DE102007004347A1

DE102007004347A1 - Brennstoffzellensystem mit Sensor zur Erfassung von Druckschwankungen in einem Fluidversorgungsstrang

Info

Publication number: DE102007004347A1
Application number: DE102007004347A
Authority: DE
Inventors: Ulrich Gottwick; Thomas Fischer; Juergen Binder; Jens Intorp; Jan-Michael Graehn; Gunter Wiedemann; Frank Ilgner; Eduard Saar; Daniel Zirkel
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2007-01-29
Filing date: 2007-01-29
Publication date: 2008-07-31
Also published as: JP2010517245A; WO2008092538A1; US20100143816A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem (1) mit einem Fluidversorgungs- und/oder Fluidkontrollelement. Sie zeichnet sich dadurch aus, dass ein Sensor (31) zur Erfassung Druckschwankungen und/oder Druckspitzen in einem Fluidversorgungsstrang (3, 4) vorgesehen ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Stand der Technik
Zur anodenseitigen Versorgung von Brennstoffzellensystemen umfassen diese einen ersten, den Brennstoff zuführenden Fluidversorgungsstrang. Die kathodenseitige Versorgung erfolgt über einen zweiten Fluidversorgungsstrang, über den der für den Betrieb der Brennstoffzelle erforderliche Sauerstoff in der Regel über die Zufuhr von Umgebungsluft bereitgestellt wird.
Zur ausreichenden Versorgung der Brennstoffzelle werden vom System üblicherweise sowohl der Brennstoff als auch die den Sauerstoff transportierende Luft unter Überdruck zugeführt. Hierbei kommt es regelmäßig zu Druckschwankungen in dem einen oder anderen Fluidversorgungsstrang, durch welche das Brennstoffzellensystem zum Teil hohen Belastungen ausgesetzt ist.
Aufgabe und Vorteile der Erfindung
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Brennstoffzellensystem der eingangs dargelegten Art zu verbessern.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. In den Unteransprüchen sind vorteilhafte und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung angegeben.
Dementsprechend betrifft die vorliegende Erfindung ein Brennstoffzellensystem mit Fluidversorgungs- und/oder Fluidkontrollelementen. Diese zeichnet sich dadurch aus, dass ein Sensor zur Erfassung von Druckschwankungen und/oder Druckspitzen in einem Fluidversorgungsstrang vorgesehen ist.
Bei diesem Fluidversorgungsstrang kann es sich sowohl um den kathodenseitigen Versorgungsstrang als auch um den anodenseitigen Versorgungsstrang handeln. In beiden können Druckschwankungen auftreten, durch deren Überwachung bzw. Erfassung entsprechende Gegenmaßnahmen eingeleitet werden können.
Bei solchen Schwankungen im Fluidversorgungsstrang handelt es sich neben den üblicherweise betriebsbedingten Druckschwankungen auch um betriebszustandsabhängige Druckschwankungen. Sie können z. B. durch rasche Änderungen im Strömungsverhalten des jeweiligen Mediums hervorgerufen werden, wie z. B. durch das sogenannte „Verdichterpumpen" bei dem ein schlagartiger Strömungsabriss auftritt. Weitere stoßartige Druckschwankungen können durch zu rasche Ventilschaltvorgänge ausgelöst werden.
Eine möglichst gute Überwachung des Strömungsverhaltens im Fluidversorgungsstrang kann daher durch die Zuordnung eines Sensors zu einem Fluidversorgungs- und/oder Fluidkontrollelement erfolgen. Hierdurch ist die Erfassung dieser besonders kritischen, häufig schlagartigen Druckschwankungen im Brennstoffzellensystem in unmittelbarer Nähe zu Ihrer Quelle möglich. Durch diese Nähe ist eine bessere Auswertung der zu detektierenden Signale möglich, Störsignale werden in der Regel mit vergleichsweise abgeschwächten Amplituden aufgrund der längeren Übertragungswege erfasst, so dass das zu detektierende Signal besser davon unterschieden werden kann.
Insbesondere zur frühen bzw. vorzeitigen Detektion von Strömungsabrissen an einem Fluidverdichter, z. B. an einem Turbinenverdichter, und/oder einem Steuerventil ist eine direkte Zuordnung eines Sensors besonders vorteilhaft. Damit können nämlich auch bereits typischerweise vor dem richtigen Strömungsabriss auftretende Schwankungen im Fluidversorgungsstrang detektiert und entsprechende Gegenmaßnahmen eingeleitet werden.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist der Sensor als Schallsensor ausgebildet. Damit können die Druckschwankungen im Fluidversorgungsstrang als Körperschall erfasst werden. Der Sensor muss demnach nicht zwingend in fluidleitender Verbindung mit dem Fluidversorgungsstrang stehen. Es genügt eine gut schallleitende Verbindung mit dem zu überwachenden Fluidversorgungs- und/oder Fluidkontrollelement.
Weiterhin ist es vorteilhaft, neben dem Fluidverdichter auch Dosierelemente in ihrer Auswirkung auf das Drucksystem im Fluidversorgungsstrang zu überwachen, wie z. B. Schaltventile, die häufig im Anodengasversorgungsstrang zur Dosierung der Brennstoffzufuhr verwendet werden.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist als Sensor ein Klopfsensor vorgesehen. Ein solcher in der Regel auf piezoelektrischen Sensorelementen und einer seismischen Masse basierender Schallsensor für die Erfassung von Klopfgeräuschen bei Verbrennungsmotoren liefert bekanntermaßen zuverlässig auswertbare Signale.
Mittels einer Kontrolleinheit können solche Signale im Weiteren erfasst und ausgewertet werden. Ggf. kann in Zusammenwirkung mit weiteren Detektionsmitteln, wie z. B. einem Drucksensor, und/oder einem Sensor zur Erfassung von Druckschwankungen und/oder Druckspitzen in einem Fluid, und/oder einem Luftmengenmesser der Betriebszustand des Brennstoffzellensystems noch umfassender erfasst werden.
Auf der Basis der erfassten Daten, zumindest denen des erfindungsgemäßen Sensors, ist sogar ein Aussage möglich, ob kritische Druckschwankungen in einem Fluidversorgungsstrang des Brennstoffzellensystems unmittelbar zu erwarten sind, so dass ggf. bereits vor deren Auftreten entsprechende Vermeidungsmaßnahmen eingeleitet werden können.
Neben den empfindlichsten Elementen des Brennstoffzellensystems, der Membran und der üblicherweise sehr dünn ausgelegten, elektrisch leitenden Schichten im Elektrolyt, können damit auch die übrigen Komponenten des Brennstoffzellensystems vor übermäßigen mechanischen Belastungen geschützt werden.
Ein weiterer Vorteil der Verwendung eines solchen Sensors zur Erledigung von Druckschwankungen liegt darin, dass die betreffenden Komponenten des Brennstoffzellensystems möglichst nahe an dem Betriebspunkt betrieben werden können, an dem die kritischen Druckschwankungen im jeweiligen Fluidversorgungsstrang aufzutreten beginnen. Aufgrund des damit möglichen Grenzbetriebs der jeweiligen Komponenten können diese bei bekannten Belastungsanforderungen unter Verzicht auf unnötige Sicherheitsreserven schwächer konstruiert werden, da systemkritische Druckschwankungen und/oder Druckspitzen zuverlässig unterbunden werden können.
Ausführungsbeispiel
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen und der darauf Bezug nehmenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt die
1: beispielhaft eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems mit einem Sensor zur Erfassung von Druckschwankungen in einem Fluidversorgungsstrang.
Im Detail zeigt die 1 ein Brennstoffzellensystem 1, umfassend eine Brennstoffzelle 2 mit einem Anodenstrang 3 und einem Kathodenstrang 4.
Die Brennstoffzelle 2 umfasst im Wesentlichen eine Anode 7, eine Kathode 8 und eine diese beiden trennende Membran 9.
Zur Sauerstoffversorgung der Kathode 8 ist im Kathodenstrang 4 beispielhaft als Fluidversorgungselement 5 ein Verdichter 10 dargestellt. Dieser saugt über den Filter 11 die Luft an, verdichtet diese und stellt sie über die Leitungen 12 innerhalb des durch das Sicherheitsventil 13 überwachten Druckbereichs der Kathode 8 zur Verfügung. Ausgangsseitig ist die Kathodenrestgaseinheit 14 mit einer darin dargestellten Leitung 15 gezeigt.
Zur Versorgung der Anode mit Brennstoff ist im Anodenstrang 3 ein Fluidversorgungselement 5 in der Form eines systemimmanenten Drucktanks 17 dargestellt, welcher selbst über eine Tankkupplung 16 befüllt werden kann. Beispielhaft an den Drucktank 17 angeschlossen sind ein Sicherheitsventil 18, eine Schmelzsicherung 19, ein Temperatursensor 20 und ein Drucksensor 21.
Über Leitungen 15, einem zwischengeschalteten Absperrventil 22 und einen, in Flussrichtung nachgeschalteten Druckminderer 23 der Brennstoffversorgungspfad fluidleitend mit der Anode 7 verbunden. Zur Überwachung des darin höchst zulässigen Betriebsdrucks ist nach dem Druckminderer 23 im Weiteren ein Sicherheitsventil 24 integriert. Mittels einer ebenfalls beispielhaft dargestellten Schaltventils 32 kann zusätzlich auf diesen Fluidstrom Einfluss genommen werden.
Anodenausgangsseitig ist eine Anodenrestgaseinheit 25 beispielhaft dargestellt, mit Leitungen 26 und einem sogenannten Purgeventil (Ablassventil) 38.
Zur Verbesserung des Wirkungsgrades des Brennstoffsystems 1 kann in der Anodenrestgaseinheit 25 weiterhin ein Anodenrestgasverdichter 29 sowie eine Rezirkulationspumpe 30 vorgesehen sein, um das Restgas zu verdichten und einem nicht näher dargestellten Zwischenspeicher zur weiteren Verwendung zuzuführen.
Die elektrische Anbindung des Brennstoffzellensystems 1 ist ebenfalls beispielhaft über den elektrischen Anschluss 27 und das Bordnetz 28 dargestellt.
Erfindungsgemäß ist nun wenigstens ein Sensor 31 zur Erfassung von Druckschwankungen und/oder Druckspitzen in einem Fluidversorgungsstrang 3, 4 vorgesehen. Besonders vorteilhaft ist ein solcher Sensor 31 direkt einem Fluidversorgungs- und/oder Fluidkontrollelement 5, 6 zugeordnet. Beispielsweise kann es sich hierbei um einen Verdichter 10 in der Luftversorgung des Kathodenstrangs 4 handeln, um ein Steuerventil 32 im Anodenstrang 3, aber auch um Elemente der Anodenrestgaseinheit 25, wie z. B. ein Purgeventil 38, einen Anodenrestgasverdichter 29 und/oder eine Rezirkulationspumpe 30. Insbesondere geeignet als Fluidverdichter sind sogenannte Turbinenverdichter. Solche Turbinenverdichter schaufeln die Luft mit sogenannten Leitblechen, wobei insbesondere bei hohen Drehzahlen fallweise die durch den erfindungsgemäß angeordneten Sensor zu überwachenden, druckspitzenerzeugenden Strömungsabrisse auftreten können.
Der Sensor 31 ist als Schallsensor ausgebildet und besonders bevorzugt zur Erfassung von Körperschall vorgesehen. In besonders vorteilhafter Weise ist daher der Schallsensor körperschallleitend mit der zu überwachenden Einheit des Brennstoffzellensystems verbunden. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist der Sensor als Klopfsensor ausgebildet, welcher beispielsweise mit einer seismischen Masse und einer Piezo-Keramik ausgestaltet sein kann. Zur Verdeutlichung einer vorzugsweise überwiegend lokalen Überwachung, insbesondere zur Reduzierung von Störpegeln, sind im Kathodenstrang 4 beispielhaft zwei Kreise 33 als Erfassungsbereich für die über Körperschall zu erfassenden Druckschwankungen und/oder Druckspitzen dargestellt. Der Übersichtlichkeit halber wurde auf weitere Darstellungen solcher Erfassungsbereiche 33 bezüglich der übrigen zu überwachenden Komponenten verzichtet.
Die Verarbeitung der durch einen oder mehrerer solcher Sensoren 31 erfassten Signale kann über eine Kontrolleinheit 34 erfolgen, welche in besonders vorteilhafter Weise diese Signale erfasst, aufbereitet und ggf. Maßnahmen zur Vermeidung kritischer Druckschwankungen, insbesondere kritischer Druckspitzen in einem oder auch beiden der zu überwachenden Fluidversorgungsstränge 3, 4 einleitet. Dies kann beispielsweise über eine Drehzahlreduzierung des Verdichters, über eine sanftere Ventilansteuerung und dergleichen mehr erfolgen.
Zur noch umfangreicheren Erfassung von Betriebsparametern des Brennstoffzellensystems 1 können auch Signale eines Temperatursensors 20, eines Drucksensors 21, eines Sensors 36 zur Erfassung von Druckschwankungen und/oder Druckspitzen in einem Fluid, und/oder auch ein Luftmengenmesser 37 vorgesehen sein. Die in der 1 diesbezüglich dargestellten Positionen sind nur beispielhaft gezeigt und können durchaus auch an anderen geeigneten Stellen ersatzweise oder zusätzlich und auch in anderen Kombinationen vorgesehen sein.
Um auch eine externe Datenabgriffs- und/oder Datenzugriffsmöglichkeit zur Verfügung zu stellen ist im Weiteren noch beispielhaft ein Anschluss 35 dargestellt.

Claims

Brennstoffzellensystem (1) mit Fluidversorgungs- und/oder Fluidkontrollelementen (5, 27, 29, 30, 32), dadurch gekennzeichnet, dass ein Sensor (31) zur Erfassung von Druckschwankungen in einem Fluidversorgungsstrang (3, 4) vorgesehen ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor einem Fluidversorgungs- und/oder Fluidkontrollelement (5, 27, 29, 30, 32) zugeordnet ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor einem Fluidverdichter (10, 29) und/oder einem Steuerventil (32) zugeordnet ist.
Brennstoffzellensystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Fluidverdichter (10, 29) ein Turbinenverdichter ist.
Brennstoffzellensystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor ein Schallsensor ist.
Brennstoffzellensystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (31) zur Erfassung von Körperschall vorgesehen ist.
Brennstoffzellensystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor ein Klopfsensor ist.
Brennstoffzellensystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kontrolleinheit (34) vorgesehen ist.
Brennstoffzellensystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Drucksensor (21) vorgesehen ist.
Brennstoffzellensystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Luftmengenmesser (37) vorgesehen ist.