[go: up one dir, main page]

WO2008052584A1 - Ventilsystem für ein brennstoffzellensystem, brennstoffzellensystem sowie verfahren zur überwachung des betriebszustandes einer ventilvorrichtung - Google Patents

Ventilsystem für ein brennstoffzellensystem, brennstoffzellensystem sowie verfahren zur überwachung des betriebszustandes einer ventilvorrichtung Download PDF

Info

Publication number
WO2008052584A1
WO2008052584A1 PCT/EP2006/010509 EP2006010509W WO2008052584A1 WO 2008052584 A1 WO2008052584 A1 WO 2008052584A1 EP 2006010509 W EP2006010509 W EP 2006010509W WO 2008052584 A1 WO2008052584 A1 WO 2008052584A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
valve
medium
operating state
fuel cell
pressure
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/EP2006/010509
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Cosimo S. Mazzota
Thomas Baur
Armin Frank
Uwe Pasera
Thorsten Tüxen
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mercedes Benz Group AG
Ford Global Technologies LLC
Original Assignee
Daimler AG
Ford Global Technologies LLC
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Daimler AG, Ford Global Technologies LLC filed Critical Daimler AG
Priority to PCT/EP2006/010509 priority Critical patent/WO2008052584A1/de
Priority to DE112006004096T priority patent/DE112006004096A5/de
Publication of WO2008052584A1 publication Critical patent/WO2008052584A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16K—VALVES; TAPS; COCKS; ACTUATING-FLOATS; DEVICES FOR VENTING OR AERATING
    • F16K37/00—Special means in or on valves or other cut-off apparatus for indicating or recording operation thereof, or for enabling an alarm to be given
    • F16K37/0066—Hydraulic or pneumatic means
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the invention relates to a valve system with self-monitoring of the valve system operating state with a valve device comprising at least one medium input, a medium output and a control output as connections, wherein the medium output and control output are switched to the medium input in a medium-conducting connection, with a medium sensor system, the operationally the control output is coupled and with a
  • An evaluation device configured to detect, based on the measurement signal of the medium sensor system, the operating state of the valve device, a gas-fueled fuel cell system comprising a plurality of valves, and a method for monitoring the operating state of a valve device.
  • Valves for switching pneumatic or hydraulic systems are known in a variety of variations. Especially with complex or safety-relevant systems, it is customary to monitor the current state of the valves.
  • One of many examples of such valve status monitoring is described in document WO 2006 / 004442A1.
  • This document deals with a valve which can assume a plurality of operating states: In an open operating state, a fluid-conducting connection between inlet and outlet of the valve is formed. In a closed mode, this connection is broken. In a purge operating state, the valve is switched so that cleaning liquid can be introduced through the outlet of the valve and this is guided via a separate chamber to a cleaning outlet. The cleaning outlet is monitored by a flow meter. In addition to the detection of a fluid flow during the cleaning process, any leaking through a leak fluid is detected in the closed operating state of the valve and reported, if necessary. This document is probably the closest prior art.
  • valves that connect between anode and cathode gas cycle or between anode gas cycle and the environment It is also known to monitor different valves in fuel cell systems for safety reasons, such as valves that connect between anode and cathode gas cycle or between anode gas cycle and the environment.
  • the monitoring of the valves in a fuel cell system is usually carried out by a complex leak test during startup or during the shutdown procedure of the fuel cell system.
  • This object is achieved by a valve system having the features of claim 1, a fuel cell system having the features of claim 9 and by a method having the features of claim 11.
  • Preferred and / or advantageous embodiments are given by the dependent claims, the following description and / or the accompanying drawings.
  • valve system according to the invention is suitable and / or designed for a fuel cell system, wherein the valve system is a self-monitoring of
  • Valve system operating state has.
  • the valve system has a valve device which comprises at least one medium input, a medium output and a control output as connections.
  • a medium output and a control output as connections.
  • further medium outputs or inputs can be provided.
  • the medium output and the control output are in each case alternatively switchable into a medium-conducting connection with the medium input, in particular in such a way that a system pressure applied to the medium input is also present at the medium outlet or at the control outlet.
  • the valve system further has a medium sensor system, which is operatively coupled to the control output, and an evaluation device, which is designed in terms of programming and / or circuitry to detect the operating state of the valve device on the basis of the measurement signal of the medium sensor.
  • the medium sensor system is designed as a pressure measuring sensor system which terminates the control output.
  • the pressure measuring sensor system closes the control output dead-end and / or completely sealing off.
  • the idea underlying the invention is to replace a commonly used valve by a valve with an additional output and to connect a pressure sensor to the additional output, which is sealed by the pressure sensor.
  • the operating state of the valve system, in particular of the valve device can be determined in a simple, trouble-free manner.
  • Valve device formed as a 3/2 valve, wherein preferably a 2/2-valve common design is replaced by a 3/2-valve for the valve system according to the invention.
  • the valves or directional control valves are described according to the number of connections and the number of switching positions.
  • a 3/2 valve accordingly has three ports and two shift positions.
  • the valve device is designed as a shuttle valve with exactly two switching positions, wherein in the first switching position of Medium output with the medium input is in medium-conducting connection and in the second switching position, the control output is in medium-conducting connection with the medium input.
  • the pressure-measuring sensor system or the pressure sensor can be designed as absolute pressure-measuring sensors or as relative-pressure sensors. The latter is preferred but only used when the ambient pressure does not vary greatly over time.
  • the evaluation device is designed to detect an open operating state.
  • the medium outlet is open and closed in medium-conducting connection with the meidome input and the control output.
  • the pressure measuring sensor system is isolated from the prevailing in the valve device system pressure due to the closed control output.
  • the pressure measured with the pressure measuring device is thus constant or quasi-constant and corresponds to the pressure which prevailed shortly before the last opening of the valve device at the control outlet.
  • a stationary and / or quasi-stationary waveform of the measuring signal of the pressure measuring sensor is transmitted, where the evaluation device detects the open operating state of the valve device.
  • the evaluation device detects a closed operating state, wherein the medium output is closed and the control output is opened.
  • the control output is in medium communication with the medium input.
  • the system pressure in particular of the fuel cell system, which is applied in the valve device and / or the medium input is recorded by the pressure-measuring sensor system.
  • this applied system pressure is constantly changing. For example, changes occur when pulsations prevail in the system, such as a pulsed hydrogen valve or a screw compressor.
  • the pressure measuring sensor generates a measuring signal with a proportional to the system pressure of the fuel cell system or approximately proportional waveform.
  • This measurement signal is transmitted to the evaluation device, which recognizes the closed operating state of the valve device on the basis of the time-varying signal curve of the measurement signal.
  • the evaluation device recognizes the closed operating state on a particular temporal correlation of measurement signals of the system pressure and the pressure measuring sensor.
  • the evaluation device is designed to detect a leaking operating state, wherein a leakage of the closure of the control output is detected.
  • This operating state can be detected when the medium output is open and the control output is closed.
  • a measurement signal is generated by the pressure measuring sensor with a waveform in which a stationary and / or quasi-stationary waveform with Interference due to changes in system pressure is superimposed.
  • This leaking condition is, for example, when the valve device is defective and the control output is not fully closed or leaking, and the control output is in fluid communication with the fluid inlet, albeit possibly slightly.
  • the detection and thus the monitoring of the leaking operating state can optionally also be used to check the function of the self-monitoring, so that, for example, upon detection of the leaking operating state, the valve system outputs an error message.
  • Another object of the invention relates to a fuel cell system with a gas supply, wherein the gas supply comprises a plurality of valves, characterized in that at least one valve is designed as a valve system according to one of the preceding claims or the preceding description.
  • the integration of the valve system according to the invention in the gas supply of a fuel cell system is particularly advantageous because on the one hand in fuel cell systems no suitable solutions for monitoring the valves exist and on the other hand, the gas supply of fuel cell systems represent a dynamic system in which the system pressure changes over time.
  • valve system By means of the valve system according to the invention, it can be clearly distinguished whether the measured pressure of the pressure measuring sensor system is constant and the valve device has switched the medium input to the medium outlet or if it fluctuates and / or correlates with the system pressure, in particular temporally and the valve device is closed in the direction of the medium outlet. A safe determination of the operating condition, in particular the position of Valve device can thus be achieved by the evaluation device.
  • the valve system is used as an anode air valve, anode purge valve and / or drain valve.
  • the anode air valve or the anode purge valve is used to expel contaminated anode gas jerky (purge) from the fuel cell system.
  • the drain valve serves to dissipate any condensation water or water produced by the electrochemical reaction from the gas supply.
  • Another object relates to a method for monitoring the operating state of a valve device, in particular using the valve system according to the invention and / or in a fuel cell system according to the invention.
  • the inventive method provides that the valve device is switchable between an open operating state and a closed operating state, in particular exclusively between these two states is switchable.
  • a medium input is connected medium-conducting to a medium output
  • a closed switching state the medium input is connected to a control output in a medium-conducting manner.
  • the pressure in the control output is measured by means of a pressure-measuring sensor, which is arranged sealingly or in the manner of a sack-like passage and which terminates the control outlet.
  • FIG. 1 shows a fuel cell system as a functional block with a valve device in the open operating state as a first embodiment of the invention.
  • FIG. 2 shows the fuel cell system in FIG. 1 with the valve device in a closed operating state.
  • FIG. 1 shows a fuel cell system 1 as a functional block, which has a gas supply, in which at least one valve device 2, for example as a drain valve, purge valve or anode air purge valve, is arranged.
  • a valve device 2 for example as a drain valve, purge valve or anode air purge valve
  • the valve device 2 has a medium inlet 3 into which the medium, in particular anode or cathode gas, flows according to the flow direction arrow 4. Furthermore, the valve device 2 has a medium outlet 5, from which, in the opened state of the valve device 2, as shown in FIG. 1, the medium can flow out in the direction of the arrow 6. In addition, a control output 7 is provided, which is sealed with a switchable sealing device 8 in the open operating state of the valve device 2 shown in Figure 1 with respect to the Innraum the valve device 2 and thus against the medium input 3.
  • a pressure measuring sensor Pl is sealingly inserted, which closes the control output 7 sackgassenartig or sealing.
  • the measurement signals generated by the pressure measuring sensor Pl are forwarded to an evaluation device 9, which recognizes the operating state of the valve device 2 on the basis of the measurement signals.
  • the evaluation device is designed, for example, as a data processing device, PC, DSP, microcontroller or the like.
  • FIG. 2 shows the fuel cell system 1 with the valve device 2 in a further switching state, the closed operating state, wherein the sealing device 8 has now been switched from the control output 7 to the medium output 5, so that the medium outlet 5 is sealingly closed. Also in this operating state, the measurement signals of the pressure measuring sensor Pl are forwarded to the evaluation device 9.
  • the detection of the operating state of the valve device 2 is performed as follows:
  • the control output 7 is opened, so that the same pressure is applied to the pressure measuring sensor P1 as at the medium inlet 3.
  • the one on the Medium input 3 applied pressure corresponds to the system pressure of the fuel cell system 1.
  • This system pressure is not constant, but is usually time-varying or pulsates due to clocked hydrogen valves in the case of Anodengas Vietnamesees or due to a screw compressor in the case of Kathodengas Vietnamesees. Accordingly, the pressure measuring sensor Pl will not measure a constant pressure, but a pressure with a temporal amplitude curve, wherein the amplitude is proportional or approximately proportional to the system pressure of the fuel cell system 1 is formed.
  • the evaluation device can now easily distinguish between the open operating state and the closed operating state by virtue of whether there is a constant or quasi-constant measuring signal or a measuring signal which changes over time and in particular correlates with the system pressure in terms of time.
  • a leak can also be detected at the control output.
  • the sealing device 8 does not completely seal off the control output 7, for example due to contamination or mechanical defects
  • no constant measuring signal is transmitted to the evaluation device 9 by the pressure measuring sensor P1
  • a constant signal which is superimposed with disturbances.
  • these disturbances are less developed than the amplitudes in the measurement signal in the closed operating state of the valve device 2.
  • the detection of a leak at the control output can optionally trigger an error message.
  • the invention allows a relatively simple valve monitoring of critical valves.
  • a signal output of the evaluation device 9 with the detected operating states can be guided, for example, in a higher-level control for further processing.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

Ventile zum Schalten von pneumatischen oder hydraulischen Anlagen sind in einer Vielzahl von Variationen bekannt. Insbesondere bei komplexen oder sicherheitsrelevanten Anlagen ist es üblich, den aktuellen Zustand der Ventile zu überwachen . Es wird ein Ventilsystem für ein Brennstoff zellensystem (1) mit Eigenüberwachung des Ventilsystembetriebszustandes mit einer Ventilvorrichtung (2), die als Anschlüsse mindestens einen Mediumeingang (3), einen Mediumausgang (5) und einen Kontrollausgang (7) umfasst, wobei Mediumausgang 5 und Kontrollausgang (7) mit dem Mediumeingang (3) in eine mediumleitende Verbindung schaltbar sind, mit einer Medium- Sensorik Pl, die operativ an den Kontrollausgang (7) gekoppelt ist, und mit einer Bewertungsvorrichtung (9), die ausgebildet ist um auf Basis des Messsignals der Medium-Sensorik Pl den Betriebszustand der Ventilvorrichtung (2) zu erkennen, vorgeschlagen, wobei die Medium-Sensorik als eine den Kontrollausgang (7) abschließende Druckmesssensorik Pl ausgebildet ist.

Description

Ventilsystem für ein Brennstoffzellensystem,
BrennstoffZeilensystem sowie Verfahren zur Überwachung des
Betriebszustandes einer Ventilvorrichtung
Die Erfindung betrifft ein Ventilsystem mit Eigenüberwachung des Ventilsystembetriebszustandes mit einer Ventilvorrichtung, die als Anschlüsse mindestens einen Mediumeingang, einen Mediumausgang und einen Kontrollausgang umfasst, wobei Mediumausgang und Kontrollausgang mit dem Mediumeingang in eine mediumleitende Verbindung schaltbar sind, mit einer Medium-Sensorik, die operativ an den Kontrollausgang gekoppelt ist und mit einer
Bewertungsvorrichtung, die ausgebildet ist, um auf Basis des Messsignals der Medium-Sensorik den Betriebszustand der Ventilvorrichtung zu erkennen, ein Brennstoffzellensystem mit Gasversorgung, die eine Mehrzahl von Ventilen umfasst, sowie ein Verfahren zur Überwachung des Betriebszustandes einer VentilVorrichtung.
Ventile zum Schalten von pneumatischen oder hydraulischen Anlagen sind in einer Vielzahl von Variationen bekannt. Insbesondere bei komplexen oder sicherheitsrelevanten Anlagen ist es üblich, den aktuellen Zustand der Ventile zu überwachen . Eine von vielen Beispielen einer derartigen Ventilstatusüberwachung ist in der Druckschrift WO 2006/004442A1 beschrieben. Diese Druckschrift behandelt ein Ventil, welches mehrere Betriebszustände einnehmen kann: In einem Offen-Betriebszustand wird eine flüssigkeitsleitende Verbindung zwischen Einlass und Auslass des Ventils gebildet. In einem Geschlossen-Betriebszustand ist diese Verbindung unterbrochen. In einem Säuberungs-Betriebszustand ist das Ventil so geschaltet, dass durch den Auslass des Ventils Reinigungsflüssigkeit eingeführt werden kann und diese über eine gesonderte Kammer zu einem Reinigungsauslass geführt wird. Der Reinigungsauslass wird dabei durch einen Strömungsmesser (flow detector) überwacht. Neben der Detektion einer Fluidströmung während des Reinigungsvorgangs, wird auch etwaiges durch eine Leckage austretendes Fluid in dem Geschlossen-Betriebszustand des Ventils detektiert und gegebenenfalls gemeldet. Diese Druckschrift bildet wohl den nächstkommenden Stand der Technik.
Es ist weiterhin bekannt, bei BrennstoffZeilensystemen verschiedene Ventile aus Sicherheitsgründen zu überwachen, wie zum Beispiel Ventile die eine Verbindung zwischen Anoden- und Kathodengaskreislauf oder zwischen Anodengaskreislauf und der Umgebung schalten. Die Überwachung der Ventile bei einem Brennstoffzellensystem wird dabei üblicherweise durch einen aufwendigen Leckagetest während des Starts oder während der Abschaltprozedur des Brennstoffzellensystems durchgeführt.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Ventilsystem insbesondere für ein Brennstoffzellensystem, ein Brennstoffzellensystem mit einem derartigen Ventilsystem sowie ein Verfahren zur Überwachung des Betriebszustandes einer Ventilvorrichtung vorzuschlagen, die einen einfachen und störungsfreien Betrieb erlauben. Diese Aufgabe wird durch ein Ventilsystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1, ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Anspruchs 9 sowie mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 11 gelöst. Bevorzugte und/oder vorteilhafte Ausführungsformen sind durch die abhängigen Ansprüche, die nachfolgende Beschreibung und/oder die beigefügten Zeichnungen gegeben.
Das erfindungsgemäße Ventilsystem ist geeignet und/oder ausgebildet für ein Brennstoffzellensystem, wobei das Ventilsystem eine Eigenüberwachung des
Ventilsystembetriebszustandes aufweist. Zur Führung eines Mediums hat das Ventilsystem eine Ventilvorrichtung, die als Anschlüsse mindestens einen Mediumeingang, einen Mediumausgang und einen Kontrollausgang umfasst. Optional können weitere Mediumaus- oder -eingänge vorgesehen sein. Der Mediumausgang und der Kontrollausgang sind jeweils mit dem Mediumeingang insbesondere alternativ in eine mediumleitende Verbindung schaltbar, insbesondere derart, dass ein an dem Mediumeingang anliegender Systemdruck auch am Mediumausgang beziehungsweise am Kontrollausgang anliegt.
Das Ventilsystem weist weiterhin eine Medium-Sensorik auf, die operativ an den Kontrollausgang gekoppelt ist sowie eine Bewertungsvorrichtung, die programmtechnisch und/oder schaltungstechnisch ausgebildet ist, um auf Basis des Messsignals der Medium-Sensorik den Betriebszustand der Ventilvorrichtung zu erkennen.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Medium-Sensorik als eine den Kontrollausgang abschließende Druckmesssensorik ausgebildet ist. Insbesondere schließt die Druckmesssensorik den Kontrollausgang sackgassenartig und/oder vollständig abdichtend ab.
Bei der Erfindung wurde erkannt, dass bei den gängigen, insbesondere für Brennstoffzellensysteme eingesetzten Ventile eine Überwachung nur durch einen aufwendigen Leckagetest während des Starts oder während der Abschaltprozedur erfolgt. Obgleich ein derartiger Leckagetest sehr aufwendig ist, kann trotzdem nur die Stellung der Ventile zu einem bestimmten Zeitpunkt, nämlich zum Startzeitpunkt beziehungsweise während der Abschaltprozedur, ermittelt werden. Eine Fehlstellung während des Normalbetriebes wird auf diese Weise nicht detektiert .
Die der Erfindung zugrunde liegende Idee ist es, ein gängig eingesetztes Ventil durch ein Ventil mit einem zusätzlichen Ausgang zu ersetzen und einen Drucksensor an dem zusätzlichen Ausgang anzuschließen, wobei dieser durch den Drucksensor abdichtend verschlossen ist. Auf Basis der Messsignale der Drucksensors kann in einfacher, störungsunanfälliger Art der Betriebszustand des Ventilsystems, insbesondere der Ventilvorrichtung, ermittelt werden.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die
Ventilvorrichtung als 3/2-Ventil ausgebildet, wobei bevorzugt ein 2/2-Ventil gängiger Bauart durch ein 3/2-Ventil für das erfindungsgemäße Ventilsystem ersetzt wird. Die Ventile oder Wegeventile werden dabei nach der Anzahl der Anschlüsse sowie der Anzahl der Schaltstellungen beschrieben. Ein 3/2-Ventil weist demgemäß drei Anschlüsse und zwei Schaltstellungen auf.
Bei einer bevorzugten Ausbildung ist die Ventilvorrichtung als Wechselventil mit genau zwei Schaltstellungen ausgebildet, wobei bei der ersten Schaltstellung der Mediumausgang mit dem Mediumeingang in mediumleitender Verbindung steht und bei der zweiten Schaltstellung der Kontrollausgang mit dem Mediumeingang in mediumleitender Verbindung steht. Der Vorteil dieser Ausbildung liegt darin, dass bei der Ventilvorrichtung keine störanfälligen Zwischenschaltstellungen beispielsweise konstruktiv ermöglicht sind.
Bei dem erfindungsgemäßen Ventilsystem kann die Druckmesssensorik bzw. der Drucksensor als Absolutdruckmesssensorik oder als Relativdrucksensorik ausgebildet sein. Letztere wird bevorzugt aber nur eingesetzt, wenn der Umgebungsdruck zeitlich nicht stark schwankt .
Bei einer bevorzugten Realisierung des Ventilsystems ist die Bewertungsvorrichtung zur Erkennung eines Offen- Betriebszustands ausgebildet. Bei dem Offen-Betriebszustand ist der Mediumausgang geöffnet und in mediumleitender Verbindung mit dem Meidumeingang und der Kontrollausgang geschlossen. In diesem Zustand ist die Druckmesssensorik aufgrund des geschlossenen Kontrollausgangs von dem in der Ventilvorrichtung herrschenden Systemdruck isoliert. Der mit der Druckmessvorrichtung gemessene Druck ist somit konstant oder quasi-konstant und entspricht dem Druck, der kurz vor dem letzten Öffnen der Ventilvorrichtung am Kontrollausgang geherrscht hat. Als Folge des konstanten beziehungsweise quasi-konstanten Druckes wird der Bewertungsvorrichtung ein stationärer und/oder quasi-stationärer Signalverlauf des Messsignals der Druckmesssensorik übermittelt, an dem die Bewertungsvorrichtung den Offen-Betriebszustand der Ventilvorrichtung erkennt. Es ist des Weiteren bevorzugt, dass die Bewertungsvorrichtung einen Geschlossen-Betriebszustand erkennt, wobei der Mediumausgang geschlossen und der Kontrollausgang geöffnet ist. In dem Geschlossen-Betriebszustand ist der Kontrollausgang mit dem Mediumeingang in mediumleitender Verbindung. In diesem Betriebszustand wird durch die Druckmesssensorik der in der Ventilvorrichtung und/oder dem Mediumeingang anliegenden Systemdruck insbesondere des Brennstoffzellensystems aufgenommen. In einem dynamischen System, wie zum Beispiel einem Brennstoffzellensystem, ändert sich dieser anliegende Systemdruck ständig. Beispielsweise erfolgen Änderungen, wenn im System Pulsationen vorherrschen, wie zum Beispiel durch ein getaktetes Wasserstoff-Ventil oder einen Schraubenkompressor. Die Druckmesssensorik erzeugt ein Messsignal mit einem zu dem Systemdruck des Brennstoffzellensystems proportionalen oder in etwa proportionalen Signalverlauf. Dieses Messsignal wird an die Bewertungsvorrichtung übermittelt, welche auf Basis des sich zeitlich ändernden Signalverlaufs des Messsignals den Geschlossen-Betriebszustand der Ventilvorrichtung erkennt. Vorzugsweise erkennt die Bewertungsvorrichtung den Geschlossen-Betriebszustand an einer insbesondere zeitlichen Korrelation von Messsignalen des Systemdrucks und des Druckmesssensors .
Besonders vorteilhaft ist eine Ausführungsform, bei der die Bewertungsvorrichtung zur Erkennung eines Undichtigkeit- Betriebszustandes ausgebildet ist, wobei eine Undichtigkeit des Verschlusses des Kontrollausgangs detektiert wird. Dieser Betriebszustand kann erkannt werden, wenn der Mediumausgang geöffnet und der Kontrollausgang geschlossen ist. Im Fall einer Undichtigkeit wird durch die Druckmesssensorik ein Messsignal mit einem Signalverlauf erzeugt, bei dem ein stationärer und/oder quasi stationärer Signalverlauf mit Störungen, die auf Änderungen des Systemdrucks zurückgehen, überlagert ist. Dieser Undichtigkeit-Betriebszustand liegt beispielsweise vor, wenn die Ventilvorrichtung schadhaft ist und der Kontrollausgang nicht vollständig geschlossen oder undicht ist, und der Kontrollausgang - wenn auch möglicherweise in geringem Maße - in einer mediumleitenden Verbindung mit dem Mediumeingang steht. Die Detektion und somit die Überwachung des Undichtigkeit-Betriebszustandes kann optional auch zur Funktionskontrolle der Eigenüberwachung eingesetzt werden, so dass beispielsweise bei Detektion des Undichtigkeit-Betriebszustandes das Ventilsystem eine Fehlermeldung ausgibt.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem mit einer Gasversorgung, wobei die Gasversorgung eine Mehrzahl von Ventilen umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Ventil als Ventilsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche oder der vorhergehenden Beschreibung ausgebildet ist. Die Integration des erfindungsgemäßen Ventilsystems in die Gasversorgung eines BrennstoffZeilensystems ist besonders vorteilhaft, da zum einen bei Brennstoffzellensystemen bislang keine geeigneten Lösungen zur Überwachung der Ventile existieren und zum anderen die Gasversorgung von Brennstoffzellensystemen ein dynamisches System repräsentieren, bei denen sich der Systemdruck zeitlich ständig ändert. Durch das erfindungsgemäße Ventilsystem ist eindeutig unterscheidbar, ob der gemessene Druck der Druckmesssensorik konstant ist und die Ventilvorrichtung den Mediumeingang zu dem Mediumausgang durchgeschaltet hat oder ob dieser schwankt und/oder mit dem Systemdruck insbesondere zeitlich korreliert und die Ventilvorrichtung in Richtung des Mediumausgangs geschlossen ist. Eine sichere Bestimmung des Betriebszustands, insbesondere der Stellung der Ventilvorrichtung, kann durch die Bewertungsvorrichtung somit erreicht werden.
Besonders vorteilhaft wird das Ventilsystem als Anodenluftventil, Anodenpurgeventil und/oder Drainventil eingesetzt. Das Anodenluftventil bzw. das Anodenpurgeventil dient dazu verunreinigtes Anodengas stoßartig (purge) aus dem Brennstoffzellensystem auszustoßen. Das Drainventil dient dazu, entstehendes Kondenswasser oder durch die elektrochemische Reaktion entstehendes Wasser aus der Gasversorgung abzuführen.
Ein weiterer Gegenstand betrifft ein Verfahren zur Überwachung des Betriebszustandes einer Ventilvorrichtung, insbesondere unter Verwendung des erfindungsgemäßen Ventilsystems und/oder in einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem. Das erfindungsgemäße Verfahren sieht vor, dass die Ventilvorrichtung zwischen einem Offen- Betriebszustand und einem Geschlossen-Betriebszustand schaltbar ist, insbesondere ausschließlich zwischen diesen beiden Zuständen schaltbar ist. In dem Offen-Schaltzustand wird ein Mediumeingang mit einem Mediumausgang mediumleitend verbunden und in einem Geschlossen-Schaltzustand wird der Mediumeingang mit einem Kontrollausgang mediumleitend verbunden. Mittels eines den Kontrollausgang dichtend oder sackgassenartig abschließend angeordneten Druckmesssensor wird der Druck in dem Kontrollausgang gemessen. Durch Auswertung der Messsignale wird schließlich - wie bereits vorstehend erläutert - der Betriebszustand der Ventilvorrichtung erkannt.
Weitere Merkmale, Vorteile und Wirkungen ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung. Dabei zeigen: Fig. 1 ein Brennstoffzellensystem als Funktionsblock mit einer Ventilvorrichtung im Offen-Betriebszustand als ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Fig. 2 das Brennstoffzellensystem in Figur 1 mit der Ventilvorrichtung in einem Geschlossen- Betriebszustand.
Gleiche Teile oder Größen sind in den Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Figur 1 zeigt ein Brennstoffzellensystem 1 als Funktionsblock, welches eine Gasversorgung aufweist, in der mindestens eine Ventilvorrichtung 2, zum Beispiel als Drain- Ventil, Purge-Ventil oder Anodenluftpurge-Ventil, angeordnet ist.
Die Ventilvorrichtung 2 weist einen Mediumeingang 3 auf, in den das Medium, insbesondere Anoden- oder Kathodengas, gemäß der Strömungsrichtung Pfeil 4 einströmt. Im Weiteren weist die Ventilvorrichtung 2 einen Mediumausgang 5 auf, aus dem im geöffneten Zustand der Ventilvorrichtung 2 - wie in Fig. 1 gezeigt - das Medium in Pfeilrichtung 6 ausfließen kann. Zudem ist ein Kontrollausgang 7 vorgesehen, der mit einer umschaltbaren Dichtvorrichtung 8 in dem in Figur 1 gezeigten Offen-Betriebszustand der Ventilvorrichtung 2 gegenüber dem Innraum der Ventilvorrichtung 2 und somit gegenüber dem Mediumeingang 3 abgedichtet ist.
In den Kontrollausgang 7 ist ein Druckmesssensor Pl dichtend eingesetzt, der den Kontrollausgang 7 sackgassenartig oder abdichtend verschließt. Die von dem Druckmesssensor Pl erzeugten Messsignale werden an eine Bewertungsvorrichtung 9 weitergegeben, die den Betriebszustand der Ventilvorrichtung 2 anhand der Messsignale erkennt. Die Bewertungseinrichtung ist beispielsweise als Datenverarbeitungseinrichtung, PC, DSP, Microcontroller o.a. ausgebildet.
Die Figur 2 zeigt das Brennstoffzellensystem 1 mit der Ventilvorrichtung 2 in einem weiteren Schaltzustand, dem Geschlossen-Betriebszustand , wobei die Dichtvorrichtung 8 nun von dem Kontrollausgang 7 zu dem Mediumausgang 5 umgeschaltet worden ist, so dass der Mediumausgang 5 abdichtend verschlossen ist. Auch in diesem Betriebszustand werden die Messsignale des Druckmesssensors Pl an die Bewertungsvorrichtung 9 weitergegeben.
Die Erkennung des Betriebszustands der Ventilvorrichtung 2 wird wie nachfolgend dargelegt durchgeführt:
In dem Offen-Betriebzustand, wie er in Figur 1 gezeigt ist, wobei Mediumeingang 3 und Mediumausgang 5 mediumleitend miteinander verbunden sind, wird von dem Druckmesssensor Pl in dem Kontrollausgang 7 ein konstanter Druck gemessen, so dass von dem Druckmesssensor Pl ein konstantes oder quasikonstantes Messsignal an die Bewertungsvorrichtung 9 weitergegeben wird. Anhand dieses konstanten beziehungsweise quasi-konstanten Messsignals erkennt die Bewertungsvorrichtung 9 den Offen-Betriebszustand.
In dem Geschlossen-Betriebszustand, wie er in Figur 2 dargestellt ist, wobei kein Durchfluss von dem Mediumeingang 3 zu dem Mediumausgang 5 möglich ist, ist der Kontrollausgang 7 geöffnet, so dass an dem Druckmesssensor Pl der gleiche Druck anliegt wie an dem Mediumeingang 3. Der an dem Mediumeingang 3 anliegende Druck entspricht dem Systemdruck des Brennstoffzellensystems 1. Dieser Systemdruck ist nicht konstant, sondern ist üblicherweise zeitlich veränderlich oder pulsiert z.B. aufgrund von getakteten Wasserstoffventilen im Falle des Anodengaskreises oder aufgrund eines Schraubenkompressors im Falle des Kathodengaskreises . Dementsprechend wird der Druckmesssensor Pl nicht einen konstanten Druck, sondern einen Druck mit einem zeitlichen Amplitudenverlauf messen, wobei die Amplitude proportional oder in etwa proportional zu dem Systemdruck des Brennstoffzellensystems 1 ausgebildet ist.
Die Bewertungseinrichtung kann nun den Offen-Betriebszustand und den Geschlossen-Betriebszustand in einfacher Weise daran unterscheiden, ob ein konstantes oder quasi-konstantes Messsignal oder ein sich zeitlich veränderndes, insbesondere zeitlich zu dem Systemdruck korrelierendes Messsignal vorliegt.
Optional kann für den Geschlossen-Betriebszustand, wie er in Figur 1 gezeigt ist, auch eine Undichtigkeit am Kontrollausgang detektiert werden. Für den Fall, dass die Abdichtvorrichtung 8 den Kontrollausgang 7 nicht vollständig abdichtet, zum Beispiel aufgrund von Verschmutzung oder mechanischen Defekten, wird von dem Druckmesssensor Pl kein konstantes Messsignal an die Bewertungsvorrichtung 9 übergeben, sondern ein konstantes Signal, welches mit Störungen überlagert ist. Diese Störungen sind jedoch geringer ausgebildet als die Amplituden bei dem Messsignal im Geschlossen-Betriebszustand der Ventilvorrichtung 2. Die Detektion einer Undichtigkeit am Kontrollausgang kann optional eine Fehlermeldung auslösen. Zusammenfassend erlaubt die Erfindung eine relativ einfache Ventilüberwachung von kritischen Ventilen. Ein Signalausgang der Bewertungsvorrichtung 9 mit den erkannten Betriebszuständen kann beispielsweise in eine übergeordnete Steuerung zur weiteren Verarbeitung geführt werden.

Claims

Patentansprüche
1. Ventilsystem für ein Brennstoffzellensystem (1) mit Eigenüberwachung des Ventilsystembetriebszustandes
mit einer Ventilvorrichtung (2) , die als Anschlüsse mindestens einen Mediumeingang (3) , einen Mediumausgang (5) und einen Kontrollausgang (7) umfasst, wobei Mediumausgang (5) und Kontrollausgang (7) mit dem Mediumeingang (3) in eine mediumleitende Verbindung schaltbar sind,
mit einer Medium-Sensorik (Pl) , die operativ an den Kontrollausgang (7) gekoppelt ist
und mit einer Bewertungsvorrichtung (9) , die ausgebildet ist um auf Basis des Messsignals der Medium-Sensorik (Pl) den Betriebszustand der Ventilvorrichtung (2) zu erkennen,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Medium-Sensorik als eine den Kontrollausgang (7) abschließende Druckmesssensorik (Pl) ausgebildet ist.
2. Ventilsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilvorrichtung (2) als 3/2-Ventil ausgebildet ist.
3. Ventilsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilvorrichtung (2) als Wechselventil ausgebildet ist, so dass entweder der Mediumausgang (5) oder der Kontrollausgang (7) mit dem Mediumeingang (3) in mediumleitender Verbindung steht.
4. Ventilsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckmesssensorik (Pl) als Absolutdruckmesssensorik oder Relativdrucksensorik, die relativ zu dem Umgebungsdruck misst, ausgebildet ist.
5. Ventilsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewertungsvorrichtung
(9) einen Offen-Betriebszustand, bei dem der Mediumausgang (5) geöffnet und der Kontrollausgang (7) geschlossen ist, durch einen stationären und/oder quasistationären Signalverlauf des Messsignals erkennt.
6. Ventilsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewertungsvorrichtung (9) einen Geschlossen-Betriebszustand, bei dem der
Mediumausgang (5) geschlossen und der Kontrollausgang (7) geöffnet ist, durch einen zu dem Systemdruck des Brennstoffzellensystems proportionalen Signalverlauf des Messsignals erkennt.
7. Ventilsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewertungsvorrichtung
(9) einen Undichtigkeit-Betriebszustand, bei dem der Mediumausgang (5) geöffnet und der Kontrollausgang (7) geschlossen ist, durch einen Signalverlauf des Messsignals erkennt, bei dem ein stationärer und/oder quasistationärer Signalverlauf mit Störungen überlagert ist.
8. Ventilsystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewertungseinrichtung (9) ausgebildet ist, um bei der Erkennung eines Undichtigkeit-Betriebszustandes ein Fehlersignal auszugeben.
9. Brennstoffzellensystem mit Gasversorgung, die eine Mehrzahl von Ventilen (2) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Ventil (2) als Ventilsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche ausgebildet ist.
10. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das oder die Ventilsysteme als Anodenluftventil, Anodenpurgeventil und/oder Drain-Ventil ausgebildet ist bzw. sind.
11. Verfahren zur Überwachung des Betriebszustandes einer Ventilvorrichtung (2) , insbesondere unter Verwendung eines Ventilsystems nach einem der Ansprüche 1 bis 8 oder eines Brennstoffzellensystems (1) nach einem der Ansprüche 9 oder 10,
wobei die Ventilvorrichtung (2) zwischen einem offenen Zustand und einem geschlossenen Zustand schaltbar ist, wobei im offenen Zustand ein Mediumausgang (5) und im geschlossenen Zustand ein Kontrollausgang (7) mit einem Mediumeingang (3) mediumleitend verbunden ist,
wobei mittels eines den Kontrollausgang (7) abschließend angeordneten Druckmesssensors (Pl) der Druck in dem Kontrollausgang (7) gemessen wird und
wobei durch Auswertung der Messsignale des Druckmesssensors (Pl) der Betriebszustand der Ventilvorrichtung (2) erkannt wird.
PCT/EP2006/010509 2006-11-02 2006-11-02 Ventilsystem für ein brennstoffzellensystem, brennstoffzellensystem sowie verfahren zur überwachung des betriebszustandes einer ventilvorrichtung Ceased WO2008052584A1 (de)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/EP2006/010509 WO2008052584A1 (de) 2006-11-02 2006-11-02 Ventilsystem für ein brennstoffzellensystem, brennstoffzellensystem sowie verfahren zur überwachung des betriebszustandes einer ventilvorrichtung
DE112006004096T DE112006004096A5 (de) 2006-11-02 2006-11-02 Ventilsystem für ein Brennstoffzellensystem, Brennstoffzellensystem sowie Verfahren zur Überwachung des Betriebszustandes einer Ventilvorrichtung

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/EP2006/010509 WO2008052584A1 (de) 2006-11-02 2006-11-02 Ventilsystem für ein brennstoffzellensystem, brennstoffzellensystem sowie verfahren zur überwachung des betriebszustandes einer ventilvorrichtung

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2008052584A1 true WO2008052584A1 (de) 2008-05-08

Family

ID=38230119

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2006/010509 Ceased WO2008052584A1 (de) 2006-11-02 2006-11-02 Ventilsystem für ein brennstoffzellensystem, brennstoffzellensystem sowie verfahren zur überwachung des betriebszustandes einer ventilvorrichtung

Country Status (2)

Country Link
DE (1) DE112006004096A5 (de)
WO (1) WO2008052584A1 (de)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102011105054A1 (de) * 2011-06-21 2012-12-27 Volkswagen Aktiengesellschaft Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzelle sowie Brennstoffzelle

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5560392A (en) * 1995-03-29 1996-10-01 Postberg Anne Karin M Valve for a measuring device
WO2003042586A1 (en) * 2001-11-13 2003-05-22 Emech Control Limited (Formerly Technology Development Group Limited) Process control valve
WO2005010415A1 (de) * 2003-07-24 2005-02-03 Alois Schwarz Mehrwegeventil
EP1691115A1 (de) * 2005-02-14 2006-08-16 Hans Sasserath & Co Kg Ventilanordnung mit druckabhängig gesteuertem Ventil

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5560392A (en) * 1995-03-29 1996-10-01 Postberg Anne Karin M Valve for a measuring device
WO2003042586A1 (en) * 2001-11-13 2003-05-22 Emech Control Limited (Formerly Technology Development Group Limited) Process control valve
WO2005010415A1 (de) * 2003-07-24 2005-02-03 Alois Schwarz Mehrwegeventil
EP1691115A1 (de) * 2005-02-14 2006-08-16 Hans Sasserath & Co Kg Ventilanordnung mit druckabhängig gesteuertem Ventil

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102011105054A1 (de) * 2011-06-21 2012-12-27 Volkswagen Aktiengesellschaft Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzelle sowie Brennstoffzelle

Also Published As

Publication number Publication date
DE112006004096A5 (de) 2009-10-01

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE102006055747B4 (de) Verfahren und Anordnung zur Diagnose eines Stellorgans
DE3708471A1 (de) Verfahren und vorrichtung zur dichtheitskontrolle von zwei hintereinander in einer fluidleitung angeordneten ventilen
EP2475920B1 (de) Diagnosesystem für ein ventil
EP3074680B1 (de) Ventil
DE4326343A1 (de) Diganose-System für Regel- und Absperrarmaturen
DE102007045529A1 (de) Diagnosesystem und Diagnoseverfahren für ein Ventil, insbesondere ein Schließventil oder ein Regelventil
EP3546763B1 (de) Erfassung von wartungszuständen von ventilen
EP1181474A1 (de) Diagnosesystem für ein von einem stellungsregler über einen antrieb betätigbares ventil
EP1664715A1 (de) Druckmessumformer mit piezoelektrischem element zur erkennung von trennmembranfehlern
DE102012016295A1 (de) Vorrichtung und Verfahren zum Quantifizieren eines Leckagedurchflusses an einem Stellgerät
WO2011076481A1 (de) Einbauarmatur für einen stabförmigen messeinsatz
DE102007039564A1 (de) Verfahren und Vorrichtung zur Diagnose eines Abscheidermoduls in einem Brennstoffzellensystem
DE102014216409A1 (de) Ablasseinrichtung
DE102012010055A1 (de) Einrichtung und Verfahren zur Überwachung der Dichtigkeit von druckluftverbrauchenden oder druckluftführenden pneumatischen Elementen
DE4339302C2 (de) Farbwechselblock mit Leckageindikatoren
WO2008052584A1 (de) Ventilsystem für ein brennstoffzellensystem, brennstoffzellensystem sowie verfahren zur überwachung des betriebszustandes einer ventilvorrichtung
DE102006059938B3 (de) Verfahren zur Diagnose eines mit einer Hilfsenergie angetriebenen Stellorgans
WO2018050439A1 (de) Armatur für ein fluidleitungssystem
EP2053290A2 (de) Verfahren zur Emittlung des Zustandes hinsichtlich Verschleiß und/oder Wartungsbedarf automatischer, pneumatisch betätigter Prozessarmaturen
DE4425225C2 (de) Vorrichtung zum Prüfen der Dichtheit von Ventilen in einer Fluidstrecke
EP3851713B1 (de) System zur zustandsueberwachung
DE102010035965A1 (de) Druckmessumformer
EP2241864A2 (de) Vorrichtung zur Messung des Volumens- oder Messestromes eines Mediums mittels Differenzdrucksensors mit einer Verbindungsvorrichtung für den Sensor
DE1600509B1 (de) Verfahren und Vorrichtung zur Pruefung der Dichtigkeit von zwei in Serie geschalteten Abschlussventilen in einer Gasleitung
DE102005024674B4 (de) Verfahren zur Überprüfung der Dichtigkeit einer in einem von einem gasförmigen oder flüssigen Medium durchströmten Kreislauf angeordneten Ventilanordnung

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 06806661

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 1120060040960

Country of ref document: DE

REF Corresponds to

Ref document number: 112006004096

Country of ref document: DE

Date of ref document: 20091001

Kind code of ref document: P

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 06806661

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1