EP4662725A1 - Verfahren zum betreiben eines brennstoffzellensystems eines heizsystems einer gebäudeenergieversorgung - Google Patents

Verfahren zum betreiben eines brennstoffzellensystems eines heizsystems einer gebäudeenergieversorgung

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EP4662725A1
EP4662725A1 EP24705387.9A EP24705387A EP4662725A1 EP 4662725 A1 EP4662725 A1 EP 4662725A1 EP 24705387 A EP24705387 A EP 24705387A EP 4662725 A1 EP4662725 A1 EP 4662725A1
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EP
European Patent Office
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time
value
comparison result
stack
control operation
Prior art date
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Pending
Application number
EP24705387.9A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Dirk SPITTLER
Erhard Lauer
Satoru Narita
Shusuke MORI
Takahiro Umeda
Shigeki Yasuda
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Viessmann Holding International GmbH
Panasonic Corp
Original Assignee
Viessmann Holding International GmbH
Panasonic Corp
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Filing date
Publication date
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Pending legal-status Critical Current

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    • H01M8/04955—Shut-off or shut-down of fuel cells

Definitions

  • Fuel cells are galvanic cells that enable an orderly chemical reaction between a supplied fuel and an oxidizing agent to convert energy.
  • Air or the oxygen contained in the air is preferably used as the oxidizing agent. Due to different installation and environmental conditions, the quality of the air supplied to a fuel cell system is subject to fluctuations. For example, depending on the installation or environmental conditions, different VOC (volatile organic compounds) or VVOC (very volatile organic compounds) concentrations can be present in the air.
  • Volatile and very volatile organic compounds can have a significant impact on the operation of a PEM fuel cell. In practice, this is evident, for example, in a reduction in the electrical output of the fuel cell stack and/or a fault shutdown of the fuel cell module. To counteract this, the cathode-side supply air of the fuel cell stack is filtered, for example using an activated carbon filter.
  • a first aspect of the invention relates to a method for operating a fuel cell system of a heating system of a building energy supply, wherein the fuel cell system comprises an air filter element and one or more stacks.
  • the fuel cell system is a PEM fuel cell system.
  • the air filter element can be designed in particular to clean the air of VOCs (volatile organic compounds) and/or VVOCs (very volatile organic compounds).
  • VOCs volatile organic compounds
  • VVOCs very volatile organic compounds
  • air supplied to a cathode of a stack can be filtered by means of the air filter element.
  • the air filter element can comprise one or more partial air filter elements, each of which can be designed to clean the air of VOCs and/or VVOCs.
  • Several partial air filter elements of the air filter element can filter the air in series and/or in parallel.
  • the method comprises the steps of detecting a first value of an electrical state variable of a stack after starting a control operation of a first operating interval of the stack at a first time in the control operation of the first operating interval, detecting a second value of the electrical state variable of the stack at a second time after the first time in the control operation of the first operating interval, determining a first comparison result by comparing the first value with the second value, and determining and outputting information relating to a state of the air filter element depending on the first comparison result.
  • An electrical state variable can be, for example, an electrical power provided by the stack (stack power), an electrical voltage applied to the stack (stack voltage), and/or an electrical current flowing from or to the stack (stack current).
  • a stack in the sense of this application can be one stack or a plurality of stacks.
  • a stack can comprise one or more fuel cells that are supplied with filtered air by the air filter element. This has the advantage that the condition of the air filter element can be determined particularly cost-effectively and reliably. Based on the information regarding the condition of the air filter element, a maintenance interval can be set, a filter replacement can be suggested, and/or an alternative air filter element can be automatically switched to, etc. This enables efficient and fail-safe operation of the fuel cell system.
  • the electrical state variable can advantageously be a stack voltage and/or a stack current if the electrical power output by the stack corresponds to or exceeds a predetermined value.
  • the electrical state variable can be a stack voltage and/or an electrical power output by the stack if the stack current corresponds to or exceeds a predetermined value.
  • a control operation can advantageously be a stack control operation.
  • Output of information can in particular be output to a terminal device, to a human-machine interface, and/or to a server, etc.
  • Information regarding the condition of the air filter element can in particular be output to a service technician, to a maintenance company, to an air filter element manufacturer, to a fuel cell system manufacturer and/or to a user/operator of the fuel cell system, etc.
  • the fuel cell system can be permanently installed in an interior space, in particular a building, and/or can be set up to be permanently installed in an interior space, in particular a building. It is often not possible to completely avoid room air becoming part of the air supply of the fuel cell system.
  • the leakage rate of the supply air supply can be up to 5 m 3 /h in accordance with DIN EN50465 at a test pressure difference of 0.5 mbar. This means that these leakage rates of the supply air supply are permitted by the standards. Consequently, the method can be particularly advantageous for fuel cells that are operated in buildings, since fumes, e.g.
  • the method can additionally comprise the steps of detecting a third value of the electrical state variable of the stack after starting a control operation of a second operating interval at a third time in the control operation of the second operating interval, detecting a fourth value of the electrical state variable of the stack at a fourth time after the third time in the control operation of the second operating interval, determining a second comparison result by comparing the third value with the fourth value, and determining a third comparison result by comparing the first comparison result with the second comparison result, wherein the determination and output of information relating to the state of the air filter element additionally takes place depending on the third comparison result.
  • the first comparison result, the second comparison result and/or the third comparison result can be determined by comparing a predetermined first, second or third reference value with the difference between the first value and the second value or between the third and the fourth value or between the first comparison result and the second comparison result.
  • the determination of the first comparison result, the second comparison result or the third comparison result can be carried out by comparing a predetermined first threshold value with the quotient of the first value to the second value or by comparing a predetermined second threshold value with the quotient of the third value to the fourth value or by comparing a predetermined third threshold value with the quotient of the first comparison result to the second comparison result.
  • the comparison with a reference value or with a threshold value may already be part of determining information regarding the condition of the air filter element.
  • the first time and the third time can be a point in time or a time interval.
  • the second time and the fourth time can be a point in time or a time interval.
  • a point in time has the advantage that a measured value can be recorded particularly easily.
  • a time interval has the advantage that a measured value can be recorded particularly independently of parasitic temporal fluctuations. If a value is recorded using a time interval, the recorded value can be, for example, a maximum, a minimum, an average value, or a meridian, etc. of the state variable in the time interval.
  • the method or parts of the method in particular one or more of the following steps: detecting a first value of an electrical state variable of a stack after a start of a first operating interval at a first time in a third operating interval; detecting a second value of the electrical state variable of the stack at a second time after the first time in the third operating interval; determining a first comparison result by comparing the first value with the second value or the steps detecting a third value of the electrical state variable of the stack after a start of a fourth operating interval at a third time; detecting a fourth value of the electrical state variable of the stack at a fourth time after the third time in the fourth operating interval; determining a second comparison result by comparing the third value with the fourth value can be carried out again.
  • the third comparison result can then be determined again accordingly.
  • the determination and output of information regarding a state of the air filter element can then be carried out accordingly depending on the first comparison result, the second comparison result and/or the third comparison result.
  • a plurality of operating intervals with the corresponding values of the electrical state variable and the corresponding can be used to determine the third comparison result, for example by forming an average of the first and second comparison results, by applying a minimum function, by applying a maximum function or by applying another mathematical function with the first and second comparison results as input values.
  • the method or parts of the method can be carried out with two or more electrical variables, for example in parallel, alternately, etc., wherein the determination and output of information relating to the state of the air filter element can be carried out in one step for several electrical variables.
  • the method can comprise the additional steps of detecting one or more further system parameters, in particular one or more sensor values of a sensor for checking the air quality, and analyzing the one or more further system parameters depending on the third comparison result, wherein the output of information relating to the state of the air filter element can additionally take place depending on the result of the analysis of the one or more further system parameters.
  • the air quality sensor can, for example, be set up to detect the concentration of one or more specific elements/atoms and/or the concentration of one or more specific molecules and/or the concentration of one or more specific groups of molecules or groups of atoms and/or the concentration of one or more specific atomic compounds. Based on this detection, a conclusion can then be drawn about the VOC or VVOC concentration, for example. This conclusion can be drawn using a mathematical assignment function and/or an assignment table, for example.
  • the filter quality or the filter condition can thus be determined redundantly, even if the first and second comparison result differ significantly, ie more than a predetermined limit value.
  • Another example of a system parameter is an air pressure of the cathode air supply. This can be determined in particular by means of a pressure sensor.
  • a pressure drop in the cathode air supply can thus be an indication that an air filter element is loaded.
  • the air quality sensor can be set up to detect one or more volatile organic compounds.
  • the air quality sensor can be set up to detect an oxygen content, a hydrogen content, a CO2 content, a water content and/or a nitrogen content, etc. Based on this detection, a corresponding conclusion can then also be drawn about the VOC or VVOC concentration.
  • the first time and/or the third time can be in an initial phase of the control operation after the start of the control operation (stack control operation) of the respective operating interval.
  • the initial phase of the control operation can, for example, be a time interval between the start of the control operation of the operating interval and the point in time from which the stack is operated in a predetermined operating mode.
  • the initial phase of the control operation can be characterized in that an electrical state variable at the start of a control operation of an operating interval is noticeably different from a normal operation.
  • the second time and/or the fourth time can be in a time period during which the stack is in a load operation with a predetermined operating point and/or in a normal operation with a predetermined operating point in the control operation (stack control operation) of the respective operating interval.
  • the stack can, for example, be in a load operation and/or in a normal operation when the initial phase of the stack control operation has ended.
  • changes in the electrical state variables can advantageously be terminated or completed as a result of a start-up process of the control operation of the operating interval.
  • time span of more than 60 minutes, in particular more than 120 minutes, between the first time and the second time and/or between the third time and the fourth time.
  • a time span between the start of the regular operation of the first operating interval and the first time and/or between the start of the The duration of the second operating interval and the third time can advantageously be shorter than 90 minutes, in particular shorter than 60 minutes.
  • the first time and the second time are in the same operating interval and the third time and the fourth time are in the same operating interval.
  • the first operating interval can be before or after the second operating interval.
  • an operating interval can differ from another operating interval in that there are one or more interruptions in operation in between, i.e. periods during which the stack is not operated outside of its normal operation or load operation, for example in a cooling operation/regeneration operation, etc., or in particular is not operated at all.
  • the method can include a step of detecting a fifth time at which the value of the electrical state variable or the value of another electrical state variable has a maximum or minimum or a predetermined value after the start of a control operation of an operating interval, in particular the first operating interval, the second operating interval or another operating interval; and determining the first time and/or the third time as a function of the fifth time, for example relative to the start of the operating interval used to determine the fifth time.
  • the point in time or the time interval at the first or third time can be predetermined as a function of the fifth time. This allows the method to be carried out particularly redundantly and thus the determination and output of the information or the air filter element state can be particularly reliable.
  • the further electrical state variable can be, for example, a stack voltage, a stack current and/or an output electrical stack power of the stack.
  • the time period between the start of the control operation of the first operating interval and the first time can correspond to the time period between the start of the control operation of the second operating interval and the third time and/or a duration of the measuring interval of the first time can correspond to a duration of the measuring interval of the third time and/or a duration of the measuring interval of the second time can correspond to a duration of the measuring interval of the fourth time.
  • a time period between the first time and the second time can correspond to a time period between the third time and the fourth time, or a time period between the start of the control operation of the first operating interval and the second time can correspond to a time period between the start of the control operation of the second operating interval and the fourth time.
  • a particularly developed method can comprise the steps of detecting error messages as a result of operating the fuel cell system, analyzing the error messages with regard to a frequency of a specific error message and/or with regard to a connection between the error messages and the air filter element, and adapting, depending on a result of the analysis, one or more steps from the group: determining a first comparison result by comparing the first value with the second value, determining a second comparison result by comparing the third value with the fourth value, and determining a third comparison result by comparing the first comparison result with the second comparison result.
  • the step of determining and outputting information relating to a state of the air filter element depending on the first comparison result can also be part of the group just mentioned.
  • Possible error messages include, for example, an increased pollutant value in the exhaust system, a drop in performance of one or more stacks, a deviation in operating temperatures, etc.
  • the adjustment of one or more comparison steps can, for example, include an adjustment of a reference value, in particular the first, second and/or third reference value, and/or an adjustment of a threshold value, in particular the first, second and/or third threshold value of the respective comparisons.
  • a plurality of operating intervals with the respective values of the electrical state variable in normal operation and the corresponding comparisons can be used.
  • the method can be carried out with a plurality of state variables and the determination and output of information regarding the state of the air filter element can take place depending on the resulting plurality of comparison results.
  • values of the state variable or variables can be transmitted to a cloud and the method steps can be carried out in the cloud or using the values transmitted to the cloud.
  • the detection of a value of the state variable can accordingly include, for example, requesting and/or reading out a value.
  • the time values given are purely exemplary and serve only as a guide. It may be more important that the first time or third time is in an initial phase of regular operation (stack control operation) and the second time or fourth time is in load operation/normal operation of regular operation. In particular, the structure and functioning of the fuel cells can have a significant influence on the time values. Accordingly, the first, second, third and/or fourth time can be specified or determined depending on the structure and/or functioning.
  • a further aspect of the invention relates to a device for operating a fuel cell system of a heating system of a building energy supply, wherein the fuel cell system comprises an air filter element and one or more stacks.
  • the device comprises a detection unit for detecting a first value of an electrical state variable of a stack after starting a control operation of a first operating interval at a first time in the control operation of the first operating interval and for detecting a second value of the electrical state variable of the stack at a second time after the first time in the control operation of the first operating interval; a comparison unit which is configured to determine a first comparison result by comparing the first value with the second value; and an output unit which is configured to determine and output information relating to a state of the air filter element depending on the first comparison result of the comparison unit.
  • the detection unit can be set up to detect a third value of the electrical state variable of the stack after starting a control operation of a second operating interval at a third time and to detect a fourth value of the electrical state variable of the stack at a fourth time after the third time in the control operation of the second operating interval.
  • the comparison unit can be set up accordingly to determine a second comparison result by comparing the third value with the fourth value, and to determine a third comparison result by comparing the first comparison result with the second comparison result.
  • the output unit can then be set up accordingly to additionally determine and output information relating to the state of the air filter element depending on the third comparison result.
  • Particularly adaptable embodiments can, for example, comprise an adaptation unit which is configured to detect error messages resulting from the operation of the fuel cell system, to analyse the error messages with regard to a frequency of a specific error message and/or with regard to a connection of the error messages with the air filter element, and, depending on a result of the analysis, to adapt one or more parameters which are used to determine a comparison result by the comparison unit.
  • an adaptation unit which is configured to detect error messages resulting from the operation of the fuel cell system, to analyse the error messages with regard to a frequency of a specific error message and/or with regard to a connection of the error messages with the air filter element, and, depending on a result of the analysis, to adapt one or more parameters which are used to determine a comparison result by the comparison unit.
  • the detection unit can be set up to detect one or more additional system parameters, in particular one or more sensor values of an air quality sensor, and the output unit can be set up to additionally determine and output information relating to the state of the air filter element depending on the additional system parameters.
  • System parameters can in particular be parameters, sensor values, control values, etc. of the fuel cell system.
  • the device can be a filter monitoring device.
  • the device can be part of a control device of the fuel cell system.
  • the filter monitoring device can be implemented in a cloud and/or configured to record values of the state variable stored in a cloud, in particular the values of the first time, the second time, the third time, the fourth time and/or the fifth time, by means of the recording unit.
  • a further aspect of the invention relates to a computer program product comprising program instructions that cause one or more computers to execute a method shown above when the computer program product is loaded or executed on the one or more computers.
  • Fig. 1 shows schematically a method according to an embodiment of the invention
  • FIG. 2 shows schematically method steps by means of which the method shown in Fig. 1 can be adapted;
  • Fig. 3 shows schematically a device according to an embodiment of the invention
  • Fig. 4 schematically shows an installation arrangement of a fuel cell system according to an embodiment of the invention
  • Fig. 5 shows a schematic graph showing the value progression of an electrical quantity of a stack as a function of time.
  • Fig. 1 shows schematically a method according to an embodiment of the invention.
  • the method relates to the operation of a fuel cell system of a heating system of a building energy supply.
  • the fuel cell system comprises an air filter element, in particular for filtering air that is supplied to a cathode of a fuel cell of the fuel cell system, and one or more stacks, in particular with one or more fuel cells.
  • the air filter element is designed to filter air supplied to the one or more stacks, in particular with regard to VOCs (volatile organic substances) and/or VVOCs (very volatile organic substances).
  • the air filter element can be a chemical filter.
  • the fuel cell system is operated in a permanently installed state in an interior space, in particular a building, and/or is designed to be operated in a permanently installed state in an interior space, in particular a building.
  • the method comprises a step S11 of detecting a first value of an electrical state variable of a stack, in particular of the one or more stacks, after starting a control operation of a first operating interval at a first time in the control operation of the first operating interval; and a step S12 of detecting a second value of the electrical state variable of the stack at a second time after the first time in the control operation of the first operating interval.
  • an electrical state variable are an electrical current flowing from or to the stack, an electrical voltage dropping across the stack, in particular between an anode and a cathode of the stack, or an electrical power of the stack.
  • Further steps of the method are a step S13 determining a first comparison result by comparing the first value with the second value and a step S14 determining and outputting information relating to a state of the air filter element depending on the first comparison result.
  • the first comparison result can be determined, for example, by comparing a predetermined first reference value with the difference between the first value and the second value.
  • the first comparison result can be determined in particular by comparing a predetermined first threshold value with the quotient of the first value to the second value.
  • a difference between the first and second values can be formed and/or a relative ratio between the first and second values and based on this a filter loading state can be determined.
  • a filter loading state can be determined based on the difference and/or the quotient of the first and the second value by means of a mathematical assignment function and/or an assignment table.
  • Information relating to the condition of the air filter element includes, for example, a need to maintain the air filter element, to change the air filter element, to switch to a reserve air filter element, to replace the air filter element with a replacement air filter element, to add another air filter element, particularly in series, a loading condition of the air filter element, a filtering performance of the air filter element, a determination of the functionality of the air filter element, a limited functionality of the air filter element and/or a lack of functionality of the air filter element, etc.
  • a message can be issued, for example, that the air filter element is functional, partially functional and/or not functional.
  • a message can be issued, for example, that the air filter element is functional, partially functional and/or not functional.
  • an alternative distinction can also be made with regard to the state of the air filter element, for example by means of one or a plurality of first reference values and/or by means of one or a plurality of first threshold values.
  • the method can additionally comprise steps S21 to S24, namely step S21 detecting a third value of the electrical state variable of the stack after starting a control operation of a second operating interval at a third time in the control operation of the second operating interval; step S22 detecting a fourth value of the electrical state variable of the stack at a fourth time after the third time in the control operation of the second operating interval; step S23 determining a second comparison result by comparing the third value with the fourth value; and step S24 determining a third comparison result by comparing the first comparison result with the fourth comparison result.
  • the determination and output of information relating to the state of the air filter element in step S14 can then additionally take place depending on the third comparison result.
  • step S14 can also be additionally carried out depending on the second comparison result.
  • the second comparison result can be determined in the same way as the first comparison result.
  • the method for determining the third comparison result can differ from the method for determining the first comparison result.
  • the examples for determining the first comparison result can also be used as examples for determining the second comparison result in an analogous manner.
  • One or more second reference values or one or more second threshold values can be used as the reference value or threshold value. In the event that the first comparison result is determined using the same method as the method for determining the second comparison result, it can be advantageous for the first reference value to match the second reference value or the first threshold value to match the second threshold value, in particular for the one or more first reference values to match the one or more second reference values or the one or more first threshold values to match the one or more second threshold values.
  • the examples for determining the first comparison result can equally be used as examples for determining the third comparison result in an analogous manner.
  • One or more third reference values or one or more third threshold values can be used accordingly as the reference value or threshold value.
  • the information relating to a state of the air filter element can be determined and output depending on the first and second comparison results.
  • the information relating to the air filter element state can be determined, for example, as a function of a mathematical function, in particular a minimum, maximum, mean value function, etc., with the first comparison result, the second comparison result and/or the third comparison result as input parameters.
  • the first comparison result differs from the second comparison result by more than a predetermined deviation value, this can be output accordingly and/or the information relating to the air filter element state can be output as a function of the first comparison result, the second comparison result and/or the third comparison result.
  • information relating to the air filter element state can be output in accordance with the first comparison result and the second comparison result.
  • steps S11 to S13 and/or steps S21 to S23 can be carried out again.
  • steps S24 and S14 must then be carried out again accordingly. This makes it easy to reliably and efficiently carry out the method again if no clear statement can be made regarding the state of the air filter element based on the measured values determined.
  • the first operating interval can be either before or after the second operating interval.
  • the method can optionally comprise steps S31 and S32.
  • step S31 one or more further system parameters, in particular one or more sensor values of an air quality sensor, are recorded.
  • step S32 the one or more further system parameters are analyzed, so that step S14 additionally follows depending on the result of the analysis of the one or more further system parameters.
  • steps S31 and S32 can also only take place depending on the third comparison result, in particular if the first comparison result deviates from the second comparison result by more than a predetermined limit value.
  • a system parameter is an air pressure of a cathode air supply.
  • the first time and/or the third time can be in an initial phase of a regular operation of the stack (stack regular operation) after the start of the respective operating interval and/or the second time and/or the fourth time can be in a time interval while the stack is in a load operation with a predetermined operating point or in a normal operation with a predetermined operating point.
  • An initial phase of a regular operation can be characterized in particular in that one or more state variables are outside the operating point or outside an interval around an operating point as a result of the start of regular operation and/or the operating point or the interval around the operating point is left again as part of the start of regular operation.
  • the fuel cell system can normally transition to a load operation and/or to a normal operation after the initial phase of regular operation (stack regular operation).
  • This time period can vary depending on the fuel cell system configuration.
  • a time period between the start of the control operation of the first operating interval and the first time and/or between the start of the control operation of the second operating interval and the third time can be shorter than a predetermined time period, for example shorter than 60 minutes, in particular shorter than 45 minutes.
  • This time period can also vary, for example, depending on a fuel cell system configuration. In case of doubt, the time specifications must be adapted accordingly to a duration of the initial phase of the stack control operation of a stack.
  • the method can optionally comprise a step S35 and S36.
  • step S35 a fifth time is recorded at which the value of the electrical state variable or the value of another electrical state variable after a start of a control operation of an operating interval, preferably the first or second operating interval or another operating interval, has a maximum or minimum or a predetermined value.
  • step S36 the first time and/or the third time is determined as a function of the fifth time, in particular relative to a Start of the normal operation on the basis of which the fifth time was determined.
  • steps S35 and S36 can be carried out once to determine the first time and once to determine the third time.
  • the maximum or minimum can be recorded after the start of the normal operation of the first operating interval or after the start of the normal operation of the second operating interval.
  • the first time can then, for example, be a point in time or a time interval before, at or after the fifth time with a predetermined time offset, in particular also with no time offset.
  • the third time can then, for example, be a point in time or a time interval before, at or after the fifth time with a predetermined time offset, in particular also with no time offset.
  • the first time, the second time, the third time and the fourth time can each be a point in time or a time interval.
  • the first value, the second value, the third value and/or the fourth value can, in the event that a corresponding time is a time interval, be determined for example by means of a mathematical function, in particular for determining a minimum, a maximum, an average, a median, etc. within a respective measurement interval.
  • the first value can be recorded in the same way as the third value.
  • the second value can be recorded in the same way as the fourth value. This can increase comparability between the first and the second comparison result.
  • the fifth time is advantageously a point in time, but can also be a time interval in special cases.
  • the method can be carried out for a plurality of electrical state variables, wherein in step S14 the comparison results of steps S13, S23 and/or S24 are combined. This can be done, for example, via a mathematical function and/or logic, in particular a logic circuit, etc.
  • the time period between the start of the control operation of the first operating interval and the first time can correspond to the time period between the start of the control operation of the second operating interval and the third time and/or a duration of the measuring interval of the first time can correspond to a duration of the measuring interval the third time and/or a duration of the measuring interval of the second time corresponds to a duration of the measuring interval of the fourth time.
  • a time period between the first time and the second time may coincide with a time period between the third time and the fourth time, or a time period between the start of the control operation of the first operating interval and the second time may coincide with a time period between the start of the control operation of the second operating interval and the fourth time.
  • Fig. 2 shows schematically method steps by means of which the method shown in Fig. 1 can be adapted.
  • the method steps described in Fig. 2 and below can be a separate method or part of a method described with reference to Fig. 1.
  • a step S38 error messages are recorded as a result of the operation of the fuel cell system.
  • the error messages are analyzed with regard to a frequency of a specific error message and/or with regard to a connection of the error messages with the air filter element.
  • step S40 one or more steps from the following group are adapted in step S40: step S13, step S23, step S24 and step S14.
  • the adaptation can, for example, include adapting a comparison and/or determining information relating to the state of the air filter element.
  • the step of determining and outputting information relating to a state of the air filter element can be part of the group just mentioned.
  • an assignment of a comparison result can be adjusted, in particular by means of a mathematical function and/or an assignment table.
  • an assignment of the comparison results to outputtable, in particular pre-formulated/stored, information regarding the condition of the air filter element can be adjusted.
  • adjusting a comparison or adjusting the determination of information regarding the state of the air filter element may include, for example, adjusting one or more first reference values, one or more second reference values, one or more third reference values, one or more first threshold values, one or more second threshold values, and/or one or more third threshold values.
  • data or information relating to the operation of the fuel cell system can be recorded in step S38 instead of the error messages or in addition to the error messages.
  • this data or information relating to the operation of the fuel cell system can be analyzed accordingly instead of or in addition to the error messages.
  • the analysis can then include, for example, an evaluation of sensor data, in particular temperature pressure, current, voltage, performance data, exhaust gas values, operating modes, operating times, for example in connection with the operating modes, and/or fuel consumption, etc.
  • Step S40 can then be carried out analogously according to the analysis result.
  • Steps S38 to S40 can be carried out repeatedly to ensure that a method shown by means of Fig. 1 provides the best possible information regarding the air filter element state. In some embodiments, steps S38 to S40 can be carried out depending on one or more system properties of the fuel cell system.
  • the method shown in Fig. 2 can be combined with the method shown in Fig. 1.
  • the methods shown in Fig. 1 and Fig. 2 can be carried out completely or at least partially by means of a computer program product comprising program instructions that cause one or more computers to carry out a corresponding method when the computer program product is loaded onto the one or more computers or executed.
  • method steps of the methods shown in Fig. 1 and Fig. 2 can be omitted, added, swapped in their order, combined and/or divided into several sub-steps without thereby affecting the essence of the invention.
  • values of the state variable or variables and/or error messages, operating data and/or system parameters can be transmitted to a cloud and one or more method steps, in particular all method steps, of the methods described by means of Fig. 1 and 2 can be carried out in the cloud or by means of the values transmitted to the cloud.
  • the detection of a Value of the state variable can accordingly include, for example, requesting or reading a value.
  • Fig. 3 schematically shows a device 110 according to an embodiment of the invention.
  • the device 110 comprises a detection unit 101, a comparison unit 102 and an output unit 103.
  • the device 110 can comprise an adaptation unit 104.
  • the detection unit is configured to detect a first value of an electrical state variable of a stack after a start of a control operation of a first operating interval at a first time and to detect a second value of the electrical state variable of the stack at a second time after the first time in the control operation of the first operating interval.
  • the detection unit can also be configured to detect a third value of the electrical state variable of the stack after a start of a control operation of a second operating interval at a third time and a fourth value of the electrical state variable of the stack at a fourth time after the third time in the control operation of the second operating interval.
  • the comparison unit is configured to determine a first comparison result by comparing the first value with the second value. In some embodiments, the comparison unit can further be configured to determine a second comparison result by comparing the third value with the fourth value and to determine a third comparison result by comparing the first comparison result with the second comparison result.
  • the output unit is configured to determine and output information relating to a state of the air filter element depending on the first comparison result of the comparison unit. In some embodiments, the output unit can also be configured to additionally determine and output information relating to the state of the air filter element depending on the second and/or third comparison result.
  • the device 110 may comprise an adaptation unit 104 configured to detect error messages resulting from the operation of the fuel cell system, the error messages relating to a frequency of a specific error message and/or relating to a context of the To analyze error messages with the air filter element and, depending on a result of the analysis, to adapt one or more parameters to be used to determine a comparison result by the comparison unit.
  • an adaptation unit 104 configured to detect error messages resulting from the operation of the fuel cell system, the error messages relating to a frequency of a specific error message and/or relating to a context of the To analyze error messages with the air filter element and, depending on a result of the analysis, to adapt one or more parameters to be used to determine a comparison result by the comparison unit.
  • the adaptation unit can be set up to record data or information relating to the operation of the fuel cell system instead of the error messages or in addition to the error messages and to analyze this data or information relating to the operation of the fuel cell system accordingly instead of or in addition to the error messages.
  • the analysis can then include, for example, an evaluation of sensor data, in particular temperature, pressure, current, voltage, performance data, exhaust gas values, operating modes, operating times, for example in connection with the operating modes, and/or fuel consumption (e.g. consumption of air, water, hydrogen, oxygen, etc.), etc.
  • the adaptation unit can be set up accordingly to adapt one or more parameters (assignments, threshold values, reference values, etc.) for determining a comparison result, which are used, for example, by the determination unit and/or the output unit.
  • the detection unit can be set up to detect one or more additional system parameters, in particular one or more sensor values, such as an air quality sensor 105.
  • the output unit 103 can then be set up accordingly to additionally determine and output information relating to the state of the air filter element depending on the additional system parameters.
  • additional system parameters is an air pressure in the cathode air path.
  • a detected pressure loss in the cathode air path can be taken into account when determining the information relating to the state of the air filter element.
  • a pressure loss in the cathode air path can, for example, be an indication of an air filter that is, in particular, completely loaded.
  • the device 110 can be a filter monitoring device.
  • the device 110 can be part of a control device of the fuel cell system.
  • the device can advantageously be used to operate a fuel cell system of a heating system of a Building energy supply, wherein the fuel cell system comprises an air filter element and one or more stacks.
  • connection of the individual units shown in Fig. 3 are purely exemplary and do not have to be absolutely necessary. Furthermore, there may be further connections between the units that are not shown in Fig. 3.
  • the device 110 may include additional units, one or more units may be divided into multiple subunits, and/or two or more units may be combined into one unit.
  • one or more units can be connected to one or more of the other units, for example via a network connection.
  • one or more units for a plurality of air filter elements can be arranged centrally for a fuel cell system or centrally for a plurality of fuel cell systems.
  • individual units or all units of the device 110 can be part of a cloud or linked to a cloud.
  • the units can be set up accordingly, for example, to query required values and data from the cloud, in particular for a plurality of operating intervals and/or a plurality of fuel cell systems.
  • parts of the device, in particular all units of the device can be spatially spaced from the fuel cell system, i.e. arranged remotely.
  • the filter monitoring device can be implemented in a cloud and/or set up to record values of the state variable stored in a cloud, in particular the values of the first time, the second time, the third time, the fourth time and/or the fifth time, by means of the recording unit.
  • the detection unit for detecting the electrical state variable of the stack can be arranged locally in the fuel cell system or be part of the fuel cell system and the comparison unit can be implemented by means of a cloud or be part of a cloud.
  • a cloud is an IT resource that is made available via the Internet. These resources can be storage space, computing power, software (web applications) or complete IT infrastructures.
  • the adaptation unit can also advantageously be implemented by means of a cloud or be part of a cloud.
  • One or more communication units (not shown in the figures) can be set up to transmit the data between the detection unit and the adaptation unit, in particular detected values.
  • data and/or information can be transmitted between two or more units 101, 102, 103, 104, 105 by means of one or more communication units.
  • the device 110 can in particular be set up to carry out the methods shown in Figs. 1 and 2.
  • the adaptation unit 104 can be set up to carry out a method shown in Fig. 2 centrally for a plurality of fuel cell systems, i.e. to record the error messages of a plurality of fuel cell systems and/or data/information relating to the operation of a plurality of fuel cells, to analyze the recorded error messages and/or data/information relating to the operation of the plurality of fuel cells, and to adapt the comparison units or one or more comparison steps (S13, S23 and/or S24) or the output unit and/or step S14 for a plurality of fuel cell systems, for example via a network connection.
  • Fig. 4 schematically shows an installation arrangement of a fuel cell system 200 according to an embodiment of the invention.
  • the fuel cell system 200 is arranged in an installation space 201.
  • the fuel cell system comprises one or more air filter elements 202 and one or more stacks 203.
  • air provided by an air supply (outside air) 204 is filtered, which is supplied to the one or more stacks 203, for example as cathode air.
  • interior air in the installation room can be part of the air supplied to the fuel cell system (cathode air).
  • the ambient air conditions can be significantly worse than the outside air, e.g. an increased VOC/VVOC concentration, for example due to fumes from varnishes, paints, fuels, exhaust gases, oil, heating oil, diesel, gasoline, etc.
  • VOC/VVOC concentration for example due to fumes from varnishes, paints, fuels, exhaust gases, oil, heating oil, diesel, gasoline, etc.
  • it is difficult to estimate the exact filter service life due to the loading state, for one or more air filter elements, during which time the specified filter effect of the air filter element still functions perfectly. Based on this, information regarding the condition of one or more air filter elements can be provided cost-effectively and efficiently using the methods shown in Fig. 1 and Fig. 2 and the devices shown in Fig. 3.
  • Fig. 5 shows a schematic graph that shows a value progression of an electrical variable of a stack as a function of time.
  • the value of the electrical variable of the stack is plotted on the Y-axis.
  • Time is plotted on the X-axis.
  • the graph shows operating intervals 131, 132, 133 and 134.
  • An operating interval of a fuel cell system can be divided into a start-up phase, a control operation, a shutdown process and a regeneration. Only the control operation is relevant for this invention.
  • different times arise at which the first, second, third and/or fourth value is recorded.
  • a value of an electrical state variable is to be recorded in an initial phase 137 of the control operation and compared with one or more values of the electrical state variable in the further control operation 138.
  • a first value W(tl) of the electrical quantity is recorded during the initial phase 137 of the control operation of a first operating interval 131.
  • a second value W(t2) is recorded at a later time of the further control operation 138 of the first operating interval 131.
  • a third value of the electrical quantity W(t3) can be recorded during the Initial phase 137 of the control operation of the second operating interval 132 and a fourth value W(t4) at a later point in time of the further control operation 138 of the second operating interval 132.
  • a second comparison result can be determined using the values W(t3) and W(t4).
  • corresponding values of the operating intervals 133 and 134 can be used as the first and second operating intervals.
  • a plurality of operating intervals 131 to 134 with first and second as well as third and fourth values can also be recorded and compared accordingly, so that information relating to a state of the air filter element can be determined and output accordingly.
  • the state variable shown in Fig. 5 can be, for example, an electrical power, a voltage or the current of a stack.
  • a difference W(tl)-W(t2) can be formed. If the amount of the difference is greater than a first reference value, the information relating to the state of the air filter element can be, for example, that a desired filter performance of the air filter element is no longer present, that a load on the air filter element is above a predetermined value, or analogous or similar findings.
  • a quotient W(tl)/W(t2) can be determined.
  • the information relating to the state of the air filter element can be, for example, that a desired filter performance of the air filter element is no longer present, that a load on the air filter element is above a predetermined value, or analogous or similar findings.
  • Contrary statements can be made accordingly if the magnitude of the difference W(tl)-W(t2) is smaller than a first reference value and/or if the quotient W(tl)/W(t2) is smaller than a first threshold value.
  • a comparison result in particular a difference amount and/or a quotient, can be assigned to information concerning the filter element state, for example via an assignment function or an assignment table.
  • a method, a device and a computer program product have been described here so that the status of an air filter element of a fuel cell system can be determined cost-effectively and efficiently.
  • a relationship, relative and/or absolute, is used between a value of an electrical quantity at the start of normal operation and a value of the electrical quantity at a later point in time during normal operation. According to the invention, this relationship can be established, for example, using a mathematical function and/or an allocation table or using reference values or threshold values.
  • the present method, the device and the computer program product relate in particular to fuel cell systems that are or will be installed in an interior space, in particular a building, since increased air pollution can be present in the installation room, e.g. a VOC/WOC concentration is particularly influenced by corresponding VOC/WOC sources.

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Abstract

Verfahren, Vorrichtung und Computerprogrammprodukt zum wirtschaftlichen und zuverlässigen Betrieb eines Brennstoffzellensystems eines Heizsystems einer Gebäudeenergieversorgung, das Brennzellensystem umfassend ein Luftfilterelement und einen oder mehrere Stacks. Das Verfahren umfasst die Schritte Erfassen eines ersten Werts einer elektrischen Zustandsgröße eines Stacks nach einem Start eines Regelbetrieb eines ersten Betriebsintervalls zu einer ersten Zeit im Regelbetrieb des ersten Betriebsintervall; Erfassen eines zweiten Werts der elektrischen Zustandsgröße des Stacks zu einer zweiten Zeit nach der ersten Zeit im Regelbetrieb des ersten Betriebsintervalls; Ermitteln eines ersten Vergleichsergebnisses durch Vergleichen des ersten Werts mit dem zweiten Wert; und Ermitteln und Ausgeben von Informationen betreffend einen Zustand des Luftfilterelements in Abhängigkeit des ersten Vergleichsergebnisses.

Description

VERFAHREN ZUM BETREIBEN EINES BRENNSTOFFZELLENSYSTEMS EINES HEIZSYSTEMS EINER GEBÄUDEENERGIEVERSORGUNG
TECHNISCHER HINTERGRUND
Brennstoffzellen sind galvanische Zellen, die eine geordnete chemische Reaktion eines zugeführten Brennstoffs und eines Oxidationsmittels zur Energieumwandlung ermöglichen. Vorzugsweise wird Luft bzw. der in der Luft enthaltene Sauerstoff als Oxidationsmittel verwendet. Aufgrund unterschiedlicher Aufstell- und Umgebungsbedingungen ist die einem Brennstoffzellensystem zugeführte Luft Qualitätsschwankungen unterworfen. So können beispielsweise je nach Aufstell- bzw. Umgebungsbedingung unterschiedliche VOC- (flüchtige organische Verbindungen) bzw. VVOC- (sehr flüchtige organische Verbindungen) Konzentrationen in der Luft vorliegen.
Flüchtige und sehr flüchtige organische Stoffe (VOC/VVOC) können den Betrieb einer PEM- Brennstoffzelle wesentlich beeinflussen. Dies zeigt sich in der Praxis z.B. durch eine Reduzierung der elektrischen Ausgangsleistung des Brennstoffzellenstacks und/oder einer Störabschaltung des Brennstoffzellenmoduls. Um dem entgegenzuwirken, wird die kathodenseitige Zuluft des Brennstoffzellenstacks, beispielsweise mittels eines Aktivkohlefilters, gefiltert.
Die Schwankungen der VOC- und VVOC-Konzentrationen in der Luft führen in der Praxis dazu, dass sich in Abhängigkeit der Umgebungsluft unterschiedliche Filterstandzeiten ergeben.
Da chemische Filter sehr kostenintensiv sind, ist es wünschenswert, einen Filter möglichst lange, d.h. so lange eine gewünschte Filterleistung noch vorliegt, zu verwenden. Außerdem gilt es, kosten- und zeitintensive Wartungsintervalle nicht unnötig kurz vorzugeben. Im Umkehrschluss gilt es jedoch, Stack-Schädigungen oder auf schlechte Zuluft zurückzuführende Fehlerabschaltungen des Brennstoffzellensystems zu vermeiden.
Ausgehend davon ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung bzw. ein Computerprogrammprodukt bereitzustellen, das eine möglichst wirtschaftliche und ausfallsichere Nutzung einer Brennstoffzelle hinsichtlich eines Kathodenluftfilterelements ermöglicht.
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Ein erster Aspekt der Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems eines Heizsystems einer Gebäudeenergieversorgung, wobei das Brennstoffzellensystem ein Luftfilterelement und einen oder mehrere Stacks umfasst. Vorzugsweise ist das Brennstoffzellensystem ein PEM-Brennstoffzellensystem. Das Luftfilterelement kann insbesondere zur Reinigung der Luft von VOCs (flüchtige organische Verbindungen) und/oder VVOCs (sehr flüchtige organische Verbindungen) eingerichtet sein. Mittels des Luftfilterelements kann beispielsweise eine einer Kathode eines Stacks zugeführte Luft gefiltert werden. In manchen Ausführungsformen kann das Luftfilterelement einen oder mehrere Teilluftfilterelemente umfassen, die jeweils dazu eingerichtet sein können, die Luft von VOCs und/oder VVOCs zu reinigen. Mehrere Teilluftfilterelemente des Luftfilterelements können dabei in Reihe und/oder parallel die Luft filtern.
Das Verfahren umfasst die Schritte Erfassen eines ersten Werts einer elektrischen Zustandsgröße eines Stacks nach einem Start eines Regelbetriebs eines ersten Betriebsintervalls des Stacks zu einer ersten Zeit im Regelbetrieb des ersten Betriebsintervalls, Erfassen eines zweiten Werts der elektrischen Zustandsgröße des Stacks zu einer zweiten Zeit nach der ersten Zeit im Regelbetrieb des ersten Betriebsintervalls, Ermitteln eines ersten Vergleichsergebnisses durch Vergleichen des ersten Werts mit dem zweiten Wert, und Ermitteln und Ausgeben von Informationen betreffend einen Zustand des Luftfilterelements in Abhängigkeit des ersten Vergleichsergebnisses.
Eine elektrische Zustandsgröße kann beispielsweise eine durch den Stack bereitgestellte elektrische Leistung (Stackleistung), eine am Stack anliegende elektrische Spannung (Stackspannung), und/oder ein vom Stack bzw. zum Stack fließender elektrischer Strom (Stackstrom) sein. Ein Stack im Sinne dieser Anmeldung kann ein Stack oder eine Mehrzahl an Stacks sein. Ein Stack kann eine oder mehrere Brennstoffzellen umfassen, die vom Luftfilterelement mit gefilterter Luft versorgt werden. Dies hat den Vorteil, dass ein Zustand des Luftfilterelements besonders kostengünstig und besonders zuverlässig ermittelt werden kann. Infolge der Informationen bezüglich des Zustands des Luftfilterelements kann ein Wartungsintervall angesetzt werden, ein Austausch des Filters nahegelegt werden, und/oder automatisiert zu einem alternativen Luftfilterelement gewechselt werden etc. Dadurch kann ein effizienter und ausfallsicherer Betrieb des Brennstoffzellensystems ermöglicht werden.
Vorteilhafterweise kann die elektrische Zustandsgröße eine Stackspannung und/oder ein Stackstrom sein, wenn die vom Stack ausgegebene elektrische Leistung einem vorgegebenen Wert entspricht oder diesen übersteigt. In weiteren vorteilhaften Ausführungsformen kann die elektrische Zustandsgröße eine Stackspannung und/oder eine vom Stack ausgegebene elektrische Leistung sein, wenn der Stackstrom einem vorgegebenen Wert entspricht oder diesen übersteigt. Ein Regelbetrieb kann vorteilhafterweise ein Stackregelbetrieb sein.
Ein Ausgeben von Informationen kann insbesondere ein Ausgeben an ein Endgerät, an eine Mensch-Maschine-Schnittstelle, und/oder an einen Server etc. sein. Informationen betreffend den Zustand des Luftfilterelements können insbesondere an einen Service- Techniker, an ein Wartungsunternehmen, an einen Luftfilterelementhersteller, an einen Brennstoffzellensystemhersteller und/oder an einen Benutzer/Betreiber des Brennstoffzellensystems etc. ausgegeben werden.
In manchen Ausführungsformen kann das Brennstoffzellensystem in einem Innenraum, insbesondere einem Gebäude, festinstalliert betrieben werden und/oder dazu eingerichtet sein, in einem Innenraum, insbesondere einem Gebäude, festinstalliert betrieben zu werden. Es kann häufig nicht gänzlich vermieden werden, dass Raumluft Teil der Luftversorgung des Brennstoffzellensystems wird. So kann bei korrekt installierten Anlagen die Leckrate der Zuluftversorgung gemäß DIN EN50465 bei einer Prüfdruckdifferenz von 0,5 mbar bis zu 5 m3 /h betragen. D.h. diese Leckraten der Zuluftversorgung sind normativ zulässig. Folglich kann das Verfahren bei Brennstoffzellen, die im Gebäude betrieben werden, besonders vorteilhaft sein, da Ausdünstungen, z.B. von Farben, Lacken, (Auto-)Abgasen, Öl, Heizöl, Diesel, Benzin etc., den VOC-/VVOC-Anteil in der Luft, die der Brennstoffzelle zugeführt wird, wesentlich beeinflussen können. Auch an Orten mit besonders schwefelgashaltiger Luft, beispielsweise in der Nähe von Vulkanen, und/oder an Orten mit hohen Abgaswerten kann das Verfahren in analoger Weise besonders zielführend und vorteilhaft sein.
In besonders weiterentwickelten Ausführungsformen kann das Verfahren zusätzlich die Schritte Erfassen eines dritten Werts der elektrischen Zustandsgröße des Stacks nach einem Start eines Regelbetriebs eines zweiten Betriebsintervalls zu einer dritten Zeit im Regelbetrieb des zweiten Betriebsintervalls, Erfassen eines vierten Werts der elektrischen Zustandsgröße des Stacks zu einer vierten Zeit nach der dritten Zeit im Regelbetrieb des zweiten Betriebsintervalls, Ermitteln eines zweiten Vergleichsergebnisses durch Vergleichen des dritten Werts mit dem vierten Wert, und Ermitteln eines dritten Vergleichsergebnisses durch Vergleichen des ersten Vergleichsergebnisses mit dem zweiten Vergleichsergebnis, wobei das Ermitteln und Ausgeben von Informationen betreffend den Zustand des Luftfilterelements zusätzlich in Abhängigkeit des dritten Vergleichsergebnisses erfolgt, umfassen. Dies hat den Vorteil, dass Unregelmäßigkeiten und Abweichungen während des Betriebs des Brennstoffzellensystems nicht zu falschen Informationen bezüglich des Luftfilterelementzustands führen, da mehrere Betriebsintervalle zur Ermittlung der Zustandsinformationen des Luftfilterelements verwendet werden bzw. das erste Vergleichsergebnis validiert wird.
In manchen Ausführungsformen kann das Ermitteln des ersten Vergleichsergebnisses, des zweiten Vergleichsergebnisses und/oder des dritten Vergleichsergebnisses durch Vergleichen eines vorgegebenen ersten, zweiten bzw. dritten Referenzwerts mit der Differenz zwischen dem ersten Wert und dem zweiten Wert bzw. zwischen dem dritten und dem vierten Wert bzw. zwischen dem ersten Vergleichsergebnis und dem zweiten Vergleichsergebnis erfolgen.
In vorteilhaften Ausführungsformen kann das Ermitteln des ersten Vergleichsergebnisses, des zweiten Vergleichsergebnisses bzw. des dritten Vergleichsergebnisses durch Vergleichen eines vorgegebenen ersten Schwellwerts mit dem Quotienten des ersten Werts zum zweiten Wert bzw. durch Vergleichen eines vorgegebenen zweiten Schwellwerts mit dem Quotienten des dritten Werts zum vierten Wert bzw. durch das Vergleichen eines vorgegebenen dritten Schwellwerts mit dem Quotienten des ersten Vergleichsergebnisses zum zweiten Vergleichsergebnis erfolgen. In manchen Ausführungsformen kann das Vergleichen mit einem Referenzwert bzw. mit einem Schwellwert bereits Teil des Ermittelns von Informationen betreffend den Zustand des Luftfilterelements sein.
In manchen Ausführungsformen können die erste Zeit und die dritte Zeit ein Zeitpunkt oder ein Zeitintervall sein. In manchen Ausführungsformen können die zweite Zeit und die vierte Zeit ein Zeitpunkt oder ein Zeitintervall sein. Ein Zeitpunkt hat den Vorteil, dass ein Messwert besonders einfach erfasst werden kann. Ein Zeitintervall hat den Vorteil, dass ein Messwert besonders unabhängig von parasitären zeitlichen Schwankungen erfasst werden kann. Wird ein Wert mittels eines Zeitintervalls erfasst, so kann der erfasste Wert beispielsweise ein Maximum, ein Minimum, ein Durchschnittswert, oder ein Meridian etc. der Zustandsgröße im Zeitintervall sein.
In manchen Ausführungsformen können in Abhängigkeit des dritten Vergleichsergebnisses das Verfahren oder Teile des Verfahrens, insbesondere einer oder mehrere der folgenden Schritte: Erfassen eines ersten Werts einer elektrischen Zustandsgröße eines Stacks nach einem Start eines ersten Betriebsintervalls zu einer ersten Zeit in einem dritten Betriebsintervall; Erfassen eines zweiten Werts der elektrischen Zustandsgröße des Stacks zu einer zweiten Zeit nach der ersten Zeit im dritten Betriebsintervall; Ermitteln eines ersten Vergleichsergebnisses durch Vergleichen des ersten Werts mit dem zweiten Wert bzw. der Schritte Erfassen eines dritten Werts der elektrischen Zustandsgröße des Stacks nach einem Start eines vierten Betriebsintervalls zu einer dritten Zeit; Erfassen eines vierten Werts der elektrischen Zustandsgröße des Stacks zu einer vierten Zeit nach der dritten Zeit im vierten Betriebsintervall; Ermitteln eines zweiten Vergleichsergebnisses durch Vergleichen des dritten Werts mit dem vierten Wert erneut ausgeführt werden. Entsprechend kann dann das dritte Vergleichsergebnis erneut ermittelt werden. Das Ermitteln und Ausgeben von Informationen betreffend einen Zustand des Luftfilterelements kann dann entsprechend in Abhängigkeit des ersten Vergleichsergebnisses, des zweiten Vergleichsergebnisses und/oder des dritten Vergleichsergebnisses erfolgen.
In manchen Ausführungsformen kann eine Mehrzahl an Betriebsintervallen mit den entsprechenden Werten der elektrischen Zustandsgröße und den entsprechenden Vergleichen herangezogen werden. In manchen Ausführungsformen kann zur Ermittlung des dritten Vergleichsergebnisses eine Mehrzahl an Betriebsintervallen herangezogen werden, beispielsweise durch Bilden eines Durchschnitts der ersten und zweiten Vergleichsergebnisse, durch Anwenden einer Minimumsfunktion, durch Anwenden einer Maximumsfunktion oder durch Anwenden einer sonstigen mathematischen Funktion mit den ersten und zweiten Vergleichsergebnissen als Eingabewerte.
In manchen Ausführungsformen kann das Verfahren bzw. Teile des Verfahrens mit zwei oder mehreren elektrischen Größen beispielsweise parallel, abwechselnd etc. durchgeführt werden, wobei das Ermitteln und Ausgeben von Informationen betreffend den Zustand des Luftfilterelements in einem Schritt zusammengefasst für mehrere elektrische Größen erfolgen kann.
In einer besonders zuverlässigen Ausführungsform kann das Verfahren in Abhängigkeit des dritten Vergleichsergebnisses die zusätzlichen Schritte Erfassen eines oder mehrerer weiterer Systemparameter, insbesondere eines oder mehrerer Sensorwerte eines Sensors zur Überprüfung der Luftqualität, und Analysieren der einen oder mehreren weiteren System para meter umfassen, wobei das Ausgeben von Informationen betreffend den Zustand des Luftfilterelements zusätzlich in Abhängigkeit des Ergebnisses der Analyse der einen oder mehreren weiteren Systemparameter erfolgen kann. Dadurch kann, falls wesentliche Unterschiede zwischen dem ersten und zweiten Vergleichsergebnis vorliegen, dennoch sichergestellt werden, dass das Ermitteln und Ausgeben von Informationen betreffend den Zustand des Luftfilterelements zuverlässig und effizient durchgeführt werden können.
Der Luftqualitätssensor kann beispielsweise dazu eingerichtet sein, die Konzentration einer oder mehrerer spezifischer Elemente/ Atome und/oder die Konzentration einer oder mehrerer spezifischer Moleküle und/oder die Konzentration einer oder mehrerer spezifischer Molekülgruppen bzw. Atomgruppen und/oder die Konzentration einer oder mehrerer spezifischer atomarer Verbindungen zu detektieren. Anhand dieser Detektion kann dann beispielsweise ein Rückschluss auf die VOC- bzw. VVOC-Konzentration gebildet werden. Dieser Rückschluss kann beispielsweise mittels einer mathematischen Zuordnungsfunktion und/oder einer Zuordnungstabelle erfolgen. Somit kann die Filterqualität bzw. der Filterzustand redundant ermittelt werden, selbst wenn das erste und zweite Vergleichsergebnis wesentlich, d.h. mehr als einen vorgegebenen Grenzwert, voneinander abweichen. Ein weiteres Beispiel für einen Systemparameter ist ein Luftdruck der Kathodenluftzufuhr. Dieser kann insbesondere mittels eines Drucksensors ermittelt werden. Ein Druckabfall der Kathodenluftzufuhr kann so ein Hinweis sein, dass ein Luftfilterelement beladen ist. In manchen Ausführungsformen kann der Luftqualitätssensor dazu eingerichtet sein, eine oder mehrere flüchtige organische Verbindungen zu detektieren. In anderen Ausführungen kann der Luftqualitätssensor dazu eingerichtet sein, einen Sauerstoffanteil, einen Wasserstoffanteil, einen C02-Anteil, einen Wasseranteil und/oder einen Stickstoffanteil etc. zu erfassen. Anhand dieser Detektion kann dann ebenfalls ein entsprechender Rückschluss auf die VOC- bzw. VVOC- Konzentration gebildet werden.
Vorteilhafterweise können die erste Zeit und/oder die dritte Zeit in einer Anfangsphase des Regelbetriebs nach dem Start des Regelbetriebs (Stackregelbetriebs) des jeweiligen Betriebsintervalls liegen. Die Anfangsphase des Regelbetriebs (Stackregelbetriebs) kann beispielsweise ein Zeitintervall zwischen dem Start des Regelbetriebs des Betriebsintervalls und dem Zeitpunkt, ab dem der Stack in einem vorgegebenen Arbeitsbetrieb betrieben wird, sein. In manchen Ausführungsformen kann die Anfangsphase des Regelbetriebs (Stackregelbetrieb) dadurch gekennzeichnet sein, dass sich eine elektrische Zustandsgröße zu Beginn eines Regelbetriebs eines Betriebsintervalls kenntlich von einem Normalbetrieb unterscheidet. Die zweite Zeit und/oder die vierte Zeit können in einem Zeitabschnitt liegen, währenddessen sich der Stack in einem Lastbetrieb mit einem vorgegebenen Arbeitspunkt und/oder in einem Normalbetrieb mit einem vorgegebenen Arbeitspunkt im Regelbetrieb (Stackregelbetrieb) des jeweiligen Betriebsintervalls befindet. Der Stack kann sich beispielsweise in einem Lastbetrieb und/oder in einem Normalbetrieb befinden, wenn die Anfangsphase des Stackregelbetriebs beendet ist. In einem Lastbetrieb und/oder einem Normalbetrieb können vorteilhafterweise Änderungen der elektrischen Zustandsgrößen infolge eines Startvorgangs des Regelbetriebs des Betriebsintervalls beendet bzw. abgeschlossen sein.
Zwischen der ersten Zeit und der zweiten Zeit und/oder zwischen der dritten Zeit und der vierten Zeit kann beispielsweise eine Zeitspanne von mehr als 60 Minuten, insbesondere von mehr als 120 Minuten liegen. Eine Zeitspanne zwischen dem Start des Regelbetriebs des ersten Betriebsintervalls und der ersten Zeit und/oder zwischen dem Start des Regelbetriebs des zweiten Betriebsintervalls und der dritten Zeit kann vorteilhafterweise kürzer als 90 Minuten, insbesondere kürzer als 60 Minuten sein.
Vorteilhafterweise liegen die erste Zeit und die zweite Zeit in demselben Betriebsintervall und die dritte Zeit und die vierte Zeit in demselben Betriebsintervall. Das erste Betriebsintervall kann zeitlich vor oder nach dem zweiten Betriebsintervall liegen. Ein Betriebsintervall kann sich beispielsweise von einem weiteren Betriebsintervall dahingehend unterscheiden, dass dazwischen eine oder mehrere Betriebsunterbrechungen liegen, d.h. Zeiträume, während denen der Stack außerhalb seines Normalbetriebs bzw. Lastbetriebs beispielsweise in einem Abkühlbetrieb/ Regenerationsbetrieb etc., insbesondere gar nicht betrieben wird.
In einer besonders angepassten Ausführungsform kann das Verfahren einen Schritt Erfassen einer fünften Zeit, bei der der Wert der elektrischen Zustandsgröße oder der Wert einer weiteren elektrischen Zustandsgröße nach einem Start eines Regelbetriebs eines Betriebsintervalls, insbesondere des ersten Betriebsintervalls, des zweiten Betriebsintervalls oder eines weiteren Betriebsintervalls, ein Maximum oder Minimum oder einen vorgegebenen Wert aufweist; und Bestimmen der ersten Zeit und/oder der dritten Zeit in Abhängigkeit der fünften Zeit, beispielsweise relativ zum Start des zur Ermittlung der fünften Zeit herangezogenen Betriebsintervalls, umfassen. Beispielsweise kann der Zeitpunkt oder das Zeitintervall zu der ersten bzw. dritten Zeit in Abhängigkeit der fünften Zeit vorgegeben werden. Dadurch kann das Verfahren besonders redundant durchgeführt werden und somit das Ermitteln und Ausgeben der Informationen bzw. des Luftfilterelementzustands besonders zuverlässig erfolgen. Die weitere elektrische Zustandsgröße kann beispielsweise eine Stackspannung, ein Stackstrom und/oder eine ausgegebene elektrische Stackleistung des Stacks sein.
Vorteilhafterweise kann die Zeitspanne zwischen dem Start des Regelbetriebs des ersten Betriebsintervalls und der ersten Zeit mit der Zeitspanne zwischen dem Start des Regelbetriebs des zweiten Betriebsintervalls und dritten Zeit übereinstimmen und/oder eine Dauer des Messintervalls der ersten Zeit mit einer Dauer des Messintervalls der dritten Zeit übereinstimmen und/oder eine Dauer des Messintervalls der zweiten Zeit mit einer Dauer des Messintervalls der vierten Zeit übereinstimmen. In manchen Ausführungsformen kann eine Zeitspanne zwischen der ersten Zeit und der zweiten Zeit mit einer Zeitspanne zwischen der dritten Zeit und der vierten Zeit übereinstimmen oder eine Zeitspannen zwischen dem Start des Regelbetriebs des ersten Betriebsintervalls und der zweiten Zeit mit einer Zeitspanne zwischen dem Start des Regelbetriebs des zweiten Betriebsintervalls und der vierten Zeit übereinstimmen. Dadurch können die Messzeitpunkte des ersten und dritten bzw. zweiten und vierten Werts besonders redundant zueinander erfasst werden. Dies kann zu einer erhöhten Genauigkeit des Verfahrens führen.
Ein besonders weitergebildetes Verfahren kann die Schritte Erfassen von Fehlermeldungen infolge des Betreibens des Brennstoffzellensystems, Analysieren der Fehlermeldungen bezüglich einer Häufigkeit einer spezifischen Fehlermeldung und/oder bezüglich eines Zusammenhangs der Fehlermeldungen mit dem Luftfilterelement, und Anpassen in Abhängigkeit eines Ergebnisses der Analyse eines oder mehrerer Schritte aus der Gruppe: Ermitteln eines ersten Vergleichsergebnisses durch Vergleichen des ersten Werts mit dem zweiten Wert, Ermitteln eines zweiten Vergleichsergebnisses durch Vergleichen des dritten Werts mit dem vierten Wert und Ermitteln eines dritten Vergleichsergebnisses durch Vergleichen des ersten Vergleichsergebnisses mit dem zweiten Vergleichsergebnis umfassen. In manchen Ausführungsformen kann der Schritt Ermitteln und Ausgeben von Informationen betreffend einen Zustand des Luftfilterelements in Abhängigkeit des ersten Vergleichsergebnisses ebenfalls Teil der eben genannten Gruppe sein. Dadurch kann eine optimale Nutzung des Luftfilterelements und gleichzeitig ein effizienter und ausfallsicherer Betrieb des Brennstoffzellensystems sichergestellt werden. Mögliche Fehlermeldungen sind z.B. ein erhöhter Schadstoffwert im Abgassystem, ein Leistungsabfall eines oder mehrerer Stacks, eine Abweichung der Betriebstemperaturen etc. Das Anpassen eines oder mehrerer Vergleichsschritte kann beispielsweise ein Anpassen eines Referenzwerts, insbesondere des ersten, zweiten und/oder des dritten Referenzwerts, und/oder ein Anpassen eines Schwellwerts, insbesondere des ersten, zweiten und/oder dritten Schwellwerts der jeweiligen Vergleiche beinhalten.
In Vorteilhaften Ausführungsformen kann eine Mehrzahl an Betriebsintervallen mit den jeweiligen Werten der elektrischen Zustandsgröße im Regelbetrieb und den entsprechenden Vergleichen herangezogen werden. In manchen Ausführungsformen kann das Verfahren mit einer Mehrzahl an Zustandsgrößen ausgeführt werden und das Ermitteln und Ausgeben von Informationen betreffend den Zustand des Luftfilterelements in Abhängigkeit der dadurch entstehenden Mehrzahl an Vergleichsergebnissen erfolgen.
In besonders vorteilhaften Ausführungsformen können Werte der Zustandsgröße bzw. der Zustandsgrößen in eine Cloud übermittelt werden und die Verfahrensschritte in der Cloud bzw. mittels der in die Cloud übermittelten Werte ausgeführt werden. Das Erfassen eines Werts der Zustandsgröße kann dementsprechend beispielsweise ein Anfordern und/oder Auslesen eines Werts umfassen.
Die angegebenen Zeitwerte sind rein beispielhafter Natur und dienen nur als Anhaltspunkte. Wesentlich kann vielmehr sein, dass die erste Zeit bzw. dritte Zeit in einer Anfangsphase eines Regelbetriebs (Stackregelbetrieb) liegt und die zweite Zeit bzw. vierte Zeit in einem Lastbetrieb/ Normalbetrieb des Regelbetriebs. Insbesondere der Aufbau und die Funktionsweise der Brennstoffzellen können die Zeitwerte wesentlich beeinflussen. Dementsprechend können die erste, zweite, dritte und/oder vierte Zeit in Abhängigkeit des Aufbaus und/oder der Funktionsweise vorgegeben sein oder ermittelt werden.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems eines Heizsystems einer Gebäudeenergieversorgung, wobei das Brennstoffzellensystem ein Luftfilterelement und einen oder mehrere Stacks umfasst. Die Vorrichtung umfasst eine Erfassungseinheit zum Erfassen eines ersten Werts einer elektrischen Zustandsgröße eines Stacks nach einem Start eines Regelbetriebs eines ersten Betriebsintervalls zu einer ersten Zeit im Regelbetrieb des ersten Betriebsintervalls und zum Erfassen eines zweiten Werts der elektrischen Zustandsgröße des Stacks zu einer zweiten Zeit nach der ersten Zeit im Regelbetrieb des ersten Betriebsintervalls; eine Vergleichseinheit, die dazu eingerichtet ist, ein erstes Vergleichsergebnis durch Vergleichen des ersten Werts mit dem zweiten Wert zu ermitteln; und eine Ausgabeeinheit, die dazu eingerichtet ist, Informationen betreffend einen Zustand des Luftfilterelements in Abhängigkeit des ersten Vergleichsergebnisses der Vergleichseinheit zu ermitteln und auszugeben. In einer besonders weiterentwickelten Ausführungsform kann die Erfassungseinheit zum Erfassen eines dritten Werts der elektrischen Zustandsgröße des Stacks nach einem Start eines Regelbetriebs eines zweiten Betriebsintervalls zu einer dritten Zeit und zum Erfassen eines vierten Werts der elektrischen Zustandsgröße des Stacks zu einer vierten Zeit nach der dritten Zeit im Regelbetrieb des zweiten Betriebsintervalls eingerichtet sein. Die Vergleichseinheit kann entsprechend dazu eingerichtet sein, ein zweites Vergleichsergebnis durch Vergleichen des dritten Werts mit dem vierten Wert zu ermitteln, und ein drittes Vergleichsergebnis durch Vergleichen des ersten Vergleichsergebnisses mit dem zweiten Vergleichsergebnis zu ermitteln. Die Ausgabeeinheit kann dann entsprechend dazu eingerichtet sein, Informationen betreffend den Zustand des Luftfilterelements zusätzlich in Abhängigkeit des dritten Vergleichsergebnisses zu ermitteln und auszugeben.
Besonders anpassungsfähige Ausführungsformen können beispielsweise eine Anpassungseinheit umfassen, die dazu eingerichtet ist, Fehlermeldungen infolge des Bertreibens des Brennstoffzellensystems zu erfassen, die Fehlermeldungen bezüglich einer Häufigkeit einer spezifischen Fehlermeldung und/oder bezüglich eines Zusammenhangs der Fehlermeldungen mit dem Luftfilterelement zu analysieren, und in Abhängigkeit eines Ergebnisses der Analyse einen oder mehrere Parameter, die zum Ermitteln eines Vergleichsergebnisses durch die Vergleichseinheit verwendet werden, anzupassen.
In einer besonders zuverlässigen Ausführungsform kann die Erfassungseinheit dazu eingerichtet sein, einen oder mehrere weitere Systemparameter, insbesondere einen oder mehrere Sensorwerte eines Luftqualitätssensors, zu erfassen, und die Ausgabeeinheit kann dazu eingerichtet sein, Informationen betreffend den Zustand des Luftfilterelements zusätzlich in Abhängigkeit der weiteren Systemparameter zu ermitteln und auszugeben. Systemparameter können insbesondere Parameter, Sensorwerte, Steuerwerte, etc. des Brennstoffzellensystems sein. Vorteilhafterweise besteht ein direkter oder indirekter Zusammenhang zwischen den Systemparametern und dem Betrieb des Stacks, insbesondere der Luftzufuhr des Stacks. In manchen Ausführungsformen kann die Vorrichtung eine Filterüberwachungseinrichtung sein. In manchen Ausführungsformen kann die Vorrichtung Bestandteil einer Steuerungseinrichtung des Brennstoffzellensystems sein.
In weiterentwickelten Ausführungsformen kann die Filterüberwachungseinrichtung in einer Cloud implementiert sein und/oder dazu eingerichtet sein, in einer Cloud gespeicherte Werte der Zustandsgröße, insbesondere der Werte der ersten Zeit, der zweiten Zeit, der dritten Zeit, der vierten Zeit und/oder der fünften Zeit, mittels der Erfassungseinheit zu erfassen.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung bezieht sich auf ein Computerprogrammprodukt umfassend Programmbefehle, die einen oder mehrere Computer dazu veranlassen, ein oben gezeigtes Verfahren auszuführen, wenn das Computerprogrammprodukt auf den einen oder mehreren Computern geladen oder ausgeführt wird.
FIGURENBESCHREIBUNG
Fig. 1 zeigt schematisch ein Verfahren gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 2 zeigt schematisch Verfahrensschritte, mittels derer das in Fig. 1 gezeigte Verfahren angepasst werden kann;
Fig. 3 zeigt schematisch eine Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 4 zeigt schematisch eine Installationsanordnung eines Brennstoffzellensystems gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 5 zeigt schematisch einen Graphen, der einen Werteverlauf einer elektrischen Größe eines Stacks in Abhängigkeit der Zeit wiedergibt.
Fig. 1 zeigt schematisch ein Verfahren gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Das Verfahren betrifft das Betreiben eines Brennstoffzellensystems eines Heizsystems einer Gebäudeenergieversorgung. Das Brennstoffzellensystem umfasst ein Luftfilterelement, insbesondere zum Filtern einer Luft, die einer Kathode einer Brennstoffzelle des Brennstoffzellensystems zugeführt wird, und einen oder mehrere Stacks, insbesondere mit einer oder mehreren Brennstoffzellen. Vorteilhafterweise ist das Luftfilterelement dazu eingerichtet, eine den einen oder mehreren Stacks zugeführte Luft, insbesondere hinsichtlich VOCs (flüchtige organische Stoffe) und/oder VVOCs (sehr flüchtige organische Stoffe), zu filtern. Das Luftfilterelement kann ein chemischer Filter sein.
Vorteilhafterweise wird das Brennstoffzellensystem in einem Innenraum, insbesondere eines Gebäudes, festinstalliert betrieben und/oder ist dazu eingerichtet, in einem Innenraum, insbesondere eines Gebäudes, festinstalliert betrieben zu werden.
Das Verfahren umfasst einen Schritt Sil Erfassen eines ersten Werts einer elektrischen Zustandsgröße eines Stacks, insbesondere der einen oder mehreren Stacks, nach einem Start eines Regelbetriebs eines ersten Betriebsintervalls zu einer ersten Zeit im Regelbetrieb des ersten Betriebsintervalls; und einen Schritt S12 Erfassen eines zweiten Werts der elektrischen Zustandsgröße des Stacks zu einer zweiten Zeit nach der ersten Zeit im Regelbetrieb des ersten Betriebsintervalls. Beispiele für eine elektrische Zustandsgröße sind ein vom oder zum Stack fließender elektrischer Strom, eine am Stack abfallende elektrische Spannung, insbesondere zwischen einer Anode und einer Kathode des Stacks, oder eine elektrische Leistung des Stacks.
Weitere Schritte des Verfahrens sind ein Schritt S13 Ermitteln eines ersten Vergleichsergebnisses durch Vergleichen des ersten Werts mit dem zweiten Wert und einen Schritt S14 Ermitteln und Ausgeben von Informationen betreffend einen Zustand des Luftfilterelements in Abhängigkeit des ersten Vergleichsergebnisses. Das Ermitteln des ersten Vergleichsergebnisses kann beispielsweise durch Vergleichen eines vorgegebenen ersten Referenzwerts mit der Differenz zwischen dem ersten Wert und dem zweiten Wert erfolgen. In manchen Ausführungsformen kann das Ermitteln des ersten Vergleichsergebnisses insbesondere durch Vergleichen eines vorgegebenen ersten Schwellwerts mit dem Quotienten des ersten Werts zum zweiten Wert erfolgen.
In manchen Ausführungsformen kann eine Differenz zwischen erstem und zweitem Wert gebildet werden und/oder ein relatives Verhältnis zwischen erstem und zweitem Wert und basierend darauf ein Filterbeladezustand bestimmt werden. In manchen Ausführungsformen kann so beispielsweise ein Filterbeladezustand anhand der Differenz und/oder des Quotienten aus dem ersten und dem zweiten Wert mittels einer mathematischen Zuordnungsfunktion und/oder einer Zuordnungstabelle ermittelt werden.
Informationen betreffend den Zustand des Luftfilterelements sind beispielsweise eine Notwendigkeit, das Luftfilterelement zu warten, das Luftfilterelement zu wechseln, auf ein Reserveluftfilterelement auszuweichen, das Luftfilterelement durch ein Ersatzluftfilterelement auszutauschen, ein weiteres Luftfilterelement insbesondere in Reihe hinzuzuschalten, ein Beladezustand des Luftfilterelements, eine Filterleistung des Luftfilterelements, ein Feststellen einer Funktionstüchtigkeit des Luftfilterelements, einer eingeschränkten Funktionstüchtigkeit des Luftfilterelements und/oder einer fehlenden Funktionstüchtigkeit des Luftfilterelements, etc.
Je nachdem, ob ein Referenzwert bzw. ein Schwellwert unter- oder überschritten wird, kann beispielsweise eine Meldung ausgegeben werden, dass das Luftfilterelement funktionstüchtig, eingeschränkt funktionstüchtig und/oder nicht funktionstüchtig ist. In manchen Ausführungsformen kann auch eine alternative Unterscheidung bezüglich des Zustands des Luftfilterelements, beispielsweise mittels eines oder einer Mehrzahl an ersten Referenzwerten und/oder mittels eines oder einer Mehrzahl an ersten Schwellwerten getroffen werden.
In einer oder mehreren Weiterbildungen des Verfahrens kann das Verfahren zusätzlich die Schritte S21 bis S24, nämlich den Schritt S21 Erfassen eines dritten Werts der elektrischen Zustandsgröße des Stacks nach einem Start eines Regelbetriebs eines zweiten Betriebsintervalls zu einer dritten Zeit im Regelbetrieb des zweiten Betriebsintervalls; den Schritt S22 Erfassen eines vierten Werts der elektrischen Zustandsgröße des Stacks zu einer vierten Zeit nach der dritten Zeit im Regelbetrieb des zweiten Betriebsintervalls; den Schritt S23 Ermitteln eines zweiten Vergleichsergebnisses durch Vergleichen des dritten Werts mit dem vierten Wert; und den Schritt S24 Ermitteln eines dritten Vergleichsergebnisses durch Vergleichen des ersten Vergleichsergebnisses mit dem vierten Vergleichsergebnis umfassen. Das Ermitteln und Ausgeben von Informationen betreffend den Zustand des Luftfilterelements im Schritt S14 kann dann zusätzlich in Abhängigkeit des dritten Vergleichsergebnisses erfolgen. In vorteilhaften Ausführungsformen kann der Schritt S14 auch zusätzlich in Abhängigkeit des zweiten Vergleichsergebnisses ausgeführt werden.
In manchen Ausführungsformen kann das Ermitteln des zweiten Vergleichsergebnisses gleichermaßen erfolgen, wie das Ermitteln des ersten Vergleichsergebnisses. In manchen Ausführungsformen kann sich das Ermitteln des dritten Vergleichsergebnisses vom Ermitteln des ersten Vergleichsergebnisses hinsichtlich der Methodik unterscheiden. Die Beispiele zum Ermitteln des ersten Vergleichsergebnisses können gleichermaßen als Beispiele für das Ermitteln des zweiten Vergleichsergebnisses in analoger Weise herangezogen werden. Als Referenzwert bzw. Schwellwert können entsprechend ein oder mehrere zweite Referenzwerte bzw. ein oder mehrere zweite Schwellwerte Verwendung finden. Für den Fall, dass das erste Vergleichsergebnis mit der gleichen Methodik wie das Ermitteln des zweiten Vergleichsergebnisses ermittelt wird, kann es vorteilhaft sein, dass der erste Referenzwert mit dem zweiten Referenzwert bzw. der erste Schwellwert mit dem zweiten Schwellwert, insbesondere der eine oder die mehreren ersten Referenzwerte mit den einen oder den mehreren zweiten Referenzwerten bzw. der eine oder die mehreren ersten Schwellwerte mit den einen oder mehreren zweiten Schwellwerten übereinstimmen.
Die Beispiele zum Ermitteln des ersten Vergleichsergebnisses können gleichermaßen als Beispiele für das Ermitteln des dritten Vergleichsergebnisses in analoger Weise herangezogen werden. Als Referenzwert bzw. Schwellwert können entsprechend ein oder mehrere dritte Referenzwerte bzw. ein oder mehrere dritte Schwellwerte Verwendung finden.
Stimmen das erste und das zweite Vergleichsergebnis beispielsweise in einem vorgegebenen Maße überein, so kann beispielsweise eine entsprechende Information in Abhängigkeit des ersten bzw. zweiten Vergleichsergebnisses ausgegeben werden. In manchen Ausführungsformen können, insbesondere wenn das erste Vergleichsergebnis vom zweiten Vergleichsergebnis in einem vorgegebenen Maß abweicht, die Informationen betreffend einen Zustand des Luftfilterelements in Abhängigkeit des ersten und des zweiten Vergleichsergebnisses ermittelt und ausgegeben werden. Die Information betreffend den Luftfilterelementzustand kann beispielsweise in Abhängigkeit einer mathematischen Funktion, insbesondere einer Minimum-, einer Maximum-, einer Mittelwertfunktion etc., mit dem ersten Vergleichsergebnis, dem zweiten Vergleichsergebnis und/oder dem dritten Vergleichsergebnis als Eingabeparameter ermittelt werden. In manchen Ausführungsformen kann, wenn sich das erste Vergleichsergebnis vom zweiten Vergleichsergebnis über einen vorgegebenen Abweichungswert hinaus unterscheidet, dies entsprechend und/oder die Information betreffend den Luftfilterelementzustand in Abhängigkeit des ersten Vergleichsergebnisses, des zweiten Vergleichsergebnisses und/oder des dritten Vergleichsergebnisses ausgegeben werden. In einzelnen Ausführungsformen können entsprechend dem ersten Vergleichsergebnis und dem zweiten Vergleichsergebnis Informationen betreffend den Luftfilterelementzustand ausgegeben werden.
In vorteilhaften Ausführungsformen können in Abhängigkeit des dritten Vergleichsergebnisses die Schritte Sil bis S13 und/oder die Schritte S21 bis S23 erneut ausgeführt werden. Entsprechend sind dann die Schritte S24 und S14 erneut auszuführen. Dadurch kann auf einfache Weise, wenn keine eindeutige Aussage bezüglich des Zustands des Luftfilterelements aufgrund der ermittelten Messwerte gemacht werden kann, das Verfahren zuverlässig und effizient erneut ausgeführt werden. Das erste Betriebsintervall kann zeitlich sowohl vor als auch nach dem zweiten Betriebsintervall sein.
In manchen Ausführungsformen kann das Verfahren optional die Schritte S31 und S32 umfassen. Im Schritt S31 werden ein oder mehrere weitere Systemparameter, insbesondere ein oder mehrere Sensorwerte eines Luftqualitätssensors, erfasst. Im Schritt S32 werden die einen oder mehreren weiteren Systemparameter analysiert, so dass der Schritt S14 zusätzlich in Abhängigkeit des Ergebnisses der Analyse der einen oder mehreren weiteren Systemparameter folgt. Mittels der weiteren Systemparameter kann sichergestellt werden, dass ein Zusammenhang zwischen den Messwerten und dem Zustand des Luftfilterelements nicht durch weitere Systemeigenschaften beeinflusst wird. Folglich kann dadurch die Zuverlässigkeit des Verfahrens erhöht werden. In manchen Ausführungsformen können die Schritte S31 und S32 auch nur in Abhängigkeit des dritten Vergleichsergebnisses, insbesondere wenn das erste Vergleichsergebnis vom zweiten Vergleichsergebnis über einen vorgegebenen Grenzwert hinaus abweicht, erfolgen. Ein weiteres Beispiel für einen Systemparameter ist ein Luftdruck einer Kathodenluftzufuhr. Vorteilhafterweise können die erste Zeit und/oder die dritte Zeit in einer Anfangsphase eines Regelbetriebs des Stacks (Stackregelbetrieb) nach dem Start des jeweiligen Betriebsintervalls liegen und/oder die zweite Zeit und/oder die vierte Zeit in einem Zeitintervall liegen, während sich der Stack in einem Lastbetrieb mit einem vorgegebenen Arbeitspunkt oder in einem Normalbetrieb mit einem vorgegebenen Arbeitspunkt befindet. Eine Anfangsphase eines Regelbetriebs kann insbesondere dadurch gekennzeichnet sein, dass sich eine oder mehrere Zustandsgrößen infolge des Regelbetriebstarts außerhalb des Arbeitspunktes bzw. außerhalb eines Intervalls um einen Arbeitspunkt befinden und/oder der Arbeitspunkt oder das Intervall um den Arbeitspunkt im Rahmen des Starts des Regelbetriebs wieder verlassen wird. Vorteilhafterweise kann das Brennstoffzellensystem nach der Anfangsphase des Regelbetriebs (Stackregelbetriebs) in einen Lastbetrieb und/oder in einen Normalbetrieb im Regelfall übergehen.
In manchen Ausführungsformen kann vorgegeben sein, dass zwischen der ersten Zeit und der zweiten Zeit und/oder zwischen der dritten Zeit und der vierten Zeit mindestens eine vorgegebene Zeitspanne liegt, beispielsweise von mehr als 60 Minuten, insbesondere von mehr als 120 Minuten. Diese Zeitspanne kann je nach Brennstoffzellensystemkonfiguration variieren. In manchen Ausführungsformen kann eine Zeitspanne zwischen dem Start des Regelbetriebs des ersten Betriebsintervalls und der ersten Zeit und/oder zwischen dem Start des Regelbetriebs des zweiten Betriebsintervalls und der dritten Zeit kürzer als eine vorgegebene Zeitspanne sein, beispielsweise kürzer als 60 Minuten, insbesondere kürzer als 45 Minuten. Auch diese Zeitspanne kann beispielsweise in Abhängigkeit einer Brennstoffzellensystemkonfiguration variieren. Die Zeitangaben sind im Zweifelsfall an eine Dauer der Anfangsphase des Stackregelbetriebs eines Stacks entsprechend anzupassen.
Wie aus der Fig. 1 zu entnehmen ist, kann das Verfahren einen Schritt S35 und S36 optional umfassen. Im Schritt S35 wird eine fünfte Zeit erfasst, bei der der Wert der elektrischen Zustandsgröße oder der Wert einer weiteren elektrischen Zustandsgröße nach einem Start eines Regelbetriebs eines Betriebsintervalls, vorzugsweise des ersten oder zweiten Betriebsintervalls oder eines weiteren Betriebsintervalls, ein Maximum oder Minimum oder einen vorgegebenen Wert aufweist. Im Schritt S36 wird die erste Zeit und/oder die dritte Zeit in Abhängigkeit der fünften Zeit, insbesondere relativ zu einem Start des Regelbetriebs anhand dessen die fünfte Zeit bestimmt wurde, bestimmt. Je nach Ausführungsform können die Schritte S35 und S36 einmal zur Bestimmung der ersten Zeit und einmal zur Bestimmung der dritten Zeit ausgeführt werden. Vorteilhafterweise kann das Maximum bzw. Minimum nach dem Start des Regelbetriebs des ersten Betriebsintervalls bzw. nach dem Start des Regelbetriebs des zweiten Betriebsintervalls erfasst werden. Die erste Zeit kann dann beispielsweise ein Zeitpunkt oder ein Zeitintervall vor, um oder nach der fünften Zeit mit einem vorgegebenen Zeitversatz, insbesondere auch mit keinem Zeitversatz, sein. Die dritte Zeit kann dann beispielsweise ein Zeitpunkt oder ein Zeitintervall vor, um oder nach der fünften Zeit mit einem vorgegebenen Zeitversatz, insbesondere auch mit keinem Zeitversatz, sein.
Die erste Zeit, die zweite Zeit, die dritte Zeit und die vierte Zeit können jeweils ein Zeitpunkt oder ein Zeitintervall sein. Der erste Wert, der zweite Wert, der dritte Wert und/oder der vierte Wert können für den Fall, dass eine entsprechende Zeit ein Zeitintervall ist, beispielsweise mittels einer mathematischen Funktion, insbesondere zur Ermittlung eines Minimums, eines Maximums, eines Durchschnitts, eines Medians etc. innerhalb eines jeweiligen Messintervalls ermittelt werden. Vorteilhafterweise kann der erste Wert gleichermaßen wie der dritte Wert erfasst werden. Vorzugsweise kann der zweite Wert auf die gleiche Weise wie der vierte Wert erfasst werden. Dadurch kann eine Vergleichbarkeit zwischen dem ersten und dem zweiten Vergleichsergebnis erhöht werden. Die fünfte Zeit ist vorteilhafterweise ein Zeitpunkt, kann aber auch in besonderen Fällen ein Zeitintervall sein.
In manchen Ausführungsformen kann das Verfahren für eine Mehrzahl an elektrischen Zustandsgrößen ausgeführt werden, wobei im Schritt S14 die Vergleichsergebnisse der Schritte S13, S23 und/oder S24 zusammengeführt werden. Dies kann beispielsweise über eine mathematische Funktion und/oder eine Logik, insbesondere eine Logikschaltung etc. erfolgen.
Vorteilhafterweise kann die Zeitspanne zwischen dem Start des Regelbetriebs des ersten Betriebsintervalls und der ersten Zeit mit der Zeitspanne zwischen dem Start des Regelbetriebs des zweiten Betriebsintervalls und der dritten Zeit übereinstimmen und/oder eine Dauer des Messintervalls der ersten Zeit mit einer Dauer des Messintervalls der dritten Zeit übereinstimmen und/oder eine Dauer des Messintervalls der zweiten Zeit mit einer Dauer des Messintervalls der vierten Zeit übereinstimmen.
In manchen Ausführungsformen kann eine Zeitspanne zwischen der ersten Zeit und der zweiten Zeit mit einer Zeitspanne zwischen der dritten Zeit und der vierten Zeit übereinstimmen oder eine Zeitspanne zwischen dem Start des Regelbetriebs des ersten Betriebsintervalls und der zweiten Zeit mit einer Zeitspanne zwischen dem Start des Regelbetriebs des zweiten Betriebsintervalls mit der vierten Zeit übereinstimmen.
Fig. 2 zeigt schematisch Verfahrensschritte mittels derer das in Fig. 1 gezeigte Verfahren angepasst werden kann. Die in Fig. 2 und im Folgenden beschriebenen Verfahrensschritte können ein eigenes Verfahren oder Teil eines anhand der Fig. 1 beschriebenen Verfahrens sein. In einem Schritt S38 werden Fehlermeldungen infolge des Betreibens des Brennstoffzellensystems erfasst. Im Schritt S39 werden die Fehlermeldungen bezüglich einer Häufigkeit einer spezifischen Fehlermeldung und/oder bezüglich eines Zusammenhangs der Fehlermeldungen mit dem Luftfilterelement analysiert. In Abhängigkeit eines Ergebnisses der Analyse des Schritts S39 werden im Schritt S40 ein oder mehrere Schritte aus der folgenden Gruppe angepasst: Schritt S13, Schritt S23, Schritt S24 und Schritt S14. Das Anpassen kann beispielsweise ein Anpassen eines Vergleichs und/oder das Ermitteln von Informationen betreffend den Zustand des Luftfilterelements beinhalten. In manchen Ausführungsformen kann der Schritt Ermitteln und Ausgeben von Informationen betreffend einen Zustand des Luftfilterelements Teil der eben genannten Gruppe sein. So kann beispielsweise eine Zuordnung eines Vergleichsergebnisses, insbesondere mittels einer mathematischen Funktion und/oder einer Zuordnungstabelle, angepasst werden. Gleichermaßen kann eine Zuordnung der Vergleichsergebnisse zu ausgebbaren, insbesondere vorformulierten/hinterlegten, Informationen betreffend den Zustand des Luftfilterelements angepasst werden.
In manchen Ausführungsformen kann das Anpassen eines Vergleichs oder das Anpassen des Ermittelns von Informationen betreffend den Zustand des Luftfilterelements beispielsweise ein Anpassen eines oder mehrerer erster Referenzwerte, eines oder mehrerer zweiter Referenzwerte, eines oder mehrerer dritte Referenzwerte, eines oder mehrerer erster Schwellwerte, eines oder mehrerer zweiter Schwellwerte und/oder eines oder mehrerer dritter Schwellwerte umfassen. In besonders weiterentwickelten Ausführungsformen können anstatt der Fehlermeldungen oder zusätzlich zu den Fehlermeldungen Daten bzw. Informationen bzgl. des Betriebs des Brennstoffzellensystems im Schritt S38 erfasst werden. Im Schritt S39 können diese Daten bzw. Informationen betreffend den Betrieb des Brennstoffzellensystems entsprechend anstatt oder zusätzlich zu den Fehlermeldungen analysiert werden. Die Analyse kann dann beispielsweise ein Auswerten von Sensordaten, insbesondere Temperaturdruck, Strom, Spannung, Leistungsdaten, Abgaswerten, Betriebsmodi, Betriebszeiten, beispielsweise in Verbindung mit den Betriebsmodi, und/oder ein Brennstoffverbrauch etc. beinhalten. Der Schritt S40 kann dann entsprechend dem Analyseergebnis analog ausgeführt werden.
Die Schritte S38 bis S40 können wiederholt ausgeführt werden, so dass gewährleistet ist, dass ein mittels der Fig. 1 gezeigtes Verfahren bestmögliche Informationen betreffend den Luftfilterelementzustand liefert. In manchen Ausführungsformen können die Schritte S38 bis S40 in Abhängigkeit einer oder mehrerer Systemeigenschaften des Brennstoffzellensystems erfolgen.
Vorteilhafterweise kann das in Fig. 2 gezeigte Verfahren mit dem in Fig. 1 gezeigten Verfahren kombiniert werden. In manchen Ausführungsformen können die in Fig. 1 und Fig. 2 gezeigten Verfahren vollständig oder zumindest teilweise mittels eines Computerprogrammprodukts umfassend Programmbefehle, die einen oder mehrere Computer dazu veranlassen, ein entsprechendes Verfahren auszuführen, wenn das Computerprogrammprodukt auf den einen oder mehrere Computer geladen oder ausgeführt wird, durchgeführt werden. In manchen Ausführungsformen können Verfahrensschritte der in den Fig. 1 und Fig. 2 gezeigten Verfahren weggelassen, hinzugefügt, in ihrer Reihenfolge vertauscht, zusammengefasst und/oder in mehrere Teilschritte aufgeteilt werden, ohne den Kern der Erfindung dadurch zu beeinflussen.
In besonders vorteilhaften Ausführungsformen können Werte der Zustandsgröße bzw. der Zustandsgrößen und/oder Fehlermeldungen, Betriebsdaten und/oder Systemparameter in eine Cloud übermittelt werden und ein oder mehrere Verfahrensschritte, insbesondere alle Verfahrensschritte, der mittels der Fig. 1 und 2 beschriebenen Verfahren in der Cloud bzw. mittels der in die Cloud übermittelten Werten ausgeführt werden. Das Erfassen eines Werts der Zustandsgröße kann dementsprechend beispielsweise ein anfordern oder auslesen eines Werts umfassen.
Fig. 3 zeigt schematisch eine Vorrichtung 110 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Die Vorrichtung 110 umfasst eine Erfassungseinheit 101, eine Vergleichseinheit 102 und eine Ausgabeeinheit 103. In manchen Ausführungsformen kann die Vorrichtung 110 eine Anpassungseinheit 104 umfassen. Die Erfassungseinheit ist zum Erfassen eines ersten Werts einer elektrischen Zustandsgröße eines Stacks nach einem Start eines Regelbetriebs eines ersten Betriebsintervalls zu einer ersten Zeit und zum Erfassen eines zweiten Werts der elektrischen Zustandsgröße des Stacks zu einer zweiten Zeit nach der ersten Zeit im Regelbetrieb des ersten Betriebsintervalls eingerichtet. In manchen Ausführungsformen kann die Erfassungseinheit zudem dazu eingerichtet sein, einen dritten Wert der elektrischen Zustandsgröße des Stacks nach einem Start eines Regelbetriebs eines zweiten Betriebsintervalls zu einer dritten Zeit und einen vierten Wert der elektrischen Zustandsgröße des Stacks zu einer vierten Zeit nach der dritten Zeit im Regelbetrieb des zweiten Betriebsintervalls zu erfassen.
Die Vergleichseinheit ist dazu eingerichtet, ein erstes Vergleichsergebnis durch Vergleichen des ersten Werts mit dem zweiten Wert zu ermitteln. In manchen Ausführungsformen kann die Vergleichseinheit des Weiteren dazu eingerichtet sein, ein zweites Vergleichsergebnis durch Vergleichen des dritten Werts mit dem vierten Wert zu ermitteln und ein drittes Vergleichsergebnis durch Vergleichen des ersten Vergleichsergebnisses mit dem zweiten Vergleichsergebnis zu ermitteln. Die Ausgabeeinheit ist dazu eingerichtet, Informationen betreffend einen Zustand des Luftfilterelements in Abhängigkeit des ersten Vergleichsergebnisses der Vergleichseinheit zu ermitteln und auszugeben. In manchen Ausführungsformen kann die Ausgabeeinheit zudem dazu eingerichtet sein, Informationen betreffend den Zustand des Luftfilterelements zusätzlich in Abhängigkeit des zweiten und/oder dritten Vergleichsergebnisses zu ermitteln und auszugeben.
In manchen Ausführungsformen kann die Vorrichtung 110 eine Anpassungseinheit 104, die dazu eingerichtet ist, Fehlermeldungen infolge des Betreibens des Brennstoffzellensystems zu erfassen, die Fehlermeldungen bezüglich einer Häufigkeit einer spezifischen Fehlermeldung und/oder bezüglich eines Zusammenhangs der Fehlermeldungen mit dem Luftfilterelement zu analysieren, und in Abhängigkeit eines Ergebnisses der Analyse einen oder mehrere Parameter zum Ermitteln eines Vergleichsergebnisses durch die Vergleichseinheit verwendet werden, anzupassen.
In besonders Vorteilhaften Ausführungsformen kann die Anpassungseinheit dazu eingerichtet sein, anstatt der Fehlermeldungen oder zusätzlich zu den Fehlermeldungen Daten bzw. Informationen bzgl. des Betriebs des Brennstoffzellensystems zu erfassen und diese Daten bzw. Informationen betreffend den Betrieb des Brennstoffzellensystems entsprechend anstatt oder zusätzlich zu den Fehlermeldungen zu analysieren. Die Analyse kann dann beispielsweise ein Auswerten von Sensordaten, insbesondere Temperatur, Druck, Strom, Spannung, Leistungsdaten, Abgaswerten, Betriebsmodi, Betriebszeiten, beispielsweise in Verbindung mit den Betriebsmodi, und/oder ein Brennstoffverbrauch (z.B. ein Verbrauch von Luft, Wasser, Wasserstoff, Sauerstoff etc.) usw. beinhalten. Die Anpassungseinheit kann entsprechend dazu eingerichtet sein, einen oder mehrere Parameter (Zuordnungen, Schwellwerte, Referenzwerte etc.) zum Ermitteln eines Vergleichsergebnisses, die beispielsweise durch die Ermittlungseinheit und/oder die Ausgabeeinheit verwendet werden, anzupassen.
In einer besonders weiterentwickelten Ausführungsform kann die Erfassungseinheit dazu eingerichtet sein, einen oder mehrere weitere Systemparameter, insbesondere einen oder mehrere Sensorwerte, wie beispielsweise eines Luftqualitätssensors 105 zu erfassen. Die Ausgabeeinheit 103 kann dann entsprechend dazu eingerichtet sein, Informationen betreffend den Zustand des Luftfilterelements zusätzlich in Abhängigkeit der weiteren Systemparameter zu ermitteln und auszugeben. Ein weiteres Beispiel für weitere System para meter ist ein Luftdruck in der Kathodenluftstrecke. Insbesondere kann ein detektierter Druckverlust in der Kathodenluftstrecke bei der Ermittlung der Informationen betreffend den Zustand des Luftfilterelements berücksichtigt werden. Ein Druckverlust in der Kathodenluftstrecke kann beispielsweise ein Hinweis für einen, insbesondere vollständig, beladenen Luftfilter sein.
Vorteilhafterweise kann die Vorrichtung 110 eine Filterüberwachungseinrichtung sein. In einer besonders integrierten Ausführungsform kann die Vorrichtung 110 Bestandteil einer Steuerungseinrichtung des Brennstoffzellensystems sein. Die Vorrichtung kann vorteilhafterweise zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems eines Heizsystems einer Gebäudeenergieversorgung eingerichtet sein, wobei das Brennstoffzellensystem ein Luftfilterelement und einen oder mehrere Stacks umfasst.
Die in der Fig. 3 gezeigten Verbindungen der einzelnen Einheiten sind rein beispielhafter Natur und müssen nicht zwingend notwendig sein. Des Weiteren können zwischen den Einheiten weitere Verbindungen bestehen, die in der Fig. 3 nicht gezeigt sind.
In manchen Ausführungsformen kann die Vorrichtung 110 weitere Einheiten aufweisen, können eine oder mehrere Einheiten in mehrere Untereinheiten aufgeteilt sein und/oder zwei oder mehrere Einheiten zu einer Einheit zusammengefasst sein.
Je nach Ausführungsform kann es vorteilhaft sein, dass Einheiten in einem Gehäuse zusammengefasst oder voneinander getrennt angeordnet sind. In manchen Ausführungsformen können eine oder mehrere Einheiten, beispielsweise über eine Netzwerkverbindung, mit einer oder mehreren der weiteren Einheiten verbunden sein. In manchen Ausführungsformen können eine oder mehrere Einheiten für eine Mehrzahl an Luftfilterelementen zentral für ein Brennstoffzellensystem oder zentral für eine Mehrzahl an Brennstoffzellensystemen angeordnet sein.
In besonders weiterentwickelten Ausführungsformen können einzelne Einheiten oder alle Einheiten der Vorrichtung 110 Teil einer Cloud bzw. mit einer Cloud verknüpft sein. Die Einheiten können entsprechend beispielsweise dazu eingerichtet sein, erforderliche Werte und Daten aus der Cloud, insbesondere für eine Mehrzahl an Betriebsintervallen und/oder eine Mehrzahl an Brennstoffzellensystemen abzufragen. In besonders weiterentwickelten Ausführungsformen können Teile der Vorrichtung, insbesondere alle Einheiten der Vorrichtung, vom Brennstoffzellensystem räumlich beabstandet, d.h. Remote angeordnet sein. In weiterentwickelten Ausführungsformen kann die Filterüberwachungseinrichtung in einer Cloud implementiert sein und/oder dazu eingerichtet sein, in einer Cloud gespeicherte Werte der Zustandsgröße, insbesondere der Werte der ersten Zeit, der zweiten Zeit, der dritten Zeit, der vierten Zeit und/oder der fünften Zeit, mittels der Erfassungseinheit zu erfassen.
In einer besonders eleganten Ausführungsform kann die Erfassungseinheit zum Erfassen der elektrischen Zustandsgröße des Stacks lokal beim Brennstoffzellensystem angeordnet sein oder Teil des Brennstoffzellensystems sein und die Vergleichseinheit kann mittels einer Cloud implementiert oder Teil einer Cloud sein. Eine Cloud ist eine IT-Ressource, die via Internet verfügbar gemacht wird. Bei diesen Ressourcen kann es sich um Speicherplatz, Rechenleistung, Software (Web-Anwendungen) oder komplette IT- Infrastrukturen handeln. Die Anpassungseinheit kann ebenfalls vorteilhafterweise mittels einer Cloud implementiert oder Teil einer Cloud sein. Eine oder mehrere Kommunikationseinheiten (nicht in den Figuren gezeigt) können dazu eingerichtet sein, die Daten zwischen der Erfassungseinheit und der Anpassungseinheit, insbesondere Erfasste Werte, zu übertragen. In manchen Ausführungsformen können Daten und/oder Informationen zwischen zwei oder mehreren Einheiten 101, 102, 103, 104, 105 mittels einer oder mehreren Kommunikationseinheiten übertragen werden.
Die Vorrichtung 110 kann insbesondere dazu eingerichtet sein, die in den Fig. 1 und 2 gezeigten Verfahren auszuführen. Insbesondere die Anpassungseinheit 104 kann dazu eingerichtet sein, ein in der Fig. 2 gezeigtes Verfahren zentral für eine Mehrzahl an Brennstoffzellensystemen auszuführen, d.h. die Fehlermeldungen einer Mehrzahl an Brennstoffzellensystemen und/oder Daten/Informationen betreffend den Betrieb einer Mehrzahl an Brennstoffzellen zu erfassen, die erfassten Fehlermeldungen und/oder Daten/Informationen betreffend den Betrieb der Mehrzahl an Brennstoffzellen zu analysieren, und entsprechend die Vergleichseinheiten bzw. einen oder mehrere Vergleichsschritte (S13, S23 und/oder S24) bzw. die Ausgabeeinheit und/oder den Schritt S14 für eine Mehrzahl an Brennstoffzellensystemen, beispielsweise über eine Netzwerkverbindung anzupassen.
In manchen Ausführungsformen kann eine anhand der Fig. 3 beschriebene Vorrichtung mittels eines Verfahrens bzw. durch Modifikationen eines anhand der in Fig. 1 und Fig. 2 beschriebenen Verfahrens implementiert werden. Vorteilhafterweise können die in Fig. 3 gezeigten Einheiten dazu eingerichtet sein, die anhand der Fig. 1 und 2 gezeigten Verfahren auszuführen.
Fig. 4 zeigt schematisch eine Installationsanordnung eines Brennstoffzellensystems 200 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Das Brennstoffzellensystem 200 ist in einem Installationsraum 201 angeordnet. Das Brennstoffzellensystem umfasst einen oder mehrere Luftfilterelemente 202 und einen oder mehrere Stacks 203. Mittels der einen oder mehreren Luftfilterelemente wird eine von einer Luftzufuhr (Außenluft) 204 bereitgestellte Luft gefiltert, die den einen oder den mehreren Stacks 203, beispielsweise als Kathodenluft, zugeführt wird.
Wie der Fig. 4 zu entnehmen ist, kann aufgrund von Undichtigkeiten in der Luftzufuhr oder im Brennstoffzellensystem Innenraumluft des Installationsraums Teil der dem Brennstoffzellensystem zugeführten Luft (Kathodenluft) sein. Im Installationsraum können im Vergleich zur Außenluft deutlich schlechtere Umgebungsluftbedingungen vorliegen, z.B. eine erhöhte VOC-/VVOC-Konzentration, beispielsweise aufgrund von Ausdünstungen von Lacken, Farben, Kraftstoffen, Abgasen, Öl, Heizöl, Diesel, Benzin etc. Dementsprechend ist es schwierig, die genaue Filterstandzeit, bedingt durch den Beladezustand für einen oder mehrere Luftfilterelemente abzuschätzen, in deren Zeitraum die vorgegebene Filterwirkung des Luftfilterelements noch einwandfrei funktioniert. Ausgehend davon können mittels der anhand der Fig. 1 und Fig. 2 gezeigten Verfahren und mittels der anhand der Fig. 3 gezeigten Vorrichtungen Informationen betreffend den Zustand eines oder mehrerer Luftfilterelemente kostengünstig und effizient bereitgestellt werden.
Fig. 5 zeigt schematisch einen Graphen, der einen Werteverlauf einer elektrischen Größe eines Stacks in Abhängigkeit der Zeit wiedergibt. Auf der Y-Achse ist der Wert der elektrischen Größe des Stacks aufgetragen. Auf der X-Achse ist die Zeit aufgetragen. Der Graph zeigt Betriebsintervalle 131, 132, 133 und 134. Ein Betriebsintervall eines Brennstoffzellensystems kann vereinfacht in eine Anfahrphase, einen Regelbetrieb, einen Abfahrvorgang und eine Regeneration eingeteilt werden. Für diese Erfindung ist ausschließlich der Regelbetrieb relevant. In Abhängigkeit der elektrischen Zustandsgrößen des Stacks ergeben sich unterschiedliche Zeiten, zu denen der erste, zweite, dritte und/oder vierte Wert erfasst wird. Vereinfacht ist ein Wert einer elektrischen Zustandsgröße in einer Anfangsphase 137 des Regelbetriebs zu erfassen und mit einem oder weiteren Werten der elektrischen Zustandsgröße im weiteren Regelbetrieb 138 zu vergleichen.
Ein erster Wert W(tl) der elektrischen Größe wird während der Anfangsphase 137 des Regelbetriebs eines ersten Betriebsintervalls 131 erfasst. Ein zweiter Wert W(t2) wird zu einer späteren Zeit des weiteren Regelbetriebs 138 des ersten Betriebsintervalls 131 erfasst. Analog kann ein dritter Wert der elektrischen Größe W(t3) während der Anfangsphase 137 des Regelbetriebs des zweiten Betriebsintervalls 132 und ein vierter Wert W(t4) zu einem späteren Zeitpunkt des weiteren Regelbetriebs 138 des zweiten Betriebsintervalls 132 erfasst werden. Durch Vergleichen des ersten Werts W(tl) mit dem zweiten Wert W(t2) beispielsweise durch einen relativen Vergleich oder absoluten Vergleich der Werte kann ein erstes Vergleichsergebnis ermittelt werden. Analog kann ein zweites Vergleichsergebnis mittels der Werte W(t3) und W(t4) ermittelt werden. Gleichermaßen können entsprechende Werte der Betriebsintervalle 133 und 134 als erstes und zweites Betriebsintervall herangezogen werden. In manchen Ausführungsformen können auch eine Mehrzahl an Betriebsintervallen 131 bis 134 mit ersten und zweiten sowie dritten und vierten Werten erfasst und entsprechend verglichen werden, so dass Informationen betreffend einen Zustand des Luftfilterelements entsprechend ermittelt und ausgegeben werden können.
Die in Fig. 5 gezeigte Zustandsgröße kann beispielsweise eine elektrische Leistung eine Spannung oder der Strom eines Stacks sein. Gemäß dem gezeigten Verfahren kann beispielsweise eine Differenz W(tl)-W(t2) gebildet werden. Ist der Betrag der Differenz größer einem ersten Referenzwert, so kann die Information betreffend den Zustand des Luftfilterelements beispielsweise sein, dass eine gewünschte Filterleistung des Luftfilterelements nicht mehr vorliegt, dass eine Beladung des Luftfilterelements über einen vorgegebenen Wert liegt oder analoge bzw. ähnliche Feststellungen. In gleicher Weise kann beispielsweise gemäß dem gezeigten Verfahren ein Quotient W(tl)/W(t2) ermittelt werden. Ist dieser Quotient größer als ein erster Schwellwert, so kann die Information betreffend den Zustand des Luftfilterelements beispielsweise sein, dass eine gewünschte Filterleistung des Luftfilterelements nicht mehr vorliegt, dass eine Beladung des Luftfilterelements über einen vorgegebenen Wert liegt oder analoge bzw. ähnliche Feststellungen.
Gegenteilige Aussagen können entsprechend getroffen werden, wenn der Betrag der Differenz W(tl)-W(t2) kleiner als ein erster Referenzwert und/oder wenn der Quotient W(tl)/W(t2) kleiner als ein erster Schwellwert ist.
Gleiches kann analog mittels der Werte W(t3) und W(t4) und einem oder mehreren dritten Referenzwerten bzw. Schwellwerten festgestellt werden. In manchen Ausführungsformen kann ein Vergleichsergebnis, insbesondere ein Differenzbetrag und/oder ein Quotient, beispielsweise über eine Zuordnungsfunktion oder eine Zuordnungstabelle einer Information betreffend den Filterelementzustand zugeordnet werden.
Kommt sowohl ein Vergleich der Werte W(tl) mit W(t2) als auch ein Vergleich der Werte W(t3) mit W(t4) zu demselben Schluss, so kann in manchen Ausführungsformen beispielsweise eine entsprechende Information bezüglich des Filterelementzustands als validiert erachtet werden und in Folge dessen ausgegeben werden.
Vorliegend wurden ein Verfahren, eine Vorrichtung und ein Computerprogrammprodukt beschrieben, so dass kostengünstig und effizient ein Zustand eines Luftfilterelements eines Brennstoffzellensystems ermittelt werden kann. Dabei wird ein Verhältnis, relativ und/oder absolut, zwischen einem Wert einer elektrischen Größe zu Beginn des Regelbetriebs und einem Wert der elektrischen Größe zu einem späteren Zeitpunkt während des Regelbetriebs herangezogen. Dieser Zusammenhang kann erfindungsgemäß beispielsweise über eine mathematische Funktion und/oder eine Zuordnungstabelle bzw. mittels Referenzwerten oder Schwellwerten hergestellt werden. Das vorliegende Verfahren, die Vorrichtung bzw. das Computerprogrammprodukt betreffen in besonderer Weise Brennstoffzellensysteme, die in einem Innenraum, insbesondere einem Gebäude, installiert sind bzw. installiert werden, da hier erhöhte Luftverunreinigungen im Aufstellraum vorliegen können, z.B. eine V0C-/W0C- Konzentration in besonderem Maße von entsprechenden VOC-/WOC-Verursachern beeinflusst wird. Wird ein entsprechendes Brennstoffzellensystem draußen installiert, so ist im Regelfall nicht mit erhöhten Luftkontaminationen zu rechnen. Eine Ausnahme bilden dabei Orte mit hoher Abgas-, oder Schwefelbelastung bzw. Schwefelgasbelastung und anderen Luftkontaminationen, so dass auch dort entsprechende Luftverunreinigungen vorliegen, die die Filterstandzeit negativ beeinflussen können. In diesen Fällen kann daher ein erfindungsgemäßes Verfahren, eine erfindungsgemäße Vorrichtung bzw. ein erfindungsgemäßes Computerprogrammprodukt ebenfalls besonders vorteilhaft sein.

Claims

ANSPRÜCHE
1. Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems eines Heizsystems einer Gebäudeenergieversorgung, das Brennstoffzellensystem umfassend ein Luftfilterelement und einen oder mehrere Stacks, das Verfahren umfasst die Schritte:
- Erfassen eines ersten Werts einer elektrischen Zustandsgröße eines Stacks nach einem Start eines Regelbetriebs eines ersten Betriebsintervalls zu einer ersten Zeit im Regelbetrieb des ersten Betriebsintervalls;
- Erfassen eines zweiten Werts der elektrischen Zustandsgröße des Stacks zu einer zweiten Zeit nach der ersten Zeit im Regelbetrieb des ersten Betriebsintervalls;
- Ermitteln eines ersten Vergleichsergebnisses durch Vergleichen des ersten Werts mit dem zweiten Wert; und
- Ermitteln und Ausgeben von Informationen betreffend einen Zustand des Luftfilterelements in Abhängigkeit des ersten Vergleichsergebnisses.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Ermitteln des ersten Vergleichsergebnisses durch Vergleichen eines vorgegebenen ersten Referenzwerts mit der Differenz zwischen dem ersten Wert und dem zweiten Wert erfolgt und/oder das Ermitteln des ersten Vergleichsergebnisses durch Vergleichen eines vorgegebenen ersten Schwellwerts mit dem Quotienten des ersten Werts zum zweiten Wert erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die elektrische Zustandsgröße eine Stackspannung, ein Stackstrom und/oder eine vom Stack ausgegebene elektrische Leistung ist.
4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei die elektrische Zustandsgröße eine Stackspannung und/oder ein Stackstrom ist, wenn die vom Stack ausgegebene elektrische Leistung einem vorgegebenen Wert entspricht oder diesen übersteigt, oder die elektrische Zustandsgröße eine Stackspannung und/oder eine vom Stack ausgegebene elektrische Leistung ist, wenn der Stackstrom einem vorgegebenen Wert entspricht oder diesen übersteigt.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Brennstoffzellensystem in einem Innenraum, insbesondere einem Gebäude, festinstalliert betrieben wird und/oder dazu eingerichtet ist, in einem Innenraum, insbesondere eines Gebäudes, festinstalliert betrieben zu werden.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, umfassend die Schritte:
- Erfassen eines dritten Werts der elektrischen Zustandsgröße des Stacks nach einem Start eines Regelbetriebs eines zweiten Betriebsintervalls zu einer dritten Zeit im Regelbetrieb des zweiten Betriebsintervalls;
- Erfassen eines vierten Werts der elektrischen Zustandsgröße des Stacks zu einer vierten Zeit nach der dritten Zeit im Regelbetrieb des zweiten Betriebsintervall;
- Ermitteln eines zweiten Vergleichsergebnisses durch Vergleichen des dritten Werts mit dem vierten Wert; und
- Ermitteln eines dritten Vergleichsergebnisses durch Vergleichen des ersten Vergleichsergebnisses mit dem zweiten Vergleichsergebnis, wobei das Ermitteln und Ausgeben von Informationen betreffend den Zustand des Luftfilterelements zusätzlich in Abhängigkeit des dritten Vergleichsergebnisses erfolgt.
7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei das Verfahren in Abhängigkeit des dritten Vergleichsergebnisses erneut ausgeführt wird, und/oder wobei das Verfahren in Abhängigkeit des dritten Vergleichsergebnisses die zusätzlichen Schritte umfasst:
- Erfassen eines oder mehrerer weiterer Systemparameter, insbesondere einen oder mehrere Sensorwerte eines Luftqualitätssensors, und
- Analysieren der einen oder mehreren weiteren System para meter, wobei das Ermitteln und Ausgeben von Informationen betreffend den Zustand des Luftfilterelements zusätzlich in Abhängigkeit des Ergebnisses der Analyse der einen oder mehreren weiteren Systemparameter erfolgt.
8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, wobei die erste Zeit und/oder die dritte Zeit in einer Anfangsphase nach dem Start des Regelbetriebs des jeweiligen Betriebsintervalls liegt; und/oder die zweite Zeit und/oder die vierte Zeit in einem Zeitabschnitt liegt, währenddessen sich der Stack in einem Lastbetrieb mit einem vorgegebenen Arbeitspunkt und/oder in einem Normalbetrieb mit einem vorgegebenen Arbeitspunkt im Regelbetrieb des jeweiligen Betriebsintervalls befindet; und/oder zwischen der ersten Zeit und der zweiten Zeit und/oder zwischen der dritten Zeit und der vierten Zeit eine Zeitspanne von mehr als 60 Minuten, insbesondere von mehr als 120 Minuten liegt; und/oder eine Zeitspanne zwischen dem Start des Regelbetriebs im ersten Betriebsintervall und der ersten Zeit und/oder zwischen dem Start des Regelbetriebs im zweiten Betriebsintervall und der dritten Zeit kürzer als 90 Minuten, insbesondere kürzer als 60 Minuten ist.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, umfassend die Schritte:
Erfassen einer fünften Zeit, bei der der Wert der elektrischen Zustandsgröße oder der Wert einer weiteren elektrischen Zustandsgröße nach einem Start eines Regelbetriebs eines Betriebsintervalls ein Maximum oder Minimum oder einen vorgegebenen Wert aufweist; und
Bestimmen der ersten Zeit und/oder der dritten Zeit in Abhängigkeit der fünften Zeit.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, wobei die Zeitspanne zwischen dem Start des Regelbetriebs des ersten Betriebsintervalls und der ersten Zeit mit der Zeitspanne zwischen dem Start des Regelbetriebs des zweiten Betriebsintervalls und der dritten Zeit übereinstimmt; und/oder eine Dauer des Messintervalls der ersten Zeit mit einer Dauer des Messintervalls der dritten Zeit übereinstimmt; und/oder eine Dauer des Messintervalls der zweiten Zeit mit einer Dauer des Messintervalls der vierten Zeit übereinstimmt.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 10, wobei eine Zeitspanne zwischen der ersten Zeit und der zweiten Zeit mit einer Zeitspanne zwischen der dritten Zeit und der vierten Zeit übereinstimmt; oder eine Zeitspanne zwischen dem Start des Regelbetriebs des ersten Betriebsintervalls und der zweiten Zeit mit einer Zeitspanne zwischen dem Start des Regelbetriebs des zweiten Betriebsintervalls und der vierten Zeit übereinstimmt.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 11 umfassend die Schritte:
- Erfassen von Fehlermeldungen in Folge des Betreibens des Brennstoffzellensystems;
- Analysieren der Fehlermeldungen bezüglich einer Häufigkeit einer spezifischen Fehlermeldung und/oder bezüglich eines Zusammenhangs der Fehlermeldungen mit dem Luftfilterelement;
- Anpassen in Abhängigkeit eines Ergebnisses der Analyse eines oder mehrerer Schritte aus der Gruppe:
Ermitteln eines ersten Vergleichsergebnisses durch Vergleichen des ersten Werts mit dem zweiten Wert;
Ermitteln eines zweiten Vergleichsergebnisses durch Vergleichen des dritten Werts mit dem vierten Wert; und
Ermitteln eines dritten Vergleichsergebnisses durch Vergleichen des ersten Vergleichsergebnisses mit dem zweiten Vergleichsergebnis.
13. Vorrichtung zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems eines Heizsystems einer Gebäudeenergieversorgung, das Brennstoffzellensystem umfassend ein Luftfilterelement und einen oder mehrere Stacks, die Vorrichtung umfasst:
- eine Erfassungseinheit zum Erfassen eines ersten Werts einer elektrischen Zustandsgröße eines Stacks nach einem Start eines Regelbetriebs eines ersten Betriebsintervalls zu einer ersten Zeit und zum Erfassen eines zweiten Werts der elektrischen Zustandsgröße des Stacks zu einer zweiten Zeit nach der ersten Zeit im Regelbetrieb des ersten Betriebsintervalls;
- eine Vergleichseinheit, die dazu eingerichtet ist, ein erstes Vergleichsergebnis durch Vergleichen des ersten Werts mit dem zweiten Wert zu ermitteln; und
- eine Ausgabeeinheit, die dazu eingerichtet ist, Informationen betreffend einen Zustand des Luftfilterelements in Abhängigkeit des ersten Vergleichsergebnisses der Vergleichseinheit zu ermitteln und auszugeben.
14. Vorrichtung nach Anspruch 13, wobei die Erfassungseinheit zum Erfassen eines dritten Werts der elektrischen Zustandsgröße des Stacks nach einem Start eines Regelbetriebs eines zweiten Betriebsintervalls zu einer dritten Zeit und zum Erfassen eines vierten Werts der elektrischen Zustandsgröße des Stacks zu einer vierten Zeit nach der dritten Zeit eingerichtet ist; die Vergleichseinheit dazu eingerichtet ist, ein zweites Vergleichsergebnis durch Vergleichen des dritten Werts mit dem vierten Wert zu ermitteln, und die dazu eingerichtet ist, ein drittes Vergleichsergebnis durch Vergleichen des ersten Vergleichsergebnisses mit dem zweiten Vergleichsergebnis zu ermitteln; wobei die Ausgabeeinheit dazu eingerichtet ist, Informationen betreffend den Zustand des Luftfilterelements zusätzlich in Abhängigkeit des dritten Vergleichsergebnisses zu ermitteln und auszugeben.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 oder 14, umfassend eine Anpassungseinheit, die dazu eingerichtet ist, Fehlermeldungen in Folge des Betreibens des Brennstoffzellensystems zu erfassen, die Fehlermeldungen bezüglich einer Häufigkeit einer spezifischen Fehlermeldung und/oder bezüglich eines Zusammenhangs der Fehlermeldungen mit dem Luftfilterelement zu analysieren, und in Abhängigkeit eines Ergebnisses der Analyse einen oder mehrere Parameter, die zum Ermitteln eines Vergleichsergebnisses durch die Vergleichseinheit verwendet werden, anzupassen.
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 15, wobei die Erfassungseinheit dazu eingerichtet ist, einen oder mehrere weitere Systemparameter, insbesondere einen oder mehrere Sensorwerte eines Luftqualitätssensors, zu erfassen, und die Ausgabeeinheit dazu eingerichtet ist, Informationen betreffend den Zustand des Luftfilterelements zusätzlich in Abhängigkeit der weiteren Systemparameter zu ermitteln und auszugeben.
17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 16, wobei die Vorrichtung eine Filterüberwachungseinrichtung ist, und/oder die Vorrichtung Bestandteil einer Steuerungseinrichtung einer Brennstoffzelle ist, oder wobei die Erfassungseinheit Teil eines Brennstoffzellensystems ist, und die Vergleichseinheit Teil einer Cloud oder mittels einer Cloud implementiert ist.
18. Computer-Programm-Produkt umfassend Programmbefehle, die einen oder mehrere Computer dazu veranlassen, das Verfahren nach einem der Verfahrensansprüche 1 bis 12 auszuführen, wenn das Computerprogrammprodukt auf den einen oder mehreren Computern geladen oder ausgeführt wird.
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