DE102020208039A1 - Verfahren zur Überprüfung mindestens eines Sensors innerhalb des Anodenpfades eines Brennstoffzellensystems - Google Patents

Verfahren zur Überprüfung mindestens eines Sensors innerhalb des Anodenpfades eines Brennstoffzellensystems Download PDF

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Abstract

Verfahren zur Überprüfung von mindestens zwei Sensoren innerhalb eines Anodenpfades (4) eines Brennstoffzellensystems (1), umfassend die Schritte eines Herunterfahrens des Brennstoffzellensystems (1); eines Schließens des Absperrventils (32) und des Purge-Ventils (41); eines Öffnens eines internen Ventils (34); eines Erfassens der Druckwerte von mindestens zwei Sensoren (50,51,52,53,54) innerhalb des Anodenpfades; eines Überprüfens, ob sich die Druckwerte der mindestens zwei Sensoren (50,51,52,53,54) unterscheiden.

Description

  • Die vorliegende Erfindung geht aus von einem Verfahren sowie einer Brennstoffzellensystem mit einer Messanordnung zur Überprüfung mindestens eines Sensors innerhalb des Anodenpfades eines Brennstoffzellensystems.
  • Stand der Technik
  • Wasserstoffbasierte Brennstoffzellensysteme gelten als Mobilitätskonzept der Zukunft, da sie nur Wasser als Abgas emittieren und schnelle Betankungszeiten ermöglichen. Brennstoffzellensysteme brauchen hierbei Luft und Wasserstoff für die chemische Reaktion innerhalb der Zellen. Zur Bereitstellung der geforderten Energiemenge sind die innerhalb eines Brennstoffzellensystems angeordneten Brennstoffzellen zu sog. Brennstoffzellen-Stacks miteinander verschaltet. Die Abwärme der Zellen wird hierbei mittels eines Kühlkreises abgeführt und an die Umgebung abgegeben. Der zum Betrieb von Brennstoffzellensystemen notwendige Wasserstoff wird den Systemen in der Regel aus Hochdrucktanks zur Verfügung gestellt. Die Dosierung erfolgt aus Effizienz- und Komponentenschutzgründen hierbei überstöchiometrisch. Um den Überschuss an Wasserstoff nicht zu verschwenden, wird der nicht verbrauchte Teil an Wasserstoff innerhalb des Anodenpfades rezirkuliert. Das Anodengas wird hierbei gängigerweise aus der Anodengasrückführleitung über einen Wasserabscheider, eine Rezirkulationspumpe oder eine Strahlpumpe oder dergleichen zurück gefördert und zusammen mit Frischwasserstoff erneut der Anode zugeführt. Da im Betrieb einer Brennstoffzelle fortlaufend Stickstoff von der Kathodenseite auf die Anodenseite diffundiert und sich dort anreichert, muss für die ausreichende Bereitstellung an rezirkuliertem Wasserstoff in regelmäßigen Abständen Stickstoff über ein Purge-Ventil abgelassen werden, da ansonsten bei gleichbleibender Förderleistung der Rezirkulationspumpe eine fortlaufend geringere Wasserstoffmenge zurück gefördert werden würde.
  • Um eine genaue Wasserstoffzudosierung sicherzustellen wird eine hohe Genauigkeit der Sensoren im Anodenpfad benötigt.
  • Es ist von Vorteil, wenn zum Überprüfung der Funktion von mindestens zwei Sensoren innerhalb eines Anodenpfades eines Brennstoffzellensystems die Druckwerte der mindestens zwei Sensoren miteinander verglichen werden und überprüft wird, ob eine Abweichung besteht, da dies eine einfache und kostengünstige Methode ist, um die Funktion der Sensoren zu überprüfen.
  • In den abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems angegeben.
  • Eine Reduzierung des Druckes im Anodenpfad auf Umgebungsdruck oder einen Druck, der zwischen dem Versorgungsdruck und dem Umgebungsdruck liegt, ist von Vorteil, da sich in diesem Druckbereich ein Vergleich der Druckwerte der einzelnen Sensoren, ohne Störreinflüsse durchführen lässt.
  • Ein weiterer Vorteil kann erzielt werden, wenn beim Herauffahren des Brennstoffzellensystems das interne Ventil, insbesondere das HGI-Ventil, geschlossen wird und das Absperrventil geöffnet wird, wobei der Druckanstieg innerhalb eines vorgegebenen Zeitintervalls dt an einem ersten Sensor innerhalb einer Verbindungsleitung zwischen dem Absperrventil und dem internen Ventil mit einem erwarteten Druckverlauf verglichen wird, da auch bei einem Vergleich von nur zwei Sensoren, der fehlerhafte Sensor identifiziert werden kann.
  • Alternativ kann bei einem Herauffahren des Brennstoffzellensystems das interne Ventil, insbesondere das HGI-Ventil, geschlossen werden und das Absperrventil geöffnet werden, wobei der nach einem vorgegebenen Zeitintervall dt gemessene Druckwert an einem ersten Sensor innerhalb einer Verbindungsleitung zwischen dem Absperrventil und dem internen Ventil mit einem erwarteten Druckwert verglichen wird.
  • Es ist von Vorteil, wenn das Zeitintervall dt so gewählt wird, dass der Druck innerhalb der Verbindungsleitung am Ende des Zeitintervalls dt einen Druckwert von maximal 15-20 bar nicht übersteigt, da dann für einen nachfolgenden Betrieb des Brennstoffzellensystems der Druck nur in geringem Maß angepasst werden muss.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Es zeigen:
    • 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
    • 2 ein Flussablaufdiagramm der einzelnen Schritte eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
  • 1 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems 1 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel.
  • Hierbei umfasst das Brennstoffzellensystem 1 einen Anodenpfad 4, welcher mit eine Anode 12 eines Brennstoffzellenstacks 20 in Verbindung steht. Der Anodenpfad 4 umfasst eine Anodengaszuführleitung 6 und eine Anodengasrückführleitung 7. Die Anodengaszuführleitung 6 verbindet einen Wasserstofftank 28 mit der Anode 12 des Brennstoffzellenstacks 20.
  • Im Betrieb des Brennstoffzellensystems 1 wird der Anodengaszuführleitung 6 Wasserstoff über den Wasserstofftank 28 zugeführt. Innerhalb der Anodengaszuführleitung 6 sind ein Absperrventil 32 und ein internes Ventil 34, insbesondere ein HGI-Ventil 34, angeordnet. Das Absperrventil 32 ist im Betrieb des Brennstoffzellensystems 1 geöffnet. Wenn das Brennstoffzellensystem 1 heruntergefahren wird, wird das Absperrventil 32 geschlossen, so dass kein Wasserstoff aus dem Wasserstofftank 28 mehr zur Anode 12 strömen kann.
  • Das interne Ventil 34 ist als HGI-Ventil 34 ausgebildet und kann die Menge an Wasserstoff, welche abhängig von dem jeweiligen Betriebszustand vom Brennstoffzellenstack 20 benötigt wird, zur Anode 12 zu dosieren.
  • Zwischen dem Absperrventil 32 und dem internen Ventil 34 ist eine Verbindungsleitung 8 angeordnet. In der Verbindungsleitung 8 befindet sich ein erster Sensor 50, welcher den Druck innerhalb der Verbindungsleitung 8 bestimmen kann.
  • Ein zweiter Sensor 51 ist in einem Leitungsabschnitt der Anodengaszuführleitung 6 zwischen dem internen Ventil 34 und der Anode 12 angeordnet.
  • Im Wasserstofftank 28 ist der Wasserstoff meist unter hohen Druck bevorratet. Um den Druck zu reduzieren, kann sich zwischen dem Wasserstofftank 28 und dem Absperrventil 32 ein Druckregelventil 30 befinden, welches den Druck reduziert, bevor der Wasserstoff zum internen Ventil 34 bzw. zur Anode 12 strömt. Der Druck am Eingang des Absperrventils 32, welcher dem Tankdruck entspricht oder durch das Druckregelventil 30 reduziert wurde, wird Versorgungsdruck genannt.
  • Das Brennstoffzellensystem 1 weist des Weiteren einen Kathodengaszuführleitung 15, auf, welche eine Kathode 16 des Brennstoffzellenstacks 20 mit Luft versorgt, sowie eine Kathodengasabführleitung 17, welche die verbrauchte Luft und Abgase vom Brennstoffzellenstack 20 ableitet.
  • Im Betrieb des Brennstoffzellensystems 1 wird dem Anodenpfad 4 Wasserstoff über den Wasserstofftank 28, das Absperrventil 32 und über das interne Ventil 34 an die Anode 12 abgegeben. Da der Wasserstoff der Anode 12 aus Effizienz- und Komponentenschutzgründen überstöchiometrisch zugeführt wird, wird der nicht verbrauchte Wasserstoff über die Anodengasrückführleitung 7 zurückgeführt und an einer Wasserstoffrückführstelle 22 wieder in die Anodengaszuführleitung 6 eingeleitet.
  • Innerhalb der Anodengasrückführleitung 7 kann eine Rezirkulationspumpe 42 angeordnet sein. Des Weiteren sind innerhalb der Anodengasrückführleitung 7 weitere Sensoren 52, 53, 54 angeordnet.
  • Weil während der Brennstoffzellenreaktion Stickstoff von der Kathode 16 zur Anode 12 diffundiert und sich über die Anodengasrückführleitung 7 mit steigendem Anteil innerhalb des Anodenpfades 4 ansammelt, muss der innerhalb des Anodenpfades 4 angesammelte Stickstoff von Zeit zu Zeit aus dem Brennstoffzellensystem 1 entfernt werden.
  • Dies kann über ein Purge-Ventil 41 erfolgen, welches in der Anodengasrückführleitung 7 angeordnet ist. Zur Abführung eines Wasserüberschusses aus der Anode 12 bzw. dem Anodenpfad 4 kann ferner ein Wasserabscheider, ein Wasserreservoir sowie ein Drain-Ventil innerhalb des Anodengasrückführleitung 7 angeordnet sein, welche in der Zeichnung nicht explizit dargestellt sind, da sie nicht erfindungswesentlich sind.
  • Das Brennstoffzellensystem 1 weist eine Messanordnung zur Überprüfung mindestens zweier Sensoren 50, 51, 52, 53, 54 auf. Die Messanordnung umfasst eine Steuereinheit 11, welche kabelgebunden oder kabellos mit den mindestens zwei Sensor 50, 51, 52, 53, 54 verbunden ist, um Messwerte, insbesondere Druckwerte, zu erfassen und gemäß des erfindungsgemäßen Verfahren auszuwerten und die mindestens zwei Ventile 50, 51, 52, 53, 54 auf diese Weise zu überprüfen. Aufgrund der besseren Darstellbarkeit ist in der 1 nur eine gestrichelte Linie, welche die kabelgebundene oder kabellose Verbindung darstellen soll, zwischen dem ersten Sensor 50 und der Steuereinheit 11 dargestellt.
  • Die Steuereinheit 11 ist auch mit weiteren Komponenten des Brennstoffzellensystems 1 verbunden. Die Steuereinheit 11 kann auch eine Verbindung zum Absperrventil 32 oder internen Ventil 34 aufweisen, um diese anzusteuern und den Zeitpunkt des Öffnens und Schließens des Absperrventils 32 und/oder internen Ventils 34 zu erfassen und in die Berechnung eines Druckverlaufes oder Druckwertes einfließen zu lassen.
  • Die Steuereinheit 11 kann auch aus mehreren Steuergeräten bzw. Steuereinheiten bestehen, welche den einzelnen Komponenten des Brennstoffzellensystems 1 zugeordnet sind.
  • 2 zeigt ein Flussablaufdiagramm der einzelnen Schritte eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Überprüfung der Funktion von mindestens zwei Sensoren innerhalb des Anodenpfades 4.
    In einem Verfahrensschritt 100 wir das Brennstoffzellensystem 1 heruntergefahren. Das Herunterfahren kann auch einen Stand-By-Modus umfassen, jedoch sollte ein Betriebsmodus vorliegen, bei dem der Anode 12 des Brennstoffzellenstacks 20 kein Wasserstoff aus dem Wasserstofftank 28 zugeführt wird. Dies erfolgt durch ein Schließen des Absperrventils 32.
  • Beim Herunterfahren des Brennstoffzellensystems 1 wird der Druck im Anodenpfad 8 auf Umgebungsdruck oder einem Druck, der einem Druck zwischen Versorgungsdruck und Umgebungsdruck entspricht, reduziert.
  • Für die Reduzierung des Druckes im Anodenpfad 4 wird in einem Ausführungsbeispiel der Erfindung das erste Absperrventil 32 am Eingang der Verbindungsleitung 8 geschlossen und das interne Ventil 34 und das Purge-Ventil 41 werden so lange geöffnet bis das benötigte Druckniveau erreicht ist.
  • In einem Verfahrensschritt 110 wird das Purge-Ventil 41 geschlossen. Das Absperrventil 32 ist bereits durch das Herunterfahren des Brennstoffzellensystems 1 geschlossen worden, so dass der Anodenpfad 4 ein gegenüber der Umgebung abgeschlossenes System darstellt. Sollten durch weitere Ventile eine Verbindung zur Umgebung oder zu Leitungen außerhalb des Anodenpfades 4 bestehen, so müssen sich diese auch in einem geschlossenen Zustand befinden.
  • In einem Verfahrensschritt 120 wird das interne Ventil 34 geöffnet, so dass innerhalb des Anodenpfades 4 der Austausch von Gasen durch geschlossene Ventile unterbleibt. Sollten sich weitere Ventile oder Komponenten innerhalb des Anodenpfades 4 befinden, die einen Austausch von Gasen zwischen den einzelnen Leitungsabschnitten verhindern können, so werden diese weiteren Ventile oder Komponenten auch geöffnet.
  • In einem Verfahrensschritt 130 werden die Druckwerte von mindestens zwei Sensoren 50, 51, 52, 53, 54 innerhalb des Anodenpfades 4 erfasst und in einem Verfahrensschritt 140 wird überprüfen, ob sich die Druckwerte der mindestens zwei Sensoren 50, 51, 52, 53, 54 unterscheiden.
  • Da der Anodenpfad 4 ein abgeschlossenes System gegenüber der Umgebung darstellt und das interne Ventil 34, so wie alle weiteren Ventile oder Komponenten geöffnet sind, müsste bei einer vollen Funktionsfähigkeit der mindestens zwei Sensoren 50, 51, 52, 53, 54 die Druckwerte gleich sein. Liegt eine Abweichung zwischen den Druckwerten vor, so ist die Funktion mindestens eines Sensors 50, 51, 52, 53, 54 eingeschränkt und es erfolgt im Verfahrensschritt 141 eine entsprechende Meldung oder Information. Ein einzelner fehlerhafter Sensor 50, 51, 52, 53, 54 lässt sich bei mehr als zwei Sensoren 50, 51, 52, 53, 54 innerhalb des Anodenpfades 4 leicht identifizieren.
  • Liegt keine Abweichung zwischen den Druckwerten vor, so ist die Funktion der mindestens zwei Sensors 50, 51, 52, 53, 54 in einem guten Zustand und es erfolgt im Verfahrensschritt 142 eine entsprechende Meldung oder Information.
  • In einem optionalen Verfahrensschritt 150 kann eine zusätzliche Überprüfung des ersten Sensor 50 innerhalb der Verbindungsleitung 8 durchgeführt werden. Hierbei wird beim Herauffahren des Brennstoffzellensystems 1 das interne Ventil 34, insbesondere das HGI-Ventil 34, geschlossen und das Absperrventil 32 geöffnet, wobei der Druckanstieg innerhalb eines vorgegebenen Zeitintervalls dt an einem ersten Sensor 50 innerhalb der Verbindungsleitung 8 zwischen dem Absperrventil 32 und dem HGI-Ventil 34 mit einem erwarteten Druckverlauf verglichen wird. Stimmt der erwartete Verlauf des Druckanstieges mit dem gemessenen Druckanstieg am ersten Sensor 50 überein, so ist die Funktion des Sensors 50 korrekt, ansonsten liegt ein Fehler vor.
  • In einem weiteren optionalen Verfahrensschritt 160 kann eine zusätzliche Überprüfung des ersten Sensor 50 innerhalb der Verbindungsleitung 8 durchgeführt werden. Hierbei wird beim Herauffahren des Brennstoffzellensystems das interne Ventil 34, insbesondere das HGI-Ventil 34, geschlossen wird und das Absperrventil 32 geöffnet, wobei der nach einem vorgegebenen Zeitintervall dt gemessene Druckwert an dem ersten Sensor 50 innerhalb der Verbindungsleitung 8 zwischen dem Absperrventil 32 und dem HGI-Ventil 34 mit einem erwarteten Druckwert verglichen wird. Stimmt der erwartete Druckwert mit dem gemessenen Druckwert am ersten Sensor 50 nach dem Zeitintervall dt überein, so ist die Funktion des Sensors 50 korrekt, ansonsten liegt ein Fehler vor.
  • Das Zeitintervall dt kann dabei so gewählt werden, dass der Druck innerhalb der Verbindungsleitung 8 am Ende des Zeitintervalls dt einen Druckwert von maximal 15-20 bar nicht übersteigt.

Claims (7)

  1. Verfahren zur Überprüfung der Funktion von mindestens zwei Sensoren innerhalb eines Anodenpfades (4) eines Brennstoffzellensystems (1), umfassend die Schritte: 1.) Herunterfahren des Brennstoffzellensystems (1); 2.) Schließen eines Purge-Ventils (41); 3.) Öffnen eines internen Ventils (34); 4.) Erfassen der Druckwerte von mindestens zwei Sensoren (50,51,52,53,54) innerhalb des Anodenpfades; 5.) Überprüfen, ob sich die Druckwerte der mindestens zwei Sensoren (50,51,52,53,54) unterscheiden.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass beim Herunterfahren des Brennstoffzellensystems (1), der Druck im Anodenpfad (4) auf Umgebungsdruck oder einem Druck, der zwischen dem Versorgungsdruck und dem Umgebungsdruck liegt, reduziert wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass für die Reduzierung des Druckes im Anodenpfad (4) das Absperrventil (32) am Eingang der Verbindungsleitung (8) geschlossen wird und das interne Ventil (34) und ein Purge-Ventil (41) geöffnet werden.
  4. Verfahren nach einem der bisherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Herauffahren des Brennstoffzellensystems das interne Ventil (34), insbesondere das HGI-Ventil (34), geschlossen wird und das Absperrventil (32) geöffnet wird, wobei der Druckanstieg innerhalb eines vorgegebenen Zeitintervalls dt an einem ersten Sensor innerhalb einer Verbindungsleitung (8) zwischen dem Absperrventil (32) und dem internen Ventil (34) mit einem erwarteten Druckverlauf verglichen wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Herauffahren des Brennstoffzellensystems das interne Ventil (34), insbesondere das HGI-Ventil (34), geschlossen wird und das Absperrventil (32) geöffnet wird, wobei der nach einem vorgegebenen Zeitintervall dt gemessene Druckwert an einem ersten Sensor (50) innerhalb einer Verbindungsleitung (8) zwischen dem Absperrventil (32) und dem internen Ventil (34) mit einem erwarteten Druckwert verglichen wird.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Zeitintervall dt so gewählt wird, dass der Druck innerhalb der Verbindungsleitung (8) am Ende des Zeitintervalls dt einen Druckwert von maximal 15-20 bar nicht übersteigt.
  7. Brennstoffzellensystem (1) mit einer Messanordnung zur Überprüfung mindestens zweier Sensoren (32,34), insbesondere zur Ausführung eines Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das Brennstoffzellensystem (1) einen Anodenpfad (4), eine Anode (12) und eine Anodengasrückführleitung (14) aufweist und eine Verbindungsleitung (8), welche zwischen einem ersten Ventil (32) und einem internen Ventil (34) innerhalb des Anodenpfades (4) angeordnet ist, umfassend: - einen Sensor (10) zum Erfassen von Messwerten zur Bestimmung eines aktuellen Druckes an einer Position innerhalb der Verbindungsleitung (8) des Anodenpfades (4), - eine Steuereinheit (11) zur Überprüfung mindestens eines Ventils innerhalb des Anodenpfades (4) des Brennstoffzellensystems (1) auf Basis der mittels des Sensors (10) erfassten Messwerte.
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