DE10332518A1

DE10332518A1 - Vorrichtung zum Steuern einer Brennstoffzellenanlage und Brennstoffzellenanlage

Info

Publication number: DE10332518A1
Application number: DE10332518A
Authority: DE
Inventors: Frank Brenner; Ulrich Gottwick; Martin Möller; Rainer Saliger; Jan-Michael Grähn
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2003-07-17
Filing date: 2003-07-17
Publication date: 2005-02-03
Also published as: US20050014042A1

Abstract

Es wird eine Vorrichtung zum Steuern einer Brennstoffzellenanlage (1) und eine Brennstoffzellenanlage (1) beschrieben. Die Brennstoffzellenanlage (1) ist für den Zweck der Energiebereitstellung in einem fertigen Endprodukt bestimmt und umfasst Steuermittel zum Betrieb der Brennstoffzellenanlage (1). Um die Zuverlässigkeit bzw. Überwachbarkeit und Sicherheit der Brennstoffzellenanlage (1) zu erhöhen, sind die Steuermittel dazu ausgelegt, Kontrollbetriebspunkte in vordefinierten Phasen während des Betriebs der Brennstoffzellenanlage (1) anzusteuern und einen sich dabei einstellenden Wert wenigstens einer Anlagengröße der Brennstoffzellenanlage (1) aufzunehmen und im Hinblick auf wenigstens einen zuvor festgelegten Wert der Anlagengröße der Brennstoffzellenanlage (1) auszuwerten.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Steuern einer Brennstoffzellenanlage und eine Brennstoffzellenanlage nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. des Anspruchs 9.

In der Brennstoffzellentechnologie werden Brennstoffzellen als elektrische Stromquelle genutzt, wobei durch elektrochemische Oxidation einer oxidierbaren Substanz chemische Energie in elektrische Energie umgewandelt wird. Grundsätzlich kann es sich bei einer Brennstoffzelleneinheit sowohl um eine einzelne Brennstoffzelle als auch um eine elektrische und/oder elektrochemische Verschaltung mehrerer Einzelzellen handeln, einem sogenannten Brennstoffzellenstack. Nachfolgend ist prinzipiell unter dem Begriff Brennstoffzelle auch ein Brennstoffzellenstack zu verstehen, wenn nicht ausdrücklich unterschieden wird. Neben der elektrischen Verschaltung befindet sich in einer Brennstoffzelleneinheit bzw. in einem Brennstoffzellenstack auch eine Struktur, die der Versorgung der Elektroden mit Edukten und dem Abtransport von Produkten dient. Zu einer Brennstoffzellenanlage, nachfolgend mit BZA bezeichnet, zählen neben dem Brennstoffzellenstack auch Peripheriekomponenten, die beispielsweise zur Gasversorgung, zum Wärmemanagement und zur Regelungstechnik und Steuerungstechnik der BZA benötigt werden.

Mögliche Anwendungen von BZA liegen beispielsweise im Fahrzeugantrieb oder als sogenannte Auxiliary Power Unit (APU), z.B. als zusätzliche Stromquelle bzw. als Ersatz für Generator bzw. Lichtmaschine in mobilen Anwendungen, zur Bereitstellung von Energie oder bei stationären Systemen wie z.B. bei Brennstoffzellenheizkraftwerken. Für einen serienreifen Zustand ist die Zuverlässigkeit bzw. die Überwachbarkeit und Sicherheit von BZA bisher noch nicht ausreichend.

Aufgabe und Vorteile der Erfindung

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Zuverlässigkeit bzw. die Überwachbarkeit und Sicherheit von BZA zu erhöhen und einen serienreifen Einsatz von BZA, insbesondere in der mobilen Anwendung, z.B. in der Land-, Luft- und Wasserfahrzeugtechnik zu ermöglichen.

Diese Aufgabe wird ausgehend vom Oberbegriff des Anspruchs 1 und Anspruchs 9 durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 und 9 gelöst. In den abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung angegeben.

Dementsprechend wird erfindungsgemäß eine Vorrichtung zum Steuern einer für den Zweck der Energiebereitstellung in einem fertigen Endprodukt bestimmten Brennstoffzellenanlage, die Steuermittel für den Betrieb der Brennstoffzellenanlage umfasst, vorgeschlagen, die sich dadurch auszeichnet, dass die Steuermittel dazu ausgelegt sind, Kontrollbetriebspunkte in vordefinierten Phasen während des Betriebs anzusteuern und einen sich dabei einstellenden Wert wenigstens einer Anlagengröße der Brennstoffzellenanlage aufzunehmen und im Hinblick auf wenigstens einen zuvor festgelegten Wert der Anlagengröße der Brennstoffzellenanlage auszuwerten.

Um den insbesondere bei Verwendung von Wasserstoff notwendigen Sicherheitsanforderungen an BZA gerecht zu werden, muss diese während des Betriebs regelmäßig auf Funktionsfähigkeit und zur sicheren Fehlererkennung überprüft werden. In der Fahrzeugtechnik sind für Sicherheitssysteme wie beispielsweise Antiblockiersysteme, Elektrohydraulische Bremse, Airbag usw. Funktionstests bekannt. Sogenannte onbord-diagnose-(OBD)Maßnahmen zur Überwachung der Brennstoffzellenanlage, zum Beispiel in der Fahrzeugtechnik, sind für eine serienreife Anwendungen nicht bekannt.

Durch die vorliegende Erfindung wird ein System für BZA bereitgestellt, mit dem die Zuverlässigkeit bzw. Überwachbarkeit und Sicherheit der BZA stark erhöht wird. Die Ansteuerung von Kontrollbetriebspunkten erfolgt in ausgewählten Phasen des Betriebs, insbesondere aber nicht über die gesamte oder nahezu gesamte Betriebsdauer. Solche Betriebsphasen sind beispielsweise die Startphase oder auch Leerlauf-, Konstantbetriebs- oder Nachlaufphasen. In diesen Phasen kann die Kontrollansteuerung vergleichsweise einfach ablaufen, da die BZA gleichbleibenden bzw. relativ geringen Beanspruchungen unterliegt. Die Ansteuerung von Kontrollbetriebspunkten findet vorteilhafterweise zu verschiedenen Zeitpunkten bzw. mehrmals über die gesamte Betriebsdauer der BZA verteilt statt. Damit sind Systemveränderungen frühzeitig erkennbar und auswertbar. Betriebsstörungen durch nicht oder zu spät erkannte Anlagenfehler, welche z.B. die Sicherheit des Nutzers der BZA beeinträchtigen, werden vorteilhafterweise vermieden.

Unter Anlagengrößen sind alle möglichen Parameter einer BZA zu verstehen, insbesondere verfahrenstechnisch relevante Parameter wie z.B. Temperatur, Druck, Stoffkonzentrationen und -ströme, elektrische Parameter wie Spannung oder Stromstärke und andere für die Betriebsführung der BZA bedeutende Parameter.

Dabei sind vorteilhafterweise neben den erfindungsgemäßen Steuermittel keine anderen Komponenten der BZA notwendig, die über die Komponenten einer herkömmlichen BZA hinausgehen. Insbesondere erfolgt die Anlagenkontrolle automatisch, d.h. die Ansteuerung und anschließende Verarbeitung der sich dabei einstellende Anlagengröße. Bei einer im Automobilbereich eingesetzten erfindungsgemäßen BZA kann beispielsweise mit der Fahrerfreigabe des Antriebs z.B. durch Drehen des Zündschlüssels im Zündschloss vor oder in einer Startphase eine erfindungsgemäße Kontrollansteuerung ausgelöst werden.

Besonders vorteilhaft kann beispielsweise die Nachrüstung von herkömmlichen BZA mit einer erfindungsgemäßen Steuervorrichtung unter geringem Aufwand erfolgen. Dazu muss z.B. lediglich eine entsprechende Programmierung der vorhandenen Steuermittel der BZA durchgeführt werden, um die erfindungsgemäße Vorrichtung in der BZA zu implementieren. Alternativ können auch die vorhandenen herkömmlichen Steuermittel der BZA durch erfindungsgemäße Steuermittel, z.B. durch Austausch einer Rechnereinheit, ersetzt werden. Alternativ können auch erfindungsgemäße Steuermittel zusätzlich zu den bereits in der Baueinheit der BZA oder im verwendungsfertigen Produkt vorgesehen werden, um in erster Linie oder ausschließlich erfindungsgemäß eingesetzt zu werden.

Unter Kontrollbetriebspunkten sind alle möglichen von der BZA erreichbaren Betriebszustände zu verstehen. Zur Ansteuerung der Kontrollbetriebspunkte werden insbesondere die wesentlichen bzw. für die Sicherheit des Systems relevanten Komponenten einer BZA angesteuert. Solche Komponenten sind z.B. Komponenten, die den Systemdruck in den Zuführleitungen zur bzw. Abführleitungen aus der Brennstoffzelle bzw. anoden- oder -kathodenseitig in der Brennstoffzelle beeinflussen, z.B. Kompressoren, Druckregler, Druckminderer, Zu-, Rück- oder Abführventile und dergleichen.

Durch die in der Regel wertmäßige Erfassung und Auswertung von wenigstens einer Anlagengrößen, die sich als Antwort auf die Ansteuerung oder Einregelung der Kontrollbetriebspunkte einstellt, kann eine zielgerichtete Beurteilung der Reaktion der BZA auf die Ansteuerung erfolgen. Um eine noch umfassendere Beurteilung der Reaktion der BZA auf die Ansteuerung der Kontrollbetriebspunkte zu erlangen, können bei Ansteuerung eines Betriebspunktes auch mehrere Anlagengrößen, die durch die Ansteuerung möglicherweise verändert werden, erfasst und ausgewertet werden. Prinzipiell kann nach der Ansteuerung oder Einregelung von Kontrollbetriebspunkten eine Zeitspanne, die variabel vorgegeben werden kann, bis zur Erfassung bzw. Auswertung der sich einstellenden Anlagengröße vorgesehen werden.

Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Steuermittel dazu vorgesehen sind, Kontrollbetriebspunkte anzusteuern, die bei einem herkömmlichen Betrieb nicht oder nur relativ selten auftreten. Vorteilhafterweise können in solchen Betriebspunkten z.B. bestimmte Fehler oder Störungen besonders sicher erkannt werden oder sie sind sogar ausschließlich in diesen Kontrollbetriebspunkten detektierbar.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die Steuermittel ausgelegt, bei einer Auswertung den zumindest einen sich einstellenden Wert wenigstens einer Anlagengröße mit wenigstens einem zuvor festgelegten Vergleichswert der Anlagengröße zu vergleichen.

Eine Vergleichsauswertung ermöglicht eine eindeutige Fehleridentifikation. Bei der Festlegung von Vergleichswerten, die z.B. in einer Elektronik-Einheit der BZA abgelegt sind, können Erkenntnisse z.B. hinsichtlich der Konfiguration bzw. Betriebsführung der Anlage berücksichtigt werden. Im Sinne der Erfindung ist unter vergleichen mit einem Vergleichswert neben dem vergleich mit einem Einzelwert auch ein Vergleich mit einem Wertebereich zu verstehen.

Zur Beurteilung der Reaktion der BZA auf die Ansteuerung von Kontrollbetriebspunkten kann neben einer Auswertung eines Einzelwertes einer Anlagengröße auch eine Mehrzahl von Werten ausgewertet werden bzw. eine über die Zeit kontinuierliche Aufnahme bzw. Auswertung von Werten erfolgen. Insbesondere die kontinuierliche Auswertung ermöglicht eine exakte Beurteilung der Reaktion der BZA auf die Ansteuerung der Kontrollbetriebspunkte und damit eine besonders aussagekräftige Fehlererkennung.

Für eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, die Steuermittel so auszulegen, dass bei Abweichung des zumindest einen sich einstellenden Werts von dem wenigstens einen Vergleichswert der Anlagengröße eine auf die Abweichung abgestimmte Korrekturmaßnahme erfolgt. Die Ansteuerung von Kontrollbetriebspunkten erfolgt dabei erfindungsgemäß ausreichend oft über die Dauer des Betriebs, so dass in der Regel rechtzeitig bevor ein Fehler sich auswirken kann, eine entsprechende Korrekturmaßnahme erfolgt. Sollte eine Korrekturmaßnahme nicht möglich oder wirkungslos sein, wird der Fehler zur Information bzw. als Hinweis für eine notwendige Reparatur an den Nutzer angezeigt. Die Korrekturmaßnahme wird in der Regel nur bei Abweichung des durch die Auswertung erhaltenen Werts von dem Vergleichswert ausgelöst. Als Korrekturmaßnahmen sind je nach Art und Größe der Abweichung, des Wertes verschiedenste Maßnahmen möglich. In Betracht kommen Gegenmaßnahmen, bei denen aktiv auf Komponenten der BZA eingewirkt wird. Dies sind z.B. Spülvorgänge, Druckanpassungen oder Änderungen, die sich auf die Befeuchtung der Brennstoffzellen-Membran auswirken. Bei weniger kritischen Fehlern bzw. zusätzlich kommen auch passive Maßnahmen in Betracht, z.B. eine Protokollierung und/oder Abspeicherung des Fehlers oder eine Darstellung des Fehlers, beispielsweise optisch oder akustisch an den Nutzer des verwendungsfertigen Produkts.

In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind die Steuermittel ausgelegt, Kontrollbetriebspunkte nacheinander in vorbestimmter Abfolge anzusteuern. Es können so beispielsweise eine Auswahl bestimmter Betriebspunkte z.B. entsprechend ihrer Sicherheitsrelevanz oder sämtliche möglichen Betriebspunkte zur Kontrolle nacheinander angesteuert und gegebenenfalls auch zu einem späteren Zeitpunkt wiederholt angesteuert werden. Vorteilhafterweise wird zu verschiedenen Zeitpunkten bzw. mehrmals wiederholend über die gesamte Betriebsdauer der BZA die Anlage auf ihre Funktionalität und Sicherheit hin getestet.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Steuermittel sieht vor, dass die Steuermittel so ausgestaltet sind, dass bei Abweichung des zumindest einen sich einstellenden Werts von dem Vergleichswert, eine Ansteuerung eines oder mehrerer weiterer ansteuerbarer Kontrollbetriebspunkte(s) unterbleibt oder eine Ansteuerung neuer Kontrollbetriebspunkte erfolgt. Hierdurch kann erreicht werden, dass nur die Kontrollbetriebspunkte angesteuert werden, die mit einem erkannten Fehler ansteuerbar bzw. beurteilbar sind. Außerdem wird eine mögliche Gefährdung des Nutzers bzw. eine Beeinträchtigung des Gesamtsystems vermieden, wenn z.B. ein erkannter Fehler zu einer gefährlichen Situation bei der Ansteuerung eines weiteren Kontrollbetriebspunktes führen könnte. Eine Fehlererkennung kann vorteilhafterweise auch eine Änderung der Abfolge von nachfolgenden Ansteuerungen von Kontrollbetriebspunkten bewirken. So können zusätzliche Kontrollbetriebspunkte, die ohne bereits erfolgte Fehlererkennung nicht angesteuert würden, dann angesteuert werden. Durch diese Variante kann z.B. die fehlerhafte Komponente aus mehreren in Frage kommenden herausgefunden und genau lokalisiert werden, was häufig nur mit der Ansteuerung mehrerer unterschiedlicher Kontrollbetriebspunkte hintereinander möglich ist. Außerdem können so auch mögliche weitere z.B. vom erkannten Fehler abhängige Fehler festgestellt werden.

Erfindungsgemäß wird weiter vorgeschlagen, dass die Steuermittel die Kontrollbetriebspunkte derart anfahren, dass die im fertigen Produkt vorgesehenen Einwirkungsmöglichkeiten auf die Brennstoffzellenanlage durch einen Nutzer des fertigen Produkts durch die Ansteuerung der Kontrollbetriebspunkte nicht beeinträchtigt sind. Die erfindungsgemäßen Steuermittel sichern damit eine dauerhafte Eingriffsmöglichkeit auf die BZA durch den Nutzer. Insbesondere wird vermieden, dass dieser in kritische Situationen kommen kann, indem z.B. die Einwirkung auf die relevanten bzw. angesteuerten Komponenten durch die automatische Ansteuerung der Kontrollbetriebspunkte eingeschränkt oder sogar blockiert ist. Im Idealfall wird ein Nutzer die Ansteuerung von Kontrollbetriebspunkten nicht oder nur als Information über den Status der Ansteuerung bzw. Fehlererkennung wahrnehmen. Alternativ hierzu kann die Ansteuerung von Kontrollbetriebspunkten auch vorrangig erfolgen, ohne dass der Nutzer während dieser Zeit die BZA ansteuern kann, z.B. durch eine kurzzeitige Sperrung der Betätigungsmöglichkeit des Gaspedals in der Startphase.

Eine zweckmäßige Ausgestaltung des Erfindungsgegenstandes sieht vor, dass die Steuermittel zum Anfahren solcher Betriebspunkte ausgebildet sind, die mit den von dem Nutzer im fertigen Produkt vorgesehenen Einwirkungsmöglichkeiten auf die Brennstoffzellenanlage nicht angesteuert werden können. In vielen Fällen sind Fehler nur in extremen Betriebspunkten zu detektieren. Solche Betriebspunkte können im herkömmlichen Sinne sogar unerwünscht sein, z.B. weil sie unwirtschaftlich sind, werden aber erfindungsgemäß kurzzeitig als Kontrollbetriebspunkt von den Steuermitteln aus Überprüfungs- und Sicherheitsgründen angesteuert.

Im Weiteren wird eine BZA mit einer soeben beschriebenen Vorrichtung vorgeschlagen. Eine solche BZA ist besonders vorteilhaft, wenn die erfindungsgemäßen Steuermittel in den zum Betrieb der BZA vorzusehenden Steuermittel integriert sind. Hierzu werden die vorhandenen Steuermittel z.B. durch einen Programmiervorgang entsprechend konfiguriert. Die vorhandenen Steuermittel können auch durch eine erfindungsgemäß ausgebildete Einheit ersetzt und über die bereits vorhandenen Schnittstellen der BZA für die bisher vorzusehende Steuermittel an diese angeschlossen werden. Es ist auch eine zusätzliche Steuereinheit vorstellbar, beispielsweise ein Steuerchip, der in vorhandene Steuermittel integriert wird. Alternativ können die erfindungsgemäßen Steuermittel als zusätzliche Komponente neben vorhandenen Steuermittel vorgesehen werden. Diese verschiedenen Möglichkeiten erlauben es, auf einfache und wirtschaftlich vorteilhafte Weise, bereits vorhandene BZA mit erfindungsgemäßen Steuermittel nachzurüsten oder dieses standardmäßig in neuen BZA einzubauen.

Schließlich sieht eine erfindungsgemäße BZA vor, dass Zusatzkomponenten zur Ansteuerung von Kontrollbetriebspunkten vorhanden sind, in denen die Brennstoffzelle eine vorgegebene Strommenge produziert. Eine solche BZA weist den Vorteil auf, dass sie für das Zusammenwirken mit erfindungsgemäßen Steuermittel so abgestimmt ist, dass ein allgemeiner Systemtest zur Überprüfung der Leistungsfähigkeit der Brennstoffzelle möglich ist. Solche erfindungsgemäßen Systemtests sind besonders aussagekräftig und sicher, da zur Bereitstellung einer vorgegebenen Strommenge durch die Brennstoffzelle nahezu sämtliche Komponenten bzw. alle wesentlichen Komponenten der Brennstoffzelle bzw. der BZA in einem fehlerfreien Zustand sein müssen. Dies wird insbesondere dadurch vorteilhaft noch verstärkt, wenn im Kontrollbetriebspunkt eine hohe Strommenge von der Brennstoffzelle produziert wird, z.B. wenn der BZA kurzzeitig eine hohe Last zugeschaltet wird. Dabei wird die Reaktion der BZA aufgenommen und z.B. wertmäßig ausgewertet. Hierzu kann z.B. eine Zusatzkomponente notwendig sein, durch die ein relativ niedriger elektrischer widerstand auf der Verbraucherseite der Brennstoffzelle anlegbar ist und somit eine hohe Lastanforderung bewirkt. Neben elektronischen Komponenten können u.a. auch mechanische Komponenten bzw. Sensormittel zusätzlich vorgesehen werden.

Unter Zusatzkomponenten sind insbesondere solche Komponenten zu verstehen, die in herkömmlichen BZA nicht vorgesehen sind. Diese Zusatzkomponenten sind zur gezielten Ansteuerung der Kontrollbetriebspunkte, in denen die Brennstoffzelle eine vorgegebene Strommenge produziert, vorgesehen. Einzelne oder alle dieser notwendigen Komponenten bzw. deren Funktionen können auch in bereits vorhandenen Bauteilen einer herkömmlichen BZA integriert werden, womit relativ einfach eine Anpassung herkömmlicher BZA an erfindungsgemäße Ausführungsformen möglich ist.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Weitere Einzelheiten der Erfindung werden in der Zeichnung anhand von schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen beschrieben.
Dabei zeigt:
1 eine schematische Darstellung von Teilen einer BZA mit wesentlichen Komponenten ohne Elektronik-Einheit;
2 beispielhaft einen gemessenen Kurvenverlauf, der durch Ansteuerung mehrerer Kontrollbetriebspunkte erhalten wurde und eine obere und untere Grenzkurve, dargestellt im Koordinatensystem, bei dem über der Abszissenachse der elektrischen Strom und über der Ordinatenachse die elektrische Spannung einer Brennstoffzelle bzw. eines Brennstoffzellenstacks aufgetragen ist und
3a und 3b beispielhaft je ein gemessener Kurvenverlauf des Drucks an der Anode und an der Kathode einer Brennstoffzelle in Testphasen a bis i, die bei der Ansteuerung von Kontrollbetriebspunkten und Aufnahme bzw. Auswertung des dabei sich einstellenden Drucks an der Anode und der Kathode erhalten wurden, dargestellt im Koordinatensystem, wobei auf der Abszissenachse die Zeit und auf der Ordinatenachse der Druck an der Anode (siehe 3a) bzw. der Druck an der Kathode (siehe 3b) aufgetragen ist.
1 zeigt schematisch Teile einer BZA 1 mit einer Brennstoffzelle (BZ) 2 und weitere wesentliche Komponenten, die durch rechteckige Kästchen bzw. durch Kreise z.B. für Sensormittel dargestellt werden. In einem in der Regel z.B. mit ca. 350 bar, im Einzelnen auch deutlich höher bis ca. 700 bar, druckbeaufschlagten Tank 3 wird die zu oxidierende Substanz, z.B. Wasserstoff 4 zwischengespeichert und je nach Bedarf über eine Zuführung 5 einer Anode 6 der Brennstoffzelle 2, im Weiteren als BZ bezeichnet, zugeführt. In 1 sind Wege von Stoffströmen in der BZA schematisch durch Pfeile dargestellt. In der Zuführung 5 ist nach dem Tank 3 zunächst ein Druckminderer 7 und weiter in Strömungsrichtung ein Druckregler 8 integriert. Der Druckminderer 7 regelt den Wasserstoffdruck im Tank 3 von z.B. ca. 350 bar z.B. bis 10 bar herunter. Je nach Betriebszustand erniedrigt der Druckregler 8 dieses Druckniveau auf anodenseitig 1 bar bis 3 bar. Außerdem nimmt ein Drucksensor 9 in der Zuführung 5 in Strömungsrichtung nach dem Druckregler 8 vor der BZ 2 anodenseitig den Druck p₁ auf.
Über eine weitere Zuführung 15 zur BZ 2 wird z.B. mit Hilfe eines Kompressors 14 ein Oxidationsmittel 13, in der Regel Luft bzw. Sauerstoff oder ein sauerstoffhaltiges Gasgemisch, unter Druck einer Kathode 10 der BZ 2 zugeführt. In der Zuführung 15 misst ein Drucksensor 16 den Druck p₂ des verdichteten Oxidationsmittels 13.
Zwischen der Anode 6 und der Kathode 10 befindet sich eine Membran 11. Ein Wärmetauscher 12 dient zur Regulierung der Temperatur der BZ 2 bzw. eines Brennstoffzellen-Stacks. Die Membran 11, die z.B. 50 bis 200 um stark ist, kann z.B. eine Polymer-Elektrolyt-Membran (PEM) sein, wobei auch andere Membranen geeignet sind. Zur Temperaturaufnahme in der BZ 2 ist zumindest ein Temperatur-Sensor 17 vorgesehen.
Nicht dargestellt sind weitere Komponenten der BZA, wie z.B. weitere Sensoren, z.B. Tanksensoren für Druck, Füllstand u.a., Steuermittel der BZA, und dazugehörige Zu- und Ableitungen, über welche die Steuermittel mit Komponenten der BZA oder anderen Einheiten eines fertigen Endprodukts, in dem die BZA integriert ist, verbunden sind. Die Steuermittel können z.B. mit den in 1 dargestellten Komponenten der BZA 1 verbunden sein, um Kontrollbetriebspunkte anzusteuern. Sind weitere Komponenten in der BZA 1 vorhanden, so kann durch die gezielte Ansteuerung dieser Komponenten die Wirkung auf das System überwacht werden.
Zur Gas-Ableitung aus der BZ 2 ist eine anodenseitige Abführung 18 und eine kathodenseitige Abführung 19 vorgesehen. In der Abführung 19 ist ein Staudruckregler 20 angeordnet. In der Abführung 18 sorgt ein Entlüftungsventil 21 für eine anodenseitige Entlüftung der BZ 2.
Außerdem zweigt in der Abführung 18 vor dem Entlüftungsventil 21 eine Bypass-Leitung 22 ab, über die ein Teilstrom des aus der BZ 2 anodenseitig abgeführten Gases zurück in die Zuführung 5 vor der Anode 6 geleitet werden kann. Zur Gas-Rückführung ist in der Bypass-Leitung 22 ist ein sogenanntes Rezirkulationsventil 23 und eine Rezirkulationspumpe 24 angeordnet.
In 2 ist ein Ausschnitt eines Koordinatensystems dargestellt, wobei über der x-Achse der elektrische Strom I_BZ und über der y-Achse die dazugehörige elektrische Spannung U_BZ einer BZ bzw. eines BZ-Stacks aufgetragen ist. Im gezeigten Koordinatensystem ist eine obere Strom/Spannungs-Grenzlinie 25 und eine untere Strom/Spannungs-Grenzlinie 26 der BZ 2 dargestellt. Die beiden Grenzlinien 25 und 26 begrenzen einen erlaubten Bereich S für den Zusammenhang des Stroms I_BZ und der Spannung U_BZ für die BZ 2. Die beiden Grenzlinien 25, 26 basieren auf Vorversuchen oder Erfahrungswerten und sind in ihrem Verlauf und in ihren absoluten Werten im Wesentlichen von Betriebsparametern der BZ 2 abhängig, z.B. von der Stacktemperatur oder dem Systemdruck bzw. von Luft- oder Wasserstoffüberschuss in der Brennstoffzelle 2. Die untere Grenzlinie 26 entspricht z.B. vergleichsweise geringen anoden- bzw. kathodenseitigen Drücken bzw. geringen Stöchiometrien der an den elektrochemischen Vorgängen beteiligten Reaktionspartnern. Die obere Grenzlinie 25 ergibt sich umgekehrt bei vergleichsweise hohen Drücken bzw. hohen Stöchiometrien der betrachteten Reaktionspartner.
Um alterungsbedingte Anlagendegradationen bei der Auswertung von Anlagengrößen zu berücksichtigen und die alterungsbedingten Anlagendegradationen nicht als Fehler zu identifizieren, können die Vergleichswerte bzw. -kurven entsprechend angepasst werden, z.B. mit einem Betriebsstundenzähler zur Verschiebung, Aufwertung oder Einengung der Vergleichswerte bzw. -kurven. Beispielsweise können mit der Zeit durch Verschleiß die Verlustströme durch Leckage am Kompressor zunehmen, was aber zu keiner Fehlererkennung führen soll. Dies kann über eine Anpassung der Überwachungsgrenzen berücksichtigt werden. Damit können die Überwachungsgrenzen anfangs enger und später weiter vorgegeben werden. Die Fehlererkennung wird somit verbessert, da die Grenzen nicht von Beginn an sämtliche Toleranzen über die Lebensdauer beinhalten müssen.
Zur Systemkontrolle der BZA 1 wird dieser durch die Steuermittel z.B. eine vergleichsweise hohe Last kurzzeitig zugeschaltet und während des Tests über Sensormittel eine Strom/Spannungs-Kennlinie 27 der Brennstoffzelle 2 ausgemessen. Die erhaltene Kennlinie, die sogenannte Polarisationskurve 27, wird mit der oberen bzw. unteren Strom/Spannungs-Grenzlinie 25, 26 verglichen, die als Funktion von Betriebsparametern (z.B. Druck, Temperatur, Stöchiometrie auf der Anoden- bzw. Kathodenseite) vorliegen. Liegt die gemessene Kennlinie 27 im erlaubten Bereich S zwischen unterer und oberer Grenzlinie 25, 26, arbeitet die BZ 2 ohne Fehler. Bei Abweichung der gemessenen Kennlinie 27 vom erlaubten Bereich S wird eine oder werden mehrere Korrekturmaßnahme(n) eingeleitet, z.B. Spülvorgänge, Druckanpassung, Änderung der Befeuchtung der Membran u.a.. Wenn die Kennlinie 27 bzw. der gemessene Betriebspunkt oberhalb der oberen Strom/Spannungs-Kennlinie 25 liegt, sind insbesondere fehlerhafte Sensoren zu vermuten. Zur Erstellung der oberen bzw. unteren Grenzlinie werden insbesondere Modellrechnungen herangezogen. Dabei werden die dafür aufgenommen Signale der Sensoren an die Steuereinheit der BZA 1 weitergegeben und in den Modellrechnungen weiterverarbeitet. Dazu müssen wenigstens zwei Betriebsparameter aufgenommen werden. Prinzipiell sind zur Systemkontrolle der BZA 1 wenigstens zwei Betriebsgrößen zu erfassen, vorteilhafterweise eine der nicht elektrischen Größen wie z.B. Druck, Temperatur bzw. Stöchiometrie auf der Anoden- bzw. Kathodenseite und eine elektrische Größe, wie z.B. die Stromstärke bzw. die Spannung.
Die Kennlinie 27 wird meist wie in 2 gezeigt bei variabler Last kontinuierlich erfasst. Anstelle der Kennlinie 27 ist auch eine punktuelle Erfassung von einem oder mehreren Einzelwerten, z.B. vor und nach Zuschalten diskreter Lastpunkte möglich.
3a und 3b zeigt beispielhaft in Testphasen a bis i einen gemessenen Kurvenverlauf des Drucks p_A an der Anode und des Drucks p_K an der Kathode der Brennstoffzelle 2, der bei der Ansteuerung von Kontrollbetriebspunkten aufgenommen wurde. Nach jeder Ansteuerung wird eine Verweilzeit eingeplant und der sich einstellende Zustand auf Plausibilität innerhalb von Grenzen überwacht. Die Testphasen a bis i charakterisieren sich wie folgt:

a: Es werden keine anodenseitigen Komponenten angesteuert. Der Anodendruck p_A nimmt entsprechend der Stackleistungsabgabe ab. Nach der Auswertung der Anlagenantwort wird der Solldruck gegebenenfalls wieder eingeregelt, was zu einem Druckanstieg an der Anode 6 etwa auf Anfangsniveau führt. Erfindungsgemäß kann die Ansteuerung eines Kontrollbetriebspunktes auch die gleichzeitige Unterbindung der Ansteuerung von ausgewählten Komponenten umfassen.
b: Ansteuerung des Entlüftungsventils 21 führt zu einer Anodendruckabnahme. Nach der Auswertung der Anlagenantwort wird der Solldruck an der Anode 6 gegebenenfalls wieder eingeregelt.
c: Ansteuerung des Druckreglers 8 ohne eine Ansteuerung des Druckminderers 7. Der anodenseitige Druck p_A kann bei Stackleistungsabgabe nur solange gehalten werden, bis im Volumen zwischen Druckregler 8 und Druckminderer 7 der Druck auf p_A abgenommen hat, danach sinkt der Druck p_A unter den Sollwert.
d: Druckaufbau an der Anode 6 entsprechend dem Regelkreis von Druckregler 8 und Druckminderer 7 gemäß der Sollwertvorgabe im Betrieb der BZA 1. Der Druckverlauf in den Testphasen a bis d an der Kathode 10 bleibt durch den Regelkreis von Kompressor 14 und Staudruckregler 20 konstant.
e: Kathodenseitig wird der Kompressor 14 bei geöffnetem Staudruckregler 20 angesteuert. Es ist ein Anstieg des Kathodendrucks p_K auf Druckniveau des geöffneten Staudruckreglers 20 zu erkennen auf dem der Druck p_K dann konstant bleibt.
f: Die Ansteuerung des Kompressors 14 und die Einregelung des Kathodendrucks p_K mit dem Staudruckregler 20 führt zu einer kontrollierten Druckerhöhung.
g: Eine Systemdruckerhöhung wird kathodenseitig durch die Regelkreise von Kompressor 14 und Staudruckregler 20 bzw. anodenseitig durch den Regelkreis Druckregler 8 gemäß der Sollkennlinie erreicht. Diese Testphase entspricht einem pauschalen Systemtest mit Lasterhöhung.
h: Bei Leistungsabnahme durch einen Verbraucher oder durch oben beschriebene Zuschaltung einer hohen Last zur Aufnahme der Kennlinie 27 aus 2 erfolgt ein anodenseitiger Druckabbau. Durch den Regelkreis von Kompressor 14 und Staudruckregler 20 wird ein entsprechender Druckabfall auf der Kathodenseite eingeregelt.
i: Durch gezielte Thermomanagementeingriffe, d.h. z.B. durch eine Veränderung im Kühlkreislauf des Wärmetauschers 12, wird die Temperatur im Stack verändert, und mit einem zu erwartenden Temperaturverlauf im Stack verglichen (nicht dargestellt). Eine Druckänderung im BZ-System wird im gezeigten Fall dabei nicht festgestellt.

In den Testphasen a bis i werden die aufgenommenen Drücke p_A, p_K bzw. deren Verläufe über der Zeit t einem Vergleich mit Vergleichswerten unterzogen. Bei Abweichung z.B. vom erlaubten Bereich wird ein Fehler erkannt und darauf abgestimmte Korrekturmaßnahmen eingeleitet. Die zuvor festgelegten Vergleichsdrücke bzw. oberen und unteren Vergleichskurven der Drücke sind in 3a und 3b nicht dargestellt.
In allen Testphasen wird bei Zuständen, welche die Funktionsfähigkeit der BZA beeinträchtigen, die Testphase abgebrochen. Als Abbruchkriterium gilt z.B. eine Überschreitung einer maximal erlaubten Druckdifferenz zwischen Anoden- und Kathodenseite, z.B. von 50 kPa.

Claims

Vorrichtung zum Steuern einer für den Zweck der Energiebereitstellung in einem fertigen Endprodukt bestimmten Brennstoffzellenanlage (1), die Steuermittel für den Betrieb der Brennstoffzellenanlage (1) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuermittel dazu ausgelegt sind, Kontrollbetriebspunkte in vordefinierten Phasen während des Betriebs anzusteuern und einen sich dabei einstellenden Wert wenigstens einer Anlagengröße der Brennstoffzellenanlage (1) aufzunehmen und im Hinblick auf wenigstens einen zuvor festgelegten Wert der Anlagengröße der Brennstoffzellenanlage (1) auszuwerten.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuermittel dazu vorgesehen sind, Kontrollbetriebspunkte anzusteuern, die bei einem herkömmlichen Betrieb nicht oder nur relativ selten auftreten.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuermittel ausgelegt sind, bei einer Auswertung den zumindest einen sich einstellenden Wert wenigstens einer Anlagengröße mit wenigstens einem zuvor festgelegten Vergleichswert der Anlagengröße zu vergleichen.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuermittel dazu ausgelegt sind, dass bei Abweichung des zumindest einen sich einstellenden Werts von dem wenigstens einen Vergleichswert der Anlagengröße eine auf die Abweichung abgestimmte Korrekturmaßnahme erfolgt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuermittel ausgelegt sind, Kontrollbetriebspunkte nacheinander in vorbestimmter Abfolge anzusteuern.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuermittel so ausgestaltet sind, dass bei Abweichung des zumindest einen sich einstellenden Werts von dem Vergleichswert eine Ansteuerung eines oder mehrerer weiterer ansteuerbarer Kontrollbetriebspunkte(s) unterbleibt oder eine Ansteuerung neuer Kontrollbetriebspunkte erfolgt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuermittel die Kontrollbetriebspunkte derart anfahren, dass die im fertigen Produkt vorgesehenen Einwirkungsmöglichkeiten auf die Brennstoffzellenanlage (1) durch einen Nutzer des fertigen Produkts durch die Ansteuerung der Kontrollbetriebspunkte nicht beeinträchtigt sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuermittel zum Anfahren solcher Betriebspunkte ausgebildet sind, die mit den von dem Nutzer im fertigen Produkt vorgesehenen Einwirkungsmöglichkeiten auf die Brennstoffzellenanlage (1) nicht angesteuert werden können.
Brennstoffzellenanlage (1) für ein fertiges Endprodukt, insbesondere ein Fahrzeug mit Brennstoffzellenantrieb, die eine Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche umfasst.
Brennstoffzellenanlage nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass Zusatzkomponenten zur Ansteuerung von Kontrollbetriebspunkten vorhanden sind, in denen die Brennstoffzelle (2) eine vorgegebene Strommenge produziert.