DE102021203444A1 - Procedure for checking a fuel cell system for membrane tightness - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überprüfung eines Brennstoffzellensystems (100) auf Membranendichtheit, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist:
1) Absperren von Subsystemen (Q1, Q2, Q3) des Brennstoffzellensystems (100), die direkte Quellen für eine Brennstoff-Leckage und/oder einen Brennstoffmassenstrom sein können,
2) Betreiben eines Kathodensystems (10) zum Bereitstellen eines sauerstoffhaltigen Reaktanten,
3) Betreiben eines Anodensystems (20) zum Bereitstellen eines brennstoffhaltigen Reaktanten,
4) Überwachen von Messergebnissen des Brennstoffsensors (S).
The invention relates to a method for checking a fuel cell system (100) for membrane tightness, the method having the following steps:
1) shutting off subsystems (Q1, Q2, Q3) of the fuel cell system (100), which can be direct sources of fuel leakage and/or fuel mass flow,
2) operating a cathode system (10) to provide an oxygen-containing reactant,
3) operating an anode system (20) to provide a fuel-containing reactant,
4) Monitoring readings from the fuel sensor (S).
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überprüfung eines Brennstoffzellensystems auf Membranendichtheit nach dem unabhängigen Verfahrensanspruch, ein entsprechendes Brennstoffzellensystem nach dem unabhängigen Vorrichtungsanspruch sowie ein Fahrzeug mit einem entsprechenden Brennstoffzellensystem nach dem nebengeordneten unabhängigen Vorrichtungsanspruch.The invention relates to a method for checking a fuel cell system for membrane tightness according to the independent method claim, a corresponding fuel cell system according to the independent device claim and a vehicle with a corresponding fuel cell system according to the independent device claim.
Stand der TechnikState of the art
Brennstoffzellensysteme sind grundsätzlich bekannt, auch als Energielieferanten bei Fahrzeugen. In Brennstoffzellensystemen wird i. d. R. als Oxidationsmittel Sauerstoff aus der Umgebungsluft und als Reduktionsmittel bzw. Brennstoff Wasserstoff benutzt, um in dem Brennstoffzellenstapel des Systems zu Wasser (bzw. Wasserdampf) zu reagieren und durch elektrochemische Wandlung eine elektrische Leistung zu liefern. Die Umgebungsluft wird zumeist mittels eines Kathodensystems mit einem Luftverdichtungssystem dem Brennstoffzellenstapel bereitgestellt. Der Wasserstoff wird i. d. R. in einem Hochdrucktank (bspw. 700bar) gespeichert und über Leitungen und Ventile dem Brennstoffzellenstapel zugeführt und in einem loopartigen Anodensystem eines Anodensystems rezirkuliert. Der Anodenloop muss im Betrieb in periodischer Weise gespült („purg“) und entwässert („drain“) werden, um den zunehmenden Stickstoffgehalt (durch Diffusion über die Membran) und das anreichende Wasser in der Anode zu senken. Ein Teil des Purge-Gases ist dabei auch Wasserstoff, weshalb das Purge-Gas in den Luftsystem-Abgaskanal geleitet und dort durch den Luftmassenstrom soweit verdünnt wird, dass kein explosives Gemisch entstehen kann.Fuel cell systems are known in principle, also as energy suppliers in vehicles. In fuel cell systems i. i.e. R. uses oxygen from the ambient air as the oxidizing agent and hydrogen as the reducing agent or fuel in order to react to form water (or water vapor) in the fuel cell stack of the system and to supply electrical power by electrochemical conversion. The ambient air is usually provided to the fuel cell stack by means of a cathode system with an air compression system. The hydrogen is i. i.e. R. stored in a high-pressure tank (e.g. 700 bar) and fed to the fuel cell stack via lines and valves and recirculated in a loop-like anode system of an anode system. During operation, the anode loop must be purged and drained periodically during operation in order to reduce the increasing nitrogen content (through diffusion across the membrane) and the accumulation of water in the anode. Part of the purge gas is also hydrogen, which is why the purge gas is fed into the air system exhaust gas duct and is diluted there by the air mass flow to such an extent that no explosive mixture can form.
Der Brennstoffzellenstapel umfasst meistens mehrere Brennstoffzellen, die mit vielen Dichtungen gegenseitig abgedichtet werden. Diese Dichtungen unterliegen jedoch Temperaturwechsel, Druckwechsel, usw. und altern entsprechend. Deshalb sind die Brennstoffzellenstapel üblicherweise auch nicht dicht im absoluten Sinne. Eine weitere Quelle für eine Brennstoffleckage ist eine undichte, bspw. veraltete, zu trockene und/oder beschädigte, Membran. Zum anderen können die Hochdrucktanks zur Speicherung des Wasserstoffs bzw. deren Armaturen, Aktoren, Sensoren und/oder Rohrleitungen undicht werden.The fuel cell stack usually includes several fuel cells that are mutually sealed with many seals. However, these seals are subject to temperature changes, pressure changes, etc. and age accordingly. Therefore, the fuel cell stacks are usually not tight in the absolute sense. Another source of fuel leakage is a leaking diaphragm, such as a deteriorated, overly dry, and/or damaged diaphragm. On the other hand, the high-pressure tanks for storing the hydrogen or their fittings, actuators, sensors and/or pipelines can leak.
Da Wasserstoff sehr flüchtig ist und mit Luft ein explosives Gemisch bilden kann, insbesondere in abgegrenzten oder geschlossenen Räumen, ist es sicherheitsrelevant evtl. Wasserstoff leckagen sicher zu erkennen. Zur Wasserstoff-Leckage-Erkennung werden üblicherweise mehrere Wasserstoffsensoren eingebaut. Diese Sensoren sind mit signifikanten Kosten verbunden. Außerdem müssen die Sensoren aufwendig kalibriert werden, um hohe Sicherheitsanforderung entsprechen zu können.Since hydrogen is very volatile and can form an explosive mixture with air, especially in confined or closed rooms, it is safety-relevant to detect any hydrogen leaks with certainty. Several hydrogen sensors are usually installed to detect hydrogen leakage. These sensors have a significant cost associated with them. In addition, the sensors have to be calibrated at great expense in order to be able to meet high safety requirements.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of Invention
Die Erfindung sieht gemäß einem ersten Aspekt ein Verfahren zur Überprüfung eines Brennstoffzellensystems auf Membranendichtheit mit den Merkmalen des unabhängigen Verfahrensanspruches, gemäß einem zweiten Aspekt ein entsprechendes Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des unabhängigen Vorrichtungsanspruches und gemäß einem dritten Aspekt ein Fahrzeug mit einem entsprechenden Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des nebengeordneten unabhängigen Vorrichtungsanspruches vor. Weitere Vorteile, Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit einzelnen erfindungsgemäßen Aspekten beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit den anderen erfindungsgemäßen Aspekten und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.According to a first aspect, the invention provides a method for checking a fuel cell system for membrane tightness with the features of the independent method claim, according to a second aspect a corresponding fuel cell system with the features of the independent device claim and according to a third aspect a vehicle with a corresponding fuel cell system with the features of subordinate independent device claim. Further advantages, features and details of the invention result from the dependent claims, the description and the drawings. Features and details that are described in connection with individual aspects of the invention naturally also apply in connection with the other aspects of the invention and vice versa, so that the disclosure of the individual aspects of the invention is or can always be referred to reciprocally.
Die vorliegende Erfindung sieht gemäß dem ersten Aspekt vor: ein Verfahren zur Überprüfung eines Brennstoffzellensystems auf Membranendichtheit bzw. zur Überprüfung einer Membran des Brennstoffzellensystems auf Dichtheit. Das Brennstoffzellensystem kann dabei für ein Fahrzeug ausgelegt sein. Das Brennstoffzellensystem kann dabei folgende Elemente aufweisen:
- - mindestens eine Brennstoffzelle, mindestens eine Brennstoffzelle pro Brennstoffzellenstack, wobei vorzugsweise mehrere Brennstoffzellenstacks vorgesehen sein können, welche(r) ggf. mit einem Stack-Umgebung-Belüftungssystem ausgeführt sein kann,
- - ein Kathodensystem zum Bereitstellen eines sauerstoffhaltigen Reaktanten an die mindestens eine Brennstoffzelle, wobei das Kathodensystem eine Zuluftleitung zum Bereitstellen einer Zuluft zu der mindestens einen Brennstoffzelle und eine Abluftleitung zum Abführen einer Abluft von der mindestens einen Brennstoffzelle aufweist, und wobei das Kathodensystem eine Bypassleitung aufweist, die die Zuluftleitung und die Abluftleitung verbindet, um die Zuluft aus der Zuluftleitung zumindest zum Teil vorbei an der mindestens einen Brennstoffzelle zu führen und in die Abluftleitung einzuleiten,
- - und ein Anodensystem zum Bereitstellen eines brennstoffhaltigen Reaktanten, bspw. Wasserstoffes, an die mindestens eine Brennstoffzelle, welches ggf. mit einem Anodensystem-Umgebung-Belüftungssystem ausgeführt sein kann, wobei das Anodensystem ein Purge- und/oder Drainsystem zum Spülen des Anodensystems und/oder zum Abführen von einem Produktwasser aus dem Anodensystem aufweist,
- - und ein, vorzugsweise modular aufgebautes, Tanksystem mit mindestens einem Tank oder mit mehreren Tanks pro Modul für den brennstoffhaltigen Reaktanten, welches ggf. mit einem Tanksystem-Umgebung-Belüftungssystem ausgeführt sein kann.
- - at least one fuel cell, at least one fuel cell per fuel cell stack, in which case preferably several fuel cell stacks can be provided, which can optionally be designed with a stack-environment ventilation system,
- - a cathode system for providing an oxygen-containing reactant to the at least one fuel cell, wherein the cathode system has a supply air line for providing supply air to the at least one fuel cell and an exhaust air line for removing exhaust air from the at least one fuel cell, and wherein the cathode system has a bypass line, which connects the supply air line and the exhaust air line in order to conduct the supply air from the supply air line at least partially past the at least one fuel cell and to introduce it into the exhaust air line,
- - and an anode system for providing a fuel-containing reactant, e.g. hydrogen, to the at least one fuel cell, which can optionally be designed with an anode system-environment ventilation system, the anode system having a purge and/or drain system for rinsing the anode system and/or for removing product water from the anode system,
- - And a preferably modular tank system with at least one tank or with several tanks per module for the fuel-containing reactant, which can optionally be designed with a tank system-environment-ventilation system.
Der Brennstoffsensor im Sinne der Erfindung ist in der Abluftleitung des Brennstoffzellensystems angeordnet. Vorteilhafterweise ist der Brennstoffsensor dazu ausgeführt, eine Brennstoff-Leckage und/oder einen Brennstoffmassenstrom ausgehend von sämtlichen möglichen Brennstoffquellen innerhalb und außerhalb des Brennstoffzellensystems zu sensieren. Vorzugsweise ist der Brennstoffsensor im Sinne der Erfindung dazu ausgeführt, eine Brennstoff-Leckage und/oder einen Brennstoffmassenstrom von allen Subsystemen des Brennstoffzellensystems zu sensieren, die direkte und/oder indirekte Quellen für eine Brennstoff-Leckage und/oder einen Brennstoff-Massenstrom sein können, wie z. B. das Purge- und/oder Drainsystem, das Stack-Umgebung-Belüftungssystem, Anodensystem-Umgebung-Belüftungssystem und/oder das Tanksystem-Umgebung-Belüftungssystem. Als eine indirekte Quelle kann der Kathodenpfad selbst bezeichnet werden, der durch verschiedene Effekte, wie z. B. Membranenundichtheit oder sog. „Protonenpumpe“, Brennstoff enthalten kann.The fuel sensor within the meaning of the invention is arranged in the exhaust air line of the fuel cell system. The fuel sensor is advantageously designed to sense a fuel leak and/or a fuel mass flow from all possible fuel sources inside and outside the fuel cell system. The fuel sensor within the meaning of the invention is preferably designed to sense a fuel leak and/or a fuel mass flow from all subsystems of the fuel cell system, which can be direct and/or indirect sources for a fuel leak and/or a fuel mass flow. such as B. the purge and / or drain system, the stack environment ventilation system, anode system environment ventilation system and / or the tank system environment ventilation system. The cathode path itself can be described as an indirect source, which is caused by various effects, such as e.g. B. membrane leakage or so-called "proton pump", fuel.
Das Verfahren im Sinne der Erfindung weist folgende Schritte auf:
- 1) Absperren von Subsystemen des Brennstoffzellensystems, die insbesondere direkte Quellen für eine Brennstoff-Leckage und/oder einen Brennstoffmassenstrom sein können,
- 2) Betreiben des Kathodensystems zum Bereitstellen eines sauerstoffhaltigen Reaktanten,
- 3) Betreiben des Anodenpfades zum Bereitstellen eines brennstoffhaltigen Reaktanten,
- 4) Überwachen von Messergebnissen des Brennstoffsensors.
- 1) shutting off subsystems of the fuel cell system, which in particular can be direct sources of fuel leakage and/or a fuel mass flow,
- 2) operating the cathode system to provide an oxygen-containing reactant,
- 3) operating the anode path to provide a fuel containing reactant,
- 4) Monitoring fuel sensor readings.
Der Brennstoffsensor im Sinne der Erfindung kann vorzugsweise als der einzige Brennstoffsensor im gesamten Brennstoffzellensystem sowie im gesamten Fahrzeug dienen. Wenn im Fahrzeug sekundäre Belüftungssysteme für brennstoffführende Komponenten verwendet werden, wie z. B. Belüftungssysteme eines Anodensystems, eines Fahrzeuginnenraums, eines Kofferraumsystems usw., werden hierzu keine separaten Brennstoffsensoren benötigt. Somit können sämtliche direkte und/oder indirekte Quellen für Brennstoff-Leckagen und/oder Brennstoff-Massenströme mit nur einem Brennstoffsensor detektiert werden. Der Brennstoffsensor kann dabei bspw. in Form eines Wasserstoffsensors ausgeführt sein.The fuel sensor according to the invention can preferably serve as the only fuel sensor in the entire fuel cell system and in the entire vehicle. If secondary ventilation systems for fuel-carrying components are used in the vehicle, e.g. B. ventilation systems of an anode system, a vehicle interior, a trunk system, etc., no separate fuel sensors are required for this purpose. Thus, all direct and/or indirect sources of fuel leaks and/or fuel mass flows can be detected with just one fuel sensor. The fuel sensor can be designed in the form of a hydrogen sensor, for example.
Das Purge- und/oder Drainsystem kann dabei mindestens eine Purge- und/oder Drainleitung aufweisen. Die mindestens eine Purge- und/oder Drainleitung kann eine kombinierte Purge- und/oder Drain-Ablassleitung bilden. Die mindestens eine Purge- und/oder Drainleitung kann aber auch zwei separate Ablassleitungen aufweisen, umfassend eine Purge-Ablassleitung für einen Purgevorgang und eine Drain-Ablassleitung für einen Drainvorgang.The purge and/or drain system can have at least one purge and/or drain line. The at least one purge and/or drain line can form a combined purge and/or drain discharge line. However, the at least one purge and/or drain line can also have two separate drain lines, comprising a purge drain line for a purge process and a drain drain line for a drain process.
Das Stack-Umgebung-Belüftungssystem kann mindestens eine Stack-Umgebung-Entlüftungsleitung aufweisen. Die mindestens eine Stack-Umgebung-Entlüftungsleitung kann dabei jeweils eine Stack-Umgebung-Entlüftungsleitung pro Brennstoffzelle bzw. Stack aufweisen oder als eine gemeinsame Stack-Umgebung-Entlüftungsleitung ausgeführt sein, um das Gas oder die Gasmischung, das bzw. die zur Belüftung der nahen bzw. direkten Umgebung der Brennstoffzelle bzw. des Stacks verwendet wurde, aus der Stack-Umgebung abzuführen.The stack environment ventilation system can have at least one stack environment ventilation line. The at least one stack-environment ventilation line can each have a stack-environment ventilation line per fuel cell or stack or can be designed as a common stack-environment ventilation line in order to ventilate the gas or the gas mixture that is or is used to ventilate the nearby or direct environment of the fuel cell or the stack was used to discharge from the stack environment.
Das Anodensystem-Umgebung-Belüftungssystem kann mindestens eine Anodensystem-Umgebung-Entlüftungsleitung aufweisen. Die mindestens eine Anodensystem-Umgebung-Entlüftungsleitung, um das Gas oder die Gasmischung, das bzw. die zur Belüftung der nahen bzw. direkten Umgebung der Komponenten des Anodensystems verwendet wurde, aus der Anodensystem-Umgebung abzuführen.The anode system ambient venting system may include at least one anode system ambient venting line. The at least one anode system ambient vent line to vent from the anode system ambient the gas or gas mixture used to vent the vicinity of the components of the anode system.
Das Tanksystem-Umgebung-Belüftungssystem kann mindestens eine Tank-Entlüftungsleitung aufweisen. Die mindestens eine Tank-Entlüftungsleitung kann jeweils eine Tank-Entlüftungsleitung pro Tank oder pro Modul mit mehreren Tanks aufweisen oder als eine gemeinsame Tank-Entlüftungsleitung ausgeführt sein, um das Gas oder die Gasmischung, das bzw. die zur Belüftung der nahen oder direkten Umgebung des Tanksystems verwendet wurde, aus der Tanksystem-Umgebung abzuführen.The tank system environment ventilation system can have at least one tank ventilation line. The at least one tank vent line can each have one tank vent line per tank or per module with multiple tanks or be designed as a common tank vent line to vent the gas or gas mixture used to vent the near or immediate vicinity of the Tank system was used to discharge from the tank system environment.
Ferner kann vorgesehen sein, dass die mindestens eine Purge- und/oder Drainleitung, die mindestens eine Stack-Umgebung-Entlüftungsleitung und/oder die mindestens eine Tank-Entlüftungsleitung, vorzugsweise alle Entlüftungsleitungen, in die Abluftleitung, insbesondere unmittelbar vor dem Brennstoffsensor, münden bzw. dort fluidisch angeschlossen sind.Provision can also be made for the at least one purge and/or drain line, the at least one stack-environment vent line and/or the at least one tank vent line, preferably all vent lines, to open into the exhaust air line, in particular directly in front of the fuel sensor, or .are fluidically connected there.
Der Brennstoffsensor kann vorzugsweise stromabwärts in der Abluftleitung des Kathodensystems angeordnet sein. Der Brennstoffsensor kann vorteilhafterweise mithilfe einer Medienzusammenführungsvorrichtung in der Abluftleitung angeordnet werden. Die Medienzusammenführungsvorrichtung kann dabei mit oder ohne Wasserbevorratungsfunktion ausgeführt sein. Die Medienzusammenführungsvorrichtung kann dafür sorgen, dass die Abluft von der mindestens einen Brennstoffzelle, ggf. mit den anderen Medienströmen aus dem Brennstoffzellensystem, durch die Medienzusammenführungsvorrichtung strömt und dort durchmischt wird, vorzugsweise bevor sie an die Umgebung abgelassen wird.The fuel sensor can preferably be arranged downstream in the exhaust air line of the cathode system. The fuel sensor can advantageously be arranged in the exhaust air duct by means of a media combining device. The media combining device can be designed with or without a water storage function. The media combining device can ensure that the exhaust air from the at least one fuel cell, optionally with the other media streams from the fuel cell system, flows through the media combining device and is mixed there, preferably before it is discharged to the environment.
Stromabwärts in der Abluftleitung kann ungefähr am Ende der Abluftleitung sein, wobei nach dem erfindungsgemäßen Brennstoffsensor in der Abluftleitung nur noch ein Schalldämpfer angeordnet sein kann.Downstream in the exhaust air line can be approximately at the end of the exhaust air line, with only one silencer being able to be arranged in the exhaust air line after the fuel sensor according to the invention.
Das Brennstoffzellensystem kann nicht nur für mobile Anwendungen, wie bspw. in Kraftfahrzeugen, sondern auch für stationäre Anwendungen, wie bspw. in Generatoranlagen, verwendet werden.The fuel cell system can be used not only for mobile applications, such as in motor vehicles, but also for stationary applications, such as in generator systems.
Als Quellen von Brennstoff zählen zumindest:
- - die mindestens eine Purge- und/oder Drainleitung (gewollte Quelle von Brennstoff-Massenstrom),
- - ggf. die mindestens eine Stack-Umgebung-Entlüftungsleitung (ungewollte Quelle von Brennstoff-Leckagen, wobei die mindestens eine Stack-Umgebung-Entlüftungsleitung mehrere Stack-Umgebung-Entlüftungsleitungen umfassen kann, ungeachtet dessen, ob die mindestens eine Brennstoffzelle oder der mindestens eine Brennstoffzellenstack ohne ein zusätzliches Gehäuse, zumindest zum Teil oder ganz in einem zusätzlichen Gehäuse angeordnet ist,
- - optional die mindestens eine Tank-Umgebung-Entlüftungsleitung, wobei die mindestens eine Tank-Umgebung-Entlüftungsleitung mehrere Tank-Entlüftungsleitungen umfassen kann, ungeachtet dessen, ob das Tanksystem ohne ein zusätzliches Gehäuse, zumindest zum Teil oder ganz in einem zusätzlichen Gehäuse angeordnet ist,
- - optional die mindestens eine Anodensystem-Umgebung-Entlüftungsleitung, ungeachtet dessen, ob das Anodensystem ohne ein zusätzliches Gehäuse, zumindest zum Teil oder ganz in einem zusätzlichen Gehäuse angeordnet ist,
- - eine indirekte Quelle von Brennstoff-Leckagen kann auch der Kathodenpfad bezeichnet werden, der aufgrund von Brennstoff-Übertritt durch die Membran oder auch andere Effekte Brennstoff enthalten kann,
- - the at least one purge and/or drain line (intended source of fuel mass flow),
- - If necessary, the at least one stack-environment vent line (unwanted source of fuel leaks, wherein the at least one stack-environment vent line can include multiple stack-environment vent lines, regardless of whether the at least one fuel cell or the at least one fuel cell stack is arranged without an additional housing, at least partially or entirely in an additional housing,
- - optionally the at least one tank-environment ventilation line, wherein the at least one tank-environment ventilation line can comprise several tank ventilation lines, regardless of whether the tank system is arranged without an additional housing, at least partially or entirely in an additional housing,
- - optionally the at least one anode system ambient vent line, regardless of whether the anode system is arranged without an additional housing, at least partially or entirely in an additional housing,
- - an indirect source of fuel leakage can also be called the cathode path, which can contain fuel due to fuel transfer through the membrane or other effects,
Vorteilhafterweise können die Detektion und Verdünnungen für alle möglichen (ungewollten) Brennstoff-Leckagen und/oder alle möglichen (gewollten) Brennstoff-Massenströme an einer Stelle, mithilfe nur eines Brennstoffsensors, durchgeführt werden.Advantageously, the detection and dilutions for all possible (unintended) fuel leaks and/or all possible (intended) fuel mass flows can be performed at one point using only one fuel sensor.
Vorteilhafterweise können die Brennstoff-Ansammlungen zumindest durch die Abluft des Kathodensystems und ggf. durch die Bypassluft des Kathodensystems verdünnt werden.Advantageously, the fuel accumulations can be diluted at least by the exhaust air from the cathode system and possibly by the bypass air of the cathode system.
Vorteilhafterweise kann auch ein Diagnoseverfahren und/oder ein Überwachungsverfahren mit Pin-Pointing, d.h. Detektion aus welcher Quelle die Brennstoff -Leckage und/oder der Brennstoff -Massenstrom stammt, durchgeführt werden.Advantageously, a diagnostic method and/or a monitoring method with pin-pointing, i.e. detection of the source from which the fuel leak and/or the fuel mass flow originates, can also be carried out.
Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass die Abluftleitung zur Wasserausleitung an die Umgebung oder zur Wasserableitung an ein anderes Funktionssystem des Brennstoffzellensystems und/oder an einen Behälter zur weiteren Nutzung dienen kann.A further advantage is that the exhaust air line can be used to discharge water to the environment or to discharge water to another functional system of the fuel cell system and/or to a container for further use.
Des Weiteren kann es vorteilhaft sein, dass die Verdünnung der ggf. brennstoffhaltigen Abluft mittels eines sekundären Luftmassenstroms, z. B. eines Frischluftgebläses eines Fahrzeuginnenraums und/oder eines separaten Belüftungsgebläses, durchgeführt werden kann. Auf diese Weise kann eine Entkopplung vom Luftverdichter-Betrieb in der Zuluftleitung und/oder eine Redundanz zum Luftverdichter-Betrieb geschaffen werden.Furthermore, it can be advantageous that the dilution of the exhaust air, which may contain fuel, is carried out by means of a secondary air mass flow, e.g. B. a fresh air fan of a vehicle interior and / or a separate ventilation fan can be carried out. In this way, decoupling from air compressor operation in the supply air line and/or redundancy for air compressor operation can be created.
Der Erfindungsgedanke liegt dabei darin, dass mithilfe des Brennstoffsensors ein ungewollter Brennstoff-Übertritt durch (mindestens) eine Membran der mindestens einen Brennstoffzelle bzw. des mindestens einen Brennstoffzellenstacks detektiert werden kann. Die Erfindung spricht dabei auch von einer Membranenundichtheit. Ungewollt kann ein Brennstoff-Übertritt durch eine Membran dann sein, wenn Wasserstoff von Anode zu Kathode übertritt, ohne dass ein elektrischer Strom zur gezielten/beabsichtigten Nutzung erzeugt werden kann. Ein ungewollter Brennstoff-Übertritt kann dann stattfinden, wenn die Membran (gemeint ist dabei: mindestens eine Membran bzw. ein Membranbereich im Stack) undicht wird, bspw. wenn die Membran zu alt, zu trocken oder beschädigt wird, z. B. wenn die Membran Risse oder Löcher aufweist, und/oder wenn die Membran zu trocken ist. Eine Membranenundichtheit kann reversibel (ggf. zu trocken) oder irreversibel sein (beschädigt). Hierzu wir das Kathodensystem und das Anodensystem betrieben und sichergestellt, dass keine anderen Quellen für eine Brennstoff-Leckage und/oder einen Brennstoffmassenstrom offen sind, sodass am Brennstoffsensor bei einer intakten Membran kein Brennstoff ankommen sollte. Wenn der Brennstoffsensor dennoch messbare Ergebnisse liefert, kann dann auf eine Membranenundichtheit geschlossen werden.The idea of the invention is that the fuel sensor can be used to detect an unwanted fuel transfer through (at least) one membrane of the at least one fuel cell or of the at least one fuel cell stack. The invention also speaks of a membrane leak. A fuel transfer through a membrane can be unintentional when hydrogen transfers from anode to cathode without an electric current being able to be generated for targeted/intended use. An unintentional fuel transfer can take place if the membrane (this means: at least one membrane or a membrane area in the stack) becomes leaky, e.g. if the membrane is too old, too dry or damaged, e.g. B. if the membrane has cracks or holes, and / or if the membrane is too dry. A membrane leak can be reversible (possibly too dry) or irreversible (damaged). To do this, we operate the cathode system and the anode system and ensure that no other sources of fuel leakage and/or fuel mass flow are open, so that no fuel should arrive at the fuel sensor with an intact membrane. If the fuel sensor nevertheless delivers measurable results, it can then be concluded that there is a membrane leak.
Die Erfindung kann mehrere Diagnosen vorsehen, die nacheinander oder in einer Kombination miteinander durchgeführt werden können. Zum Durchführen des Verfahrens, umfassend einzelne Diagnosen nach einander oder in einer Kombination miteinander, werden alle möglichen Quellen von Brennstoff, wie z. B. das Purge- und/oder Drainsystem, das Stack-Umgebung-Belüftungssystem, Anodensystem-Umgebung-Belüftungssystem und/oder das Tanksystem-Umgebung-Belüftungssystem, abgesperrt.The invention can provide for several diagnoses which can be carried out one after the other or in a combination with one another. To carry out the method, comprising individual diagnoses one after the other or in a combination with each other, all possible sources of fuel, such as e.g. B. the purge and / or drain system, the stack environment ventilation system, anode system environment ventilation system and / or the tank system environment ventilation system blocked.
Ist bspw. die Brennstoffleckage über die Membran signifikant / wesentlich von der Druckdifferenz zwischen der Anode und Kathode abhängig, dann liegt mit einer hohen Wahrscheinlichkeit ein Membran-Loch/Riss/etc.. vor. D.h. hier liegt sehr wahrscheinlich eine irreversible Beschädigung der Membran vor.If, for example, the fuel leakage through the membrane is significantly / essentially dependent on the pressure difference between the anode and cathode, then there is a high probability of a membrane hole/crack/etc.. This means that there is very likely irreversible damage to the membrane.
Wenn dies nicht der Fall ist, dann könnte die Membran ggf. zu trocken sein und damit nur reversibel durchlässig für den Brennstoff sein. Hier kann eine weitere (andere) Diagnose erforderlich sein, um die Ursache für die Membranundichtheit zu untersuchen.If this is not the case, the membrane could possibly be too dry and thus only be reversibly permeable to the fuel. This may require further (different) diagnostics to investigate the cause of the diaphragm leakage.
Eine Vorstufe bzw. eine grobe bzw. vorläufigen Diagnose für eine mögliche Membranenundichtheit oder einen Trigger für weitere tiefer gehende Diagnosen, kann die Erfindung in einem Normalbetrieb des Brennstoffzellensystems vorsehen. Hierzu können das Kathodensystem und das Anodensystem derart betrieben werden, dass die Brennstoffzelle bzw. der Stack offen zur Kathodenseite betrieben wird (Absperrventile sind offen), und dass ggf. die Bypassleitung nach Bedarf genutzt werden kann (Bypassventil wird wie gewünscht angesteuert) oder wenn die Bypassleitung nicht abgedichtet werden kann. Dabei sollte kein Brennstoff am Brennstoffsensor feststellbar sein, da alle möglichen Quellen von Brennstoff außer womöglich der undichten Membran abgesperrt sind. Wenn der Brennstoffsensor dennoch messbare Konzentrationen des Brennstoffs erfasst, so kann es ein Zeichen für eine undichte Membran sein. Daraufhin können weitere tiefer gehende Diagnosen eingeleitet werden.The invention can provide a preliminary stage or a rough or provisional diagnosis for a possible membrane leak or a trigger for further more in-depth diagnoses in normal operation of the fuel cell system. For this purpose, the cathode system and the anode system can be operated in such a way that the fuel cell or the stack is operated open to the cathode side (shutoff valves are open), and that the bypass line can be used as required (bypass valve is controlled as desired) or if the Bypass line cannot be sealed. At this point, no fuel should be detectable at the fuel sensor since all possible sources of fuel are shut off except possibly the leaking diaphragm. If the fuel sensor still registers measurable concentrations of the fuel, it can be a sign of a leaking membrane. Further more in-depth diagnoses can then be initiated.
Eine, ggf. zusätzliche, Diagnose kann vorsehen, dass das Kathodensystem und das Anodensystem derart betrieben werden, dass der Stack offen zur Kathodenseite betrieben wird (Absperrventile sind offen), die Bypassleitung geschlossen (Bypassventil ist geschlossen) und vorzugsweise abgedichtet ist. Dabei kann ein bestimmter Strom vom Stack gezogen werden. Da alle anderen Pfade für den Brennstoff bis zum Brennstoffsensor abgeschlossen sind, sollte der Sensor keine messbaren Konzentrationen des Brennstoffs erfassen. Bei Überwachen von Messergebnissen des Brennstoffsensors können unterschiedliche Schwellenwerte überprüft werden. Ferner können von Diagnose zu Diagnose unterschiedliche Drehzahlen am Verdichter und damit unterschiedliche Massenströme im System gefahren werden, um die Messergebnisse des Brennstoffsensors zu verifizieren. Auch können der Massenstrom und/oder der Druck im Kathodensystem vermessen werden, um die Messergebnisse des Brennstoffsensors zu plausibilisieren. Vorteilhafterweise kann der Druck im Kathodensystem und im Anodensystem vermessen und von Diagnose zu Diagnose eine definierte Druckdifferenz über die Membran eingestellt werden. Wenn der Messerwert des Brennstoffsensors mit dem Verändern der Druckdifferenz ebenfalls verändert, kann dies ein Zeichen dafür sein, dass die Membran tatsächlich undicht, wahrscheinlich irreversibel beschädigt, ist.A possibly additional diagnosis can provide for the cathode system and the anode system to be operated in such a way that the stack is operated open to the cathode side (shutoff valves are open), the bypass line is closed (bypass valve is closed) and is preferably sealed. A certain current can be drawn from the stack. Since all other paths for the fuel are complete up to the fuel sensor, the sensor should not detect any measurable concentrations of the fuel. When monitoring readings from the fuel sensor, different thresholds may be checked. Furthermore, different speeds on the compressor and thus different mass flows in the system can be run from diagnosis to diagnosis in order to verify the measurement results of the fuel sensor. The mass flow and/or the pressure in the cathode system can also be measured in order to check the measurement results of the fuel sensor for plausibility. Advantageously, the pressure in the cathode system and in the anode system can be measured and a defined pressure difference can be set across the membrane from diagnosis to diagnosis. If the reading of the fuel sensor also changes with the changing pressure difference, this can be a sign that the diaphragm is actually leaking, probably irreversibly damaged.
Eine andere, ggf. zusätzliche, Diagnose kann vorsehen, dass das Kathodensystem geschlossen zum Stack betrieben wird (Absperrventile sind geschlossen). Nachdem der Sauerstoff auf der Kathodenseite in dem abgesperrtem Zustand des Stacks durch das Stromziehen verarmt wurde (sog. Bleed-Down), wird kein Strom mehr vom Stack gezogen. Das Verdichtungssystem im Kathodensystem kann dabei weiterhin aktiv sein, sodass der Stack sich im Bereitschaftsmodus, sog. Stand-by-Modus befinden kann, ohne jedoch einen Strom vom Stack zu ziehen. Diese Diagnose kann bspw. bei einem Start-Stopp-betrieb von Vorteil sein, bspw. bei Ampelpausen oder Bergabfahrten. Der Stack wird dadurch in einen sauerstoffarmen Zustand versetzt. Wenn die (gemeint ist mindestens eine) Membran eine Leckage aufweist, dann tritt Brennstoff aus dem Anodenpfad durch die Membran in den Kathodenpfad über. Wenn nach einer Zeit die Absperrventile geöffnet werden (das Bypassventil kann dabei geschlossen werden), wird das zuvor zwischen den Absperrventilen im Kathodenpfad eingeschlossene Gasvolumen ausgetragen und zum Brennstoffsensor geliefert. Wenn tatsächlich ein Brennstoff-Übertritt durch die Membran stattgefunden hat, kann der Brennstoffsensor einen signifikanten Anstieg an Brennstoffkonzentration in der Abluft erfassen. Somit kann einfach und deutlich eine Undichtheit der Membran sensiert werden. Dabei kann von Diagnose zu Diagnose die Druckdifferenz zwischen dem Anodensystem und dem Kathodensystem, variiert werden. Wenn mit steigenden Druckdifferenz eine höhere Brennstoff-Leckage sensiert wird, kann daraus mit einer erhöhten Wahrscheinlichkeit eine irreversible Beschädigung der Membran festgestellt werden. Ferner können von Diagnose zu Diagnose unterschiedliche Drehzahlen am Verdichter gefahren werden, um die Messergebnisse des Brennstoffsensors durch Betriebspunktvariation zu verifizieren. Auch können der Massenstrom und/oder der Druck im Kathodensystem vermessen werden, um die Messergebnisse des Brennstoffsensors zu plausibilisieren.Another, possibly additional, diagnosis can provide that the cathode system is operated closed to the stack (shutoff valves are closed). After the oxygen on the cathode side has been depleted by the current draw in the blocked state of the stack (so-called bleed-down), current is no longer drawn from the stack. The compression system in the cathode system can continue to be active, so that the stack can be in standby mode, but without drawing power from the stack. This diagnosis can be advantageous, for example, in a start-stop operation, for example when there are breaks at traffic lights or when driving downhill. This puts the stack in an oxygen-poor state. If the (meaning at least one) membrane has a leak, then fuel passes from the anode path through the membrane into the cathode path. When, after a time, the shut-off valves are opened (the bypass valve can thereby be closed), the volume of gas previously trapped between the shut-off valves in the cathode path is discharged and delivered to the fuel sensor. If fuel has indeed passed through the membrane, the fuel sensor can detect a significant increase in fuel concentration in the exhaust air. In this way, a leak in the membrane can be sensed easily and clearly. From diagnosis to diagnosis, the pressure difference between the Anode system and the cathode system can be varied. If a higher fuel leakage is sensed with an increasing pressure difference, irreversible damage to the membrane can be determined with an increased probability. Furthermore, different speeds can be run on the compressor from diagnosis to diagnosis in order to verify the measurement results of the fuel sensor by varying the operating point. The mass flow and/or the pressure in the cathode system can also be measured in order to check the measurement results of the fuel sensor for plausibility.
Vorteilhafterweise im Rahmen einer vorläufigen Diagnose kann sein, dass im Schritt 2) das Kathodensystem, wenn erforderlich ohne Absperren und/oder Abdichten der Bypassleitung, betrieben wird, und dass im Schritt 3) der brennstoffhaltige Reaktant rezirkuliert wird, und dass im Schritt 4) eine mögliche Membranenundichtheit festgestellt und/oder eine weitergehende Diagnose auf Membranendichtheit eingeleitet wird, wenn ein Messwert des Brennstoffsensors einen ersten Schwellenwert überschreitet. Auf diese Weise kann schnell und ohne große Eingriffe in den Normalbetrieb des Brennstoffzellensystems festgestellt werden, dass die Membran womöglich undicht ist. Diese Vorstufe kann optional als eine grobe bzw. anfängliche Diagnose für eine mögliche Membranenundichtheit durchgeführt werden. Auch kann diese Vorstufe als ein Trigger für weitere tiefer gehende Diagnosen genutzt werden, die womöglich mehr Rechenleistung und/oder gravierendere Eingriffe in den Betrieb des Brennstoffzellensystems erfordern.It can be advantageous in the context of a preliminary diagnosis that in step 2) the cathode system is operated, if necessary without shutting off and/or sealing the bypass line, and that in step 3) the fuel-containing reactant is recirculated, and that in step 4) a possible membrane leaks are detected and/or a more extensive diagnosis of membrane leaks is initiated when a measured value of the fuel sensor exceeds a first threshold value. In this way, it can be determined quickly and without major interventions in the normal operation of the fuel cell system that the membrane is possibly leaking. This preliminary stage can optionally be carried out as a rough or initial diagnosis for a possible membrane leak. This preliminary stage can also be used as a trigger for further, more in-depth diagnoses that may require more computing power and/or more serious interventions in the operation of the fuel cell system.
Dabei ist es denkbar, dass diese Vorstufe in einem Normalbetrieb des Brennstoffzellensystems durchgeführt wird, dass die Schritte des Verfahrens in dieser Vorstufe simultan, zumindest tlw. gleichzeitig und/oder nacheinander durchgeführt werden, und/oder dass diese Vorstufe periodisch, insbesondere nach einer bestimmten Zeit, und/oder regelmäßig, insbesondere nach einem bestimmten Verbrauch, bspw. des sauerstoffhaltigen Reaktanten und/oder des brennstoffhaltigen Reaktanten, und/oder lastprofilabhängig durchgeführt wird.It is conceivable that this preliminary stage is carried out during normal operation of the fuel cell system, that the steps of the method in this preliminary stage are carried out simultaneously, at least partly simultaneously and/or one after the other, and/or that this preliminary stage is carried out periodically, in particular after a certain time , and/or is carried out regularly, in particular after a certain consumption, for example of the oxygen-containing reactant and/or of the fuel-containing reactant, and/or depending on the load profile.
Eine tiefergehende Diagnose mit wenigen Eingriffen in den Normalbetrieb des Brennstoffzellensystems kann vorsehen, dass im Schritt 2) die Bypassleitung geschlossen wird und Absperrventile in der Zuluftleitung und in der Abluftleitung geöffnet werden, um die ganze Zuluft aus der Zuluftleitung an die mindestens eine Brennstoffzelle bereitzustellen. Im Schritt 3) kann dabei der brennstoffhaltige Reaktant rezirkuliert werden. Wenn dabei ein Messwert des Brennstoffsensors mindestens einen zweiten Schwellenwert überschreitet, kann im Schritt 4) eine Membranenundichtheit festgestellt und optional eine weitergehende Diagnose auf Membranendichtheit eingeleitet werden.A more in-depth diagnosis with few interventions in the normal operation of the fuel cell system can provide that in step 2) the bypass line is closed and shut-off valves in the air supply line and in the exhaust air line are opened in order to provide the entire supply air from the air supply line to the at least one fuel cell. In step 3), the fuel-containing reactant can be recirculated. If a measured value of the fuel sensor exceeds at least a second threshold value, a membrane leak can be determined in step 4) and optionally a more extensive diagnosis of membrane leaks can be initiated.
Dabei ist es denkbar, dass die Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens simultan, zumindest tlw. gleichzeitig und/oder nacheinander durchgeführt werden, und/oder dass das Verfahren periodisch, insbesondere nach einer bestimmten Zeit, und/oder regelmäßig, insbesondere nach einem bestimmten Verbrauch, bspw. des sauerstoffhaltigen Reaktanten und/oder des brennstoffhaltigen Reaktanten, und/oder lastprofilabhängig durchgeführt wird.It is conceivable that the steps of the method according to the invention are carried out simultaneously, at least partly at the same time and/or one after the other, and/or that the method is carried out periodically, in particular after a certain time, and/or regularly, in particular after a certain consumption, e.g of the oxygen-containing reactant and/or the fuel-containing reactant, and/or is carried out depending on the load profile.
Eine tiefergehende Diagnose mit relativ deutlichen bzw. leicht erkennbaren Ergebnissen kann vorsehen, dass für eine bestimmte Zeit im Schritt 2) die Bypassleitung offen betrieben wird und Absperrventile in der Zuluftleitung und in der Abluftleitung geschlossen werden, um einen sauerstoffverarmten Zustand in der mindestens einen Brennstoffzelle zu erzeugen. Im Schritt 3) kann dabei für die bestimmte Zeit der brennstoffhaltige Reaktant rezirkuliert werden. Nach Ablauf der bestimmten Zeit können die Absperrventile in der Zuluftleitung und in der Abluftleitung geöffnet werden und vorzugsweise die Bypassleitung geschlossen werden. Wenn nach dem Öffnen der Absperrventile die Messergebnisse des Brennstoffsensors einen Anstieg zeigen, kann im Schritt 4) eine Membranendichtheit festgestellt und optional eine weitergehende Diagnose eingeleitet werden. Die Diagnose kann nochmal/mehrmals mit unterschiedlichen Druckdifferenzen zwischen der Anode und der Kathode wiederholt werden und/oder optional eine weitergehende Diagnose eingeleitet werden.A more in-depth diagnosis with relatively clear or easily recognizable results can provide that the bypass line is operated open for a specific time in step 2) and shut-off valves in the air supply line and in the exhaust air line are closed in order to achieve an oxygen-depleted state in the at least one fuel cell generate. In step 3), the fuel-containing reactant can be recirculated for the specific time. After the specified time has elapsed, the shut-off valves in the supply air line and in the exhaust air line can be opened and preferably the bypass line can be closed. If, after opening the shut-off valves, the measurement results of the fuel sensor show an increase, a membrane leak can be determined in step 4) and optionally a further diagnosis can be initiated. The diagnosis can be repeated again/several times with different pressure differences between the anode and the cathode and/or optionally a further diagnosis can be initiated.
Dabei ist es denkbar, dass das Verfahren in einem Standby-Betrieb des Brennstoffzellensystems durchgeführt wird, und/oder dass das Verfahren integriert in einen Betrieb des Brennstoffzellensystems durchgeführt wird, insbesondere in Momenten, wenn keine elektrische Leistung vom Brennstoffzellensystem gefordert wird.It is conceivable that the method is carried out in a standby mode of the fuel cell system and/or that the method is carried out integrated into an operation of the fuel cell system, particularly at moments when no electrical power is required from the fuel cell system.
Ferner kann das Verfahren mindestens einen weiteren von den folgenden Schritten aufweisen:
- 2a) Betreiben eines Verdichters in der Zuluftleitung mit mindestens einer Drehzahl,
- 2b) Ermitteln, bspw. durch Berechnen oder Schätzen, eines Soll-Massenstroms des sauerstoffhaltigen Reaktanten, der am Brennstoffsensor ankommen soll,
- 2c) Überprüfen, bspw. durch Vermessen und Berechnen, des Massenstroms des sauerstoffhaltigen Reaktanten, der am Sensor ankommen soll, mithilfe von Messwerten eines Massenstromsensors im Kathodensystem, z. B. in der Zuluftleitung,
- 2d) Überprüfen eines Druckes in dem Kathodensystem durch einen Drucksensor,
- 2e) Variieren von Diagnose zu Diagnose der Drehzahl, mit der der Verdichter betrieben wird,
- 3a) Überprüfen eines Druckes in dem Anodenpfad durch einen Drucksensor,
- 3b) Einstellen einer bestimmten Druckdifferenz zwischen dem Anodenpfad und dem Kathodensystem von Diagnose zu Diagnose,
- 1a) Einstellen eines definierten Stroms und/oder einer definierten Stromdichte durch die mindestens eine Brennstoffzelle, und/oder
- 4b) Bestätigen der Membranenundichtheit, wenn sich die Messwerte des Brennstoffsensors von Diagnose zu Diagnose bei einem Variieren der Druckdifferenz zwischen dem Anodenpfad und dem Kathodensystem entsprechend verändern, insbesondere in Anhängigkeit von der Drehzahl des Verdichters, dem Massenstrom des sauerstoffhaltigen Reaktanten, dem Druck im Kathodensystem und/oder dem Druck im Anodenpfad.
- 2a) operation of a compressor in the supply air line with at least one speed,
- 2b) determining, e.g. by calculating or estimating, a target mass flow of the oxygen-containing reactant which is to arrive at the fuel sensor,
- 2c) Checking, e.g. by measuring and calculating, the mass flow of the oxygen-containing reactant that is to arrive at the sensor using measured values from a mass flow sensor in the cathode system, e.g. B. in the supply air line,
- 2d) checking a pressure in the cathode system by a pressure sensor,
- 2e) Varying from diagnosis to diagnosis of the speed at which the compressor is operating,
- 3a) checking a pressure in the anode path by a pressure sensor,
- 3b) setting a certain pressure difference between the anode path and the cathode system from diagnosis to diagnosis,
- 1a) setting a defined current and/or a defined current density through the at least one fuel cell, and/or
- 4b) Confirming membrane leakage if the readings of the fuel sensor change from diagnosis to diagnosis as the pressure difference between the anode path and the cathode system varies accordingly, in particular as a function of the speed of the compressor, the mass flow of the oxygen-containing reactant, the pressure in the cathode system and /or the pressure in the anode path.
Wenn die Membran undicht ist, dann bewirkt eine Erhöhung der Druckdifferenz zwischen dem Anodenpfad und dem Kathodensystem von Diagnose zu Diagnose eine Erhöhung des Messwerts an dem Sensor. Eine Minderung der Druckdifferenz von Diagnose zu Diagnose bewirkt wiederum eine Senkung des Messwerts an dem Sensor. Auf diese Weise kann einfach und zuverlässig festgestellt werden, dass der erfasste Brennstoff am Brennstoffsensor von der, sehr wahrscheinlich irreversibel, undichten Membran stammt. Für die Überprüfung der Messergebnisse können weiterhin die Drehzahl des Verdichters, der Massenstrom und/oder der Druck im Kathodensystem sowie der Druck im Anodensystem herangezogen werden.If the diaphragm is leaking, then increasing the pressure differential between the anode path and the cathode system from diagnosis to diagnosis will cause the reading at the sensor to increase. A reduction in the pressure difference from diagnosis to diagnosis in turn causes a reduction in the measured value at the sensor. In this way, it can be determined easily and reliably that the fuel detected at the fuel sensor originates from the membrane that is leaking, which is very likely to be irreversible. The speed of the compressor, the mass flow and/or the pressure in the cathode system and the pressure in the anode system can also be used to check the measurement results.
Die Erfindung stellt gemäß dem zweiten Aspekt ein entsprechendes Brennstoffzellensystem bereit, welches mithilfe eines Verfahrens auf Membranenundichtheit überprüft wurde, wobei das Verfahren wie oben beschrieben ablaufen kann, wobei der Brennstoffsensor in der Abluftleitung angeordnet und dazu ausgeführt ist, eine Brennstoff-Leckage und/oder einen Brennstoffmassenstrom in allen Subsystemen des Brennstoffzellensystems zu sensieren, die Quellen für eine Brennstoff-Leckage und/oder einen Brennstoff-Massenstrom sein können. Mithilfe des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems können die gleichen Vorteile erreicht werden, die oben im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben wurden. Auf diese Vorteile wird vorliegend vollumfänglich Bezug genommen.According to the second aspect, the invention provides a corresponding fuel cell system which has been checked for membrane leaks using a method, the method being able to proceed as described above, the fuel sensor being arranged in the exhaust air line and being designed to detect a fuel leak and/or a To sense fuel mass flow in all subsystems of the fuel cell system, which may be sources of fuel leakage and / or fuel mass flow. With the aid of the fuel cell system according to the invention, the same advantages can be achieved that were described above in connection with the method according to the invention. Reference is made in full to these advantages here.
Die Erfindung stellt gemäß dem dritten Aspekt ein Fahrzeug mit einem Brennstoffzellensystem bereit, welches wie oben beschrieben ausgeführt sein kann. Mithilfe des erfindungsgemäßen Fahrzeuges können die gleichen Vorteile erreicht werden, die oben im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben wurden. Auf diese Vorteile wird vorliegend vollumfänglich Bezug genommen.According to the third aspect, the invention provides a vehicle with a fuel cell system, which can be configured as described above. With the aid of the vehicle according to the invention, the same advantages can be achieved that were described above in connection with the method according to the invention. Reference is made in full to these advantages here.
Figurenlistecharacter list
Die Erfindung und deren Weiterbildungen sowie deren Vorteile werden nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen jeweils schematisch:
-
1 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems im Sinne der Erfindung, -
2 eine schematische Darstellung eines Diagnoseverfahrens für mögliche Brennstoff-Leckage und/oder Brennstoff-Massenströme in unterschiedlichen Subsystemen eines Brennstoffzellensystems, -
3 eine schematische Darstellung eines Verfahrens zur Überprüfung eines Brennstoffzellensystems auf Membranendichtheit im Sinne der Erfindung, -
4 eine schematische Darstellung eines Verfahrens zur Überprüfung eines Brennstoffzellensystems auf Membranendichtheit im Sinne der Erfindung, und -
5 eine schematische Darstellung eines Verfahrens zur Überprüfung eines Brennstoffzellensystems auf Membranendichtheit im Sinne der Erfindung.
-
1 a schematic representation of a fuel cell system according to the invention, -
2 a schematic representation of a diagnostic method for possible fuel leakage and/or fuel mass flows in different subsystems of a fuel cell system, -
3 a schematic representation of a method for checking a fuel cell system for membrane tightness within the meaning of the invention, -
4 a schematic representation of a method for checking a fuel cell system for membrane tightness within the meaning of the invention, and -
5 a schematic representation of a method for checking a fuel cell system for membrane tightness according to the invention.
In den unterschiedlichen Figuren sind gleiche Teile der Erfindung stets mit denselben Bezugszeichen versehen, weshalb diese in der Regel nur einmal beschrieben werden.In the different figures, the same parts of the invention are always provided with the same reference symbols, which is why they are usually only described once.
Die
Das Brennstoffzellensystem 100 weist mindestens eine Brennstoffzelle 101 oder sogar einen Stack bzw. Stapel an mehreren Brennstoffzellen 101 auf, die zu einem Brennstoffzellenstack zusammengefügt sind, welche(r) mit einem Stack-Umgebung-Belüftungssystem Q2 ausgeführt ist. Die Brennstoffzelle 101 oder der Brennstoffzellenstack oder -stapel kann nach außen hin Brennstoff-Leckage aufweisen, da die vielen Brennstoffzellen 101 mit vielen Dichtungen ausgeführt sind, die verschiedenen Alterungsmechanismen durch Medien, mechanische Spannungen, Temperaturwechsel, Druckwechsel, usw. unterliegen. Die Brennstoffzelle 101 oder der Brennstoffzellenstack oder -stapel kann zumindest zum Teil in einem Gehäuse 102 (zumindest im oberen Bereich) aufgenommen werden, sodass eine Belüftung der Umgebung gezielt erfolgen kann. Austretender Brennstoff, insbesondere Wasserstoff, kann sich in einem oberen Bereich ansammeln, aus dem die Stack-Umgebung-Entlüftungsleitung L2 des Stack-Umgebung-Belüftungssystems Q2 führen kann. Die Stack-Umgebung-Entlüftungsleitung L2 des Stack-Umgebung-Belüftungssystems Q2 wird in eine Abluftleitung 12 eines Kathodensystems 10 vor dem Brennstoffsensor S, insbesondere in Form eines Wasserstoffsensors, eingeleitet. Die Abluft aus der Abluftleitung 12 des Kathodensystems 10 kann den sich eventuell angesammelten Brennstoff verdünnen.The
Für die Belüftung der Brennstoffzelle 101 oder des Brennstoffzellenstacks kann als erster Lieferant A1 die Zuluft aus der Zuluftleitung 11 des Kathodensystems 10 oder von einem weiteren Lieferanten A2, A3, wie z. B. Frischluftgebläse IN eines Fahrzeuginnenraums und/oder einem separaten Belüftungsgebläse BG, verwendet werden. Die Zuluft kann dabei bspw. über eine Verbindungsleitung, die optional, aber vorteilhaft eine Drossel VQ2, VQ3 und/oder ein regelbares Ventil VSQ2, VSQ3 enthalten kann, zum Gehäuse 102 der Brennstoffzelle 101 oder des Brennstoffzellenstacks, vorzugsweise in den unteren Bereich, eingeleitet werden. Für die Lieferung des Luftmassenstroms können verschiedene Lieferanten (wie z. B. die Zuluftleitung 11, ein Frischluftgebläse IN eines Fahrzeuginnenraums und/oder ein separates Belüftungsgebläse BG) für die Belüftungsleitungen A1, A2, A3 möglich sein, wie es im Nachfolgenden noch im Detail beschrieben wird.For ventilation of the
Wie oben bereits erwähnt ist, weist das Brennstoffzellensystem 100 ein Kathodensystem 10 zum Bereitstellen eines sauerstoffhaltigen Reaktanten an die mindestens eine Brennstoffzelle 101 oder an den Brennstoffzellenstack auf, wobei das Kathodensystem 10 eine Zuluftleitung 11 zum Bereitstellen einer Zuluft zu der mindestens einen Brennstoffzelle 101 und eine Abluftleitung 12 zum Abführen einer Abluft von der mindestens einen Brennstoffzelle 101 aufweist. Die erfindungsgemäße Systemtopologie sieht nur einen Brennstoffsensor S im Brennstoffzellensystem 101 sowie im gesamten Fahrzeug 1 vor. Verschiedene Quellen für direkte und/oder indirekte (ungewollte) Brennstoff-Leckagen und/oder (gewollte) Brennstoff-Massenströme werden durch entsprechende Subsysteme Q1, Q2, Q3, Q4, Q5 des Brennstoffzellensystems 100 in die Abluftleitung 12 des Kathodensystems 10 geführt.As already mentioned above, the
Das Kathodensystem 10 ist in der
Weiterhin weist das Brennstoffzellensystem 100 ein Anodensystem 20 zum Bereitstellen eines brennstoffhaltigen Reaktanten an die mindestens eine Brennstoffzelle 101 oder an den Brennstoffzellenstack auf, wobei das Anodensystem 20 eine Purge- und/oder Drainsystem Q1 zum Spülen des Anodensystems 20 und/oder zum Abführen von einem Produktwasser aus dem Anodensystem 20 aufweist. Die Purge- und/oder Drainleitung L1 wird vorteilhafterweise in die Abluftleitung 12 des Kathodensystems 10 vor dem Brennstoffsensor S eingeleitet und dort verdünnt. Auch das Anodensystem 20 kann ein Anodensystem-Umgebung-Belüftungssystem Q4 aufweisen, um die Umgebung der Komponenten des Anodensystems 20 zu belüften. Dabei kann das Anodensystem-Umgebung-Belüftungssystem Q4 mindestens eine nicht dargestellte Anodensystem-Umgebung-Entlüftungsleitung aufweisen, um das Gas oder die Gasmischung, das bzw. die zur Belüftung der nahen bzw. direkten Umgebung der Komponenten des Anodensystems 20 verwendet wurde, aus der Anodensystem-Umgebung abzuführen.Furthermore, the
Der Purge-Vorgang kann vorteilhafterweise nicht nur dann stattfinden, wenn das Kathodensystem 10 ausreichend Luftmassenstrom/Luftvolumenstrom zur Verfügung stellt, sondern auch wenn das nicht der Fall ist. Hierzu können mithilfe des Brennstoffzellensystems 100 neben der Zuluft aus der Zuluftleitung 11 weitere Lieferanten A2, A3, wie z. B. Frischluftgebläse IN eines Fahrzeuginnenraums und/oder einem separaten Belüftungsgebläse BG verwendet werden.The purge process can advantageously take place not only when the
Ferner weist das Kathodensystem 10 eine Bypassleitung 13 auf, die die Zuluftleitung 11 und die Abluftleitung 12 fluidisch verbindet, um die Zuluft aus der Zuluftleitung 11 zumindest zum Teil vorbei an der mindestens einen Brennstoffzelle 101 zu führen und in die Abluftleitung 12 einzuleiten. In der Zuluftleitung 13 ist vorzugsweise ein Bypassventil BV vorgesehen, um die Menge an Zuluft, die vorbei an der mindestens einen Brennstoffzelle 101 geleitet wird, zu steuern. Das Bypassventil BV wird geöffnet, um die Bypassleitung 13 offen zu betreiben. Das Bypassventil BV wird geschlossen, um die Bypassleitung 13 geschlossen zu betreiben. Das Bypassventil BV kann vorzugsweise eine Dichtfunktion aufweisen.Furthermore, the
Zudem weist das Kathodensystem 10 ein Absperrventil SV1 in der Zuluftleitung 11, kurz vor dem Eintritt der Zuluftleitung 11 in die mindestens eine Brennstoffzelle 101, und ein Absperrventil SV2 in der Abluftleitung 12, kurz nach dem Austritt der Abluftleitung 12 aus der mindestens einen Brennstoffzelle 101, auf. Die Absperrventile SV1, SV2 werden geöffnet, um die Zuluft an die mindestens einen Brennstoffzelle 101 bereitzustellen.In addition, the
Des Weiteren weist das Brennstoffzellensystem 100 ein, vorzugsweise modular aufgebautes, Tanksystem 30 mit mindestens einem Tank T (vorzugsweise mehreren Tanks T bzw. Flaschen pro Modul) für den brennstoffhaltigen Reaktanten auf, welches mit einem Tanksystem-Umgebung-Belüftungssystem Q3 ausgeführt ist. Das Tanksystem 30 kann bspw. im hinteren Bereich des Fahrzeugs 1 angeordnet werden (z.B. in einem Kofferraum), aber auch in einem Unterboden des Fahrzeugs (z. B. unterhalb des Brennstoffzellenstacks oder unterhalb des Fahrgastraumes). Durch den modularen Aufbau des Tanksystems 20 verkleinert sich der Abstand zwischen Tanksystem 30 und dem Stack und/oder dem Kathodensystem 10 und es können einfacher Verbindungen zwischen diesen Systemen implementiert werden. Vorteilhafterweise können die einzelnen Tanks T in einem Modul, bspw. von mehreren Modulen in dem Tanksystem 30, mittels (jeweils) eines Tankgehäuses 31 umschlossen werden, welches ein Teil des Tanksystem-Umgebung-Belüftungssystems Q3 bilden kann. Das Tankgehäuse 31 kann wiederum eine Tank-Entlüftungsleitung L3 aufweisen.Furthermore, the
Für die Belüftung des Tanksystems 30 kann als erster Lieferant A1 die Zuluft aus der Zuluftleitung 11 des Kathodensystems 10 und/oder die Frischluft von einem weiteren Lieferanten A2, A3, wie z. B. Frischluftgebläse IN eines Fahrzeuginnenraums und/oder einem separaten Belüftungsgebläse BG, verwendet werden.For the ventilation of the
Die Zuluft für die Belüftung wird von dem ersten Lieferant A1 über eine Belüftungsleitung A1 bereitgestellt, die von der Zuluftleitung 11 des Kathodensystems 10 abgezweigt ist, bspw. vor dem Befeuchter H (Belüftungsleitung A1.1), nach dem Befeuchter H (Belüftungsleitung A1.2) oder vor dem Zuluftkühler IC (Belüftungsleitung A1.3).The supply air for ventilation is provided by the first supplier A1 via a ventilation line A1, which branches off from the
Das Purge- und/oder Drainsystem Q1 kann eine (kombinierte oder doppelte) Purge- und/oder Drainleitung L1 aufweisen. Das Stack-Umgebung-Belüftungssystem Q2 kann mindestens eine (oder mehrere) Stack-Umgebung-Entlüftungsleitung(en) L2 aufweisen. Das Tanksystem-Umgebung-Belüftungssystem Q3 kann ebenfalls mindestens eine (oder mehrere) Tank-Entlüftungsleitung(en) L3 aufweisen. Das Anodensystem-Umgebung-Belüftungssystem Q4 kann ebenfalls eine nicht dargestellt Entlüftungsleitung aufweisen. Am Ende der bzw. stromabwärts in der Abluftleitung 12 des Kathodensystems 10 ist ein, insbesondere ausschließlich ein im gesamten Brennstoffzellensystem100 sowie im gesamten Fahrzeug 1, Brennstoffsensor S, bspw. in Form eines Wasserstoffsensors, angeordnet. Erfindungsgemäß münden die Purge- und/oder Drainleitung L1, die mindestens eine Stack-Umgebung-Entlüftungsleitung L2, die mindestens eine Tank-Entlüftungsleitung L3 und/oder die Anodensystem-Umgebung-Entlüftungsleitung, sofern vorhanden, in die Abluftleitung 12 des Kathodensystems 10 (vorzugsweise alle drei Leitungen L1, L2, L3) vor dem Brennstoffsensor S1, wie es die
Im Rahmen der Erfindung kann für das komplette Brennstoffzellensystem 100 sowie für das gesamte Fahrzeug 1 nur ein Brennstoffsensor S verwendet werden. Dabei können in der Abluftleitung 12 des Kathodensystems 10 alle Leitungen L1, L2, L3 zusammengeführt werden, die Quellen von Brennstoff, insbesondere Wasserstoff, sein können. In der
Somit kann die Detektion für alle möglichen direkten und/oder indirekten Brennstoff-Leckagen an einer Stelle im Brennstoffzellensystem 100 durchgeführt werden. Vorteilhafterweise können die Brennstoff-Ansammlungen zumindest durch die Abluft des Kathodensystems 10 verdünnt werden.Thus, all possible direct and/or indirect fuel leaks can be detected at one point in the
Mithilfe des beschriebenen Brennstoffzellensystems 100 kann weiterhin ein Diagnoseverfahren bzw. ein Überprüfungsverfahren mit Pin-Pointing, d.h. Detektion aus welcher Quelle die Wasserstoff-Leckage bzw. der Wasserstoff-Massenstrom stammt, durchgeführt werden, wie es in der
Durch Anbindung des Anodensystem-Umgebung-Belüftungssystems Q4, des Tanksystem-Umgebung-Belüftungssystems Q3 und/oder des Stack-Umgebung-Belüftungssystems Q2, sofern vorhanden, an die Abluftleitung 12 kann der sich in den jeweiligen Systemen angesammelte Brennstoff zuverlässig angeführt und verdünnt werden.By connecting the anode system environment ventilation system Q4, the tank system Ambient ventilation system Q3 and/or the stack ambient ventilation system Q2, if present, to the
Vorteilhafterweise ist es bei dem beschriebenen Brennstoffzellensystem 100, dass die Verdünnung des Purgegases mittels eines sekundären Luftmassenstroms A2, A3, z.B. eines Frischluftgebläses IN eines Fahrzeuginnenraums und/oder eines separaten Belüftungsgebläses BG, durchgeführt werden kann. Somit kann eine Entkopplung vom Luftverdichter-Betrieb in der Zuluftleitung 11 sowie eine Redundanz geschaffen werden.It is advantageous in the described
Aber auch für die Belüftungssysteme Q2, Q3, Q4 des Tanksystems 30, des Stacks und/oder des Anodensystems 20, die im System 100 vorgesehen sind, kann zum Belüften der jeweiligen Systeme eine Entkoppelung vom Kathodensystem 10 sowie eine Redundanz geschaffen werden.But also for the ventilation systems Q2, Q3, Q4 of the
Die
Das Diagnoseverfahren kann mindestens einen folgenden Schritt aufweisen: D4) Überwachen von Messwerten des Brennstoffsensors S im laufenden Betrieb („normal operation“) des Brennstoffzellensystems 100.The diagnostic method can have at least one of the following steps: D4) Monitoring of measured values of the fuel sensor S during operation ("normal operation") of the
Bei der Diagnose im Schritt D4) kann der Messwert oder die Messwerte oder das Messsignal des Brennstoffsensors S mit einem Schwellenwert oder mit mehreren Schwellenwerten verglichen werden. Der Messwert oder die Messwerte oder das Messsignal des Brennstoffsensors S kann vorteilhafterweise über die Zeit ausgewertet werden, um Brennstoffgehalt-Anstiege und -Leckagen frühzeitig erkennen zu können. Liegt der Messwert oder die Messwerte oder das Messsignal des Brennstoffsensors ausreichend niedrig, so ist keine oder je nach Schwellenwert zunächst keine genauere Diagnose notwendig. Liegen die Werte jedoch über einer applizierbaren Grenze, so können weiteren Diagnosen D1), D2), D3) durchgeführt werden.During the diagnosis in step D4), the measured value or the measured values or the measured signal of the fuel sensor S can be compared with a threshold value or with a plurality of threshold values. The measured value or the measured values or the measured signal of the fuel sensor S can advantageously be evaluated over time in order to be able to detect fuel content increases and leaks at an early stage. If the measured value or the measured values or the measured signal of the fuel sensor is sufficiently low, no or, depending on the threshold value, initially no more precise diagnosis is necessary. However, if the values are above an applicable limit, further diagnoses D1), D2), D3) can be carried out.
Eine niedrige Grenze bzw. ein erster Schwellenwert, die bzw. der im Schritt D4) nicht überschritten wird, kann ein Zeichen für „Alles in Ordnung“ sein. Ab der niedrigen Grenze aufwärts kann bspw. ein überprüfendes Handeln eingeleitet werden, wie z. B. frequenteres Ablesen des Brennstoffzellensensors S im Schritt D4), Beobachten des Brennstoffgehaltanstiegs und/oder Einleiten weiterer Diagnosen D1), D2), D3). Eine höhere Grenze bzw. ein zweiter Schwellenwert kann bspw. ein warnendes Handeln nach sich ziehen, wie z. B. Auffordern des Fahrers zum Anhalten des Fahrzeuges 1, Auffordern der Fahrzeuginsassen, das Fahrzeug 1 zu verlassen, Warnen der anderen Verkehrsteilnehmer usw.A low limit or a first threshold value that is not exceeded in step D4) can be a sign of “everything is OK”. From the low limit upwards, for example, a checking action can be initiated, e.g. B. reading the fuel cell sensor S more frequently in step D4), observing the increase in fuel content and/or initiating further diagnoses D1), D2), D3). A higher limit or a second threshold value can, for example, result in a warning action, e.g. B. Requesting the driver to stop the
Ab einem gewissen Schwellenwert können folgende Schritte eingeleitet werden:
- D1) Betreiben des Purge- und/oder Drainsystems Q1, wobei das Stack-Belüftungssystem Q2, das Tank-Belüftungssystem Q3 und das Anodensystem-Umgebung-Belüftungssystem Q4, sofern vorhanden, inaktiv (d. h. deaktiviert oder nicht im Betrieb, ein Purgeventil PDV ist zu) sind,
- D2) Betreiben des Stack-Belüftungssystems Q2, wobei das Purge- und/oder Drainsystem Q1, das Anodensystem-Umgebung-Belüftungssystem Q4 und das Tank-Belüftungssystem Q3 inaktiv sind, und/oder
- D3) Betreiben des Tank-Belüftungssystems Q3, wobei das Purge- und/oder Drainsystem Q1, das Anodensystem-Umgebung-Belüftungssystem Q4 und das Stack-Belüftungssystem Q2 inaktiv sind.
- D1) Operating the purge and/or drain system Q1, with the stack ventilation system Q2, the tank ventilation system Q3 and the anode system ambient ventilation system Q4, if present, being inactive (ie deactivated or not in operation, a purge valve PDV is closed ) are,
- D2) operating the stack ventilation system Q2, with the purge and/or drain system Q1, the anode system ambient ventilation system Q4 and the tank ventilation system Q3 being inactive, and/or
- D3) Operating the tank ventilation system Q3, with the purge and/or drain system Q1, the anode system ambient ventilation system Q4 and the stack ventilation system Q2 being inactive.
Ferner kann ein weiterer, in der
Die Schritte D1), D2) und/oder D3) können ebenfalls periodisch durchgeführt werden. Somit kann die Detektion ermöglicht werden, aus welcher Quelle die Brennstoff-Leckage bzw. der Brennstoff-Massenstrom stammt.Steps D1), D2) and/or D3) can also be carried out periodically. This makes it possible to detect the source from which the fuel leakage or the fuel mass flow originates.
Dazu werden die jeweiligen Pfade Q1, Q2, Q3, Q4, Q5 der möglichen Quellen, die im System 100 vorhanden sind, derart geschaltet, sodass kurzzeitig nur eine mögliche Quelle für eine Brennstoff-Leckage bzw. Brennstoff-Massenstrom detektiert wird.For this purpose, the respective paths Q1, Q2, Q3, Q4, Q5 of the possible sources that are present in the
Zwischen den Schritten D1), D2) und D3) können bestimmte Wartezeiten und/oder Mittelungen, Empfehlungen an den Benutzer des Fahrzeuges 1 eingerichtet werden. Der Schritt D4) kann bspw. beim Abstellen des Fahrzeuges 1 oder kurz vor dem Starten des Fahrzeuges 1 durchgeführt werden, um bspw. schnell zu überprüfen, ob die Belüftungssysteme Q2, Q3, Q4 in Ordnung sind, und/oder um zu erfahren, ob eine zusätzliche Diagnose D2) und/oder D3) erforderlich ist, und/oder um eine Referenzmessung für die Schritte D2) und/oder D3) zu erhalten.Specific waiting times and/or averaging, recommendations to the user of the
Zudem ist es denkbar, dass die Messwerte in den Schritten D1) bis D4) untereinander, mit einander oder auch in Kombination miteinander verglichen werden, um die Ergebnisse des Diagnoseverfahrens zu plausibilisieren (bspw. Wert in D4 = Wert in D2+Wert in D3?)It is also conceivable that the measured values in steps D1) to D4) are compared with one another, with one another or in combination with one another in order to check the results of the diagnostic method for plausibility (e.g. value in D4 = value in D2+value in D3? )
Zudem kann das Diagnoseverfahren mindestens einen der folgenden Schritte aufweisen:
- D5) Überwachen von Messwerten des Brennstoffsensors S in einem unbelüfteten Betrieb („all closed“) des
Brennstoffzellensystems 100, wobei das Purge- und/oder Drainsystem Q1, das Stack-Belüftungssystem Q2, das Tank-Belüftungssystem Q3 und das Anodensystem-Umgebung-Belüftungssystem Q4 alle, sofern vorhanden, ausgeschaltet sind. Somit kann der Brennstoffsensor S1 geeicht bzw. kalibriert werden. Auch kann somit eine Offen/Zu-Diagnose eines Purge-Ventils PVD durchgeführt werden.
- D5) Monitoring of measured values of the fuel sensor S in an unventilated operation ("all closed") of the
fuel cell system 100, the purge and / or drain system Q1, the stack ventilation system Q2, the tank ventilation system Q3 and the anode system-environment ventilation system Q4 all, if any, are turned off. The fuel sensor S1 can thus be gauged or calibrated. An open/closed diagnosis of a purge valve PVD can thus also be carried out.
Außerdem kann das Diagnoseverfahren mindestens einen der folgenden Schritte aufweisen:
- D6) Überwachen von Messwerten des Brennstoffsensors S in einem voll belüfteten Betrieb („all open“) des
Brennstoffzellensystems 100, wobei das Purge- und/oder Drainsystem Q1, das Stack- Umgebung-Belüftungssystem Q2, das Tank- Umgebung-Belüftungssystem Q3 und das Anodensystem-Umgebung-Belüftungssystem Q4 alle, sofern vorhanden, aktiv sind. Dieser Schritt D6) kann bspw. beim Abstellen des Fahrzeuges 1 oder kurz vor dem Starten des Fahrzeuges 1 durchgeführt werden, um bspw. schnell zu überprüfen, ob alles in Ordnung ist, und/oder um zu erfahren, ob eine zusätzliche Diagnose D1), D2) und/oder D3) erforderlich ist, und/oder um eine Referenzmessung für die Schritte D1), D2) und/oder D3) zu erhalten.
- D6) Monitoring of measured values of the fuel sensor S in a fully ventilated operation ("all open") of the
fuel cell system 100, wherein the purge and / or drain system Q1, the stack environment ventilation system Q2, the tank environment ventilation system Q3 and the Anode system-ambient ventilation system Q4 are all active, if any. This step D6) can be carried out, for example, when thevehicle 1 is parked or shortly before thevehicle 1 is started, in order, for example, to quickly check whether everything is in order and/or to find out whether an additional diagnosis D1), D2) and/or D3) and/or to obtain a reference measurement for steps D1), D2) and/or D3).
Zudem ist es denkbar, dass die Messwerte in den Schritten D1) bis D6) untereinander, miteinander oder auch in Kombination miteinander verglichen werden, um die Ergebnisse des Diagnoseverfahrens zu plausibilisieren (bspw. Wert in D1 <= Wert in D6?)It is also conceivable that the measured values in steps D1) to D6) are compared with one another, with one another or in combination with one another in order to check the results of the diagnostic method for plausibility (e.g. value in D1 <= value in D6?)
Die
Das Verfahren zum Überprüfen des Brennstoffzellensystems 100 auf Membranendichtheit, umfassend mindestens eine oder eine kombinierte Diagnose gemäß den
Es ist aber auch denkbar, dass Verfahren zum Überprüfen des Brennstoffzellensystems 100 auf Membranendichtheit, umfassend mindestens eine oder eine kombinierte Diagnose gemäß den
Alle Diagnosen gemäß den
- 1) Absperren von Subsystemen Q1, Q2, Q3, Q4 des
Brennstoffzellensystems 100, die direkte Quellen für eine Brennstoff-Leckage und/oder einen Brennstoffmassenstrom sein können, - 2) Betreiben des Kathodensystems 10 zum Bereitstellen eines sauerstoffhaltigen Reaktanten,
- 3) Betreiben des Anodenpfades 20 zum Bereitstellen eines brennstoffhaltigen Reaktanten,
- 4) Überwachen von Messergebnissen des Brennstoffsensors S.
- 1) shutting off subsystems Q1, Q2, Q3, Q4 of the
fuel cell system 100, which can be direct sources of fuel leakage and/or fuel mass flow, - 2) operating the
cathode system 10 to provide an oxygen-containing reactant, - 3) operating the
anode path 20 to provide a fuel containing reactant, - 4) Monitoring measurement results of the fuel sensor S.
Die Erfindung sieht dabei vor, dass mithilfe des Brennstoffsensors S ein ungewollter Brennstoff-Übertritt durch (mindestens) eine Membran der mindestens einen Brennstoffzelle 101 bzw. des mindestens einen Brennstoffzellenstacks detektiert werden kann (Membranenundichtheit). Dies kann bspw. geschehen, wenn die Membran zu alt, zu trocken und/oder beschädigt wird.The invention provides that the fuel sensor S can be used to detect an unwanted fuel transfer through (at least) one membrane of the at least one
Zum Durchführen des Verfahrens, umfassend einzelne Diagnosen nacheinander oder in einer Kombination miteinander, werden im Schritt 1) alle möglichen Quellen von Brennstoff, wie z. B. das Purge- und/oder Drainsystem Q1, das Stack-Umgebung-Belüftungssystem Q2, das Tanksystem-Umgebung-Belüftungssystem Q3 und das Anodensystem-Umgebung-Belüftungssystem Q4, sofern vorhanden, abgesperrt.To carry out the method, comprising individual diagnoses one after the other or in a combination with one another, in step 1) all possible sources of fuel, such as e.g. B. the purge and / or drain system Q1, the stack environment ventilation system Q2, the tank system environment ventilation system Q3 and the anode system environment ventilation system Q4, if present, shut off.
Die
Die
Die
Beim Betreiben des Kathodensystems 10 im Schritt 2) können ferner folgende (Unter)Schritte vorgesehen sein:
- 2a) Betreiben eines Verdichters V in
der Zuluftleitung 11 mit mindestens einer Drehzahl, - 2b) Ermitteln (durch Erfassen und Berechnen oder Schätzen) eines Soll-Massenstroms des sauerstoffhaltigen Reaktanten, der durch am Brennstoffsensor S ankommen soll,
- 2c) Überprüfen (durch Erfassen und Berechnen) des Massenstroms des sauerstoffhaltigen Reaktanten, der am Brennstoffsensor S ankommen soll, mithilfe von Messwerten eines
Massenstromsensors im Kathodensystem 10, bspw. inder Zuluftleitung 11, - 2d) Überprüfen eines Druckes in
dem Kathodensystem 10 durch einen Drucksensor, und/oder - 2e) Variieren von Diagnose zu Diagnose der Drehzahl, mit der der Verdichter V betrieben wird.
- 2a) operation of a compressor V in the
supply air line 11 with at least one speed, - 2b) determining (by detecting and calculating or estimating) a desired mass flow rate of the oxygen-containing reactant to arrive at the fuel sensor S,
- 2c) Checking (by recording and calculating) the mass flow of the oxygen-containing reactant that is to arrive at the fuel sensor S using measured values from a mass flow sensor in the
cathode system 10, e.g. in thesupply air line 11, - 2d) checking a pressure in the
cathode system 10 by a pressure sensor, and/or - 2e) Varying from diagnosis to diagnosis the speed at which the compressor V is operated.
Beim Betreiben des Anodensystems 20 im Schritt 3) können ferner folgende (Unter)Schritte vorgesehen sein:
- 3a) Überprüfen eines Druckes in
dem Anodenpfad 20 durch einen Drucksensor, und/oder - 3b) Einstellen von Diagnose zu Diagnose einer bestimmten Druckdifferenz zwischen
dem Anodenpfad 20und dem Kathodensystem 10.
- 3a) checking a pressure in the
anode path 20 by a pressure sensor, and/or - 3b) Setting from diagnosis to diagnosis of a certain pressure difference between the
anode path 20 and thecathode system 10.
Vor und/oder beim Überwachen von Messergebnissen des Brennstoffsensors S im Schritt 4) können ferner folgende (Unter)Schritte vorgesehen sein:
- 1a) Einstellen eines definierten Stroms und/oder einer definierten Stromdichte durch die
mindestens eine Brennstoffzelle 101, und/oder - 4b) Bestätigen der Membranenundichtheit, wenn sich die Messwerte des Brennstoffsensors S von Diagnose zu Diagnose bei einem Variieren der Druckdifferenz zwischen
dem Anodenpfad 20und dem Kathodensystem 10 entsprechend verändern, insbesondere in Anhängigkeit von der Drehzahl des Verdichters V, dem Massenstrom des sauerstoffhaltigen Reaktanten, demDruck im Kathodensystem 10 und/oder demDruck im Anodenpfad 20.
- 1a) setting a defined current and/or a defined current density through the at least one
fuel cell 101, and/or - 4b) Confirming the membrane leak if the measured values of the fuel sensor S change accordingly from diagnosis to diagnosis when the pressure difference between the
anode path 20 and thecathode system 10 varies, in particular as a function of the speed of the compressor V, the mass flow of the oxygen-containing reactant, the Pressure in thecathode system 10 and/or the pressure in theanode path 20.
Wenn die Membran undicht ist, dann bewirkt eine Erhöhung der Druckdifferenz zwischen dem Anodenpfad 20 und dem Kathodensystem 10 von Diagnose zu Diagnose eine Erhöhung des Messwerts an dem Sensor. Eine Minderung der Druckdifferenz von Diagnose zu Diagnose bewirkt wiederum eine Senkung des Messwerts an dem Brennstoffsensor S. Auf diese Weise kann einfach und zuverlässig festgestellt werden, dass der erfasste Brennstoff H2 am Brennstoffsensor S tatsächlich von der undichten Membran stammt.If the membrane is leaking, then increasing the pressure differential between the
Für die Überprüfung der Messergebnisse des Brennstoffsensor S können weiterhin die Drehzahl des Verdichters V, der Massenstrom und/oder der Druck im Kathodensystem 10 sowie der Druck im Anodensystem 20 berücksichtigt werden.For checking the measurement results of the fuel sensor S, the speed of the compressor V, the mass flow and/or the pressure in the
Die Erfindung stellt gemäß dem zweiten Aspekt Brennstoffzellensystem 100 mit einem Brennstoffsensor S bereit, der durch ein Verfahren kalibriert wurde, welches wie oben beschrieben ablaufen kann.According to the second aspect, the invention provides a
Ein Fahrzeug 1 mit einem entsprechenden Brennstoffzellensystem 100 stellt ebenfalls einen Aspekt der Erfindung dar.A
Die voranstehende Beschreibung der Figuren beschreibt die vorliegende Erfindung ausschließlich im Rahmen von Beispielen. Selbstverständlich können einzelne Merkmale der Ausführungsformen, sofern es technisch sinnvoll ist, frei miteinander kombiniert werden, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.The above description of the figures describes the present invention exclusively within the framework of examples. It goes without saying that individual features of the embodiments can be freely combined with one another, insofar as this makes technical sense, without departing from the scope of the invention.
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