DE102022113202A1

DE102022113202A1 - Brennstoffzellen-Abgasanlage und Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellen-Abgasanlage

Info

Publication number: DE102022113202A1
Application number: DE102022113202.1A
Authority: DE
Inventors: Kurt Walz; Günter Eberspach
Original assignee: Eberspaecher Climate Control Systems GmbH and Co KG; Eberspaecher Catem GmbH and Co KG
Current assignee: Eberspaecher Climate Control Systems GmbH and Co KG; Eberspaecher Catem GmbH and Co KG
Priority date: 2022-05-25
Filing date: 2022-05-25
Publication date: 2023-11-30

Abstract

Eine Brennstoffzellen-Abgasanlage umfasst eine von Brennstoffzellen-Abgas (B) durchströmbare Brennstoffzellen-Abgasleitung (12), wobei der Brennstoffzellen-Abgasleitung (12) oder/und einem zur Brennstoffzellen-Abgasleitung (12) offenen Medium-Sammelvolumen (16) für aus die Brennstoffzellen-Abgasleitung (12) durchströmendem Brennstoffzellen-Abgas (B) abgeschiedene Medien eine Medium-Sensoreinheit (28) zugeordnet ist zum Bereitstellen von Medium-Information über das Vorhandensein wenigstens eines Mediums, wobei die Medium-Sensoreinheit (28) wenigstens ein PTC-Erfassungselement (30) umfasst.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennstoffzellen-Abgasanlage sowie ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Brennstoffzellen-Abgasanlage, beispielsweise in einem Fahrzeug.
Je nach Betriebszustand einer beispielsweise in einem Fahrzeug zur Erzeugung elektrischer Energie betriebenen Brennstoffzelle enthält das diese verlassende Brennstoffzellen-Abgas verschiedene Bestandteile. Im normalen Brennstoffzellenbetrieb entsteht an einem Kathodenbereich der Brennstoffzelle Wasser, welches bei beispielsweise in Form von Wasserdampf zusammen mit einem Teil der in den Kathodenbereich der Brennstoffzelle eingeleiteten Luft als Brennstoffzellen-Abgas über eine Brennstoffzellen-Abgasanlage zur Umgebung abgegeben wird. Im normalen Brennstoffzellenbetrieb, insbesondere aber beim Spülen der Brennstoffzelle, insbesondere eines Anodenbereichs der Brennstoffzelle, kann in diesem Bereich noch vorhandener bzw. nicht verbrauchter Wasserstoff über die Brennstoffzellen-Abgasanlage abgeleitet werden.
Um das Entstehen eines in der Umgebung eines Fahrzeugs wahrnehmbaren Nebels im Bereich eines Endrohrs der Brennstoffzellen-Abgasanlage zu vermeiden, kann das im Brennstoffzellen-Abgas enthaltene Wasser bzw. der darin enthaltene Wasserdampf insbesondere nach dem Auskondensieren desselben aus dem Brennstoffzellen-Abgas extrahiert und in einem Sammelvolumen gespeichert werden. Auch im Brennstoffzellen-Abgas enthaltener Wasserstoff kann sich in dem Sammelvolumen ansammeln. Das in dem Sammelvolumen sich ansammelnde Wasser kann beispielsweise dann in flüssiger Form zur Umgebung abgegeben werden oder kann bei Bedarf in den Brennstoffzellenprozess rückgespeist werden. Um insbesondere auch bei einem Betrieb bei vergleichsweise niedrigen Umgebungstemperaturen das Abgeben bzw. Rückspeisen von Wasser aus dem Sammelvolumen zu ermöglichen, kann dem Sammelvolumen bzw. dem darin enthaltenen Wasser eine Heizeinheit zugeordnet sein, um möglicherweise gefrorenes Wasser aufzutauen und somit in flüssiger Form aus dem Sammelvolumen abführen zu können. Ist das in dem Sammelvolumen vorhandene Wasser nicht gefroren, kann zum Einsparen elektrischer Energie das Betreiben der Heizeinheit grundsätzlich unterbleiben.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Brennstoffzellen-Abgasanlage sowie ein Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellen-Abgasanlage bereitzustellen, bei welchen Information über in einem Medium-Sammelvolumen vorhandenes Medium bzw. dessen Aggregatzustand bereitgestellt werden kann.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird diese Aufgabe gelöst durch eine Brennstoffzellen-Abgasanlage, umfassend eine von Brennstoffzellen-Abgas durchströmbare Brennstoffzellen-Abgasleitung, wobei der Brennstoffzellen-Abgasleitung oder/und einem zur Brennstoffzellen-Abgasleitung offenen Medium-Sammelvolumen für aus die Brennstoffzellen-Abgasleitung durchströmendem Brennstoffzellen-Abgas abgeschiedene Medien eine Medium-Sensoreinheit zugeordnet ist zum Bereitstellen von Medium-Information über das Vorhandensein wenigstens eines Mediums, wobei die Medium-Sensoreinheit wenigstens ein PTC-Erfassungselement umfasst.
Die vorliegende Erfindung nutzt den Effekt, dass bei einem PTC-Erfassungselement der elektrische Widerstand mit zunehmender Temperatur desselben zunimmt. Bei angelegter elektrischer Spannung und dabei durch ein derartiges PTC-Erfassungselement fließendem elektrischen Strom steigt grundsätzlich dessen Temperatur und damit auch dessen elektrischer Widerstand an. Der Anstieg der Temperatur und damit auch der Anstieg des elektrischen Widerstands hängt davon ab, in welchem Ausmaß Wärme von dem durch Anlegen einer elektrischen Spannung und den dabei fließenden elektrischen Strom erwärmten PTC-Erfassungselement abgeführt werden kann. Das Ausmaß der Abfuhr von Wärme von dem PTC-Erfassungselement hängt wiederum davon ab, von welchem Medium das PTC-Erfassungselement umgeben ist. Das Erwärmungsverhalten des PTC-Erfassungselements und damit dessen elektrischer Widerstand bzw. der durch dieses hindurch fließende elektrische Strom geben somit die Möglichkeit, einen Rückschluss auf das das PTC-Erfassungselement umgebende Medium zu ziehen, so dass beispielsweise erkannt werden kann, ob dieses von Eis, von Wasser, von Luft oder von Wasserstoff umgeben ist. Wird beispielsweise erkannt, dass das PTC-Erfassungselement nicht von Eis, sondern beispielsweise von Wasser umgeben ist, unterbleibt das Betreiben einer Heizeinheit. Wird erkannt, dass das PTC-Erfassungselement von Eis umgeben ist, und soll und in einem Medium-Sammelvolumen enthaltenes Medium, also Wasser, aus diesem abgegeben werden, kann die Heizeinheit in Betrieb gesetzt werden, um zunächst das Eis aufzutauen und dieses dann aus dem Medium-Sammelvolumen ableiten zu können.
Das Medium-Sammelvolumen kann beispielsweise in einem Medium-Sammelgehäuse ausgebildet sein, in welchem auch wenigstens ein PTC-Erfassungselement angeordnet sein kann, um das in dem Medium-Sammelgehäusesich ansammelnde Medium zu detektieren. Zusätzlich oder alternativ kann beispielsweise dann, wenn die Brennstoffzellen-Abgasanlage kein Sammelvolumen enthält, wenigstens ein PTC-Erfassungselement in der Brennstoffzellen-Abgasleitung angeordnet sein, um Medium-Information über darin strömendes Medium, insbesondere den Wasserstoffgehalt im Brennstoffzellen-Abgas, bereitzustellen.
Um eine möglichst schnelle Reaktion, also eine kurze Ansprechzeit, bei Anlegen einer elektrischen Spannung an das wenigstens eine PTC-Erfassungselement zu erreichen, wird vorgeschlagen, dass wenigstens ein PTC-Erfassungselement folienartig, z.B. als Polymerfolie mit PTC-Charakteristik, oder plattenartig ausgebildet ist, oder/und dass wenigstens ein PTC-Erfassungselement eine Dicke von weniger als 1 mm aufweist. Somit weist das PTC-Erfassungselement bei vergleichsweise geringem Volumen eine große zur Wechselwirkung mit dem zu detektierenden Medium nutzbare Oberfläche auf.
Um einen Kurzschluss über das PTC-Erfassungselement umgebendes Medium zu vermeiden und um insbesondere auch an der Oberfläche des wenigstens einen PTC-Erfassungselements das Auftreten eines Elektrolyseeffekts zu vermeiden, kann wenigstens ein PTC-Erfassungselement einen bezüglich das PTC-Erfassungselement umgebendes Medium elektrisch isolierten Medium-Erfassungsbereich aufweisen.
Dazu kann beispielsweise der Medium-Erfassungsbereich durch eine diesen überdeckende Isolierbeschichtung, vorzugsweise Isolierlack, bezüglich des Mediums elektrisch isoliert sein.
Um bei Bedarf das in dem Medium-Sammelvolumen sich ansammelnder Medien zu erwärmen, beispielsweise um gefrorenes Wasser aufzutauen, kann dem Medium-Sammelvolumen wenigstens eine Medium-Heizeinheit zum Erwärmen von in dem Medium-Sammelvolumen enthaltenem Medium zugeordnet sein, wobei beispielsweise vorgesehen sein kann, dass wenigstens eine Medium-Heizeinheit ein PTC-Heizelement umfasst.
Um vermittels des wenigstens einen PTC-Erfassungselements die Information über die Art bzw. den Aggregatzustand des dieses umgebenden Mediums bereitstellen zu können, kann eine Ansteuereinheit vorgesehen sein, welche, dazu ausgebildet ist, zum Bereitstellen der Medium-Information eine elektrische Spannung an das wenigstens eine PTC-Erfassungselement anzulegen und die Medium-Information auf der Grundlage des bei an das wenigstens eine PTC-Erfassungselement angelegter elektrischer Spannung durch das PTC-Erfassungselement fließenden elektrischen Stroms bereitzustellen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird die eingangs angegebene Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zum Betreiben einer erfindungsgemäß aufgebauten Brennstoffzellen-Abgasanlage, umfassend die Maßnahmen:

a) Anlegen einer elektrischen Spannung an das wenigstens eine PTC-Erfassungselement,
b) Erfassen des durch das wenigstens eine PTC-Erfassungselement fließenden elektrischen Stroms,
c) auf der Grundlage des bei der Maßnahme b) erfassten elektrischen Stroms, Bereitstellen der Medium-Information.

Um ein Verfälschen des Erfassungsergebnisses durch eine übermäßige Erwärmung des das wenigstens eine PTC-Erfassungselement umgebenden Mediums zu vermeiden, wird vorgeschlagen, dass bei der Maßnahme a) die elektrische Spannung derart angelegt wird, dass die Temperatur des wenigstens einen PTC-Erfassungselements einen Wert von 60°C, vorzugsweise 40°C, nicht übersteigt. Somit kann insbesondere vermieden werden, dass das PTC-Erfassungselement umgebendes gefrorenes Wasser lokal, also an der Grenzfläche zum PTC-Erfassungselement auftaut, dort also Wasser in flüssigem Aggregatzustand vorhanden ist und somit eine andere Wärmeabfuhr erfolgt, als wenn in diesem Grenzbereich das Wasser noch den gleichen gefrorenen bzw. festen Aggregatzustand hätte, wie im verbleibenden Volumenbereich desselben.
Für eine definierte Unterscheidung verschiedener Medien bzw. verschiedener Aggregatszustände von Medien wird vorgeschlagen, dass bei der Maßnahme c) die Medium-Information auf der Grundlage des eine vorbestimmte Zeitdauer nach Beginn des Anlegens der elektrischen Spannung an das wenigstens eine PTC-Erfassungselement erfassten elektrischen Stroms bereitgestellt wird.
Da die in einer Brennstoffzellen-Abgasanlage vorhandenen und sich im Medium-Sammelvolumen möglicherweise ansammelnden Medien deutlich unterschiedliche Wärmeleitfähigkeiten aufweisen, besteht grundsätzlich die Möglichkeit, bei der Maßnahme c) die Medium-Information auf der Grundlage des Wertes des bei der Maßnahme b) erfassten elektrischen Stroms bereitzustellen.
Alternativ oder zusätzlich kann für eine erhöhte Erfassungsgenauigkeit bei der Maßnahme c) die Medium-Information auf der Grundlage der zeitlichen Änderung des Wertes des bei der Maßnahme b) erfassten elektrischen Stroms bereitgestellt werden.
Da grundsätzlich die durch eine Brennstoffzellen-Abgasanlage geführten und möglicherweise in einem Medium-Sammelvolumen sich ansammelnden und somit zu detektierenden Medien und damit auch deren Wärmeleitfähigkeit bekannt sind, kann gemäß einem besonders vorteilhaften und zu in einer hohen Erfassungsgenauigkeit führenden Aspekt der vorliegenden Erfindung vorgesehen sein, dass bei der Maßnahme c) der bei der Maßnahme b) erfasste elektrische Strom mit wenigstens einer Medium-Referenz, vorzugsweise in Zuordnung zu verschiedenen Medien vorgesehenen Medium-Referenzen, verglichen wird, und dass die Medium-Information auf der Grundlage des Vergleichs des bei der Maßnahme b) erfassten elektrischen Stroms mit der wenigstens einen Medium-Referenz bereitgestellt wird.
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend mit Bezug auf die beiliegenden Figuren detailliert beschrieben. Es zeigt:

1 in prinzipartiger Darstellung einer Brennstoffzellen-Abgasanlage;
2 ein die Wärmeleitfähigkeit verschiedener in einer Brennstoffzellen-Abgasanlage vorhandener Medien darstellendes Diagramm;
3 den in einem PTC-Erfassungselement der Brennstoffzellen-Abgasanlage der 1 bei Anlegen einer Spannung fließenden elektrischen Strom in Zuordnung zu verschiedenen das PTC-Erfassungselement umgebenden Medien;
4 ein der 3 entsprechendes Diagramm für ein alternativ ausgestaltetes PTC-Erfassungselement;
5 einen prinzipartig dargestellten Aufbau eines PTC-Erfassungselements.

Die in 1 in prinzipartiger Darstellung gezeigte Brennstoffzellen-Abgasanlage 10 umfasst eine Brennstoffzellen-Abgasleitung 12, in welcher das von einer Brennstoffzelle abgegebene Brennstoffzellen-Abgas B strömt. Das Brennstoffzellen-Abgas B kann das den Kathodenbereich einer Brennstoffzelle verlassende Prozessgas oder/und das den Anodenbereich einer Brennstoffzelle verlassende Prozessgas oder/und ein Spülgas oder/und beispielsweise mit Luft verdünntes Prozessgas umfassen. Die Brennstoffzellen-Abgasleitung 12 führt das Brennstoffzellen-Abgas B zu einem bzw. durch ein Medium-Sammelgehäuse 14. Im Bereich des Medium-Sammelgehäuses 14 kann in der Brennstoffzellen-Abgasleitung 12 eine Abscheideeinheit 15 vorgesehen sein, vermittels welcher im Brennstoffzellen-Abgas B transportierte Flüssigkeit, also Wasser, oder Wasserdampf aus dem Brennstoffzellen-Abgas B abgeschieden und zu einem im Medium-Sammelgehäuse 14 gebildeten Medium-Sammelvolumen 16 abgeleitet werden kann. Auch mit dem Brennstoffzellen-Abgas B transportierter Wasserstoff oder darin enthaltende Luft können beispielsweise im Bereich der Abscheideeinheit 15 in das Medium-Sammelvolumen 16 eintreten. Um das Entstehen einer übermäßig hohen und somit potentiell gefährlichen Wasserstoffkonzentration im Medium-Sammelvolumen 16 zu vermeiden, kann dieses vorzugsweise in einem in einer Vertikalrichtung oberen Bereich eine Abgabeöffnung 18 aufweisen, über welche beispielsweise Wasserstoff zur Umgebung hin entweichen kann.
In einem in der Vertikalrichtung unteren Bereich kann dem Medium-Sammelvolumen 16 ein Ablassventil 20 zugeordnet sein, um bei Bedarf im Medium-Sammelvolumen sich ansammelndes flüssiges Medium, insbesondere also Wasser, aus dem Medium-Sammelvolumen ableiten zu können und dieses beispielsweise zur Umgebung abgeben zu können oder in den Brennstoffzellenprozess rückspeisen zu können.
Da insbesondere bei vergleichsweise niedrigen Umgebungstemperaturen in dem Medium-Sammelvolumen sich ansammelndes Wasser gefrieren kann, kann in dem Medium-Sammelgehäuse 14 eine Medium-Heizeinheit 22 vorgesehen sein, um bei Bedarf das gefrorene Medium, also im Medium-Sammelgehäuse 14 vorhandenes Eis, aufzutauen und dieses über das Abgabeventil 20 abgeben zu können. Die Medium-Heizeinheit 22 kann beispielsweise ein oder mehrere PTC-Heizelemente 24 umfassen, welche unter der Ansteuerung einer Ansteuereinheit 26 stehen und bei Anlegen einer elektrischen Spannung an diese durch den in diesem Zustand durch diese hindurchfließenden elektrischen Strom erwärmt werden und somit zum Auftauen von gefrorenem Wasser beitragen.
Dem Medium-Sammelvolumen 16 ist ferner eine allgemein mit 28 bezeichnete Medium-Sensoreinheit zugeordnet. Die Medium-Sensoreinheit 28 ist dazu ausgebildet, Medium-Information über das in dem Medium-Sammelvolumen 16 vorhandene bzw. sich ansammelnde Medium bereitzustellen. Diese Medium-Information kann die Art des in dem Medium-Sammelvolumen 16 sich ansammelnden Mediums identifizieren, also beispielsweise ob im Medium-Sammelvolumen 16 Luft oder Wasser oder Wasserstoff vorhanden ist, und kann beispielsweise auch den Aggregatzustand des im Medium-Sammelvolumen 16 enthaltenen Mediums identifizieren, also beispielsweise, ob Wasser in festem bzw. gefrorenem Zustand, also als Eis, oder in flüssigem Zustand vorhanden ist.
Die Medium-Sensoreinheit 28 umfasst wenigstens ein PTC-Erfassungselement 30, das gleichermaßen unter der Ansteuerung der Ansteuereinheit 26 steht. Bei Anlegen einer elektrischen Spannung an das wenigstens eine PTC-Erfassungselement 30 vermittels der Ansteuereinheit 26 fließt ein elektrischer Strom durch das wenigstens eine PTC-Erfassungselement, welcher zur Erwärmung desselben führt. Eine Information über den bei Anlegen der elektrischen Spannung an das wenigstens eine PTC-Erfassungselement 30 durch dieses fließenden elektrischen Strom kann in die Ansteuereinheit 26 eingespeist bzw. in dieser erzeugt werden, so dass auch Information über den zeitlichen Verlauf des bei Anlegen der elektrischen Spannung an das wenigstens eine PTC-Erfassungselement 30 durch diesen fließenden elektrischen Stroms bereitgestellt werden kann.
Da der elektrische Widerstand von PTC-Material mit zunehmender Temperatur ansteigt, führt eine durch den elektrischen Strom generierte Erwärmung des PTC-Erfassungselements 30 zu einer allmählichen Abnahme des durch dieses hindurch fließenden elektrischen Stroms. Die Erwärmung des wenigstens einen PTC-Heizelements 30 und damit auch die Abnahme des durch dieses hindurch fließenden elektrischen Stroms ist abhängig davon, in welchem Ausmaß Wärme von dem wenigstens einen PTC-Heizelement 30 abgeleitet werden kann. Ist das wenigstens eine PTC-Heizelement 30 vergleichsweise gut thermisch isoliert, wird dieses sich bei Anlegen einer elektrischen Spannung vergleichsweise schnell und stark erwärmen, so dass der durch dieses hindurch fließende elektrische Strom entsprechend schnell und deutlich abnehmen wird. Ist das wenigstens eine PTC-Erfassungselement von einem vergleichsweise gut thermisch leitenden Medium umgeben, wird die durch den durch dieses hindurch fließenden elektrischen Strom generierte Wärme entsprechend gut abgeleitet mit der Folge, dass der elektrische Widerstand nur vergleichsweise langsam und ggf. auch in geringerem Ausmaß zunehmen wird und dementsprechend der elektrische Strom auch langsamer bzw. in geringerem Ausmaß abnehmen wird.
Die 5 zeigt in prinzipartiger Darstellung den Aufbau der Medium-Sensoreinheit 28 mit einem PTC-Erfassungselement 30. Das PTC-Erfassungselement 30 ist vorzugsweise plattenartig aufgebaut und weist eine Dicke D auf, die einen Millimeter nicht übersteigt. Ein zur thermischen Wechselwirkung mit dem das PTC-Erfassungselement 30 umgebenden Medium vorgesehener Medium-Erfassungsbereich 32 ist vermittels einer Isolierbeschichtung 34, beispielsweise einem dünn aufgebrachten Isolierlack, bezüglich des Mediums elektrisch isoliert. Aufgrund der nur sehr dünnen Ausgestaltung dieser Isolierbeschichtung 34 mit einer Dicke von deutlich weniger als 1 mm, beispielsweise im Bereich von ein Zehntel mm oder weniger, wird eine thermische Isolierung des Medium-Erfassungsbereichs 32 zu dem zu erfassenden Medium im Wesentlichen nicht eingeführt. Gleichwohl steht aufgrund der plattenartigen Ausgestaltung des PTC-Erfassungselements 30 eine große Oberfläche des PTC-Erfassungselements 30 zur Wechselwirkung mit dem zu erfassenden Medium bei vergleichsweise geringem Volumen des PTC-Erfassungselements zur Verfügung. Dies hat zur Folge, dass das PTC-Erfassungselement 30 bei Anlegen einer elektrischen Spannung an dieses eine schnelle Reaktion durch die thermische Wechselwirkung mit dem dieses umgebenden Medium zeigt.
Ein zur Verbindung mit der Ansteuereinheit 26 auch vorgesehener Kontaktbereich 36 des PTC-Erfassungselements 30 ist bezüglich des die Medium-Sensoreinheit 28 umgebenden Mediums elektrisch isoliert.
Durch die elektrische Isolierung des PTC-Erfassungselements 30 ist gewährleistet, dass ein elektrischer Kurzschluss über das dieses umgebende Medium nicht auftreten kann. Auch ein Elektrolyseeffekt an der Oberfläche des PTC-Erfassungselements insbesondere dann, wenn das dieses umgebende Medium Wasser ist, wird gleichermaßen vermieden.
Im Betrieb einer Brennstoffzelle bzw. der Brennstoffzellen-Abgasanlage 10 wird zum Erfassen von in dem Medium-Sammelvolumen sich möglicherweise ansammelndem Medium an die Medium-Sensoranordnung 28 bzw. das wenigstens eine PTC-Erfassungselement 30 eine elektrische Spannung angelegt. Diese elektrische Spannung kann beispielsweise eine im Wesentlichen konstante oder mit einem definierten Tastverhältnis angelegte Messspannung sein. In Reaktion auf das Anlegen einer elektrischen Spannung an das wenigstens eine PTC-Erfassungselement 30 fließt ein elektrischer Strom durch dieses hindurch. Durch die allmähliche Erwärmung des PTC-Erfassungselements 30 nimmt dessen Widerstand zu und dementsprechend bei Anlegen der im Wesentlichen konstanten Spannung der elektrische Strom ab.
Die 3 veranschaulicht für ein plattenartig ausgebildetes PTC-Erfassungselement 30 den zeitlichen Verlauf des bei Anlegen einer im Wesentlichen konstanten Spannung durch dieses hindurch fließenden elektrischen Stroms in Zuordnung zu verschiedenen das PTC-Erfassungselement 30 umgebenden Medien. Deutlich erkennbar ist anhand der Kurven K₁, K₂ und K₃ für Luft, Wasser bzw. Eis als das PTC-Erfassungselement 30 umgebendes Medium, dass der durch das PTC-Erfassungselement 30 hindurch fließende elektrische Strom deutlich unterschiedlich abfällt.
Dies ist dadurch bedingt, dass, wie in 2 veranschaulicht, diese Medien zueinander deutlich unterschiedliche Wärmeleitfähigkeiten aufweisen. So weist Eis eine deutlich höhere Wärmeleitfähigkeit auf, als beispielsweise Sauerstoff und Stickstoff, also die wesentlichen Bestandteile von Luft. Aus diesem Grunde kann dann, wenn das PTC-Erfassungselement 30 von Eis umgeben ist, deutlich mehr Wärme zur Umgebung, also zu dem umgebendem Medium, abgegeben werden, was dazu führt, dass das PTC-Erfassungselement sich weniger stark bzw. langsamer erwärmt und mithin der Widerstand entsprechend weniger stark bzw. langsamer zunimmt und daher der elektrische Strom langsamer bzw. weniger stark abfällt, als dann, wenn das PTC-Erfassungselement von Luft oder Wasser umgeben ist. Ein entsprechender Zusammenhang ist in 4 für ein mit Folienmaterial, z.B. Polymerfolie, also noch dünner ausgebildetes PTC-Heizelement anhand der Kurven K1', K₂' und K₃' dargestellt.
Wie die 2 dies veranschaulicht, weist Wasserstoff eine Wärmeleitfähigkeit auf, die zwischen der Wärmeleitfähigkeit von Wasser und der Wärmeleitfähigkeit von Sauerstoff bzw. Stickstoff, also der Wärmeleitfähigkeit von Luft, liegt. Dies bedeutet, dass der in den 3 und 4 nicht dargestellte Verlauf des elektrischen Stroms für den Fall, dass das wenigstens eine PTC-Erfassungselement 30 im Wesentlichen von Wasserstoff umgeben ist, zwischen den Kurven K₁ und K₂ bzw. zwischen den Kurven K1' und K₂' liegen würde. Ist im Medium-Sammelvolumen ein Gemisch aus Luft und Wasserstoff enthalten, kann, je nach Mischungsverhältnis, der sich einstellende Verlauf des elektrischen Stroms bei Anlegen der elektrischen Spannung beispielsweise näher an der Kurve K₁ bzw. K1' oder der für Wasserstoff vorgegebenen Kurve liegen.
Den vorangehend und mit Bezug auf die 2 bis 4 dargestellten Zusammenhang zwischen der Abfuhr von Wärme bzw. der zeitlichen Änderung des elektrischen Stroms und dem das PTC-Erfassungselement 30 umgebenden Medium wird gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung genutzt, um Medium-Information bereitzustellen, welche das Medium bzw. dessen Aggregatzustand identifiziert. Hierzu können beispielsweise in der Ansteuereinheit 26 die in den 3 und 4 dargestellten Kurven K₁, K₂, K₃ bzw. K1', K₂', K₃' und ggf. weitere andere Medien, wie z. B. Wasserstoff, repräsentierende Kurven als Medium-Referenzen hinterlegt sein. Auch einzelne Werte oder Wertebereiche dieser Kurven können, je nachdem, in welcher Art die Auswertung erfolgt, als Medium-Referenzen hinterlegt sein. Grundsätzlich ist es auch möglich, nur eine einzige Medium-Referenz als Basis-Referenz zu hinterlegen und den jeweils erfassten Strom in Bezug auf diese Basis-Referenz auszuwerten. Dies ermöglicht eine vergleichsweise einfache schaltungstechnische Struktur der Ansteuereinheit 26 zum Vergleich der Basis-Referenz mit dem erfassten Wert des Stroms bzw. des Gradienten desselben durch eine Komparatorschaltung.
Die 3 veranschaulicht anhand der Kurve K₄ einen im Betrieb der Brennstoffzellen-Abgasanlage 10 tatsächlich durchgeführten Messvorgang bzw. den bei einem derartigen Messvorgang erfassten elektrischen Strom. Im dargestellten Beispiel ist die Kurve K₄ sehr nahe an der Kurve K₁, was in diesem angenommenen Beispiel darauf zurückzuführen ist, dass in dem Medium-Sammelvolumen 16 primär Luft enthalten ist.
Der anhand einer Messung aufgenommene und durch die Kurve K₄ repräsentierte Verlauf des elektrischen Stroms wird zu einem vorgegebenen Zeitpunkt bzw. in einem vorgegebenen Zeitraum nach Beginn des Anlegens der elektrischen Spannung an das PTC-Erfassungselement 30 ausgewertet. Dieser Zeitpunkt bzw. dieser Zeitraum wird so gewählt, dass einerseits angenommen werden kann, dass verschiedene Medien zu deutlich verschiedenen Strömen durch das PTC-Erfassungselement 30 geführt haben, andererseits jedoch auch eine übermäßige Erwärmung des PTC-Erfassungselements 30 und somit auch des dieses umgebenden Mediums noch nicht aufgetreten ist. Beispielsweise kann als derartiger Zeitraum bzw. als derartiges Zeitintervall das Intervall zwischen den Zeitpunkten t₁ und t₂ im Bereich zwischen 0,1 und 0,3 Sekunden nach dem Beginn des Anlegens der elektrischen Spannung gewählt werden. Zu diesen Zeitpunkten t₁ und t₂ kann der jeweils durch das PTC-Heizelement 30 fließende elektrische Strom erfasst werden und es kann der Gradient, also die zeitliche Änderung des elektrischen Stroms, für dieses Intervall ermittelt werden. Für jede der dargestellten Kurven K₁, K₂, K₃ bzw. der jeweils zugehörigen Medien repräsentiert die jeweilige Medium-Referenz einen charakteristischen Gradienten, so dass durch Auswerten des Gradienten der Kurve K₄ darauf geschlossen werden kann, von welchem Medium das PTC-Erfassungselement umgeben ist. Hierzu kann der anhand der Kurve K₄ ermittelte Gradient verglichen werden mit den für die Medium-Referenzen bzw. die Kurven K₁ und K₂ und K₃ charakteristischen Gradienten, und anhand des Vergleichs kann festgestellt werden, im Bereich welcher Medium-Referenz der für die Kurve K₄ ermittelte Gradient liegt. Dies gestattet einen Rückschluss darauf, welches Medium das PTC-Erfassungselement 30 umgibt bzw., sofern Wasser das umgebende Medium ist, in welchem Aggregatzustand dieses ist. Bei einer alternativen Vorgehensweise kann anstelle oder zusätzlich zu dem Gradienten, also der zeitlichen Änderung des elektrischen Stroms, der Wert desselben zu einem bestimmten Zeitpunkt, also beispielsweise zum Zeitpunkt t₁ oder t₂, ausgewertet und mit dem in diesem Falle als Medium-Referenz zu betrachtenden Wert der Kurven K₁, K₂ bzw. .K₃ verglichen werden. Auch durch diesen Vergleich wird erkennbar, welches Medium das PTC-Erfassungselement umgibt bzw. welchen Aggregatzustand dieses Medium hat.
Die auf diese Art und Weise bereitgestellte Information kann beispielsweise dazu genutzt werden, bei Bedarf die Medium-Heizeinheit 22 in Betrieb zu setzen, so dass dann, wenn das PTC-Erfassungselement 28 von gefrorenem Wasser umgeben ist und beispielsweise das Medium-Sammelvolumen 16 geleert werden soll, durch Erregen der Medium-Heizeinheit 22 das gefrorene Wasser aufgetaut und dann über das Ablassventil 20 abgegeben werden kann. Gleichermaßen kann die Medium-Sensoreinheit 28 als Pegelsensor genutzt werden, so dass dann, wenn erkannt wird, dass das Medium-Sammelvolumen 16 bis zu einer bestimmten Höhe, in welcher das PTC-Erfassungselement 30 angeordnet ist, gefüllt ist, bei Bedarf Wasser aus dem Medium-Sammelvolumen abgegeben werden kann.
Wird erkannt, dass das PTC-Erfassungselement 30 von einem Medium umgeben ist, das in großem Ausmaß Wasserstoff enthält, was ein Indiz dafür ist, dass eine vergleichsweise große Wasserstoffmenge aus einer Brennstoffzelle abgegeben wird, kann zum Vermeiden einer kritischen Wasserstoffkonzentration beispielsweise dem Brennstoffzellen-Abgas B Luft beigemengt werden, um dadurch die Wasserstoffkonzentration im Brennstoffzellen-Abgas B zu senken. Zur Erfassung der Wasserstoffkonzentration im Brennstoffzellen-Abgas B kann es insbesondere auch vorteilhaft sein, alternativ oder zusätzlich zum Vorsehen des PTC-Erfassungselements 30 im Sammelvolumen 16 ein derartiges PTC-Erfassungselement direkt in der Brennstoffzellen-Abgasleitung 12 zu positionieren, so dass auch das Vorhandensein von nicht in das Sammelvolumen 16 gelangendem Wasserstoff erkannt werden kann.
Insbesondere bei der Erfassung von Wasserstoff als das ein PTC-Erfassungselement umgebende Medium besteht auch die Möglichkeit, Defekte oder Fehlerzustände in einem Brennstoffzellensystem zu erkennen. Wird beispielsweise erkannt, dass zu einem Zeitpunkt, zu welchem Wasserstoff in der Brennstoffzellen-Abgasanlage 10 nicht vorhanden sein sollte, gleichwohl Wasserstoff in der Umgebung eines PTC-Erfassungselements vorhanden ist, deutet dies auf ein möglicherweise undichtes Ventil im Wasserstoffkreislauf oder eine falsche Beschaltung hin, so dass entsprechende Warnungen erzeugt werden können bzw. Sicherheitsmaßnahmen ergriffen werden können.
Um eine Verfälschung des Erfassungsergebnisses durch eine übermäßig starke Erwärmung des PTC-Erfassungselements 30 zu vermeiden, wird die an dieses angelegte elektrische Spannung so gewählt, dass die Temperatur des PTC-Erfassungselements 30 einen Wert von 60°C, vorzugsweise von 40°C, nicht übersteigt. Dies hat zur Folge, dass für den Fall, dass das das PTC-Erfassungselement 30 umgebende Medium gefrorenes Wasser ist, ein spontanes Auftauen der Grenzfläche zum Medium-Erfassungsbereich 32 nicht auftritt, was das Vorliegen als flüssiges Medium, also Wasser, mit einer deutlich anderen Wärmeleitfähigkeit als Eis zur Folge hätte. Auch das Durchführen der Auswertung, also das Vergleich mit Medium-Referenzen zu einem Zeitpunkt vergleichsweise kurz nach dem Beginn des Anliegens der elektrischen Spannung gewährleistet, dass das zu detektierende Medium durch das PTC-Erfassungselement selbst noch nicht in einem das Messungsergebnis möglicherweise verfälschenden Ausmaß erwärmt worden ist.
Aufgrund des Umstandes, dass PTC-Materialien im Allgemeinen eine derartigen Verlauf einer Widerstands-Temperatur-Kennlinie aufweisen, dass bei vergleichsweise niedrigen Temperaturen die Kennlinie einen relativ flachen, in Richtung zu abnehmenden Temperaturen ggf. geringfügig zunehmenden Verlauf aufweisen, ist gewährleistet, dass auch bei sehr tiefen Temperaturen eine zuverlässige Unterscheidung der Medien, insbesondere dahingehend, ob das PTC-Erfassungselement von Eis oder Wasser in flüssigem Zustand umgeben ist, erfolgen kann.
Es ist darauf hinzuweisen, dass selbstverständlich in der Brennstoffzellen-Abgasanlage 10 mehrere PTC-Erfassungselemente 30 vorgesehen sein können, um beispielsweise an verschiedenen Positionen oder in verschiedenen Höhen im Medium-Sammelgehäuse 14 Information über das ein jeweiliges PTC-Erfassungselement umgebende Medium bereitstellen zu können. Auch ist es grundsätzlich möglich, die Funktion der Medium-Sensoreinheit und der Medium-Heizeinheit in ein und dasselbe PTC-Element oder ggf. mehrere PCT-Elemente zu integrieren, so dass ein derartiges PTC-Element bei Anlegen einer Messspannung als PTC-Erfassungselement betrieben wird und dann, wenn im Medium-Sammelvolumen vorhandenes gefrorenes Wasser aufgetaut werden soll, durch Anlegen einer Heizspannung das Auftauen bewirken kann. Um jedoch die Medium-Sensoreinheit einerseits und die Medium-Heizeinheit andererseits an die durch diese zu erfüllenden Funktionen optimiert angepasst ausgestalten zu können, kann es vorteilhaft sein, diese baulich getrennt voneinander auszuführen, so wie in 1 dargestellt.

Claims

Brennstoffzellen-Abgasanlage, umfassend eine von Brennstoffzellen-Abgas (B) durchströmbare Brennstoffzellen-Abgasleitung (12), wobei der Brennstoffzellen-Abgasleitung (12) oder/und einem zur Brennstoffzellen-Abgasleitung (12) offenen Medium-Sammelvolumen (16) für aus die Brennstoffzellen-Abgasleitung (12) durchströmendem Brennstoffzellen-Abgas (B) abgeschiedene Medien eine Medium-Sensoreinheit (28) zugeordnet ist zum Bereitstellen von Medium-Information über das Vorhandensein wenigstens eines Mediums, wobei die Medium-Sensoreinheit (28) wenigstens ein PTC-Erfassungselement (30) umfasst.
Brennstoffzellen-Abgasanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Medium-Sammelvolumen (16) in einem Medium-Sammelgehäuse (14) ausgebildet ist, und dass wenigstens ein PTC-Erfassungselement (30) in dem Medium-Sammelgehäuse (14) angeordnet ist.
Brennstoffzellen-Abgasanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein PTC-Erfassungselement (30) folienartig oder plattenartig ausgebildet ist, oder/und dass wenigstens ein PTC-Erfassungselement (30) eine Dicke (D) von weniger als 1 mm aufweist.
Brennstoffzellen-Abgasanlage nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein PTC-Erfassungselement (30) einen bezüglich das PTC-Erfassungselement (30) umgebendes Medium elektrisch isolierten Medium-Erfassungsbereich (32) aufweist.
Brennstoffzellen-Abgasanlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Medium-Erfassungsbereich (32) durch eine diesen überdeckende Isolierbeschichtung (34), vorzugsweise Isolierlack, bezüglich des Mediums elektrisch isoliert ist.
Brennstoffzellen-Abgasanlage nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, dass dem Medium-Sammelvolumen (16) wenigstens eine Medium-Heizeinheit (22) zum Erwärmen von in dem Medium-Sammelvolumen (16) enthaltenem Medium zugeordnet ist.
Brennstoffzellen-Abgasanlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Medium-Heizeinheit (22) ein PTC-Heizelement (24) umfasst.
Brennstoffzellen-Abgasanlage nach einem der Ansprüche 1-7, gekennzeichnet durch eine Ansteuereinheit (26), wobei die Ansteuereinheit (26) dazu ausgebildet ist, zum Bereitstellen der Medium-Information eine elektrische Spannung an das wenigstens eine PTC-Erfassungselement (30) anzulegen und die Medium-Information auf der Grundlage des bei an das wenigstens eine PTC-Erfassungselement (30) angelegter elektrischer Spannung durch das PTC-Erfassungselement (30) fließenden elektrischen Stroms bereitzustellen.
Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellen-Abgasanlage (10) nach einem der Ansprüche 1-8, umfassend die Maßnahmen: a) Anlegen einer elektrischen Spannung an das wenigstens eine PTC-Erfassungselement (30), b) Erfassen des durch das wenigstens eine PTC-Erfassungselement (30) fließenden elektrischen Stroms, c) auf der Grundlage des bei der Maßnahme b) erfassten elektrischen Stroms, Bereitstellen der Medium-Information.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Maßnahme a) die elektrische Spannung derart angelegt wird, dass die Temperatur des wenigstens einen PTC-Erfassungselements (30) einen Wert von 60°C, vorzugsweise 40°C, nicht übersteigt.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Maßnahme c) die Medium-Information auf der Grundlage des eine vorbestimmte Zeitdauer nach Beginn des Anlegens der elektrischen Spannung an das wenigstens eine PTC-Erfassungselement (30) erfassten elektrischen Stroms bereitgestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9-11, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Maßnahme c) die Medium-Information auf der Grundlage des Wertes des bei der Maßnahme b) erfassten elektrischen Stroms bereitgestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9-12, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Maßnahme c) die Medium-Information auf der Grundlage der zeitlichen Änderung des Wertes des bei der Maßnahme b) erfassten elektrischen Stroms bereitgestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9-13, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Maßnahme c) der bei der Maßnahme b) erfasste elektrische Strom mit wenigstens einer Medium-Referenz, in Zuordnung zu verschiedenen Medien vorgesehenen Medium-Referenzen, verglichen wird, und dass die Medium-Information auf der Grundlage des Vergleichs des bei der Maßnahme b) erfassten elektrischen Stroms mit der wenigstens einen Medium-Referenz bereitgestellt wird.