DE102020210227A1 - Fuel cell system and method for operating a fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem (1) mit einem Brennstoffzellenmodul (2), dem über eine Luftzuführung (3) verdichtete Luft zugeführt wird, und mit einer Steuerung (14) zur Erkennung einer Betriebsgrenze im Betrieb des Brennstoffzellensystems (1), wobei die Steuerung (14) zur Betriebsgrenzerkennung einen Sensor umfasst.Um die Betriebsgrenzerkennung im Betrieb des Brennstoffzellensystems (1) zu verbessern, umfasst die Steuerung (14) zur Betriebsgrenzerkennung mindestens einen kontinuierlich arbeitenden Schallemissionssensor (5) für eine kontinuierliche Erkennung der Betriebsgrenze im Betrieb des Brennstoffzellensystems (1).The invention relates to a fuel cell system (1) with a fuel cell module (2) to which compressed air is supplied via an air supply (3), and with a controller (14) for detecting an operating limit during operation of the fuel cell system (1), the controller ( 14) comprises a sensor for detecting the operating limit. In order to improve the detection of the operating limit during operation of the fuel cell system (1), the controller (14) for detecting the operating limit comprises at least one continuously operating acoustic emission sensor (5) for continuously detecting the operating limit during operation of the fuel cell system (1) .
Description
Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem mit einem Brennstoffzellenmodul, dem über eine Luftzuführung verdichtete Luft zugeführt wird, und mit einer Steuerung zur Erkennung einer Betriebsgrenze im Betrieb des Brennstoffzellensystems, wobei die Steuerung zur Betriebsgrenzerkennung einen Sensor umfasst. Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Verfahren zum Betreiben eines derartigen Brennstoffzellensystems.The invention relates to a fuel cell system with a fuel cell module to which compressed air is supplied via an air supply, and with a controller for detecting an operating limit during operation of the fuel cell system, the controller for detecting operating limits including a sensor. The invention also relates to a method for operating such a fuel cell system.
Stand der TechnikState of the art
Aus der deutschen Patentschrift
Offenbarung der ErfindungDisclosure of Invention
Aufgabe der Erfindung ist es, die Betriebsgrenzerkennung im Betrieb eines Brennstoffzellensystems mit einem Brennstoffzellenmodul, dem über eine Luftzuführung verdichtete Luft zugeführt wird, und mit einer Steuerung zur Erkennung einer Betriebsgrenze im Betrieb des Brennstoffzellensystems, zu verbessern.The object of the invention is to improve the operating limit detection during operation of a fuel cell system with a fuel cell module to which compressed air is supplied via an air supply and with a controller for detecting an operating limit during operation of the fuel cell system.
Die Aufgabe ist bei einem Brennstoffzellensystem mit einem Brennstoffzellenmodul, dem über eine Luftzuführung verdichtete Luft zugeführt wird, und mit einer Steuerung zur Erkennung einer Betriebsgrenze im Betrieb des Brennstoffzellensystems, wobei die Steuerung zur Betriebsgrenzerkennung einen Sensor umfasst, dadurch gelöst, dass die Steuerung zur Betriebsgrenzerkennung mindestens einen kontinuierlich arbeitenden Schallemissionssensor für eine kontinuierliche Erkennung der Betriebsgrenze im Betrieb des Brennstoffzellensystems umfasst. Durch die kontinuierliche Erkennung der Betriebsgrenze im Betrieb des Brennstoffzellensystems kann dieses effizienter, insbesondere näher an einer Pumpgrenze und/oder Stopfgrenze eines Verdichters in der Luftzuführung betrieben werden.In a fuel cell system with a fuel cell module, to which compressed air is supplied via an air supply, and with a controller for detecting an operating limit during operation of the fuel cell system, the object is achieved in that the controller for detecting operating limits includes a sensor, in that the controller for detecting operating limits at least includes a continuously operating acoustic emission sensor for continuous detection of the operating limit during operation of the fuel cell system. The continuous detection of the operating limit during operation of the fuel cell system allows it to be operated more efficiently, in particular closer to a surge limit and/or choke limit of a compressor in the air supply.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Brennstoffzellensystems ist dadurch gekennzeichnet, dass der kontinuierlich arbeitende Schallemissionssensor für die kontinuierliche Erkennung der Betriebsgrenze der Luftzuführung zugeordnet ist. Die Luftzuführung umfasst zum Beispiel einen Luftverdichter, der auch als Luftkompressor bezeichnet werden kann. Der kontinuierlich arbeitende Schallemissionssensor für die kontinuierliche Erkennung der Pumpgrenze und/oder Stopfgrenze kann dem Luftverdichter zugeordnet werden. Der kontinuierlich arbeitende Schallemissionssensor für die kontinuierliche Erkennung der Pumpgrenze und/oder Stopfgrenze kann aber auch in einer Fluidverbindung der Luftzuführung zwischen dem Luftverdichter und dem Brennstoffzellenmodul angeordnet sein. Durch die kontinuierliche Überwachung der Schallemissionen in der Luftzuführung kann die Steuerung zur Betriebsgrenzerkennung wirksam verbessert werden.A preferred exemplary embodiment of the fuel cell system is characterized in that the continuously operating acoustic emission sensor is assigned to the air supply for the continuous detection of the operating limit. The air supply includes, for example, an air compressor, which can also be referred to as an air compressor. The continuously operating acoustic emission sensor for the continuous detection of the surge limit and/or choke limit can be assigned to the air compressor. However, the continuously operating acoustic emission sensor for the continuous detection of the surge limit and/or choke limit can also be arranged in a fluid connection of the air supply between the air compressor and the fuel cell module. By continuously monitoring the noise emissions in the air supply, the control system for detecting operating limits can be effectively improved.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Brennstoffzellensystems ist dadurch gekennzeichnet, dass der kontinuierlich arbeitende Schallemissionssensor für die kontinuierliche Erkennung der Betriebsgrenze als Ultraschallsensor ausgeführt ist. Dabei wird ausgenutzt, dass kleinere Druckschwankungen, wie sie beim Schalldruck auftreten, mit einem Ultraschallsensor effektiv erfasst werden können. So wird mit einfachen Mitteln eine hocheffiziente Steuerung zur Betriebsgrenzerkennung ermöglicht.A further preferred exemplary embodiment of the fuel cell system is characterized in that the continuously operating acoustic emission sensor for the continuous detection of the operating limit is designed as an ultrasonic sensor. This exploits the fact that smaller pressure fluctuations, such as those that occur with sound pressure, can be effectively recorded with an ultrasonic sensor. In this way, a highly efficient control for operating limit detection is made possible with simple means.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Brennstoffzellensystems ist dadurch gekennzeichnet, dass der kontinuierlich arbeitende Schallemissionssensor für die kontinuierliche Erkennung der Betriebsgrenze direkt in oder an einer eine Luftströmung führenden Wand der Luftzuführung angeordnet ist. Dabei kann es sich um die Wand eines Verdichtergehäuses handeln. Dabei kann es sich aber auch um die Wand einer Verbindungsleitung zwischen dem Luftverdichter und dem Brennstoffzellenmodul handeln. Je nach Ausführung können auch mehrere kontinuierlich arbeitende Schallemissionssensoren für die kontinuierliche Erkennung der Pumpgrenze und/oder Stopfgrenze an unterschiedlichen Stellen angeordnet sein, die gemeinsam ausgewertet werden. Durch die direkte Anordnung des kontinuierlich arbeitenden Schallemissionssensors beziehungsweise der kontinuierlich arbeitenden Schallemissionssensoren an mindestens einer eine Luftströmung führenden Wand der Luftzuführung wird die Betriebsgrenzerkennung mit einfachen Mitteln wirksam verbessert.A further preferred exemplary embodiment of the fuel cell system is characterized in that the continuously operating acoustic emission sensor for the continuous detection of the operating limit is arranged directly in or on a wall of the air supply that carries an air flow. This can be the wall of a compressor housing. However, this can also be the wall of a connecting line between the air compressor and the fuel cell module. Depending on the design, several continuously operating acoustic emission sensors for the continuous detection of the surge limit and/or choke limit can also be arranged at different points, which are evaluated together. Due to the direct arrangement of the continuously operating acoustic emission sensor or the continuously operating acoustic emission sensors on at least one wall of the air supply that guides an air flow, the operating limit detection is effectively improved with simple means.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Brennstoffzellensystems ist dadurch gekennzeichnet, dass der kontinuierlich arbeitende Schallemissionssensor für die kontinuierliche Erkennung der Betriebsgrenze direkt in einer Öffnung der die Luftströmung führenden Wand der Luftzuführung angeordnet ist. Bei der Öffnung kann es sich um ein einfaches Durchgangsloch in der Wand der Luftzuführung handeln. Der kontinuierlich arbeitende Schallemissionssensor kann mit einfachen Mitteln in dieser Öffnung positioniert werden. Dadurch wird die Montage vereinfacht. Zur Abdichtung zwischen dem Schallemissionssensor und der die Luftströmung führenden Wand der Luftzuführung kann eine geeignete Dichtung, wie ein O-Ring, verwendet werden.A further preferred exemplary embodiment of the fuel cell system is characterized in that the continuously operating acoustic emission sensor for the continuous detection of the operating limit is arranged directly in an opening in the wall of the air supply which guides the air flow. The opening can be a simple through hole in the wall of the air passage acting leadership. The continuously working acoustic emission sensor can be positioned in this opening with simple means. This simplifies assembly. A suitable seal, such as an O-ring, can be used to seal between the acoustic emission sensor and the wall of the air supply that guides the air flow.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Brennstoffzellensystems ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Messfläche des kontinuierlich arbeitenden Schallemissionssensors für die kontinuierliche Erkennung der Betriebsgrenze in der Öffnung unmittelbar Kontakt mit der Luftströmung hat. Dadurch wird auf einfache Art und Weise eine kontinuierliche Erfassung von Druckveränderungen in der Luftströmung ermöglicht.A further preferred exemplary embodiment of the fuel cell system is characterized in that a measuring surface of the continuously operating acoustic emission sensor for the continuous detection of the operating limit in the opening is in direct contact with the air flow. This enables a continuous detection of pressure changes in the air flow in a simple manner.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Brennstoffzellensystems ist dadurch gekennzeichnet, dass der kontinuierlich arbeitende Schallemissionssensor für die kontinuierliche Erkennung der Betriebsgrenze an einer Luftzuführleitung zwischen einem Luftverdichter der Luftzuführung und dem Brennstoffzellenmodul angebracht ist. Je nach Ausführung kann der Schallemissionssensor bereits vor der Montage der Luftzuführleitung an dieser montiert werden. Bei Bedarf kann der Schallemissionssensor aber auch an einer bereits montierten Luftzuführleitung montiert werden. So können auch bereits vorhandene Brennstoffzellensysteme mit relativ einfachen Mitteln im Hinblick auf die kontinuierliche Erkennung der Pumpgrenze und/oder Stopfgrenze mit kontinuierlich arbeitenden Schallemissionssensoren nachgerüstet werden.Another preferred exemplary embodiment of the fuel cell system is characterized in that the continuously operating acoustic emission sensor for continuously detecting the operating limit is attached to an air supply line between an air compressor of the air supply and the fuel cell module. Depending on the version, the acoustic emission sensor can be installed on the air supply line before it is installed. If required, the acoustic emission sensor can also be mounted on an air supply line that has already been installed. Existing fuel cell systems can also be retrofitted with continuously operating acoustic emission sensors with relatively simple means with regard to the continuous detection of the surge limit and/or choke limit.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Brennstoffzellensystems ist dadurch gekennzeichnet, dass der kontinuierlich arbeitende Schallemissionssensor für die kontinuierliche Erkennung der Betriebsgrenze ein herkömmlicher Parksensor ist. Der als Parksensor ausgeführte Schallemissionssensor kann so oder so ähnlich wie der in der europäischen Patentschrift
Bei einem Verfahren zum Betreiben eines vorab beschriebenen Brennstoffzellensystems ist die oben angegebene Aufgabe alternativ oder zusätzlich dadurch gelöst, dass Schallemissionen der Luftzuführung des Brennstoffzellenmoduls mit dem kontinuierlich arbeitenden Schallemissionssensor im Betrieb des Brennstoffzellensystems in Form eines Schallemissionssignals kontinuierlich überwacht und mit einer charakteristischen Geräuschsignatur verglichen werden, um Veränderungen über der Zeit zu erkennen. So können zum Beispiel Schäden und/oder Alterungserscheinungen im Betrieb des Brennstoffzellensystems frühzeitig erfasst werden. Die daraus gewonnenen Informationen können in einem geeigneten Diagenosekonzept im Betrieb des Brennstoffzellensystems zeitnah berücksichtigt werden.In a method for operating a fuel cell system as described above, the above-mentioned object is alternatively or additionally achieved in that acoustic emissions from the air supply of the fuel cell module are continuously monitored with the continuously operating acoustic emission sensor during operation of the fuel cell system in the form of an acoustic emission signal and are compared with a characteristic noise signature in order to detect changes over time. For example, damage and/or signs of aging during operation of the fuel cell system can be detected at an early stage. The information obtained from this can be taken into account promptly in a suitable diagnostic concept during operation of the fuel cell system.
Die Erfindung betrifft gegebenenfalls auch ein Computerprogrammprodukt mit einem Computerprogramm, das Softwaremittel zum Durchführen eines vorab beschriebenen Verfahrens aufweist, wenn das Computerprogramm auf einem Computer ausgeführt wird. Die Erfindung betrifft gegebenenfalls auch eine Steuerung mit einem derartigen Computerprogrammprodukt. Die Steuerung dient vorteilhaft zur Darstellung einer effektiven Regelung zur Betriebsgrenzerkennung.The invention may also relate to a computer program product with a computer program that has software means for performing a method described above when the computer program is executed on a computer. The invention may also relate to a controller with such a computer program product. The control is advantageously used to represent an effective control for operating limit detection.
Die Erfindung betrifft darüber hinaus die Verwendung eines herkömmlichen Parksensors in einem vorab beschriebenen Brennstoffzellensystem zur kontinuierlichen Erkennung der Pumpgrenze und/oder Stopfgrenze und/oder einer Drehzahl im Betrieb des Brennstoffzellensystems. So kann die Effizienz im Betrieb des Brennstoffzellensystems mit geringen Kosten deutlich verbessert werden.The invention also relates to the use of a conventional parking sensor in a fuel cell system described above for the continuous detection of the surge limit and/or choke limit and/or a speed during operation of the fuel cell system. In this way, the efficiency in the operation of the fuel cell system can be significantly improved at low cost.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung verschiedene Ausführungsbeispiele im Einzelnen beschrieben sind.Further advantages, features and details of the invention result from the following description, in which various exemplary embodiments are described in detail with reference to the drawing.
Figurenlistecharacter list
Es zeigen:
-
1 eine schematische, perspektivische Darstellung eines Brennstoffzellensystems mit einem Brennstoffzellenmodul, dem über eine Luftzuführung verdichtete Luft zugeführt wird; -
2 einen vergrößerten Ausschnitt aus1 mit einem Schallemissionssensor, welcher der Luftzuführung zugeordnet ist, im Längsschnitt; und -
3 eine perspektivische Darstellung des Schallemissionssensors aus2 .
-
1 a schematic, perspective view of a fuel cell system with a fuel cell module to which compressed air is supplied via an air supply; -
2 an enlarged section1 with an acoustic emission sensor, which the Air supply is assigned, in longitudinal section; and -
3 a perspective view of theacoustic emission sensor 2 .
Beschreibung der AusführungsbeispieleDescription of the exemplary embodiments
In
Von dem Luftverdichter 4 erstreckt sich eine Luftzuführleitung 7 zum Brennstoffzellenmodul 2. An einer Wand 6 der Luftzuführleitung 7 ist ein Schallemissionssensor 5 angeordnet. Der Schallemissionssensor 5 ist steuerungsmäßig mit einer Steuerung 14 des Brennstoffzellensystems 1 verbunden.An
Die Steuerung 14 dient zum Steuern und/oder Regeln des Luftverdichters 4 im Betrieb des Brennstoffzellensystems 1. Im Betrieb des Luftverdichters 4 soll das Erreichen einer Pumpgrenze und/oder einer Stopfgrenze vermieden werden. Die Erkennung der Pumpgrenze und/oder Stopfgrenze wird vereinfacht als Betriebsgrenzerkennung bezeichnet.The
Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird die Erkennung und Regelung der Pumpgrenze und/oder Stopfgrenze des Luftverdichters 4 in dem Brennstoffzellensystem 1 unter Nutzung bereits vorhandener Ultraschall-Parksensoren oder durch den optionalen Einsatz eines kostengünstigen, zusätzlichen Sensors direkt in oder an der Luftzuführung 3 für die Kathodenseite des Brennstoffzellenmoduls 2 kontinuierlich im Betrieb des Brennstoffzellensystems 1 ermöglicht.According to one aspect of the invention, the detection and control of the surge limit and/or choke limit of the
Der Luftverdichter 4 ist zum Beispiel durch eine elektrische Maschine, insbesondere einem Elektromotor, angetrieben. Darüber hinaus kann der Luftverdichter 4 antriebsmäßig mit einer Turbine verbunden sein, die vorteilhaft mit Abgas aus dem Brennstoffzellenmodul 2 angetrieben wird.The
In
In der Öffnung 8 ist der Schallemissionssensor 5 so angeordnet, dass eine Messfläche 9 des Schallemissionssensors 5 direkt Kontakt mit der Luftströmung 13 in der Luftzuführleitung 7 hat. Der Schallemissionssensor 5 ist vorteilhaft ein Parksensor 10.The
Zur Abdichtung zwischen der Luftzuführleitung 7 und dem Schallemissionssensor 5 dient ein Dichtelement 11, das zum Beispiel als O-Ring ausgeführt ist. Das Dichtelement 11 erstreckt sich in der Öffnung 8 um einen Absatz an dem Schallemissionssensor 5 herum. Der Schallemissionssensor 5 umfasst einen Stecker 12, der zur steuerungsmäßigen Verbindung mit der Steuerung (14 in
In
Im Betrieb des Brennstoffzellensystems 1 werden mit dem Schallemissionssensor 5 Schallemissionen der Luftströmung 13 erfasst beziehungsweise gemessen. Das gemessene Signal wird analysiert und/oder mit einer Referenz verglichen. Die Analyse des erfassten Schallsignals lässt direkt auf Veränderungen des Betriebszustands des Luftverdichters schließen. Das ermöglicht eine höchst effektive Betriebsgrenzerkennung, zum Beispiel Pumpgrenzerkennung.When the fuel cell system 1 is in operation, the
Mittels einer sicheren Erkennung der Pumpgrenze kann auf Sicherheitsmargen bei der Auslegung verzichtet werden. Darüber hinaus können Arbeitspunkte im Betrieb des Luftverdichters 4 näher an dessen Stabilitätsgrenze gelegt werden. Die Aufbereitung der Signalinformation erfolgt in der Steuerung 14 oder durch eine Kopplung mit im Fahrzeug verbauten Ultraschall-Parksensoren beziehungsweise deren Steuergerät.Safe detection of the surge limit means that safety margins can be dispensed with in the design. In addition, working points during operation of the
Diese Art der Signalerfassung mit dem Schallemissionssensor 5 ermöglicht weiterhin die Erkennung von weiteren Betriebszuständen, beispielsweise der Stopfgrenze, der Belastung und/oder einer Drehzahl im Betrieb des Luftverdichters. Darüber hinaus können aus den Signalinformationen des Schallemissionssensors 5 vorteilhaft Rückschlüsse über Defekte oder Alterungserscheinungen abgeleitet werden.This type of signal detection with the
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung kann ein Fluidmassenstrom durch die Luftzuführung 3 mit dem Schallemissionssensor 5 gemessen werden. Dieser Messwert kann vorteilhaft zur Kontrolle eines Signals eines Luftmassenmessers verwendet werden. Bei ausreichender Genauigkeit kann der Luftmassenmesser sogar entfallen.According to a further aspect of the invention, a fluid mass flow through the
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION
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- EP 2856206 B1 [0011]EP 2856206 B1 [0011]
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