-
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 sowie ein Messverfahren für ein Brennstoffzellensystem nach dem Oberbegriff von Anspruch 8.
-
Stand der Technik
-
Gattungsbildende Brennstoffzellensysteme werden über Steuerungen bzw. Kontrollsysteme betrieben, bspw. über die bei BEG entwickelte FCCU (Fuel cell control unit). Insbesondere misst das Kontrollsystem das Druckniveau der Brennstoffversorgung, insbesondere der Wasserstoffversorgung einer Brennstoffzelle, bzw. eines Brennstoffzellen-Stacks. Bekannter Weise ist die Brennstoffzelle bzw. der Brennstoffzellen-Stack zur Brennstoffversorgung über eine fluidtechnische Verbindung mit einem Hochdrucktank verbunden. Je nach System kann dabei der Tankdruck 350 bar bis 700 bar betragen. Die fluidtechnische Verbindung und der Hochdrucktank bilden dabei die Hochdruckseite des Systems. Der Brennstoffzelleneingangsdruck bzw. der Stack-Eingangsdruck ist dem gegenüber wesentlich niedriger, z. B. 9 bis 13 bar. Dieser Bereich wird im Gegensatz zu der Hochdruckseite als Mitteldruckseite des Systems bezeichnet. Dabei wird der Hochdruck aus der Hochdruckseite über einen Druckminderer (pressure reducer) auf das Mitteldruckniveau der Mitteldruckseite gemindert. Die Mitteldruckseite des Systems wird auch als Mitteldrucksystem bezeichnet. Um das Mitteldrucksystem vor einer Beschädigung zu schützen, die bspw. durch einen Druckminderer-Defekt auftreten kann, ist zusätzlich auf der Mitteldruckseite ein Druckentlastungsventil (pressure relief valve) verbaut. Insgesamt ist das System in einer Systemeinhausung aufgenommen, wobei an einer geeigneten Stelle, z. B. an einem Entlüftungsschlitz oben am Gehäuse, ein Brennstoffsensor, insbesondere ein Wasserstoffsensor, angeordnet ist, über den die Steuerung erkennt, ob ggf. Undichtigkeiten in der Brennstoffzuführung, insbesondere von Dichtungen in der Brennstoffzuführung, vorhanden sind. Erkennt die Steuerung solche Undichtigkeiten, wird die Brennstoffzufuhr mittels Tankabsperrventil unterbrochen. Um in dem Systemgehäuse eine Brennstoffanreicherung, insbesondere eine Wasserstoff-Anreicherung, im Fall des Auslösens, d. h. bei Undichtigkeiten in der Brennstoffzuführung zu vermeiden, ist ein Ausgang des Druckentlastungsventils aus der Systemeinhausung heraus geführt. Dieser Ausgang ist über eine Entgasungsleitung „vent-line“ mit dem Druckentlastungsventil verbunden und ist in Form einer Öffnung der Entgasungsleitung ausgestaltet. Üblicherweise wird die Öffnung der Entgasungsleitung, d. h. der Ausgang, mit einer Schutzkappe gegen Verschmutzung oder Verstopfung geschützt. Im Auslösefall des Druckentlastungsventils wird diese durch den Druck des durch die Entgasungsleitung abgeführten Brennstoffs abgesprengt. Durch diese Betriebsstrategie wird jedoch ein Auslösen des Druckentlastungsventils bei Druckminderer-Defekt, oder eine Undichtigkeit/Leckage des Druckentlastungsventils durch den an der Systemeinhausung angeordneten Brennstoffsensor nicht erkannt und wird daher nicht der Steuerung bzw. der Kontrolleinheit gemeldet. Zudem kann aus Sicherheitsgründen das Druckentlastungsventil, da es sich dabei um ein passives Bauteil handelt, nicht einfach von der Steuerung bzw. dem Kontrollsystem diagnostiziert werden. Daher ist es bekannt, dass im Betrieb der Brennstoffzelle die Steuerung den Druck in der Mitteldruckseite über einen Drucksensor erfasst, und so einen beginnenden Druckanstieg erkennen kann. Jedoch erfolgt die Auswertung des Drucksensors nicht nach besonderen Normen zur funktionalen Sicherheit. Mit dem sich fortentwickelnden Stand der Technik bezüglich der Entwicklungsmethodik wird das jedoch als notwendig erachtet.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Undichtigkeit bzw. Leckage des Druckentlastungsventils oder ein Auslösen des Druckentlastungsventils durch Undichtigkeiten auf der Mitteldruckseite eines Brennstoffzellensystems durch die Steuerung während des Betriebs des Systems zu erkennen, um die Sicherheit des Brennstoffzellensystems zu erhöhen. Zudem soll ein Auslösen des Druckentlastungsventils durch eine Sicherheitsfunktion mit Entwicklung nach besonderen Normen erkannt werden (funktionale Sicherheit). Dabei sollen die Kosten für die Entwicklung reduziert und der Komponentenaufwand minimiert werden.
-
Die voranstehende Aufgabe wird durch ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch ein Messverfahren für ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Anspruchs 8 gelöst. Weitere Vorteile, 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 Brennstoffzellensystem beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Messverfahren und jeweils umgekehrt, so dass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.
-
Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem mit wenigstens einer Systemeinhausung, zumindest einer in der Systemeinhausung angeordneten Brennstoffzelle, einem mit einer Kontrolleinheit steuertechnisch verbundenen Brennstoffzellensensor, einem Druckentlastungselement, das fluidtechnisch mit einem Druckminderungselement und mit einer aus der Systemeinhausung führenden Entgasungsleitung verbunden ist, wobei die Entgasungsleitung eine außerhalb der Systemeinhausung ausgestaltete erste Öffnung aufweist und wobei das Druckminderungsselement fluidtechnisch mit einer Brennstoffzelle verbunden ist, schließt die technische Lehre ein, dass die Entgasungsleitung zumindest eine zweite Öffnung aufweist, die innerhalb der Systemeinhausung ausgestaltet ist.
-
Durch die Ausgestaltung einer zweiten Öffnung in der Entgasungsleitung, d. h. in der „vent-line“ gerät bei Undichtigkeit oder Leckage des Druckentlastungsventils oder auch bei einer Leckage des Druckminderungselements, beispielsweise eines Druckminderungsventils, wobei die Leckage insbesondere ein Auslösen des Druckentlastungsventils bewirkt, eine kleine Menge Brennstoff in die Systemeinhausung und wird von dem dort angeordneten Brennstoffsensor erkannt. Bevorzugt handelt es sich bei dem Brennstoff um Wasserstoff und bei dem Brennstoffsensor entsprechend um einen Wasserstoffsensor.
-
In vorteilhafter Weise wird die Undichtigkeit des Druckentlastungsventils oder das Auslösen des Druckentlastungsventils bei einer Undichtigkeit des Druckminderungsventils erkannt, wenn die erste Öffnung mit einer Schutzabdeckung verschlossen ist, die ein Entweichen einer geringen Menge Brennstoff aus der Entgasungsleitung, d. h. aus der Systemeinhausung heraus verhindert, so dass durch die zweite definierte Öffnung die geringe Menge Brennstoff, die bei der Undichtigkeit des Druckentlastungsventils oder durch Auslösen des Druckentlastungsventils bei einer Undichtigkeit des Druckminderungsventils abgegeben wird, aus der Entgasungsleitung in ungefährlich kleinen Mengen in die Systemeinhausung entweicht. Eine Erkennung einer Undichtigkeit des Druckentlastungsventils oder das Auslösen des Druckentlastungsventils bei einer Undichtigkeit des Druckminderungsventils kann demnach durch das gezielte Ausleiten von Brennstoff aus der Entgasungsleitung „vent-line“ durch die zweite Öffnung in die Systemeinhausung nach den einschlägigen Normen zur funktionalen Sicherheit durch den Brennstoffsensor erfolgen, der mit der Steuerung verbunden ist.
-
Das erfindungsgemäße System kann in Alleinstellung oder zusammen mit einem Drucksensor als ein zweiter Mechanismus eingeführt werden, der über die bestehende Auswertung des Drucksensors hinaus ein Auslösen des Druckentlastungsventils erkennt. In vorteilhafter Weise kann dabei die Auswertung des Drucksensors und die Entwicklung des Drucksensors wie bisher ohne besondere Sicherheits-/Entwicklungsmethodik erfolgen.
-
Wie bereits beschrieben, ist es aber auch möglich, durch die erfindungsgemäße Detektion des aus der „vent-line“ über die zweite Öffnung beim Auslösen des Druckentlastungsventils in ungefährlichen Mengen austretenden Brennstoffs durch den Brennstoffsensor auf einen redundanten Drucksensor zumindest auf der Mitteldruckseite zu verzichten. Entsprechend erfolgt durch die Ausgestaltung einer zweiten definierten Öffnung in der Entgasungsleitung „vent-line“, über die Brennstoff in ungefährlich kleinen Mengen in die Systemeinhausung im Leckagefall austritt, eine Komponentenersparnis, wobei beispielsweise auf den Drucksensor verzichtet werden kann. In vorteilhafter Weise kann auch auf einen weiteren Brennstoffsensor, bspw. in der „vent-line“ verzichtet werden, was den Komponentenaufwand für das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem weiter vermindert. Darüber hinaus kann auf einen Kontaktschalter im Druckentlastungsventil, welches wie bereits beschrieben ein passives Bauteil ist, verzichtet werden.
-
In vorteilhafter Weise kann durch die Ausgestaltung einer zweiten Öffnung innerhalb der Systemeinhausung in der Entgasungsleitung „vent-line“ während des Betriebs der Brennstoffzelle eine Leckage des Druckentlastungsventils oder das Auslösen des Druckentlastungsventils bei einer Undichtigkeit des Druckminderungsventils über die Steuerung erkannt werden. Ein Erkennen einer Leckage des Druckentlastungsventils, oder insgesamt von Undichtigkeiten auf der Mitteldruckseite, konnte vorab nur im Nichtbetrieb des Brennstoffzellensystems erkannt werden, nämlich durch die optisch wahrnehmbare Auslösung des Absprengens der Schutzabdeckung von der Öffnung der „vent-line“.
-
In vorteilhafter Weise ist auf der zweiten Öffnung eine permeable Membran angeordnet. Die Membran ist in besonders bevorzugter Weise semipermeabel ausgestaltet, d. h. dass die Membran den Austritt von Brennstoff durch die zweite Öffnung aus der „vent-line“ heraus erlaubt, jedoch einen Eintritt von Fluiden aus der Systemeinhausung in die „vent-line“ hinein verhindert. Entsprechend ist die Membran durchgängig für Brennstoff aus der Entgasungsleitung in die Systemeinhausung. Natürlich ist es auch denkbar, dass die gesamte „vent-line“, d. h. die gesamte Entgasungsleitung, als permeable Membran, und insbesondere als semipermeable Membran ausgestaltet ist.
-
Damit der durch die zweite Öffnung oder über die als permeable Membran ausgestaltete Entgasungsleitung entweichende Brennstoff, und hier insbesondere Wasserstoff, erkannt wird, ist in vorteilhafter Weise der Brennstoffsensor, und hier insbesondere ein Wasserstoffsensor, in der Systemeinhausung angeordnet. Damit der Brennstoffsensor auch kleinste Mengen austretenden Brennstoffs detektieren kann, ist der Brennstoffsensor in besonders vorteilhafter Weise im Bereich, d. h. in bevorzugter Weise oberhalb, der zweiten Öffnung angeordnet, um den aus der Öffnung aufsteigenden Brennstoff zu detektieren.
-
Natürlich ist es auch denkbar, dass der Brennstoffsensor außerhalb der Systemeinhausung angeordnet ist, wobei dieser dann insbesondere im Bereich eines aus der Systemeinhausung führenden Abluftelementes liegt, um den durch die zweite Öffnung aus der Systemeinhausung ausgeleiteten Brennstoff, insbesondere Wasserstoff, welcher über das Abluftelement aus der Systemeinhausung geführt wird, zu detektieren. Als Abluftelemente können bspw. Entlüftungsschlitze, Abluftleitungen, Ventilatoren oder eine Kombination von Abluftelementen dienen, die bevorzugt im oder am oberen Bereich der Systemeinhausung angeordnet sind, da davon ausgegangen wird, dass der aus der „vent-line“ austretende Brennstoff innerhalb der Systemeinhausung nach oben steigt.
-
Das erfindungsgemäße Messverfahren für ein Brennstoffzellensystem, insbesondere für das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem, mit wenigstens einer Systemeinhausung, und zumindest einer in der Systemeinhausung angeordneten Brennstoffzelle, einem mit einer Kontrolleinheit steuertechnisch verbundenen Brennstoffsensor, einem Druckentlastungselement, das fluidtechnisch mit einem Druckbegrenzungselement und mit einer aus der Systemeinhausung führenden Entgasungsleitung verbunden ist, wobei die Entgasungsleitung eine außerhalb der Systemeinhausung ausgestaltete erste Öffnung aufweist, und wobei das Druckminderungselement fluidtechnisch mit einer Brennstoffquelle verbunden ist, sieht erfindungswesentlich vor, dass ein Auslösen des Druckentlastungselements durch ein defektes Druckminderungselement und/oder ein defektes Druckentlastungselement über geringe Mengen Brennstoff von dem Brennstoffsensor gemessen wird, wobei der Brennstoff durch eine zweite in der Entgasungsleitung ausgestaltete Öffnung in die Systemeinhausung entlassen wird.
-
In vorteilhafter Weise wird dabei eine Freisetzung einer geringen Menge Brennstoff durch die erste Öffnung durch eine Schutzabdeckung verhindert, die die erste Öffnung abdeckt. Entsprechend kann durch Detektion von Brennstoff, der aus der zweiten Öffnung bei einem Defekt des Druckentlastungselements oder des Druckminderungselements aus der Entgasungsleitung austritt, im Betrieb des Brennstoffzellensystems eine Undichtigkeit auf der Mitteldruckseite durch den Brennstoffsensor erkannt und von der Steuerung verarbeitet werden.
-
Um hier weitere Wiederholungen bzgl. der Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens zu vermeiden, wird auf die Beschreibung der vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems verwiesen und es wird vollumfänglich auf diese zurückgegriffen.
-
Grundsätzlich ist es denkbar, das erfindungsgemäße Messverfahren oder auch das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem, wobei geringe, ungefährliche Mengen Brennstoff gezielt aus einer Leitung oder einem Bauteil durch eine Öffnung entlassen werden, zur Messung der Funktion von anderen Ventilen einzusetzen. Bspw. könnte ein an einem Brennstofftank angeordnetes und vorzugsweise temperaturausgelöstes Entlastungsventil durch das erfindungsgemäße Messverfahren oder in Äquivalenz zu dem Aufbau zu dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem über die Steuerung diagnostiziert werden. Ganz allgemein können auch andere Ventile gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren und äquivalent zu dem Aufbau des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems, welche in anderen Systemen, d. h. nicht in Brennstoffzellensystemen eingesetzt werden, durch eine Steuerung überwacht werden. Insbesondere könnte dabei über die Steuerung ein Öffnen der Ventile oder deren Funktion, d. h. die Dichtigkeit dieser Ventile durch die Detektion einer austretenden Menge Fluids diagnostiziert werden.
-
Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Figur näher dargestellt. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein. Dabei ist zu beachten, dass die Figur nur beschreibenden Charakter hat und nicht dazu gedacht ist, die Erfindung in irgendeiner Form einzuschränken.
-
Es zeigt:
-
1 eine schematische Skizze einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems.
-
In 1 ist schematisch eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems 1 gezeigt. Das schematisch dargestellte Brennstoffzellensystem 1 ist auf die für die Erfindung wesentlichen Bauteile in seiner Darstellung in der 1 begrenzt. Diese Darstellung soll aber nicht funktionseinschränkend für das Brennstoffzellensystem 1 sein.
-
Das Brennstoffzellensystem 1 weist eine Systemeinhausung 2 auf. Üblicherweise, aber hier nicht dargestellt, ist in der Systemeinhausung 2 eine Brennstoffzelle oder ein Brennstoffzellenstack angeordnet. Die in der Darstellung in der unteren linken Ecke der Systemeinhausung 2 dargestellten Pfeile Z geben die Zuluft in das Brennstoffzellensystem 1, d. h. hier in die Systemeinhausung 2, an. An der rechten oberen Ecke der Systemeinhausung 2, wie hier in der 1 dargestellt, sind drei Pfeile A angeordnet, die die Abluft aus der Systemeinhausung 2, d. h. aus dem Brennstoffzellensystem 1, anzeigen. Insbesondere kann die Abluft aus der Systemeinhausung 2 durch Abluftelemente 8 wie bspw. Entlüftungsschlitze in der Systemeinhausung 2 oder durch eine Abluftleitung realisiert werden. Vorliegende ist das Abluftelement 8 ein Ventilator. Auf der Abluftseite ist in der Systemeinhausung 2 ein Druckentlastungselement 3 angeordnet, das vorzugsweise ein Druckentlastungsventil ist. Das Druckentlastungselement 3 ist mit einer Entgasungsleitung 4 „vent-line“ verbunden. Die Entgasungsleitung 4 weist eine erste Öffnung 5 auf, wobei die erste Öffnung 5 aus der Systemeinhausung 2 geführt ist. Die erste Öffnung 5 ist vorzugsweise mit einer Schutzabdeckung 5.1, beispielsweise einem Stopfen, versehen, der im Fehler-/Leckage-Fall des Druckentlastungselements 3 oder beim Auslösen des Druckentlastungselements 3 bei einer Undichtigkeit des Druckminderungselements durch den über die Entgasungsleitung 4 ausgeleiteten Brennstoff abgeworfen wird. Innerhalb der Systemeinhausung 2 weist die Entgasungsleitung 4 eine zweite Öffnung 6 auf. Oberhalb der zweiten Öffnung 6 ist in der Systemeinhausung 2 ein Brennstoffsensor 7 angeordnet. Der Brennstoffsensor 7 dient dazu, den aus der Entgasungsleitung 4 durch die zweite Öffnung 6 austretenden Brennstoff im Leckage-Fall des Druckentlastungselements 3 oder beim Auslösen des Druckentlastungselements 3 bei einer Undichtigkeit des Druckminderungselements zu detektieren. Dass der Brennstoff im Leckage-Fall des Druckentlastungselements 3 durch die zweite Öffnung 6 aus der Entgasungsleitung 4 austritt, wird dadurch erreicht, dass durch Abdecken der ersten Öffnung 5 durch die Schutzabdeckung 5.1 die geringen Mengen Brennstoff nicht austreten können und diese auch nicht in der Lage sind, die erste Öffnung 5 durch Absprengen der Schutzabdeckung 5.1 zu öffnen. In dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel eines Brennstoffzellensystems 1 ist der Brennstoffsensor 7, wobei es sich bevorzugt um einen Wasserstoffsensor handelt, mit einem dem als Ventilator ausgestalteten Abluftelement 8 verbunden. Über das Abluftelement 8 kann der durch den Brennstoffsensor 7 detektierte Brennstoff aus der Systemeinhausung 2 mit der Abluft abgeführt werden. Da eine Detektion eines Leckage-Fall des Druckentlastungselements 3 oder das Auslösen des Druckentlastungselements 3 bei einer Undichtigkeit des Druckminderungselements durch den Brennstoffsensor 7 erfolgt, der üblicherweise mit einer Steuereinheit oder einer Kontrolleinheit verbunden ist, kann während des Betriebs des Brennstoffzellensystems 1 der Leckage-Fall des Druckentlastungselements 3 oder des Druckminderungselementes erfolgen, obwohl das Druckentlastungselement 3 und das Druckminderungselement als passive Bauteile ausgestaltet sind. In vorteilhafter Weise wird neben der Detektion über den Brennstoffsensor 7 auch die Menge des aus der zweiten Öffnung 6 austretenden Brennstoffs erfasst. Mit der Steuerungs- bzw. Kontrolleinheit, die den von dem Brennstoffsensor 7 übermittelten Wert verarbeitet, kann demnach festgelegt werden, bspw. anhand von Schwellenwerten, ob das Brennstoffzellensystem 1 weiter arbeiten kann, d. h. die Leckage des Druckentlastungselements 3, des Druckminderungselementes oder insgesamt auf der Mittelseite des Systems nur als geringfügig einzustufen ist, oder aber das Brennstoffzellensystem 1 abgestellt werden muss, falls größere Mengen Brennstoffs detektiert werden, die einen bestimmten Schwellenwert überschreiten.
