DE102022114038A1 - Energy system - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft unter anderem eine Vorrichtung (70) zur Bestimmung des Adsorptionszustands einer Filtereinrichtung (22b) eines Brennstoffzellensystems (22), aufweisend eine Sensoreinrichtung (71), mit wenigstens einem ersten Sensorelement (72) zur Bestimmung von Konzentrationswerten an Verunreinigungen in einem Luftstrom (73), der aus der Filtereinrichtung (22b) austritt. Um kostengünstige Lösungen bereitzustellen, die konstruktiv einfache Komponenten verwenden, die wenig störanfällig sind, und die auf einfache Weise funktionieren, indem so wenige Parameter wie möglich bei der Bestimmung des Adsorptionszustands berücksichtigt werden müssen, weist die Vorrichtung (70) folgende Komponenten auf:eine Auswerteeinrichtung (74) zur qualitativen Auswertung der Konzentrationsänderung an Verunreinigungen im Luftstrom (73), die über eine Schnittstelle (75) mit dem wenigstens einen ersten Sensorelement (72) verbunden ist, und die die folgenden Komponenten aufweist:eine Erfassungseinrichtung (76), die zur, insbesondere kontinuierlichen, Erfassung der von dem wenigstens einen ersten Sensorelement (72) bestimmten Konzentrationswerten an Verunreinigungen im Luftstrom (73) bereitgestellt ist,eine Komparatoreinrichtung (77), die zum Vergleichen der von der Erfassungseinrichtung (76) erfassten Konzentrationswerten an Verunreinigungen im Luftstrom (73) mit Konzentrationsreferenzwerten bereitgestellt ist,eine Ausgabeeinrichtung (78), die derart bereitgestellt ist, dass sie in der Lage ist, ein Ausgabesignal auszugeben, wenn ein von der Erfassungseinrichtung (77) erfasster Konzentrationswert an Verunreinigungen im Luftstrom (73) einen vorgegebenen Wert überschreitet.The present invention relates, among other things, to a device (70) for determining the adsorption state of a filter device (22b) of a fuel cell system (22), comprising a sensor device (71) with at least one first sensor element (72) for determining concentration values of impurities in an air stream (73), which emerges from the filter device (22b). In order to provide cost-effective solutions that use structurally simple components that are less susceptible to failure and that function in a simple manner in that as few parameters as possible have to be taken into account when determining the adsorption state, the device (70) has the following components: an evaluation device (74) for the qualitative evaluation of the change in concentration of impurities in the air flow (73), which is connected to the at least one first sensor element (72) via an interface (75), and which has the following components: a detection device (76), which is used for , in particular continuous, detection of the concentration values of impurities in the air flow (73) determined by the at least one first sensor element (72), a comparator device (77) which is used to compare the concentration values of impurities in the air flow (76) detected by the detection device (76). 73) is provided with concentration reference values, an output device (78) which is provided such that it is able to output an output signal when a concentration value of impurities in the air stream (73) detected by the detection device (77) exceeds a predetermined value .
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft zunächst eine Vorrichtung zur Bestimmung des Adsorptionszustands einer Filtereinrichtung gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1, die insbesondere im Zusammenhang mit einem Brennstoffzellensystem eines Energiesystems zum Einsatz kommt. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Brennstoffzellensystem gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 9, ein Lüftungssystem gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 16, das insbesondere Bestandteil eines Energiesystems ist, sowie ein Energiesystem gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 17. Schließlich betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zur Bestimmung des Adsorptionszustands einer Filtereinrichtung.The present invention initially relates to a device for determining the adsorption state of a filter device according to the preamble of
Energiesysteme der gattungsgemäßen Art sind im Stand der Technik bereits auf vielfältige Weise bekannt. Mit derartigen Systemen wird üblicherweise Energie für verschiedenste Anwendungsgebiete erzeugt und bereitgestellt.Energy systems of the generic type are already known in many ways in the prior art. Such systems usually generate and provide energy for a wide variety of application areas.
Bei einer bekannten Art solcher Energiesysteme wird in einer ersten Energiequelle Energie erzeugt. Bei der erzeugten Energie kann es sich beispielsweise um Wasserstoff handeln. Der Wasserstoff wird beispielsweise in einer Elektrolyseeinrichtung erzeugt und anschließend in einer Speichereinrichtung gespeichert. Hierbei handelt es sich beispielsweise um eine erste Betriebsweise des Energiesystems. Während des Betriebs des Energiesystems wird der Wasserstoff aus der Speichereinrichtung ausgespeichert und in einem Brennstoffzellensystem verbraucht. Hierbei handelt es sich beispielsweise um eine zweite Betriebsweise des Energiesystems. Üblicherweise sind die vorbeschriebenen Komponenten des Energiesystems räumlich voneinander getrennt und über eine Verbindungsleitungseinrichtung miteinander verbunden. Beide vorgenannten Betriebsweisen bedürfen üblicherweise eines unterschiedlichen Druckniveaus. Während in der ersten Betriebsweise mit der Elektrolyse Drücke von 20 bis 60 bar vorherrschen, sind für den Betrieb der Brennstoffzelleneinrichtung in der zweiten Betriebsweise Drücke von kleiner 20 bar erforderlich.In a known type of such energy system, energy is generated in a first energy source. The energy produced can be hydrogen, for example. The hydrogen is produced, for example, in an electrolysis device and then stored in a storage device. This is, for example, a first mode of operation of the energy system. During operation of the energy system, the hydrogen is removed from the storage device and consumed in a fuel cell system. This is, for example, a second mode of operation of the energy system. The above-described components of the energy system are usually spatially separated from one another and connected to one another via a connecting line device. Both of the aforementioned operating modes usually require different pressure levels. While pressures of 20 to 60 bar prevail in the first operating mode with electrolysis, pressures of less than 20 bar are required to operate the fuel cell device in the second operating mode.
Damit solche Energiesysteme möglichst umfassend, beispielsweise in Form von Hausenergiesystemen, eingesetzt werden können, ist es im Stand der Technik bereits bekannt geworden, ein wie vorstehend beschriebenes Energiesystem um ein Lüftungssystem zu erweitern. Das Lüftungssystem hat insbesondere die Funktion, in einem Raum, beispielsweise in einem Aufenthaltsraum in einem Haus, ein gewünschtes Raumklima zu erzeugen, beispielsweise indem der Raum entsprechend belüftet und/oder geheizt und/oder gekühlt wird. Das Lüftungssystem kann im Betrieb auf Prozesse des Energiesystems zurückgreifen. Ein solches bekanntes Lüftungssystem ist beispielsweise in der
Bei derartigen Energiesystemen und Lüftungssystemen handelt es sich um kompakte Systeme, in denen die einzelnen Komponenten effizient genutzt werden. Durch eine Mehrfachnutzung einzelner Komponenten in verschiedenen Prozessen können zudem Herstellungskosten des Systems reduziert werden. Zudem können an einzelnen Stellen des Systems entstehende Prozessresultate, die ansonsten als „Abfallprodukte“ behandelt würden, in manchen Fällen noch für an anderen Stellen des Systems ablaufende Prozesse als „Ausgangsprodukte“ genutzt werden. Zu denken ist hier beispielsweise an entstehende Luftströme, Wärme und dergleichen.Such energy systems and ventilation systems are compact systems in which the individual components are used efficiently. By using individual components multiple times in different processes, the manufacturing costs of the system can also be reduced. In addition, process results arising at individual points in the system that would otherwise be treated as “waste products” can in some cases still be used as “initial products” for processes occurring at other points in the system. One example here is the resulting air flows, heat and the like.
So kann beispielsweise die im Lüftungssystem entstehende Abluft auch als Zuluft für das Brennstoffzellensystem verwendet werden. Die Zuluft zum Brennstoffzellensystem, die beispielsweise der Abluft aus dem Lüftungssystem entspricht, kann aber Verunreinigungen enthalten, die für das Brennstoffzellensystem, insbesondere für die Brennstoffzellen, schädlich sind. Aus diesem Grund weist das Brennstoffzellensystem in der Regel eine Filtereinrichtung auf, die die Funktion hat, Verunreinigungen aus dem Luftstrom, der in das Brennstoffzellensystem eintritt, auszufiltern. Die Filtereinrichtung ist, insbesondere kathodenseitig, in Strömungsrichtung des Luftstroms vor den eigentlichen Brennstoffzellen des Brennstoffzellensystems angeordnet.For example, the exhaust air generated in the ventilation system can also be used as supply air for the fuel cell system. However, the supply air to the fuel cell system, which corresponds, for example, to the exhaust air from the ventilation system, can contain impurities that are harmful to the fuel cell system, in particular to the fuel cells. For this reason, the fuel cell system usually has a filter device that has the function of filtering out impurities from the air flow that enters the fuel cell system. The filter device is arranged, in particular on the cathode side, in the flow direction of the air flow in front of the actual fuel cells of the fuel cell system.
Eine zu hohe Konzentration an Verunreinigungen in dem Luftstrom, der in die Brennstoffzelle eintritt, führt im besten Fall zu einer Reduzierung der Leistung der Brennstoffzelle, in der Regel aber auch zu einer Beschädigung in Form einer irreversiblen Alterung bzw. eines irreversiblen Leistungsverlustes der Brennstoffzelle, bis hin zu deren Teilausfall oder sogar Totalausfall. Aus diesem Grund ist es erforderlich zu wissen, wie der Beladungszustand der den Brennstoffzellen vorgeschalteten Filtereinrichtung, das heißt deren Adsorptionszustand, ist, mit dem Ziel diese Filtereinrichtung rechtzeitig zu erneuern.A too high concentration of impurities in the air flow that enters the fuel cell leads in the best case to a reduction in the performance of the fuel cell, but usually also to damage in the form of irreversible aging or an irreversible loss of performance of the fuel cell to their partial failure or even total failure. For this reason, it is necessary to know what the loading state of the filter device upstream of the fuel cells is, i.e. its adsorption state, with the aim of renewing this filter device in a timely manner.
In der
Nachteilig bei der bekannten Lösung ist zunächst, dass das Verfahren aufwändig ist, da eine Rechnereinheit erforderlich ist, in der umfangreiche Berechnungen durchgeführt werden müssen. Zudem ist die Lösung störanfällig, da zur Erzeugung des Schätzwerts nebeneinander mehrere unterschiedliche Parameter, insbesondere gleichzeitig die Schadstoffkonzentration im Gas und der Gasvolumenstrom, hinreichend genau und langzeitstabil erfasst werden müssen, wobei verschiedene Komponenten zusammenspielen müssen. Gibt es hier nur bei einem Parameter Probleme, ist die ganze Messung hinfällig. Problematisch ist auch die in der Regel schlecht bekannte und oft auch chargenabhängige Kapazität der Filtereinrichtung. Eine weitere Störgröße für eine exakte Bestimmung der Filterkapazität ist eine im Allgemeinen ungleichförmige Durchströmung der Filtereinrichtung, was lokal unterschiedliche, ungleichmäßige Beladungsgrade erzeugt und auch bereits Schadstoffdurchbrüche erzeugt, wenn die mittlere Belastung des Filters noch weit unterhalb der Beladungsgrenze ist. Wenn das Brennstoffzellensystem in einem Energiesystem oder in einem Lüftungssystem der eingangs genannten Art eingesetzt wird, können jedoch unbekannte, zeitlich stark veränderliche Schadstoffkonzentrationen in der Abluft des Lüftungssystems auftreten, die als Zuluft für das Brennstoffzellensystem verwendet wird. Die bekannte Lösung ist deshalb insbesondere für den Einsatz im Zusammenhang mit einem Energiesystem oder einem Lüftungssystem ungeeignet. Bei solchen Einsatzgebieten ist es deshalb nach wie vor erforderlich, die Filtereinrichtung in der Zuluft zu den Brennstoffzellen in festen Serviceintervallen zu überprüfen, die aufgrund der vorgenannten möglichen Schwankungen an Verunreinigungen im Luftstrom, aus Sicherheitsgründen ausreichend kurz gewählt werden müssen.The disadvantage of the known solution is, first of all, that the method is complex, since a computer unit is required in which extensive calculations have to be carried out. In addition, the solution is prone to failure, since in order to generate the estimated value, several different parameters, in particular the pollutant concentration in the gas and the gas volume flow, must be recorded side by side with sufficient accuracy and long-term stability, with different components having to interact. If there are problems with just one parameter, the entire measurement is invalid. Another problem is the generally poorly known and often batch-dependent capacity of the filter device. Another disturbance variable for an exact determination of the filter capacity is a generally non-uniform flow through the filter device, which creates locally different, uneven loading levels and also causes breakthroughs of pollutants when the average load on the filter is still well below the loading limit. However, if the fuel cell system is used in an energy system or in a ventilation system of the type mentioned at the beginning, unknown pollutant concentrations that vary greatly over time can occur in the exhaust air of the ventilation system, which is used as supply air for the fuel cell system. The known solution is therefore particularly unsuitable for use in connection with an energy system or a ventilation system. In such areas of application, it is therefore still necessary to check the filter device in the supply air to the fuel cells at fixed service intervals, which must be chosen to be sufficiently short for safety reasons due to the aforementioned possible fluctuations in contaminants in the air flow.
Der vorliegenden Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Bestimmung des Adsorptionszustands bzw. der Wirksamkeit einer Filtereinrichtung, ein Brennstoffzellensystem, ein Lüftungssystem und ein Energiesystem der eingangs genannten Art, derart weiterzubilden, dass die zum Stand der Technik beschriebenen Nachteile vermieden werden. Da es bei den einzelnen Systemkomponenten, insbesondere, wenn sie in Lüftungssystemen und Energiesystemen eingesetzt werden, darauf ankommt, kostenoptimiert zu agieren, besteht die Aufgabe insbesondere darin, kostengünstige Lösungen bereitzustellen, die konstruktiv einfache Komponenten verwenden, die wenig stör- und messfehleranfällig sind, und die auf einfache Weise funktionieren, indem so wenige Parameter wie möglich bei der Bestimmung des Adsorptionszustands der Filtereinrichtung berücksichtigt werden müssen. Verwendete Sensorelemente sollen dabei so einfach wie möglich ausgestaltet sein. Weiterhin soll ein in entsprechender Weise verbessertes Verfahren zur Bestimmung des Adsorptionszustands einer Filtereinrichtung bereitgestellt werden.The present invention is therefore based on the object of developing a device for determining the adsorption state or the effectiveness of a filter device, a fuel cell system, a ventilation system and an energy system of the type mentioned in such a way that the disadvantages described in the prior art are avoided. Since it is important for the individual system components, especially when they are used in ventilation systems and energy systems, to operate in a cost-optimized manner, the task is particularly to provide cost-effective solutions that use structurally simple components that are less susceptible to interference and measurement errors, and which work in a simple manner by requiring as few parameters as possible to be taken into account when determining the adsorption state of the filter device. The sensor elements used should be designed to be as simple as possible. Furthermore, a correspondingly improved method for determining the adsorption state of a filter device is to be provided.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Vorrichtung zur Bestimmung des Adsorptionszustands einer Filtereinrichtung mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1, welche den ersten Aspekt der Erfindung darstellt, durch das Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 9, welches den zweiten Aspekt der Erfindung darstellt, durch das Lüftungssystem mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 16, welches den dritten Aspekt der Erfindung darstellt, durch das Energiesystem mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 17, welches den vierten Aspekt der Erfindung darstellt, sowie durch das Verfahren zur Bestimmung des Adsorptionszustands einer Filtereinrichtung mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 18, welches den fünften Aspekt der Erfindung darstellt.This object is achieved according to the invention by the device for determining the adsorption state of a filter device with the features of
Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung sowie den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit einem der Erfindungsaspekte offenbart sind, vollumfänglich auch im Zusammenhang mit allen anderen Erfindungsaspekten, und umgekehrt, so dass hinsichtlich der Offenbarung der einzelnen Erfindungsaspekte stets vollinhaltlich auch Bezug auf die jeweils anderen Erfindungsaspekte genommen wird.Further features and details of the invention emerge from the subclaims, the description and the drawings. Features and details that are disclosed in connection with one of the aspects of the invention also apply in full in connection with all other aspects of the invention, and vice versa, so that with regard to the disclosure of the individual aspects of the invention, full reference is always made to the other aspects of the invention.
Allen Erfindungsaspekten liegt das gemeinsame erfinderische Konzept zugrunde, dass der Adsorptionszustand einer Filtereinrichtung auf qualitative Weise über deren Wirksamkeit bestimmt wird. Als Adsorptionszustand wird insbesondere der Grad der Anlagerung von Atomen oder Molekülen von Stoffen, hier von Verunreinigungen, die insbesondere gasförmig vorliegen, an den Oberflächen des Materials der Filtereinrichtung verstanden. Eine qualitative Bestimmung des Adsorptionszustands ist insbesondere eine Bestimmung der sich ändernden Adsorptionswirksamkeit über die Zeit. Die Bestimmung des Adsorptionszustands ist insbesondere eine Ermittlung des Adsorptionszustands. Das kann auf verschiedene Weise erfolgen, beispielsweise durch Messung, durch Berechnung oder durch eine Kombination von Messung und Berechnung. Die letztgenannte Variante sieht insbesondere vor, dass Werte mittels eines Sensorelements gemessen werden, und dass diese Messwerte anschließend ausgewertet werden.All aspects of the invention are based on the common inventive concept that the adsorption state of a filter device is determined in a qualitative manner via its effectiveness. The adsorption state is understood to mean, in particular, the degree of attachment of atoms or molecules of substances, here of impurities, which are particularly present in gaseous form, on the surfaces of the material of the filter device. A qualitative determination of the adsorption state is ins in particular a determination of the changing adsorption effectiveness over time. The determination of the adsorption state is in particular a determination of the adsorption state. This can be done in various ways, for example by measurement, by calculation or by a combination of measurement and calculation. The last-mentioned variant provides in particular that values are measured using a sensor element and that these measured values are then evaluated.
Nachfolgend werden zunächst die grundlegenden Zusammenhänge und Vorteile der Erfindung gemäß der einzelnen Erfindungsaspekte beschrieben.The basic connections and advantages of the invention are first described below according to the individual aspects of the invention.
Bei der erfindungsgemäßen Lösung wird die Messung der Konzentration an Verunreinigungen im Luftstrom vor der Filtereinrichtung, so wie dies bei der aus dem Stand der Technik bekannten Lösung der Fall ist, nicht gebraucht, um zu bestimmen, wie viele Verunreinigungen, bei denen es sich insbesondere um Schadstoffe handelt, in die Filtereinrichtung gelangt sind und deren Kapazität dadurch erschöpfen. Erfindungsgemäß wird vielmehr bestimmt, ob bei einer Durchströmung der Filtereinrichtung die Konzentration an Verunreinigungen im Luftstrom qualitativ deutlich abnimmt. Ist dies der Fall, ist die Filtereinrichtung noch aktiv. Im besten Fall kann dies durch ein einziges Sensorelement realisiert werden, wie anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele weiter unten näher erläutert wird. Für die qualitative Auswertung einer Signalveränderung reicht in der Regel ein einfaches Sensorelement, welches zudem nicht hoch-genau sein muss.In the solution according to the invention, the measurement of the concentration of impurities in the air stream in front of the filter device, as is the case with the solution known from the prior art, is not needed to determine how many impurities, in particular These are pollutants that have entered the filter device and thereby exhaust its capacity. According to the invention, it is rather determined whether the concentration of impurities in the air flow decreases significantly in quality when the air flows through the filter device. If this is the case, the filter device is still active. In the best case, this can be achieved by a single sensor element, as will be explained in more detail below using preferred exemplary embodiments. For the qualitative evaluation of a signal change, a simple sensor element is usually sufficient, which does not have to be highly precise.
Wenn der Adsorptionszustand, das heißt die Beladung, und damit die Wirksamkeit der Filtereinrichtung detektiert werden kann, kann eine der Filtereinrichtung nachfolgende Komponente, beispielsweise eine Brennstoffzelle, und hier insbesondere eine Kathode der Brennstoffzelle, zuverlässig vor Verunreinigungen, insbesondere vor Schadstoffen geschützt werden. Zum anderen kann dadurch ein wie eingangs beschriebenes Serviceintervall optimiert werden. Zudem kann mit der Erfindung einer unbekannten, gegebenenfalls zeitlich stark veränderlichen Konzentration an Verunreinigungen, beispielsweise einer Schadstoffkonzentration, in dem in die Filtereinrichtung eintretenden Luftstrom Rechnung getragen werden.If the adsorption state, i.e. the load, and thus the effectiveness of the filter device can be detected, a component following the filter device, for example a fuel cell, and here in particular a cathode of the fuel cell, can be reliably protected from contamination, in particular from pollutants. On the other hand, a service interval as described above can be optimized. In addition, the invention can take into account an unknown concentration of impurities, which may vary greatly over time, for example a pollutant concentration, in the air stream entering the filter device.
Wenn die Filtereinrichtung einen zu hohen Beladungszustand, das heißt einen zu hohen Adsorptionszustand, den man als kritischen Adsorptionsgrad bezeichnen kann, erreicht hat, steigt die Konzentration an Verunreinigungen in dem die Filtereinrichtung verlassenden Luftstrom stark an und übersteigt gegebenenfalls die zulässigen Grenzwerte. Es gibt Sensorelemente, zu denen weiter unten eine Reihe von bevorzugten Ausführungsformen beschrieben werden, die eine oder mehrere Verunreinigungsmaterialien, das heißt Stoffe, in einem Luftstrom detektieren können. Wenn die Konzentration vor und nach der Filtereinrichtung gemessen wird, wird die aktuelle Wirksamkeit der Filtereinrichtung bezüglich dieser Verunreinigungsgruppe beziehungsweise bezügliche der betreffenden Verunreinigungsgruppe erkennbar. Es wird insbesondere von der Annahme ausgegangen, dass eine schlechter wirksame Filtereinrichtung auf die Belegung einer Vielzahl der aktiven Zentren der Filtereinrichtung hindeutet und damit auf die schlechter werdende Filterwirkung auch anderer Verunreinigungsmaterialien, das heißt Stoffe, mit vergleichbarem Adsorptionsverhalten. Hierbei reicht es erfindungsgemäß aus, die qualitative Veränderung zu messen. Das heißt, bei der absoluten Genauigkeit der Sensorelemente kann ein niedrigerer Anspruch gestellt werden. Das führt zu kostengünstigeren Lösungen.If the filter device has reached a loading state that is too high, that is, an adsorption state that is too high, which can be referred to as a critical degree of adsorption, the concentration of impurities in the air flow leaving the filter device increases sharply and may exceed the permissible limit values. There are sensor elements, for which a number of preferred embodiments are described below, which can detect one or more contaminant materials, i.e. substances, in an air stream. If the concentration is measured before and after the filter device, the current effectiveness of the filter device with regard to this impurity group or with respect to the relevant impurity group can be seen. In particular, it is based on the assumption that a less effective filter device indicates the occupancy of a large number of the active centers of the filter device and thus the worsening filter effect of other contaminant materials, i.e. substances with comparable adsorption behavior. According to the invention, it is sufficient to measure the qualitative change. This means that lower demands can be made on the absolute accuracy of the sensor elements. This leads to more cost-effective solutions.
Es reicht erfindungsgemäß also aus, die zeitliche Veränderung der Adsorption von einer oder mehreren Verunreinigungsklassen, beziehungsweise Stoffklassen, zu detektieren. Bevorzugt ist, stromauf der Filtereinrichtung und stromab der Filtereinrichtung die Konzentrationsunterschiede zu messen. Unter speziellen Voraussetzungen, die weiter unten näher beleuchtet werden, reicht es sogar, mit einem Sensorelement beziehungsweise mit einer Gruppe von Sensorelementen an einer Stelle zu messen. Dies führt dann zur Einsparung von Sensorelementen, wenn nur an einer Stelle zu messen ist.According to the invention, it is sufficient to detect the change over time in the adsorption of one or more impurity classes or substance classes. It is preferred to measure the concentration differences upstream of the filter device and downstream of the filter device. Under special conditions, which will be discussed in more detail below, it is even sufficient to measure with one sensor element or with a group of sensor elements at one point. This then leads to a saving of sensor elements if measurements only have to be taken at one point.
Erfindungsgemäß ist realisiert, dass über ein Sensorelement, das hinter der Filtereinrichtung platziert ist, die Beladung der Filtereinrichtung bestimmt, beispielsweise gemessen und/oder berechnet wird. Darüber kann das Austauschintervall der Filtereinrichtung angegeben werden. Die Filtereinrichtung ist beladen, wenn es über das Sensorelement eine messbare Konzentrationssteigerung über ein Zeitintervall hinweg an Verunreinigungen im untersuchten Luftstrom gibt. Die Verwendung eines zusätzlichen Sensorelements vor der Filtereinrichtung führt zu einer Verbesserung der Genauigkeit, da über eine Differenzenbildung vor und nach der Filtereinrichtung die Aufnahmeleistung der Filtereinrichtung bestimmt werden kann und/oder die Genauigkeit der dann zwei Sensoren in bestimmten Betriebszuständen gegenseitig abgeglichen werden kann.According to the invention, it is realized that the load of the filter device is determined, for example measured and/or calculated, via a sensor element that is placed behind the filter device. The replacement interval of the filter device can be specified. The filter device is loaded when there is a measurable increase in the concentration of impurities in the air flow being examined via the sensor element over a time interval. The use of an additional sensor element in front of the filter device leads to an improvement in accuracy, since the input power of the filter device can be determined by forming a difference before and after the filter device and / or the accuracy of the two sensors can then be mutually adjusted in certain operating states.
Vorteile der vorliegenden Erfindung bestehen insbesondere darin, dass die Serviceintervalle optimiert und die Kosten für erforderliche Servicehandlungen reduziert werden können, und dass es eine geringe Gefahr für Beschädigungen von Komponenten nach der Filtereinrichtung, beispielsweise für eine Degradation von der Filtereinrichtung nachgeschatteten Brennstoffzellen, gibt. Dies führt zu einer längeren Lebensdauer.Advantages of the present invention are, in particular, that the service intervals can be optimized and the costs for required service actions can be reduced, and that there is a low risk of damage to components downstream of the filter device, for example there is degradation of the fuel cells behind the filter device. This leads to a longer lifespan.
Im Folgenden werden, auch unter Berücksichtigung der vorstehenden allgemeinen Erläuterungen zur Erfindung, die einzelnen Erfindungsaspekte im Detail erläutert.The individual aspects of the invention are explained in detail below, also taking into account the above general explanations of the invention.
Gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung wird eine Vorrichtung zur Bestimmung des Adsorptionszustands einer Filtereinrichtung bereitgestellt, welche die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs 1 aufweist. Insbesondere ist diese Vorrichtung zur Bestimmung des Adsorptionszustands eines Brennstoffzellensystems bereitgestellt. Mit der Vorrichtung wird somit der Beladungszustand der Filtereinrichtung bestimmt. Insbesondere wird dabei ein kritischer Adsorptionsgrad, das heißt eine kritische Adsorptionsintensität, bestimmt.According to the first aspect of the invention, a device for determining the adsorption state of a filter device is provided, which has the features of
Die Vorrichtung, die im weiteren Verlauf gelegentlich auch als Bestimmungsvorrichtung bezeichnet wird, weist eine Sensoreinrichtung auf. Diese Sensoreinrichtung umfasst eines oder mehrere Sensorelemente. In einigen Ausführungsformen, die weiter unten näher beschrieben sind, weist die Sensoreinrichtung nur ein Sensorelement auf. In anderen Ausführungsformen weist die Sensoreinrichtung mehr als ein Sensorelement, beispielsweise zwei oder drei Sensorelemente, auf.The device, which is also occasionally referred to as a determination device below, has a sensor device. This sensor device comprises one or more sensor elements. In some embodiments, which are described in more detail below, the sensor device has only one sensor element. In other embodiments, the sensor device has more than one sensor element, for example two or three sensor elements.
Erfindungsgemäß weist die Sensoreinrichtung wenigstens ein erstes Sensorelement zur, insbesondere kontinuierlichen, Bestimmung von Konzentrationswerten an Verunreinigungen in einem Luftstrom, der aus der Filtereinrichtung austritt, auf. Die ersten Sensorelemente zeichnen sich im Lichte der vorliegenden Beschreibung funktional dadurch aus, wie anhand bevorzugter Ausführungsformen im weiteren Verlauf im Detail erläutert wird, dass sie Konzentrationswerte an Verunreinigungen in einem Luftstrom bestimmen, beispielsweise messen, der aus der Filtereinrichtung austritt, beziehungsweise der sich in Strömungsrichtung des Luftstroms hinter der Filtereinrichtung befindet, oder der im Bypass an der Filtereinrichtung vorbeigeführt wird. Bei einigen Ausführungsformen kommen auch zweite Sensorelemente zum Einsatz. Diese bestimmen, beispielsweise messen, Konzentrationswerte an Verunreinigungen in einem Luftstrom, der in die Filtereinrichtung eintritt, beziehungsweise der sich in Strömungsrichtung des Luftstroms vor der Filtereinrichtung befindet. Die Erfindung ist nicht auf bestimmte Typen von Sensorelementen beschränkt. Einige bevorzugte Ausführungsformen hierzu werden im weiteren Verlauf der Beschreibung näher erläutert.According to the invention, the sensor device has at least one first sensor element for, in particular continuously, determining concentration values of impurities in an air stream emerging from the filter device. In the light of the present description, the first sensor elements are functionally characterized, as will be explained in detail using preferred embodiments, in that they determine, for example measure, concentration values of impurities in an air stream that emerges from the filter device or that is in the direction of flow of the air flow is located behind the filter device, or which is guided past the filter device in the bypass. In some embodiments, second sensor elements are also used. These determine, for example measure, concentration values of impurities in an air stream that enters the filter device or that is located in front of the filter device in the flow direction of the air flow. The invention is not limited to certain types of sensor elements. Some preferred embodiments of this will be explained in more detail in the further course of the description.
Weiterhin weist die Bestimmungsvorrichtung eine Auswerteeinrichtung zur qualitativen Auswertung der Konzentrationsänderung an Verunreinigungen im Luftstrom auf, die über eine Schnittstelle mit dem wenigstens einen ersten Sensorelement verbunden ist. Die Auswerteeinrichtung weist eine Reihe von Komponenten auf. Diese Komponenten können beispielsweise als eigenständige Bauteile, beispielsweise als elektronische Bauteile oder Bauelemente vorliegen, die miteinander zusammenwirken. Die Komponenten können beispielsweise auch als elektronische Schaltungen oder Schaltungsteile realisiert sein. In anderer Ausgestaltung handelt es sich bei den Komponenten um Logikbausteine oder Algorithmen oder Bestandteile eines Computerprograms. Beispielsweise befähigt ein Computerprogramm eine Datenverarbeitungsanlage, oder eine elektronische Schaltung mit entsprechenden Bauteilen oder Logikbausteinen, dass das Verfahren gemäß dem fünften Erfindungsaspekt, das weiter unten beschrieben ist, ausgeführt wird. In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Komponenten funktionale Komponenten einer Steuerung. Das heißt, die Komponenten sind solche Bestandteile einer Steuerung, die eine bestimmte Funktion ausüben und die sich über diese Funktion definieren. Die Auswerteeinrichtung kann beispielsweise Bestandteil des, insbesondere intelligenten, Sensorelements sein. Die Ergebnisse werden in dem Sensorelement selbst erzeugt und anschließend über die Schnittstelle an einen Empfänger übertragen. In einer anderen bevorzugten Ausführungsform ist die Auswerteeinrichtung Bestandteil einer Steuereinrichtung. Im letztgenannten Fall kann die Bestimmungsvorrichtung, vorzugsweise die Auswerteeinrichtung, eine Schnittstelle zu einer Steuereinrichtung aufweisen. Bei der Steuereinrichtung kann es sich beispielsweise um eine eigens für die Bestimmungsvorrichtung vorgesehene Steuereinrichtung handeln, oder aber, in Anlehnung an die weiteren Erfindungsaspekte, um eine Steuereinrichtung oder um einen Bestanteil einer Steuereinrichtung eines Lüftungssystems oder eines Energiesystems. In anderer Ausgestaltung kann die Steuereinrichtung Bestandteil der Auswerteeinrichtung sein.Furthermore, the determination device has an evaluation device for qualitatively evaluating the change in concentration of impurities in the air flow, which is connected to the at least one first sensor element via an interface. The evaluation device has a number of components. These components can be present, for example, as independent components, for example as electronic components or components that interact with one another. The components can also be implemented, for example, as electronic circuits or circuit parts. In another embodiment, the components are logic modules or algorithms or components of a computer program. For example, a computer program enables a data processing system, or an electronic circuit with corresponding components or logic modules, to carry out the method according to the fifth aspect of the invention, which is described below. In a preferred embodiment, the components are functional components of a controller. This means that the components are parts of a control system that perform a specific function and are defined by this function. The evaluation device can, for example, be part of the, in particular intelligent, sensor element. The results are generated in the sensor element itself and then transmitted to a receiver via the interface. In another preferred embodiment, the evaluation device is part of a control device. In the latter case, the determination device, preferably the evaluation device, can have an interface to a control device. The control device can, for example, be a control device specifically provided for the determination device, or, based on the further aspects of the invention, a control device or a component of a control device of a ventilation system or an energy system. In another embodiment, the control device can be part of the evaluation device.
Im Folgenden werden die einzelnen Komponenten der Auswerteeinrichtung beschrieben, die, wie vorstehend geschildert, entweder als körperliche Komponenten, oder aber in Form von funktionalen Abläufen realisiert sein können.The individual components of the evaluation device are described below, which, as described above, can be implemented either as physical components or in the form of functional processes.
Bei einer Komponente handelt es sich um eine Erfassungseinrichtung, die zur, insbesondere kontinuierlichen, Erfassung der von dem wenigstens einen ersten Sensorelement bestimmten Konzentrationswerten an Verunreinigungen im Luftstrom bereitgestellt ist. Die von dem ersten Sensorelement erfassten Konzentrationswerte werden, über einen Sensorabgriff und über eine entsprechende Schnittstelle, zur Auswerteeinrichtung übertragen und von der Erfassungseinrichtung erfasst.One component is a detection device which is provided for the, in particular continuous, detection of the concentration values of impurities in the air flow determined by the at least one first sensor element. The concentration values recorded by the first sensor element are transmitted via a sensor tap and via a corresponding section point, transmitted to the evaluation device and recorded by the detection device.
Die Erfassungseinrichtung interagiert mit einer weiteren Komponente, bei der es sich um eine Komparatoreinrichtung handelt. Die Komparatoreinrichtung ist zum Vergleichen der von der Erfassungseinrichtung erfassten Konzentrationswerte an Verunreinigungen im Luftstrom mit Konzentrationsreferenzwerten bereitgestellt. Dies kann auf unterschiedliche Weise erfolgen, wie im weiteren Verlauf der Beschreibung näher erläutert wird. Ebenso können unterschiedliche Arten von Konzentrationsreferenzwerten zum Einsatz kommen. Beispielsweise können die Konzentrationsreferenzwerte in Form von zuvor erfassten Konzentrationswerten an Verunreinigungen im Luftstrom, der aus der Filtereinrichtung austritt, und/oder in Form von Konzentrationsgrenzwerten und/oder in Form von Konzentrationswerten an Verunreinigungen in einem Luftstrom, der im Bypass an der Filtereinrichtung vorbeigeführt wird, und/oder in Form von Konzentrationswerten an Verunreinigungen in einem Luftstrom, der in die Filtereinrichtung eintritt, vorliegen.The detection device interacts with another component, which is a comparator device. The comparator device is provided for comparing the concentration values of impurities in the air flow recorded by the detection device with concentration reference values. This can be done in different ways, as will be explained in more detail later in the description. Different types of concentration reference values can also be used. For example, the concentration reference values can be in the form of previously recorded concentration values of impurities in the air flow that emerges from the filter device and/or in the form of concentration limit values and/or in the form of concentration values of impurities in an air flow that is led past the filter device in the bypass. and/or in the form of concentration values of impurities in an air stream entering the filter device.
Die vom ersten Sensorelement erfassten Werte geben die Konzentration von Verunreinigungen im Luftstrom an, der aus der Filtereinrichtung austritt. Wird von dem ersten Sensorelement beispielsweise keine Konzentration an Verunreinigungen erfasst, bedeutet dies, dass die Filtereinrichtung aktiv ist und etwaige Verunreinigungen wirkungsvoll in der Filtereinrichtung adsorbiert werden. Misst das ersten Sensorelement hingegen eine Konzentration, wird in der Komparatoreinrichtung ermittelt, inwieweit die Konzentration im Luftstrom schädlich ist. Werden die aktuell gemessenen Konzentrationswerte in der Komparatoreinrichtung beispielsweise mit zuvor gemessenen Konzentrationswerten, oder mit Bypass-Werten verglichen, lässt sich eine Tendenz über die Konzentrationsänderung und damit über die qualitative Veränderung der Wirksamkeit der Filtereinrichtung bestimmen. Werden die gemessenen Konzentrationswerte mit Konzentrationsgrenzwerten verglichen, kann festgesellt werden, ob sich die Konzentrationswerte an diese Konzentrationsgrenzwerte annähern. Beispielsweise können Grenzwerte bereitgestellt werden, die eine kritische Beladung der Filtereinrichtung widerspiegeln. Wird ein solcher Grenzwert erreicht, oder nähern sich die gemessenen Konzentrationswerte einem solchen Grenzwert an, ist dies ein Indiz dafür, dass die Qualität der Filtereinrichtung abnimmt und die Filtereinrichtung gegebenenfalls ausgetauscht werden muss.The values recorded by the first sensor element indicate the concentration of contaminants in the air stream exiting the filter device. If, for example, no concentration of impurities is detected by the first sensor element, this means that the filter device is active and any impurities are effectively adsorbed in the filter device. However, if the first sensor element measures a concentration, the comparator device determines to what extent the concentration in the air flow is harmful. If the currently measured concentration values in the comparator device are compared, for example, with previously measured concentration values or with bypass values, a tendency can be determined via the change in concentration and thus via the qualitative change in the effectiveness of the filter device. If the measured concentration values are compared with concentration limit values, it can be determined whether the concentration values are approaching these concentration limit values. For example, limit values can be provided that reflect a critical loading of the filter device. If such a limit value is reached, or if the measured concentration values approach such a limit value, this is an indication that the quality of the filter device is decreasing and the filter device may need to be replaced.
Weiterhin weist die Auswerteeinrichtung eine Ausgabeeinrichtung auf, die derart bereitgestellt ist, dass sie in der Lage ist, ein Ausgabesignal auszugeben, wenn ein von der Erfassungseinrichtung erfasster Konzentrationswert an Verunreinigungen im Luftstrom einen vorgegebenen Wert überschreitet. Das kann auf unterschiedliche Weise erfolgen. Beispielsweise könnte eine Warnlampe aktiviert werden. Oder aber es wird ein Signal, beispielsweise eine Nachricht, erzeugt, das/die an eine, insbesondere zentrale, Überwachungsstelle übertragen wird.Furthermore, the evaluation device has an output device which is provided in such a way that it is able to output an output signal when a concentration value of impurities in the air flow detected by the detection device exceeds a predetermined value. This can be done in different ways. For example, a warning light could be activated. Or a signal, for example a message, is generated which is transmitted to a monitoring point, in particular a central one.
Die erfindungsgemäße Bestimmungsvorrichtung ist insbesondere dazu bereitgestellt, dass sie die zeitliche Änderung von Konzentrationswerten an Verunreinigungen im Luftstrom, der aus der Filtereinrichtung austritt, detektiert oder detektieren kann.The determination device according to the invention is in particular provided so that it detects or can detect the temporal change in concentration values of impurities in the air flow that emerges from the filter device.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist wenigstens ein erstes Sensorelement, welches zur Bestimmung von Konzentrationswerten an Verunreinigungen in einem Luftstrom, der aus der Filtereinrichtung austritt, zusätzlich auch noch zur zumindest zeitweiligen Bestimmung von Konzentrationswerten an Verunreinigungen in einem Luftstrom, der im Bypass an der Filtereinrichtung vorbeigeführt wird, bereitgestellt. Das Sensorelement sitzt dann so, dass es in manchen Betriebszuständen die Konzentration an Verunreinigungen im Luftstrom, der im Bypass an der Filtereinrichtung vorbeigeführt wird, misst, und in manchen Betriebszuständen die Konzentration an Verunreinigungen im Luftstrom, der durch die Filtereinrichtung hindurchtritt. Ein Umschalten gibt dann bei zunehmender Beladung der Filtereinrichtung zunehmend voneinander abweichende Messsignale. Bei dieser Ausführungsform ist bevorzugt realisiert, dass die Auswerteeinrichtung, insbesondere die Komparatoreinrichtung, eine Einrichtung zur Bildung der Differenz zwischen Konzentrationswerten an Verunreinigungen in einem Luftstrom, der aus der Filtereinrichtung austritt, welche von dem wenigstens einen ersten Sensorelement erfasst werden, und Konzentrationswerten von Verunreinigungen in einem Luftstrom, der im Bypass an der Filtereinrichtung vorbeigeführt wird, welche von dem wenigstens einen ersten Sensorelement erfasst werden, aufweist. In anderer Ausgestaltung können anstelle von nur einem Sensorelement zwei erste Sensorelemente bereitgestellt sein, wobei ein Sensorelement Konzentrationswerte im Luftstrom, der aus der Filtereinrichtung austritt, erfasst, und ein anderes erstes Sensorelement Konzentrationswerte im Luftstrom, der im Bypass an der Filtereinrichtung vorbeigeführt wird, erfasst.In a preferred embodiment, there is at least one first sensor element, which is used to determine concentration values of impurities in an air stream that exits the filter device, in addition to at least temporarily determining concentration values of impurities in an air flow that is guided past the filter device in the bypass , provided. The sensor element is then positioned in such a way that in some operating states it measures the concentration of impurities in the air stream that is led past the filter device in the bypass, and in some operating states it measures the concentration of impurities in the air flow that passes through the filter device. Switching over then produces measurement signals that increasingly deviate from one another as the filter device becomes more loaded. In this embodiment, it is preferably realized that the evaluation device, in particular the comparator device, is a device for forming the difference between concentration values of impurities in an air stream emerging from the filter device, which are detected by the at least one first sensor element, and concentration values of impurities in an air flow that is guided past the filter device in the bypass, which is detected by the at least one first sensor element. In another embodiment, two first sensor elements can be provided instead of just one sensor element, with one sensor element detecting concentration values in the air flow that exits the filter device, and another first sensor element detecting concentration values in the air flow that is guided past the filter device in the bypass.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Sensoreinrichtung zusätzlich zum wenigsten ein ersten Sensorelement ein zweites Sensorelement auf, das zur, insbesondere kontinuierlichen, Bestimmung von Konzentrationswerten an Verunreinigungen in einem Luftstrom, der in die Filtereinrichtung eintritt, bereitgestellt ist.In a preferred embodiment, the sensor device has, in addition to at least a first sensor element, a second sensor element which is provided for the, in particular continuous, determination of concentration values of impurities in an air stream that enters the filter device.
Die von den ersten und zweiten Sensorelementen erfassten Konzentrationswerte werden in der Auswerteeinrichtung, insbesondere in der Komparatoreinrichtung, miteinander verglichen. Ist die Konzentration in dem Luftstrom, der in die Filtereinrichtung eintritt, bereits niedrig, ist dies ein Indiz dafür, dass die Luft wenige Verunreinigungen aufweist, so dass die Filtereinrichtung nicht belastet ist. Sind die Konzentrationswerte an Verunreinigungen im Luftstrom vor der Filtereinrichtung höher als die Konzentrationswerte an Verunreinigungen im Luftstrom nach der Filtereinrichtung, bedeutet dies, dass die Filtereinrichtung aktiv ist und ordnungsgemäß funktioniert. Gleichen sich die Konzentrationswerte an, insbesondere wenn die Konzentrationswerte an Verunreinigungen im Luftstrom nach der Filtereinrichtung dabei größer werden, bedeutet dies, dass die Wirkung der Filtereinrichtung nachlässt. Bei dieser Ausführungsform ist bevorzugt realisiert, dass die Auswerteeinrichtung, insbesondere die Komparatoreinrichtung, eine Einrichtung zur Bildung der Differenz zwischen Konzentrationswerten an Verunreinigungen in einem Luftstrom, der aus der Filtereinrichtung austritt, welche von dem wenigstens einen ersten Sensorelement erfasst werden, und von Konzentrationswerten an Verunreinigungen in einem Luftstrom, der in die Filtereinrichtung eintritt, welche von dem zweiten Sensorelement erfasst werden, aufweist.The concentration values detected by the first and second sensor elements are compared with one another in the evaluation device, in particular in the comparator device. If the concentration in the air stream entering the filter device is already low, this is an indication that the air has few impurities, so that the filter device is not contaminated. If the concentration values of impurities in the air stream upstream of the filter device are higher than the concentration values of contaminants in the air stream downstream of the filter device, this means that the filter device is active and functioning properly. If the concentration values become equal, especially if the concentration values of impurities in the air stream downstream of the filter device become larger, this means that the effect of the filter device decreases. In this embodiment, it is preferably realized that the evaluation device, in particular the comparator device, is a device for forming the difference between concentration values of impurities in an air stream emerging from the filter device, which are detected by the at least one first sensor element, and concentration values of impurities in an air stream that enters the filter device, which is detected by the second sensor element.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Bestimmungsvorrichtung eine Speichereinrichtung auf, in der zumindest zeitweilig Konzentrationswerte an Verunreinigungen in einem Luftstrom vor und/oder hinter der Filtereinrichtung, und/oder in einem Bypass-Luftstrom, die von dem wenigstens einen ersten Sensorelement und/oder dem zweiten Sensorelement erfasst werden, und/oder Konzentrationsreferenzwerte abgespeichert werden oder abgespeichert sind.In a preferred embodiment, the determination device has a storage device in which at least temporarily concentration values of impurities in an air stream in front of and/or behind the filter device, and/or in a bypass air stream, which come from the at least one first sensor element and/or the second Sensor element are detected, and / or concentration reference values are saved or are saved.
Gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Brennstoffzellensystem bereitgestellt, welches die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs 9 aufweist. Das Brennstoffzellensystem weist zunächst ein Brennstoffzellenmodul auf. Bei dem Brennstoffzellenmodul handelt es sich im Lichte der vorliegenden Beschreibung insbesondere um die eigentlichen Brennstoffzellen, die entweder als einzelne Brennstoffzelle, oder aber in Form eines Brennstoffzellenstapels, eines so genannten Brennstoffzellenstacks, realisiert sind. Der grundsätzliche Aufbau derartiger Brennstoffzellensysteme ist bekannt und dem Fachmann geläufig. Die Erfindung ist nicht auf bestimmte Typen von Brennstoffzellen beschränkt. Beispielsweise kann es sich um so genannte PEM (Proton-Exchange-Membran) -Brennstoffzellen handeln. Besonders wichtig ist die effiziente Entfernung von Schadstoffen aus der Luft für eine direkt luftgekühlte Brennstoffzelle, bei der der Kühlluftstrom gleichzeitig die Sauerstoffversorgung auf der Kathode darstellt, in der also ein verhältnismäßig großer Luftvolumenstrom, welcher die Verunreinigungen enthalten kann, direkt in Kontakt mit der Kathode der Brennstoffzelle ist.According to the second aspect of the invention, a fuel cell system is provided which has the features of independent claim 9. The fuel cell system initially has a fuel cell module. In the light of the present description, the fuel cell module is in particular the actual fuel cells, which are implemented either as a single fuel cell or in the form of a fuel cell stack, a so-called fuel cell stack. The basic structure of such fuel cell systems is known and familiar to those skilled in the art. The invention is not limited to specific types of fuel cells. For example, they can be so-called PEM (proton exchange membrane) fuel cells. The efficient removal of pollutants from the air is particularly important for a directly air-cooled fuel cell, in which the cooling air flow simultaneously represents the oxygen supply to the cathode, in which a relatively large air volume flow, which may contain the contaminants, comes into direct contact with the cathode fuel cell is.
Das Brennstoffzellensystem weist zudem eine Filtereinrichtung auf, die im Luftzufuhrweg zum Brennstoffzellenmodul, vorzugsweise kathodenseitig, angeordnet ist. Zusätzlich verfügt das Brennstoffzellensystem über eine Vorrichtung zur Bestimmung des Adsorptionszustands, vorzugsweise eines kritischen Adsorptionsgrads, der Filtereinrichtung. Entweder ist diese Bestimmungsvorrichtung unmittelbarer Bestandteil des Brennstoffzellensystems. Oder das Brennstoffzellensystem, insbesondere dessen Filtereinrichtung sowie entsprechende Sensorelemente, weisen geeignete Schnittstellen zu räumlich entfernt liegenden Komponenten der Bestimmungsvorrichtung, beispielsweise zur Auswerteeinrichtung, auf. Die Bestimmungsvorrichtung ist gekennzeichnet durch eine Sensoreinrichtung, mit wenigstens einem ersten Sensorelement zur, insbesondere kontinuierlichen, Bestimmung von Konzentrationswerten an Verunreinigungen in einem Luftstrom, der aus der Filtereinrichtung austritt, und eine Auswerteeinrichtung zur qualitativen Auswertung der Konzentrationsänderung an Verunreinigungen im Luftstrom, die über eine Schnittstelle mit dem wenigstens einen ersten Sensorelement verbunden ist. In bevorzugter Ausgestaltung weist das Brennstoffzellensystem eine Bestimmungsvorrichtung gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung auf, so dass hinsichtlich der Ausgestaltung des Brennstoffzellensystems, insbesondere auch hinsichtlich dessen Funktionsweise, zur Vermeidung von Wiederholungen an dieser Stelle vollinhaltlich auch auf die Ausführungen zum ersten Erfindungsaspekt und auf die allgemeine Beschreibung der Erfindung Bezug genommen und verwiesen wird.The fuel cell system also has a filter device which is arranged in the air supply path to the fuel cell module, preferably on the cathode side. In addition, the fuel cell system has a device for determining the adsorption state, preferably a critical degree of adsorption, of the filter device. Either this determination device is a direct part of the fuel cell system. Or the fuel cell system, in particular its filter device and corresponding sensor elements, have suitable interfaces to spatially distant components of the determination device, for example to the evaluation device. The determination device is characterized by a sensor device, with at least a first sensor element for, in particular continuously, determining concentration values of impurities in an air stream that emerges from the filter device, and an evaluation device for qualitatively evaluating the change in concentration of impurities in the air flow, which via an interface is connected to the at least one first sensor element. In a preferred embodiment, the fuel cell system has a determination device according to the first aspect of the invention, so that with regard to the design of the fuel cell system, in particular also with regard to its functionality, in order to avoid repetitions, the comments on the first aspect of the invention and the general description are also fully referred to at this point the invention is referred to and referenced.
Nachfolgend werden, in Anlehnung an die verschiedenen Ausführungsbeispiele zur Bestimmungsvorrichtung weiter oben, so dass an dieser Stelle auch auf die entsprechenden Ausführungen weiter oben Bezug genommen und verwiesen wird, einige bevorzugte Ausführungsbeispiele zum Brennstoffzellensystem beschrieben.Some preferred exemplary embodiments of the fuel cell system are described below, based on the various exemplary embodiments of the determination device above, so that reference is also made to the corresponding statements above.
Beispielsweise kann das wenigstens eine erste Sensorelement in Strömungsrichtung des Luftstroms nach der Filtereinrichtung und/oder nach der Filtereinrichtung und, insbesondere kathodenseitig, vor dem Brennstoffzellenmodul und/oder nach dem Brennstoffzellenmodul angeordnet sein. In den beiden erstgenannten Fällen wird der Adsorptionszustand der Filtereinrichtung allein bestimmt. Bei der Durchströmung der Kathode kann ein Teil der noch vorhandenen Schadstoffe am Kathodenkatalysator selbst adsorbiert werden. Dadurch kann einerseits die Aktivität des Katalysators irreversibel geschädigt werden, andererseits sinkt die Schadstoffkonzentration am Ausgang der Kathode ab. Im dritten Fall wird daher zusätzlich dazu auch noch die Belastung des Brennstoffzellenmoduls bestimmt. Es können auch zwei solcher ersten Sensorelemente realisiert sein, wobei ein erstes Sensorelement hinter der Filtereinrichtung, und ein weiteres erstes Sensorelement hinter dem Brennstoffzellenmodul angeordnet ist.For example, the at least one first sensor element can be arranged in the flow direction of the air flow after the filter device and/or after the filter device and, in particular on the cathode side, in front of the fuel cell module and/or after the fuel cell module. In the first two cases mentioned, the adsorption state of the filter device alone is determined. As the flow flows through the cathode, some of the pollutants still present can be adsorbed on the cathode catalyst itself. On the one hand, this allows the activity of the catalyst is irreversibly damaged; on the other hand, the pollutant concentration at the outlet of the cathode drops. In the third case, the load on the fuel cell module is also determined. Two such first sensor elements can also be implemented, with a first sensor element being arranged behind the filter device and a further first sensor element being arranged behind the fuel cell module.
Vorzugsweise ist realisiert, dass über ein Sensorelement, das hinter der Filtereinrichtung platziert ist, die Beladung der Filtereinrichtung des Brennstoffzellensystems bestimmt, beispielsweise gemessen und/oder berechnet wird. Darüber kann das Austauschintervall der Filtereinrichtung angegeben werden. Die Filtereinrichtung ist beladen, wenn es über das Sensorelement eine messbare Konzentration an Verunreinigungen im untersuchten Luftstrom gibt. Die Verwendung eines zusätzlichen Sensorelements vor der Filtereinrichtung führt zu einer Verbesserung der Genauigkeit, da über eine Differenzenbildung vor und nach der Filtereinrichtung die Aufnahmeleistung der Filtereinrichtung bestimmt werden kann. Eine Messung der Konzentration nach dem Brennstoffzellenmodul kann zusätzlich zur Bestimmung der Belastung der Brennstoffzelle(n) eingesetzt werden.It is preferably realized that the load of the filter device of the fuel cell system is determined, for example measured and/or calculated, via a sensor element that is placed behind the filter device. The replacement interval of the filter device can be specified. The filter device is loaded when there is a measurable concentration of contaminants in the air flow being examined via the sensor element. The use of an additional sensor element in front of the filter device leads to an improvement in accuracy, since the absorption power of the filter device can be determined by forming a difference before and after the filter device. A measurement of the concentration after the fuel cell module can also be used to determine the load on the fuel cell(s).
In einer bevorzugten Ausführungsform ist wenigstens ein erstes Sensorelement zusätzlich mit einem Luftstrom, der im Bypass an der Filtereinrichtung vorbeigeführt wird, verbunden. Das Sensorelement sitzt dann so, dass im Nicht-Brennstoffzellen-Betrieb die Luft, die ansonsten in das Brennstoffzellensystem eintritt, im Bypass der Filtereinrichtung gemessen wird, und im Brennstoffzellen-Betrieb die Luft durch die Filtereinrichtung strömt. Ein Umschalten gibt dann bei zunehmender Beladung zunehmend voneinander abweichende Messsignale. Beispielsweise kann das Sensorelement die Brennstoffzellen-Luft per Schlauchverbindung zwischen Filtereinrichtung und Brennstoffzellenmodul-Eingang ziehen. Genau dann besteht ein treibendes Druckgefälle. Wenn das Brennstoffzellenmodul nicht läuft, zieht das Sensorelement die Luft automatisch oder per Entnahmestelle aus dem Bypass-Luftstrom. Dies lässt sich komplett passiv realisieren. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der im Bypass an der Filtereinrichtung vorbeigeführte Luftstrom ein durch die Elektrolyseeinrichtung durchgeführter Luftstrom. Diesbezüglich wird auch auf die Ausführungen zum entsprechenden Ausführungsbeispiel gemäß dem ersten Erfindungsaspekt verwiesen. Anstelle von nur einem ersten Sensorelement können auch zwei erste Sensorelemente zum Einsatz kommen, wobei jeweils ein Sensorelement einem einzigen Luftstrom zugeordnet ist, so wie dies bei dem entsprechenden Ausführungsbeispiel zur Bestimmungsvorrichtung weiter oben auch beschrieben ist.In a preferred embodiment, at least a first sensor element is additionally connected to an air flow that is guided past the filter device in the bypass. The sensor element is then positioned in such a way that in non-fuel cell operation the air that otherwise enters the fuel cell system is measured in the bypass of the filter device, and in fuel cell operation the air flows through the filter device. Switching over then produces increasingly different measurement signals as the load increases. For example, the sensor element can draw the fuel cell air via a hose connection between the filter device and the fuel cell module inlet. This is exactly when there is a driving pressure gradient. If the fuel cell module is not running, the sensor element draws the air from the bypass air flow automatically or via a withdrawal point. This can be achieved completely passively. In a preferred embodiment, the air flow passed past the filter device in the bypass is an air flow carried through the electrolysis device. In this regard, reference is also made to the comments on the corresponding exemplary embodiment according to the first aspect of the invention. Instead of just one first sensor element, two first sensor elements can also be used, with one sensor element being assigned to a single air flow, as is also described above in the corresponding exemplary embodiment of the determination device.
In anderer bevorzugter Ausführungsform weist die Sensoreinrichtung ein zweites Sensorelement auf, das zur, insbesondere kontinuierlichen, Bestimmung von Konzentrationswerten an Verunreinigungen in einem Luftstrom, der in die Filtereinrichtung eintritt, bereitgestellt ist. Die von den Sensorelementen erfassten Konzentrationswerte werden in der Auswerteeinrichtung, insbesondere in der Komparatoreinrichtung, miteinander verglichen. Sind die Konzentrationswerte an Verunreinigungen im Luftstrom vor der Filtereinrichtung höher als die Konzentrationswerte an Verunreinigungen im Luftstrom nach der Filtereinrichtung, bedeutet dies, dass die Filtereinrichtung aktiv ist und ordnungsgemäß funktioniert. Gleichen sich die Konzentrationswerte an, insbesondere wenn die Konzentrationswerte an Verunreinigungen im Luftstrom nach der Filtereinrichtung dabei größer werden, bedeutet dies, dass die Wirkung der Filtereinrichtung nachlässt. Diesbezüglich wird auch auf die Ausführungen zum entsprechenden Ausführungsbeispiel gemäß dem ersten Erfindungsaspekt verwiesen.In another preferred embodiment, the sensor device has a second sensor element which is provided for, in particular continuously, determining concentration values of impurities in an air stream that enters the filter device. The concentration values recorded by the sensor elements are compared with one another in the evaluation device, in particular in the comparator device. If the concentration values of impurities in the air stream upstream of the filter device are higher than the concentration values of contaminants in the air stream downstream of the filter device, this means that the filter device is active and functioning properly. If the concentration values become equal, especially if the concentration values of impurities in the air stream downstream of the filter device become larger, this means that the effect of the filter device decreases. In this regard, reference is also made to the comments on the corresponding exemplary embodiment according to the first aspect of the invention.
Wenn die Filtereinrichtung einen zu hohen Beladungszustand, das heißt einen zu hohen Adsorptionszustand, den man als kritischen Adsorptionsgrad bezeichnen kann, erreicht hat, steigt die Konzentration an Verunreinigungen stark an und übersteigt gegebenenfalls die zulässigen Grenzwerte der Brennstoffzellen-Zuluft. Es gibt Sensorelemente, die einen Teil der Schadstoffe für Brennstoffzellen detektieren können. Diese Sensoren sind partiell bereits in der Raumlufttechnik eingesetzt. Wenn die Konzentration vor und nach der Filtereinrichtung gemessen werden kann, wird die aktuelle Wirksamkeit bezüglich dieses Stoffes beziehungsweise bezüglich der betreffenden Stoffgruppe erkennbar. Eine schlechter wirksame Filtereinrichtung deutet auf die Belegung einer Vielzahl der aktiven Zentren der Filtereinrichtung hin und damit auf die schlechter werdende Filterwirkung auch der anderen Schadstoffe mit vergleichbarem Adsorptionsverhalten. Hierbei reicht oft aus, die qualitative Veränderung zu messen. Das heißt, bei der absoluten Genauigkeit der Sensoren kann ein niedrigerer Anspruch gestellt werden. Das führt zu kostengünstigeren Lösungen. Es reicht also, die zeitliche Veränderung der Adsorption von einer oder mehreren Stoffklassen zu detektieren. Ideal ist, stromauf der Filtereinrichtung und stromab die Konzentrationsunterschiede zu messen. In manchen Fällen reicht es sogar, mit einem Sensor beziehungsweise mit einer Gruppe von Sensoren an nur einer Stelle zu messen.If the filter device has reached a loading state that is too high, that is, an adsorption state that is too high, which can be referred to as a critical degree of adsorption, the concentration of impurities increases sharply and may exceed the permissible limit values of the fuel cell supply air. There are sensor elements that can detect some of the pollutants for fuel cells. Some of these sensors are already used in air conditioning technology. If the concentration can be measured before and after the filter device, the current effectiveness with regard to this substance or the relevant group of substances can be identified. A less effective filter device indicates the occupancy of a large number of the active centers of the filter device and thus the worsening filter effect of other pollutants with comparable adsorption behavior. It is often sufficient to measure the qualitative change. This means that lower demands can be made on the absolute accuracy of the sensors. This leads to more cost-effective solutions. It is therefore sufficient to detect the change in adsorption over time of one or more substance classes. It is ideal to measure the concentration differences upstream of the filter device and downstream. In some cases it is even enough to measure with one sensor or a group of sensors at just one point.
Die Erfindung ist nicht auf bestimmte Typen der vorstehend beschriebenen Sensorelemente beschränkt. Die Sensorelemente müssen lediglich in der Lage sein, Konzentrationen an Verunreinigungen in einem Luftstrom erkennen beziehungsweise erfassen oder detektieren zu können. Beispielsweise kann/können das wenigstens eine Sensorelement und/oder das zweite Sensorelement zur Erfassung von Schadstoffen in einem Luftstrom, oder zum Erfassen flüchtiger organischer Verbindungen, auch „Volatile Organic Compounds (VOC) genannt, im Luftstrom, ausgebildet sein. Schadstoffe beziehungsweise Verunreinigungen im Luftstrom, die Brennstoffzellen gefährlich werden, können Schadgase sein, wie insbesondere Stickstoffmonoxid, Stickstoffdioxid, Schwefelwasserstoff, Schwefeldioxid, Kohlenmonoxid, Ammoniak, Benzol, Toluol, und dergleichen.The invention is not limited to specific types of sensor elements described above. The sensor elements just have to be able to recognize or record or detect concentrations of contaminants in an air stream. For example, the at least one sensor element and/or the second sensor element can be designed to detect pollutants in an air stream, or to detect volatile organic compounds, also called “Volatile Organic Compounds (VOC), in the air stream. Pollutants or impurities in the air flow that are dangerous to fuel cells can be harmful gases, such as in particular nitrogen monoxide, nitrogen dioxide, hydrogen sulfide, sulfur dioxide, carbon monoxide, ammonia, benzene, toluene, and the like.
Ebenso ist die Erfindung nicht auf bestimmte Typen von Filtereinrichtungen beschränkt. Die Filtereinrichtungen müssen ja nach Anwendungsfall in der Lage sein, für der Filtereinrichtung nachgeschaltete Komponenten, beispielsweise Brennstoffzellen, schädliche Stoffe und Verunreinigungen aus einem Luftstrom herausfiltern zu können. Beispielsweise kann die Filtereinrichtung ein chemisch oder physikalisch per Adsorption wirksames Filterelement, insbesondere ein Aktivkohlefilterelement, sein oder aufweisen.Likewise, the invention is not limited to certain types of filter devices. Depending on the application, the filter devices must be able to filter out components downstream of the filter device, for example fuel cells, harmful substances and impurities from an air stream. For example, the filter device can be or have a filter element that is active chemically or physically by adsorption, in particular an activated carbon filter element.
Gemäß dem dritten Aspekt der Erfindung wird eine Lüftungssystem für einen Raum, wobei das Lüftungssystem insbesondere Bestandteil eines Energiesystems ist, bereitgestellt, welches die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs 16 aufweist. Das Lüftungssystem verfügt über eine Außenluftzufuhr, die derart bereitgestellt ist, dass sie in der Lage ist, dass darüber ein bereitgestellter Zuluftstrom in das Lüftungssystem eintritt, eine Lüftungseinrichtung, die derart bereitgestellt ist, dass sie in der Lage ist, eine Zuluftzufuhr zu erzeugen und dem Raum als Zuluft bereitzustellen, eine Abluftabfuhr, die derart bereitgestellt ist, dass sie in der Lage ist, dass darüber Abluft aus dem Raum abgeführt und über die Lüftungseinrichtung geführt wird, und eine Fortluftabfuhr, die derart bereitgestellt ist, dass sie in der Lage ist, die abgeführte Abluft als Fortluftstrom aus dem Lüftungssystem abzuführen. Erfindungsgemäß ist das Lüftungssystem dadurch gekennzeichnet, dass die Lüftungseinrichtung eine Schnittstelle zu einer Vorrichtung zur Bestimmung des Adsorptionszustands, vorzugsweise eines kritischen Adsorptionsgrads, einer Filtereinrichtung gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung, oder zu einem Brennstoffzellensystem gemäß dem zweiten Aspekt der aufweist, oder dass die Lüftungseinrichtung mit einer Vorrichtung zur Bestimmung des Adsorptionszustands, vorzugsweise eines kritischen Adsorptionsgrads, einer Filtereinrichtung gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung, oder mit einem Brennstoffzellensystem gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung verbunden ist. Zur Vermeidung von Wiederholungen wird an dieser Stelle deshalb vollinhaltlich auch auf die Ausführungen zum ersten und zweiten Erfindungsaspekt sowie auf die allgemeine Beschreibung der Erfindung Bezug genommen und verwiesen.According to the third aspect of the invention, a ventilation system for a room, wherein the ventilation system is in particular part of an energy system, is provided, which has the features of independent patent claim 16. The ventilation system has an outside air supply which is provided in such a way that it is able to have a provided supply air flow enter the ventilation system, a ventilation device which is provided in such a way that it is able to generate a supply of supply air and the To provide space as supply air, an exhaust air removal that is provided in such a way that it is able to have exhaust air removed from the room and passed over the ventilation device, and an exhaust air removal that is provided in such a way that it is able to the discharged exhaust air is removed from the ventilation system as an exhaust air flow. According to the invention, the ventilation system is characterized in that the ventilation device has an interface to a device for determining the adsorption state, preferably a critical degree of adsorption, a filter device according to the first aspect of the invention, or to a fuel cell system according to the second aspect of the, or that the ventilation device with a device for determining the adsorption state, preferably a critical degree of adsorption, a filter device according to the first aspect of the invention, or is connected to a fuel cell system according to the second aspect of the invention. In order to avoid repetition, reference is made here in full to the statements on the first and second aspects of the invention as well as to the general description of the invention.
Gemäß dem vierten Aspekt der Erfindung wird ein Energiesystem, insbesondere ein Hausenergiesystem, bereitgestellt, welches die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs 17 aufweist.According to the fourth aspect of the invention, an energy system, in particular a home energy system, is provided which has the features of independent patent claim 17.
Das Energiesystem weist eine Elektrolyseeinrichtung, ein Brennstoffzellensystem, optional eine Hochdruckspeichereinrichtung sowie eine Verbindungsleitungseinrichtung, über die die Elektrolyseeinrichtung mit dem Brennstoffzellensystem sowie die Hochdruckspeichereinrichtung mit dem Brennstoffzellensystem miteinander verbunden sind, auf. Erfindungsgemäß ist das Energiesystem dadurch gekennzeichnet, dass es eine Vorrichtung zur Bestimmung des Adsorptionszustands, vorzugsweise eines kritischen Adsorptionsgrads, einer Filtereinrichtung des Energiesystems gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung aufweist, und/oder dass das Brennstoffzellensystem gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung ausgebildet ist und/oder dass das Energiesystem ein Lüftungssystem gemäß dem dritten Aspekt der Erfindung aufweist. Zur Vermeidung von Wiederholungen wird an dieser Stelle deshalb vollinhaltlich auch auf die Ausführungen zum ersten, zweiten und dritten Erfindungsaspekt sowie auf die allgemeine Beschreibung der Erfindung Bezug genommen und verwiesen.The energy system has an electrolysis device, a fuel cell system, optionally a high-pressure storage device and a connecting line device via which the electrolysis device is connected to the fuel cell system and the high-pressure storage device to the fuel cell system. According to the invention, the energy system is characterized in that it has a device for determining the adsorption state, preferably a critical degree of adsorption, of a filter device of the energy system according to the first aspect of the invention, and / or that the fuel cell system is designed according to the second aspect of the invention and / or that the energy system has a ventilation system according to the third aspect of the invention. In order to avoid repetition, reference is made here in full to the statements on the first, second and third aspects of the invention as well as to the general description of the invention.
Bei dem Energiesystem handelt es sich insbesondere um ein aus mehreren Komponenten bestehendes Ganzes, wobei die Komponenten miteinander zu einer zweckgebundenen Einheit verbunden sind. Im vorliegenden Fall handelt es sich bei dem Energiesystem um ein System zum Erzeugen beziehungsweise Bereitstellen von Energie, vorzugsweise von elektrischer Energie. Grundsätzlich ist die Erfindung nicht auf bestimmte Arten von Energiesystemen beschränkt. Im Folgenden werden diesbezüglich verschiedene bevorzugte Ausführungsbeispiele beschrieben.The energy system is, in particular, a whole consisting of several components, with the components being connected to one another to form a dedicated unit. In the present case, the energy system is a system for generating or providing energy, preferably electrical energy. In principle, the invention is not limited to certain types of energy systems. Various preferred exemplary embodiments are described below in this regard.
In einer bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei dem Energiesystem um ein Hausenergiesystem. Hausenergiesysteme sind grundsätzlich aus dem Stand der Technik bekannt und dienen der Versorgung von Häusern, beispielsweise von Niedrigenergiehäusern, Passivhäusern oder Nullenergiehäusern, mit Energie in Form von Wärme und insbesondere in Form von Strom, beispielsweise Strom aus regenerativen Energiequellen wie beispielsweise Photovoltaik (PV)-Generatoren oder Kleinwindkraftanlagen. Ein solches Hausenergiesystem schafft die Grundlage dafür, dass der Energiebedarf eines Hauses, insbesondere eines Niedrigenergiehauses, eines Passivhauses oder eines Nullenergiehauses, sowohl hinsichtlich des Strom- als auch des Wärmebedarfs vollständig aus erneuerbaren Energiequellen gedeckt werden kann und somit vollständige CO2-Freiheit im Betrieb besteht. Wenigstens aber kann der Strombedarf eines Hauses im Sinne einer anzustrebenden Eigenverbrauchserhöhung nahezu vollständig aus erneuerbaren Energiequellen, insbesondere mittels eines PV-Generators und/oder einer Kleinwindenergieanlage, gedeckt werden.In a preferred embodiment, the energy system is a home energy system. House energy systems are generally known from the prior art and serve to supply houses, for example low-energy houses, passive houses or zero-energy houses, with energy in the form of heat and in particular in the form of electricity, for example electricity from renewable energy sources such as photovoltaic (PV) generators or small wind turbines. Such a home energy system creates the basis for keeping the energy needs of a home, especially a low one Energy house, a passive house or a zero-energy house, can be completely covered by renewable energy sources in terms of both electricity and heat requirements and therefore there is complete CO 2 freedom in operation. But at least the electricity needs of a house can be covered almost entirely from renewable energy sources, in particular by means of a PV generator and/or a small wind turbine, in the sense of increasing self-consumption.
Ein solches Hausenergiesystem ist beispielsweise in den Patentanmeldungen
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist ein Hausenergiesystem der genannten Art die folgenden Grundmerkmale auf:
- - einen DC-Einspeisepunkt, bevorzugt ausgebildet für eine Nenn-
Spannung von 48 Volt oder für eine Nennspannung zwischen 200 und 1000 Volt und/oder einem AC-Einspeisepunkt, bevorzugt ausgebildet für eine Spannung von 230 Volt oder 110 Volt oder einer 3-phasigen Einspeisung bei pro Phase 230 Volt oder 110 Volt, wobei der DC-Einspeisepunkt und/oder der AC-Einspeisepunkt im Betrieb zumindest zeitweise mit einem elektrischen Verbraucher, der eine Verbrauchs-Leistung aufweist, verbunden ist, - - einen elektrisch mit dem DC-Einspeisepunkt wenigstens zeitweise verbundenen PV-Generator zum Erzeugen einer elektrischen PV-Leistung,
- - eine elektrisch mit dem DC-Einspeisepunkt oder mit dem AC-Einspeisepunkt wenigstens zeitweise verbundene Brennstoffzelleneinheit zum Erzeugen einer elektrischen Brennstoffzellen-Leistung,
- - eine elektrisch mit dem DC-Einspeisepunkt verbundene Elektrolyseeinheit zum Erzeugen von durch die Brennstoffzelleneinheit zu verbrauchendem Wasserstoff, wobei die Elektrolyseeinheit im Betrieb mit einer elektrischen Elektrolyse-Eingangsleistung gespeist wird,
- - einen Wasserstofftank, insbesondere als Langzeitenergiespeicher, der mit der Brennstoffzelleneinheit und der Elektrolyseeinheit wenigstens zeitweise fluidverbunden ist und zum Speichern von mittels der Elektrolyseeinheit zu erzeugendem und durch die Brennstoffzelleneinheit zu verbrauchendem Wasserstoff ausgebildet ist,
- - eine Speicher-Batterieeinheit, insbesondere als Kurzzeitenergiespeicher, die elektrisch mit dem DC-Einspeisepunkt verbunden oder zu verbinden ist, so dass eine elektrische PV-Leistung und eine elektrische Brennstoffzellen-Leistung in die Speicher-Batterieeinheit eingespeichert werden kann und eine elektrische Elektrolyse-Eingangsleistung und eine Verbrauchs-Leistung aus der Speicher-Batterieeinheit entnommen werden können; und
- - ein Steuermodul zum Steuern der Hausenergieanlage.
- - a DC feed point, preferably designed for a nominal voltage of 48 volts or for a nominal voltage between 200 and 1000 volts and / or an AC feed point, preferably designed for a voltage of 230 volts or 110 volts or a 3-phase feed at 230 volts or 110 volts per phase, the DC feed point and/or the AC feed point being connected at least temporarily during operation to an electrical consumer that has a consumption output,
- - a PV generator electrically connected to the DC feed point at least temporarily for generating electrical PV power,
- - a fuel cell unit electrically connected to the DC feed point or to the AC feed point at least temporarily for generating electrical fuel cell power,
- - an electrolysis unit electrically connected to the DC feed point for generating hydrogen to be consumed by the fuel cell unit, the electrolysis unit being fed with an electrical electrolysis input power during operation,
- - a hydrogen tank, in particular as a long-term energy storage device, which is at least temporarily fluidly connected to the fuel cell unit and the electrolysis unit and is designed to store hydrogen to be generated by the electrolysis unit and consumed by the fuel cell unit,
- - a storage battery unit, in particular as a short-term energy storage device, which is electrically connected or is to be connected to the DC feed point, so that an electrical PV power and an electrical fuel cell power can be stored in the storage battery unit and an electrical electrolysis input power and a consumption power can be taken from the storage battery unit; and
- - a control module for controlling the home energy system.
Gemäß dem fünften Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Bestimmung des Adsorptionszustands, vorzugsweise eines kritischen Adsorptionsgrads, einer Filtereinrichtung, insbesondere unter Verwendung einer Vorrichtung gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung, bereitgestellt, wobei das Verfahren vorzugsweise für ein Brennstoffzellensystem gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung eingesetzt wird. Hinsichtlich der Ausgestaltung des Verfahrens, das vorzugsweise in einem Energiesystem oder in einem Lüftungssystem abläuft, insbesondere auch hinsichtlich dessen Funktionsweise, wird zur Vermeidung von Wiederholungen an dieser Stelle vollinhaltlich auch auf die Ausführungen zum ersten Erfindungsaspekt, zum zweiten Erfindungsaspekt, zum dritten Erfindungsaspekt, zum vierten Erfindungsaspekt, und auf die allgemeine Beschreibung der Erfindung Bezug genommen und verwiesen.According to the fifth aspect of the invention, a method for determining the adsorption state, preferably a critical degree of adsorption, of a filter device, in particular using a device according to the first aspect of the invention, is provided, the method preferably being used for a fuel cell system according to the second aspect of the invention becomes. With regard to the design of the method, which preferably takes place in an energy system or in a ventilation system, and in particular with regard to its functionality, in order to avoid repetition, full attention is also given here to the statements on the first aspect of the invention, the second aspect of the invention, the third aspect of the invention, and the fourth Aspect of the invention, and reference is made to the general description of the invention.
Erfindungsgemäß ist das Verfahren durch folgende Schritte gekennzeichnet:
- Zunächst werden Konzentrationswerte an Verunreinigungen in einem Luftstrom, der aus der Filtereinrichtung austritt, beziehungsweise der stromab der Filtereinrichtung liegt, mit wenigstens einem ersten Sensorelement bestimmt.
- First, concentration values of impurities in an air stream that emerges from the filter device or that lies downstream of the filter device are determined using at least one first sensor element.
In einer Auswerteeinrichtung, die über eine Schnittstelle mit dem wenigstens einen ersten Sensorelement verbunden ist, werden Konzentrationswerte empfangen und es wird eine qualitative und/oder quantitative Auswertung der Konzentrationsänderung an Verunreinigungen im Luftstrom vorgenommen, indem insbesondere die, vorzugsweise zeitliche, Änderung von Konzentrationswerten an Verunreinigungen im Luftstrom, der aus der Filtereinrichtung austritt, detektiert wird.In an evaluation device, which is connected to the at least one first sensor element via an interface, concentration values are received and a qualitative and/or quantitative evaluation of the change in concentration of impurities in the air flow is carried out, in particular by changing, preferably over time, concentration values of impurities is detected in the air flow emerging from the filter device.
Vorzugsweise erfolgt die qualitative und/oder quantitative Auswertung der Konzentrationsänderung an Verunreinigungen im Luftstrom, indem
in einer Erfassungseinrichtung, die von dem wenigstens einen ersten Sensorelement bestimmten Konzentrationswerte an Verunreinigungen im Luftstrom, insbesondere kontinuierlich; erfasst werden;
in einer Komparatoreinrichtung, die von der von der Erfassungseinrichtung erfassten Konzentrationswerte an Verunreinigungen im Luftstrom mit Konzentrationsreferenzwerten verglichen werden;
in einer Ausgabeeinrichtung, ein Ausgabesignal ausgegeben wird, wenn ein von der Erfassungseinrichtung erfasster Konzentrationswert an Verunreinigungen im Luftstrom einen vorgegebenen Wert überschreitet.The qualitative and/or quantitative evaluation of the change in concentration of impurities in the air stream is preferably carried out by
in a detection device, the concentration values of impurities in the air flow determined by the at least one first sensor element, in particular continuously; be recorded;
in a comparator device, which compares the concentration values of impurities in the air flow recorded by the detection device with concentration reference values;
in an output device, an output signal is output when a concentration value of impurities in the air flow detected by the detection device exceeds a predetermined value.
Zur qualitativen Bestimmung des Adsorptionszustands in der Filtereinrichtung werden bevorzugt, in der Komparatoreinrichtung, die von der Erfassungseinrichtung erfassten Konzentrationswerte an Verunreinigungen im Luftstrom mit zuvor erfassten Konzentrationswerten an Verunreinigungen im Luftstrom, und/oder mit Konzentrationsreferenzwerten in Form von zuvor erfassten Konzentrationswerten an Verunreinigungen im Luftstrom, und/oder mit erfassten Konzentrationswerten in einem Bypass-Luftstrom, und/oder mit Konzentrationsgrenzwerten verglichen. Diesbezüglich wird offenbarungsmäßig insbesondere auch auf die verschiedenen Ausführungsbeispiele jeweils zum ersten und zweiten Erfindungsaspekt verwiesen.For the qualitative determination of the adsorption state in the filter device, it is preferred, in the comparator device, that the concentration values of impurities in the air flow recorded by the detection device are combined with previously detected concentration values of impurities in the air flow, and/or with concentration reference values in the form of previously detected concentration values of impurities in the air flow, and/or compared with recorded concentration values in a bypass air stream, and/or with concentration limit values. In this regard, reference is made in particular to the various exemplary embodiments for the first and second aspects of the invention.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens werden mit dem wenigstens einen ersten Sensorelement erste Konzentrationswerte an Verunreinigungen in dem Luftstrom, der aus der Filtereinrichtung austritt, erfasst. Mit dem wenigstens einen ersten Sensorelement, oder mit einem zweiten ersten Sensorelement, werden zusätzlich zweite Konzentrationswerte an Verunreinigungen in einem Luftstrom, der im Bypass an der Filtereinrichtung vorbeigeführt wird, erfasst. In der Auswerteeinrichtung werden die ersten und zweiten Konzentrationswerte miteinander verglichen, insbesondere, indem die Differenz zwischen den ersten und zweiten Konzentrationswerten gebildet wird.In a preferred embodiment of the method, first concentration values of impurities in the air stream emerging from the filter device are detected using the at least one first sensor element. With the at least one first sensor element, or with a second first sensor element, second concentration values of impurities in an air stream that is guided past the filter device in the bypass are additionally detected. In the evaluation device, the first and second concentration values are compared with one another, in particular by forming the difference between the first and second concentration values.
In einer anderen bevorzugten Ausführungsform werden über ein zweites Sensorelement der Sensoreinrichtung zweite Konzentrationswerte an Verunreinigungen in einem Luftstrom, der in die Filtereinrichtung eintritt, das heißt der stromauf der Filtereinrichtung ist, insbesondere kontinuierlich, erfasst. In der Auswerteeinrichtung werden die ersten und zweiten Konzentrationswerte miteinander verglichen, insbesondere, indem die Differenz zwischen den ersten und zweiten Konzentrationswerten gebildet wird.In another preferred embodiment, second concentration values of impurities in an air stream that enters the filter device, that is to say that is upstream of the filter device, in particular continuously, are detected via a second sensor element of the sensor device. In the evaluation device, the first and second concentration values are compared with one another, in particular by forming the difference between the first and second concentration values.
Vorzugsweise werden Konzentrationswerte an Verunreinigungen in einem Luftstrom, die von dem wenigstens einen ersten Sensorelement und/oder dem zweiten Sensorelement erfasst werden, und/oder Konzentrationsreferenzwerte, zumindest zeitweilig in einer Speichereinrichtung abgespeichert.Preferably, concentration values of impurities in an air stream, which are detected by the at least one first sensor element and/or the second sensor element, and/or concentration reference values, are stored at least temporarily in a storage device.
Die vorliegende Erfindung, wie sie im Rahmen der verschiedenen Erfindungsaspekte beschrieben ist, ermöglicht insbesondere die Detektion der Beladung einer Filtereinrichtung, beispielsweise eines Aktivkohlefilters, als Teile eines luftgekühlten Brennstoffzellensystems in einem Energiesystem, beispielsweise einer Heimenergieanlage, oder in einem Lüftungssystem.The present invention, as described in the context of the various aspects of the invention, enables in particular the detection of the loading of a filter device, for example an activated carbon filter, as parts of an air-cooled fuel cell system in an energy system, for example a home energy system, or in a ventilation system.
Die Erfindung wird nun anhand verschiedener Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen
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1 in schematischer Ansicht ein erfindungsgemäßes Energiesystem, das zur Realisierung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bestimmung des Adsorptionszustands einer Filtereinrichtung bereitgestellt ist; -
2 in schematischer Ansicht ein erfindungsgemäßes Lüftungssystem, das insbesondere Bestandteil eines Energiesystems ist, das zur Realisierung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bestimmung des Adsorptionszustands einer Filtereinrichtung bereitgestellt ist; -
3 in schematischer Ansicht eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bestimmung des Adsorptionszustands einer Filtereinrichtung; -
4 in schematischer Ansicht eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bestimmung des Adsorptionszustands einer Filtereinrichtung; -
5 in schematischer Ansicht eine dritte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bestimmung des Adsorptionszustands einer Filtereinrichtung; -
6 in schematischer Ansicht eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Lüftungssystems, das insbesondere Bestandteil eines Energiesystems ist, in dem eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Bestimmung des Adsorptionszustands einer Filtereinrichtung realisiert ist; -
7 in schematischer Ansicht eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Lüftungssystems, das insbesondere Bestandteil eines Energiesystems ist, in dem eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Bestimmung des Adsorptionszustands einer Filtereinrichtung realisiert ist; -
8 in schematischer Ansicht eine dritte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Lüftungssystems, das insbesondere Bestandteil eines Energiesystems ist, in dem eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Bestimmung des Adsorptionszustands einer Filtereinrichtung realisiert ist; -
9 in schematischer Ansicht eine vierte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Lüftungssystems, das insbesondere Bestandteil eines Energiesystems ist, in dem eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Bestimmung des Adsorptionszustands einer Filtereinrichtung realisiert ist; -
10 in schematischer Ansicht eine fünfte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Lüftungssystems, das insbesondere Bestandteil eines Energiesystems ist, in dem eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Bestimmung des Adsorptionszustands einer Filtereinrichtung realisiert ist; und -
11 in schematischer Ansicht eine sechste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Lüftungssystems, das insbesondere Bestandteil eines Energiesystems ist, in dem eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Bestimmung des Adsorptionszustands einer Filtereinrichtung realisiert ist.
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1 a schematic view of an energy system according to the invention, which is provided for realizing a device according to the invention for determining the adsorption state of a filter device; -
2 a schematic view of a ventilation system according to the invention, which is in particular part of an energy system that is provided for realizing a device according to the invention for determining the adsorption state of a filter device; -
3 a schematic view of a first embodiment of a device according to the invention for determining the adsorption state of a filter device; -
4 a schematic view of a second embodiment of a device according to the invention for determining the adsorption state of a filter device; -
5 a schematic view of a third embodiment of a device according to the invention for determining the adsorption state of a filter device; -
6 a schematic view of a first embodiment of a ventilation system according to the invention, which is in particular part of an energy system in which a device according to the invention for determining the adsorption state of a filter device is implemented; -
7 a schematic view of a second embodiment of a ventilation system according to the invention, which is in particular part of an energy system in which a device according to the invention for determining the adsorption state of a filter device is implemented; -
8th in a schematic view a third embodiment of a ventilation system according to the invention, which is in particular part of an energy system in which a device according to the invention for determining the adsorption state of a filter device is realized; -
9 in a schematic view a fourth embodiment of a ventilation system according to the invention, which is in particular part of an energy system in which a device according to the invention for determining the adsorption state of a filter device is implemented; -
10 in a schematic view a fifth embodiment of a ventilation system according to the invention, which is in particular part of an energy system in which a device according to the invention for determining the adsorption state of a filter device is implemented; and -
11 in a schematic view a sixth embodiment of a ventilation system according to the invention, which is in particular part of an energy system in which a device according to the invention for determining the adsorption state of a filter device is implemented.
Eine Vorrichtung zur Bestimmung des Adsorptionszustands einer Filtereinrichtung, insbesondere einer Filtereinrichtung eines Brennstoffzellensystems, kann auf unterschiedliche Weise und in verschiedensten Systemen zum Einsatz kommen.A device for determining the adsorption state of a filter device, in particular a filter device of a fuel cell system, can be used in different ways and in a wide variety of systems.
Ein mögliches System ist beispielsweise ein Energiesystem, In
Das Energiesystem 10 weist zunächst ein erstes Untersystem 20 auf, welches als Innensystem ausgebildet ist. Das bedeutet, dass sich das erste Untersystem 20 innerhalb des Hauses befindet. Zusätzlich weist das Energiesystem 10 ein zweites Untersystem 30 in Form eines Außensystems auf. Das bedeutet, dass sich das zweite Untersystem 30 außerhalb des Hauses befindet.The
Das erste Untersystem 20 weist eine Elektrolyseeinrichtung 21 zur Herstellung von Wasserstoff auf. Zudem weist das erste Untersystem 20 eine Brennstoffzellensystem 22 auf. Das Brennstoffzellensystem 22 besteht aus dem Brennstoffzellenmodul 22a, welches die eigentliche Brennstoffzelle, oder einen Brennstoffzellenstapel, umfasst. Dem Brennstoffzellenmodul 22a vorgeschaltet ist eine Filtereinrichtung 22b, die beispielsweise in Form eines Aktivkohlefilters vorliegt. In das Brennstoffzellensystem 22 eintretende Luft durchströmt erst die Filtereinrichtung 22b und wird dort von Verunreinigungen, die Schadstoffe für die Brennstoffzelle(n) darstellen, gefiltert, bevor der Luftstrom in die Brennstoffzelle(n) eintritt. Angedeutet ist in
Das zweite Untersystem 30 weist eine Hochdruckspeichereinrichtung 31 auf. In der Hochdruckspeichereinrichtung wird der erzeugte Wasserstoff bei bis zu 700 bar gespeichert. Zusätzlich verfügt das zweite Untersystem 30 über eine Mitteldruckspeichereinrichtung 32, in der der erzeugte Wasserstoff bei Drücken zwischen 20 und 30 bar zwischengespeichert wird, bevor er von dort endgültig in der Hochdruckspeichereinrichtung 31 gespeichert wird.The
Die einzelnen Komponenten des Energiesystems 10 sind über eine Verbindungsleitungseinrichtung 40 miteinander verbunden, die aus einer Anzahl unterschiedlicher Leitungsabschnitte 40a bis 40k besteht.The individual components of the
Zum Spülen der Elektrolyseeinrichtung 21 und/oder des Brennstoffzellensystems 22 ist eine Spüleinrichtung 23 mit einer Spülkammer vorgesehen, die über einen Leitungsabschnitt 40g mit den beiden vorgenannten Komponenten verbunden ist.For flushing the
Der in der Elektrolyseeinrichtung 21 mittels Elektrolyse hergestellte Wasserstoff verlässt die Elektrolyseeinrichtung 21 über einen Leitungsabschnitt 40f, welcher in den Leitungsabschnitt 40e übergeht. In den beiden Leitungsabschnitten 40f und 40e befinden sich in Strömungsrichtung des erzeugten Wasserstoffs eine Rückschlagventileinrichtung 24 sowie nachfolgend eine Filtereinrichtung 25 und eine Trocknereinrichtung 26, in denen der erzeugte Wasserstoff gefiltert und getrocknet wird. Die Filtereinrichtung 25 und die Trocknereinrichtung 26 können sich alternativ auch im zweiten Untersystem 30 befinden.The hydrogen produced in the
Von der Trocknereinrichtung 26 strömt der erzeugte Wasserstoff über die Leitungsabschnitte 40a und 40c zu einer weiteren Rückschlagventileinrichtung 35, welche ein Ende des Leitungsabschnitts 40c markiert. Von dort strömt der erzeugte Wasserstoff über einen Leitungsabschnitt 40h sowie 40i in den Mitteldruckspeicher 32, welcher über eine Ventileinrichtung 33, die insbesondere als Sperrventil, beispielsweise in Form eines Magnetventils, ausgebildet ist, an einem weiteren Leitungsabschnitt 40j angebunden ist. In dem Leitungsabschnitt 40j, der in der Hochdruckspeichereinrichtung 31 endet, befindet sich vor der Hochdruckspeichereinrichtung 31 eine Kompressoreinrichtung 34, insbesondere in Form eines Kolbenkompressors. Über die Kompressoreinrichtung 34 wird der erzeugte Wasserstoff in die Hochdruckspeichereinrichtung 31 eingespeichert. Der in der Mitteldruckspeichereinrichtung 32 zwischengespeicherte Wasserstoff wird unter Betätigung der Kompressoreinrichtung 34 in der Hochdruckspeichereinrichtung 31 eingespeichert. The hydrogen produced flows from the
Dieser Herstellungsvorgang des Wasserstoffs bis hin zu dessen Einspeicherung in der Hochdruckspeichereinrichtung 31 stellt eine erste Betriebsweise des Energiesystems 10 dar. Bei dieser ersten Betriebsweise des Energiesystems 10 herrscht in den Leitungsabschnitten 40a bis 40e der Verbindungsleitungseinrichtung 40 ein Druck von 20 bis 60 bar. Ein solcher Druck herrscht auch im Mitteldruckspeicher 32. Über die Kompressoreinrichtung 34 wird der aus der Mitteldruckspeichereinrichtung 32, bei der es sich um einen Zwischenspeicher handelt, entnommene Wasserstoff so weit komprimiert, dass er mit Drücken von bis zu 700 bar in der Hochdruckspeichereinrichtung 31 eingespeichert werden kann.This production process of the hydrogen up to its storage in the high-
Der in der Hochdruckspeichereinrichtung 31 gespeicherte Wasserstoff wird für den Betrieb des Brennstoffzellensystems 22 verwendet. Der Betrieb des Brennstoffzellensystems 22 erfolgt in der zweiten Betriebsweise des Energiesystems 10. Das Brennstoffzellensystem 22 kann aber nur bei Drücken kleiner 20 bar arbeiten. In der zweiten Betriebsweise des Energiesystems 10 wird der Wassersoff über einen Leitungsabschnitt 40k aus der Hochdruckspeichereinrichtung 31 entnommen, über eine Entspannungseinrichtung 36 in Form eines Druckminderers auf den erforderlichen Druck entspannt und über einen Leitungsabschnitt 40d in den bidirektionalen Leitungsabschnitt 40a transportiert, von wo aus er über den Leitungsabschnitt 40b in das Brennstoffzellensystem 22, und dort zunächst in die Filtereinrichtung 22b, eintritt. Zur Messung des Drucks ist wenigstes eine Druckmesseinrichtung 41, beispielsweise in Form eines Drucksensors vorgesehen.The hydrogen stored in the high-
Das in
Das multihybride Hausenergiespeichersystem ermöglicht es, die von einer Photovoltaik (PV)-Anlage, einer Kleinwindkraftanlage oder dergleichen erzeugte elektrische Energie bedarfsgesteuert auf das gesamte Jahr zu verteilen. Dabei kann das System als Inselsystem unabhängig vom elektrischen Netz oder aber bei Netzausfällen als Ersatzstromversorgung betrieben werden. Die Anlage kann auch die elektrische Autarkie des Hauses gewährleisten, sodass über das ganze Jahr hinweg keine elektrische Energie aus dem Stromnetz bezogen werden muss.The multihybrid home energy storage system makes it possible to distribute the electrical energy generated by a photovoltaic (PV) system, a small wind turbine or the like over the entire year based on demand. The system can be operated as an island system independently of the electrical network or as a backup power supply in the event of a network failure. The system can also ensure the electrical self-sufficiency of the house, so that no electrical energy has to be drawn from the power grid throughout the year.
Die primäre Aufgabe des Hausenergiesystems ist es, die gewonnene elektrische Energie aus Photovoltaik (PV)-Modulen oder dergleichen dem Verbraucher im Haushalt verfügbar zu machen. Sekundär können bei Zeiten niedriger Last oder hoher Einstrahlung elektrische Energieüberschüsse in einem Batterie-Kurzzeit-Speicher zwischengespeichert werden. Tertiär kann im Wasserstoff-Langzeit-Speicher die elektrische Energie als gasförmiger Wasserstoff für Zeiten niedriger Einstrahlung wie Nacht, Winter oder dergleichen mittel- bis langfristig gespeichert und mittels Brennstoffzelle wieder jederzeit bedarfsgerecht zur Verfügung gestellt werden.The primary task of the home energy system is to make the electrical energy obtained from photovoltaic (PV) modules or the like available to the consumer in the household. Secondarily, excess electrical energy can be temporarily stored in a short-term battery storage system during times of low load or high irradiation. Tertiary, in long-term hydrogen storage, the electrical energy can be stored as gaseous hydrogen for periods of low irradiation such as night, winter or the like in the medium to long term and made available again at any time as needed using a fuel cell.
Neben energietechnischen Aufgaben fungiert das System auch als kontrollierte Wohnraumlüftung durch eine verbaute Lüftungseinrichtung, die in
Der in der Elektrolyseeinrichtung produzierte Wasserstoff fließt über die Wasserstoffleitung in die außenaufgestellte Druckspeicheranlage.The hydrogen produced in the electrolysis device flows via the hydrogen line into the pressure storage system installed outside.
Bei fehlender oder nicht ausreichender PV-Energie wird Energie aus der Batterie zur Deckung der Verbraucherlast entnommen. Reicht die im Kurzzeitspeicher vorrätige Energie nicht aus, kann die Brennstoffzelleneinrichtung den zusätzlichen elektrischen Energiebedarf decken. Im Brennstoffzellenbetrieb fließt der Wasserstoff über die Wasserstoffleitung aus der Druckspeicheranlage zur Brennstoffzelleneinrichtung.If there is no or insufficient PV energy, energy is taken from the battery to cover the consumer load. If the energy stored in the short-term storage is not sufficient, the fuel cell device can cover the additional electrical energy requirements. In fuel cell operation, the hydrogen flows via the hydrogen line from the pressure storage system to the fuel cell device.
Ein zeitgleicher Betrieb von Brennstoffzelleneinrichtung und Elektrolyseeinrichtung ist ausgeschlossen. Das gesamte System wird zentral über einen Energy Manager mit einem prädiktiven Energiemanagement betrieben.Simultaneous operation of the fuel cell device and the electrolysis device is excluded. The entire system is operated centrally via an Energy Manager with predictive energy management.
Das zweite Untersystem ist prinzipiell für den Betrieb im Außenbereich vorgesehen, kann aber unter bestimmten Bedingungen auch innerhalb eines speziellen Bereichs des Hauses errichtet und betrieben werden.The second subsystem is in principle intended for operation outdoors, but under certain conditions can also be installed and operated within a specific area of the house.
Das Hausenergiesystem 10 kann zur effektiven Nutzung einzelner Komponenten oder zur Weiterverwertung einzelner Prozessprodukte mit anderen Systemen oder Teilsystemen verbunden sein. Bei einem dieser weiteren Systeme handelt es sich, wie in
In der
Das Lüftungssystem 42 befindet sich innerhalb des Hauses, von dem schematisch nur eine Hauswand 43 dargestellt ist.The
Ein Bauteil des Lüftungssystems 42 wird durch eine Lüftungseinrichtung 47 gebildet, in der sich ein Wärmetauscher 48 befindet. In dem in
Nach Verlassen des Wärmetauschers 48 wird der Zuluftstrom 46 über eine Einrichtung 49 zur Einstellung des Zuluftstroms, welche als Zuluftklappe oder als Zuluft-Ventileinrichtung ausgebildet sein kann, über eine Zuluftzufuhr 50 in eine in einem Raum befindliche Lüftungsanlage 51 eingebracht. Über eine Einrichtung zur Einstellung des Zuluftstroms (nicht dargestellt) kann die in die Lüftungsanlage 51 eintretende Zuluft mengenmäßig eingestellt werden. Ist die Einrichtung zur Einstellung des Zuluftstroms komplett geschlossen, kann keine Zuluft in die Lüftungsanlage 51 und damit in den Raum eintreten. Ist die Einrichtung hingegen vollständig geöffnet, tritt ein Maximum an Zuluft über die Zuluftzufuhr 50 in die Lüftungsanlage 51 ein. Um eine für den Nutzer des Lüftungssystems 42 geeignete Regelungsmöglichkeit der Zuluft zu schaffen, ist weiterhin eine Bypasseinrichtung 56 vorgesehen, welche als Bypassklappe oder Bypass-Ventileinrichtung ausgebildet sein kann. Über diese Bypasseinrichtung 56 kann wahlweise zumindest ein gewisser Mengenanteil der Zuluft aus der Zuluftzufuhr 50 abgezweigt und in Form eines Bypassstroms 57 an der Lüftungsanlage 51 vorbeigeführt werden.After leaving the
Aus dem Raum über die Lüftungsanlage 51 austretende Abluft wird über eine Abluftabfuhr 52 in Form eines Abluftstroms 53 abgeführt. Hinter der Abluftabfuhr 52 ist im Abluftstrom 53 eine Abluft-Filtereinrichtung 54 angeordnet. Mit einer der Abluft-Filtereinrichtung 54 zugeordneten Druckmesseinrichtung können Druckwerte der Abluft-Filtereinrichtung 54 bestimmt werden.Exhaust air emerging from the room via the
Um den Abluftstrom 53 zurück in Richtung des Wärmetauschers 48 befördern zu können, und um den Abluftstrom mengenmäßig zu regulieren, ist im Abluftstrom 53 ein Gebläse 55 vorgesehen.In order to be able to convey the
Danach kann der Abluftstrom 53, über die entsprechenden Leitungsabschnitte 40b und 40f, die auch aus
In der Lüftungseinrichtung 47 wird der Abluftstrom 53 wieder über den Wärmetauscher 48 geführt, wo er seine gespeicherte Wärme an den Zuluftstrom 46 übertragen kann. Je nach Betriebsweise und Ausgangslage kann der Abluftstrom 53 aber auch am Wärmetauscher 48 vorbei geleitet werden. Dies geschieht mittels einer Bypasseinrichtung 59, die beispielsweise als Bypassklappe oder Bypass-Ventileinrichtung ausgebildet ist. Bei einer entsprechenden Betätigung der Bypasseinrichtung 59 kann der Abluftstrom 53 über einen Abluftbypassstrom 60 an dem Wärmetauscher 48 vorbei geleitet werden.In the
Der Abluftstrom 53 verlässt die Lüftungseinrichtung 47 über eine Fortluftabfuhr 61, über die der Abluftvolumenstrom 53 in Form eines Fortluftstroms das Haus wieder verlässt.The
Um die einzelnen Komponenten und Abläufe im Energiesystem 10 so effizient wie möglich nutzen zu können, ist an verschiedenen Stellen eine Mehrfachnutzung von Vorteil. So kann beispielsweise die Abluft 53 aus dem Lüftungssystem 42 auch als Zuluft für das Brennstoffzellensystem 22 verwendet werden. Diese Abluft 53 kann aber Verunreinigungen enthalten, die für das Brennstoffzellensystem 22, beziehungsweise das Brennstoffzellenmodul 22a, schädlich sind. Aus diesem Grund weist das Brennstoffzellensystem 22 die Filtereinrichtung 22b auf, die die Funktion hat, Verunreinigungen aus dem Luftstrom, der in das Brennstoffzellensystem 22 eintritt, hier dem Abluftstrom 53, auszufiltern. Die Filtereinrichtung 22b ist, insbesondere kathodenseitig, in Strömungsrichtung des Luftstroms vor den Brennstoffzellen des Brennstoffzellenmoduls 22a angeordnet.In order to be able to use the individual components and processes in the
Eine zu hohe Konzentration an Verunreinigungen in dem Luftstrom, der in das Brennstoffzellenmodul 22a eintritt, führt im besten Fall zu einer Reduzierung der Leistung der Brennstoffzelle(n), in der Regel aber auch zu einer Beschädigung der Brennstoffzelle(n), bis hin zu deren Teilausfall oder sogar Totalausfall. Aus diesem Grund ist es erforderlich zu wissen, wie der Beladungszustand der den Brennstoffzellen vorgeschalteten Filtereinrichtung 22b, das heißt deren Adsorptionszustand, ist.A too high concentration of impurities in the air flow that enters the
Dazu ist erfindungsgemäß die Vorrichtung 70 zur Bestimmung des Adsorptionszustands einer Filtereinrichtung bereitgestellt, die auch als Bestimmungsvorrichtung bezeichnet wird und nachfolgend anhand verschiedener bevorzugter Ausführungsbeispiele beschrieben wird.For this purpose, according to the invention, the
In den
In
Wenn die Filtereinrichtung 22b einen zu hohen Beladungszustand, das heißt einen zu hohen Adsorptionszustand, den man als kritischen Adsorptionsgrad bezeichnen kann, erreicht hat, steigt die Konzentration an Verunreinigungen stark an und übersteigt gegebenenfalls die zulässigen Grenzwerte. Es gibt Sensorelemente, die eine oder mehrere Verunreinigungsmaterialien, das heißt Stoffe, in einem Luftstrom detektieren können. Wenn die Konzentration nach der Filtereinrichtung 22b gemessen wird, wird die aktuelle Wirksamkeit der Filtereinrichtung 22b bezüglich dieser Verunreinigungsgruppe beziehungsweise bezügliche der betreffenden Verunreinigungsgruppe erkennbar. Es wird insbesondere von der Annahme ausgegangen, dass eine schlechter wirksame Filtereinrichtung auf die Belegung einer Vielzahl der aktiven Zentren der Filtereinrichtung hindeutet und damit auf die schlechter werdende Filterwirkung auch anderer Verunreinigungsmaterialien, das heißt Stoffe, mit vergleichbarem Adsorptionsverhalten. Hierbei reicht es erfindungsgemäß aus, die qualitative Veränderung, das heißt die zeitliche Veränderung der Adsorption von einer oder mehreren Verunreinigungsklassen, beziehungsweise Stoffklassen, zu detektieren.If the
Bei dem in
Mit dem ersten Sensorelement 72 werden Konzentrationswerte an Verunreinigungen in einem Luftstrom 73, der aus der Filtereinrichtung 22b austritt und sich stromab der Filtereinrichtung 22b befindet, und der den Leitungsabschnitt 40g durchströmt, erfasst. Der entsprechende Sensorabgriff ist durch Bezugszeichen 85 gekennzeichnet.The
Weiterhin weist die Bestimmungsvorrichtung 70 eine Auswerteeinrichtung 74 zur qualitativen Auswertung der Konzentrationsänderung an Verunreinigungen im Luftstrom 73 auf, die über eine Schnittstelle 75 mit dem wenigstens einen ersten Sensorelement 72 verbunden ist. Die vom Sensorelement 72 erfassten Konzentrationswerte werden über den Signal-Übertragungsweg 90 zur Schnittstelle 75 der Auswerteeinrichtung 74 übertragen.Furthermore, the
Die Konzentrationswerte werden von einer Erfassungseinrichtung 76 empfangen, die zur, insbesondere kontinuierlichen, Erfassung der von dem wenigstens einen ersten Sensorelement 72 bestimmten Konzentrationswerte an Verunreinigungen im Luftstrom 73 bereitgestellt ist. In einer sich anschließenden Komparatoreinrichtung 77 werden die von der Erfassungseinrichtung 76 erfassten Konzentrationswerte an Verunreinigungen im Luftstrom 73 mit Konzentrationsreferenzwerten verglichen. Beispielsweise können die Konzentrationsreferenzwerte in Form von zuvor erfassten Konzentrationswerten an Verunreinigungen im Luftstrom, der aus der Filtereinrichtung austritt, und/oder in Form von Konzentrationsgrenzwerten vorliegen.The concentration values are received by a
Die vom ersten Sensorelement 72 erfassten Werte geben die Konzentration von Verunreinigungen im Luftstrom 73 an, der aus der Filtereinrichtung 22b austritt. Wird von dem ersten Sensorelement 72 keine Konzentration an Verunreinigungen erfasst, bedeutet dies, dass die Filtereinrichtung 22b aktiv ist und etwaige Verunreinigungen wirkungsvoll in der Filtereinrichtung 22b adsorbiert werden. Misst das erste Sensorelement 72 hingegen eine Konzentration, wird in der Komparatoreinrichtung 77 ermittelt, inwieweit die Konzentration im Luftstrom 73 schädlich ist. Werden die gemessenen Konzentrationswerte mit Konzentrationsgrenzwerten verglichen, kann festgesellt werden, ob sich die Konzentrationswerte an diese Konzentrationsgrenzwerte annähern. Wird ein solcher Grenzwert erreicht, oder nähern sich die gemessenen Konzentrationswerte einem solchen Grenzwert an, ist dies ein Indiz dafür, dass die Qualität der Filtereinrichtung 22b abnimmt und die Filtereinrichtung 22b gegebenenfalls ausgetauscht werden muss.The values detected by the
Zu diesem Zweck weist die Auswerteeinrichtung 74 eine Ausgabeeinrichtung 78 auf, die derart bereitgestellt ist, dass sie in der Lage ist, ein Ausgabesignal auszugeben, wenn ein von der Erfassungseinrichtung 76 erfasster Konzentrationswert an Verunreinigungen im Luftstrom 73 einen vorgegebenen Wert überschreitet. Dazu kann ein Signal, beispielsweise eine Nachricht, erzeugt und über eine Schnittstelle 80 an eine Steuereinrichtung 81 übertragen werden. Von dem Sensorelement 72 erfasste Konzentrationswerte und/oder Konzentrationsreferenzwerte können in einer Speichereinrichtung 79, zumindest temporär, gespeichert werden.For this purpose, the
Die Bestimmungsvorrichtung 70 ist insbesondere dazu bereitgestellt, dass sie die zeitliche Änderung von Konzentrationswerten an Verunreinigungen im Luftstrom 73, der aus der Filtereinrichtung 22b austritt, detektiert oder detektieren kann.The
In
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß
Das Sensorelement 72 misst in manchen Betriebszuständen die Konzentration an Verunreinigungen im Luftstrom 84, der im Bypass 83 an der Filtereinrichtung 22b vorbeigeführt wird, und in manchen Betriebszuständen die Konzentration an Verunreinigungen im Luftstrom 73, der durch die Filtereinrichtung 22b hindurchtritt. Ein Umschalten gibt dann bei zunehmender Beladung der Filtereinrichtung 22b zunehmend voneinander abweichende Messsignale. Bei dieser Ausführungsform ist bevorzugt realisiert, dass die Auswerteeinrichtung 74, insbesondere die Komparatoreinrichtung 77, eine Einrichtung zur Bildung der Differenz zwischen Konzentrationswerten an Verunreinigungen in dem Luftstrom 73, der aus der Filtereinrichtung 22b austritt beziehungsweise stromab der Filtereinrichtung 22b liegt, welche von dem wenigstens einen ersten Sensorelement 72 erfasst werden, und Konzentrationswerten von Verunreinigungen in dem Luftstrom 84, der im Bypass 83 an der Filtereinrichtung 22b vorbeigeführt wird, welche ebenfalls von dem wenigstens einen ersten Sensorelement 72 erfasst werden, aufweist.In some operating states, the
In
Bei dem in
In den
Im Unterschied zu dem in
Wie man in
Im Unterschied zu
Bei dem in
Wie man in
Das Sensorelement 72 sitzt dann so, dass im Nicht-Brennstoffzellen-Betrieb die Luft, die ansonsten in das Brennstoffzellensystem 22 eintritt, im Bypass der Filtereinrichtung 22b gemessen wird, und im Brennstoffzellen-Betrieb die Luft durch die Filtereinrichtung 22b strömt. Ein Umschalten gibt dann bei zunehmender Beladung zunehmend voneinander abweichende Messsignale. Beispielsweise kann das Sensorelement 72 die Brennstoffzellen-Luft per Schlauchverbindung zwischen Filtereinrichtung 22b und dem Eingang des Brennstoffzellenmoduls 22a ziehen. Genau dann besteht ein treibendes Druckgefälle. Wenn das Brennstoffzellenmodul 22a nicht läuft, zieht das Sensorelement 72 die Luft automatisch oder per Entnahmestelle aus dem Bypass-Luftstrom.The
Wie man in
Zusätzlich weist die Sensoreinrichtung 71 ein zweites Sensorelement 88 auf, das, insbesondere kontinuierlichen, über den Sensorabgriff 89 Konzentrationswerte an Verunreinigungen in einem Luftstrom erfasst, der in die Filtereinrichtung 22b eintritt. Die vom Sensorelement 88 ermittelten Konzentrationswerte werden über den Signal-Übertragungsweg 91 zur Auswerteeinrichtung 74 übertragen und dort qualitativ ausgewertet. Die Auswertung sieht vor, dass die von den Sensorelementen 72, 88 erfassten Konzentrationswerte in der Auswerteeinrichtung 74 miteinander verglichen werden, beispielsweise, indem die Differenz gebildet wird. Sind die Konzentrationswerte an Verunreinigungen im Luftstrom vor der Filtereinrichtung 22b höher als die Konzentrationswerte an Verunreinigungen im Luftstrom nach der Filtereinrichtung 22b, bedeutet dies, dass die Filtereinrichtung 22b aktiv ist und ordnungsgemäß funktioniert. Gleichen sich die Konzentrationswerte an, insbesondere wenn die Konzentrationswerte an Verunreinigungen im Luftstrom nach der Filtereinrichtung 22b dabei größer werden, bedeutet dies, dass die Wirkung der Filtereinrichtung 22b nachlässt.In addition, the
In
Im Unterschied zu
BezugszeichenlisteReference symbol list
- 1010
- Energiesystem (Hausenergiesystem)Energy system (house energy system)
- 2020
- Erstes Untersystem (Innensystem)First subsystem (internal system)
- 2121
- ElektrolyseeinrichtungElectrolysis device
- 2222
- BrennstoffzellensystemFuel cell system
- 22a22a
- BrennstoffzellenmodulFuel cell module
- 22b22b
- FiltereinrichtungFilter device
- 2323
- Spüleinrichtung (Spülkammer)Rinsing device (rinsing chamber)
- 2424
- RückschlagventileinrichtungCheck valve device
- 2525
- FiltereinrichtungFilter device
- 2626
- TrocknereinrichtungDryer facility
- 3030
- Zweites Untersystem (Außensystem)Second subsystem (external system)
- 3131
- HochdruckspeichereinrichtungHigh pressure storage device
- 3232
- MitteldruckspeichereinrichtungMedium pressure storage device
- 3333
- VentileinrichtungValve device
- 3434
- KompressoreinrichtungCompressor device
- 3535
- RückschlagventileinrichtungCheck valve device
- 3636
- Entspannungsvorrichtung (Druckminderer)Relaxation device (pressure reducer)
- 4040
- VerbindungsleitungseinrichtungConnection line device
- 40a bis 40k40a to 40k
- Leitungsabschnittline section
- 4141
- DruckmessvorrichtungPressure measuring device
- 4242
- LüftungssystemVentilation system
- 4343
- Hauswandhousewall
- 4444
- Außenluft-ZufuhrOutside air supply
- 4545
- Außenluft-FiltereinrichtungOutside air filter device
- 4646
- Zuluftstromsupply air flow
- 4747
- LüftungseinrichtungVentilation device
- 4848
- WärmetauscherHeat exchanger
- 4949
- Einrichtung zur Einstellung des Zuluftstroms (Zuluftklappe)Device for adjusting the supply air flow (supply air flap)
- 5050
- ZuluftzufuhrSupply air supply
- 5151
- LüftungsanlageVentilation system
- 5252
- AbluftabfuhrExhaust air removal
- 5353
- AbluftstromExhaust air flow
- 5454
- Abluft-FiltereinrichtungExhaust air filter device
- 5555
- Gebläsefan
- 5656
- BypasseinrichtungBypass device
- 5757
- BypassstromBypass current
- 5858
- Luft/WasserübertragerAir/water exchanger
- 5959
- BypasseinrichtungBypass device
- 6060
- AbluftbypassstromExhaust air bypass flow
- 6161
- FortluftabfuhrExhaust air removal
- 6262
- BrennstoffzellensystemklappeFuel cell system door
- 6363
- Elektrolyseeinrichtungsklappe Electrolysis device flap
- 7070
- Vorrichtung zur Bestimmung des Adsorptionszustands einer Filtereinrichtung (Bestimmungsvorrichtung)Device for determining the adsorption state of a filter device (determination device)
- 7171
- SensoreinrichtungSensor device
- 7272
- Erstes SensorelementFirst sensor element
- 7373
- Luftstrom, der aus der Filtereinrichtung austrittAir flow exiting the filter device
- 7474
- AuswerteeinrichtungEvaluation device
- 7575
- Schnittstelleinterface
- 7676
- ErfassungseinrichtungDetection device
- 7777
- KomparatoreinrichtungComparator device
- 7878
- AusgabeeinrichtungOutput facility
- 7979
- SpeichereinrichtungStorage facility
- 8080
- Schnittstelleinterface
- 8181
- SteuereinrichtungControl device
- 8282
- BypassklappeBypass flap
- 8383
- Bypass zur FiltereinrichtungBypass to the filter device
- 8484
- Bypass-LuftstromBypass airflow
- 8585
- SensorabgriffSensor tap
- 8686
- SensorabgriffSensor tap
- 8787
- Luftstrom, der in die Filtereinrichtung eintrittAir flow entering the filter device
- 8888
- Zweites SensorelementSecond sensor element
- 8989
- SensorabgriffSensor tap
- 9090
- Signal-ÜbertragungswegSignal transmission path
- 9191
- Signal-ÜbertragungswegSignal transmission path
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- DE 102018133194 A1 [0004]DE 102018133194 A1 [0004]
- DE 112007001423 B4 [0008]DE 112007001423 B4 [0008]
- WO 2017/089468 A1 [0051]WO 2017/089468 A1 [0051]
- WO 2017/089469 A1 [0051]WO 2017/089469 A1 [0051]
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Priority Applications (2)
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102022114038.5A DE102022114038A1 (en) | 2022-06-02 | 2022-06-02 | Energy system |
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Publication Number | Publication Date |
---|---|
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ID=86710797
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Country | Link |
---|---|
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