WO2018019585A1 - Kühlsystem zum temperieren eines brennstoffzellensystems und verfahren zum betrieb des kühlsystems - Google Patents

Kühlsystem zum temperieren eines brennstoffzellensystems und verfahren zum betrieb des kühlsystems Download PDF

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pressure
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Helerson Kemmer
Christian Mielke
Johannes Schild
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Robert Bosch Gmbh
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    • Y02T90/40—Application of hydrogen technology to transportation, e.g. using fuel cells

Definitions

  • Cooling system for controlling the temperature of a fuel cell system and method for operating the cooling system
  • the present invention relates to a cooling system for tempering a fuel cell system according to the independent apparatus claim, comprising a cooling pipe for guiding a coolant, a pump for conveying the coolant through the cooling pipe, and at least one
  • Pressure sensor is designed to check the function of the pump.
  • the invention also relates to a method for operating such a cooling system according to the independent method claim.
  • Fuel cell systems with a plurality of series-connected fuel cells are fundamentally known as electrical energy sources, for example for mobile applications in motor vehicles.
  • stacks series-connected fuel cells
  • the cooling line leads to a coolant, which is transported by a pump through the cooling line.
  • a correct function of the pump is important to ensure a reliable temperature control or cooling of the fuel cell system.
  • a check of the coolant pump via monitoring is known a temperature of the coolant. In doing so, maximum allowable
  • the present invention provides a cooling system for tempering a
  • Fuel cell system which is designed with a cooling line for guiding a coolant, a pump for conveying the coolant through the cooling line, and at least one pressure sensor for checking the function of the pump, wherein a control unit is provided, which is adapted to the measurement results of Analyze pressure sensor to check the function of the pump.
  • the invention also provides a method for operating the cooling system according to the independent method claim. Further advantages and details of the invention will become apparent from the dependent claims, the description and the drawings.
  • the fuel cell system according to the invention can have several components
  • Fuel cells comprise, which can be connected in a stack or in a so-called stack in series.
  • the fuel cell system can be used for mobile applications, such as in motor vehicles, or for stationary
  • the expected pressure values can already be determined from the specifications of the pump and / or can already be determined in advance by measuring the pump.
  • Fuel cell system so that a prior measurement of the pressure values is not essential.
  • a prior measurement of the pressure values is not essential.
  • Control unit provided which can determine and store the expected pressure values in at least one region in the cooling line in the form of a map.
  • the map can be the pressure values as a function of
  • Cooling line The map can be stored in a memory of the control unit.
  • the control unit according to the invention can recall the expected pressure in a specific region of the cooling line from the memory under the current conditions in the coolant system.
  • the control unit can communicate with the at least one pressure sensor, for example by radio or by data transmission, in order to obtain the current data
  • the control unit analyzes the measured pressure values and compares them with the values which were initially determined (in advance) for a properly functioning pump and stored in the map. If the expected values deviate from the expected values, errors of the coolant pump can thus be detected reliably and in good time, even at low heat load or in cold conditions in the fuel cell system, without a sufficient Wait for temperature increase. After a fault entry by the control unit, the error can be corrected immediately before it can lead to too high a temperature and possible damage. Moreover, it is advantageous that with the aid of the cooling system according to the invention, a desired pressure in the cooling line can be accurately adjusted. It is important that the coolant flows around the fuel cell with a pressure equal to the anode pressure, so as not to endanger the fuel cell system.
  • the cooling line can have a drainage area and an inlet area.
  • the drainage area can be determined immediately after the output from the pump.
  • the inlet area can in turn be determined after the passage or passage of the fuel cell system. It is advantageous to distinguish between the different areas of the cooling line to the
  • the cooling line can form a closed loop for the coolant.
  • the expected pressure in different areas of the cooling line and the pressure drop in the cooling line can be advantageously determined more accurately than in an open system to create the map of the invention with high accuracy.
  • a first pressure sensor can be arranged in the discharge region of the cooling line.
  • the pressure can be monitored directly after the pump.
  • the pressure of the coolant immediately after it exits the pump depends only on the speed of the pump and the temperature of the coolant. Thus, the expected pressure can be reliably predicted with an intact pump to create an accurate map.
  • the first pressure sensor in the drainage area of the cooling line can thus help reliably and timely
  • a second pressure sensor can be arranged in the inlet region of the cooling line. In the cooling system is at a given speed of the pump, in a known
  • Pressure drop after the passage of the fuel cell system and the other system parts of the cooling system at the beginning of operation detectable, eg.
  • Cooling system By positioning the second pressure sensor in the inlet region of the cooling line, in turn, several system parameters can be taken into account for fault detection of the pump. If the measured pressure deviates too much from the expected pressure value after passage of the fuel cell system, a more extensive fault diagnosis of mechanical parts of the cooling system and / or the fuel cell system can be started, for example in a workshop. In addition, it may be advantageous that the second pressure sensor can be used to verify the measurement results of the first pressure sensor in order to optimize the fault diagnosis.
  • control unit can be designed to have a
  • Drainage range of the cooling line the pressure in the inlet area of the cooling line or the pressure drop between the drain area and the inlet area of the cooling line falls below an expected minimum value. In this case, for each expected minimum value, a permissible deviation that can occur when measuring the pressure in order to rule out measurement errors.
  • the invention is also directed to a method of operating a cooling system for controlling the temperature of a fuel cell system, comprising a cooling line for guiding a coolant, a pump for conveying the coolant through the cooling line, and at least one pressure sensor for
  • the method has at least one step:
  • the map can be the pressure values as a function of others
  • Conditions include, for example, depending on a specific area in the cooling line, a temperature, a flow, a volume and / or a
  • the map can be stored in a memory, which can access the control unit according to the invention in the course of operation of the cooling system.
  • the map can be created according to the invention with the help of the manufacturer-specific specifications of the pump. It is also conceivable that the cooling system can be measured to create the map. In both cases, other conditions may be considered that are related to the fuel cell system to be cooled, such as the size, power and / or efficiency of the fuel cell system.
  • the map may also take into account characteristics of the coolant, such as the
  • Viscosity of the coolant can thus advantageously serve as a comparison field in order to be able to quickly recognize a deviation in the operation of the cooling system.
  • the control unit can communicate with at least one pressure sensor in order to query the currently measured pressure values in the cooling line.
  • the control unit according to the invention can then analyze the measured pressure values and start a fault diagnosis. After an error entry, a recessed and / or renewed electronic fault diagnosis can be initiated and / or the fuel cell system to be cooled can be switched off initially in order to remove the components of the fuel cell system
  • step a) the map at least for an expected pressure in a drain region of the cooling line, for an expected pressure in an inlet region of the cooling line or for an expected pressure drop between the drain region and the inlet region of the cooling line can be created.
  • the drainage area and the inlet area of the cooling line can advantageously represent representative positions for measuring the pressure.
  • the measured pressure drop between the drain region and the inlet region of the cooling line can provide additional information about the fuel system to be cooled.
  • the operation of the cooling system and / or the fuel cell system can be more accurately monitored.
  • step a) the map can be created at least on the basis of specifications of the pump, by measuring a pressure or by measuring a pressure drop at the beginning of the operation of the cooling line.
  • the method according to the invention can have at least one following step:
  • Pressure sensor in an inlet area of the cooling line.
  • the current values of the pressure can be measured specifically in a specific area of the cooling line. This allows the comparison according to the invention with the expected pressure values in order to carry out an analysis of the function of the cooling system.
  • the method according to the invention can have at least one further step:
  • the respective permissible minimum value may include a permissible deviation, which may occur when measuring the pressure to unwanted
  • the respective minimum value can be verified by a suitable debounce method in order to rule out random measurement errors. Too large a deviation between the measured and the expected values in the outlet area of the cooling line and / or in the inlet area of the cooling line can be an indication according to the invention that the pump no longer functions properly and a mechanical check of the
  • Cooling system to be initiated. Too much pressure drop between the drainage area and the inlet area of the cooling line can provide a further indication that, for example, the pressure in the cooling line is not set correctly. Thus, a fault diagnosis of the pump can be improved.
  • the method according to the invention can have at least one further step:
  • Operating pressure of the fuel cell system in particular in an anode line of the fuel cell system, may be adjusted.
  • the coolant be delivered at a certain pressure near the anode pressure to ensure that the housing of the Fuel cell system is not leaking.
  • the fuel cell system can be cooled with an appropriate pressure in the cooling pipe so as not to damage the fuel cell system.
  • Fig. 1 is a schematic representation of a cooling system according to the invention for a fuel cell system.
  • a closed cooling line 10 means according to the invention that the coolant in the cooling line 10 can not come into contact with the environment, so that a certain pressure in the cooling line 10 can be easily adjusted by a pump 11.
  • the pump 11 can be operated at a certain speed to adjust the pressure P in the cooling line 10.
  • the drainage region I of the cooling line 10 At the outlet of the pump 11 is the drainage region I of the cooling line 10, in which a first temperature sensor 12 and a first pressure sensor 13 are arranged.
  • the coolant of the cooling line 10 is then transported to a fuel cell system 100 to be cooled (stack), where it is the
  • Process heat of the fuel cell system 100 can accommodate.
  • the area of the cooling line 10 after the passage of the fuel cell system 100 is called inlet area II of the cooling line 10.
  • inlet area II of the cooling line 10 In the inlet area II of the cooling line 10, in turn, a second temperature sensor 14 and a second pressure sensor 15 are positioned. According to the invention, however, it is conceivable that only a first
  • Pressure sensor 13 or only a second pressure sensor 15 may be sufficient to check on the basis of the analysis of the measurement results of the pressure, the function of the pump 11 according to the invention.
  • the warmed up coolant becomes a cooler 16, For example, a vehicle radiator, discharged, where it can be cooled by means of a fan 17 again.
  • the function of the pump 11 is checked by monitoring the pressure P generated by it at at least one point I, II in the cooling line 10. As a result, too weak a pump 11 can be reliably detected even at low heat load in the fuel cell system 100.
  • the diagnosed size, ie the pressure P, is for the application of the
  • Cooling system 1 for a fuel cell system 100 very important because the pressure P can not only affect the cooling performance, but also close enough to one
  • Operating pressure PA in an anode line of the fuel cell system 100 should be adjusted so as not to endanger the fuel cell system 100. Therefore, a monitoring and a precise adjustment of the pressure P in the cooling line 10 for the fuel cell system 100 to be cooled are advantageous.
  • a pressure sensor 13, 15 may be installed before I or after the flow II of the coolant through the stack 100 according to the invention.
  • the pump 11 When the pump 11 is running at a certain power, e.g. B. with a certain control or speed, it can be determined at a given coolant temperature T, how much pressure P can build the pump 11 at which coolant flow F.
  • T coolant temperature
  • P pressure
  • (manufacturer) specifications of the pump 11 can be used or the cooling system 1 can be measured individually.
  • a map may be stored in a memory 19 of a control unit 18, which may include the pressure P in the cooling line 10 depending on various conditions in the cooling system 1 and / or in the fuel cell system 100, for example.
  • Cooling line 10 a temperature T, a flow, a volume and / or viscosity of the coolant and other parameters of the cooling line 10, such as the length and / or width of the cooling line 10th
  • the cooling system 1 is thus at a given speed of the pump 11, at a known temperature T and a given flow F of the coolant, the pressure PI in the discharge area I of the cooling line 10 and the pressure P2 in
  • the first pressure sensor 13 can be monitored in the discharge region I of the cooling line 10.
  • Expected pressure PI * generated at the pump 11 is a function of the drive or speed of the pump 11 and the temperature Tl in the cooling line 10 measured by the first temperature sensor 12. This pressure PI * is thus specific to the drainage area I of the cooling line 10. According to the invention, this expected value PI * can be determined by the control unit 18 with a value determined by the first control unit
  • Pressure sensor 13 measured pressure PI are compared. If the measured pressure PI is too low, for example, can not be explained by tolerances ⁇ 1, then the pump 11 no longer operates as specified. So it is found that:
  • Warning signal and / or an error response, for example
  • Fuel cell system 100 are initiated. After the fault has been entered, the fault can be remedied before the temperature T in the fuel cell system 100 is too high and the stack 100 is damaged. The error can thus be detected earlier with the aid of the invention than with a
  • Pressure sensor 15 in the inlet region II of the cooling line 10 are monitored.
  • the pressure P2 measured at the second pressure sensor 15 is a function of
  • the expected pressure P2 * P1 * + ⁇ * at this point II is stored in the map according to the invention.
  • an expected pressure drop ⁇ * across the stack 100 can be taken into account as a function of the coolant flow F and the temperature T of the coolant.
  • the expected pressure P2 * can be determined by measuring the cooling system 1 before startup.
  • the pressure P2 at the second pressure sensor 15 can be used to verify the measurement results at the first pressure sensor 13.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Kühlsystem (1) zum Temperieren eines Brennstoffzellensystems (100), mit einer Kühlleitung (10) zum Führen eines Kühlmittels, einer Pumpe (11) zum Fördern des Kühlmittels durch die Kühlleitung (10), und mindestens einem Drucksensor (13, 15) zum Überprüfen der Funktion der Pumpe (11), wobei eine Steuereinheit (18) vorgesehen ist, die dazu ausgelegt ist, die Messergebnisse des Drucksensors (13, 15) zu analysieren, um die Funktion der Pumpe (11) zu überprüfen.

Description

Beschreibung
Titel
Kühlsystem zum Temperieren eines Brennstoffzellensystems und Verfahren zum Betrieb des Kühlsystems
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kühlsystem zum Temperieren eines Brennstoffzellensystems nach dem unabhängigen Vorrichtungsanspruch, welches mit einer Kühlleitung zum Führen eines Kühlmittels, einer Pumpe zum Fördern des Kühlmittels durch die Kühlleitung, und mindestens einem
Drucksensor zum Überprüfen der Funktion der Pumpe ausgeführt ist. Auch betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb eines solchen Kühlsystems nach dem unabhängigen Verfahrensanspruch.
Stand der Technik
Brennstoffzellensysteme mit mehreren in Reihe geschalteten Brennstoffzellen (Stacks) sind als elektrische Energiequellen, bspw. für mobile Anwendungen in Kraftfahrzeugen, grundsätzlich bekannt. Gegenüber insbesondere
Verbrennungsmotoren weisen elektrische Energiequellen den Vorteil auf, dass sie normalerweise keine, insbesondere gesundheitsschädlichen Abgase beim
Betrieb produzieren. Im Stack findet eine kalte Verbrennung vom Wasserstoff durch die Verbindung mit dem Sauerstoff der Luft statt. Dafür wird einer Stack- Anode Wasserstoff zugeführt, während einer Stack- Kathode Luft, meistens verdichtete Umgebungsluft, zugeführt wird. Die neben der elektrischen Energie und Abwasser produzierte Abwärme wird mittels eines Kühlsystems mit einer
Kühlleitung zum Fahrzeugkühler abgeführt. Die Kühlleitung führt dabei ein Kühlmittel, welches mit Hilfe einer Pumpe durch die Kühlleitung befördert wird. Eine richtige Funktion der Pumpe ist dabei wichtig, um eine zuverlässige Temperierung bzw. Kühlung des Brennstoffzellensystems sicherzustellen.
Bekannt ist bspw. eine Überprüfung der Kühlmittelpumpe über Überwachung einer Temperatur des Kühlmittels. Dabei werden maximale zulässige
Temperaturwerte festgelegt. Beim Überschreiten von solchen höchstzulässigen Temperaturwerten kann auf eine Fehlerfunktion der Pumpe geschlossen werden. Allerdings ist eine solche Überprüfung bereits bei geringer Wärmelast oder bei kühlen Bedingungen nicht zuverlässig. Außerdem kann es eine Zeit dauern, bis die Temperaturwerte soweit ansteigen, dass eine Fehlerdiagnose noch rechtzeitig passieren kann bevor das Brennstoffzellensystem einen Schaden nimmt. Offenbarung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung sieht ein Kühlsystem zum Temperieren eines
Brennstoffzellensystems vor, welches mit einer Kühlleitung zum Führen eines Kühlmittels, einer Pumpe zum Fördern des Kühlmittels durch die Kühlleitung, und mindestens einem Drucksensor zum Überprüfen der Funktion der Pumpe, ausgeführt ist, wobei eine Steuereinheit vorgesehen ist, die dazu ausgelegt ist, die Messergebnisse des Drucksensors zu analysieren, um die Funktion der Pumpe zu überprüfen. Ferner sieht die Erfindung auch ein Verfahren zum Betrieb des Kühlsystems nach dem unabhängigen Verfahrensanspruch vor. Weitere Vorteile und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Kühlsystem beschrieben worden sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen
Verfahren und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.
Das Brennstoffzellensystem im Sinne der Erfindung kann mehrere
Brennstoffzellen umfassen, die in einem Stapel bzw. in einem sog. Stack in Reihe verschaltet sein können. Das Brennstoffzellensystem kann dabei für mobile Anwendungen, wie bspw. in Kraftfahrzeugen, oder für stationäre
Anwendungen, wie bspw. in Notstromversorgung und/oder als ein Generator, verwendet werden. Der Kern der Erfindung liegt dabei darin, ein solches Kühlsystem zum
Temperieren eines Brennstoffzellensystems zu schaffen, welches den Druck in zumindest einem Bereich der Kühlleitung überwacht, um die Funktion der Pumpe zu analysieren und um rechtzeitig festzustellen, ob die Pumpe noch genügend Druck aufbauen kann. Bei einer ordnungsgemäßen Funktion der Pumpe sind die zu erwartenden Druckwerte (auch erwartete Druckwerte genannt) bereits aus den Spezifikationen der Pumpe bestimmbar und/oder durch Vermessen der Pumpe auch bereits im Vorfeld feststellbar. Durch das Kennen von Parametern im Brennstoffzellensystem können bereits im Vorfeld die zu erwartenden
Druckwerte in der Kühlleitung sowohl im Ablaufbereich, bspw. unmittelbar nach der Pumpe, als auch im Zulaufbereich, bspw. nach dem Durchgang des
Brennstoffzellensystems, bestimmt werden, so dass eine vorherige Messung der Druckwerte nicht unbedingt erforderlich ist. Erfindungsgemäß ist eine
Steuereinheit vorgesehen, die die erwarteten Druckwerte in mindestens einem Bereich in der Kühlleitung in Form eines Kennfeldes bestimmen und speichern kann. Das Kennfeld kann dabei die Druckwerte in Abhängigkeit von
verschiedenen Parametern umfassen, bspw. in Abhängigkeit von einer Drehzahl der Pumpe, einem bestimmten Bereich in der Kühlleitung, einer Temperatur, einem Fluss, einem Volumen und/oder einer Viskosität des Kühlmittels sowie von weiteren Parametern der Kühlleitung, wie die Länge und/oder Breite der
Kühlleitung. Das Kennfeld kann dabei in einem Speicher der Steuereinheit hinterlegt werden. Die erfindungsgemäße Steuereinheit kann im Laufe des Betriebes den erwarteten Druck in einem bestimmten Bereich der Kühlleitung bei den aktuellen Bedingungen im Kühlmittelsystem aus dem Speicher abrufen. Weiterhin kann die Steuereinheit mit dem zumindest einen Drucksensor, bspw. per Funk oder per Datenübertragung, kommunizieren, um die aktuell
gemessenen Druckwerte abzufragen. Im Laufe des Betriebes des Kühlsystems, wenn die Pumpe nicht mehr richtig funktioniert, können die gemessenen
Druckwerte von den erwarteten Druckwerten abweichen. Die erfindungsgemäße Steuereinheit analysiert dabei die gemessenen Druckwerte und vergleicht sie mit den Werten, die für eine einwandfrei funktionierende Pumpe zu Anfang (im Vorfeld) bestimmt und im Kennfeld hinterlegt wurden. Bei einem Abweichen von den erwarteten Werten können somit zuverlässig und rechtzeitig Fehler der Kühlmittelpumpe erkannt werden, sogar bei geringer Wärmelast oder bei kalten Bedingungen im Brennstoffzellensystem, ohne einen ausreichenden Temperaturanstieg abzuwarten. Nach einem erfolgten Fehlereintrag durch die Steuereinheit kann der Fehler unverzüglich behoben werden, ehe es zu einer zu hohen Temperatur und möglichen Beschädigungen kommen kann. Außerdem ist es von Vorteil, dass mit Hilfe des erfindungsgemäßen Kühlsystems ein gewünschter Druck in der Kühlleitung genau eingestellt werden kann. Dabei ist es wichtig, dass das Kühlmittel die Brennstoffzelle mit einem Druck umströmt, der dem Anodendruck gleicht, um das Brennstoffzellensystem nicht zu gefährden.
Ferner kann es im Rahmen der Erfindung vorgesehen sein, dass die Kühlleitung einen Ablaufbereich und einen Zulaufbereich aufweisen kann. Der Ablaufbereich kann dabei unmittelbar nach dem Ausgang aus der Pumpe festgelegt werden. Der Zulaufbereich kann wiederum nach dem Durchgang bzw. Durchlauf des Brennstoffzellensystems bestimmt werden. Dabei ist es von Vorteil, zwischen den verschiedenen Bereichen der Kühlleitung zu unterscheiden, um den
Druckabfall in der Kühlleitung berücksichtigen zu können, weil die erwarteten Druckwerte von der Positionierung des Drucksensors in unterschiedlichen Bereichen in der Kühlleitung abhängen. Erfindungsgemäß kann die Kühlleitung einen geschlossenen Kreis für das Kühlmittel bilden. Somit kann der erwartete Druck in verschiedenen Bereichen der Kühlleitung bzw. der Druckabfall in der Kühlleitung vorteilhafterweise genauer bestimmt werden als in einem offenen System, um das erfindungsgemäße Kennfeld mit hoher Genauigkeit zu erstellen.
Erfindungsgemäß kann weiterhin vorgesehen sein, dass ein erster Drucksensor im Ablaufbereich der Kühlleitung angeordnet sein kann. Vorteilhafterweise kann dadurch der Druck direkt nach der Pumpe überwacht werden. Solche
Überwachung ist störungsunanfällig und daher ziemlich genau. Der Druck des Kühlmittels unmittelbar nach dem Ausgang aus der Pumpe hängt lediglich von der Drehzahl der Pumpe und der Temperatur des Kühlmittels ab. Dadurch kann der erwartete Druck bei einer intakten Pumpe zuverlässig prognostiziert werden, um ein genaues Kennfeld zu erstellen. Der erste Drucksensor im Ablaufbereich der Kühlleitung kann folglich helfen, zuverlässig und rechtzeitig eine
Fehlerfunktion der Pumpe zu erkennen. Des Weiteren kann es im Rahmen der Erfindung vorgesehen sein, dass ein zweiter Drucksensor im Zulaufbereich der Kühlleitung angeordnet sein kann. Im Kühlsystem ist bei gegebener Drehzahl der Pumpe, bei einer bekannten
Temperatur und einem gegebenen Fluss des Kühlmittels der erwartete
Druckabfall nach dem Durchgang des Brennstoffzellensystems und der weiteren Systemteile des Kühlsystems zu Anfang des Betriebes feststellbar, bspw.
theoretisch aus Spezifikationen der Pumpe oder durch Vermessen des
Kühlsystems. Durch die Positionierung des zweiten Drucksensors im Zulaufbereich der Kühlleitung können wiederum mehrere Systemparameter für die Fehlererkennung der Pumpe berücksichtigt werden. Sollte der gemessene Druck nach dem Durchgang des Brennstoffzellensystems zu stark von dem erwarteten Druckwert abweichen, so kann eine weitergehende Fehlerdiagnose von mechanischen Teilen des Kühlsystems und/oder des Brennstoffzellensystems gestartet werden, bspw. in einer Werkstatt. Zudem kann es von Vorteil sein, dass der zweite Drucksensor zur Verifizierung der Messergebnisse des ersten Drucksensors herangezogen werden kann, um die Fehlerdiagnose zu optimieren.
Erfindungsgemäß kann die Steuereinheit dazu ausgelegt sein, eine
Fehlerfunktion der Pumpe festzustellen, wenn mindestens der Druck im
Ablaufbereich der Kühlleitung, der Druck im Zulaufbereich der Kühlleitung oder der Druckabfall zwischen dem Ablaufbereich und dem Zulaufbereich der Kühlleitung einen erwarteten Mindestwert unterschreitet. Dabei kann bei jedem erwarteten Mindestwert eine zulässige Abweichung berücksichtigt werden, die beim Messen des Druckes auftreten kann, um Messfehler auszuschließen.
Zudem kann der jeweilige erwartete Mindestwert durch ein geeignetes
Entprellverfahren bereinigt werden, um zufällige Messfehler auszuschließen. Eine zu starke Abweichung zwischen den gemessenen Werten und den erwarteten Werten im Ablaufbereich der Kühlleitung und/oder im Zulaufbereich der Kühlleitung kann vorteilhafterweise einen Hinweis dafür liefern, dass die
Pumpe nicht mehr ausreichend Druck aufbauen kann. Ein zu starker Druckabfall zwischen dem Ablaufbereich und dem Zulaufbereich der Kühlleitung kann außerdem ein Hinweis dafür sein, dass der Druck in der Kühlleitung nicht richtig eingestellt ist. Somit kann eine Fehlerdiagnose der Pumpe vorteilhafterweise erweitert werden. Ferner ist die Erfindung auch auf ein Verfahren zum Betrieb eines Kühlsystems zum Temperieren eines Brennstoffzellensystems gerichtet, welches mit einer Kühlleitung zum Führen eines Kühlmittels, einer Pumpe zum Fördern des Kühlmittels durch die Kühlleitung, und mindestens einem Drucksensor zum
Überprüfen der Funktion der Pumpe ausgeführt ist, wobei das Verfahren mindestens einen folgenden Schritt aufweist:
a) Erstellen eines Kennfeldes mindestens für einen erwarteten Druck oder einen erwarteten Druckabfall in der Kühlleitung in Abhängigkeit von mindestens einer Drehzahl der Pumpe, einer Temperatur in der Kühlleitung oder eines Flusses eines Kühlmittels durch die Kühlleitung.
Das Kennfeld kann dabei die Druckwerte in Abhängigkeit von weiteren
Bedingungen umfassen, bspw. in Abhängigkeit von einem bestimmten Bereich in der Kühlleitung, einer Temperatur, einem Fluss, einem Volumen und/oder einer
Viskosität des Kühlmittels sowie von weiteren Parametern der Kühlleitung. Das Kennfeld kann dabei in einem Speicher hinterlegt werden, auf welchen die erfindungsgemäße Steuereinheit im Laufe des Betriebes des Kühlsystems zugreifen kann. Das Kennfeld kann dabei erfindungsgemäß mit Hilfe von den herstellerbedingten Spezifikationen der Pumpe erstellt werden. Außerdem ist es denkbar, dass zum Erstellen des Kennfeldes das Kühlsystem vermessen werden kann. In beiden Fällen können weitere Bedingungen berücksichtigt werden, die mit dem zu kühlenden Brennstoffzellensystem zusammenhängen, wie die Größe, Leistung und/oder Wirkungsgrad des Brennstoffzellensystems. Das Kennfeld kann außerdem Eigenschaften des Kühlmittels berücksichtigen, wie die
Viskosität des Kühlmittels. Das erfindungsgemäße Kennfeld kann somit vorteilhafterweise als ein Vergleichsfeld dienen, um eine Abweichung im Betrieb des Kühlsystems schnell erkennen zu können. Hierzu kann die Steuereinheit mit zumindest einem Drucksensor kommunizieren, um die aktuell gemessenen Druckwerte in der Kühlleitung abzufragen. Die erfindungsgemäße Steuereinheit kann danach die gemessenen Druckwerte analysieren und eine Fehlerdiagnose starten. Nach einem Fehlereintrag kann eine vertiefte und/oder erneute elektronische Fehlerdiagnose eingeleitet und/oder das zu kühlende Brennstoffzellensystem zunächst abgestellt werden, um die Komponenten des
Kühlsystems mechanisch zu überprüfen. Somit kann sichergestellt werden, dass das Brennstoffzellensystem stets zuverlässig gekühlt wird und nach einem rechtzeitigen Fehlereintrag nicht durch das fehlerhaft funktionierende Kühlsystem geschädigt wird.
Weiterhin kann es im Rahmen der Erfindung vorgesehen sein, dass im Schritt a) das Kennfeld mindestens für einen erwarteten Druck in einem Ablaufbereich der Kühlleitung, für einen erwarteten Druck in einem Zulaufbereich der Kühlleitung oder für einen erwarteten Druckabfall zwischen dem Ablaufbereich und dem Zulaufbereich der Kühlleitung erstellt werden kann. Der Ablaufbereich und der Zulaufbereich der Kühlleitung können dabei vorteilhafterweise repräsentative Positionen zum Messen des Druckes darstellen. Zudem kann der gemessene Druckabfall zwischen dem Ablaufbereich und dem Zulaufbereich der Kühlleitung zusätzliche Informationen über das zu kühlende Brennstoffsystem liefern. Somit kann der Betrieb des Kühlsystems und/oder des Brennstoffzellensystems genauer überwacht werden.
Des Weiteren kann es im Rahmen der Erfindung vorgesehen sein, dass im Schritt a) das Kennfeld mindestens anhand von Spezifikationen der Pumpe, durch Messen eines Druckes oder durch Messen eines Druckabfalles zu Beginn des Betriebes der Kühlleitung erstellt werden kann.
Mit Hilfe von Spezifikationen der Pumpe kann vorteilhafterweise ein erwarteter Druck für ein bestimmtes Kühlmittel in Abhängigkeit von der Drehzahl der Pumpe bestimmt werden. Somit kann das Kennfeld schnell und mit wenig Aufwand erstellt werden. Ein direktes Messen eines Druckes und/oder eines Druckabfalles zu Beginn des Betriebes der Kühlleitung ermöglicht wiederum eine sehr genaue Erstellung des Kennfeldes.
Danach kann das erfindungsgemäße Verfahren mindestens einen folgenden Schritt aufweisen:
b) Erfassen mindestens eines Druckes durch einen ersten Drucksensor in einem Ablaufbereich der Kühlleitung oder eines Druckes durch einen zweiten
Drucksensor in einem Zulaufbereich der Kühlleitung. Somit können vorteilhafterweise die aktuellen Werte des Druckes gezielt in einem bestimmten Bereich der Kühlleitung gemessen werden. Dies ermöglicht den erfindungsgemäßen Vergleich mit den erwarteten Druckwerten, um eine Analyse der Funktion des Kühlsystems auszuführen.
Zudem kann das erfindungsgemäße Verfahren mindestens einen weiteren Schritt aufweisen:
c) Feststellen einer Fehlerfunktion der Pumpe durch eine Steuereinheit, wenn mindestens der gemessene Druck im Ablaufbereich der Kühlleitung, der gemessene Druck im Zulaufbereich der Kühlleitung oder der gemessene
Druckabfall zwischen dem Ablaufbereich und dem Zulaufbereich der Kühlleitung einen erwarteten Mindestwert unterschreitet.
Dabei kann der jeweilige zulässige Mindestwert eine zulässige Abweichung beinhalten, die beim Messen des Druckes auftreten kann, um ungewollte
Messfehler auszuschließen. Zudem kann der jeweilige Mindestwert durch ein geeignetes Entprellverfahren verifiziert werden, um zufällige Messfehler auszuschließen. Eine zu starke Abweichung zwischen den gemessenen und den erwarteten Werten im Ablaufbereich der Kühlleitung und/oder im Zulaufbereich der Kühlleitung kann erfindungsgemäß ein Hinweis dafür sein, dass die Pumpe nicht mehr richtig funktioniert und eine mechanische Überprüfung des
Kühlsystems eingeleitet werden soll. Ein zu starker Druckabfall zwischen dem Ablaufbereich und dem Zulaufbereich der Kühlleitung kann einen weiteren Hinweis dafür liefern, dass bspw. der Druck in der Kühlleitung nicht richtig eingestellt ist. Somit kann eine Fehlerdiagnose der Pumpe verbessert werden.
Schließlich kann das erfindungsgemäße Verfahren mindestens einen weiteren Schritt aufweisen:
al) Einstellen eines bestimmten Druckes in einem Ablaufbereich der Kühlleitung durch Ansteuerung der Pumpe, wobei der eingestellte Druck einem
Betriebsdruck des Brennstoffzellensystems, insbesondere in einer Anodenleitung des Brennstoffzellensystems, angepasst sein kann.
Dabei ist es wichtig, dass das Kühlmittel mit einem bestimmten Druck nahe dem Anodendruck befördert wird, um sicherzustellen, dass das Gehäuse des Brennstoffzellensystems nicht undicht wird. Somit kann vorteilhafterweise ermöglicht werden, dass das Brennstoffzellensystem mit einem geeigneten Druck in der Kühlleitung gekühlt werden kann, um das Brennstoffzellensystem nicht zu beschädigen.
Bevorzugtes Ausführungsbeispiel:
Das erfindungsgemäße Kühlsystem und dessen Weiterbildungen sowie dessen Vorteile und das erfindungsgemäße Verfahren zum Betrieb des Kühlsystems und seine Weiterbildungen sowie seine Vorteile werden nachfolgend anhand einer Zeichnung näher erläutert. Es zeigt dabei:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Kühlsystems für ein Brennstoffzellensystem.
Die Figur 1 zeigt dabei ein erfindungsgemäßes Kühlsystem 1, welches mit einer geschlossenen Kühlleitung 10 für ein Kühlmittel ausgeführt ist. Eine geschlossene Kühlleitung 10 heißt im Sinne der Erfindung, dass das Kühlmittel in der Kühlleitung 10 nicht mit der Umgebung in Kontakt kommen kann, sodass ein bestimmter Druck in der Kühlleitung 10 durch eine Pumpe 11 leicht eingestellt werden kann. Die Pumpe 11 kann dabei mit einer bestimmten Drehzahl betrieben werden, um den Druck P in der Kühlleitung 10 einzustellen. Am Ausgang der Pumpe 11 befindet sich der Ablaufbereich I der Kühlleitung 10, in welchem ein erster Temperatursensor 12 und ein erster Drucksensor 13 angeordnet sind. Das Kühlmittel der Kühlleitung 10 wird anschließend zu einem zu kühlenden Brennstoffzellensystem 100 (Stack) befördert, wo es die
Prozesswärme des Brennstoffzellensystems 100 aufnehmen kann. Der Bereich der Kühlleitung 10 nach dem Durchgang des Brennstoffzellensystems 100 heißt Zulaufbereich II der Kühlleitung 10. Im Zulaufbereich II der Kühlleitung 10 sind wiederum ein zweiter Temperatursensor 14 und ein zweiter Drucksensor 15 positioniert. Erfindungsgemäß ist es jedoch denkbar, dass nur ein erster
Drucksensor 13 oder nur ein zweiter Drucksensor 15 ausreichen kann, um anhand der Analyse der Messergebnisse des Druckes die Funktion der Pumpe 11 erfindungsgemäß zu überprüfen. Schließlich wird das aufgewärmte Kühlmittel nach dem Durchgang des Brennstoffzellensystems 100 zu einem Kühler 16, bspw. einem Fahrzeugkühler, abgeführt, wo es mit Hilfe eines Lüfters 17 wieder abgekühlt werden kann.
Erfindungsgemäß wird die Funktion der Pumpe 11 dadurch überprüft, dass der von ihr erzeugte Druck P an zumindest einer Stelle I, II in der Kühlleitung 10 überwacht wird. Dadurch kann auch bei geringer Wärmelast im Brennstoffzellensystem 100 eine zu schwach arbeitende Pumpe 11 zuverlässig erkannt werden. Die diagnostizierte Größe, also der Druck P, ist für die Anwendung des
Kühlsystems 1 für ein Brennstoffzellensystem 100 sehr wichtig, weil der Druck P nicht nur die Kühlleistung beeinflussen kann, sondern auch nah genug an einen
Betriebsdruck PA in einer Anodenleitung des Brennstoffzellensystems 100 eingestellt sein soll, um das Brennstoffzellensystem 100 nicht zu gefährden. Deswegen sind eine Überwachung und eine genaue Einstellung des Druckes P in der Kühlleitung 10 für das zu kühlende Brennstoffzellensystem 100 vorteilhaft.
Vor I oder nach dem Durchfluss II des Kühlmittels durch den Stack 100 kann erfindungsgemäß jeweils ein Drucksensor 13, 15 verbaut sein. Wenn die Pumpe 11 mit einer bestimmten Leistung läuft, z. B. mit einer bestimmten Ansteuerung oder Drehzahl, kann bei gegebener Kühlmitteltemperatur T bestimmt werden, wie viel Druck P die Pumpe 11 bei welchem Kühlmittelfluss F aufbauen kann. Hierzu können (Hersteller-)Spezifikationen der Pumpe 11 herangezogen oder das Kühlsystem 1 einzeln vermessen werden. Dabei kann in einem Speicher 19 einer Steuereinheit 18 ein Kennfeld hinterlegt werden, welches den Druck P in der Kühlleitung 10 in Abhängigkeit von verschiedenen Bedingungen im Kühlsystem 1 und/oder im Brennstoffzellensystem 100 umfassen kann, bspw. in Abhängigkeit von einer Drehzahl der Pumpe 11, einem bestimmten Bereich I, II in der
Kühlleitung 10, einer Temperatur T, einem Fluss, einem Volumen und/oder einer Viskosität des Kühlmittels sowie von weiteren Parametern der Kühlleitung 10, wie die Länge und/oder Breite der Kühlleitung 10.
Im Kühlsystem 1 ist somit bei einer gegebenen Drehzahl der Pumpe 11, bei einer bekannten Temperatur T und einem gegebenen Fluss F des Kühlmittels der Druck PI im Ablaufbereich I der Kühlleitung 10 und der Druck P2 im
Zulaufbereich II der Kühlleitung 10 und/oder der Druckabfall ΔΡ bei dem
Durchgang an dem Brennstoffzellensystem 100 und den weiteren Teilen des Kühlsystems 1, wie z. B. des Kühlers 16, aus dem Kennfeld bekannt. Die korrekte Funktion der Pumpe 11 kann dann wie folgt plausibilisiert werden.
In einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung kann der erste Drucksensor 13 im Ablaufbereich I der Kühlleitung 10 überwacht werden. An der Pumpe 11 erzeugter erwarteter Druck PI* ist eine Funktion der Ansteuerung bzw. der Drehzahl der Pumpe 11 und der Temperatur Tl in der Kühlleitung 10, die durch den ersten Temperatursensor 12 gemessen wird. Dieser Druck PI* ist also spezifisch für den Ablaufbereich I der Kühlleitung 10. Dieser erwartete Wert PI* kann erfindungsgemäß durch die Steuereinheit 18 mit einem durch den ersten
Drucksensor 13 gemessenen Druck PI verglichen werden. Ist der gemessene Druck PI zu niedrig, bspw. nicht durch Toleranzen ΔΡ1 erklärbar, dann arbeitet die Pumpe 11 nicht mehr wie spezifiziert. Wird also festgestellt, dass:
PI + ΔΡ1 < PI*, wobei ΔΡ1 eine zulässige Toleranz für den ersten Drucksensor 13 ist, dann kann durch die erfindungsgemäße Steuereinheit 18 ein Fehlereintrag, bspw.
Warnsignal, und/oder eine Fehlerreaktion, bspw. Abstellen des
Brennstoffzellensystems 100, eingeleitet werden. Nach erfolgtem Fehlereintrag kann der Fehler behoben werden, ehe es zu einer zu hohen Temperatur T im Brennstoffzellensystem 100 kommt und der Stack 100 beschädigt wird. Der Fehler kann somit mit Hilfe der Erfindung früher erkannt werden als bei einer
Überwachung nur über die Temperatur T.
In einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung kann der zweite
Drucksensor 15 im Zulaufbereich II der Kühlleitung 10 überwacht werden. Der am zweiten Drucksensor 15 gemessene Druck P2 ist eine Funktion der
Ansteuerung der Pumpe 11 und der Temperatur T2 in der Kühlleitung 10, die durch den zweiten Temperatursensor 12 gemessen wird. Der erwartete Druck P2*=P1*+ ΔΡ* an dieser Stelle II ist im erfindungsgemäßen Kennfeld hinterlegt. Dabei kann ein erwarteter Druckabfall ΔΡ* über den Stack 100 als eine Funktion vom Kühlmittelfluss F und der Temperatur T des Kühlmittels berücksichtigt sein. Alternativ kann der erwartete Druck P2* durch Vermessen des Kühlsystems 1 vor Inbetriebnahme bestimmt werden.
Wird jedoch festgestellt, dass:
P2 + ΔΡ2 < P2*, wobei ΔΡ2 eine zulässige Toleranz für den zweiten Drucksensor 15 ist, kann ebenfalls durch die erfindungsgemäße Steuereinheit 18 ein Fehlereintrag und/oder eine Fehlerreaktion eingeleitet werden.
Außerdem ist es denkbar, dass der Druck P2 am zweiten Drucksensor 15 zum Verifizieren der Messergebnisse am ersten Drucksensor 13 herangezogen werden kann. Zudem kann der erwartete Druckabfall ΔΡ* über den Stack 100 mit dem gemessenen Druckabfall ΔΡ=Ρ1-Ρ2 verglichen werden, um die Diagnosen im Kühlsystem 1 und/oder im Brennstoffzellensystem 100 zu erweitern.
Die voranstehende Beschreibung der Figur 1 beschreibt die vorliegende
Erfindung ausschließlich im Rahmen von einem Beispiel. Selbstverständlich können einzelne Merkmale der Ausführungsformen, sofern es technisch sinnvoll ist, frei miteinander kombiniert werden, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.

Claims

Ansprüche
1. Kühlsystem (1) zum Temperieren eines Brennstoffzellensystems (100), mit einer Kühlleitung (10) zum Führen eines Kühlmittels,
einer Pumpe (11) zum Fördern des Kühlmittels durch die Kühlleitung (10), und mindestens einem Drucksensor (13, 15) zum Überprüfen der Funktion der Pumpe (11),
dadurch gekennzeichnet,
dass eine Steuereinheit (18) vorgesehen ist, die dazu ausgelegt ist, die Messergebnisse des Drucksensors (13, 15) zu analysieren, um die Funktion der Pumpe (11) zu überprüfen.
2. Kühlsystem (1) nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Kühlleitung (10) einen Ablaufbereich (I) und einen Zulaufbereich (II) aufweist,
und/oder dass die Kühlleitung (10) einen geschlossenen Kreis für das Kühlmittel bildet.
3. Kühlsystem (1) nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass ein erster Drucksensor (13) im Ablaufbereich (I) der Kühlleitung (10) angeordnet ist,
und/oder dass ein zweiter Drucksensor (15) im Zulaufbereich (II) der Kühlleitung (10) angeordnet ist. Kühlsystem (1) nach einem der vorgehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Steuereinheit (18) dazu ausgelegt ist, eine Fehlerfunktion der Pumpe (11) festzustellen, wenn mindestens der Druck (P) im Ablaufbereich (I) der Kühlleitung (10), der Druck (P) im Zulaufbereich (II) der Kühlleitung (10) oder der Druckabfall (ΔΡ) zwischen dem Ablaufbereich (I) und dem Zulaufbereich (II) der Kühlleitung (10) einen erwarteten Mindestwert unterschreitet.
Verfahren zum Betrieb eines Kühlsystems (1) zum Temperieren eines
Brennstoffzellensystems (100), welches mit
einer Kühlleitung (10) zum Führen eines Kühlmittels,
einer Pumpe (11) zum Fördern des Kühlmittels durch die Kühlleitung (10), und mindestens einem Drucksensor (13, 15) zum Überprüfen der Funktion der Pumpe (11) ausgeführt ist,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Verfahren mindestens einen folgenden Schritt aufweist:
a) Erstellen eines Kennfeldes mindestens für einen erwarteten Druck (P) oder einen erwarteten Druckabfall (ΔΡ) in der Kühlleitung (10) in
Abhängigkeit von mindestens einer Drehzahl der Pumpe (11), einer Temperatur (T) in der Kühlleitung (10) oder eines Flusses (F) eines Kühlmittels durch die Kühlleitung (10).
Verfahren nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass im Schritt a) das Kennfeld mindestens für einen erwarteten Druck (PI*) in einem Ablaufbereich (I) der Kühlleitung (10),
für einen erwarteten Druck (P2*) in einem Zulaufbereich (II) der Kühlleitung (10) oder
für einen erwarteten Druckabfall (ΔΡ*) zwischen dem Ablaufbereich (I) und dem Zulaufbereich (II) der Kühlleitung (10) erstellt wird. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6,
dadurch gekennzeichnet,
dass im Schritt a) das Kennfeld mindestens anhand von Spezifikationen der Pumpe (11), durch Messen eines Druckes (P) oder durch Messen eines Druckabfalles (ΔΡ) zu Beginn des Betriebes der Kühlleitung (10) erstellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Verfahren mindestens einen folgenden Schritt aufweist:
b) Erfassen mindestens eines Druckes (PI) durch einen ersten
Drucksensor (13) in einem Ablaufbereich (I) der Kühlleitung (10) oder eines Druckes (P2) durch einen zweiten Drucksensor (15) in einem
Zulaufbereich (II) der Kühlleitung (10).
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Verfahren mindestens einen weiteren Schritt aufweist:
c) Feststellen einer Fehlerfunktion der Pumpe (11) durch eine Steuereinheit (18), wenn mindestens der gemessene Druck (PI) im Ablaufbereich (I) der Kühlleitung (10),
der gemessene Druck (P2) im Zulaufbereich (II) der Kühlleitung (10) oder der gemessene Druckabfall (ΔΡ) zwischen dem Ablaufbereich (I) und dem Zulaufbereich (II) der Kühlleitung (10)
einen erwarteten Mindestwert unterschreitet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 9,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Verfahren mindestens einen weiteren Schritt aufweist:
al) Einstellen eines bestimmten Druckes (PI) in einem Ablaufbereich (I) der Kühlleitung (10) durch Ansteuerung der Pumpe (11), wobei der eingestellte Druck (PI) einem Betriebsdruck (PA) des
Brennstoffzellensystems (100), insbesondere in einer Anodenleitung des Brennstoffzellensystems (100), angepasst ist.
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