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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kathodenpfad für ein Brennstoffzellensystem sowie ein Brennstoffzellensystem mit einem solchen Kathodenpfad. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems.
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Stand der Technik
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Brennstoffzellen sind in der Lage mittels einer Redoxreaktion an einer Anode und Kathode aus kontinuierlich zugeführtem Brennstoff und einem Oxidationsmittel elektrische Energie zu generieren. Hierbei kann beispielsweise in einem Anodenpfad Wasserstoff zugeführt werden und parallel dazu in einem Kathodenpfad Luftsauerstoff. In einem Brennstoffzellenstapel wird der Wasserstoff durch den zugeführten Luftsauerstoff oxidiert, wobei die elektrische Energie gewonnen werden kann.
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Die Druckschrift
DE 10 2015 225 653 A1 beschreibt beispielsweise eine Brennstoffzelle, bei der in einem Kathodenpfad der Luftsauerstoff zugeführt wird und in einem Anodenpfad der Brennstoff zugeführt wird. Hierbei schlägt diese Druckschrift vor, dass in dem Kathodenpfad eine Bypass-Leitung vorgesehen ist, welche parallel zu dem Brennstoffzellenstapel angeordnet ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung schafft einen Kathodenpfad für ein Brennstoffzellensystem, ein Brennstoffzellensystem sowie ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
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Demgemäß ist vorgesehen:
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Ein Kathodenpfad für ein Brennzstoffzellensystem mit einem Kathoden-Einlasspfad, einem Kathode-Auslasspfad und einem Bypasspfad. Der Kathoden-Einlasspfad ist dazu ausgebildet, Umgebungsluft an einem Brennstoffzelleneinlass eines Brennstoffzellenstacks bereitzustellen. Der Kathoden-Auslasspfad ist dazu ausgebildet, von einem Brennstoffzellenauslass des Brennstoffzellenstacks ausströmendes Fluid abzuführen. Der Bypasspfad ist als Verbindung zwischen dem Kathoden-Einlasspfad und dem Kathoden-Auslasspfad ausgebildet. Der Kathodenpfad umfasst ferner ein Drosselklappenventil. Das Drosselklappenventil ist in dem Bypasspfad angeordnet. Insbesondere ist das Drosselklappenventil dazu ausgelegt, in einem ersten Betriebsmodus einen Volumenstrom zwischen dem Kathoden-Einlasspfad und dem Kathoden-Auslasspfad zu steuern. Ferner ist das Drosselklappenventil dazu ausgelegt, in einem zweiten Betriebsmodus einen dicht schließenden Zustand zwischen dem Kathoden-Einlasspfad und dem Kathoden-Auslasspfad einzustellen. Somit kann durch ein und dasselbe Drosselklappenventil einerseits eine Steuerung des Volumenstroms realisiert werden und darüber hinaus ein dicht schließender Zustand eingestellt werden, in welchem auch ein Druckunterschied zwischen dem Kathoden-Einlasspfad und dem Kathoden-Auslasspfad realisiert werden kann.
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Ferner ist vorgesehen:
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Ein Brennstoffzellensystem mit einem Brennstoffzellenstack und einem erfindungsgemäßen Kathodenpfad.
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Schließlich ist vorgesehen:
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Ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, insbesondere eines Brennstoffzellensystems mit einem erfindungsgemäßen Kathodenpfad. Das Verfahren umfasst einen Schritt zum Ansteuern des Drosselklappenventils in einem ersten Betriebsmodus und einen Schritt zum Ansteuern des Drosselklappenventils in einem zweiten Betriebsmodus. Das Ansteuern des Drosselklappenventils in dem ersten Betriebsmodus erfolgt zur Steuerung eines Volumenstroms zwischen dem Kathoden-Einlasspfad und dem Kathoden-Auslasspfad. Das Ansteuern des Drosselklappenventils in dem zweiten Betriebsmodus erfolgt zum dichten Verschließen des Drosselklappenventils zwischen dem Kathoden-Einlasspfad und dem Kathoden-Auslasspfad.
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Vorteile der Erfindung
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass Brennstoffzellensysteme neben einem Kathodenpfad zwischen einem Einlass und einem Auslass des Brennstoffzellenstacks einen Bypasspfad aufweisen können. Hierbei kann ein Volumenstrom durch diesen Bypasspfad mittels einer Drosselklappe gesteuert werden. Darüber hinaus kann es wünschenswert sein, die Verbindung zwischen dem Kathoden-Einlasspfad und dem Kathoden-Auslasspfad des Kathodenpfads dicht zu verschließen. Konventionelle Systeme können zum dichten Verschließen der Bypassverbindung ein zusätzliches, separates Ventil aufweisen.
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Die vorliegende Erfindung sieht nun vor, die Funktionalität des Steuerns des Volumenstroms im Bypasspfad sowie die Funktionalität des dichten Verschließens des Bypasspfades zwischen Kathoden-Einlasspfad und Kathoden-Auslasspfad durch ein einziges Bauelement, insbesondere eine hierfür speziell geeignete Drosselklappe zu realisieren. Eine solche Drosselklappe ist derart ausgeführt, dass sie einerseits einen Volumenstrom zwischen einem Einlass und einem Auslass steuern kann, und darüber hinaus in einem weiteren Betriebsmodus ein dichtes, insbesondere druckfestes Verschließen zwischen dem Einlass und dem Auslass realisieren kann.
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Durch eine solche spezielle Drosselklappe, welche eine Steuerung des Volumenstroms und ein druckfestes, dichtes Verschließen als gemeinsames Bauelement realisieren kann, kann somit ein besonders kompakter Aufbau eines Brennstoffzellensystems realisiert werden. Hierdurch ergeben sich neben Einsparungen in dem erforderlichen Bauraum auch Kostenvorteile durch die Kombination zweier Funktionalitäten in einem gemeinsamen Bauelement.
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Für das dichte, insbesondere druckfeste Verschließen der Drosselklappe muss dabei ein Betriebszustand eingestellt werden, in welchem die Drosselklappe mit einer ausreichenden Kraft geschlossen wird. Hierbei kann die Drosselklappe mit der erforderlichen Kraft gegen eine geeignete Dichtung gedrückt werden, um ein dichtes, insbesondere druckfestes Verschließen zu erzielen. Ein solches dichtes und druckfestes Verschließen stellt somit auch eine nicht zu vernachlässigende Beanspruchung der beteiligten Komponenten, insbesondere der hierfür verwendeten Dichtung dar. Daher sind, wie nachfolgend noch näher erläutert wird, für das Einstellen dieses speziellen dicht schließenden Betriebszustandes geeignete Betriebsstrategien vorgesehen, um ein übermäßiges Beanspruchen der beteiligten Komponenten zu vermeiden bzw. auf ein geeignetes Maß zu reduzieren.
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Der Kathodenpfad eines solchen Brennstoffzellensystems kann hierbei beliebige geeignete bzw. für den Betrieb erforderliche Komponenten aufweisen. Beispielsweise können in dem Kathodenpfad Messkomponenten oder Sensoren vorgesehen sein, welche einen Volumenstrom oder einen Massenstrom in dem Kathodenpfad erfassen und ein hierzu korrespondierendes Messsignal bereitstellen. Darüber hinaus können auch weitere Komponenten, wie beispielsweise Verdichter zur Förderung und/oder Druckerhöhung vorgesehen sein. Auch Komponenten zur Aufbereitung der Gase bzw. Fluide in dem Kathodenpfad sowie beliebige andere geeignete funktionelle Komponenten sind darüber hinaus selbstverständlich möglich.
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Dabei können durch das dichte und insbesondere auch druckfeste Schließen der erfindungsgemäßen Drosselklappe im Bypasspfad des Kathodenpfads Konfigurationen eingestellt werden, welche es ermöglichen, die funktionalen Komponenten des Kathodenpfads zu überprüfen und/oder zu kalibrieren. Darüber hinaus können beispielsweise auch Testfunktionen zur Überprüfung der Dichtigkeit des Kathodenpfads sowie Funktions- und/oder Dichtigkeitstests des Brennstoffzellenstacks ausgeführt werden. Selbstverständlich sind auch beliebige andere Test- oder Konfigurationsvorgänge möglich, welche eine Entkopplung des Kathoden-Einlasspfades von dem Kathoden-Auslasspfad durch ein druckfestes Verschließen des Bypasspfades erfordern.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst der Kathodenpfad eine Steuereinrichtung. Die Steuereinrichtung ist dazu ausgelegt, den zweiten Betriebsmodus zum druckfesten dichten Verschließen der Drosselklappe einzustellen und anschießend eine Test- und/oder Kalibrierfunktion für eine Komponente in dem Kathodenpfad des Brenstoffzellensystems auszuführen. Wie zuvor bereits ausgeführt, kann der Kathodenpfad beliebige geeignete funktionale Komponenten wie Messelemente, Sensoren, Verdichter oder andere Elemente zur Förderung bzw. Druckerhöhung sowie zur Aufbereitung des Gases bzw. Fluids oder beliebige andere funktionale Komponenten aufweisen. Durch das Einstellen des dicht schließenden, insbesondere druckfesten Betriebszustandes an der Drosselklappe im Bypasspfad des Kathodenpfads kann somit eine Konfiguration eingestellt werden, welche eine Überprüfung von funktionalen Komponenten, eine Dichtigkeitsprüfung des Kathodenpfads sowie des Brennstoffzellenstacks oder anderer Elemente des Kathodenpfads ermöglicht. Ferner können auch Kalibrierfunktionen ausgeführt werden. Umfasst der Kathodenpfad beispielsweise mehrere Messkomponenten bzw. Sensoren zur Erfassung eines Volumen- oder Massenstromes, so kann insbesondere bei dem dichten, druckfesten Verschließen der Drosselklappe ein Betriebszustand eingestellt werden, in dem davon ausgegangen werden kann, dass die mehreren Messelemente bzw. Sensoren jeweils einen gleichen Massen- bzw. Volumenstrom erfassen sollten. Somit kann durch Vergleich der Messwerte der einzelnen Komponenten eine Überprüfung und/oder Kalibrierung ausgeführt werden.
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Gemäß einer Ausführungsform sind in dem Kathodenpfad im Kathoden-Einlasspfad und/oder im Kathoden-Auslasspfad jeweils mehrere Messeinrichtungen vorgesehen. Entsprechend kann die Steuereinrichtung dazu ausgelegt sein, eine dieser mehreren Messeinrichtungen unter Verwendung von Messsignalen mindestens einer weiteren Messeinrichtung der mehreren Messeinrichtungen zu überprüfen und/oder zu kalibrieren. Das Überprüfen bzw. Kalibrieren kann insbesondere in dem zweiten Betriebszustand des Drosselklappenventils erfolgen, in welchem ein dicht schließender Betriebszustand eingestellt ist. Wie oben bereits ausgeführt, kann durch das dichte und insbesondere druckfeste Verschließen des Drosselklappenventils ein Betriebszustand eingestellt werden, bei welchem im Kathoden-Einlasspfad bzw. Kathoden-Auslasspfad der Massenstrom des Fluids konstant ist. Somit kann durch den Vergleich von mehreren Mess- bzw. Sensorwerten an unterschiedlichen Positionen des Kathoden-Einlasspfades bzw. Kathoden-Auslasspfades eine Überprüfung und/oder Kalibrierung der einzelnen Messkomponenten bzw. Sensoren erfolgen.
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Gemäß einer Ausführungsform umfassen die zu kalibrierenden bzw. zu überprüfenden Messeinrichtungen in dem Kathoden-Einlasspfad bzw. Kathoden-Auslasspfad Messeinrichtungen für einen Massenstrom und/oder einen Volumenstrom.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst der Kathodenpfad einen Niederdruckabschnitt und einen Hochdruckabschnitt. Beispielsweise kann durch eine entsprechende Komponente zur Druckerhöhung, zum Beispiel eines Verdichters oder Ähnlichem, eine Druckerhöhung innerhalb des Kathodenpfads erfolgen. In einem solchen Fall kann eine der mehreren Messeinrichtungen in dem Niederdruckabschnitt angeordnet sein und eine weitere Messeinrichtung in dem Hochdruckabschnitt. Entsprechend kann durch das dichte, druckfeste Verschließen der Drosselklappe in dem zweiten Betriebszustand eine Konfiguration eingestellt werden, in welcher sowohl im Niederdruckabschnitt als auch im Hochdruckabschnitt ein gleicher Massenstrom durch den Kathodenpfad fließt. Somit kann ein Abgleich, insbesondere eine Überprüfung oder Kalibrierung der Messeinrichtungen erfolgen. So sind beispielsweise Messeinrichtungen für einen Volumen- oder Massenstrom im Niederdruckbereich in der Regel präziser sowie kostengünstiger verfügbar. Durch das Kalibrieren bzw. Überprüfen der Messeinrichtungen im Hochdruckbereich kann somit auch für die in der Regel eher ungenaueren Messeinrichtungen im Hochdruckbereich eine gute Kalibrierung bzw. Überprüfung erfolgen.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Testfunktion eine Überprüfung der Dichtheit in dem Kathodenpfad und/oder in dem Brennstoffzellenstack. Durch das druckdichte Verschließen der Drosselklappe während der Überprüfung des Kathodenpfads und/oder des Brennstoffzellenstacks kann gewährleistet werden, dass während des Überprüfungsvorgangs kein Gas bzw. Fluid durch den Bypasspfad strömt. Somit kann bei der Überprüfung auf eine bekannte Konfiguration zurückgegriffen werden und die während der Überprüfung gewonnenen Messdaten können entsprechend ausgewertet werden.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Steuereinrichtung eine Speichereinrichtung. Die Speichereinrichtung ist dazu ausgelegt, die während des Betriebs des Drosselklappenventils eingestellten Betriebsmodi zu protokollieren. Somit können historischen Daten über den Betriebs des Drosselklappenventils und die jeweils eingestellten Betriebszustände in der Speichereinrichtung gespeichert werden. Diese historischen Daten können daraufhin für weitere Zwecke genutzt werden. Insbesondere kann die die Steuereinrichtung dazu ausgelegt sein, eine Betriebsstrategie für das Einstellen des zweiten Betriebsmodus zum dichten und druckfesten Einstellen des Drosselklappenventils und/oder für das Ausführen einer Testfunktion und/oder Kalibrierfunktion für das Ansteuern der Drosselklappe anzupassen. Auf diese Weise kann zum Beispiel die Häufigkeit, mit der der zweite Betriebsmodus für das dichte Verschließen des Drosselklappenventils eingestellt wird, in Abhängigkeit der historischen Betriebsdaten angepasst werden. Somit kann eine übermäßige Beanspruchung und ein gegebenenfalls vorzeitiger Verschleiß des Drosselklappenventils vermieden werden. Hierbei kann beispielsweise eine absolute Anzahl der Vorgänge für das dichte Verschließen des Drosselklappenventils über die Lebensdauer oder innerhalb einer vorgegebenen Zeitdauer berücksichtigt werden. Beispielsweise können vorgegebene Test- oder Kalibrierfunktionen in Abhängigkeit der historischen Betriebsdaten und insbesondere der Häufigkeit des zweiten Betriebsmodus angepasst werden. Zum Beispiel können auch zum Beispiel bestimmte Test- oder Kalibrierfunktionen ausgesetzt werden, wenn eine vorgegebene Anzahl für das Einstellen des zweiten Betriebsmodus überschritten worden ist. Dies kann sich sowohl auf die gesamte Lebensdauer des Drosselklappenventils oder auch die Häufigkeit des zweiten Betriebsmodus innerhalb einer vorgegebenen Zeitspanne beziehen.
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Wie zuvor bereits ausgeführt, kann das Protokollieren der Betriebsdaten ein Zählen von Aktionen für das Aktivieren des zweiten Betriebsmodus zum Einstellen des dicht schließenden Betriebszustandes umfassen. Neben der reinen Häufigkeit, das heißt der absoluten Zahl der Vorgänge für das dichte Verschließen der Drosselklappe kann auch die Zeitdauer protokolliert werden, wie lange die Drosselklappe jeweils in dem zweiten Betriebsmodus angesteuert wird. Das Protokollieren, insbesondere das Zählen der Aktionen für das Aktivieren des zweiten Betriebsmodus kann über die gesamte Lebensdauer oder über einen vorgegebenen Zeitabschnitt betrachtet werden.
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Gemäß einer Ausführungsform erfolgt das Ansteuern des Drosselklappenventils (11) in dem ersten Betriebsmodus oder dem zweiten Betriebsmodus in Abhängigkeit von einer aktuellen Leistungsanforderung des Brennstoffzellensystems. So kann zum Beispiel der zweite Betriebsmodus mit dem dicht schließenden Ansteuern des Drosselklappenventils eingestellt werden, wenn das Brennstoffzellensystem in einem Hochlastbetrieb betrieben wird, d.h. eine hohe Leistung von dem Brennstoffzellensystem abgerufen wird. In diesem Hochlastbetrieb können hierbei durch das dichte Schließen des Drosselklappenventils auch geringe Leckagen in diesem Ventil vermieden werden und somit die Effizient weiter gesteigert werden.
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Die obigen Ausgestaltungen und Weiterbildungen lassen sich, soweit sinnvoll, beliebig miteinander kombinieren. Weitere Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich den Ausführungsbeispielen beschriebenen Merkmalen der Erfindung. Insbesondere wird der Fachmann auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu den jeweiligen Grundformen der Erfindung hinzufügen.
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Figurenliste
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren erläutert. Dabei zeigen:
- 1: eine schematische Darstellung eines Blockschaubilds eines Brennstoffzellensystems mit einem Kathodenpfad gemäß einer Ausführungsform; und
- 2: ein Ablaufdiagramm, wie es einem Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems mit einem Kathodenpfad gemäß einer Ausführungsform zugrunde liegt.
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Beschreibung von Ausführungsformen
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Blockschaubilds eines Brennstoffzellensystems 1 gemäß einer Ausführungsform. Das Brennstoffzellensystem 1 umfasst einen Brennstoffzellenstapel oder Brennstoffzellenstack 20. In diesem Brennstoffzellenstack 20 wird ein Brennstoff, beispielsweise Wasserstoffgas mit Sauerstoff, beispielsweise Luftsauerstoff aus der Umgebung, oxidiert. Bei dieser kontrolliert ablaufenden Reaktion wird durch den Brennstoffzellenstack 20 elektrische Energie erzeugt, die an (nicht dargestellten) elektrischen Ausgangsanschlüssen bereitgestellt werden kann. Der Brennstoff, beispielsweise das Wasserstoffgas, wird hierbei über einen Anodenpfad 30 bereitgestellt. Der Anodenpfad 30 kann beispielsweise einen Anoden-Einlasspfad 31 aufweisen, über welchen der Wasserstoff von einem Wasserstoffreservoir zugeführt werden kann. Darüber hinaus kann der Anoden-Einlasspfad 31 auch weitere Komponenten, wie beispielsweise einen Verdichter oder Ähnliches aufweisen. Überschüssiges Brennmaterial kann über einen Anoden-Auslasspfad 32 abgeführt werden und gegebenenfalls über einen Rezirkulationspfad (hier nicht dargestellt) erneut dem Anoden-Einlasspfad 31 zugeführt werden.
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Der für die Reaktion in dem Brennstoffzellenstack 20 erforderliche Sauerstoff wird über einen Kathodenpfad 10 bereitgestellt. Der Kathodenpfad 10 kann beispielsweise einen Kathoden-Einlasspfad 10a umfassen, über welchen der Sauerstoff, insbesondere beispielsweise Luftsauerstoff einem entsprechenden Einlass an dem Brennstoffzellenstapel 20 zugeführt wird. Weiterhin kann der Kathodenpfad 10 einen Kathoden-Auslasspfad 10b aufweisen, über welchen überschüssiger Sauerstoff oder auch Reaktionsprodukte des Brennstoffzellenstapels 20 abgeleitet werden können. In dem Kathodenpfad 10 können dabei beliebige geeignete bzw. erforderliche weitere Komponenten vorgesehen sein. Beispielsweise können in dem Einlasspfad 10a funktionale Komponenten 15, 16 vorgesehen sein. Bei diesen funktionalen Komponenten 15, 16 kann es sich beispielsweise um Filterelemente handeln, welche Verunreinigungen in dem von außen zugeführten Luftsauerstoff herausfiltern. Ferner können die funktionalen Komponenten 15, 16 auch Verdichter, Wärmeübertrager, Befeuchter oder Ähnliches umfassen. Darüber hinaus kann in dem Kathoden-Einlasspfad 10a beispielsweise auch ein Absperrventil 16 vorgesehen sein, welches die Zufuhr von Sauerstoff unterbindet oder die Menge des dem Brennstoffzellenstack 20 zugeführten Sauerstoffes steuert.
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Ferner können beispielsweise auch Messkomponenten oder Sensoren 13, 14 in dem Kathoden-Einlasspfad 10a vorgesehen sein. Bei diesen Messkomponenten oder Sensoren 13, 14 kann es sich beispielsweise um Einrichtungen zur Erfassung eines Massen- oder Volumenstromes in dem Kathoden-Einlasspfad 10a handeln. Sind in dem Kathoden-Einlasspfad 10a Komponenten zur Druckerhöhung, beispielsweise Verdichter oder Ähnliches vorgesehen, so können in dem Kathoden-Einlasspfad 10a entsprechend Abschnitte mit niedrigem bzw. höherem Druck vorgesehen sein. Entsprechend können auch die Messkomponenten bzw. Sensoren 13, 14 für den jeweiligen Arbeitsdruck in dem entsprechenden Abschnitt ausgelegt sein. Beispielsweise kann eine erste Messeinrichtung 13 in einem Niederdruckbereich des Kathoden-Einlasspfades 10a vorgesehen sein. Eine weitere Messeinrichtung 14 kann in einem Hochdruckbereich des Kathoden-Einlasspfades 10a vorgesehen sein. Dazwischen kann durch die funktionalen Komponenten 15 oder 16 eine Druckerhöhung in dem Kathoden-Einlasspfad 10a implementiert sein.
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Entsprechend können auch in dem Kathoden-Auslasspfad 10b beliebige geeignete funktionale Komponenten und/oder Ventile 17, 18 vorgesehen sein. Der Kathoden-Einlasspfad 10a kann mit dem Kathoden-Auslasspfad 10b über einen Bypasspfad 10c verbunden sein. In diesem Bypasspfad 10c kann ein Drosselklappenventil 11 vorgesehen sein. Auf diese Weise kann ein Teil des Volumenstroms von dem Kathoden-Einlasspfad 10a zu dem Kathoden-Auslasspfad 10b durch den Bypasspfad 10c strömen. Das Drosselklappenventil 11 kann hierbei die Menge des durch den Bypasspfad 10c strömenden Mediums steuern. Hierzu kann beispielsweise die Steuereinrichtung 12 eine Stellung des Drosselklappenventils 11 derart ansteuern, dass jeweils eine gewünschte Menge des entsprechenden Mediums durch den Bypasspfad 10c strömt.
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Darüber hinaus weist das Drosselklappenventil 11 in dem Bypasspfad 10c einen weiteren Betriebsmodus auf, in welchem das Drosselklappenventil 11 dicht geschlossen ist. In diesem Zusammenhang ist unter dem Ausdruck „dicht geschlossen“ zu verstehen, dass selbst bei einem Druckunterschied zwischen dem Kathoden-Einlasspfad 10a und dem Kathoden-Auslasspfad 10b kein Medium durch das Drosselklappenventil 11 strömen kann. Für einen solchen Betriebszustand, bei dem das Drosselklappenventil 11 dicht geschlossen ist, muss in der Regel auf eine in dem Drosselklappenventil 11 vorgesehene Komponente eine ausreichende Kraft ausgeübt werden. Somit wird beispielsweise eine Klappe des Drosselklappenventils 11 derart gegen eine Dichtung gedrückt, dass ein dichter, druckfester Verschluss des Drosselklappenventils 11 erreicht werden kann. Ein solcher Betriebszustand, in welchem eine Klappe des Drosselklappenventils 11 mit einer Kraft gegen eine Dichtung gedrückt wird, stellt dabei jedoch eine nicht zu vernachlässigende Beanspruchung der beteiligten Komponenten dar. Daher kann, wie im Nachfolgenden noch näher erläutert wird, der Vorgang, bei welchem das Drosselklappenventil 11 dicht geschlossen ist, protokolliert werden und eine Betriebsstrategie für das dichte Verschließen des Drosselklappenventils 11 kann entsprechend den protokollierten Daten angepasst werden.
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Der Betriebszustand der dicht geschlossenen Drosselklappe 11 kann für beliebige geeignete Operationen genutzt werden. Beispielsweise kann bei einer dicht geschlossenen Drosselklappe 11 eine Überprüfung des Kathodenpfads 10, insbesondere des Kathoden-Einlasspfads 10a und/oder des Brennstoffzellenstacks 20 erfolgen. Ist beispielsweise das Drosselklappenventil 11 dicht geschlossen und darüber hinaus zum Beispiel auch ein Ventil 16 am Einlass des Brennstoffzellenstacks 20 ebenfalls geschlossen, so kann durch Überwachen eines Volumenstroms am Eingang des Kathoden-Einlasspfades 10a, beispielsweise mittels eines Massen- oder Volumenstromsensors 13 auf mögliche Undichtigkeiten innerhalb des Kathoden-Einlasspfades 10a geschlossen werden. Wird beispielsweise ein Ventil 17 am Auslass des Brennstoffzellenstacks 20 geschlossen, so kann darüber hinaus beispielsweise auch eine Überprüfung des Brennstoffzellenstacks 20 erfolgen. Selbstverständlich sind darüber hinaus je nach Konfiguration der beteiligten Komponenten in dem Kathodenpfad 10, insbesondere dem Kathoden-Einlasspfad 10a oder dem Kathoden-Auslasspfad 10b auch beliebige andere geeignete funktionale Tests möglich.
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Darüber hinaus kann bei einer dicht geschlossenen Drosselklappe 11 gegebenenfalls auch eine Überprüfung und/oder Kalibrierung von Messkomponenten bzw. Sensoren 13, 14 in dem Kathodenpfad 10, insbesondere dem Kathoden-Einlasspfad 10a erfolgen. Ist das Drosselklappenventil 11 dicht geschlossen, so kann beispielsweise davon ausgegangen werden, dass ein Massenstrom an einem entsprechenden Sensor 13 gleich groß ist, wie ein Massenstrom an einem weiteren Sensor 14 an einer anderen Position des Kathodenpfads, insbesondere des Kathoden-Einlasspfads 10a. Dies gilt insbesondere auch dann, wenn sich die beiden Sensoren 13 und 14 an unterschiedlichen Abschnitten, beispielsweise Abschnitten mit unterschiedlichen Druckverhältnissen befinden. So kann beispielsweise in einem Bereich mit niedrigen Druckverhältnissen ein relativ günstiger hochgenauer Sensor dazu genutzt werden, um einen weiteren Sensor in einem anderen Bereich, beispielsweise in einem Hochdruckbereich im Betrieb zu kalibrieren oder abzugleichen. Wie zuvor bereits angeführt, kann sich dabei zunutze gemacht werden, dass bei einer dicht geschlossenen Drosselklappe 11 entlang des Kathodenpfads, insbesondere des Kathoden-Einlasspfades 10a jeweils ein konstanter Massenstrom vorherrschen muss.
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Darüber hinaus ist es auch beispielsweise möglich, bei einer Fehlfunktion oder einem Ausfall einer Messvorrichtung 13, 14 die Drosselklappe 11 in einem dicht schließenden Betriebszustand zu betreiben. Auch in diesem Fall kann man sich die Eigenschaft zunutze machen, dass bei einer dicht geschlossenen Drosselklappe 11 entlang des gesamten Pfades, insbesondere des Kathoden-Einlasspfades 10a ein konstanter Massenstrom vorherrschen muss. Damit kann auch bei Ausfall eines Messelementes 13, 14 auf Grundlage der Messwerte des noch verbleibenden intakten Messelements 13, 14 bei dicht geschlossener Drosselklappe 11 auf den Massenstrom entlang des Kathoden-Einlasspfades 10a geschlossen werden.
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Analog gelten die oben genannten Betrachtungen für den Kathoden-Einlasspfad 10a selbstverständlich auch für den Kathoden-Auslasspfad 10b. Somit können auch Komponenten innerhalb des Kathoden-Auslasspfades 10b entsprechend überprüft und/oder kalibriert werden.
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Der zweite Betriebsmodus zum dichten Schließen der Drosselklappe 11 kann beispielsweise auch eingestellt werden, um während des Betriebs des Brennstoffzellensystems bei einer hohen Leistungsabgabe die Effizienz zu steigern. Hierbei können durch das dichte Verschließen der Drosselklappe 11 auch geringe Leckageströme in dem Bypasspfad vermieden werden, sodass der bereitgestellte Brennstoff, insbesondere Wasserstoff, vollständig dem Brennstoffzellenstack zugeführt werden kann.
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Wie zuvor bereits ausgeführt, kann der Betriebszustand der dicht geschlossenen Drosselklappe 11 zu einer signifikanten Beanspruchung der Drosselklappe 11 führen, die höher sein kann, als die Beanspruchung der Betrieb der Drosselklappe 11 im Betrieb für eine Regelung bzw. Steuerung des Volumenstrom. Daher kann die Steuereinrichtung 12 den Betrieb der Drosselklappe 11 und insbesondere das Ansteuern der Drosselklappe 11 für den dicht geschlossenen Betriebszustand überwachen, protokollieren und in Abhängigkeit der Häufigkeit und/oder Dauer des dicht geschlossenen Betriebszustandes die Betriebsstrategie für ein dichtes Schließen der Drosselklappe 11 anpassen.
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Beispielsweise kann in der Steuervorrichtung 12 ein Zähler implementiert werden, der die Anzahl der Vorgänge für das dichte Schließen der Drosselklappe 11 zählt bzw. protokolliert. Hierbei ist es möglich, beispielsweise die gesamte Anzahl der Vorgänge für das dichte Schließen der Drosselklappe 11 über die Lebensdauer der Drosselklappe 11 zu protokollieren. Alternativ ist es auch möglich, die Anzahl der Vorgänge für das dichte Schließen der Drosselklappe 11 über einen vorgegebenen Zeitraum zu betrachten. Die Wahl der Zeitdauer kann je nach Anwendungsfall in beliebiger geeigneter Weise getroffen werden. Zum Beispiel kann die Zeitdauer, über die die dicht schließenden Zustände der Drosselklappe betrachtet werden eine Stunde, mehrere Stunden, ein Tag, eine Woche, ein Monat, oder ein Jahr betragen. Aber auch hiervon abweichende Zeiträume sind möglich. Darüber hinaus ist es auch beispielsweise möglich, jeweils die Dauer des Zustandes sowie die während des jeweiligen Zustands vorherrschenden Bedingungen und/oder die Bedingungen, welche zu dem Einstellen des jeweiligen Betriebszustandes geführt haben zu erfassen, in welchem die Drosselklappe 11 dicht geschlossen ist. Grundsätzlich sind darüber hinaus auch beliebige andere Ansätze zum Protokollieren der Betriebszustände der Drosselklappe 11 möglich.
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Wie oben ausgeführt, kann der Betriebszustand der dicht geschlossenen Drosselklappe 11 dazu genutzt werden, um den Zustand des Brennstoffzellensystems 1, insbesondere des Kathodenpfads 10 zu überprüfen und/oder Komponenten in dem Kathodenpfad 10 zu testen oder zu kalibrieren. Überschreitet die Anzahl der Zyklen, in welchen die Drosselklappe 11 dicht geschlossen ist, einen vorgegebenen Grenzwert oder überschreitet die Dauer, während derer die Drosselklappe 11 dicht geschlossen ist, einen vorgegebenen Grenzwert, so kann die Häufigkeit für das Überprüfen des Kathodenpfads 10 und/oder das Kalibrieren der Komponenten in dem Kathodenpfad 10 herabgesetzt werden. Darüber hinaus können gegebenenfalls auch einige vorgegebene Funktionen für das Überprüfen und/oder Kalibrieren ganz oder zumindest teilweise ausgesetzt werden, wenn die vorgegebene Anzahl für das dichte Schließen der Drosselklappe 11 oder eine vorgegebene Zeitdauer für das Ansteuern der Drosselklappe 11 in dem dicht geschlossenen Zustand überschritten worden ist. Die Betrachtung der Anzahl bzw. der Zeitdauer für das dichte Schließen der Drosselklappe 11 kann dabei über die gesamte Lebensdauer der Drosselklappe 11 hinweg oder für einen vorgegebenen Zeitraum erfolgen.
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Auf diese Weise kann gewährleistet werden, dass die Drosselklappe 11 durch die starke Beanspruchung in dem dicht geschlossenen Betriebszustand nicht zu sehr beansprucht wird und somit die Funktionsfähigkeit während der Lebensdauer der Drosselklappe 11 nicht übermäßig beeinträchtigt wird.
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2 zeigt ein Ablaufdiagramm, wie es einem Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems 1 mit einem Kathodenpfad 10 gemäß einer Ausführungsform zugrunde liegt. Bei dem zugrundeliegenden Brennstoffzellensystem 1 und insbesondere dem hierbei eingesetzten Kathodenpfad 10 kann es sich um das zuvor beschriebene Brennstoffzellensystem 1 handeln. Entsprechend kann das nachfolgend beschriebene Verfahren beliebige Schritte umfassen, wie sie zuvor bereits in Zusammenhang mit dem Brennstoffzellensystem 1 und dem darin vorhandenen Kathodenpfad 10 beschrieben worden sind. Analog kann auch das zuvor beschriebene Brennstoffzellensystem 1 und der darin enthaltene Kathodenpfad 10 beliebige Komponenten umfassen, wie sie zur Ausführung des nachfolgend beschriebenen Verfahrens erforderlich sind.
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In Schritt S2 wird die Drosselklappe 11 in einem Betriebszustand angesteuert, in welchem ein Volumenstrom durch die Drosselklappe 11 angepasst werden kann.
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Hierbei kann beispielsweise durch eine Stellung der Drosselklappe in dem Drosselklappenventil 11 der Volumenstrom durch das Drosselklappenventil 11 angepasst, eingeschränkt und somit geregelt werden.
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In Schritt S3 wird das Drosselklappenventil 11 derart angesteuert, dass es sich in einem dicht geschlossenen Zustand befindet. Somit befindet sich das Drosselklappenventil 11 in einem dichten, druckfesten Zustand. Daraufhin können in Schritt S4 beliebige Vorgänge zum Überprüfen des Brennstoffzellensystems 1, insbesondere des Kathodenpfads 10 und/oder des Brennstoffzellenstacks 20 erfolgen. Ferner können auch Funktionen zum Testen bzw. Kalibrieren der funktionellen Komponenten und Messelemente in dem Kathodenpfad 10 ausgeführt werden.
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Dabei kann die Häufigkeit bzw. die Dauer für das Ansteuern des Drosselklappenventils 11 in dem dicht schließenden Betriebszustand protokolliert werden. Ferner ist es auch möglich, weitere Daten in Zusammenhang mit dem Vorgang für das Ansteuern der des Drosselklappenventils abzuspeichern. Beispielweise können Informationen über das System, insbesondere das Brennstoffzellensystem, abgespeichert werden, welche bei den jeweiligen an Steuervorgängen vorliegen und/oder dazu geführt haben, dass das Produkt Abendwind die in den entsprechenden Betriebszuständen angesteuert worden ist.
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Entsprechend kann in Schritt S1 zunächst überprüft werden, ob eine vorgegebene Häufigkeit und/oder Dauer für das Ansteuern des Drosselklappenventils 11 in dem dicht geschlossenen Betriebszustand überschritten worden ist. In diesem Fall kann die Häufigkeit für das Ausführen bestimmter Funktionen wie das Überprüfen des Kathodenpfads 10 und/oder des Brennstoffzellenstacks 20 sowie das Testen bzw. Kalibrieren von funktionellen Komponenten in dem Kathodenpfad 10 gegebenenfalls herabgesetzt oder ganz ausgesetzt werden. Das Betrachten der Häufigkeit bzw. der Zeitdauer für den dicht geschlossenen Betriebszustand kann sich hierbei auf die gesamte Lebensdauer oder einen vorgegebenen Zeitabschnitt beziehen.
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Zusammenfassend betrifft die vorliegende Erfindung ein Brennstoffzellensystem mit einem Kathodenpfad, welcher einen Bypasspfad parallel zu einem Brennstoffzellenstack aufweist. In dem Bypasspfad ist ein Drosselklappenventil vorgesehen, welches in einem ersten Betriebszustand einen Volumenstrom durch das Drosselklappenventil steuern kann und in einem weiteren Betriebszustand dicht, druckfest geschlossen ist. Die Betriebsstrategie zum Ansteuern des Drosselklappenventils für den dichten, druckfesten Betriebszustand kann hierbei in Abhängigkeit von der Häufigkeit des Ansteuerns in dem dicht geschlossenen Betriebszustand angepasst werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102015225653 A1 [0003]
