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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Überwachen eines flüssigen Kühlmittels in einem Brennstoffzellensystem nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art. Außerdem betrifft die Erfindung die Verwendung eines derartigen Verfahrens.
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Brennstoffzellensysteme sind aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Sie bestehen im Allgemeinen aus wenigstens einer Brennstoffzelle sowie weiteren Systemkomponenten. Zumindest die Brennstoffzelle und einige der weiteren Systemkomponenten müssen im Betrieb zur Abfuhr von Abwärme gekühlt und unter Kaltstartbedingungen gegebenenfalls über ein Kühlmittel auch erwärmbar sein. Aus diesem Grund existiert im Allgemeinen ein Kühlkreislauf mit einem darin umgewälzten flüssigen Kühlmittel zur Temperierung der durchströmten Komponenten.
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Ein gattungsgemäßes Verfahren zum Überwachen des flüssigen Kühlmittels in einem Brennstoffzellensystem ist in der
DE 10 2007 046 939 A1 beschrieben. Das dortige Verfahren nutzt einen Drucksensor, um am Ausgang der Brennstoffzelle den Druck des Kühlmittels nach dem Durchströmen der Brennstoffzelle zu überwachen. Dabei wird registriert, ob dieser einen vorgegebenen Grenzwert erreicht oder unterschreitet, wobei der Grenzwert größer als der Siedegleichgewichtsdruck des Kühlmittels ist. Beim Erreichen oder Unterschreiten des Siedegleichgewichtsdrucks besteht die Gefahr einer Dampffilmbildung und somit einer lokalen Überhitzung in der Brennstoffzelle. Durch die Überwachung des Drucks des Kühlmittels können Schäden in der Brennstoffzellen aufgrund derartiger lokaler Überhitzungen zuverlässig verhindert werden.
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Nun ist es in der Praxis so, dass in den meisten modernen Brennstoffzellen das Kühlmittel in unmittelbarem Kontakt mit den Fluidverteilungsplatten steht. Sind diese, was häufig der Fall ist, als elektrisch leitende, beispielsweise metallische Platten ausgeführt, dann steht das Kühlmittel mit diesen Platten in Kontakt, weshalb das Kühlmittel in der Regel auch mit der Hochvolt-Spannung des Brennstoffzellenstacks in Kontakt steht. Unter dem Begriff Hochvolt ist dabei gemäß der Definition in der ECE R100 eine Spannung zu verstehen, welche im Falle von Gleichstrom zwischen 60 V und 1500 V, und im Falle von Wechselstrom zwischen 30 V und 1000 V liegt. Diese Hochvolt-Spannung macht die Platzierung von Sensoren in der direkten Peripherie, also beispielsweise in dem oder nahe an dem Kühlmittelausgang der Brennstoffzelle aus Hochvoltschutzgründen sehr kritisch, bzw. ist technisch durch die erforderliche Isolation außerordentlich aufwändig.
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Zum weiteren allgemeinen Stand der Technik wird auf die
DE 11 2006 001 348 T5 verwiesen, welche einen Differenzdruck, insbesondere im Bereich einer Heizvorrichtung in dem Kühlkreislauf eines Brennstoffzellensystems, als Maß für den Durchfluss nutzt. Ferner ist in der
JP 2012-4135 A1 ein Verfahren beschrieben, um Lufteinschlüsse im Kühlmittel zu detektieren und hierauf entsprechend zu reagieren.
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Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, ein Verfahren zum Überwachen des Kühlmittels in einem Brennstoffzellensystem anzugeben, welches die oben genannten Nachteile vermeidet, und welches dennoch eine sichere und zuverlässige Überwachung des Kühlmittels, insbesondere im Hinblick auf den Siedegleichgewichtsdruck erlaubt.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen im Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den hiervon abgängigen Unteransprüchen. Außerdem ist im Anspruch 6 eine besonders bevorzugte Verwendung des Verfahrens angegeben.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Überwachung des flüssigen Kühlmittels in einem Brennstoffzellensystem, in welchem wenigstens eine Brennstoffzelle und mehrere weitere Systemkomponenten von dem in einem Kühlkreislauf umgewälzten flüssigen Kühlmittel zur Temperierung durchströmt werden, wird der Druck in dem flüssigen Kühlmittel, vergleichbar wie im gattungsgemäßen Stand der Technik, auf Erreichen oder Unterschreiten eines vorgegebenen Grenzwerts hin überwacht. Der vorgegebene Grenzwert ist dabei größer als der Siedegleichgewichtsdruck des Kühlmittels ist.
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Erfindungsgemäß ist es so, dass der Druck des Kühlmittels nach dem Durchströmen wenigstens einer nicht hochvoltspannungsführenden Systemkomponente des Brennstoffzellensystems erfasst wird. Dadurch, dass der Druck nach dem Durchströmen einer der weiteren Systemkomponenten, welche von dem Kühlmittel zur Temperierung durchströmt werden, erfolgt, kann die Problematik der Hochvoltisolation beim Einbringen des Drucksensors in das Kühlmittel in unmittelbarer Nähe zu einer hochvoltspannungsführenden Komponente umgangen werden. Vielmehr kann der Druck sehr einfach und effizient im Bereich von anderen Komponenten erfasst werden, welche ebenfalls viel Wärme in das Kühlmittel eintragen. Dies können beispielswiese der Ladeluftkühler oder ein elektrischer Zusatzheizer sein. Sie befinden sich typischerweise außerhalb der benötigten Hochvolt-Isolationsstrecke zum Beispiel der wenigstens einen Brennstoffzelle oder von anderen von dem Kühlmittel durchströmten Hochspannungsquellen. Die Überwachung des Drucks in dem Kühlmittel und damit letztlich des Dampfdrucks bzw. Siedegleichgewichtsdrucks wird somit sehr nahe an dem jeweiligen Kühlmittelausgang möglich, ohne dass hier besondere konstruktive Maßnahmen notwendig wären.
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Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann so das Kühlmittel ständig hinsichtlich eines Siedens bzw. Dampfbildens überwacht werden und bei potenzieller Gefahr eines überhitzten Kühlmittels können rechtzeitig Gegenmaßnahmen eingeleitet werden. Dabei kann es sich beispielsweise um eine Lastreduzierung an der Brennstoffzelle handeln oder auch um eine Erhöhung des Kühlmedienvolumenstroms um die zugeführte Wärmeenergie besser abführen zu können.
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Alles in allem entsteht so ein sehr einfacher und effizienter Aufbau, welcher durch die entsprechende Drucküberwachung in dem Kühlmittel und beispielsweise durch eine Anpassung der Durchflussmenge oder ähnlicher Größen des Kühlkreislaufs und/oder auch der Leistung der Brennstoffzelle eine weiterführende Dampfbildung verhindern kann. Hiermit werden nicht nur die entsprechenden Systemkomponenten, sondern auch die in dem Kühlkreislauf platzierte Brennstoffzelle ideal gekühlt. Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann so sehr einfach eine lokale Überhitzung des Kühlmittels verhindert werden. Dadurch ist es möglich, chemische Veränderungen in dem Kühlmittel zu verhindern. Hierdurch kann auf einen dann notwendigen Tausch des Kühlmittels verzichtet werden, was einen erheblicher Kostenvorteil und einen entsprechenden Kundennutzen bedeutet, da der Kunde keine wartungsbedingte Pause beim Betrieb seines Brennstoffzellensystems akzeptieren muss.
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Insbesondere die beiden zuletzt genannten Vorteile ermöglichen einen sehr zuverlässigen und wartungsfreundlichen Betrieb des Brennstoffzellensystems. Insbesondere kann durch geeignete Gegenmaßnahmen, wenn der Druck den vorgegebenen Grenzwert überschreitet, erreicht werden, dass eine chemische Veränderung des Kühlmittels gänzlich ausgeschlossen wird. Das Kühlmittel kann daher über die gesamte Lebensdauer des Brennstoffzellensystems verwendet werden, was insbesondere bei Fahrzeuganwendungen einen erheblichen Vorteil darstellt, da ein Tausch des Kühlmittels beispielsweise bei entsprechenden Wartungsintervallen des Fahrzeugs aufwändig und teuer ist. Aus diesem Grund liegt die besonders bevorzugte Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens darin, das Kühlmittel in einem Brennstoffzellensystem zu überwachen, welches in einem Fahrzeug zur Bereitstellung von elektrischer Antriebsleistung eingesetzt wird.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich außerdem aus den restlichen abhängigen Unteransprüchen und werden anhand des Ausführungsbeispiels deutlich, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben ist.
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Die einzige beigefügte Figur zeigt dabei ein schematisch angedeutetes Fahrzeug mit einem Brennstoffzellensystem.
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In der Darstellung der Figur ist ein sehr stark schematisiert angedeutetes Fahrzeug 1 zu erkennen. Dieses umfasst einen Kühlkreislauf 2, über welchen ein Brennstoffzellensystem 3 entsprechend gekühlt wird. Der Kühlkreislauf 2 wird von einem flüssigen Kühlmittel durchströmt, welches über eine Kühlmittelfördereinrichtung bzw. Kühlmittelpumpe 4 in dem Kühlkreislauf 2 umgewälzt wird.
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Den Kern des Brennstoffzellensystems 3 bildet dabei eine Brennstoffzelle 5, welche insbesondre als sogenannte PEM-Brennstoffzelle aufgebaut sein soll. Die Brennstoffzelle 5 soll insbesondere in der üblichen Bauart als Stapel von Einzelzellen aufgebaut sein. Jede der Einzelzellen umfasst dabei einen Kathodenbereich, einen Anodenbereich und einen Bereich für das Kühlmittel. In der Darstellung der Figur sind diese Bereiche lediglich schematisch angedeutet. Der Bereich jeder Einzelzelle für das Kühlmittel ist als Wärmetauscher 6 innerhalb der Brennstoffzelle 5 angedeutet. Der Kathodenbereich ist als Bereich 7a und der Anodenbereich als Bereich 7b innerhalb der Brennstoffzelle angedeutet. In dieser stark vereinfachten Ausführungsform des Brennstoffzellensystems wird dem Anodenbereich 7b Wasserstoff aus einem Druckgasspeicher 8 über eine Druckregel- und Dosiereinheit 9 zugeführt. Nicht verbrauchter Wasserstoff gelangt in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel aus dem System.
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Dem Kathodenbereich 7a der Brennstoffzelle 5 wird Luft über eine Luftfördereinrichtung 10 zugeführt. Die nach der Luftfördereinrichtung 10 heiße und trockene Luft wird in einem Ladeluftkühler 11 abgekühlt und strömt dann über einen optionalen Befeuchter 12, in welchem sie von Abluft aus dem Kathodenbereich 7a der Brennstoffzelle 5 entsprechend befeuchtet wird, in den Kathodenbereich 7a ein. Die an Sauerstoff abgereicherte und mit einem Großteil der in der Brennstoffzelle 5 entstandenen Feuchte beladene Luft strömt dann wiederum durch den bereits erwähnten optionalen Befeuchter 12, welcher insbesondere als Gas/Gas-Befeuchter ausgebildet ist, in die Umgebung ab, wobei die in dem Gasstrom enthaltene Feuchte an die Zuluft abgegeben wird.
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Dieser Aufbau des Brennstoffzellensystems 3 ist dabei sehr stark vereinfacht. Ein solches System ist dem Fachmann jedoch geläufig, sodass auf weitere denkbare Details hier nicht eingegangen werden muss.
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Neben dem Wärmetauscher 6 der Brennstoffzelle 5, welcher von dem flüssigen Kühlmittel im Kühlkreislauf 2 durchströmt wird, wird auch der Ladeluftkühler 11 als weitere Systemkomponente von dem Kühlmittel durchströmt. Außerdem ist in der Darstellung der Figur ein elektrischer Heizer 13 zu erkennen. Dieser wird als weitere Systemkomponente bei Bedarf, durch die Ventileinrichtung 14 entsprechend einstellbar, ebenfalls von dem flüssigen Kühlmittel durchströmt. Zum Abkühlen des flüssigen Kühlmittels weist der Kühlkreislauf 2 einen Kühlwärmetauscher 15 auf, über welchen die Wärme in einer für Kraftfahrzeuge 1 an sich bekannten Art und Weise an die Umgebung abgeführt wird. Parallel zu dem Kühlwärmetauscher 15 befindet sich eine Bypassleitung 16 mit einem Bypassventil 17. Über dieses Bypassventil 17 lässt sich der Volumenstrom durch den Kühlwärmetauscher 15 einerseits und durch den Bypass 16 andererseits einstellen. Hierdurch kann die Temperatur des Kühlmittels beeinflusst und gesteuert bzw. geregelt werden Eine weitere Möglichkeit zur Steuerung und Beeinflussung der Temperatur des Kühlmittels besteht darin, die Drehzahl der Kühlmittelpumpe 4 entsprechend zu verändern. Beides kann im Betrieb des Brennstoffzellensystems 3 über eine Steuereinrichtung 18 entsprechend der angedeuteten Pfeile erfolgen.
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In der Darstellung der Figur ist ein Temperatursensor 19 in dem flüssigen Kühlmittel in Strömungsrichtung nach dem Wärmetauscher 6 der Brennstoffzelle 5 zu erkennen. Typischerweise wird auf die Ausgangstemperatur des Kühlmittels aus dem Wärmetauscher 6 oder auf eine Temperaturdifferenz zwischen dem Eingang in dem Wärmetauscher 6 und dem Ausgang aus dem Wärmetauscher 6 geregelt. Dies reicht im Normalfall aus. Nun kann es aber zu Überhitzungen in dem Kühlmittel kommen, welche einerseits zu einer chemischen Zersetzung des Kühlmittels führen kann, was höchst unerwünscht ist, da das Kühlmittel dann ausgetauscht werden muss. Andererseits kann eine solche Überhitzung zur Bildung von Dampfblasen führen, welche durch ihre sehr viel geringere Wärmeleitfähigkeit als das flüssige Kühlmittel letztlich dafür sorgen, dass die Kühlung in unerwünschter Art und Weise beeinträchtigt ist. Im schlimmsten Fall wird durch eine Dampfbildung, insbesondere eine Dampffilmbildung, auf den zu kühlenden Oberflächen der entsprechenden Wärmetauscher die Kühlung beispielsweise der Systemkomponenten 11, 13 oder des Wärmetauschers 6 in der Brennstoffzelle 5 stark eingeschränkt. Um dieser Problematik entgegenzuwirken, kann ein Drucksensor 20 vorgesehen werden. Um diesen außerhalb der Hochvolt-Isolationsstrecke der Brennstoffzelle 5, in welcher das flüssige Kühlmittel mit der Spannung der Brennstoffzelle 5 in Kontakt steht, zu platzieren, ist dieser im Bereich des Kühlmittelaustritts aus dem Ladeluftkühler 11 platziert. Durch diesen Aufbau sehr nahe oder unmittelbar am Kühlmittelausgang des Ladeluftkühlers 11 als Systemkomponente, wird eine sichere und zuverlässige Messung erreicht. Ergänzend oder alternativ dazu könnte der Drucksensor 20 auch, wie es in der Figur angedeutet ist, in Strömungsrichtung nach dem elektrischen Heizer 13 als Systemkomponente angeordnet sein. Über die Steuerung 18 können beim Erreichen oder Unterschreiten eines vorgegebenen Grenzwerts des Drucks geeignete Gegenmaßnahmen eingeleitet werden, welche beispielsweise in einer verbesserten Kühlung resultieren, oder, falls dies nicht mehr möglich ist, da beispielsweise die maximal mögliche Wärme im Bereich des Kühlwärmetauschers 15 bereits abgeführt wird, eine Lastreduzierung der Brennstoffzelle 5 auslösen.
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Eine Verbesserung der Kühlleistung kann beispielsweise durch eine Erhöhung des Volumenstroms, also durch ein schnelleres laufenlassen der Kühlmittelpumpe 4, erreicht werden. Außerdem kann in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel das Bypassventil 17 entsprechend eingestellt werden, sodass der maximal mögliche Volumenstrom durch den Kühlwärmetauscher 15 strömt. Auch Maßnahmen außerhalb des Kühlkreislaufs 2 sind denkbar, beispielsweise eine verbesserte Abkühlung des Kühlmittels in dem Kühlwärmetauscher 15 durch eine verbesserte Konvektion der zur Abkühlung genutzten Luft durch den Kühlwärmetauscher 15. Diese kann beispielsweise durch ein Gebläse durch den Kühlwärmetauscher 15 gedrückt werden. Erst wenn all diese Maßnahmen zur Verbesserung der Abkühlung des Kühlmittels nicht mehr zu dem gewünschten Ergebnis führen, weil die maximale Abkühlung bereits sichergestellt ist, können weitere Maßnahmen ergriffen werden. Diese können insbesondere eine Lastreduzierung der Brennstoffzelle 5 sein, also eine Begrenzung der zur Verfügung stehenden elektrischen Leistung, was in Fahrzeugen jedoch typischerweise mit einer unerwünschten Einschränkung für den Nutzer einhergeht.
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Durch eine Verbesserung der Kühlung bzw. im Notfall durch eine Lastreduzierung der Brennstoffzelle kann so erreicht werden, dass die unerwünschte Überhitzung des Kühlmittels effektiv gestoppt bzw. verhindert wird. Somit ist einerseits eine durchgehend gute Kühlung und andererseits ein durch thermische Effekte unversehrtes Kühlmittel während des gesamten Betriebs des Brennstoffzellensystems 3 bzw. des mit ihm ausgestatten Fahrzeugs 1 sichergestellt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007046939 A1 [0003]
- DE 112006001348 T5 [0005]
- JP 2012-4135 A1 [0005]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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