DE102014004049A1

DE102014004049A1 - Brennstoffzellensystem

Info

Publication number: DE102014004049A1
Application number: DE102014004049.6A
Authority: DE
Inventors: Felix Blank; Marcel Gaidecka; Gert Hinsenkamp; Gerhard Konrad; Benjamin Steinhauser
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Cellcentric GmbH and Co KG
Priority date: 2014-03-21
Filing date: 2014-03-21
Publication date: 2015-09-24

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem (1) mit wenigsten einer Brennstoffzelle (3), mit einem in einer Abgasleitung (18) angeordneten von zumindest einem Teil der Abgase der Brennstoffzelle (3) durchströmten katalytischen Brenner (17), und mit wenigstens einem Temperatursensor (20) in Strömungsrichtung (S) der Abgase nach dem katalytischen Brenner (17). Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem ist dadurch gekennzeichnet, dass der Temperatursensor (20) als temperatursensitives Element (24) einen Draht oder Blechstreifen aufweist, welcher unter mehrfacher Umkehr seiner Laufrichtung innerhalb einer Querschnittsebene der Abgasleitung (18) durch verschiedene Bereiche des Querschnitts der Abgasleitung (18) verläuft.

Description

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.
Bei Brennstoffzellensystemen, und insbesondere bei Brennstoffzellensystemen, welche für Fahrzeugantriebe eingesetzt werden, stellt die Gefahr einer eventuellen Wasserstoffemission an die Umgebung ein erhebliches Sicherheitsrisiko dar. Dies gilt insbesondere dann, wenn der Wasserstoff ungewollt in die Umgebung gelangt beispielsweise aufgrund einer Undichtheit zwischen der Anodenseite und der Kathodenseite in der Brennstoffzelle, einem undichten Abgasventil oder ähnlichem. Aus diesem Grund sind im Abgas von Brennstoffzellensystemen typischerweise Wasserstoffsensoren angeordnet, welche einen eventuellen Austritt von Wasserstoff über das Abgas sicher und zuverlässig detektieren sollen, um so eine Warnmeldung bzw. einen Alarm auszulösen und das Brennstoffzellensystem gegebenenfalls abzuschalten.
Grundsätzlich sind aus dem Stand der Technik verschiedene Typen und Ausführungen von Wasserstoffsensoren bekannt. Diese Wasserstoffsensoren sind je nach Bauart vergleichsweise aufwändig, störanfällig, träge und/oder sehr teuer. In der nicht vorveröffentlichten deutschen Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen 10 2012 018 873.0 ist daher die Verwendung eines ohnehin vorhandenen katalytischen Brenners beschrieben, um durch eine Temperaturüberwachung der Gasströme zu und insbesondere von dem katalytischem Brenner weg eine kritische Wasserstoffkonzentration zu erfassen. In der Praxis hat sich dieser Aufbau durchaus bewährt. Allerdings ist zu bedenken, dass durch einfache Temperatursensoren die Temperatur nur in einem Punkt der Gasströmung erfasst werden kann. Bei den vergleichsweise großen Durchmessern der katalytischen Brenner und der Abgasleitungen, in welche diese typischerweise eingebaut sind, kann dies zu erheblichen Unsicherheiten in der Messung führen, was letztlich die Gefahr birgt, dass die Detektion von Wasserstoff nicht oder nicht mit ausreichend hoher Genauigkeit erfolgen kann.
Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, ein geeignetes Brennstoffzellensystem anzugeben, welches basierend auf den Überlegungen in der nicht vorveröffentlichten deutschen Voranmeldung eine Verbesserung der Zuverlässigkeit der Messung ermöglicht.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen im Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen.
Bei dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem ist es vorgesehen, dass zumindest ein Temperatursensor in Strömungsrichtung der Abgase nach dem katalytischen Brenner angeordnet ist. Über diesen wird gemäß dem in der nicht vorveröffentlichten oben genannten deutschen Anmeldung beschriebenen Verfahren das Auftreten einer zu hohen Menge an Wasserstoff detektiert. Er ist so ausgebildet, dass er einen Draht oder einen Blechstreifen als temperatursensitives Element aufweist. Dieser Draht oder Blechstreifen ist dann innerhalb einer Querschnittsebene der Abgasleitung angeordnet und zwar so, dass er seine Laufrichtung mehrfach umkehrt und damit verschiedene Bereiche des Querschnitts der Abgasleitung durchläuft. Der Draht oder Blechstreifen kann dafür beispielsweise spiralförmig oder mäanderförmig gebogen sein, idealerweise so, dass er sowohl zentrale Bereiche des Querschnitts der Abgasleitung als auch im Randbereich liegende Bereiche durchläuft. Dadurch, dass der Draht bzw. Blechstreifen räumlich so angeordnet ist, dass er die verschiedenen Bereiche der Abgasleitung durchläuft, wird prinzipbedingt eine mittlere Temperatur in der jeweiligen Querschnittsebene, in welcher das temperatursensitive Element angeordnet ist, erfasst. Kommt es innerhalb des Querschnitts der Abgasleitung zu verschiedenen Temperaturen, dann wirken diese unterschiedlichen Temperaturen in unterschiedlichen Bereichen des temperatursensitiven Elements, sodass letztlich über den Temperatursensor ein gemittelter Wert entsprechend der Anteile der Temperaturverteilung erfasst wird, weil der Widerstand des Materials temperaturabhängig ist und sich so die Temperaturen aus allen Bereichen, welche das temperatursensitive Element durchläuft, in der Messung des Temperatursensors mitteln. Inhomogene Temperaturverteilungen in dem Abgasstrom spielen somit für die Qualität der Messergebnisse keine Rolle mehr. Nun ist es so, dass außerdem über die Querschnittsfläche der Abgasleitung hinweg verschiedene Strömungsgeschwindigkeiten des Abgases auftreten können, welche den Draht bzw. Blechstreifen des Temperatursensors ungleichmäßig abkühlen. Durch eine entsprechende Anordnung, welche derartige prinzipbedingte Strömungsungleichgewichte berücksichtigt, indem beispielsweise in den Bereichen, in denen eine höhere Strömungsgeschwindigkeit vorliegt, weniger Draht angeordnet ist als in den Bereichen, in denen eine niedrigere Strömungsgeschwindigkeit vorliegt. Somit kann der Einfluss einer inhomogenen Strömungsgeschwindigkeitsverteilung zusätzlich minimiert werden, sodass die Messergebnisse nochmals besser werden.
Prinzipmäßig reicht zur Durchführung des Verfahrens in der nicht vorveröffentlichten deutschen oben genannten Patentanmeldung ein einziger Temperatursensor in Strömungsrichtung der Abgase nach dem katalytischen Brenner aus. Zur Verbesserung der Messergebnisse können jedoch weitere Temperatursensoren vorgesehen werden, insbesondere ein weiterer Temperatursensor in Strömungsrichtung vor dem katalytischen Brenner. Gemäß einer besonders günstigen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems ist auch dieser Temperatursensor im Sinne der Erfindung aufgebaut, also aus einem Draht oder Blechstreifen, welcher mehrere Raumabschnitte der Querschnittsfläche, in welcher die Temperatur gemessen werden soll, durchläuft.
Eine weitere sehr günstige Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems sieht es dabei vor, dass das temperatursensitive Element aus Platin oder einer Platinlegierung ausgebildet oder mit Platin beschichtet ist. Beispielsweise die Verwendung eines Platindrahts oder Platinblechs bzw., insbesondere bei der Verwendung eines Blechstreifens, das zumindest teilweise Beschichten mit Platin, erlaubt die Umsetzung von gegebenenfalls in dem Abgas vorliegendem Wasserstoff und Sauerstoff bereits im Bereich des Temperatursensors.
Ist dann gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems ein weiterer Temperatursensor ohne Platin an seiner Oberfläche vorhanden, dann kann bereits durch diesen Aufbau und durch den auftretenden Temperaturunterschied zwischen den beiden Temperatursensoren, welche idealerweise in unmittelbarer Nähe zueinander angeordnet werden, auf eine erhöhte Wasserstoffkonzentration geschlossen werden, falls eine solche vorliegt.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems ergeben sich aus den restlichen abhängigen Unteransprüchen und werden anhand des Ausführungsbeispiels deutlich, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben ist.
Dabei zeigen:
1 ein Brennstoffzellensystem in einem prinzipmäßig angedeuteten Fahrzeug in einer möglichen Ausgestaltung gemäß der Erfindung;
2 eine schematische Schnittdarstellung eines katalytischen Brenners in einem derartigen Brennstoffzellensystem;
3 einen Temperatursensor in einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem in einer ersten möglichen Ausführungsform; und
4 einen Temperatursensor in einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem in einer zweiten möglichen Ausführungsform.
In der 1 ist ein Brennstoffzellensystem 1 in einer prinzipmäßigen Darstellung zu erkennen. Es soll in einem Fahrzeug 2 angeordnet sein und soll insbesondere elektrische Antriebsleistung für das Fahrzeug 2 bereitstellen. Kern des Brennstoffzellensystems 1 ist dabei eine Brennstoffzelle 3, welche einen Anodenraum 4 und einen Kathodenraum 5 umfasst. Diese sind in der hier dargestellten Ausgestaltung der Brennstoffzelle 3 als PEM-Brennstoffzellenstack jeweils durch Protonenaustauschmembranen 6 voneinander getrennt. In der Darstellung ist lediglich einer der Anodenräume 4, einer der Kathodenräume 5 und eine der Membranen 6 exemplarisch angedeutet. Über eine Luftfördereinrichtung 7 wird dem Kathodenraum 5 der Brennstoffzelle 3 Luft als Sauerstofflieferant zugeführt. Die Abluft aus dem Kathodenraum 5 gelangt über eine optionale Turbine 8, in welcher sie zur Rückgewinnung von Restenergie entspannt wird, wieder an die Umgebung. Die Turbine 8 und die Luftfördereinrichtung 7 sind dabei auf einer gemeinsamen Welle angeordnet, auf welcher zusätzlich noch eine elektrische Maschine 9 angeordnet ist. Dieser Aufbau wird auch als elektrischer Turbolader oder ETC (Electric Turbo Charger) bezeichnet. Die in der Turbine 8 zurückgewonnene Energie dient unmittelbar zum Antreiben der Luftfördereinrichtung 7 und typischerweise benötigte zusätzliche Leistung wird über die elektrische Maschine 9 bereitgestellt. Kommt es in Sondersituationen dazu, dass die in der Turbine 8 anfallende Leistung größer ist als die von der Luftfördereinrichtung 7 aktuell benötigte Leistung, dann kann über die elektrische Maschine 9 im generatorischen Betrieb auch elektrische Energie gewonnen werden, welche dann beispielsweise anderen Anwendungen zugeführt werden kann, oder welche in einer Batterie zwischengespeichert werden kann.
In dem Zuluftstrom zwischen der Luftfördereinrichtung 7 und dem Kathodenraum 5 sowie dem Abluftstrom zwischen dem Kathodenraum 7 und der Turbine 8 ist außerdem ein an sich bekannter Gas/Gas-Befeuchter 10 angeordnet. Dieser Befeuchter 10 kann beispielsweise als reiner Befeuchter oder als Kombination aus Befeuchter und Ladeluftkühler ausgebildet sein. Er dient zum Befeuchten und/oder Abkühlen der Zuluft vor dem Kathodenraum und nutzt hierfür die feuchte und vergleichsweise kühle Abluft aus dem Kathodenraum 5. Dieser Aufbau ist an sich bekannt, sodass hierauf nicht näher eingegangen wird. Es soll jedoch noch angemerkt werden, dass es prinzipiell auch möglich ist, einen Ladeluftkühler und einen Befeuchter unabhängig voneinander in dem Zuluftstrom anzuordnen.
Dem Anodenraum 4 der Brennstoffzelle 3 wird Wasserstoff als Brennstoff aus einem Druckgasspeicher 11 zugeführt. Der Wasserstoff gelangt über ein Druckregel- und Dosierventil 12 in den Anodenraum 4. Abgas aus dem Anodenraum 4 wird über eine Rezirkulationsleitung 13 sowie eine Rezirkulationsfördereinrichtung 14 wieder zurückgeführt und strömt zusammen mit dem frischen Wasserstoff erneut in den Anodenraum 4 der Brennstoffzelle 3 ein. Dieser Aufbau wird auch als Anodenrezirkulation bezeichnet. Nun ist es bei einer solchen Anodenrezirkulation so, dass sich mit der Zeit Wasser und inerte Gase, welche durch die Protonenaustauschmembranen 6 vom Kathodenraum 5 in den Anodenraum 4 diffundiert sind, anreichern. Da das Volumen in der Anodenrezirkulation konstant ist, sinkt hierdurch unweigerlich die Konzentration an Wasserstoff, sodass die Performance der Brennstoffzelle 3 nachlässt. Deshalb ist es üblich, beispielsweise von Zeit zu Zeit oder in Abhängigkeit einer Stoffkonzentration, beispielsweise der Stickstoffkonzentration in der Rezirkulationsleitung 13, Gase und gegebenenfalls Wasser aus der Anodenrezirkulation abzulassen. Hierfür ist in der Figur eine Ablassleitung 15 mit einem Ablassventil 16 dargestellt. Das abgelassene Gas enthält dabei neben Inertgasen, insbesondere Stickstoff, immer auch eine Restmenge an Wasserstoff, was bei dem beschriebenen Aufbau unvermeidlich ist. Um Wasserstoffemissionen an die Umgebung zu verhindern und die im Wasserstoff enthaltene Energie nicht zu verschwenden, mündet in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel die Ablassleitung 15 dabei in Strömungsrichtung der Abluft aus dem Kathodenraum 5 vor einem katalytischen Brenner 17 in eine Abgasleitung 18. Die Abluft aus dem Kathodenraum 5 sowie das Abgas aus dem Anodenraum 4 bzw. der Anodenrezirkulation strömen dann gemeinsam in den katalytischen Brenner 17 ein und werden in diesem katalytisch umgesetzt, wobei der Restwasserstoff im Abgas aus dem Anodenraum 4 mit dem Restsauerstoff im Abgas aus dem Kathodenraum 5 entsprechend reagiert. Das Abgas wird damit erwärmt und der enthaltene Wasserstoff wird thermisch umgesetzt, sodass Wasserstoffemissionen an die Umgebung sicher und zuverlässig vermieden werden können. Das erwärmte Abgas strömt dann über die Turbine 8 und wird in der Turbine 8 entspannt. Zumindest ein Teil der durch die Erwärmung des Abgases in die Verbrennungsabgase des katalytischen Brenners 17 eingetragenen Energie kann somit im Bereich der Turbine 8 zurückgewonnen werden.
Das Brennstoffzellensystem 1 in dem Fahrzeug 2 weist nun außerdem wenigstens ein Steuergerät 19 auf, welches zumindest mit einem Temperatursensor 20 in Kommunikationsverbindung steht, wobei der Temperatursensor 20 zur Ermittlung der Temperatur des katalytischen Brenners 17 ausgebildet und in Strömungsrichtung unmittelbar nach dem katalytischen Brenner 17 angeordnet ist. Der Temperatursensor 20 besteht im Wesentlichen aus einem temperatursensitiven Element 24, welches als Draht oder Blechstreifen ausgebildet ist. Ein solcher Draht oder Blechstreifen lässt sich dann so formen, dass er verschiedene Bereiche des Querschnitts der Abgasleitung 18 abdeckt und dort die jeweils punktuell vorliegenden Temperaturen erfasst. In den Darstellungen der 3 und 4 ist jeweils ein Querschnitt durch die Abgasleitung 18 zu erkennen. In ihrem Bereich ist der Temperatursensor 20 mit dem temperatursensitiven Element 24 angeordnet. Im Beispiel der 3 ist dieses im Wesentlichen sternförmig ausgebildet, verläuft also von oben schräg nach unten, ist dann in seiner Richtung umgeknickt, um schräg nach oben zu verlaufen, bevor es waagrecht zur gegenüberliegenden Seite des Querschnitts verläuft und von dort wieder nach unten und dann nach oben zum Anschluss. Diese im Wesentlichen sternförmige Ausführung des temperatursensitiven Elements weist dabei in den Randbereichen des Querschnitts der Abgasleitung 18 besonders viel temperatursensitives Material auf. Im Zentrum des Querschnitts der Abgasleitung 18 ist es entsprechend weniger. Hierdurch kann bei der Mittlung der gemessenen Temperaturen eine entsprechende Gewichtung vorgenommen werden, sodass die Randbereiche, in denen die Strömung typischerweise langsamer ist als in der Mitte der Abgasleitung 18 überproportional berücksichtigt werden, da in diesen Bereichen die Gefahr einer potenziellen Abkühlung des temperatursensitiven Elements 24 durch die Strömungsgeschwindigkeit entsprechend kleiner ist.
Eine alternative Ausführungsform ist in der Darstellung der 4 erkennbar. Hier läuft das temperatursensitive Element 24 mäanderförmig, sich an die jeweilige Breite des Querschnitts der Abgasleitung 18 anpassend, nach unten, um dann gerade wieder nach oben zu verlaufen. Weitere Alternativen bei der Anordnung des thermisch sensitiven Elements 24 sind denkbar, beispielsweise eine spiralförmige Anordnung, eines oder mehrere gegeneinander gedreht angeordnete Dreiecke, Quadrate, Vielecke unterschiedlicher Größe oder dergleichen.
Das thermisch sensitive Element 24 kann dabei insbesondere aus einem Platindraht oder Platinblech bestehen. Das thermisch sensitive Element 24 deckt verschiedene Bereiche des Querschnitts der Abgasleitung 18 ab, in denen es zu verschiedenen Temperaturen kommen kann. Da der Draht bzw. der Blechstreifen nur einen einzigen elektrischen Widerstand hat, ergibt sich in der Messung letztlich immer ein Mittelwert entsprechend der Anteile der verschiedenen Temperaturverteilungen. Im Falle der Ausgestaltung aus Platin wird insbesondere eine Wasserstoff-Sauerstoffreaktion in den verschiedenen Bereichen des Querschnitts der Abgasleitung 18, sofern noch Wasserstoff vorhanden ist, entsprechend der Konzentration Wärme einbringen.
Ferner ist es nun so, dass der katalytische Brenner 17 gar nicht mehr zwingend notwendig ist, um eine Wasserstoffkonzentration zu erfassen. Ähnlich wie es aus dem Stand der Technik bekannt ist, kann auch ein mit Platin versehener Temperatursensor 20 und ein zweiter hier nicht dargestellter Temperatursensor ohne Platin direkt nebeneinander eingesetzt werden. Kommt es zu einem Temperaturunterschied zwischen diesen beiden Temperatursensoren, kann ebenfalls auf eine entsprechende Wasserstoffkonzentration zurückgeschlossen werden. Da die Temperatursensoren durch sehr viele verschiedene räumliche Bereiche des Querschnitts der Abgasleitung verlaufen, ist auch hiermit eine sehr zuverlässige Messung möglich. Der Platindraht im Vergleich zum Katalysator liefert dabei sehr viel schneller bessere Messergebnisse, da er sehr viel schneller reagiert, und aufgrund seiner Geometrie sehr viel weniger anfällig gegen eine Benetzung mit Flüssigwasser oder Eis ist und damit die erforderliche Reaktionstemperatur sehr schnell bereitstellt. Aufgrund seiner geringen Eigenmasse lässt er sich außerdem, beispielsweise elektrisch, sehr einfach und effizient beheizen, um so die erforderliche Reaktionstemperatur zuverlässig und schnell bereitzustellen.
Damit der katalytische Brenner 17 auch bei schwierigen Umgebungstemperaturen und insbesondere bei einem Kaltstart des Brennstoffzellensystems 1 bei sehr niedrigen Umgebungstemperaturen, beispielsweise Umgebungstemperaturen unterhalb des Gefrierpunkts, sicher und zuverlässig startet und den Wasserstoff zuverlässig umsetzt, kann außerdem eine elektrische Beheizung in Form einer Heizscheibe 21 vor dem katalytischen Brenner 17 vorgesehen sein, um diesen bei Bedarf sicher und zuverlässig auf Betriebstemperatur zu erwärmen. Die Heizscheibe 21 ist dabei in der prinzipmäßigen Schnittdarstellung des katalytischen Brenners 17 in der Darstellung der 2 angedeutet. Sie ist elektrisch beheizt und über elektrische Heizanschlüsse, welche jeweils mit dem Bezugszeichen 26 versehen sind, an eine elektrische Energiequelle angeschlossen. Durch ihre Beheizung kann das in Strömungsrichtung S anströmende Abgas insbesondere in schwierigen Betriebssituationen vorgeheizt werden, sodass der in Strömungsrichtung S auf die Heizscheibe 21 folgende katalytische Brenner 17 die Gase sicher und zuverlässig umsetzen kann.
Die im Bereich des Temperatursensors 20 gemessene Temperatur hängt in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel letztlich von der Menge und Temperatur der Abluft sowie der Menge und Temperatur und dem Wasserstoffgehalt in den Abgasen aus dem Anodenraum 4 zusammen. Werden die Abgase über das Ablassventil 16 diskontinuierlich zugeführt, kommt es zu entsprechend schwankenden Temperaturwerten. Ist alternativ zum Ablassventil 16 eine Blende eingesetzt, dann ergeben sich deutlich konstantere Temperaturwerte.
Die Temperaturwerte hängen dabei immer auch von den Betriebsparametern des Brennstoffzellensystems 1 ab. Um diese zu erfassen, sind in der Darstellung der 1 zahlreiche optionale Sensoren 22 eingezeichnet, welche beispielsweise im Bereich der Luftfördereinrichtung 7, der elektrischen Heizscheibe 21, der Brennstoffzelle 3 selbst, der Rezirkulationsfördereinrichtung 14, des Druckregel- und Dosierventils 12 oder auch zur Erfassung des Zustands des Ablassventils 16 in dessen Bereich angeordnet sind. All diese Sensoren 22 liefern dem Steuergerät 19, entsprechende Informationen, welche letztlich eine Aussage über die zu erwartende Temperatur in dem katalytischen Brenner 17 ermöglichen. Ist die Temperatur im Bereich des Temperatursensors 20 unterhalb oder gleich eines solchen vorgegebenen erwarteten Temperaturwerts, dann funktioniert das Brennstoffzellensystem 1 korrekt. Steigt sie über einen solchen vorgegebenen Wert hinaus an, dann muss dies einen entsprechenden Grund haben. Da in dem Brennstoffzellensystem 1 als Brennstoff lediglich Wasserstoff aus dem Druckgasspeicher 11 vorliegt, muss der Grund letztlich darin liegen, dass beispielsweise über Leckagen oder dergleichen mit den Abgasen und/oder der Abluft mehr Wasserstoff in den Bereich des katalytischen Brenners 17 gelangt, als erwartet. Damit liegt eine unerwünscht hohe Wasserstoffkonzentration vor, was ein eindeutiges Indiz für ein Problem beispielsweise im Bereich des Ablassventils 16 oder insbesondere im Bereich der Brennstoffzelle 3 selbst, beispielsweise eine Undichtheit durch eine gerissene Protonenaustauschmembran 6 oder dergleichen, sein kann. Über das Steuergerät 19 kann dann eine Sicherheitswarnung oder bei Bedarf eine Notabschaltung des Brennstoffzellensystems 1 ausgelöst werden. Gleichzeitig wird der ausgetretene Wasserstoff im katalytischen Brenner 17 weitgehend vollständig umgesetzt, sodass eine Emission von Wasserstoff an die Umgebung sicher und zuverlässig verhindert werden kann.
Ergänzend oder alternativ zu der Vielzahl der genannten Sensoren 22 ist es nun auch möglich, über einen sehr einfachen weiteren Temperatursensor 23, welcher analog zum Temperatursensor 20 ausgebildet ist, im Bereich der Abgasleitung 18 anzuordnen, bevorzugt nachdem diese mit der Ablassleitung 15 zusammengeführt worden ist. Über diesen Temperatursensor 23 in der Darstellung der 2 in Strömungsrichtung S vor der Heizscheibe 21 kann nun die Temperatur vor dem katalytischen Brenner 17 erfasst werden. Eine Temperaturdifferenz zwischen den Temperatursensoren 23 und 20 ermöglicht so eine Feststellung über die im katalytischen Brenner 17 entstandene Wärme, welche unmittelbar von der im Bereich des katalytischen Brenners 17 vorliegenden Wasserstoffkonzentration abhängt, sodass – weitgehend unabhängig von anderen Betriebsparametern – aus der Temperaturdifferenz sehr einfach und effizient auf die Wasserstoffkonzentration zurückgeschlossen werden kann. Überschreitet diese einen kritischen Wert, dann überschreitet auch die Temperaturdifferenz einen vorgegebenen Grenzwert der Temperaturdifferenz und eine entsprechende Warnmeldung und/oder eine Abschaltung des Brennstoffzellensystems 1 kann ausgelöst werden.
Über den Temperatursensor 23 in Strömungsrichtung vor dem katalytischen Brenner 17 und der Heizscheibe 21 kann außerdem eine bedarfsgerechte Beheizung der Heizscheibe gesteuert werden, da auch hier, wenn ein platinhaltiges Material als temperatursensitives Element 24 eingesetzt wird, bereits auf die Wasserstoffkonzentration zurückgeschlossen werden kann. Der katalytische Brenner 17 lässt sich dann so beheizen, dass diese Wasserstoffkonzentration auch vollständig umgesetzt werden kann, insbesondere auch unter schwierigen Bedingungen wie beispielsweise einem Kaltstart oder dergleichen.
Ist die elektrische Heizscheibe 21 im Bereich des katalytischen Brenners 17 eingeschaltet, so hat natürlich auch diese einen entsprechenden Einfluss auf die Temperatur im Bereich des Temperatursensors 20 und anders als die meisten anderen Betriebsparameter natürlich auch auf die Temperaturdifferenz zwischen den Temperatursensoren 23 und 20 falls beide vorhanden sind und genutzt werden. Im Falle der eingeschalteten elektrischen Beheizung 21 muss also über den Sensor 22 im Bereich der elektrischen Beheizung 21 die elektrische Heizleistung erfasst werden, um durch eine Bilanzierung der Energien auf die in dem katalytischen Brenner 17 entstandene Wärme rückschließen zu können und/oder diese elektrische Heizleistung bei der Berechnung der Temperaturdifferenz zwischen den Temperatursensoren 23 und 20 entsprechend mit zu berücksichtigen. Alternativ zu einer solchen rechnerischen Bilanzierung der Energien bzw. Temperaturen des anströmenden Abgases einerseits und der durch die elektrische Beheizung der Heizscheibe 21 eingetragenen Leistung andererseits ließe sich auch zwischen der elektrischen Heizscheibe 21 und dem katalytischen Brenner 17 die Temperatur erneut messen, was in der Darstellung der 2 durch einen optionalen zusätzlichen Temperatursensor 27 angedeutet ist. Auch dieser ist idealerweise anlog zur Ausführung des Temperatursensors 20 ausgebildet. Durch eines oder beide der beschriebenen Verfahren lässt sich so trotz der elektrischen Beheizung auch dann einfach und zuverlässig über eine Temperaturmessung in dem katalytischen Brenner 17 hochdynamisch ein Rückschluss auf eine eventuell kritische Wasserstoffkonzentration in dem Brennstoffzellensystem 1 ziehen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102012018873 [0003]

Claims

Brennstoffzellensystem (1) mit wenigsten einer Brennstoffzelle (3), mit einem in einer Abgasleitung (18) angeordneten von zumindest einem Teil der Abgase der Brennstoffzelle (3) durchströmten katalytischen Brenner (17), und mit wenigstens einem Temperatursensor (20) in Strömungsrichtung (S) der Abgase nach dem katalytischen Brenner (17), dadurch gekennzeichnet, dass der Temperatursensor (20) als temperatursensitives Element (24) einen Draht oder Blechstreifen aufweist, welcher unter mehrfacher Umkehr seiner Laufrichtung innerhalb einer Querschnittsebene der Abgasleitung (18) durch verschiedene Bereiche des Querschnitts der Abgasleitung (18) verläuft.
Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein weiterer derartiger Temperatursensor (23) in Strömungsrichtung (S) der Abgase vor dem katalytischen Brenner (17) angeordnet ist.
Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Draht oder Blechstreifen spiralförmig, sternförmig oder mäanderförmig in der Querschnittsebene der Abgasleitung (18) angeordnet ist.
Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das temperatursensitive Element (24) aus Platin oder einer Platinlegierung ausgebildet oder mit Platin beschichtet ist.
Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein weiterer, insbesondere derartiger, Temperatursensor vorhanden ist, welcher zumindest an seiner Oberfläche frei von Platin ist.
Brennstoffzellensystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das temperatursensitive Element (24) im Falle seiner Ausbildung aus einem Blechstreifen so in der Abgasleitung (18) angeordnet ist, dass die Stirnseite des Blechstreifens in Strömungsrichtung (S) ausgerichtet ist, und dass sich die Breite des Blechstreifens in Strömungsrichtung (S) erstreckt.
Brennstoffzellensystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass in Strömungsrichtung (S) der Abgase vor dem katalytischen Brenner (17) eine elektrisch beheizbare Heizscheibe (21) angeordnet ist.
Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 2 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass der weitere derartige Temperatursensor (23) in Strömungsrichtung (S) der Abgase vor der Heizscheibe (21) angeordnet ist.
Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass in Strömungsrichtung (S) der Abgase zwischen der Heizscheibe (21) und dem katalytischen Brenner (17) ein weiterer zusätzlicher, insbesondere derartiger, Temperatursensor (27) angeordnet ist.