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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abschalten einer Brennstoffzelle und zum Überwachen eines solchen Abschaltvorgangs einer Vorrichtung zum Bereitstellen von elektrischer Energie. Zudem betrifft die vorliegende Erfindung ein Computerprogramm zum Durchführen eines solchen Verfahrens sowie eine Vorrichtung, die mit einem solchen Verfahren betrieben werden kann.
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Brennstoffzellen sind üblicherweise zentraler Teil von Vorrichtungen zum Bereitstellen von elektrischer Energie. Brennstoffzellen sind chemische Energiewandler, die in unterschiedlichen Anwendungsgebieten zum Einsatz kommen, beispielsweise in der Automobilindustrie oder bei stationären Anwendungen. Die in einem Brennstoff enthaltene chemische Energie wird bei einer chemischen Reaktion mit einem Oxidationsmittel in elektrische Energie umgewandelt. Brennstoffe sind unter anderem Wasserstoff (H2) und Methanol, während als Oxidationsmittel vor allem Sauerstoff (O2), entweder in reiner Form oder in Form von Luft, oder Wasserstoffperoxid verwendet werden. Brennstoffzellen weisen unter anderem eine Anode, eine Kathode und eine dazwischen angeordnete Elektrolytmembran auf. Die Vorrichtung umfasst entsprechende Tanks und Leitungen, mit welchen üblicherweise der Brennstoff zur Anode geführt werden.
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Um die elektrische Energie auf eine höhere Spannung zu bringen, werden mehrere Brennstoffzellen zu einem Stack in Reihe geschaltet. Wenn im Folgenden von Brennstoffzelle die Rede ist, gelten die diesbezüglichen Aussagen gleichermaßen für einen Stack.
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Um eine Brennstoffzelle abzuschalten, wird zunächst üblicherweise die Zufuhr des Oxidationsmittels unterbrochen. Beim Abschaltvorgang verbleiben Reste des Oxidationsmittels in der Vorrichtung, so dass die chemische Reaktion so lange weiterläuft, bis das Oxidationsmittel vollständig verbraucht ist. Infolgedessen haben Brennstoffzellen eine vergleichsweise geringe Dynamik bezüglich der bereitgestellten elektrischen Energie. Beim Reagieren der Reste des Oxidationsmittels entstehen ungewollte Spannungen, die wiederum eine Degradation der Brennstoffzelle, auch als Alterung bezeichnet, nach sich ziehen können. Die Alterung wirkt sich nachteilig auf die Leistung und den Wirkungsgrad der Brennstoffzellen aus. Um derartige Spannungen abzubauen, wird die Brennstoffzelle zumeist an einen elektrischen Lastwiderstand angeschlossen und die Zufuhr des Oxidationsmittels zur Kathode unterbrochen. Die Anode bleibt jedoch weiterhin mit Brennstoff versorgt, bis das Oxidationsmittel verbraucht ist. Dies führt jedoch dazu, dass Restbrennstoff im System verbleibt. Diffundiert nun Luft in die Kathode, erhöhen sich die ungewollten Spannungen und verbleiben für eine längere Zeit, zum Teil bis zu mehreren Stunden, in der Vorrichtung, was schädigende elektrochemische Reaktionen hervorruft.
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Sowohl der Brennstoff als auch das Oxidationsmittel werden gasförmig der Brennstoffzelle zugeführt. Wie erwähnt, wird zum Abschalten von Brennstoffzellen die Zufuhr des Oxidationsmittels und des Brennstoffs unterbrochen. In vielen Fällen kommen hierzu Absperrventile zum Einsatz. Diese sind prinzipbedingt im geschlossenen Zustand nie vollständig dicht. Mit zunehmender Betriebsdauer nimmt die Dichtigkeit der Absperrventile üblicherweise ab, wodurch die Alterung der Brennstoffzelle beschleunigt wird und die Funktionsfähigkeit der Brennstoffzelle unerwünscht früh verloren gehen kann.
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Eine Ausführungsform der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abschalten einer Brennstoffzelle und zum Überwachen eines solchen Abschaltvorgangs einer Vorrichtung zum Bereitstellen von elektrischer Energie, wobei die Vorrichtung
- - eine Brennstoffzelle mit einer Anode, einer Kathode und einer dazwischen angeordneten Elektrolytmembran,
- - eine Brennstoffzufuhreinheit zum Zuführen von Brennstoff zur Anode,
- - eine Sauerstoffzufuhreinheit zum Zuführen von Sauerstoff zur Kathode,
- - eine Spannungsmesseinrichtung zum Bestimmen der Spannung zwischen der Anode und der Kathode, und
- - eine Steuerungseinheit zum Steuern und/oder Regeln der Vorrichtung umfasst, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist:
- - Hinterlegen eines Referenz-Spannungsverlaufs und/oder eines Referenz-Stromintegralverlaufs auf der Steuerungseinheit,
- - Unterbrechen der Zufuhr des Sauerstoffs zur Kathode mit der Sauerstoffzufuhreinheit,
- ◯ Bestimmen des Spannungsverlaufs ab der Unterbrechung der Zufuhr des Sauerstoffs zur Kathode mittels der Spannungsmesseinrichtung, Vergleichen des bestimmten Spannungsverlaufs mit dem Referenzspannungsverlauf und Bestimmen des Grads der Spannungsabweichung mit der Steuerungseinheit, und/oder
- ◯ Bestimmen des Stromintegralverlaufs (80) mittels der Strommesseinrichtung (52) ab dem Schließen des Sauerstoffzufuhr-Absperrventils (36) und des Sauerstoffabfuhr-Absperrventils (41), Vergleichen des bestimmten Stromintegralverlaufs mit dem Referenz-Stromintegralverlauf und Bestimmen des Grads der Stromintegralabweichung mit der Steuerungseinheit,
- - Erzeugen eines Hinweissignals mit der Steuerungseinheit für den Fall, dass der Grad der Spannungsabweichung und/oder der Grad der Stromintegralabweichung einen vorgebbaren Schwellenwert über- oder unterschreitet.
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Auch wenn hier die Brennstoffzelle so ausgeführt ist, dass Sauerstoff als Oxidationsmittel verwendet wird, gelten die folgenden Ausführungen gleichermaßen für andere Oxidationsmittel, beispielsweise Wasserstoffperoxid. Der Sauerstoff kann entweder in reiner Form oder in Form von Luft der Kathode der Brennstoffzelle zugeführt werden.
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Die genannten Komponenten der Vorrichtung sind entweder ohnehin schon vorhanden oder sie können mit geringem technischem und finanziellem Aufwand in die Vorrichtung integriert werden. Der Referenz-Spannungsverlauf wird unter Verwendung einer optimal funktionierenden Brennstoffzelle ermittelt und kann auch als Soll-Spannungsverlauf aufgefasst werden. Der Referenz-Spannungsverlauf kann anhand von Versuchsergebnissen und/oder anhand von Modellierungen in Abhängigkeit des Restsauerstoffgehalts ermittelt werden. Der Referenz-Spannungsverlauf beschreibt den Spannungsverlauf nach der Unterbrechung der Zufuhr des Sauerstoffs zur Kathode über eine bestimmte Zeitdauer. Der Referenz-Spannungsverlauf wird auf der Steuerungseinheit hinterlegt und mit dem unter Verwendung der Spannungsmesseinrichtung gemessenen Spannungsverlauf verglichen, der sich nach der Unterbrechung der Zufuhr des Sauerstoffs zur Kathode einstellt. Dabei betrachtet man üblicherweise dieselbe Zeitdauer oder denselben Zeitabschnitt nach der Unterbrechung, um eine Vergleichbarkeit sicherzustellen. Aufgrund des Soll-Istwert-Vergleichs wird der Grad der Spannungsabweichung ermittelt, wozu jedes geeignete mathematische Verfahren eingesetzt werden kann. Beispielsweise können zu bestimmten Zeitpunkten die Differenzen zwischen der Referenzspannung und der gemessenen Spannung ermittelt und aufsummiert werden. Alternativ kann aus den ermittelten Differenzen ein durchschnittlicher Wert berechnet werden. Die so ermittelten Werte können mit einem vorgebbaren Schwellenwert verglichen werden. Je nach dem verwendeten mathematischen Verfahren kann bei einem Über- oder Unterschreiten ein Hinweissignal ausgegeben werden, welches darauf hinweist, dass der gemessene Spannungsverlauf zu stark vom Referenz-Spannungsverlauf abweicht. Das Hinweissignal ist ein Indiz für eine Leckage an den Absperrventilen und kann mit der Empfehlung verbunden werden, die Komponenten der Vorrichtung und/oder die Brennstoffzelle warten zu lassen, um Funktionsstörungen zu vermeiden.
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Zusätzlich oder alternativ kann auch das Stromintegral verwendet werden. Das Stromintegral ist proportional zur reagierten Sauerstoff- und Wasserstoffmenge. Die Spannung hängt von den Wasserstoff- und Sauerstoff-Konzentrationen an der Anode und der Kathode ab.
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Anhand des Stromintegrals kann die Menge an Brennstoff ermittelt werden, welcher mit dem Sauerstoff reagiert. Wie erwähnt, wird zunächst die Zufuhr von Sauerstoff unterbrochen, wozu in dieser Ausführungsform sowohl das Sauerstoffzufuhr-Absperrventil als auch das Sauerstoffabfuhr-Absperrventil geschlossen werden. Folglich ergibt sich zwischen dem Sauerstoffzufuhr-Absperrventil und dem Sauerstoffabfuhr-Absperrventil ein abgeschlossenes Volumen, deren Wert bekannt ist. Da auch der Druck bekannt ist, unter welchem der Sauerstoff der Brennstoffzelle zugeführt wird, ist die Menge an Sauerstoff in diesem Volumen bekannt, wobei davon ausgegangen wird, dass sowohl das Sauerstoffzufuhr-Absperrventil als auch das Sauerstoffabfuhr-Absperrventil einwandfrei funktionieren. Da die Menge des mit dem Sauerstoff reagierenden Brennstoffs in einem festen stöchiometrischen Verhältnis zum Sauerstoff in diesem Volumen steht, lassen sich unter Verwendung des Stromintegrals folgende Aussagen treffen: Ist die Menge an mit dem Sauerstoff reagierenden Wasserstoff größer als erwartet, könnte sich die Leckage des Sauerstoffzufuhr-Absperrventils erhöht haben, wodurch weiterer Sauerstoff nachgeliefert wird. Es ist daher ratsam, das Sauerstoffzufuhr-Absperrventil auszutauschen.
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Ist die Menge an mit dem Sauerstoff reagierenden Wasserstoffs geringer als erwartet, so könnte sich die Leckage des Sauerstoffabfuhr-Absperrventils erhöht haben, so dass mehr Sauerstoff als erwünscht entweichen kann, was sich ebenfalls negativ auf den Betrieb der Brennstoffzelle auswirkt. Es ist daher ratsam, das Sauerstoffabfuhr-Absperrventil auszutauschen.
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Zudem stellt sich bei einer Leckage eine höhere Sauerstoffkonzentration als erwartet bzw. ein langsam abfallender Spannungsverlauf ein, da in diesem Fall aufgrund der Leckage an den Absperrventilen Luft bzw. Sauerstoff nachströmt und somit die Brennstoffzelle nicht wirksam abgeschaltet bzw. inertisiert werden kann.
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Der Sauerstoff reagiert im geschlossenen Volumen an der Kathodenseite dann gemäß dem Stromverlauf zu Wasser. Dadurch sinken die Sauerstoffkonzentration und der Druck im von Sauerstoffzufuhr-Absperrventil als auch vom Sauerstoffabfuhr-Absperrventil abgeschlossenen Volumen.
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Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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In einer weitergebildeten Ausführungsform kann die Sauerstoffzufuhreinheit ein Sauerstoffzufuhr-Absperrventil zum Unterbrechen der Sauerstoffzufuhr zur Brennstoffzelle aufweisen, wobei der Spannungsverlauf und/oder der Stromintegralverlauf ab Schließen des Sauerstoffzufuhr-Absperrventils bestimmt wird bzw. werden.
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Die Verwendung eines Sauerstoffzufuhr-Absperrventils ist nicht zwingend notwendig, um die Brennstoffzelle abzuschalten, allerdings ist diese Verwendung weit verbreitet und hat sich im Allgemeinen als zweckmäßig erwiesen. Wie eingangs erwähnt, werden der Brennstoff und das Oxidationsmittel, hier Sauerstoff, gasförmig der Anode bzw. der Kathode zugeführt. Prinzipbedingt weisen die Sauerstoffzufuhr-Absperrventile eine gewisse Leckage auf, die bei der Auslegung der Brennstoffzelle berücksichtigt werden kann und somit akzeptabel ist. Mit zunehmender Betriebsdauer nimmt die Dichtigkeit der Sauerstoffzufuhr-Absperrventile aber üblicherweise ab, wodurch sich die Leckage vergrößert und die Alterung der Brennstoffzelle beschleunigt wird. Wie erwähnt, kann die Brennstoffzelle infolge der Alterung vorzeitig ihre Funktionstüchtigkeit verlieren. In dieser Ausführungsform wird der Spannungsverlauf und/oder der Stromverlauf ab Schließen des Sauerstoffzufuhr-Absperrventils bestimmt und auf die oben beschriebene Weise ausgewertet. Wird ein Hinweissignal erzeugt, ist dies mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit auf eine erhöhte Leckage des Sauerstoffzufuhr-Absperrventils zurückzuführen, welches dann ausgetauscht werden sollte.
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Bei einer weiteren Ausführungsform kann die Vorrichtung eine Kathoden-Stromquelle zum Beaufschlagen der Kathode mit einem Strom aufweisen, mit welchem noch zwischen dem Sauerstoffzufuhr-Absperrventil und dem Sauerstoffabfuhr-Absperrventil vorhandener Sauerstoff umgesetzt werden kann, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:
- - Hinterlegen eines Referenz-Kathodenspannungsverlaufs auf der Steuerungseinheit,
- - Beaufschlagen der Kathode mit einem Strom mittels der Kathoden-Stromquelle ab dem Schließen des Sauerstoffzufuhr-Absperrventils und des Sauerstoffabfuhr-Absperrventils,
- - Bestimmen des Kathodenspannungsverlaufs mittels der Spannungsmesseinrichtung ab dem Schließen des Sauerstoffzufuhr-Absperrventils und des Sauerstoffabfuhr-Absperrventils,
- - Vergleichen des bestimmten Kathodenspannungsverlaufs mit dem Referenz-Kathodenspannungsverlaufs und Bestimmen des Grads der Kathodenspannungsabweichung mit der Steuerungseinheit, und
- - Erzeugen eines Hinweissignals mit der Steuerungseinheit für den Fall, dass der Grad der Kathodenspannungsabweichung einen vorgebbaren Schwellenwert über- oder unterschreitet.
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Mit dem von der Kathoden-Stromquelle bereitgestellten Strom, der mittels eines Gleichstromreglers (DC/DC-Regler) geregelt werden kann, wird der noch im Volumen zwischen dem Sauerstoffzufuhr-Absperrventil und dem Sauerstoffabfuhr-Absperrventil vorhandene Sauerstoff, der noch nicht mit dem Brennstoff reagiert hat, verbraucht. Auch in diesem Fall ist die Menge an Sauerstoff in diesem Volumen bekannt, so dass sich im Normalbetrieb ein Kathodenspannungsverlauf einstellt, der mit dem Referenz-Kathodenspannungsverlauf übereinstimmt. Für den Fall, dass es Abweichungen zwischen dem bestimmten Kathodenspannungsverlauf und dem Referenz-Kathodenspannungsverlauf gibt, kann ebenfalls ein Hinweissignal erzeugt werden. Wenn die Kathodenspannung langsamer als erwartet abnimmt, so spricht dies für eine Leckage des Sauerstoffzufuhr-Absperrventils, da dann Sauerstoff nachgeliefert wird. Wenn die Kathodenspannung schneller als erwartet abnimmt, spricht dies für eine Leckage des Sauerstoffabfuhr-Absperrventils. In beiden Fällen sollten die betreffenden Absperrventile geprüft und ggf. ausgetauscht werden.
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Hier kann sowohl die „Stackspannung“, (mehrere Brennstoffzellen zu einem Stack in Reihe geschaltet) als auch die Spannung einzelner Brennstoffzellen Zellen gemessen werden.
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Eine weitergebildete Ausführungsform kann sich dadurch auszeichnen, dass die Vorrichtung zwischen dem Sauerstoffzufuhr-Absperrventil und dem Sauerstoffabfuhr-Absperrventil eine Sauerstoff-Druckmesseinrichtung aufweist und das Verfahren folgende Schritte umfasst:
- - Hinterlegen eines Referenz-Sauerstoffdruckverlaufs auf der Steuerungseinheit,
- - Schließen des Sauerstoffzufuhr-Absperrventils und des Sauerstoffabfuhr-Absperrventils,
- - Bestimmen des Sauerstoffdruckverlaufs mittels der Sauerstoff-Druckmesseinrichtung ab dem Schließen des Sauerstoffzufuhr-Absperrventils und des Sauerstoffabfuhr-Absperrventils,
- - Vergleichen des bestimmten Sauerstoffdruckverlaufs mit dem Referenz-Sauerstoffdruckverlauf und Bestimmen des Grads der Sauerstoffdruckabweichung mit der Steuerungseinheit, und
- - Erzeugen eines Hinweissignals mit der Steuerungseinheit für den Fall, dass der Grad der Sauerstoffdruckabweichung einen vorgebbaren Schwellenwert über- oder unterschreitet.
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Der Sauerstoff wird üblicherweise mit einem bestimmten Ladedruck der Brennstoffzelle zugeführt. Beim Schließen des Sauerstoffzufuhr-Absperrventils und des Sauerstoffabfuhr-Absperrventils würde bei einer idealen Dichtigkeit der Druck konstant bleiben. Wie aber zuvor erwähnt, weisen das Sauerstoffzufuhr-Absperrventil und das Sauerstoffabfuhr-Absperrventil prinzipbedingt eine gewisse Leckage auf. Hieraus ergibt sich unter Normalbedingungen ein zu erwartender Sauerstoffdruckverlauf ab dem Schließen des Sauerstoffzufuhr-Absperrventils und des Sauerstoffabfuhr-Absperrventils, der als Referenz auf der Steuerungseinheit hinterlegt und mit dem gemessenen Sauerstoffdruckverlauf verglichen werden kann. Sinkt der Druck schneller als erwartet ab, deutet dies auf eine Leckage insbesondere im Sauerstoffabfuhr-Absperrventil hin.
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Um Einflüsse auf den Sauerstoffdruckverlauf, welche sich infolge der Reaktion des Sauerstoffs mit dem Brennstoff ergeben, auszuschließen, bietet es sich an, den Sauerstoffdruckverlauf erst dann zu ermitteln, wenn die Brennstoffzelle vollständig abgeschaltet ist, also sämtlicher Sauerstoff im Volumen zwischen dem Sauerstoffzufuhr-Absperrventil und dem Sauerstoffabfuhr-Absperrventil umgesetzt worden ist.
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Nach Maßgabe einer weiteren Ausführungsform können
- - die Brennstoffzufuhreinheit eine Brennstoffzufuhr-Absperrventil zum Unterbrechen der Brennstoffzufuhr zur Brennstoffzelle und die Vorrichtung
- - eine Brennstoffabführeinheit zum Abführen des Brennstoffs aus der Brennstoffzelle aufweisen, wobei
- ◯ die Brennstoffabführeinheit ein Brennstoffabfuhr-Absperrventil zum Unterbrechen der Brennstoffabfuhr und
- ◯ zwischen dem Brennstoffzufuhr-Absperrventil und dem Brennstoffabfuhr-Absperrventil eine Brennstoff-Druckmesseinrichtung umfasst, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweisen kann:
- - Hinterlegen eines Referenz-Brennstoffdruckverlaufs auf der Steuerungseinheit,
- - Schließen des Brennstoffzufuhr-Absperrventils und des Brennstoffabfuhr-Absperrventils,
- - Bestimmen des Brennstoffdruckverlaufs mittels der Brennstoff-Druckmesseinrichtung ab dem Schließen des Brennstoffzufuhr-Absperrventils und des Brennstoffabfuhr-Absperrventils,
- - Vergleichen des bestimmten Brennstoffdruckverlaufs mit dem Referenz-Brennstoffdruckverlauf und Bestimmen des Grads der Brennstoffdruckabweichung mit der Steuerungseinheit, und
- - Erzeugen eines Hinweissignals mit der Steuerungseinheit für den Fall, dass der Grad der Brennstoffdruckabweichung einen vorgebbaren Schwellenwert über- oder unterschreitet.
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In dieser Ausführungsform wird der Brennstoffdruckverlauf ermittelt und auf im Wesentlichen dieselbe Weise ausgewertet wie der Sauerstoffdruckverlauf. Auch in dieser Ausführungsform deutet eine Abweichung zwischen dem Referenz-Brennstoffdruckverlauf und dem bestimmten Brennstoffdruckverlauf auf eine Leckage, insbesondere im Brennstoffabfuhr-Absperrventil hin. Auch in diesem Fall bietet es sich an, den Brennstoffdruckverlauf zu beobachten, wenn die Brennstoffzelle vollständig heruntergefahren ist, um Einflüsse der Reaktion des Sauerstoffs mit dem Brennstoff auf den Brennstoffdruckverlauf auszuschließen.
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Eine Ausbildung der Erfindung betrifft ein Computerprogrammprodukt mit einem Programmcode, der auf einem von einem Computer lesbaren Medium gespeichert ist, zum Durchführen des Verfahrens nach einer der zuvor diskutierten Ausführungsformen.
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Eine Ausgestaltung der Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Bereitstellen von elektrischer Energie, umfassend
- - eine Brennstoffzelle mit einer Anode, einer Kathode und einer dazwischen angeordneten Elektrolytmembran,
- - eine Brennstoffzufuhreinheit zum Zuführen von Brennstoff zur Anode,
- - eine Sauerstoffzufuhreinheit zum Zuführen von Sauerstoff zur Kathode,
- ◯ eine Spannungsmesseinrichtung zum Bestimmen der Spannung zwischen der Anode und der Kathode, und/oder
- ◯ eine Strommesseinrichtung zum Bestimmen der Stromstärke des zwischen der Anode und der Kathode fließenden Stroms,
- - eine Steuerungseinheit zum Steuern und/oder Regeln der Vorrichtung, wobei
- ◯ auf der Steuerungseinheit ein Computerprogramm-produkt nach der zuvor erläuterten Ausbildung hinterlegt ist und/oder
- ◯ die Steuerungseinheit zum Durchführen des Verfahrens nach einer der zuvor diskutierten Ausführungsformen eingerichtet ist.
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Die technischen Effekte und Vorteile, die sich mit dem vorschlagsgemäßen Computerprogrammprodukt und der vorschlagsgemäßen Vorrichtung erreichen lassen, entsprechen denjenigen, die für das vorliegende Verfahren erörtert worden sind. Zusammenfassend sei darauf hingewiesen, dass es mit einfachen Mitteln möglich ist, einer erhöhte Alterung der Brennstoffzelle mit einem zielgerichteten Abschaltvorgang und dessen Überwachung vorzubeugen.
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BEVORZUGTES AUSFÜHRUNGSBEISPIEL DER ERFINDUNG
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Beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung werden im Folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen
- 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Bereitstellen von elektrischer Energie,
- 2 eine ausschnittsweise Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung zum Bereitstellen von elektrischer Energie,
- 3 eine graphische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens,
- 4 eine graphische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens,
- 5 eine graphische Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens,
- 6 eine graphische Darstellung eines vierten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens, und
- 7 eine graphische Darstellung eines fünften Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
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In 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung 101 zum Bereitstellen von elektrischer Energie anhand eines prinzipiellen Schaltbilds gezeigt. Im Folgenden werden nur die für die Beschreibung der Erfindung wesentlichen Komponenten beschrieben. Die Vorrichtung 101 kann beispielsweise in einem Fahrzeug oder stationär in einem Gebäude angeordnet sein (nicht dargestellt).
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Die Vorrichtung 101 weist eine Brennstoffzelle 12 auf, die eine Anode 14, eine Kathode 16 und eine dazwischen angeordnete Elektrolytmembran 18 umfasst. Auch wenn in 1 nur eine Brennstoffzelle 12 dargestellt ist, soll an dieser Stelle darauf verwiesen werden, dass mehrere Brennstoffzellen in Reihe zu einem Stack zusammengeschaltet werden können.
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Die Vorrichtung 101 weist eine Brennstoffzufuhreinheit 20 zum Zuführen von Brennstoff, in diesem Fall von Wasserstoff, zur Anode 14 der Brennstoffzelle 12 auf, wobei der Wasserstoff unter einem bestimmten Druck in Vorratsbehältern 22 gelagert wird. Die Brennstoffzufuhreinheit 20 umfasst dabei zumindest ein Brennstoffzufuhr-Absperrventil 24 auf, mit welcher die Zufuhr des Brennstoffs zur Anode 14 der Brennstoffzelle 12 unterbrochen werden kann. Der Brennstoff wird dabei durch einen Ejektor 28 in die Anode eingeblasen. Weiterhin umfasst die Vorrichtung 101 eine Brennstoffabführeinheit 26 mit zumindest einem Brennstoffabfuhr-Absperrventil 29 zum Unterbrechen der Abfuhr des Brennstoffs von der Anode 14 der Brennstoffzelle 12. In diesem Ausführungsbeispiel sind zwei Brennstoffabfuhr-Absperrventile in Form der Drain- und Purgeventile 29 vorgesehen, mit denen die Brennstoffzuführeinheit 20 in regelmäßigen Abständen gespült werden kann, um beispielsweise Wasser und Stickstoff zu entfernen. In alternativen Ausführungsbeispielen kann ein einzelnes Brennstoffabfuhr-Absperrventil vorhanden sein über welches Wasser und Stickstoff aus von der Anode entfernt bzw. gespült werden. Zwischen den Brennstoffabfuhr-Absperrventilen 29 und der Anode 12 der Brennstoffzelle 12 ist eine Brennstoff-Druckmesseinrichtung 30 angeordnet.
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Ferner ist eine Sauerstoffzufuhreinheit 32 vorgesehen, mit welcher Sauerstoff, in diesem Fall in Form von Luft, der Kathode 16 zugeführt werden kann. Die Luft wird aus der Umgebung angesaugt und mittels eines Kompressors 34 verdichtet. Weiterhin umfasst die Sauerstoffzufuhreinheit 32 ein Sauerstoffzufuhr-Absperrventil 36, mit welcher die Zufuhr von Sauerstoff zur Kathode 16 unterbrochen werden kann. Darüber hinaus ist die Vorrichtung 101 mit einer Sauerstoffabfuhreinheit 39 versehen, die ein Sauerstoffabfuhr-Absperrventil 41 zum Unterbrechen der Abfuhr des Sauerstoffs von der Kathode 16 aufweist. Zwischen dem Sauerstoffzufuhr-Absperrventil 36 und dem Sauerstoffabfuhr-Absperrventil 41 ist eine Sauerstoff-Druckmesseinrichtung 38 angeordnet.
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In der Sauerstoffabfuhreinheit 39 ist ein Expander 40 angeordnet, um die verdichtete Luft wieder auf den Umgebungsdruck zu bringen, wobei mechanische Energie bereitgestellt wird, die zum Antreiben des Kompressors 34 nach Art eines Turboladers verwendet werden kann.
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Die Brennstoffzelle 12 ist mithilfe eines Wandlers 42 an ein elektrisches Netz 44 des Fahrzeugs oder des Gebäudes angeschlossen, welches einen oder mehrere hier nicht dargestellte Verbraucher umfassen kann. Die Verbindung zum Wandler 42 kann mittels eines ersten Schalters 46 wahlweise hergestellt oder unterbrochen werden. Parallel zum Wandler 42 sind ein erster Lastwiderstand 48, eine Spannungsmesseinrichtung 50 und eine Strommesseinrichtung 52 geschaltet. Dabei sind der erste Lastwiderstand 48 mittels eines zweiten Schalters 54, die Spannungsmesseinrichtung 50 mittels eines dritten Schalters 56 und die Strommesseinrichtung 52 mittels eines vierten Schalters 58 wahlweise zuschaltbar.
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Die Vorrichtung 101 wird mittels einer Steuerungseinheit 60 gesteuert und/oder geregelt. Aus Darstellungsgründen sind die Verbindungsleitungen zu den betreffenden Komponenten der Vorrichtung 101 nicht dargestellt.
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In 2 ist ein zweites Ausführungsbeispiel der Vorrichtung 102 ausschnittsweise dargestellt. Die Vorrichtung 101 nach dem zweiten Ausführungsbeispiel ist weitgehend genauso aufgebaut wie die Vorrichtung 101 nach dem ersten Ausführungsbeispiel, so dass auf die Beschreibung zum ersten Ausführungsbeispiel der Vorrichtung 101 verwiesen wird. Zusätzlich jedoch ist die Vorrichtung 102 nach dem zweiten Ausführungsbeispiel mit einer Kathoden-Stromquelle 62 ausgestattet, mit welcher die Kathode 16 der Brennstoffzelle 12 mit einem Strom beaufschlagt werden kann. Der entsprechende Stromkreis kann mittels eines fünften Schalters 64 wahlweise geschlossen oder unterbrochen werden. Zudem ist ein zweiter Lastwiderstand 66 im Stromkreis integriert. Der Lastwiderstand 66 kann als ein Gleichspannungsregler oder Gleichspannungswandler ausgestaltet sein, welche den Strom regeln. Parallel wird die Stackspannung oder die Spannung einer einzelnen Brennstoffzelle12 gemessen.
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Die Vorrichtung 101 nach dem ersten Ausführungsbeispiel und die Vorrichtung 102 nach dem zweiten Ausführungsbeispiel können auf folgende Weise betrieben werden: Die Brennstoffzufuhreinheit 20 und die Sauerstoffzufuhreinheit 32 werden so geschaltet, dass Wasserstoff zur Anode 14 und Sauerstoff zur Kathode 16 strömen kann, so dass diese dort miteinander reagieren können, wobei die im Brennstoff enthaltene chemische Energie in elektrische Energie umgewandelt wird. Diese elektrische Energie kann dem Netz 44 zugeführt werden, wozu der erste Schalter 46 geschlossen wird.
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Der Abschaltvorgang der Brennstoffzelle 12 kann auf folgende Weise überwacht werden: Wenn die Brennstoffzelle 12 abgeschaltet werden soll, wird der erste Schalter 46 geöffnet, infolgedessen das elektrische Netz 44 von der Brennstoffzelle 12 getrennt ist. Gleichzeitig wird die Brennstoffzelle 12 auf einen niedrigen Stromverlauf geregelt. Zudem wird die Sauerstoffzufuhreinheit 32 so geschaltet, dass kein Sauerstoff mehr zur Kathode 16 strömen kann. Der zweite Schalter 54 und der dritte Schalter 56 werden geschlossen. Es wird aber weiterhin Brennstoff zur Anode 14 geführt. Der Sauerstoff, der sich zwischen dem zwischen dem nun geschlossenen Sauerstoffzufuhr-Absperrventil 36 und dem ebenfalls geschossenen Sauerstoffabfuhr-Absperrventil 41 befindet, wird mit dem Brennstoff umgesetzt. Die elektrische Energie wird im ersten Lastwiderstand 48 dissipiert. Die sich hierbei ergebende Spannung wird in regelmäßigen Abständen mittels der Spannungsmesseinrichtung 50 gemessen, so dass ein Spannungsverlauf 68 über eine bestimmte Zeitdauer ermittelt werden kann, welcher in 3 prinzipiell dargestellt ist. Man erkennt, dass die Spannung mit der Zeit abfällt, was darin begründet ist, dass die Menge an Sauerstoff, welche sich im Volumen zwischen dem Sauerstoffzufuhr-Absperrventil 36 und dem Sauerstoffabfuhr-Absperrventil 41 befindet, mit der Zeit abnimmt.
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Der mittels der Spannungsmesseinrichtung 50 bestimmte Spannungsverlauf 68 wird zur Steuerungseinheit 60 übermittelt. Dort wird der von der Spannungsmesseinrichtung 50 bestimmte Spannungsverlauf mit einem auf der Steuerungseinheit 60 hinterlegten Referenz-Spannungsverlauf 70 verglichen und ein Grad der Spannungsabweichung 72 mit geeigneten mathematischen Methoden bestimmt. Je nach verwendeter mathematischer Methode wird ermittelt, ob der Grad der Spannungsabweichung 72 einen Schwellenwert über- oder unterschreitet. Üblicherweise wird ermittelt, ob der Schwellenwert überschritten wird. Ist dies der Fall, wird ein Hinweissignal ausgegeben, welches auf verschiedene Weise interpretiert werden kann. In vielen Fällen deutet ein Überschreiten des Schwellenwerts auf eine Leckage im Sauerstoffzufuhr-Absperrventil 36 oder im Sauerstoffabfuhr-Absperrventil 41 hin, wobei eine Leckage an einer anderen Stelle und insbesondere zwischen dem Sauerstoffzufuhr-Absperrventil 36 und dem Sauerstoffabfuhr-Absperrventil 41 nicht ausgeschlossen werden kann. Jedenfalls ist die Ausgabe des auf die beschriebene Weise erzeugten Hinweissignals ein Indiz für eine erhöhte Alterung der Brennstoffzelle 12, so dass es ratsam ist, die Vorrichtung 101 zu prüfen und eventuell einige Komponenten auszutauschen, um einen vorzeitigen Ausfall der Brennstoffzelle 12 zu verhindern.
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Zudem ist es möglich, den Stromintegralverlauf 80 zum Überwachen des Abschaltvorgangs der Brennstoffzelle 12 zu verwenden, was in 4 dargestellt ist. Auch der Stromintegralverlauf 80 kann mit einem auf der Steuerungseinheit 60 hinterlegten Referenz-Stromintegralverlauf 82 verglichen werden und der Grad der Stromintegralabweichung 84 ermittelt werden. Sofern der Grad der Stromintegralabweichung 84 einen Schwellenwert über- oder unterschreitet, wird ein Hinweissignal erzeugt.
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Eine weitere Möglichkeit zur Überwachung des Abschaltvorgangs der Brennstoffzelle 12 ergibt sich aus 2 in Verbindung mit 5. Wie erwähnt, weist die Vorrichtung 102 nach dem zweiten Ausführungsbeispiel eine Kathoden-Stromquelle 62 auf, mit welcher an der Kathode 16 noch vorhandener Sauerstoff umgesetzt werden kann. Die entsprechende elektrische Energie wird im zweiten Lastwiderstand 66 dissipiert. Der Lastwiderstand 66 kann als ein Gleichspannungsregler oder Gleichspannungswandler ausgestaltet sein, welche den Strom regeln. Mit der Spannungsmesseinrichtung 50 wird der Kathodenspannungsverlauf 88 ermittelt und mit einem auf der Steuerungseinheit 60 hinterlegten Referenz-Kathodenspannungsverlauf 90 verglichen. Der hierdurch bestimmte Grad der Kathodenspannungsabweichung 92 wird dahingehend geprüft, ob ein entsprechender Schwellenwert über- oder unterschritten wird. Je nach Ergebnis wird ein Hinweissignal erzeugt.
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Wie ebenfalls erwähnt, umfasst die Vorrichtung 101 eine Sauerstoff-Druckmesseinrichtung 38, die zwischen dem Sauerstoffzufuhr-Absperrventil 36 und dem Sauerstoffabfuhr-Absperrventil 41 angeordnet ist (siehe 1). Ferner weist die Vorrichtung 101 eine Brennstoff-Druckmesseinrichtung 30 auf, die zwischen dem Brennstoffzufuhr-Absperrventil 24 und den Brennstoffabfuhr-Absperrventilen 29 angeordnet ist.
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Sobald der Abschaltvorgang beendet ist, können das Sauerstoffzufuhr-Absperrventil 36 und das Sauerstoffabfuhr-Absperrventil 41 geschlossen und mit der Sauerstoff-Druckmesseinrichtung 38 ein Sauerstoffdruckverlauf 94 über eine bestimmte Zeitdauer ermittelt werden. Der so ermittelte Sauerstoffdruckverlauf 94 kann mit einem Referenz-Sauerstoffdruckverlauf 96 verglichen und ein Grad der Sauerstoffdruckabweichung 98 ermittelt werden (siehe 6). Sofern der Grad der Sauerstoffdruckabweichung 98 einen bestimmten Schwellenwert über- oder unterschreitet, wird ein Hinweissignal ausgegeben.
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Weiterhin kann ein Brennstoffdruckverlauf 100 nach Schließen des Brennstoffzufuhr-Absperrventils 24 und des Brennstoffabfuhr-Absperrventile 29 unter Verwendung der Brennstoff-Druckmesseinrichtung 30 auf weitgehend dieselbe Weise ermittelt und ausgewertet werden wie der Sauerstoffdruckverlauf 94. Der so ermittelte Brennstoffdruckverlauf 100 kann mit einem Referenz-Brennstoffdruckverlauf 103 verglichen und ein Grad der Brennstoffdruckabweichung 104 ermittelt werden (siehe 7). Sofern der Grad der Brennstoffdruckabweichung 104 einen bestimmten Schwellenwert über- oder unterschreitet, wird ein Hinweissignal ausgegeben.