.

[0004] Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die voranstehend beschriebenen Nachteile zumindest teilweise zu beheben. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, in kostengünstiger und einfacher Weise eine Temperaturänderung bei einem Brennstoffzellenstapel möglichst rechtzeitig zu erkennen.

[0005] Die voranstehende Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1, ein Computerprogrammprodukt mit den Merkmalen des Anspruchs 11, eine Kontrollvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 12 sowie ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Anspruchs 13. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Computerprogrammprodukt, der erfindungsgemäßen Kontrollvorrichtung sowie dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird beziehungsweise werden kann.

[0006] Erfindungsgemäß wird ein Verfahren eingesetzt für eine Erkennung einer Temperaturänderung in einem Brennstoffzellensystem. Ein solches Brennstoffzellensystem weist wenigstens einen Brennstoffzellenstapel auf, welcher mit einer Turbovorrichtung ausgestattet ist. Eine solche Turbovorrichtung weist einen Kompressor für die Zufuhr von Zuluft zu einer Luftseite des Brennstoffzellenstapels sowie eine Turbine zur Abfuhr von Abluft von der Luftseite des Brennstoffzellenstapels auf. Ein erfindungsgemäßes Verfahren zeichnet sich durch die folgenden Schritte aus:

- Erfassen einer von der Turbovorrichtung aufgenommenen Ist-Turboleistung der Turbovorrichtung,

- Vergleichen der bestimmten aufgenommenen Ist-Turboleistung mit einer Soll-Turboleistung,

- Ausgeben eines Temperatursignals in Abhängigkeit des Ergebnisses des Vergleichs zwischen Ist-Turboleistung und Soll-Turboleistung, wobei aus Abweichungen zwischen der Ist-Turboleistung und der Soll-Turboleistung auf Temperaturabweichungen rückgeschlossen wird.

[0007] Der erfindungsgemäße Kerngedanke wird eingesetzt bei Brennstoffzellensystemen, wel1117

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che eine Turbovorrichtung aufweisen. Unter einer Turbovorrichtung ist im Sinne der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung zu verstehen, welche eine Kombination aus einem Kompressor und einer Turbine aufweist. Der Kompressor dient dabei dazu, Zuluft, beispielsweise aus der Umgebung, anzusaugen und einen entsprechenden komprimierten Volumenstrom an Zuluft zur Luftseite des Brennstoffzellenstapels zur Verfügung zu stellen. Unter der chemischen Umsetzung innerhalb des Brennstoffzellenstapels mit Brennstoff entsteht aus der Zuluft Abluft, welche von der Luftseite des Brennstoffzellenstapels über einen Luftabführabschnitt wieder beispielsweise wieder an die Umgebung abgeführt werden kann. Ein Luftzuführabschnitt wie auch ein Luftabführabschnitt kann dabei selbstverständlich weitere Komponenten aufweisen wie Wärmetauscher und/oder einen Befeuchter. Um eine weitere Steigerung der energetischen Effizienz zur Verfügung stellen zu können, kann auch die Strömungsenergie der Abluft zum Teil wiederverwertet werden. Hierfür ist in dem Luftabführabschnitt die Turbine der Turbovorrichtung angeordnet, über welche nun die Abluft der Luftseite des Brennstoffzellenstapels strömt. Mit anderen Worten wird ein Teil der kinetischen Energie der Luftströmung der Abluft nun dazu verwendet, die Turbine in Rotation zu versetzen und damit die Kompression am Kompressor für die Zuluft zu unterstützen. Nur die notwendige Differenz zwischen der aufgenommenen Energie an der Turbine und der benötigten Energie für die Kompression muss als externe Leistung, insbesondere in Form elektrischer Energie, dem Kompressor zugeführt werden.

[0008] Wie in der voranstehenden Erläuterung ersichtlich ist, hängt die tatsächlich benötigte elektrische Leistung für den Kompressor davon ab, welche Betriebssituation, und damit welcher Volumenstrom an Zuluft benötigt wird. Zusätzlich hängt die benötigte elektrische Leistung davon ab, welche Rückgewinnung über die Turbine aktuell vorhanden ist. Nun hat sich überraschender Weise herausgestellt, dass die Effizienz in der Rückgewinnung von kinetischer Energie der Abluft auch von der Temperatur der Abluft beim Eintritt in die Turbine abhängt. So ist die energetische Rückgewinnung, die auch als Rekuperation bezeichnet wird, in Form rückgewonnener elektrischer Leistung der Turbine insbesondere dann höher, wenn die Temperatur der Abluft am Eintritt in die Turbine höher ist. Je höher die Temperatur der Abluft beim Eintreten in die Turbine ist, umso höher ist auch die rückgewonnene Energie und bei gleicher Betriebssituation wird entsprechend weniger elektrische Leistung für den Kompressor von Extern benötigt. Dies führt also dazu, dass bei einer stationären Bedingung mit einer stationären Vorgabe einer Kompressionsleistung die benötigte und von Extern aufzunehmende Energie als Ist-Turboleistung davon abhängt, wie viel Rekuperationsleistung von der Turbine in der aktuellen Situation zur Verfügung gestellt wird. Je höher die Rekuperationsleistung ist, umso weniger Ist-Turboleistung muss von der Turbovorrichtung bei gleicher Situation aufgenommen werden. Durch den beschriebenen Zusammenhang zwischen der Rekuperationsleistung in der Turbine und der Temperatur am Eingang der Turbine für die Abluft, kann daher indirekt zurückgeschlossen werden, dass bei erhöhter Rekuperationsleistung entsprechend eine erhöhte Temperatur auf der Abluftseite am Eingang der Turbine vorhanden ist. Diese erhöhte Rekuperationsleistung schlägt sich wiederum bei gleicher benötigter Kompressorleistung nun in einer reduzierten aufgenommenen Ist-Turboleistung nieder.

[0009] Auf Basis des im voranstehenden Absatz beschriebenen Zusammenhangs kann nun festgestellt werden, ob die Ist-Turboleistung mit der erwarteten Soll-Turboleistung in einem spezifischen stationären Betriebszustand und/oder in Abhängigkeit der später noch erläuterten Betriebssituation mit der erwarteten Soll-Turboleistung zusammenhängt oder sogar mit dieser übereinstimmt. Abweichungen zwischen der Ist-Turboleistung und der Soll-Turboleistung lassen aufgrund der Korrelation zwischen der Rekuperationsleistung und der Temperatur der Abluft auf entsprechende Temperaturwerte und insbesondere Temperaturabweichungen der Abluft rückschließen. Somit ist es nun möglich, gänzlich ohne jegliche tatsächliche Messung der Temperaturwerte durch die Korrelation der Rekuperationsleistung mit der Temperatur an der Turbine eine Information über die Temperatursituation zu erhalten. Insbesondere zielt dies darauf ab, eine Temperaturerhöhung, also zu heiße Abluft, zu erkennen und entsprechend ein Temperatursignal auszugeben.

[0010] Dabei ist noch darauf hinzuweisen, dass im Sinne der vorliegenden Erfindung ein Temperatursignal in vielfältiger Weise ausgebildet sein kann. So kann das Temperatursignal ein Po-

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sitivsignal sein, wie es später noch erläutert wird, und damit eine Information enthalten, dass die aktuelle Betriebssituation mit der aktuell erwarteten Temperatur im Einklang steht. Auch ist es möglich, dass zusätzlich oder alternativ das Temperatursignal als Negativsignal ausgesendet wird und damit auch als Warnsignal interpretiert werden kann. Ein solches Negativsignal kann bedeuten, dass die aktuelle Temperatursituation nicht mit der aktuellen Betriebssituation übereinstimmt, insbesondere die aktuelle Temperatur der Abluft zu hoch ist.

[0011] Durch die Verwendung einer Korrelation von Rekuperationsleistung und Temperatur an der Turbine, kann diese Temperaturinformation und damit das Temperatursignal erzeugt werden, ohne dass ein Temperatursensor notwendig ist. Für die Konstruktion neuer Brennstoffzellen führt dies dazu, dass auf Temperatursensoren sogar gänzlich verzichtet werden kann. Damit wird ein reduzierter Kostenaufwand durch den Verzicht auf die physischen Temperatursensoren und eine geringere Komplexität durch geringeren Bauraum erzielbar. Da Temperatursensoren grundsätzlich auch einem Verschleiß unterliegen, insbesondere dann, wenn sie mit aggressiven Medien in Kontakt kommen, wird durch die indirekte Bestimmung der Temperaturänderung auch eine Verschleißarmut zur Verfügung gestellt, und die Betriebssicherheit des Brennstoffzellensystems erhöht. Durch die Einbindung in ein erfindungsgemäßes Verfahren kann auch ein nachträgliches Ausstatten von Brennstoffzellensystemen mit erfindungsgemäßer Funktionalität stattfinden, indem das Verfahren auf vorhandene Turbovorrichtungen bei vorhandenen Brennstoffzellensystemen in Form des später noch erläuterten Computerprogramms aufgespielt wird.

[0012] Es kann Vorteile mit sich bringen, wenn bei einem erfindungsgemäßen Verfahren die SollTurboleistung in Abhängigkeit der aktuellen Betriebssituation des Brennstoffzellensystems für den Vergleich vorgegeben wird. Eine Betriebssituation kann dabei durch einen oder mehrere Betriebsparameter des Brennstoffzellensystems definiert sein. Insbesondere korreliert sie mit dem Parameter auf der Kompressorseite, also insbesondere dem benötigten Volumenstrom, und der damit zusammenhängenden, benötigten Kompressorleistung des Kompressors der Turbovorrichtung. Während grundsätzlich das erfindungsgemäße Verfahren bei stationären Betriebssituationen unabhängig von der aktuellen Betriebssituation durchgeführt werden kann, kann bei der Berücksichtigung aktueller Betriebssituationen eine größere Einsatzflexibilität für das Verfahren erzielt werden. Die zugehörige Soll-Turboleistung für die aktuelle Betriebssituation kann dabei zum Beispiel aus einer Datenbank zur Verfügung gestellt werden. Auch kann ein Kennfeld, welches vorab auf einem Prüfstand für ein oder mehrere Brennstoffzellensysteme ermittelt worden ist, eine solche Betriebssituation in Einklang und Korrelation mit Soll-Turboleistungen zur Verfügung stellen.

[0013] Weitere Vorteile können erzielt werden, wenn bei einem erfindungsgemäßen Verfahren das Temperatursignal als Positivsignal ausgegeben wird, wenn die Ist-Turboleistung mit der SollTurboleistung übereinstimmt oder im Wesentlichen übereinstimmt. Wie bereits eingangs erläutert worden ist, ist ein Positivsignal eine Information, dass die aktuelle Betriebssituation hinsichtlich der Temperatur als stabil betrachtet werden kann. Mit anderen Worten ist bei einem Positivsignal das aktuelle Brennstoffzellensystem in einer stabilen Betriebssituation. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn Soll-Turboleistung und Ist-Turboleistung vollständig übereinstimmen oder nur eine sehr geringe Abweichung aufweisen. Die maximal erlaubte Abweichung für ein solches Positivsignal kann dabei zum Beispiel im Rahmen des später noch erläuterten Differenzgrenzwertes vorgegeben werden.

[0014] Ebenfalls von Vorteil kann es sein, wenn bei einem erfindungsgemäßen Verfahren das Temperatursignal als Negativsignal ausgegeben wird, wenn die Ist-Turboleistung von der SollTurboleistung abweicht oder im Wesentlichen abweicht. Die Verwendung des Temperatursignals als Negativsignal kann dabei zusätzlich oder alternativ zu einer Ausgestaltung eines Positivsignals gemäß dem voranstehenden Absatz vorgesehen sein. Dabei kann ein rein qualitatives, aber auch ein quantitatives Abweichen von der Soll-Turboleistung vorgesehen sein. Unter einem qualitativen Abweichen ist eine reine Unterscheidung in Form von Ja oder Nein, also ein digitales Unterscheiden zwischen Temperatursignal Positiv und Temperatursignal Negativ zu verstehen. Dies führt dazu, dass auch bei minimalen Abweichungen von der Soll-Turboleistung durch die Ist-Turboleistung das Temperatursignal als Negativsignal ausgegeben wird. Bevorzugt ist es je-

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doch, wenn die später noch genannte Korrelation mit einer Ist-Turbodifferenz und einem Differenzgrenzwert vorgesehen wird, um unerwünschte Fehlauslösungen oder unerwünscht häufige Negativsignale als Temperatursignale zu vermeiden.

[0015] Von Vorteil ist es weiter, wenn bei einem erfindungsgemäßen Verfahren beim Vergleich eine Ist-Turbodifferenz zwischen der Ist-Turboleistung und der Soll-Turboleistung ermittelt wird und die Ausgabe des Temperatursignals in Abhängigkeit der ermittelten Ist-Turbodifferenz ausgegeben wird. Dies gilt insbesondere für die Ausgestaltung, wenn das Temperatursignal als Negativsignal ausgegeben werden soll. Dabei können selbstverständlich die Vorzeichen der Turboleistungen, aber auch die Vorzeichen der Ist-Turbodifferenz, berücksichtigt werden. Eine IstTurbodifferenz ist also die Differenz zwischen der erwarteten aufzunehmenden Soll-Turboleistung und der real aufgenommenen Ist-Turboleistung.

[0016] Bei dem Verfahren gemäß dem voranstehenden Absatz kann es Vorteile mit sich bringen, wenn die Ist-Turbodifferenz mit wenigstens einem Differenzgrenzwert verglichen wird, wobei insbesondere bei Überschreiten des Differenzgrenzwertes das Temperatursignal als Negativsignal ausgegeben wird. Der Differenzgrenzwert kann dabei eine Wahrnehmungsschwelle oder auch eine Auslöseschwelle des erfindungsgemäßen Verfahrens darstellen. Selbstverständlich sind auch zwei oder mehr Differenzgrenzwerte denkbar, die in abgestufter Weise ein oder mehrere unterschiedliche Temperatursignale, insbesondere in Form von Negativsignalen, ausgeben können. Dies erlaubt es, über unterschiedliche Differenzgrenzwerte unterschiedliche Temperaturkorrelationen zu berücksichtigen und das Temperatursignal hinsichtlich unterschiedlicher Gefährdungswerte und unterschiedlicher korrelierter Differenztemperaturen am Eingang der Turbine ausgeben zu können. Der Differenzgrenzwert stellt damit die Schwelle dar, auf welcher qualitativ, insbesondere jedoch sogar quantitativ, das Temperatursignal grundsätzlich ausgegeben wird, insbesondere in Form des genannten Negativsignals.

[0017] Weiter von Vorteil ist es darüber hinaus, wenn bei einem erfindungsgemäßen Verfahren der wenigstens eine Differenzgrenzwert in Abhängigkeit der aktuellen Betriebssituation des Brennstoffzellensystems vorgegeben wird. Wie bereits weiter oben erläutert worden ist, hat die aktuelle Betriebssituation, insbesondere die aktuell benötigte Kompressorleistung für den Volumenstrom an Zuluft, Einfluss auf die aktuelle Temperatursituation und auch die aktuelle Turboleistung der Turbovorrichtung. Bei der Berücksichtigung der Betriebssituation zusätzlich für den Differenzgrenzwert kann, beispielsweise auf Basis entsprechend komplex aufgenommener Kennfelder aus Prüfstandsversuchen, auch eine betriebssituationsabhängige Vergleichsmöglichkeit mit diesem variablen vorgegebenen Differenzgrenzwert vorgenommen werden. In Summe führt dies dazu, dass die Genauigkeit des Kennfelds und damit die Genauigkeit der Unterscheidung zwischen einer Ausgabe eines Temperatursignals oder einer Unterlassung einer solchen Ausgabe noch zielgenauer erfolgt, sodass die Wahrscheinlichkeit von Fehlannahmen reduziert und die Sicherheit in der Ausgabe von Realalarmen erhöht werden kann.

[0018] Vorteile bringt es weiter mit sich, wenn bei einem erfindungsgemäßen Verfahren das Temperatursignal einen quantitativen Temperaturparameter enthält, welcher auf Basis der Ist-Turbodifferenz bestimmt wird. Während grundsätzlich ein Temperatursignal durch qualitative Ausgabe in Form eines qualitativen Positivsignals und/oder eines qualitativen Negativsignals bereits die erfindungsgemäßen Vorteile mit sich bringt, kann ein Temperaturparameter auch eine quantitative Auswertung als Teil des Temperatursignals erlauben. So kann beispielsweise die quantitative Auswertung des Vergleichs, insbesondere auf Basis der Ist-Turbodifferenz, einen solchen quantitativen Zusammenhang hinsichtlich eines Temperaturparameters zur Verfügung stellen. Wie bereits mit Bezug auf unterschiedliche mehrere Differenzgrenzwerte erläutert worden ist, kann der Grad der Abweichung zwischen Ist-Turboleistung und Soll-Turboleistung nun mit einem Gefährdungsgrad als Temperaturparameter als Teil des Temperatursignals ausgegeben werden.

[0019] Vorteile bringt es darüber hinaus mit sich, wenn bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zusätzlich ein Ist-Temperaturwert mittels eines Temperatursensors für die Luftseite des Brennstoffzellenstapels erfasst wird und mit einem Soll-Temperaturwert verglichen wird. Für die Ausgabe eines Temperatursignals wird nun das Ergebnis des Vergleichs der Ist-Turboleistung mit

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der Soll-Turboleistung als Plausibilitätsprüfung für den Ist-Temperaturwert verwendet. Insbesondere bei der Anwendung und nachträglichen Ausstattung bestehender Brennstoffzellensysteme mit einem erfindungsgemäßen Verfahren kann somit eine zusätzliche Plausibilitätsprüfung zur Verfügung gestellt werden. Da, wie bereits erläutert worden ist, Temperatursensoren dem Verschleiß unterliegen, kann eine solche Plausibilitätsprüfung für die indirekte Bestimmung im Rahmen eines erfindungsgemäßen Verfahrens frühzeitig eine Abweichung und damit eine Fehlbestimmung bei Temperatursensoren erkennen. Auch wird auf diese Weise eine Redundanzprüfung möglich, um die Sicherheit bei der Erkennung einer unerwünschten Temperaturänderung am Brennstoffzellenstapel mit höherer Genauigkeit zu erkennen.

[0020] Vorteile bringt es darüber hinaus mit sich, wenn die erfasste Ist-Turboleistung zu einer definierten Kalibrier-Betriebssituation des Brennstoffzellensystems als Soll-Turboleistung gesetzt wird. Während grundsätzlich die meisten Vorteile dann erzielt werden, wenn in detaillierter und flexibler Weise die Betriebssituation Einfluss auf die Soll-Turboleistung als Vorgabe nimmt, kann auch ein Rekalibrieren oder ein Vorkalibrieren oder sogar ein vollständiges Kalibrieren beim Start des Brennstoffzellensystem und/oder beim Herunterfahren des Brennstoffzellensystems durchgeführt werden. Die Ist-Turboleistung kann zu solchen definierten Betriebssituationen, welche dann als Kalibrier-Betriebssituation bezeichnet werden, als Soll-Turboleistung gespeichert und für die Durchführung des Verfahrens festgesetzt werden.

[0021] Ebenfalls Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Computerprogrammprodukt, aufweisend Befehle, welche bei der Ausführung durch einen Computer diesen veranlassen die Schritte eines erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen. Damit bringt ein erfindungsgemäBes Computerprogrammprodukt die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf ein erfindungsgemäßes Verfahren erläutert worden sind.

[0022] Ebenfalls Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Kontrollvorrichtung für eine Erkennung einer Temperaturänderung in einem Brennstoffzellensystem. Dieses Brennstoffzellensystem ist mit wenigstens einem Brennstoffzellenstapel mit einer Turbovorrichtung ausgestattet, welcher mit einem Kompressor zur Zufuhr von Zuluft zu einer Luftseite des Brennstoffzellenstapels und mit einer Turbine zur Abfuhr von Abluft von der Luftseite des Brennstoffzellenstapels ausgebildet ist. Die Kontrollvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass sie ein Erfassungsmodul für ein Erfassen einer von der Turbovorrichtung aufgenommenen Ist-Turboleistung der Turbovorrichtung aufweist. Weiter ist ein Vergleichsmodul vorgesehen für einen Vergleich der bestimmten aufgenommenen Ist-Turboleistung mit einer Soll-Turboleistung. Darüber hinaus weist die Kontrollvorrichtung ein Ausgabemodul auf für ein Ausgeben eines Temperatursignals in Abhängigkeit des Ergebnisses des Vergleichs zwischen Ist- Turboleistung und Soll-Turboleistung. Das Erfassungsmodul, das Vergleichsmodul und/oder das Ausgabemodul sind dabei für die Ausführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildet. Damit bringt eine solche Kontrollvorrichtung die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf ein erfindungsgemäßes Verfahren erläutert worden sind.

[0023] Darüber hinaus ist ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ein Brennstoffzellensystem mit wenigstens einem Brennstoffzellenstapel. Dieser Brennstoffzellenstapel ist mit einer Luftseite und einer Brennstoffseite ausgestattet. Die Luftseite weist einen Luftzuführabschnitt für eine Zufuhr von Zuluft und einen Luftabführabschnitt für eine Abfuhr von Abluft auf. In ähnlicher Weise ist die Brennstoffseite mit einem Brennstoffzuführabschnitt für eine Zufuhr von Brennstoff und mit einem Abgasabführabschnitt für eine Abfuhr von Abgas ausgestattet. Die Luftseite ist darüber hinaus mit einer Turbovorrichtung mit einem Kompressor in dem Luftzuführabschnitt und mit einer Turbine in dem Luftabführabschnitt ausgebildet. Darüber hinaus ist die Turbovorrichtung mit einer Kontrollvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ausgestattet für eine Erkennung einer Temperaturänderung im Brennstoffzellensystem. Auch ein solches Brennstoffzellensystem bringt damit die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf ein erfindungsgemäßes Verfahren erläutert worden sind.

[0024] Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der

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Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Es zeigen schematisch:

[0025] Fig. 1 eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kontrollvorrichtung,

[0026] Fig. 2 eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems, [0027] Fig. 3 eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kontrollvorrichtung, [0028] Fig. 4 eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kontrollvorrichtung, [0029] Fig. 5 eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kontrollvorrichtung,

[0030] Fig. 6 eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems und

[0031] Fig. 7 eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kontrollvorrichtung.

[0032] Die Figur 1 zeigt schematisch eine besonders einfache Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Kontrollvorrichtung 10. Diese wird eingesetzt zum Beispiel bei einem Brennstoffzellensystem 100, wie dies die Figur 2 zeigt. Mit Hilfe des Erfassungsmoduls 20 wird eine Ist-Turboleistung ITL in der Kontrollvorrichtung 10 erfasst und an das Vergleichsmodul 30 übergeben. Dort wird entweder durch statische Vorgabe oder durch flexible Anpassung, zum Beispiel an eine Betriebssituation BS, nun ein Vergleich der Ist-Turboleistung ITL mit der Soll-Turboleistung STL durchgeführt. Das Vergleichsergebnis löst nun im Ausgabemodul 40 eine Ausgabe eines Temperatursignals TS aus oder unterdrückt dasselbe. Dabei ist bei der Ausführungsform der Figur 1 auch unerheblich, welche tatsächliche Ausgestaltung das Temperatursignal TS aufweist. So können hier Positivsignale, Negativsignale, aber auch sogar quantitative Signale als Temperatursignal TS eingesetzt werden.

[0033] Figur 2 zeigt schematisch die Einbindung einer solchen Kontrollvorrichtung 10 in ein Brennstoffzellensystem 100. Die Figur 2 zeigt ein Brennstoffzellensystem 100 mit einem Brennstoffzellenstapel 110. Dieser ist links mit einer Luftseite 120 und rechts mit einer Brennstoffseite 130 ausgestattet. Auf der Brennstoffseite wird über einen Brennstoffzuführabschnitt 132 Brennstoff B der Brennstoffseite 130 zugeführt. Dieser wird nun im Brennstoffzellenstapel 110 chemisch umgesetzt und es wird Abgas AG erzeugt, welches wiederum über den Abgasabführabschnitt 134 abgeführt wird. Auf der Luftseite 120 wird Zuluft ZL über einen Luftzuführabschnitt 122 zugeführt. Nach der chemischen Umsetzung im Brennstoffzellenstapel 110 wird die erzeugte Abluft AL über den Luftabführabschnitt 124 abgeführt. Luftzuführabschnitt 122 und Luftabführabschnitt 124 stehen miteinander über eine Turbovorrichtung 140 energieerhaltend in Verbindung. Diese Turbovorrichtung 140 ist mit einem Kompressor 142 in den Luftzuführabschnitt 122 und mit einer Turbine 144 in den Luftabführabschnitt 124 integriert. Damit wird es möglich, kinetische Energie aus der Strömungsgeschwindigkeit der Abluft AL aufzunehmen und von der Turbine 144 an den Kompressor 142 weiterzugeben. Nur die nicht rekuperierte Leistung in Form der Differenzleistung wird nun als Ist-Turboleistung ITL aufgenommen und kann hier von der Kontrollvorrichtung 10 bestimmt werden.

[0034] Die Figur 3 zeigt eine Weiterbildung der Kontrollvorrichtung wie auch des zugehörigen Verfahrens. Ausgehend von der Figur 1 wird hier nicht mehr eine gemeinsame allgemeingültige Soll-Turboleistung STL vorgegeben, sondern vielmehr eine Soll-Turboleistung STL aus einer Datenbank ausgewählt. In dieser Datenbank kann zum Beispiel ein Kennfeld hinterlegt sein, welches auf Basis eines Eingangswertes wie der Betriebssituation BS eine für diese Betriebssituation BS passende Soll-Turboleistung STL ausgibt und für den Vergleich dem Vergleichsmodul 30 zur Verfügung stellt.

[0035] Auch die Figur 4 zeigt eine weitere Ausbildung, wobei hier als Teil des Vergleichsmoduls 30 eine quantitative Auswertung hinsichtlich der Erzeugung einer Ist-Turbodifferenz ITD erfolgt. Diese Ist-Turbodifferenz ITD wird hier im Ausgabemodul 40 mit einem vorgegebenen Differenzgrenzwert DGW verglichen und entsprechend dieser Information und Vorgabe der Ausgabe des Temperatursignals TS vorangestellt.

[0036] Die Figur 5 bildet die Ausführungsform der Figur 4 nochmals weiter. Hier wird kein stati-

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scher Differenzgrenzwert DGW vorgegeben, sondern auch dieser ist nun abhängig von der Betriebssituation BS und wird zum Beispiel aus einem in einer Datenbank abgespeicherten Kennfeld ausgewählt. Auch ist bei der Ausführungsform der Figur 5 einem Temperatursignal TS in quantitativer Weise ein Temperaturparameter TP zugeordnet. Dies kann zum Beispiel eine quantitative Aussage über den Grad der Temperaturabweichung, aber auch ein tatsächlicher Temperaturwert in Grad Celsius oder Grad Kelvin sein.

[0037] In der Figur 6 ist eine Weiterbildung der Ausführungsform der Figur 2 dargestellt. Das hier dargestellte Brennstoffzellensystem 100 ist nun zusätzlich oder als altes Brennstoffzellensystem 100 mit einem Temperatursensor 150 ausgestattet. Dieser ermöglicht es, einen Ist-Temperaturwert ITW zu erfassen und ebenfalls der Kontrollvorrichtung 10 zu übermitteln.

[0038] In der Figur 7 ist die Einbindung eines solchen Ist-Temperaturwerts ITW dargestellt. Wie die Figur 7 zeigt, wird nun im Ausgabemodul 40 nicht nur die Ist-Turbodifferenz ITD, sondern auch der Ist-Temperaturwert ITW verwendet und zwar insbesondere im Vergleich mit einem SollTemperaturwert STW. Damit wird eine zweite Vorgabe vorgesehen, um für die Ausgabe des Temperatursignals TS in Betracht gezogen zu werden.

[0039] Die voranstehende Erläuterung der Ausführungsformen beschreibt die vorliegende Erfindung ausschließlich im Rahmen von Beispielen.

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BEZUGSZEICHENLISTE

10 Kontrollvorrichtung 20 Erfassungsmodul 30 Vergleichsmodul 40 Ausgabemodul

100 Brennstoffzellensystem 110 Brennstoffzellenstapel 120 Luftseite

122 Luftzuführabschnitt 124 Luftabführabschnitt 130 Brennstoffseite

132 Brennstoffzuführabschnitt 134 Abgasabführabschnitt 140 Turbovorrichtung

142 Kompressor

144 Turbine

150 Temperatursensor

ZL ZZuluft

AL Abluft

B Brennstoff AG Abgas

ITL. Ist-Turboleistung

STL Soll-Turboleistung ITD Ist-Turbodifferenz DGW Differenzgrenzwert ITW Ist-Temperaturwert STW Soll-Temperaturwert TS Temperatursignal

TP Temperaturparameter

BS _Betriebssituation

Claims (13)

A ‚hes AT 527 707 B1 2025-08-15 Ss N Patentansprüche

1. Verfahren für eine Erkennung einer Temperaturänderung in einem Brennstoffzellensystem (100) mit wenigstens einem Brennstoffzellenstapel (110) und einer Turbovorrichtung (140) mit einem Kompressor (142) zur Zufuhr von Zuluft (ZL) zu einer Luftseite (120) des Brennstoffzellenstapels (110) und einer Turbine (144) zur Abfuhr von Abluft (AL) von der Luftseite (120) des Brennstoffzellenstapels (110), gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:

- Erfassen einer von der Turbovorrichtung (140) aufgenommenen Ist-Turboleistung (ITL) der Turbovorrichtung (140),

- Vergleich der bestimmten aufgenommen Ist-Turboleistung (ITL) mit einer Soll-Turboleistung (STL),

- Ausgeben eines Temperatursignals (TS) in Abhängigkeit des Ergebnisses des Vergleichs zwischen Ist-Turboleistung (ITL) und Soll-Turboleistung (STL), wobei aus Abweichungen zwischen der Ist-Turboleistung (ITL) und der Soll-Turboleistung (STL) auf Temperaturabweichungen rückgeschlossen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Soll-Turboleistung (STL) in Abhängigkeit der aktuellen Betriebssituation (BS) des Brennstoffzellensystems (100) für den Vergleich vorgegeben wird.

3. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Temperatursignal (TS) als Positivsignal ausgegeben wird, wenn die Ist-Turboleistung (ITL) mit der Soll-Turboleistung (STL) übereinstimmt oder im Wesentlichen übereinstimmt.

4. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Temperatursignal (TS) als Negativsignal ausgegeben wird, wenn die Ist-Turboleistung (ITL) von der Soll-Turboleistung (STL) abweicht oder im Wesentlichen abweicht.

5. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beim Vergleich eine Ist-Turbodifferenz (ITD) zwischen der Ist- Turboleistung (ITL) und der Soll-Turboleistung (STL) ermittelt wird und die Ausgabe des Temperatursignals (TS) in Abhängigkeit der ermittelten Ist-Turbodifferenz (ITD) ausgegeben wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Ist-Turbodifferenz (ITD) mit wenigstens einem Differenzgrenzwert (DGW) verglichen wird, wobei insbesondere bei Überschreiten des Differenzgrenzwerts (DGW) das Temperatursignal (TS) als Negativsignal ausgegeben wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Differenzgrenzwert (DGW) in Abhängigkeit der aktuellen Betriebssituation (BS) des Brennstoffzellensystems (100) vorgegeben wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Temperatursignal (TS) einen quantitativen Temperaturparameter (TP) enthält, welcher auf Basis der Ist-Turbodifferenz (TD) bestimmt wird.

9. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich ein Ist-Temperaturwert (ITW) mittels eines Temperatursensors (150) für die Luftseite (120) des Brennstoffzellenstapels (110) erfasst wird und mit einem Soll-Temperaturwert (STW) verglichen wird, wobei für die Ausgabe eines Temperatursignals (TS) das Ergebnis des Vergleichs der Ist-Turboleistung (ITL) mit der Soll-Turboleistung (STL) als Plausibilitätsprüfung für den Ist-Temperaturwert (ITW) verwendet wird.

10. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erfasste Ist-Turboleistung (ITL) zu einer definierten Kalibrier-Betriebssituation des Brennstoffzellensystems (100) als Soll-Turboleistung (STL) gesetzt wird.

11. Computerprogramprodukt, aufweisend Befehle, welche bei der Ausführung durch einen Computer diesen veranlassen die Schritte eines Verfahrens mit den Merkmalen eines der Ansprüche 1 bis 10 durchzuführen.

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12. Kontrollvorrichtung (10) für eine Erkennung einer Temperaturänderung in einem Brennstoffzellensystem (100) mit wenigstens einem Brennstoffzellenstapel (110) und einer Turbovorrichtung (140) mit einem Kompressor (142) zur Zufuhr von Zuluft (ZL) zu einer Luftseite (120) des Brennstoffzellenstapels (110) und einer Turbine (144) zur Abfuhr von Abluft (AL) von der Luftseite (120) des Brennstoffzellenstapels (110), die Kontrollvorrichtung (10) gekennzeichnet durch ein Erfassungsmodul (20) für ein Erfassen einer von der Turbovorrichtung (140) aufgenommenen Ist-Turboleistung (ITL) der Turbovorrichtung (140), ein Vergleichsmodul (30) für einen Vergleich der bestimmten aufgenommen Ist-Turboleistung (ITL) mit einer SollTurboleistung (STL) und ein Ausgabemodul (40) für ein Ausgeben eines Temperatursignals (TS) in Abhängigkeit des Ergebnisses des Vergleichs zwischen Ist-Turboleistung (ITL) und Soll-Turboleistung (STL), wobei das Erfassungsmodul (20), das Vergleichsmodul (30) und/oder das Ausgabemodul (40) für eine Ausführung eines Verfahrens mit den Merkmalen eines der Ansprüche 1 bis 10 ausgebildet ist.

13. Brennstoffzellensystem (100) mit wenigstens einem Brennstoffzellenstapel (110), aufweisend eine Luftseite (120) und eine Brennstoffseite (130), wobei die Luftseite (120) einen Luftzuführabschnitt (122) für eine Zufuhr von Zuluft (ZL) und einen Luftabführabschnitt (124) für eine Abfuhr von Abluft (AL) aufweist, und die Brennstoffseite (130) einen Brennstoffzuführabschnitt (132) für eine Zufuhr Brennstoff (B) und einen Abgasabführabschnitt (134) für eine Abfuhr von Abgas (AG) aufweist, wobei weiter auf der Luftseite (120) eine Turbovorrichtung (140) mit einem Kompressor (142) in dem Luftzuführabschnitt (122) und mit einer Turbine (144) in dem Luftabführabschnitt (124) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbovorrichtung (140) eine Kontrollvorrichtung (10) mit den Merkmalen des Anspruchs 12 für eine Erkennung einer Temperaturänderung im Brennstoffzellensystem (100) aufweist.

Hierzu 7 Blatt Zeichnungen