DE102007039557A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Bestimmen eines Schaltpunkts für eine Füllstandsregulierung - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zum Bestimmen eines Schaltpunkts für eine Füllstandsregulierung Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bestimmen eines Füllstands für eine Füllstandsregulierung einer in einem System anfallenden Flüssigkeit, wobei bei Überschreiten eines oberen Schaltpunkts (F_max) ein Entleeren ausgelöst wird, bei Unterschreiten eines unteren Schaltpunkts (F_min) ein Entleeren beendet wird und mindestens ein Schaltpunkt (F_min, F_max) in Abhängigkeit mindestens einer aktuellen physikalischen Zustandsgröße des Systems vorausgesagt wird. Die Erfindung betrifft insbesondere ein Verfahren zum Bestimmen eines Schaltpunkts für eine Füllstandsregulierung eines Abscheiders in einem Brennstoffzellensystem.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bestimmen eines Füllstands für eine Füllstandsregulierung. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bestimmen eines Füllstands für eine Füllstandsregulierung eines Abscheiders in einem Brennstoffzellensystem.
  • Ein Brennstoffzellensystem umfasst eine Brennstoffzelle oder mehrere Brennstoffzellen, welche in Reihe und/oder parallel zu einem Brennstoffzellenstapel geschaltet sind. Für die Fahrzeugindustrie sind derzeit insbesondere Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen (engl. Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEM-FC) bekannt, wobei Wasserstoff als Brennstoff eingesetzt wird. Es ist jedoch auch eine Verwendung von Methan, Methanol oder Glukoselösung als Brennstoff bekannt. An einer Anodenseite der Brennstoffzelle bzw. des Brennstoffzellenstapels wird an einem Einlass der Brennstoff, insbesondere Wasserstoff, in den Brennstoffzellenstapel eingespeist. An einem Auslass treten die Anodenabgase aus der Brennstoffzelle bzw. dem Brennstoffzellenstapel aus, welche bei Verwendung von Wasserstoff unter anderem aus nicht verbrauchtem Wasserstoff sowie Wasser bestehen. Der nicht verbrauchte Brennstoff kann über einen Rezirkulations-Kreislauf an dem Einlass wieder zur Verfügung gestellt werden.
  • Bei Betrieb eines Brennstoffzellensystems, insbesondere einem PEM-Brennstoffzellensystem wird an der Kathode ein so genanntes Produktwasser freigesetzt. Daneben wird jedoch auch an der Anode, insbesondere in dem Anodenabgas, Wasser freigesetzt. Ist das System mit einem Rezirkulations-Kreislauf oder einem auf andere Weise geschlossenen Anodenkreislauf aufgebaut, so muss das angefallene Wasser von Zeit zu Zeit aus dem Anodenkreislauf entfernt werden. Zu diesem Zweck ist es bekannt, in dem Anodenkreislauf ein Abscheidermodul anzuordnen. Das Abscheidermodul umfasst einen Sensor zum Erfassen eines Füllstands, einen sogenannten Levelsensor. Das Abscheidermodul wird dabei derart betrieben, dass bei Überschreiten eines oberen Schaltpunkts, d. h. bei Überschreiten eines maximalen Füllstands, ein Entleeren des Abscheidermoduls ausgelöst wird. Eine Entleerung wird beendet, sobald ein unterer Schaltpunkt unterschritten wird, d. h. ein minimaler Füllstand detektiert wurde. Zum Erfassen der zwei Füllstände umfasst der Levelsensor mindestens zwei Fühler oder dergleichen. So ist es beispielsweise bekannt, einen Schwimmschalter als Levelsensor mit zwei oder mehr Schaltpunkten einzusetzen. Ein derartiger Schwimmschalter ist jedoch vielfach unzuverlässig und/oder nur mit hohem Aufwand mit einer ausreichenden Sicherheit betreibbar.
  • Aus der DE 102 33 039 A1 ist es bekannt, nur einen unteren Schaltpunkt durch einen Sensor zur Erfassen, wobei ein Ventil zum Entleeren des Abscheiders nach Ablauf eines maximalen Zeitintervalls nach einem Schließen wieder geöffnet wird. Das maximale Zeitintervall wird dabei aufgrund statischer Größen, wie einem Volumen eines Abscheiderbehälters, einer Zuflussrate und einer Abflussrate ermittelt.
  • Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, durch welche mindestens ein. Schaltpunkt für eine Füllstandsregulierung bei wechselnden Bedingungen zuverlässig erfassbar ist.
  • Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bestimmen eines Füllstands für eine Füllstandsregulierung einer in einem System anfallenden Flüssigkeit, wobei bei Überschreiten eines oberen Schaltpunkts oder maximalen Füllstands der Flüssigkeit ein Entleeren ausgelöst wird, bei Unterschreiten eines unteren Schaltpunkts oder minimalen Füllstands der Flüssigkeit ein Entleeren beendet wird und mindestens ein Schaltpunkt in Abhängigkeit mindestens einer aktuellen physikalischen Zustandsgröße des Systems vorausgesagt wird. In anderen Worten wird der Schaltpunkt nicht direkt erfasst, sondern beobachtet. Dabei ist es möglich, auf ein Messelement wie einen Messfühler oder dergleichen zum direkten Erfassen dieses Schaltpunkts zu verzichten. Ein Verzicht auf ein entsprechendes Bauteil führt zu einer Systemvereinfachung durch eine Bauteilreduktion, einer Kosteneinsparung, einer Verringerung eines Bauraumbedarfs, einer Gewichtseinsparung und/oder zu einem geringeren Verkabelungsaufwand. Eine Voraussage eines Füllstands ist dabei grundsätzlich bei jedem System möglich, bei welchem zumindest die wesentlichen Einflussgrößen auf einen Füllstand bekannt sind und/oder der Füllstand beobachtbar ist. Durch Voraussage des Schaltpunkts in Abhängigkeit aktueller Größen sind aktuelle Einflussgrößen oder Zustände des Systems berücksichtigbar.
  • Dabei ist es auch denkbar, eine Vorhersage mit einem Messverfahren zu koppeln, beispielsweise durch Verwendung eines Kalman-Filter-Verfahrens oder dergleichen, um so die Qualität der Voraussage und/oder der Messung zu erhöhen.
  • Eine erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst hierfür mindestens eine Steuer – und/oder Recheneinheit mit Mitteln, durch die mindestens eine aktuelle physikalische Zustandsgröße eines Systems, insbesondere eines Brennstoffzellensystems, erfassbar ist und ein Schaltpunkt in Abhängigkeit der mindestens einen physikalischen Zustandsgröße ermittelbar ist. Das System kann dabei als Modell in der Steuerund/oder Recheneinheit abgebildet sein. In anderen Ausgestaltungen sind Abhängigkeiten von physikalischen Zustandsgrößen ohne zugehöriges Modell berücksichtigbar. Die Zustandsgrößen sind dabei durch bereits im System vorhandene Sensoren erfassbar und können über Steuereingänge der Steuer- und/oder Recheneinheit zur Verfügung gestellt werden. Bei den Steuereingängen handelt es sich dabei um Mittel zum Erfassen der Zustandsgrößen im Sinne der Erfindung.
  • In einer Weiterbildung der Erfindung wird die Flüssigkeitsmenge, welche in einem Abscheider eines Anodenkreislaufs eines Brennstoffzellensystems angefallen ist und/oder anfallen wird, basierend auf mindestens einer physikalischen, dynamischen Zustandsgröße des Brennstoffzellensystems ermittelt. Dabei ist es möglich, ein Abscheidermodul für ein entsprechendes Brennstoffzellensystem mit geringem Bauraum und hoher Zuverlässigkeit zu schaffen.
  • In einer Weiterbildung der Erfindung wird ein oberer Schaltpunkt in Abhängigkeit mindestens einer Zustandsgröße des Systems, aus einer Gruppe umfassend: eine Temperatur eines Kühlmittels an einem Kühlmittel-Einlass, eine Temperatur des Kühlmittels an einem Kühlmittel-Auslass, eine Temperatur des Brennstoffs an einem Anoden-Einlass, eine Temperatur des Brennstoffs in einem Brennstoffspeicher, einen an einem Brennstoffzellenstapel gezogenen Strom und eine Umgebungstemperatur des Systems, ermittelt. Dabei sind beispielsweise die folgenden Abhängigkeiten des Füllstands eines Abscheiders in einem Anodenkreislauf berücksichtigbar: die Abhängigkeit von einer Temperaturdifferenz zwischen einer Temperatur eines Kühlmittels an einem Auslass eines Brennstoffzellenstapels und einer Temperatur des Brennstoffs in einem Brennstoff-Speicher; die Abhängigkeit von einem am Brennstoffzellenstapel gezogenen Strom; die Abhängigkeit von einer Systemtemperaturänderung an einem Kühlmittel-Einlass bei einem Systemstart; die Abhängigkeit von Temperaturdifferenzen zwischen einer Umgebungstemperatur und Systemtemperaturen; die Abhängigkeit von einer Temperaturdifferenz zwischen einer Temperatur am Kühlmittel-Auslass und an einem Anoden-Einlass. Je nach Systemaufbau kann eine Abhängigkeit des Füllstands von weiteren Größen und/oder von weiteren Zusammenhängen von Interesse sein.
  • In einer Ausgestaltung der Erfindung wird ein unterer Schaltpunkt basierend auf einer Ermittlung und/oder einer Voraussage einer abgeflossenen Flüssigkeitsmenge bestimmt. Dabei ist es möglich, anstelle eines physikalischen Sensors zur Erfassung des unteren Schaltpunkts diesen Schaltpunkt ausschließlich aus anderen Größen zu ermitteln oder zu beobachten. In einem Ausführungsbeispiel wird der untere Schaltpunkt beispielsweise in Abhängigkeit von einem Durchflusskoeffizienten (Kv-Wert) und/oder in Abhängigkeit von einem Druckverhältnis über einem Abscheiderabfluss, ermittelt.
  • Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung, das in den Zeichnungen schematisch dargestellt ist. Für gleiche oder ähnliche Bauteile werden in den Zeichnungen einheitliche Bezugszeichen verwendet. Sämtliche aus den Ansprüchen, der Beschreibung oder den Zeichnungen hervorgehende Merkmale und/oder Vorteile, einschließlich konstruktiver Einzelheiten, räumlicher Anordnungen und Verfahrensschritte, können sowohl für sich als auch in den verschiedensten Kombinationen erfindungswesentlich sein. Dabei zeigen:
  • 1 ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems und
  • 2 eine schematische Darstellung eines Abscheidermoduls.
  • 1 zeigt schematisch ein Blockschaltbild eines Brennstoffzellensystems 1. Das Brennstoffzellensystem 1 umfasst einen Brennstoffzellenstapel 10, welcher aus mehreren Brennstoffzellen, die elektrisch in Reihe und/oder parallel geschaltet sind, aufgebaut ist. Anodenseiten einzelner Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels 10 ergeben die Anodenseite 103 des Brennstoffzellenstapels 10. Ebenso ergeben die Kathodenseiten der Brennstoffzellen die Kathodenseite 102 des Brennstoffzellenstapels 10. An der Kathodenseite 102 bzw. der Anodenseite 103 sind vereinfacht dargestellte Kathoden- bzw. Anoden- Kreisläufe 2, 3 angeordnet. Zudem ist ein Kühlkreislauf 4 mit einem Einlass 41 und einem Auslass 42 vorgesehen. Der vereinfacht dargestellte Anodenkreislauf 3 umfasst einen Brennstoffspeicher 30, wobei der Brennstoff, beispielsweise Wasserstoff, über einen Einlass 31 dem Brennstoffzellenstapel 10 zugeführt wird. Ein Anodenabgas wird über einen Auslass 32 aus dem Brennstoffzellenstapel 10 abgeführt. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist eine Rezirkulations-Baueinheit 33 vorgesehen, durch welche zumindest ein Teil des Anodenabgases wieder dem Einlass 31 zugeführt werden kann. In anderen Ausgestaltungen kann ein Anodenkreislauf 3 an einer anderen Stelle, beispielsweise durch zumindest teilweise Rückführung des Anondenabgases in den Brennstoffspeicher 30 geschlossen werden. In dem Anodenkreislauf 3 ist ein Abscheidermodul 34 vorgesehen, durch welches Wasser oder ein anderes Kondensat, das in dem Anodenkreislauf 3 anfällt, von Zeit zu Zeit ausgeschieden wird.
  • 2 zeigt schematisch ein entsprechendes Abscheidermodul 34. Das Abscheidermodul 34 ist dabei zwischen dem Anodenkreislauf 3 und einer Kathodenabgasleitung 2a angeordnet, wobei eine Entleerung des Abscheidermoduls 34 in die Kathodenabgasleitung 2a erfolgt. Das Abscheidermodul 34 umfasst einen Abscheiderbehälter 340, einen Filter 342 und ein Ventil 343. Eine Ansteuerung oder Regulierung des Abscheidermoduls 34, insbesondere des Ventils 343, erfolgt mittels einer Steuereinheit 6. Die Steuereinheit 6 umfasst einen Eingang 60 für ein Messsignal eines Füllstandsensors 5, sowie mehrere Eingänge 61, durch welche weitere Zustandsoder Systemgrößen der Steuereinheit 6 zuführbar sind. Die Steuereinheit 6 umfasst weiter einen Ausgang 62 zum Ansteuern des Abscheiderventils 343. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel wird ein abgeschiedenes Wasser in dem Abscheiderbehälter 340 gesammelt. Das Abscheidermodul 34 wird dabei derart angesteuert, dass ein Füllstand zwischen einem unteren Wert F_min und einem oberen Wert F_max eingeregelt wird. Erreicht der Füllstand den unteren Schaltpunkt F_min, so wird eine Entleerung des Abscheiderbehälters 340 durch Schließen des Abscheiderventils 343 beendet. Das Abscheiderventil 343 wird geöffnet, wenn der Füllstand den oberen Schaltpunkt F_max erreicht.
  • Ein Füllstand des abgeschiedenen Wassers wird in dem dargestellten Ausführungsbeispiel zum einen mittels des Füllstandsensors 5 erfasst. Der dargestellte Füllstandsensor 5 ist dabei derart angeordnet, dass der untere Schaltpunkt F_min erfassbar ist. Zum anderen wird der Füllstand beobachtet.
  • Erfindungsgemäß wird durch die Steuereinheit 6 der obere Schaltpunkt, ab welchem eine Entleerung des Abscheiderbehälters 340 beginnen soll, in Abhängigkeit von verschiedenen Zustandsgrößen, welche der Steuereinheit 6 an den Steuereingängen 61 zugeführt werden, ermittelt. Die Zustandsgrößen sind beispielsweise eine Temperatur T_KM_ein eines Kühlmittels am Einlass 41 gemäß 1, eine Temperatur T_KM_aus des Kühlmittels am Auslass 42, eine Temperatur des Brennstoffs, insbesondere des Wasserstoffs, T_H2_ein am Einlass 31, eine Temperatur T_Tank des Brennstoffs am Brennstoffspeicher 30, ein aktueller, am Brennstoffzellenstapel 10 gezogener Strom I_BZ und/oder eine Umgebungstemperatur T_UM des Systems 1.
  • Anhand dieser Größen ist beispielsweise eine Erhöhung des Füllstands in dem Abscheidermodul 34 in Abhängigkeit einer Temperaturdifferenz T_KM_aus – T_Tank zwischen einer Temperatur des Kühlmittels am Auslass 42 und eine Temperatur T_Tank im Brennstoffspeicher 30 möglich, wobei so eine Vermischung von sehr kaltem oder kälterem Wasserstoff aus dem Speicher 30 mit sehr feuchtem Anodenabgas im Anodenkreislauf 3 berücksichtigbar ist. Weiter ist eine Abhängigkeit des Füllstands von einem an der Brennstoffzelle gezogenen Strom I_BZ möglich. Durch die ermittelten Größen kann weiter der Füllstand in Abhängigkeit einer zeitlichen Systemtemperaturänderung d(T_KM_ein)/dt bei einem Systemstart berücksichtigt werden, wobei berücksichtigt wird, dass bei kälteren Temperaturen des Brennstoffzellenstapels 10 in Membranen des Brennstoffzellenstapels 10 Wasser gespeichert wird, welches durch eine Temperaturerhöhung abgegeben wird. Alternativ oder zusätzlich ist es weiter möglich, die Abhängigkeit des Füllstands von der Temperaturdifferenz zwischen der Umgebungstemperatur T_UM und verschiedenen Systemtemperaturen zu berücksichtigen. Als weiterer Einfluss auf den Füllstand ist die Temperaturdifferenz T_KM_aus – T_H2_ein zwischen der Temperatur des Kühlmittels am Auslass 41 und der Temperatur des Brennstoffs am Einlass 31 berücksichtigbar.
  • Sobald die Steuereinheit 6 das Erreichen eines maximalen Füllstands F_max oder oberen Schaltpunkts beobachtet hat, kann das Abscheiderventil 343 geöffnet und der Abscheiderbehälter 340 entsprechend geleert werden.
  • In dem dargestellten Ausführungsbeispiel wird der minimale Füllstand F_min oder untere Schaltpunkt durch den Füllstandsensor 5 erfasst. In einer anderen Ausgestaltung wird auch ein unterer Schaltpunkt durch die Steuereinheit 6 und/oder eine zusätzliche Steuereinheit beobachtet. Zur Ermittlung einer Füllstandsabnahme und damit eines unteren Schaltpunkt ist eine Ausflussgeschwindigkeit in Abhängigkeit eines Durchflussfaktors (Kv-Wert), einschließlich Eigenschaften des Ventils 343 sowie der Leitungen und des Filters 342, und/oder in Abhängigkeit eines Druckverhältnisses, z. B. eines Systemdrucks im Anodenkreislauf 3 und/oder im Abscheiderbehälter 340 gegenüber einem Umgebungsdruck, berücksichtigbar.
  • Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Ermittlung eines Füllstands kann somit auch als „virtueller" Sensor oder Beobachter bezeichnet werden, wobei die zu erfassenden Größen nicht direkt gemessen, sondern anhand von bereits vorliegenden und/oder einfach zu messenden Größen, wie beispielsweise eine Temperatur, erfassbar sind.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • - DE 10233039 A1 [0004]

Claims (8)

  1. Verfahren zum Bestimmen eines Füllstands für eine Füllstandsregulierung einer in einem System (1) anfallenden Flüssigkeit, wobei bei Überschreiten eines oberen Schaltpunkts (F_max) ein Entleeren ausgelöst wird und bei Unterschreiten eines unteren Schaltpunkts (F_min) ein Entleeren beendet wird, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Schaltpunkt (F_min, F_max) in Abhängigkeit mindestens einer aktuellen physikalischen Zustandsgröße des Systems vorausgesagt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeitsmenge, welche in einem Abscheidermodul (34) eines Anodenkreislaufs (3) eines Brennstoffzellensystems (1) angefallen ist und/oder anfallen wird, basierend auf mindestens einer physikalischen Zustandsgröße des Brennstoffzellensystems (1) ermittelt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der obere Schaltpunkt (F_max) in Abhängigkeit mindestens einer Zustandsgröße des Brennstoffzellensystems (1), aus einer Gruppe umfassend: eine Temperatur (T_KM_ein) eines Kühlmittels an einem Kühlmittel-Einlass (41), eine Temperatur (T_KM_aus) des Kühlmittels an einem Kühlmittel-Auslass (42), eine Temperatur des Brennstoffs (T_H2_ein) an einem Anoden-Einlass (31), eine Temperatur (T_Tank) des Brennstoffs in einem Brennstoffspeicher (30), einen an einem Brennstoffzellenstapel (10) gezogenen Strom (I_BZ) und eine Umgebungstemperatur (T_UM) des Systems (1), ermittelt wird.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der untere Schaltpunkt (F_min) basierend auf einer Ermittlung und/oder einer Voraussage einer abgeflossenen Flüssigkeitsmenge bestimmt wird.
  5. Vorrichtung zum Bestimmen eines Füllstands für eine Füllstandsregulierung einer in einem System (1) anfallenden Flüssigkeit, umfassend mindestens eine Steuer- und/oder Recheneinheit (6), durch die bei Überschreiten eines oberen Schaltpunkts (F_max) ein Entleeren auslösbar ist und bei Unterschreiten eines unteren Schaltpunkts (F_min) ein Entleeren beendbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer – und/oder Recheneinheit (6) Mittel umfasst, durch die mindestens eine aktuelle physikalische Zustandsgröße des Systems erfassbar ist und mindestens ein Schaltpunkt (F_min, F_max) in Abhängigkeit der mindestens einen physikalischen Zustandsgröße ermittelbar ist.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer- und/oder Recheneinheit (6) mindestens einen Eingang (61) für eine physikalische Größe eines Brennstoffzellensystems (1) aufweist, so dass mittels der Steuer- und/oder Recheneinheit (6) die Flüssigkeitsmenge, welche in einem Abscheidermodul (34) eines Anodenkreislaufs (3) des Brennstoffzellensystems (1) angefallen ist und/oder anfallen wird, voraussagbar ist.
  7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer- und/oder Recheneinheit (6) Mittel aufweist, durch die der obere Schaltpunkt (F_max) in Abhängigkeit mindestens einer Zustandsgröße des Systems, aus einer Gruppe umfassend: eine Temperatur (T_KM_ein) eines Kühlmittels an einem Kühlmittel-Einlass (41), eine Temperatur (T_KM_aus) des Kühlmittels an einem Kühlmittel-Auslass (42), eine Temperatur des Brennstoffs (T_H2_ein) an einem Anoden-Einlass (31), eine Temperatur (T_Tank) des Brennstoffs in einem Brennstoffspeicher (30), einen an einem Brennstoffzellenstapel (10) gezogenen Strom (I_BZ) und eine Umgebungstemperatur (T_UM) des Systems, ermittelbar ist.
  8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer- und/oder Recheneinheit (6) Mittel aufweist, durch die der untere Schaltpunkt (F_min) basierend auf einer Ermittlung und/oder einer Voraussage einer abgeflossenen Flüssigkeitsmenge bestimmbar ist.
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