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Die
Erfindung betrifft einen Reformer für ein in einem Fahrzeug eingesetztes
Brennstoffzellensystem mit einem Steuergerät und zumindest einer Zusatzkomponente.
Zusatzkomponenten sind beispielsweise Brennstoffpumpen, Gebläse oder
Reformatpumpen. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum
Betreiben eines derartigen Reformers.
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Reformer
dienen in Brennstoffzellensystemen der Versorgung der eigentlichen
Brennstoffzelle mit einem geeigneten Brennstoff. Dazu wird in einer chemischen
Reaktion aus einem flüssigen
oder gasförmigen
Brennstoff und einem Oxidationsgas, beispielsweise Luft, ein wasserstoffhaltiges
Gas gebildet, das sogenannte Reformat. Die Reformierung erfolgt
unter hohen Temperaturen, die mehrere hundert Grad Celsius betragen.
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Reformer
können
in Fahrzeugen eingesetzt werden, um aus beispielsweise flüssigen Kraftstoffen wie
Diesel oder Benzin on-board
ein für
den Betrieb eines Brennstoffzellensystems erforderliches Synthesegas
zu erzeugen. Das gesamte System aus Reformer und Brennstoffzelle
dient der Erzeugung von elektrischer Energie aus Kraftstoffen, die
schon heute über
die bestehende Infrastruktur verfügbar sind und problemlos im
Fahrzeug mitgeführt
werden können.
Die erzeugte elektrische Energie kann bei entsprechend großen Brennstoffzellensystemen
die Versorgung eines elektrischen Fahrzeugantrieb realisieren. Kleinere
Brennstoffzellensysteme können
zur Realisierung einer Zusatzstromversorgung (APU) eingesetzt werden,
die die elektrische Energie zur Speisung von elektrisch betriebenen
Zusatzgeräten wie
beispielsweise motorunabhängige
Fahrzeugheizungen oder Klimaanlagen. Dies ist insbesondere dann
wich tig, wenn diese Zusatzgeräte
auch im Stand betrieben werden sollen und daher der zum Antrieb
des Fahrzeugs dienende Motor nicht in Betrieb ist und somit die
elektrische Energie durch die Speicherkapazität der Fahrzeugbatterie begrenzt
ist.
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Zum
Betrieb eines Reformers erforderliche Zusatzkomponenten sind Sensoren,
wie beispielsweise Temperatursensoren, die zum Ermitteln und Überwachen
des Betriebszustandes des Reformers dienen. Ferner sind bei Reformern
oftmals Pumpen zum Fördern
von Brennstoff und Reformat sowie Gebläse/Kompressoren zur Förderung
des Oxidators erforderlich.
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Je
nach Einsatz von Zusatzgeräten
(Zusatzheizungen, Klimaanlagen) können diese während bestimmter
Zeiten (bsp. Jahreszeiten oder bei vorübergehender Stillegung des
Fahrzeugs) für
längere Zeit
nicht betrieben werden. Damit werden in dieser Zeit auch die Brennstoffzellensysteme
und damit die Reformer in der Regel während gewisser Stillstandszeiten
nicht betrieben. Aufgrund dieser Stillstandszeit kann es zu Störungen und
Defekten des Reformers kommen. So kann beispielsweise die Brennstoffpumpe
verkleben oder sich die Reformatpumpe festsetzen. Die Folge ist,
dass der Reformer beim ersten Versuch eines Neustarts beispielsweise
zu Beginn des Winters bzw. Sommers nicht betriebsbereit ist. Er muss
instandgesetzt werden, und das gerade zu dem Zeitpunkt, zu dem der
Benutzer ihn wieder benötigt. Die
erforderliche Instandsetzung verzögert den Neustart, es entstehen
Kosten und nicht zuletzt ist der Benutzer und Kunde erheblich verärgert.
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Um
die beschriebenen Defekte zu vermeiden könnte vorgesehen werden, den
Reformer vom Benutzer während
der warmen bzw. kalten Jahreszeit zumindest einmal im Monat von
Hand einzuschalten. Erfahrungsgemäß werden derartige Vorschriften
jedoch nicht konsequent beachtet und der Reformer nicht regelmäßig eingeschaltet.
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Aus
der
DE 199 30 877
A1 ist das Zuschalten von Komponenten zu einem Brennstoffzellensystem bekannt,
was mittels eines Steuergerätes
erfolgt. Die Zuschaltung dient der variablen Leistungssteuerung bzw.
der Inbetriebnahme einzelner Fahrzeugkomponenten.
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Die
DE 196 18 094 C2 offenbart
eine im Standby-Modus arbeitende Steuerschaltung, die periodisch
in den Vollbetriebsmodus wechselt, wobei Daten von Schaltkontakten,
Detektoren oder Sensoren ermittelt und an eine Steuereinrichtung
gesendet werden.
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Aus
der
US 5,945,229 A ist
ein Verfahren zur Überwachung
einer Brennstoffzellenanlage bekannt, die über Korrekturmechanismen verfügt, die
in der Lage sind, Fehler bei der Betriebsführung automatisch zu beheben.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Reformer bereitzustellen,
bei dem Defekte oder Störungen
aufgrund einer langen Stillstandszeit vermieden werden.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen
Reformer der eingangs genannten Art gelöst, der dadurch gekennzeichnet
ist, dass das Steuergerät
dazu eingerichtet ist, den Wert einer Messgröße zu ermitteln, die der Stillstandszeit
zumindest einer Zusatzkomponente entspricht, und zumindest eine Zusatzkomponente
kurzzeitig in Betrieb zu setzen, wenn dieser Wert einen vorbestimmten
Maximalwert erreicht. Ferner wird die Aufgabe mit einem Fahrzeug gelöst, bei
dem ein derartiger erfindungsgemäßer Reformer
eingebaut ist, und mit einem Verfahren zum Betreiben eines derartigen
Reformers, das die folgenden Schritte umfasst: Ermitteln des Wertes
einer Messgröße, die
der Stillstandszeit zumindest einer Zusatzkomponente des Reformers
entspricht, Vergleichen des Wertes mit einem vorbestimmten Maximalwert
und kurzzeitiges Inbetriebsetzen zumindest einer Zusatzkomponente
des Reformers in Abhängigkeit
des Vergleichs.
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Die
Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass bei bekannten Reformern
grundsätzlich
bereits nahezu alle Mittel vorhanden sind um sicherzustellen, dass
zumindest einzelne Zusatzkomponenten des Reformers auch ohne einen
manuellen Eingriff eines Benutzers regelmäßig kurzzeitig in Betrieb genommen
werden. Allein durch entsprechende Anpassung bzw. Gestaltung des
Steuergerätes
am Reformer kann mit Hilfe dieser Mittel das regelmäßige Einschalten
automatisch ausgeführt
werden. Ausgehend von bekannten Reformern ist daher für das erfindungsgemäße kurzzeitige
Inbetriebsetzen nur ein geringer Aufwand erforderlich.
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Aus
dem Bereich der Filtertechnik ist es bekannt, Wartungsintervalle
für Filteranordnungen
in Kraftfahrzeugen festzulegen und zu überwachen. So beschreibt
DE 195 21 612 A1 eine
War tungsintervallerkennung, bei der die tatsächliche Betriebszeit und/oder
die gesamte Zeit seit dem Einbau der Filteranordnung erfasst wird.
Bei Erreichen eines vorgegebenen Grenzwertes wird ein Signal an
eine Anzeigevorrichtung übermittelt.
So wird dem Benutzer angezeigt, wann die Filteranordnung zu reinigen
oder ein neuer Filter einzusetzen ist.
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Gemäß der Erfindung
wird nach einem Zeitintervall nicht eine Anzeige aktiviert, sondern
zumindest eine Zusatzkomponente des Reformers selbsttätig für kurze
Zeit in Betrieb gesetzt. Durch dieses regelmäßige kurzzeitige Betreiben
des Reformers wird das Erfordernis einer außerordentlichen Wartung von
vornherein vermieden.
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Bei
einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist das Steuergerät dazu eingerichtet,
die zumindest eine Zusatzkomponente des Reformers für eine Zeitdauer
von 1 bis 300 Sekunden, insbesondere von 2 bis 15 Sekunden in Betrieb
zu setzen. Eine derartige Zeitdauer ist einerseits ausreichend lang, um
die oben genannten Defekte oder Störungen zu vermeiden. Andererseits
entsteht durch einen derart kurzen Betrieb kaum ein störendes Betriebsgeräusch und
auch der Verbrauch an Brennstoff ist gering.
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Bei
bekannten Steuergeräten
wird das Ein- und Ausschalten des gesamten Reformers von Basissteuerkreisen übernommen,
die Steuerkreisen der eigentlichen Leistungsanpassung übergeordnet
sind. Die Funktion von Basissteuerkreisen kann in einem sogenannten "Stand-By-Betrieb" besonders einfach aufrechterhalten
werden. Im Steuergerät
kann daher als Messgröße vorteilhaft
eine Größe verwendet
werden, die der von einem Basissteuerkreis ermittelten Stillstandszeit
des gesamten Reformers entspricht. Darüber hinaus können Defekte
besonders leicht durch ein kurzzeitiges Betreiben des gesamten Reformers
vermieden werden. Diese Betriebsart ist auch deshalb einfach zu
steuern, weil sie der eines Startvorgangs bei normalem Betrieb des
Reformers entspricht.
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Das
erfindungsgemäße, automatische,
regelmäßige und
kurzzeitige Betreiben wird bei einem weitergebildeten Reformer zugleich
zum Funktionsprüfen
zumindest einer Zusatzkomponente des Reformers verwendet. So erfolgt
auch während
der Stillstandszeiten eine regelmäßige Kontrolle der wesentlichen
oder aller Funktionen des Reformers. Wird ein Defekt erkannt, so
kann dieser sofort behoben werden. Zu Beginn der eigentlichen Nutzzeit
des Reformers ist damit sichergestellt, dass der Reformer funktionsbereit
ist.
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Um
eine Defekt leichter beheben zu können, kann der ermittelte Fehler
in einem Fehlerspeicher abgelegt und bei der nachfolgenden Reparatur
oder Wartung ausgelesen werden.
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Darüber hinaus
ist das Steuergerät
vorteilhaft mit einer Fehleranzeige verbindbar und dazu eingerichtet,
einen ermittelten Fehler dort zur Anzeige zu bringen. Somit kann
der Benutzer bereits während der
Stillstandszeit einen Defekt des Reformers erkennen und entsprechend
eine Wartung durchführen lassen.
Bei saisonal genutzten Gebäuden
ist eine Fernabfrage möglich.
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Als
Messgröße zum Ermitteln
der Stillstandszeit einer Zusatzkomponente des Reformers ist grundsätzlich jede
Größe geeignet,
die einen Rückschluss
auf die Dauer zwischen dem letzten Betrieb der Zusatzkomponente
und der seither vergangenen Zeit zulässt. Eine vorteilhafte Messgröße ist die
Anzahl der Motorstarts eines Fahrzeugmotors, sofern der Reformer
in einem Fahrzeug als zusätzliche
Energiequelle eingesetzt ist. In der Regel wird der Motorstart bei
heutigen Steuergeräten
von Zusatzgeräten
bereits standardmäßig erkannt.
Der Wert der Messgröße kann
also durch einfache Addition der einzelnen Motorstarts bis zum Erreichen
eines vorbestimmten Maximalwertes erfasst werden. Diese Art der
indirekten Stillstandszeitermittlung des Reformers hat zusätzlich den
Vorteil, dass auch erkannt wird, wann der Motor des Fahrzeugs in
Betrieb ist. Der Reformer kann dann während des Motorbetriebs kurzzeitig
in Betrieb gesetzt werden. So wird das Betriebsgeräusch des
Reformers vom Motorgeräusch überlagert
und ist für
einen Benutzer des Fahrzeugs nicht hörbar.
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Die
Anzahl der Motorstarts kann besonders einfach über einen Datenbus des Fahrzeugs,
insbesondere einen CAN-Datenbus, ermittelt werden. Mit einem solchen
Datenbus sind Steuergeräte
heutiger Reformer koppelbar. Die Anzahl der Motorstarts wird in
diesem Fall vorteilhaft mit Hilfe eines Signals der Lichtmaschine
des Fahrzeugmotors an der Klemme des Steuergerätes erfasst.
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Alternativ
kann das Steuergerät
mit einem Bordnetz des Fahrzeugs koppelbar und dazu eingerichtet
sein, dass es die Anzahl der Motorstarts mit Hilfe des Verlaufs
der Bordspannung ermittelt. Während
des Motorstarts fällt
die Bordspannung kurzzeitig ab, was vom Steuergerät erkannt
wird.
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Eine
besonders einfache und zugleich sehr genaue Messgröße ist die
Stillstandszeit der Zusatzkomponente bzw. des Reformers selbst.
Der Betrieb eines Reformers ist dabei beispielsweise daran erkennbar,
dass das Brennstoffzellensystem Strom liefert. Die Zeitmessung kann
beispielsweise mit einem einfachen Taktgeber und einer Summenfunktion
im Steuergerät
erfolgen. Taktgeber sind bei heutigen Steuergeräten grundsätzlich vorhanden. Sie können vorteilhaft
als Quarzuhr gestaltet sein, die relative und/oder absolute Zeitwerte
erfassen kann. Mit einer solchen Quarzuhr können dem Steuergerät auch Monatsangaben
und damit Angaben über
die Jahreszeit bereitgestellt werden. Alternativ oder zusätzlich kann das
Steuergerät
bei der Ermittlung der Stillstandszeit auch Informationen über die
Außentemperatur
am Fahrzeug berücksichtigen.
Diese Informationen können über die
gesamte Stillstandszeit erfasst werden. Bei entsprechender Auswertung
der erfassten Informationen kann die Wahrscheinlichkeit für einen
baldigen witterungsbedingten Bedarf des Reformers ermittelt werden,
sofern das Brennstoffzellensystem, dem der Reformer zugehörig ist,
ein Zusatzheizgerät bzw.
eine Klimaanlage versorgt. Mit erhöhter Wahrscheinlichkeit kann
entsprechend der festgelegte Maximalwert der zulässigen Stillstandszeit angepasst
werden.
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Besonders
einfach zu realisieren ist ein Steuergerät, bei dem der Maximalwert
auf einen vorbestimmten Wert festgelegt ist. Um einen dauerhaft
störungsfreien
Betrieb eines Reformers zu erzielen, ist der vorbestimmte Wert vorteilhaft
ein Zeitwert zwischen 400 h und 1000 h, insbesondere zwischen 600 h
und 800 h.
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In
einer konkreten Ausführung
eines Reformers handelt es sich um einen Reformer für eine mobile
Anwendung, wie beispielsweise einen Personenkraftwagen. Dieser weist
als wesentliche Zusatzkomponenten ein Oxidationsgasgebläse, einen
Reaktor, eine Brennstoffpumpe und eine Reformatpumpe auf. Ferner
ist ein Steuergerät
vorhanden, das über
elektrische Leitungen mit diesen Zusatzkomponenten verbunden ist.
Am Reformer sind ein Temperatursensor und an einer Brennstoffleitung
ein Drucksensor angebracht. Schließlich ist das Steuergerät mit einem
Außentemperatursensor,
mit einem Innentemperatursensor, der in einem Fahrgastraum des Personenkraftwagens
angeordnet ist, und mit einem Wärmeträgertemperatursensor
gekoppelt.
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Der
Reformer dient zur Versorgung einer Brennstoffzelle, die Strom erzeugt
zum Betrieb eines Zusatzheizgeräts,
das sowohl während
der Fahrt als auch bei Stillstand des Fahrzeugs nutzbar ist.
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Um
ein Verkleben oder Festsetzen einer der Pumpen des Reformers zu
vermeiden, wird mit Hilfe des Steuergerätes während der warmen Sommermonate
der Wert der Stillstandszeit des Reformers ermittelt und bei Erreichen
eines fest vorbestimmten Maximalwertes der Reformer für eine Zeitdauer
von etwa 3 Sekunden in Betrieb genommen.
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Die
Stillstandszeit wird mit Hilfe einer Quarzuhr im Steuergerät erfasst.
Während
der Stillstandszeit befindet sich das Steuergerät in einer Art Ruhezustand
(Stand-By-Betrieb), bei dem zwar die Stillstandszeit und der Maximalwert
bestimmt werden, sonstige Funktionen des Reformers aber grundsätzlich außer Betrieb
gesetzt sind.
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Neben
der Stillstandszeit kann während
des Ruhezustandes auch die Außentemperatur
am Fahrzeug mit Hilfe des Außentemperatursensors überwacht
werden. Liegt die Außentemperatur über 10°C, so wird
eine maximale Stillstandszeit festgelegt, die etwa einer Zeitdauer
von einem Monat, entspricht. Der Reformer wird also während der
warmen Jahreszeit zumindest einmal im Monat kurzzeitig betrieben. Wird
eine Außentemperatur
von 10°C
für längere Zeit unterschritten,
so wird die maximale Stillstandszeit vom Steuergerät auf einen
Wert von 180 h verringert. So wird sichergestellt, dass bei Beginn
der kalten Jahreszeit ein für
den Betrieb eines Zusatzheizgerätes
erforderlicher Reformer ausreichend früh und ausreichend oft für kurze
Zeit in Betrieb genommen wird.
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Sobald
ein Erreichen des festgelegten Maximalwertes ermittelt wird, wird
in einem Zwischenspeicher des Steuergerätes ein Anforderungssignal
für ein
kurzzeitiges Inbetriebsetzen einer Zusatzkomponente des Reformers
abgelegt. Nachfolgend wird anhand der im Bordnetz des Personenkraftwagens
anstehenden Bordspannung ermittelt, ob bzw. wann der Verbrennungsmotor
betrieben wird. Sobald auch ein Betrieb des Verbrennungsmotors erkannt
wird, wird der Reformer für
kurze Zeit in Betrieb gesetzt. Auf diese Art wird erreicht, dass
während
des kurzzeitigen Betriebes des Reformers dessen Geräusch von dem Geräusch des
Verbrennungsmotors überlagert ist.
Das Geräusch
des Reformers kann so nicht als störend empfunden werden.
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Wird
bei anstehendem Anforderungssignal der Verbrennungsmotor über eine
bestimmte Zeitdauer hinaus nicht gestartet, so wird der Reformer unabhängig von
einem Motorstart kurzzeitig in Betrieb gesetzt.
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Während des
kurzzeitigen Betriebs werden die Pumpen des Reformers angetrieben,
so dass ein Festsetzen von beweglichen Pumpenteilen verhindert wird.
Der kurzzeitige Betrieb bedeutet nicht, dass der Reformer zwingend
einen vollständigen
Startvorgang durchlaufen und in den Normalbetriebszustand übergehen
muss. Dies würde
aufgrund der hohen Betriebstemperaturen verhältnismäßig lange dauern. Es reicht
vielmehr aus, wenn die einzelnen Zusatzkomponenten, eventuell auch
einzeln und unabhängig
voneinander, betrieben werden.
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Beim
kurzzeitigen Betrieb werden zugleich Funktionsprüfungen an den einzelnen Zusatzkomponenten
und im Zusammenspiel der Zusatzkomponenten durchgeführt. So
wird beispielsweise geprüft, ob
bei Betreiben der Brennstoffpumpe der Druck in der Brennstoffleitung
erhöht
wird. Ferner wird nach einem Startvorgang das Ansprechen des Temperatursensors
getestet. Durch kombinierte Auswertung der Sensorsignale sind auch
Rückschlüsse auf
einen fehlerfreien Betrieb des Oxidationsgasgebläses und der Reformatpumpe möglich.
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Wenn
während
einer Funktionsprüfung
ein Defekt oder ein Fehler erkannt wird, wird ein entsprechendes
Signal in einem Fehlerspeicher des Steuergerätes abgelegt. Zugleich wird
an einem Armaturenbrett des Personenkraftwagens dem Benutzer eine entsprechende
Information angezeigt. Der Benutzer kann im Bedarfsfall den Reformer
noch während
der Sommermonate, eventuell in Verbindung mit einer Routineuntersuchung
warten lassen. Die Zahl möglicher
Defekte durch Verkleben oder Festset zen von Zusatzkomponenten des
Reformers ist verringert und der ordnungsgemäße Betrieb des Reformers nach
längerer
Stillstandszeit sichergestellt.