DE102004005446A1 - Mit Brennstoff betreibbare Vorrichtung zur Wandlung von Energie, insbesondere Brennstoffzellenvorrichtung - Google Patents

Mit Brennstoff betreibbare Vorrichtung zur Wandlung von Energie, insbesondere Brennstoffzellenvorrichtung Download PDF

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Abstract

Die Erfindung beschreibt eine mit gasförmigem Brennstoff betreibbare Vorrichtung zur Wandlung von Energie, insbesondere eine Brennstoffzellenvorrichtung mit Brennstoffzelle (2), Brennstoffspeicher (5) und Verbraucher (6), Stellmittel, Sensoren und Überwachungseinheit. Ihr liegt die Aufgabe zu Grunde, ihren Betrieb sicherheitstechnisch zu überwachen. Sie ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Überwachungseinheit (3) für die Verbrauchsermittlung der Brennstoffzelle (2) vorhanden ist, und/oder für die Überwachung von Komponenten, die für deren Betrieb erforderlich sind.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine mit gasförmigem Brennstoff betreibbare Vorrichtung zur Gewinnung von Energie, insbesondere eine Brennstoffzellenvorrichtung sowie ein Verfahren zu deren Betrieb nach den Oberbegriffen der Ansprüche 1 und 10.
  • Mobile Brennstoffzellensysteme (BZ-Systeme) für Fahrzeuge mit Brennstoffzellenantrieb oder Auxiliary Power Unit (APU), auch mit vorgeschalteter Reformierung, befinden sich bisher nicht in einem serienreifen Zustand, stationäre BZ-Systeme ebenfalls nicht. Das Gleiche gilt für Wasserstoff (H2)-Verbrennungsmotoren, die für ihren Betrieb mit einem entsprechenden Tank ausgerüstet sind.
  • Ein Problem für den Betrieb von Gasverbrennungsmotoren und Brennstoffzellenvorrichtungen sind Gasleckagen, die aufgrund der großen Spanne der Zündfähigkeit gefährlich und nicht leicht zu entdecken sind, besonders wenn ein Gas wie H2 verwendet wird, das geruchsneutral und farblos ist.
  • Der Ausfall im Sinne des nicht ordnungsgemäßen Funktionierens von Komponenten, die von Gas durchströmt werden, wird bisher nur dann bemerkt, wenn sie nicht mehr funktionieren oder wenn externe Gassensoren ansprechen. Das gilt sowohl für einen Defekt, wenn z.B. ein Ventil nicht richtig schaltet, als auch für Leckagen, also wenn Gas austritt. Angesichts der Sicherheitsrelevanz dieser Komponenten ist ein sehr schnelles oder vorzeitiges Erkennen eines Defektes wichtig.
    •
  • Aufgabe und Vorteile der Erfindung
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine mit gasförmigem Brennstoff betreibbare Vorrichtung zur Wandlung von Energie, insbesondere eine Brennstoffzellenvorrichtung, zur Verfügung zu stellen, die in der Lage ist, ihren Betrieb sicherheitstechnisch zu überwachen, sowie weiterhin ein Verfahren zu deren Überwachung.
  • Gelöst wird diese Aufgabe durch die technische Lehre der Ansprüche 1 und 10.
  • Aus den Unteransprüchen gehen weitere Merkmale für vorteilhafte Ausführungen und Weiterbildungen der Erfindung hervor.
  • Dementsprechend zeichnet sich eine mit gasförmigem Brennstoff betreibbare Vorrichtung zur Wandlung von Energie nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 dadurch aus, dass eine Überwachungseinheit für die Ermittlung des Verbrauchs der Vorrichtung an gasförmigem Brennstoff vorhanden ist, und/oder für die Überwachung von Komponenten, die für deren Betrieb erforderlich sind.
  • Bei der Vorrichtung zur Wandlung von Energie handelt es sich zwar vorzugsweise um eine Brennstoffzellenvorrichtung; es kann sich dabei beispielsweise aber auch um einen Wasserstoff-Verbrennungsmotor, einen Erdgas-Verbrennungsmotor oder einen Verbrennungsmotor mit einem anderen gasförmigen Brennstoff handeln. Grundsätzlich sind somit alle Vorrichtungen zur Energiewandlung mit Gastank dazu geeignet, in dieser Weise als Gesamteinheit überwacht zu werden.
  • Zusätzlich können aber auch die Funktionen der Komponenten in der Gasstrecke überwacht werden, wie z.B. ein fehlerhaft öffnendes oder fehlerhaft angesteuertes Sicherheitsventil. Die Komponentenüberwachung kann durch Vergleich des Soll-Verhaltens des Systems bei Kenntnis des Betriebsstandes einzelner Komponenten und des Ist-Verhaltens des Systems realisiert werden.
  • Tatsächlicher Verbrauch
  • Zur Ermittlung des tatsächlichen Verbrauchs der Vorrichtung kann die Abnahme des Treibstoffvorrates im Tank mit entsprechenden Sensoren gemessen werden oder die Menge des zugeführten gasförmigen Brennstoffs.
  • Bei Wasserstoff kann z.B. die Menge über im Tank angeordneten Füllstandssensoren oder Druck- und Temperaturmessung im Tank bestimmt werden. Aus der zeitlichen Änderung der Werte ist auf den tatsächlichen Verbrauch zu schließen. Bei anderen H2-Speichermöglichkeiten (z.B. flüssig H2, Metallhydrid, Nanocarbon, Natriumborhydrik) können auch der Speichertechnik angepasste "Füllstandssensoren", z.B. Flüssigkeitspegel oder Gewicht, verwendet werden. Alternativ kann auch der Massenstrom am Tankaustritt durch Sensoren erfasst werden.
  • Damit kann ein Verbrauch z.B. als Masse Treibstoff/Zeiteinheit oder entsprechende Größe wie z.B. Volumen/Zeiteinheit angegeben werden.
  • Verbrauchsmodell 1 und Verbrauchsmodell 2
  • In einer weiter bevorzugten Ausführungsform ist ein Berechnungsalgorithmus für die Ermittlung eines modellhaften Verbrauchswertes der Vorrichtung auf der Basis von bereitgehaltenen Systemparametern und der erfassten, aktuell gewonnenen Energie vorgesehen. Die für die Berechnung von modellhaften Verbrauchswerten erforderlich Systemparameter können dazu in einem Datenspeicher abgelegt werden.
  • Diese modellhaften Verbrauchswerte stellen einen theoretischen Verbrauchswert der Vorrichtung dar, der aufgrund der durch den Energiewandler abgegebenen Energie zu erwarten ist. Dazu kann die erzeugte Energie, z.B. der durch die Brennstoffzelle erzeugte Strom, gemessen werden.
  • Das Verbrauchsmodell kann bei einem Brennstoffzellensystem folgendermaßen aufgebaut sein. Der aktuell fließende elektrische Strom oder eine entsprechende Größe muss erfasst und umgerechnet werden, in den für diesen elektrischen Strom einhergehenden Brennstoff-Molenstrom, der durch die BZ-Membran wandert (z.B. gemäß Strom I = Faradaykonstante mal Molenstrom mal Wertigkeit). Durch Multiplikation des Molenstroms mit der Molmasse erhält man den Massenstrom.
  • Zu diesem Wert addiert man alle Änderungen der Wasserstoffmengen, die auf der Anodenseite anstehen und noch nicht umgesetzt sind. Die Menge des Anodengases wird z.B. über Druckerfassung ermittelt. Ebenso subtrahiert man alle Gasmengen, die über zusätzliche Ventile dem System zeitweise oder auf Dauer entzogen werden, z.B. jene, die rezirkuliert oder als Restgas abgelassen werden. Beim Rezirkulationsanteil handelt es sich um Brennstoff, der von der Brennstoffzellenvorrichtung nicht umgewandelt und demnach dem Prozess wieder zugeführt wird.
  • Der Rezirkulationsanteil kann z.B. mit einem H2-Massenstrommesser gemessen oder abgeschätzt werden. Der Ablass-Anteil kann aus den Öffnungszeiten der Ablassventile abgeschätzt werden. Der Verbrauch kann auch in anderen geeignete Größen wie z.B. Masse, Mol angegeben werden.
  • Vergleich modellhafter Verbrauch und tatsächlicher Verbrauch
  • In einer nächsten Ausführungsform kann ein Vergleichsalgorithmus zur Überwachung des tatsächlichen Verbrauchs der Brennstoffzelle in Gegenüberstellung mit modellhaften Verbrauchswerten vorhanden sein. Der Vergleich zwischen Verbrauchsmodell und tatsächlichem Verbrauch bietet eine schnelle, einfache und zuverlässige Möglichkeit, ungewolltes Austreten von Wasserstoff zu bemerken.
  • Alle notwenigen Informationen sind der Überwachungseinheit bekannt, es werden keine zusätzlichen Sensoren benötigt. Wenn zusätzlich H2-Sensoren als Sicherheitsüberwachung vorhanden sind, kann sogar eine Redundanz zwischen erkannter Leckage aus Verbrauchsüberwachung und den zusätzlichen H2-Sensoren geschaffen werden. Die genaue Kenntnis des Verbrauchs kann auch als Eingangsgröße für weitere Überwachungslogiken dienen.
  • In einer weiteren, bevorzugten Ausführungsform ist es vorgesehen, dass ein Überwachungsalgorithmus für die Überwachung einzelner oder mehrerer, für den Betrieb der Wandelvorrichtung erforderlicher Gas-Dossier-Komponenten wie Ventile, Drosselklappen, Gebläse, Verdichter, Sensoren und dergleichen mehr auf deren ordnungsgemäße Funktion vorhanden ist. Durch diesen Überwachungsalgorithmus können die Komponenten zeit- und/oder ereignisgesteuert von der Überwachungseinheit auf ordentliche, definitionsgemäße Funktion geprüft werden.
  • In einer demgegenüber abgewandelten Ausführungsform ist ein Überwachungsalgorithmus für eine kennfeldbasierende Überwachung einzelner oder mehrerer, für den Betrieb der Wandelvorrichtung erforderlicher Komponenten wie Ventile, Drosselklappen, Gebläse, Verdichter und dergleichen mehr auf deren ordnungsgemäße Funktionen vorhanden. Dadurch ist es möglich, anhand von Kennfeldern den ordnungsgemäßen Zustand der betreffenden Komponenten zu überprüfen bzw. zu überwachen. In den Kennfeldern können entsprechende Parameter abgelegt werden, so dass beispielsweise einer bestimmten Winkeleinstellung einer Drosselklappe eine entsprechende Durchflussmenge zugeordnet werden kann, die durch die Überwachungseinheit mittels des Überwachungsalgorithmus auf Richtigkeit hin geprüft werden kann. Wichtig ist, dass über die Kennlinien Durchflussmengen bestimmt werden, woraus sich ein weiterer modellhafter Verbrauch bestimmen lässt.
  • In einer demgegenüber weiter bevorzugten Ausführungsform kann es vorgesehen sein, dass ein Auswertealgorithmus zur Lokalisierung einer Fehlfunktion in der Vorrichtung vorhanden ist. Durch diesen Auswertealgorithmus kann nach Erkennung einer Störung eine Überprüfung einzelner Komponenten durch den Überwachungsalgorithmus für die Komponenten erfolgen, bis gegebenenfalls eine fehlerhafte Komponente ermittelt ist.
  • Zur Erfassung der einzelnen Betriebsparameter für die Verarbeitung durch die Überwachungseinheit ist in einer bevorzugten Ausführungsform mindestens ein Sensor vorgesehen, der die physikalischen Größen erfasst und an die Überwachungseinheit weiterleitet. Z.B. Drucksensor, Temperatursensor, Feuchtesensor, Massenstromsensor oder Gaskonzentrationssensor für Wasserstoff oder Sauerstoff.
  • In einer demgegenüber bevorzugten Ausführungsform ist es vorgesehen, dass eine Anzeigeeinheit, beispielsweise eine Warnlampe für die Visualisierung von Fehlfunktionen in der Vorrichtung vorhanden ist. Wahlweise kann auch ein Eintrag des Fehlers in eine Diagnoseeinheit erfolgen, die entsprechend ausgelesen werden kann, oder der Fehler kann in einem Display beschrieben werden. Die Anzeigeeinheit kann auch den aktuellen und mittleren Verbrauch dem Fahrer mitteilen.
    •
  • Ausführungsbeispiel der Erfindung
  • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den beigefügten Zeichnungen dargestellt, und wird nachfolgend anhand der Figurenbeschreibung näher erläutert. Es zeigen
  • 1 ein schematisches Blockschaltbild für eine Vorrichtung zur Gewinnung von Energie; und
  • 2 bis 6 Flussdiagramme für Überwachungs- und Prüfalgorithmen.
  • Die 1 zeigt als Ausführungsbeispiel ein schematisches Blockschaltbild für eine Brennstoffzellenvorrichtung 1 mit Brennstoffzelle 2, Überwachungseinheit 3, Datenspeicher 4 und Brennstoffspeicher 5 sowie einem Verbraucher 6, Stellmittel 16, 17, 18, Sensoren 11 bis 15 und einer Anzeigeeinheit 7. Brennstoffleitungen 8 verbinden den Brennstoffspeicher 5 mit der Brennstoffzelle 2, von deren Auslass ein Rezirkulationspfad 10 zurück zum Einlass der Brennstoffzelle 2 führt, so dass nicht verbrauchter Brennstoff wieder in den Betriebskreislauf zurückgeführt werden kann. Von der Brennstoffzelle 2 geht auch eine Elektroleitung 9 an den Verbraucher 6 um diesen mit elektrischem Strom zu versorgen.
  • In der Überwachungseinheit 3 laufen die Überwachungs- und Prüfungsvorgänge sowohl für die gesamte Vorrichtung als auch für die einzelnen Komponenten ab. Sie arbeitet die jeweiligen Algorithmen ab und liefert die entsprechenden Ergebnisse, wodurch gegebenenfalls weitere Algorithmen angestoßen werden.
  • Die Überwachungseinheit 3 startet dazu, wie im Flussdiagramm nach 2 gezeigt, im Programmpunkt 2.1 den Ablauf eines Prüfalgorithmus 20. In 2.2 wird die Ermittlung des aktuellen, tatsächlichen Verbrauchs der Vorrichtung an gasförmigem Brennstoff durchgeführt. Bei 2.3 wird die Ermittlung des aktuellen, modellhaften Verbrauchs der Vorrichtung an gasförmigem Brennstoff durchgeführt. Die beiden Programmpunkte 2.2 und 2.3 können dabei wahlweise gleichzeitig oder nacheinander ablaufen.
  • Im Programmpunkt 2.4 werden dann die Ergebnisse aus 2.2 und 2.3 gegenübergestellt. Dabei wird abgefragt, ob der tatsächliche Verbrauch gleich dem modellhaften Verbrauch ist, inklusive der akzeptierten Toleranz. Bei positivem Ergebnis der Gegenüberstellung in 2.4, also Gleichheit der beiden Werte, wird anschließend im Programmpunkt 2.6 das Ende des Prüfalgorithmus 20 erreicht.
  • Bei Abweichen des tatsächlichen Verbrauchs der Vorrichtung über die akzeptierte Toleranz gegenüber dem modellhaft errechneten Verbrauch wird bei 2.5 eine Fehlermeldung generiert, und gegebenenfalls die Anlage stillgelegt. Anschließend wird ebenfalls im Programmpunkt 2.6 das Ende des Prüfalgorithmus 20 erreicht.
  • In 3 wird ein Flussdiagramm als Berechnungsalgorithmus 30 für die Erfassung des tatsächlichen Verbrauchs der Vorrichtung zur Gewinnung von Energie gezeigt. Im Programmpunkt 3.1 wird dieser Algorithmus gestartet. In 3.2 wird der Füllstand im Tank abgefragt und als Wert "W1" zum Zeitpunkt t1 abgespeichert. Durch Differenziation des Füllstandes über der Zeit erhält man den Verbrauch zum Zeitpunkt t1, durch Integration des Verbrauchs erhält man den mittleren Verbrauch in einer Zeiteinheit. Bei 3.3 wird der Ablauf des Programms für die Zeit "t" angehalten. Nach Ablauf dieser Zeit "t" wird bei 3.4 wiederum der Füllstand im Tank abgefragt und als Wert "W2" abgespeichert. Anschließend wird in 3.5 der Wert "W2" vom wert "W1" subtrahiert und das Ergebnis durch die Zeit "t" geteilt. Bei 3.6 wird das Ergebnis aus 3.5 als tatsächlicher Verbrauchswert für die Zeiteinheit "t" gespeichert. Nach diesem Speichervorgang wird im Programmpunkt 3.7 das Ende dieses Algorithmus erreicht.
  • In 4 wird ein Flussdiagramm als Berechnungsalgorithmus 40 für die Erfassung des modellhaften Verbrauchswertes gezeigt. Im Programmpunkt 4.1 startet dieser Berechnungsalgorithmus. In 4.2 werden die bereitgehaltenen Systemparameter geladen, in 4.3 wird ein Wert für die aktuell gewonnene Energie erfasst, beispielsweise der durch die Brennstoffzelle erzeugte Strom. Bei 4.4 wird unter Verknüpfung der Daten aus 4.2 und 4.3 der theoretische Verbrauch der Vorrichtung als Modellverbrauchswert ermittelt. Anschließend wird in 4.5 dieses Ergebnis als Modellverbrauchswert abgespeichert, woraufhin bei 4.6 das Ende dieser Routine erreicht ist.
  • In der 5 wird der Überwachungsalgorithmus 50 für die Komponenten gezeigt. Mit dem Programmpunkt 5.1 wird dieser Überwachungsalgorithmus gestartet. Die Betriebsstellung der zu überwachenden Komponente wird unter 5.2 ermittelt. Der zu erwartende Betriebswert für diese Einstellung der geprüften Komponente wird unter 5.3 ermittelt. Der tatsächliche Betriebswert dieser Komponente wird aus Systemreaktionen unter 5.4 ermittelt und die Abfrage, ob der erwartete Betriebswert gleich dem tatsächlichen Betriebswert ist, erfolgt unter 5.5. Bei positivem Ergebnis der Gegenüberstellung in 5.5 wird anschließend mit 5.7 das Ende des Prüfalgorithmus 20 erreicht.
  • Bei einem Abweichen des tatsächlichen Betriebswertes in Gegenüberstellung mit dem erwarteten Betriebswert wird unter 5.6 eine Fehlermeldung generiert, wonach bei 5.7 ebenfalls das Ende des Überwachungsalgorithmus 50 erreicht ist.
  • Gegebenenfalls kann dieser Algorithmus auf Daten zurückgreifen, die als Kennfelder bereitgehalten werden. Der Algorithmus kann dann geändert ablaufen.
  • Die 6 zeigt ein Flussdiagramm für den Auswertealgorithmus 60 der zur Lokalisierung einer fehlerhaften Komponente in der Vorrichtung vorgesehen ist. Mit 6.1 startet der Auswertealgorithmus 60 und bestimmt eine zu prüfende Komponente. Unter 6.2 ruft der Auswertealgorithmus den Überwachungsalgorithmus 50 für die zu prüfenden Komponenten auf. Unter 6.3 wird abgefragt, ob ein Fehler gemeldet wurde. Wurde kein Fehler gemeldet, so wird unter 6.4 abgefragt, ob alle zu prüfenden Komponenten bereits geprüft sind. Sind noch nicht alle Komponenten geprüft, so wird unter 6.5 die nächste zu prüfende Komponente bestimmt und zurück an den Anfang des Programmpunktes 6.2 gesprungen. wurden bereits alle Komponenten geprüft und kein Fehler gemeldet, so endet der Auswertealgorithmus für diesen Programmzweig unter 6.7.
  • Wird unter 6.3 ein Fehler für die geprüfte Komponente festgestellt, so wird im Programmpunkt 6.6 eine Fehlermeldung über die fehlerhafte Komponente durchgeführt. Anschließend wird an den Anfang des Programmpunktes 6.4 gesprungen.
  • Die Erfindung ist nicht auf das dargestellte und beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. Sie umfasst auch vielmehr alle Ausführungsvarianten im Rahmen der Ansprüche.

Claims (12)

  1. Mit gasförmigem Brennstoff betreibbare Vorrichtung zur Wandlung von Energie, insbesondere eine Brennstoffzellenvorrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass eine Überwachungseinheit (3) für die Ermittlung des Verbrauchs der Vorrichtung an gasförmigem Brennstoff vorhanden ist, und/oder für die Überwachung von Komponenten, die für deren Betrieb erforderlich sind.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Berechnungsalgorithmus (30) für die Ermittlung des tatsächlichen Verbrauchs der Vorrichtung zur Gewinnung von Energie an gasförmigem Brennstoff vorhanden ist.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Berechnungsalgorithmus (40) für die Ermittlung eines modellhaften Verbrauchswertes der Vorrichtung auf der Basis von bereitgehaltenen Systemparametern und der erfassten, aktuell gewonnenen Energie vorhanden ist.
  4. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Vergleichsalgorithmus (2.4) zur Überwachung des tatsächlichen Verbrauches der Brennstoffzelle (2) in Gegenüberstellung mit einem modellhaften Verbrauchswert vorhanden ist.
  5. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Überwachungsalgorithmus (50) für die Überwachung einzelner oder mehrerer, für den Betrieb erforderlicher Gas-Dossier-Komponenten wie Ventile, Drosselklappen, Gebläse, Verdichter und dergleichen mehr, sowie Sensoren auf deren ordnungsgemäße Funktion vorhanden ist.
  6. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Überwachungsalgorithmus (50) für eine kennfeldbasierende Überwachung einzelner oder mehrerer, für den Betrieb erforderlicher Komponenten wie Ventile, Drosselklappen, Gebläse, Verdichter und dergleichen mehr, sowie Sensoren auf deren ordnungsgemäße Funktion vorhanden ist.
  7. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Auswertealgorithmus (60) zur Lokalisierung einer Fehlfunktion in der Vorrichtung vorhanden ist.
  8. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Sensor (11 bis 15) für die Erfassung von Betriebsparametern und deren Weitergabe an die Überwachungseinheit (3) vorhanden ist.
  9. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Anzeigeeinheit (7) für die Visualisierung von Fehlfunktionen in der Vorrichtung vorhanden ist.
  10. Verfahren zum Betrieb einer mit gasförmigem Brennstoff betreibbaren Vorrichtung zur Wandlung von Energie, insbesondere eine Brennstoffzellenvorrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbrauch der Vorrichtung an gasförmigem Brennstoff ermittelt wird, und/oder dass die für den Betrieb der Vorrichtung erforderlichen Komponenten überwacht werden.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Grundlage bereitgehaltener Systemparameter und der erfassten, aktuell gewonnenen Energie ein modellhafter Verbrauchswert der Vorrichtung ermittelt wird.
  12. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass ein Vergleich des tatsächlichen Verbrauchs mit dem modellhaften Verbrauchzwecks Fehlererkennung in der Vorrichtung durchgeführt wird.
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Cited By (3)

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