DE102022211717A1

DE102022211717A1 - Brennstoffzellensystem und Verfahren zum Überwachen eines Gastanksystems

Info

Publication number: DE102022211717A1
Application number: DE102022211717.4A
Authority: DE
Inventors: Christian Kuhnert; Birgit Lenz; Stefan Kieferle; Markus Strasser; Nicolas Wussler; Martin Schwab; Dorothee Sommer; Christian Schugger
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2022-11-07
Filing date: 2022-11-07
Publication date: 2024-05-08
Also published as: WO2024099697A1

Abstract

Ein Verfahren zum Überwachen eines Gassystems umfasst ein Ermitteln eines Brennstoffmassenstrombedarfs eines Verbrauchersystems (z.B Brennstoffzellensystems, das eine Brennstoffzellenanordnung aufweist), ein Schließen einer ersten Ventileinrichtung, um eine Gaszufuhr aus einem Tank in ein Hochdruckleitungssystem, das den Tank mit dem Verbrauchersystem verbindet, zu unterbrechen, ein Erfassen eines Druckverlaufs in dem Hochdruckleitungssystem bei geschlossener erster Ventileinrichtung, insbesondere mittels eines Drucksensors, ein Ermitteln eines theoretischen Ist-Massenstroms in dem Hochdruckleitungssystem basierend auf dem erfassten Druckverlauf, ein Vergleichen des theoretischen Ist-Massenstroms in dem Hochdruckleitungssystem mit dem ermittelten Brennstoffmassenstrombedarf des Verbrauchersystems und ein Erzeugen eines Fehlersignals durch eine Steuerungseinrichtung, wenn der theoretische Ist-Massenstrom um mehr als einen Schwellwert von dem Brennstoffmassenstrombedarf abweicht.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem, insbesondere für ein Fahrzeug, ein Verfahren zum Überwachen eines Gastanksystems, das z.B. in einem Brennstoffzellensystem verwendet werden kann.
Stand der Technik
Brennstoffzellen kommen zunehmend als Energiewandler, unter anderem auch in Fahrzeugen, zum Einsatz, um in einem Brennstoff, wie z.B. Wasserstoff, gespeicherte chemische Energie zusammen mit Sauerstoff direkt in elektrische Energie umzuwandeln. Brennstoffzellen weisen eine Anode, eine Kathode und eine zwischen Anode und Kathode angeordnete elektrolytische Membrane auf. An der Anode erfolgt eine Oxidation des Brennstoffs und an der Kathode eine Reduktion des Sauerstoffs.
Der Brennstoff wird der Brennstoffzelle üblicherweise über ein Leitungssystem aus einem Tank zugeführt, in dem der gasförmige Brennstoff bei hohem Druck gespeichert ist. Zwischen dem Tank und einem Hochdruckteil des Leitungssystems ist in der Regel ein Trenn- oder Absperrventil vorgesehen. Der Hochdruckteil ist außerdem typischerweise über einen Druckregler bzw. eine Durchflussregeleinrichtung mit einem mit der Brennstoffzelle verbundenen Leitungsteil verbunden.
Insbesondere im Hochduckteil des Leitungssystems können Leckagen auftreten, z.B. durch undichte Ventile oder durch Beschädigungen am Leitungssystem. Um einen Austritt von gasförmigem Brennstoff in die Umgebung möglichst gering zu halten, ist es wünschenswert, solche Leckagen möglichst schnell und zuverlässig zu erkennen.
Die US 7 127 937 B2 offenbart ein Verfahren zum Detektieren einer Leckage in einem Brennstoffzellensystem, wobei nach bei einem Herunterfahren einer Brennstoffzelle ein erstes und ein zweites Trennventil geschlossen werden, um eine Versorgungsleitung durch das erste Trennventil von einem Brennstofftank und durch das zweite Trennventil von der Brennstoffzelle zu trennen. Nach dem Schließen der Ventile wird der Druck in der Versorgungsleitung erfasst und gespeichert. Vor einem Wiederhochfahren der Brennstoffzelle wird bei geschlossenen Trennventilen der Druck in der Versorgungsleitung erneut erfasst und mit dem gespeicherten Wert verglichen, um bei Vorliegen einer Druckdifferenz auf eine Leckage zu schließen.
Offenbarung der Erfindung
Vor diesem Hintergrund stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Überwachen eines Gastanksystems mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Anspruchs 7 bereit.
Nach einem ersten Aspekt der Erfindung umfasst Verfahren zum Überwachen eines Gastanksystems ein Ermitteln eines Brennstoffmassenstrombedarfs eines Verbrauchersystems, wie z.B. einer oder mehreren Brennstoffzellen, ein Schließen einer ersten Ventileinrichtung, um eine Gaszufuhr aus einem Tank in ein Hochdruckleitungssystem, das den Tank mit dem Verbrauchersystem verbindet, zu unterbrechen, ein Erfassen eines Druckverlaufs in dem Hochdruckleitungssystem bei geschlossener erster Ventileinrichtung, insbesondere mittels eines Drucksensors, ein Ermitteln eines theoretischen Ist-Massenstroms in dem Hochdruckleitungssystem basierend auf dem erfassten Druckverlauf, ein Vergleichen des theoretischen Ist-Massenstroms in dem Hochdruckleitungssystem mit dem ermittelten Brennstoffmassenstrombedarf des Verbrauchersystems und ein Erzeugen eines Fehlersignals durch eine Steuerungseinrichtung, wenn der theoretische Ist-Massenstrom um mehr als einen Schwellwert von dem Brennstoffmassenstrombedarf abweicht.
Nach einem zweiten Aspekt der Erfindung umfasst ein Brennstoffzellensystem, das z.B. zum Einsatz in einem Fahrzeug vorgesehen sein kann, ein Verbrauchersystem mit einer Brennstoffzellenanordnung und ein Gastanksystem mit einem Tank zum Speichern von Gas, insbesondere Wasserstoff, einem mit dem Verbrauchersystem verbundenen Hochdruckleitungssystem, einer ersten Ventileinrichtung, welche zwischen einem geöffneten Zustand, in dem sie den Tank mit dem Hochdruckleitungssystem verbindet, und einem geschlossenen Zustand schaltbar ist, in dem sie den Tank von dem Hochdruckleitungssystem trennt, einem Drucksensor zum Erfassen eines Drucks im Hochdruckleitungssystem und einer Steuerungseinrichtung, welche mit der ersten Ventileinrichtung, mit dem Drucksensor und dem Verbrauchersysstem signalleitend verbunden und dazu eingerichtet ist, das Brennstoffzellensystem zur Ausführung eines Verfahrens nach dem ersten Aspekt der Erfindung zu veranlassen.
Eine der Erfindung zugrundeliegende Idee besteht darin, bei einem bekannten vom Hochdruckleitungssystem in das Verbrauchersystem zu lieferenden Massenstrom eine erste Ventileinrichtung bzw. eine Trennventileinrichtung, die zwischen dem Tank und dem Hochdruckleitungssystem angeordnet ist, zu schließen und den sich nach dem Schließen einstellenden Druckverlauf zu erfassen, um daraus einen theoretischen Ist-Massenstrom zu ermitteln. Z.B. kann aus dem Druckverlauf ein Druckgradient und draus unter Zuhilfenahme der idealen Gasgleichung und einer Massenbilanz des Hochdruckleitungssystems ein theoretischer Massenstrom berechnet werden, der das Hochdruckleitungssystem verlässt. Wenn dieser theoretische Massenstrom mit dem bekannten Massenstrombedarf verglichen wird, den das Verbrauchersystem hat, kann daraus auf das Vorliegen einer Leckage gefolgert werden, z.B. wenn der theoretische Massenstrom um mehr als einen Schwellwert nach oben oder unten von dem Massenstrombedarf abweicht.
Ein Vorteil der Erfindung liegt darin, dass die Leckageüberprüfung in praktisch jedem Zustand des Systems, insbesondre auch während des Betriebs durchgeführt werden kann. Da das Hochduckleitungssystem eine gewisses Volumen aufweist und damit ein gewisses Volumen an Gas enthält, kann auch bei einer kurzen Unterbrechung der Brennstoffzufuhr aus dem Tank bei geschlossener erster Ventileinrichtung der Betrieb des Verbrauchersystems aufrecht erhalten werden. Die Leckageüberprüfung lasst sich somit schnell und auf einfache Weise durchführen, so dass Leckagen zuverlässig erkannt werden, insbesondere auch während des Betriebs.
Die hierin im Zusammenhang mit einem Aspekt der Erfindung offenbarten Merkmale und Vorteile sind auch für die jeweils anderen Aspekte offenbart. Insbesondere kann die Steuerungseinrichtung sämtliche Verfahrensschritte initiieren und verschiedene Schritte, wie z.B. Schritte zum Ermitteln von Werten anhand gemessener physikalischer Größen, selbst ausführen. Beispielsweise kann die Steuerungseinrichtung eine Recheneinheit, wie z.B. eine CPU, einen ASIC, einen FPGA oder dergleichen, und einen Datenspeicher, insbesondere einen nicht-flüchtigen Datenspeicher wie einen Flash-Speicher, einen SD-Speicher oder dergleichen aufweisen, der durch die Recheneinheit lesbar ist. Der Datenspeicher kann Software speichern, die durch die Recheneinheit ausführbar ist, um das System zur Ausführung der Schritte des Verfahrens zu veranlassen.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den weiteren Unteransprüchen sowie aus der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnung.
Gemäß manchen Ausführungsformen kann vorgesehen sein, dass das Erzeugen des Fehlersignals durch die Steuerungseinrichtung ein Erzeugen eines ersten Fehlersignals umfasst, das ein Vorliegen einer Leckage in der ersten Ventileinrichtung anzeigt, wenn der theoretische Ist-Massenstrom um mehr als den Schwellwert kleiner dem Brennstoffmassenstrombedarf ist. Beispielsweise kann die Recheneinheit der Steuerungseinrichtung einen ersten Fehlereintrag mit der Information in den Datenspeicher schreiben, dass eine Leckage in der ersten Ventileinrichtung vermutet wird. Das Schließen auf eine Leckage in der ersten Ventileinrichtung, wenn der theoretische Ist-Massenstrom kleiner dem Brennstoffmassenstrombedarf ist, ist deshalb möglich, weil in diesem Fall trotz geschlossener erster Ventileinrichtung noch Gas aus dem Tank in das Hochdruckleitungssystem nachgeliefert wird. Folglich wird der erfasste Druck im Hochdruckleitungssystem nicht so stark abfallen, wie dies bei dicht schließender erster Ventileinrichtung der Fall wäre, und der theoretische Ist-Massenstrom sinkt entsprechend.
Gemäß manchen Ausführungsformen kann vorgesehen sein, dass das Erzeugen des ersten Fehlersignals ein Schreiben eines Eintrags in einen Datenspeicher (62) umfasst, wenn der theoretische Ist-Massenstrom um mehr als ein erster Schwellwert kleiner dem Brennstoffmassenstrombedarf ist und ein Ausgeben eines Warnsignals und/oder Einleiten eines Notfahrbetriebs durch die Steuerungseinrichtung (6) umfasst, wenn der theoretische Ist-Massenstrom um mehr als ein zweiter Schwellwert kleiner dem Brennstoffmassenstrombedarf ist.. Wenn somit ein hoher Leckagemassenstrom aus dem Tank durch die erste Ventileinrichtung in das Hochdruckleitungssystem ermittelt wird, z.B. durch Bilden der Differenz zwischen dem theoretischen Ist-Massenstrom und dem Massenstrombedarf, kann die Steuerungseinrichtung ein Warnsignal, z.B. in Form eines optischen und/oder akustischen Signals ausgeben. Optional kann auch ein Notbetriebsmodus des Verbrauchersystems aktiviert oder eine andere Ersatzreaktion durch das Fehlersignal ausgelöst werden. In dem Fall, dass nur ein kleiner Leckagemassenstrom aus dem Tank durch die erste Ventileinrichtung in das Hochdruckleitungssystem ermittelt wird, kann es ausreichen, einen entsprechenden Fehlereintrag in den Datenspeicher der Steuerungseinrichtung zu schreiben.
Gemäß manchen Ausführungsformen kann vorgesehen sein, dass das Erzeugen des Fehlersignals durch die Steuerungseinrichtung ein Erzeugen eines zweiten Fehlersignals umfasst, das ein Vorliegen einer Leckage in dem Hochdruckleitungssystem oder einem Mitteldruckleitungssystem, welches mit dem Hochdruckleitungssystemverbunden ist, anzeigt, wenn der theoretische Ist-Massenstrom um mehr als den Schwellwert größer dem Brennstoffmassenstrombedarf ist. Wenn der theoretische Ist-Massenstrom größer dem Brennstoffmassenstrombedarf ist, wenn also bei geschlossener erster Ventileinrichtung mehr Brennstoff aus dem Hochdruckleitungssystem abgeführt wird, als das Verbrauchersystem bekanntermaßen benötigt, sinkt der erfasste Druck im Hochdruckleitungssystem schneller, als erwartet ab. Daraus kann gefolgert werden, dass das Gas über andere Wege in Form eines Leckagemassenstroms aus dem Hochdruckleitungssystem entweicht.
Gemäß manchen Ausführungsformen kann vorgesehen sein, dass das Erzeugen des zweiten Fehlersignal ein Schreiben eines Eintrags in einen Datenspeicher umfasst und/oder Ausgeben eines Warnsignals umfasst und/oder Einleiten eines Notfahrbetriebs umfasst, wenn der theoretische Ist-Massenstrom um mehr als ein erster Schwellwert größer dem Brennstoffmassenstrombedarf ist, und ein Einleiten eines sicheren Betriebszustands, z.B. durch Schließen der ersten Ventileinrichtungen, umfasst, wenn der theoretische Ist-Massenstrom um mehr als ein zweiter Schwellwert größer dem Brennstoffmassenstrombedarf ist.. Wenn der Leckagemassenstrom groß ist, kann die Steuerungseinrichtung somit z.B. zumindest die erste Ventileinrichtung in ihren geschlossenen Zustand schalten. Wenn lediglich ein geringerer Leckagemassenstrom entweicht, kann ein Fehler in den Datenspeicher der Steuerungseinrichtung geschrieben werden.
Gemäß manchen Ausführungsformen kann das Verfahren ferner ein Erfassen eines Drucks in einem Mitteldruckleitungssystems des Verbrauchersystems umfassen, welches über eine Durchflussregeleinrichtung an das Hochdruckleitungssystem angeschlossen ist, wobei das Erzeugen des Fehlersignals durch die Steuerungseinrichtung ein Erzeugen eines dritten Fehlersignals umfasst, das ein Vorliegen einer Leckage der Durchflussregeleinrichtunganzeigt, wenn der theoretische Ist-Massenstrom um mehr als den Schwellwert größer dem Brennstoffmassenstrombedarf ist und der in dem Mitteldruckleitungssystem erfasste Druck größer einem Mitteldruckschwellwert liegt. In dem Mitteldruckleitungssystem kann insbesondere ein Druckbegrenzungsventil vorgesehen sein, das bei erreichen eines vorbestimmten Drucks öffnet, um Gas aus dem Mitteldruckleitungssystem in die Umgebung zu entlassen. Wenn der theoretische Ist-Massenstrom größer dem Brennstoffmassenstrombedarf ist, wenn also bei geschlossener erster Ventileinrichtung mehr Brennstoff aus dem Hochdruckleitungssystem abgeführt wird, als das Verbrauchersystem bekanntermaßen benötigt, sinkt der erfasste Druck im Hochdruckleitungssystem schneller, als erwartet ab. Daraus kann gefolgert werden, dass das Gas über andere Wege in Form eines Leckagemassenstroms aus dem Hochdruckleitungssystem entweicht. Wenn ferner bekannt ist, dass im Mitteldruckleitungssystem ein hoher Druck herscht, z.B. ein Druck oberhalb eines Grenzwerts, besteht die Möglichkeit, dass das Druckbegrenzungsventil öffnet, wenn eine bestimmte Menge an Gas aus dem Hochdrucksystem in dieses nachströmt. In diesem Fall kann auf einen erhöten Massenstrom durch die zweite Ventileinrichtung aufgrund einer Leckage geschlossen werden, die das Hochdruck- mit dem Mitteldruckleitungssystem verbindet.
Gemäß manchen Ausführungsformen kann vorgesehen sein, dass das Ermitteln des Brennstoffmassenstrombedarfs des Verbrauchersystems ein Ermitteln einer elektrischen Spannung der Brennstoffzellenanordnung und ein Berechnen des Brennstoffmassenstrombedarfs basierend auf der elektrischen Spannung umfasst, z.B. mithilfe eines Rechenmodells, welches die elektrische Spannung mit dem Brennstoffmassenstrom verknüpft. Das Rechenmodell kann z.B. empirisch bestimmt worden sein, wobei der Brennstoffmassenstrom mit der elektrischen Spannung und optional weiteren physikalischen Größen, wie z.B. der Temperatur der Brennstoffzelle, korreliert wird. Das Rechenmodell kann als funktionaler Zusammenhang und/oder in Form eines Kennfeldes vorliegen. Die Ermittlung des Brennstoffmassenstrombedarfs kann auch in anderer Weise erfolgen, z.B. über Ansteuerparameter eines mit einem Brennstoffeinlass des Verbrauchersystems verbundenen Dosierventils.
Gemäß manchen Ausführungsformen kann vorgesehen sein, dass das Gastanksystem eine Durchflussregeleinrichtungaufweist, welche zum Anschluss des Hochdruckleitungssystems an das Verbrauchersystem zwischen einem geöffneten Zustand und einem geschlossenen Zustand schaltbar ist. Beispielsweise kann die Steuerungseinrichtung in dem Fall, dass der theoretische Ist-Massenstrom größer dem ersten oberen Schwellwert ist, die Durchflussregeleinrichtungebenfalls in den geschlossenen Zustand schalten. In dem Fall, dass der theoretische Ist-Massenstrom kleiner dem Brennstoffmassenstrombedarf ist, also in dem Fall, in dem eine Leckage bzw. Undichtigkeit in der ersten Ventileinrichtung vorliegt, kann die zweite Ventileinrichtung optional in die geschlossene Stellung geschaltet werden oder so betätigt werden, dass ein Durchfluss durch die zweite Ventileinrichtung verringert wird.
Die Durchflussregeleinrichtung kann allgemein dazu eingerichtet sein, einen Durchfluss und somit einen Massenstrom in aus dem Hochdruckleitungssystem in das Verbrauchersystem zu variieren. Analog kann dadurch auch der Druck, mit dem das Gas aus dem Hochdruckleitungssystem in das Verbrauchersystem strömt, durch die Durchflussregeleinrichtung variiert werden. Daher kann die Durchflussregeleinrichtung auch als Druckregler bezeichnet werden. Die Durchflussregeleinrichtung kann optional eine zweite Ventileinrichtung, z.B. in Form eines schaltbaren Magnetventils, aufweisen, welche zwischen dem geöffneten Zustand und dem geschlossenen Zustand schaltbar ist. Gemäß manchen Ausführungsformen kann vorgesehen sein, dass die erste Ventileinrichtung ein schaltbares Magnetventil aufweist, das zwischen dem geöffneten Zustand und dem geschlossenen Zustand schaltbar ist.
Gemäß manchen Ausführungsformen kann vorgesehen sein, dass das Hochdruckleitungssystem einen Zufuhranschluss zum Anschließen eines Betankungssystems aufweist, wobei der Zufuhranschluss durch ein Rückschlagventil gegen ein Austreten von Gas aus dem Hochdruckleitungssystem verschlossen ist.
Im Folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnungen erläutert. Von den Figuren zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines hydraulischen Schaltbilds eines Brennstoffzellensystems gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
2 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.

In den Figuren bezeichnen dieselben Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche Komponenten, soweit nichts Gegenteiliges angegeben ist.
1 zeigt schematisch ein Brennstoffzellensystem 200, das z.B. in einem Fahrzeug eingesetzt werden kann. Das Brennstoffzellensystem 200 umfasst ein Gastanksystem 100 und ein Verbrauchersystem 205.
Wie in 1 lediglich schematisch dargestellt, weist das Verbrauchersystem 205 eine Brennstoffzellenanordnung 210 auf. Die Brennstoffzellenanordnung 210 weist zumindest eine Brennstoffzelle, vorzugsweise jedoch mehrere elektrisch in Reihe geschaltete Brennstoffzellen auf, die dazu eingerichtet sind, in einem gasförmigen Brennstoff, wie z.B. Wasserstoff, gespeicherte chemische Energie zusammen mit Sauerstoff direkt in elektrische Energie umzuwandeln. Wie in 1 weiterhin schematisch dargestellt, weist die Brennstoffzellenanordnung 210 einen Brennstoffzufuhranschluss 211 auf, über den der Brennstoffzellenanordnung 210, insbesondere einer Anode der zumindest einen Brennstoffzelle, gasförmiger Brennstoff zuführbar ist.
Das Gastanksystem 100 wird nachfolgend beispielhaft mit Bezug auf das Brennstoffzellensystem 200 erläutert. Die Erfindung ist jedoch nicht hierauf beschränkt, sondern das Gastanksystem 100 und die zugehörigen Verfahren M können auch in Kombination mit anderen Verbrauchersystemen eingesetzt werden, wie z.B. Gasmotoren oder ähnlichem.
Wie in 1 schematisch gezeigt, weist das Gastanksystem 100 einen Tank 1, ein Hochdruckleitungssystem 2, eine erste Ventileinrichtung 3, einen Druckregler bzw. eine Durchflussregeleinrichtung 5, einen ersten Drucksensor 4, einen optionalen zweiten Drucksensor 7 und eine Steuerungseinrichtung 6 auf. Optional kann das Gastanksystem 100 ferner einen Betankungsanschluss oder Zufuhranschluss 20 aufweisen.
Der Tank 1 ist zum Speichern von Gas, insbesondere Wasserstoff, ausgebildet. Beispielsweise kann der Tank 1 dazu ausgelegt sein, Gas bei einem Druck von bis zu 800 bar zu speichern.
Das Hochdruckleitungssystem 2 kann insbesondere eine Verbindungsleitung 21 und optional eine Zufuhrleitung 22 aufweisen, wie dies in 1 schematisch und rein beispielhaft dargestellt ist. Die Verbindungsleitung 21 verbindet den Tank 1 mit dem Verbrauchersystem 205.
Die erste Ventileinrichtung 3 kann z.B. ein schaltbares Magnetventil 3 aufweisen, das zwischen einem geschlossenen Zustand und einem geöffneten Zustand schaltbar ist. Allgemein ist die erste Ventileinrichtung 3 zwischen einem geschlossenen Zustand und einem geöffneten Zustand schaltbar. Wie in 1 schematisch gezeigt, ist die Ventileinrichtung 3 zwischen dem Tank 1 und dem Hochdruckleitungssystem 2, insbesondere zwischen dem Tank 1 und der Verbindungsleitung 21 angeordnet. Im geöffneten Zustand verbindet die erste Ventileinrichtung 3 den Tank 1 mit dem Hochdruckleitungssystem 2. Im geschlossenen Zustand trennt die erste Ventileinrichtung 3 den Tank 1 und das Hochdruckleitungssystem 2 voneinander.
Die Durchflussregeleinrichtung 5 ist ebenfalls zwischen einem zwischen einem geschlossenen Zustand und einem geöffneten Zustand schaltbar. Beispielsweise kann die Durchflussregeleinrichtung 5 ein schaltbares Magnetventil als zweite Ventileinrichtung aufweisen, das zwischen einem geschlossenen Zustand und einem geöffneten Zustand schaltbar ist. Allgemein kann die Durchflussregeleinrichtung 5 dazu ausgebildet sein, einen Gasdurchfluss bzw. - massenstrom und/oder einen Druck des Gases zu variieren. Wie in 1 schematisch dargestellt, ist die Durchflussregeleinrichtung 5 zwischen dem Verbrauchersystem 205 und dem Hochdruckleitungssystem 2, insbesondere zwischen dem Verbrauchersystem 205 und der Verbindungsleitung 21 angeordnet. Im geöffneten Zustand verbindet die Durchflussregeleinrichtung 5 das Verbrauchersystem 205 mit dem Hochdruckleitungssystem 2. Im geschlossenen Zustand trennt die Durchflussregeleinrichtung 5 das Verbrauchersystem 205 und das Hochdruckleitungssystem 2 voneinander.
Die Zufuhrleitung 22 ist mit dem Zufuhranschluss 20, welcher z.B. als Steckanschluss für einen Tankstutzen ausgebildet sein kann, verbunden. Wie in 1 gezeigt, kann in der Zufuhrleitung 22 ein Rückschlagventil 8 angeordnet sein, das den Zufuhranschluss 20 gegen ein Austreten von Gas aus dem Hochdruckleitungssystem 2 verschließt.
Das Hochdruckleitungssystem 2 bildet ein Aufnahmevolumen für Gas aus, so dass dem Hochdruckleitungssystem 2 bei geschlossener erster Ventileinrichtung 3 eine darin gespeicherte Menge an Gas entnommen werden kann. Wird dem Hochdruckleitungssystem 2 bei geschlossener erster Ventileinrichtung 3 Gas entnommen, z.B. durch das Verbrauchersystem 210 über die Durchflussregeleinrichtung 5, sinkt der Druck im Hochdruckleitungssystem 2.
Wie in 1 gezeigt, ist der erste Drucksensor 4 ist mit dem Hochdruckleitungssystem 2 verbunden und dazu eingerichtet, einen Druck im Hochdruckleitungssystem 2 zu erfassen. Der optionale zweite Drucksensor 7 ist mit einem Mitteldruckleitungssystem 9 verbunden, welches die Durchflussregeleinrichtung 5 mit dem Brennstoffzufuhranschluss 211 der Brennstoffzellenanordnung 210 verbindet. Der zweite Drucksensor 7 ist somit dazu eingerichtet, den Druck im Mitteldruckleitungssystem 9 zu erfassen. Wie in 1 ferner schematisch dargestellt ist, kann in dem Mitteldruckleitungssystem 9 ein Druckbegrenzungsventil 10 vorgesehen sein, welches öffnet, um Gas in die Umgebung abzulassen, wenn der Druck im Mitteldruckleitungssystem 9 einen Grenzwert überschreitet.
Die Steuerungseinrichtung 6 ist in 1 lediglich schematisch als Block dargestellt und ist als elektronische Steuerungseinrichtung 6 realisiert. Wie in 1 beispielhaft gezeigt, kann die Steuerungseinrichtung 6 eine Recheneinheit 61, wie z.B. eine CPU, einen ASIC, einen FPGA oder dergleichen, und einen Datenspeicher 62, insbesondere einen nicht-flüchtigen Datenspeicher wie einen Flash-Speicher, einen SD-Speicher oder dergleichen aufweisen, der durch die Recheneinheit lesbar ist. Wie in 1 schematisch gezeigt, ist die Steuerungseinrichtung 6 mit der ersten und der zweiten Ventileinrichtung 3, 5, mit den Drucksensor 4, 7 und mit dem Verbrauchersystem 205, insbesondere mit der Brennstoffzellenanordnung 210, signalleitend verbunden. Die signalleitende Verbindung kann beispielsweise drahtgebunden, z.B. über ein Feldbus-System, oder über eine drahtlose Verbindung realisiert sein, z.B. über WiFi oder dergleichen.
Die Steuerungseinrichtung 6 ist dazu eingerichtet, das Brennstoffzellensystem 200 zur Ausführung des in 2 dargestellten Verfahrens M zu veranlassen. Beispielsweise kann in dem Datenspeicher 62 Software gespeichert sein, die durch die Recheneinheit 61 ausführbar ist, um das System 200 zur Ausführung des Verfahrens M zu veranlassen.
In einem ersten Schritt M1 ermittelt die Steuerungseinrichtung 6 einen Brennstoffmassenstrombedarf des Verbrauchersystems 205. Beispielsweise kann die Steuerungseinrichtung 6 eine aktuell von der Brennstoffzellenanordnung 210 erzeugte elektrische Spannung als Eingangsgröße erhalten und basierend darauf den Brennstoffmassenstrombedarf des Verbrauchersystems 205 berechnen, z.B. mithilfe eines im Datenspeicher 62 hinterlegten Rechenmodells, welches beispielsweise ein empirisch bestimmtes Kennfeld oder eine empirisch bestimmte Berechnungsfunktion enthalten kann. Grundsätzlich sind auch andere Möglichkeiten zur Ermittlung des Brennstoffmassenstrombedarfs denkbar. Während des Schritt M1 wird das Verbrauchersystem 205 vorzugsweise mit einem Massenstrom größer Null aus dem Tank 1 versorgt. Die Erfindung ist jedoch nicht hierauf beschränkt, sondern kann auch durchgeführt werden, wenn der Massenstrombedarf des Verbrauchersystems 205 gleich Null ist.
In Schritt M2 wird die erste Ventileinrichtung 3 geschlossen, um eine Gaszufuhr aus dem Tank 1 in ein Hochdruckleitungssystem 2 zu unterbrechen. Beispielsweise kann die Steuerungseinrichtung 6 ein Steuersignal an die erste Ventileinrichtung 3 ausgeben, um diese in ihren geschlossenen Zustand zu schalten.
In Schritt M3 wird mittels des ersten Drucksensors 4 ein Druckverlauf in dem Hochdruckleitungssystem 2 bei geschlossener erster Ventileinrichtung 3 erfasst bzw. aufgezeichnet, z.B. über einen vorbetimmten Zeitraum, der z.B. zwischen 0,5 Sekunden und 5 Sekunden liegen kann.
Im optionalen Schritt M31 wird mittels des zweiten Drucksensors 7 ein Druck im Mitteldruckleitungssystem 9 erfasst, insbesondere während die erste Ventileinrichtung 3 geschlossen ist.
In Schritt M4 ermittelt die Steuerungseinrichtung 6 einen theoretischen Ist-Massenstrom in dem Hochdruckleitungssystem 2 basierend auf dem erfassten Druckverlauf. Z.B. kann die Steuerungseinrichtung 6 einen Druckgradienten aus dem Druckverlauf berechnen und mithilfe der idealen Gasgleichung und einer Massenbilanz über das Hochdruckleitungssystem 2 den theoretisch aus dem Hochdruckleitungssystem 2 abgeführten Massenstrom unter der Annahme berechnen, dass keine Leckageströme auftreten.
In Schritt M5 vergleicht die Steuerungseinrichtung 6 den berechneten theoretischen Ist-Massenstrom mit dem ermittelten Brennstoffmassenstrombedarf des Verbrauchersystems 205. Bei einem dichten Hochdruckleitungssystem 2, in dem keine nennenswerten Leckageströme auftreten, würde der theoretische Ist-Massenstrom mit dem ermittelten Brennstoffmassenstrombedarf, abgesehen von Mess- und Rechenungenaugigkeiten, übereinstimmen. Wenn der theoretische Ist-Massenstrom um mehr als einen Schwellwert von dem Brennstoffmassenstrombedarf abweicht, wie dies in 2 durch das Symbol „+“ dargestellt ist, geht das Verfahren zu Schritt M6 über. Der Schwellwert kann insbesondere die zuvor erwähnten Mess- und Rechenungenauigkeiten berücksichtigen. Wenn der theoretische Ist-Massenstrom um weniger als den Schwellwert von dem Brennstoffmassenstrombedarf abweicht, wie dies in 2 durch das Symbol „-“ dargestellt ist, wenn also keine nennenswerten Leckageströme auftreten, geht das Verfahren zu Schritt M7 über. Optional wird in Schritt M5 ferner ein Vergleich des in Schritt M31 erfassten Drucks im Mitteldruckleitungssystem 9 mit einem Mitteldruckschwellwert vorgenommen.
In Schritt M5 kann eine Differenz zwischen dem theoretischen Ist-Massenstrom und dem Massenstrombedarf berechnet werden. Diese Differenz bzw. der Betrag der Differenz kann dann mit dem Schwellwert verglichen werden, um zu überprüfen, ob der Betrag der Differenz den Schwellwert überschreitet. Wenn der theoretische Ist-Massenstrom um mehr als den Schwellwert kleiner dem Brennstoffmassenstrombedarf ist, kann auf das Vorliegen einer Leckage bzw. einer Undichtikeit in der ersten Ventileinrichtung 3 geschlossen werden, da in diesem Fall auch im geschlossenen Zustand der ersten Ventileinrichtung 3 Gas aus dem Tank 1 in das Hochdruckleitungssystem 2 nachströmt. Folglich ist bei konstanter tatsächlicher Massentstomentnahme durch das Verbrauchersystem 205 der Druckgradient bei geschlossenem Ventil 3 geringer als dies der Fall wäre, wenn das Ventil 3 dicht schließen würde. Umgekehrt kann auf das Vorliegen einer Leckage im Hochdruckleitungssystem 2 geschlossen werden, bei der aus dem Hochdruckleitungssystem 2 mehr Gas austritt als erwartet, wenn der theoretische Ist-Massenstrom um mehr als den Schwellwert größer dem Brennstoffmassenstrombedarf ist.
In Schritt M7 kann die Steuerungseinrichtung 6 die erste Ventileinrichtung 2 wieder in die geöffnete Stellung schalten.
In Schritt M6 hingegen, also in dem Fall, dass ein Leckagemassentstrom vorliegt, erzeugt die Steuerungseinrichtung 6 ein Fehlersignal. Das Fehlersignal kann allgemein z.B. als Warnsignal ausgegeben werden und/oder das Fehlersignal kann einen Feherleintrag in den Datenspeicher 62 erzeugen. Auch ist denkbar, dass das Fehlersignal die Ausgabe eines Steuersignals durch die Steuerungseinrichtung 6 bewirkt, z.B. um die erste Ventileinrichtung 3 und/oder die Durchflussregeleinrichtung 5 zu betätigen.
Das Erzeugen des Fehlersignals in Schritt M6 kann z.B. ein Erzeugen eines ersten Fehlersignals umfassen, das ein Vorliegen einer Leckage in der ersten Ventileinrichtung 3 anzeigt, wenn der theoretische Ist-Massenstrom um mehr als den Schwellwert kleiner dem Brennstoffmassenstrombedarf ist, wie dies oben erläutert wurde. In diesem Fall kann die Steuerungseinrichtung 6 in Schritt M6 insbesondere ein Warnsignal, z.B. in Form eines akustischen und/oder optischen Signals, ausgeben, wenn der theoretische Ist-Massenstrom kleiner einem unteren Schwellwert ist bzw. wenn der theoretische Ist-Massenstrom um mehr als ein zweiter Schwellwert kleiner dem Brennstoffmassenstrombedarf ist. Alternativ oder zusätzlich kann in diesem Fall ein Notbetrieb des Verbrauchersystems 205 durch die Steuerungseinrichtung 6 aktiviert werden, z.B. in dem diese das Fehlersignal als Steuersignal an die Brennstoffzellenanordnung 205 ausgibt, um diese zu deaktivieren. Wenn der theoretische Ist-Massenstrom größer einem weiteren unteren Schwellwert und kleiner dem o.g. unteren Schwellwert ist bzw. wenn der theoretische Ist-Massenstrom um mehr als ein erster Schwellwert kleiner dem Brennstoffmassenstrombedarf ist, kann die Recheneinheit 61 mit dem zweiten Fehlersignal beispielsweise einen Eintrag in den Datenspeicher 62 schreiben, insbesondere mit dem Inhalt, dass eine Leckage in der ersten Ventileinrichtung 3 vorliegt.
Alternativ oder zusätzlich kann die Steuerungseinrichtung 6 in Schritt M6 ein zweites Fehlersignal erzeugen, das ein Vorliegen einer Leckage in dem Hochdruckleitungssystem 2 oder dem Mitteldruckleitungssystem 9 anzeigt, wenn der theoretische Ist-Massenstrom um mehr als den Schwellwert größer dem Brennstoffmassenstrombedarf ist. Insbesondere kann das Erzeugen des zweiten Fehlersignals ein Ausgeben eines Steuersignals durch die Steuerungseinrichtung 6 umfassen, um eine Brennstoffentnahme aus dem Tank 1 und/oder dem Hochdruckleitungssystem 2 zu verriegeln. Insbesondere wenn der theoretische Ist-Massenstrom größer einem ersten oberen Schwellwert ist bzw. wenn der theoretische Ist-Massenstrom um mehr als ein zweiter Schwellwert größer dem Brennstoffmassenstrombedarf ist, kann ein Einleiten eines sicheren Betriebszustand erfolgen. In diesem Fall wird von einem hohen Leckagemassenstrom ausgegangen und die Steuerungseinrichtung 6 kann beispielsweise die erste Ventileinrichtung 3 und optional zusätzlich die Durchflussregeleinrichtung 5 in den geschlossenen Zustand schalten. Wenn der theoretische Ist-Massenstrom größer einem weiteren oberen Schwellwert und kleiner dem zuvor genannten oberen Schwellwert ist bzw. wenn der theoretische Ist-Massenstrom um mehr als ein erster Schwellwert größer dem Brennstoffmassenstrombedarf ist, entspricht dies einem Fall, in dem nur ein weniger großer Leckagemassenstrom vorliegt. In diesem Fall kann die Recheneinheit 61 durch das zweite Fehlersignal einen entsprechenden Eintrag in einen Datenspeicher 62 schreiben, beispielsweise mit dem Inhalt, dass eine Leckage im Hochdruckleitungssystem 2 vorliegt, und/oder ein Warnsignal ausgeben und/oder einen Notfahrbetrieb einleiten.
Weiterhin kann das Erzeugen M6 des Fehlersignals auch ein Erzeugen eines dritten Fehlersignals umfassen, das ein Vorliegen einer Leckage der Durchflussregeleinrichtung 5 anzeigt, wenn der theoretische Ist-Massenstrom um mehr als den Schwellwert größer dem Brennstoffmassenstrombedarf ist, und wenn in Schritt M5 ermittelt wird, dass der in Schritt M31 in dem Mitteldruckleitungssystem 9 erfasste Druck größer dem Mitteldruckschwellwert liegt. In diesem Fall ist zu erwarten, dass die Durchflussregeleinrichtung 5 mehr Massenstrom durchlässt, als bei dem jeweiligen Öffnungsgrad der zweiten Ventileinrichtung 5 zu erwarten wäre, und in der Folge aufgrund des hohen Drucks im Mitteldruckleitungssystem 9 das Druckbegrenzungsventil 10 öffnet.
Obwohl die vorliegende Erfindung vorstehend anhand von Ausführungsbeispielen exemplarisch erläutert wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Weise modifizierbar. Insbesondere sind auch Kombinationen der voranstehenden Ausführungsbeispiele denkbar.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 7127937 B2 [0005]

Claims

Verfahren (M) zum Überwachen eines Gastanksystems (100), umfassend: Ermitteln (M1) eines Brennstoffmassenstrombedarfs eines Verbrauchersystems (205),; Schließen (M2) einer ersten Ventileinrichtung (3), um eine Gaszufuhr aus einem Tank (1) in ein Hochdruckleitungssystem (2), das den Tank (1) mit dem Verbrauchersystem (205) verbindet, zu unterbrechen; Erfassen (M3) eines Druckverlaufs in dem Hochdruckleitungssystem (2) bei geschlossener erster Ventileinrichtung (3); Ermitteln (M4) eines theoretischen Ist-Massenstroms in dem Hochdruckleitungssystem (2) basierend auf dem erfassten Druckverlauf; Vergleichen (M5) des theoretischen Ist-Massenstroms in dem Hochdruckleitungssystem (2) mit dem ermittelten Brennstoffmassenstrombedarf des Verbrauchersystems (205); und Erzeugen (M6) eines Fehlersignals durch eine Steuerungseinrichtung (6), wenn der theoretische Ist-Massenstrom um mehr als einen Schwellwert von dem Brennstoffmassenstrombedarf abweicht.
Verfahren (M) nach Anspruch 1, wobei das Erzeugen (M6) des Fehlersignals durch die Steuerungseinrichtung (6) ein Erzeugen eines ersten Fehlersignals umfasst, das ein Vorliegen einer Leckage in der ersten Ventileinrichtung (3) anzeigt, wenn der theoretische Ist-Massenstrom um mehr als den Schwellwert kleiner dem Brennstoffmassenstrombedarf ist.
Verfahren (M) nach Anspruch 2, wobei das Erzeugen des ersten Fehlersignals ein Schreiben eines Eintrags in einen Datenspeicher (62) umfasst, wenn der theoretische Ist-Massenstrom um mehr als ein erster Schwellwert kleiner dem Brennstoffmassenstrombedarf ist, und ein Ausgeben eines Warnsignals und/oder Einleiten eines Notfahrbetriebs durch die Steuerungseinrichtung (6) umfasst, wenn der theoretische Ist-Massenstrom um mehr als ein zweiter Schwellwert kleiner dem Brennstoffmassenstrombedarf ist.
Verfahren (M) nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei das Erzeugen (M6) des Fehlersignals durch die Steuerungseinrichtung (6) ein Erzeugen eines zweiten Fehlersignals umfasst, das ein Vorliegen einer Leckage in dem Hochdruckleitungssystem (2) oder einem Mitteldruckleitungssystem (9), welches mit dem Hochdruckleitungssystem (2) verbunden ist, anzeigt, wenn der theoretische Ist-Massenstrom um mehr als den Schwellwert größer dem Brennstoffmassenstrombedarf ist.
Verfahren (M) nach Anspruch 4, wobei das Erzeugen des zweiten Fehlersignal ein Schreiben eines Eintrags in einen Datenspeicher (62) umfasst und/oder Ausgeben eines Warnsignals umfasst und/oder Einleiten eines Notfahrbetriebs umfasst, wenn der theoretische Ist-Massenstrom um mehr als ein erster Schwellwert größer dem Brennstoffmassenstrombedarf ist, und ein Einleiten eines sicheren Betriebszustand durch z.B. Schließen der ersten Ventileinrichtungen umfasst, wenn der theoretische Ist-Massenstrom um mehr als ein zweiter Schwellwert größer dem Brennstoffmassenstrombedarf ist.
Verfahren (M) nach einem der Ansprüche, zusätzlich aufweisend: Erfassen (M31) eines Drucks in einem Mitteldruckleitungssystems (9) des Verbrauchersystems (205), welche über eine Durchflussregeleinrichtung (5) an das Hochdruckleitungssystem (2) angeschlossen ist; wobei das Erzeugen (M6) des Fehlersignals durch die Steuerungseinrichtung (6) ein Erzeugen eines dritten Fehlersignals umfasst, das ein Vorliegen einer Leckage der Durchflussregeleinrichtung (5) anzeigt, wenn der theoretische Ist-Massenstrom um mehr als den Schwellwert größer dem Brennstoffmassenstrombedarf ist und der in dem Mitteldruckleitungssystem (9) erfasste Druck größer einem Mitteldruckschwellwert liegt.
Brennstoffzellensystem (200), aufweisend: ein Verbrauchersystem (205) mit einer Brennstoffzellenanordnung (210); ein Gastanksystem (100) mit einem Tank (1) zum Speichern von Gas, insbesondere Wasserstoff, einem mit dem Verbrauchersystem (205) verbundenen Hochdruckleitungssystem (2), einer ersten Ventileinrichtung (3), welche zwischen einem geöffneten Zustand, in dem sie den Tank (1) mit dem Hochdruckleitungssystem (2) verbindet, und einem geschlossenen Zustand schaltbar ist, in dem sie den Tank (1) von dem Hochdruckleitungssystem (2) trennt, einem Drucksensor (4) zum Erfassen eines Drucks im Hochdruckleitungssystem (2) und einer Steuerungseinrichtung (6), welche mit der ersten Ventileinrichtung (3), mit dem Drucksensor (4) und dem Verbrauchersysstem (205) signalleitend verbunden und dazu eingerichtet ist, das Brennstoffzellensystem (200) zur Ausführung eines Verfahrens (M) nach einem der voranstehenden Ansprüche zu veranlassen.
Brennstoffzellenystem (200) nach Anspruch 7, wobei das Gastanksystem (100) eine Durchflussregeleinrichtung (5) aufweist, welche zum Anschluss des Hochdruckleitungssystems (2) an das Verbrauchersystem (205) zwischen einem geöffneten Zustand und einem geschlossenen Zustand schaltbar ist.
Brennstoffzellenystem (200) nach Anspruch 7 oder 8, wobei die erste Ventileinrichtung (3) ein schaltbares Magnetventil aufweist, das zwischen dem geöffneten Zustand und dem geschlossenen Zustand schaltbar ist.