DE102007040837A1 - Method for non-destructive recognition of leakage gas in fuel cell operated with oxygen and hydrogen, involves arranging ion-permeable electrolyte between anode gas area and cathode gas area - Google Patents

Method for non-destructive recognition of leakage gas in fuel cell operated with oxygen and hydrogen, involves arranging ion-permeable electrolyte between anode gas area and cathode gas area Download PDF

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Abstract

The method involves arranging an ion-permeable electrolyte (5) between an anode gas area (4) and a cathode gas area (3), particularly in a fuel cell (2) of a mobile fuel cell plant (1). Two test gases are provided, where formed gas is hydrogen (H2) and latter gas is produced by mixture of oxygen (O2) with an inert gas, particularly nitrogen (N2). An independent claim is included for a fuel cell plant for the execution of a recognition method.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum zerstörungsfreien Erkennen eines Gaslecks in einer Brennstoffzelle gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie eine Brennstoffzellenanlage zur Durchführung des Verfahrens gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 10. Ein derartiges Verfahren bzw. eine derartige Brennstoffzellenanlage sind beispielsweise aus der EP 1 340 280 B1 bekannt.The invention relates to a method for non-destructive detection of a gas leak in a fuel cell according to the preamble of patent claim 1 and a fuel cell system for performing the method according to the preamble of claim 10. Such a method and such a fuel cell system are for example from EP 1 340 280 B1 known.

In Brennstoffzellenanlagen, insbesondere in mobilen Brennstoffzellenanlagen wie z. B. an Bord von Unterwasserfahrzeugen, bei denen die Brennstoffzellen mit reinem Wasserstoff und reinem Sauerstoff als Reaktanten betrieben werden, müssen Gaslecks in den Brennstoffzellen zuverlässig erkannt werden, um Folgeschäden für die Brennstoffzellenanlage und deren Betreiber zu vermeiden.In Fuel cell systems, especially in mobile fuel cell systems such as B. on board underwater vehicles, in which the fuel cells operated with pure hydrogen and pure oxygen as reactants gas leaks in the fuel cells must be reliable be recognized, consequential damage to the fuel cell system and their operators to avoid.

Es wurden deshalb in der Vergangenheit schon verschiedenste Verfahren entwickelt, mit denen ein Gasleck in einer Brennstoffzelle sicher erkannt werden kann.It have therefore been in the past a variety of procedures designed to ensure a gas leak in a fuel cell safely can be recognized.

Aus der EP 1 444 746 B1 ist ein Verfahren zum Lokalisieren eines Gaslecks in einer Brennstoffzelle bekannt, bei dem in einem ersten Schritt der Anoden- und der Kathodengasraum der Brennstoffzelle mit Stickstoff gespült und danach der Stickstoff durch Abpumpen aus den Gasräumen entfernt wird. In einem zweiten Schritt wird der Anodengasraum mit reinem Wasserstoff und der Kathodengasraum mit reinem Sauerstoff gefüllt und anschließend, vorzugsweise ohne weitere Zufuhr von Wasserstoff und Sauerstoff, das Absinken der Zellspannung in Abhängigkeit von der Zeit gemessen und ausgewertet. Die Brennstoffzelle ist hierbei von einer elektrischen Last getrennt. Bei einer Brennstoffzelle mit einem Gasleck fällt dann die Zellspannung schneller ab als bei einer intakten Brennstoffzelle.From the EP 1 444 746 B1 discloses a method for locating a gas leak in a fuel cell, wherein in a first step, the anode and the cathode gas space of the fuel cell is purged with nitrogen and then the nitrogen is removed by pumping out of the gas spaces. In a second step, the anode gas space is filled with pure hydrogen and the cathode gas space with pure oxygen and then, preferably without further supply of hydrogen and oxygen, the decrease in the cell voltage as a function of time measured and evaluated. The fuel cell is separated from an electrical load. In a fuel cell with a gas leak then the cell voltage drops faster than an intact fuel cell.

Aus der EP 1 340 280 B1 ist ein Verfahren zum zerstörungsfreien Lokalisieren eines Gaslecks in einer Brennstoffzelle eines „nackten" Brennstoffzellenblocks bekannt. Unter einem „nackten" Brennstoffzellenblocks wird hierbei ein Brennstoffzellenblock verstanden, der noch nicht in eine Brennstoffzellenanlage eingebaut ist und der somit noch nicht an Sicherheitseinrichtungen der Brennstoffzellenanlage und an eine elektrische Last angeschlossen ist. Bei diesem Verfahren wird der Anodengasraum der Brennstoffzelle mit einem wasserstoffhaltigen Testgas und der Kathodengasraum der Brennstoffzelle mit einem sauerstoffhaltigen Testgas beaufschlagt, die Zellspannung der Brennstoffzelle gemessen und der zeitliche Verlauf der Zellspannung überwacht. Um ein zündfähiges Gasgemisch und somit eine Zerstörung der Brennstoffzelle beim Test zu vermeiden, wird als erstes Testgas ein Gas mit einem Wasserstoffgehalt von 0,1 bis 20 Vol.-% und als zweites Testgas ein Gas mit einem Sauerstoffgehalt von 0,1 bis 30 Vol.-% gewählt.From the EP 1 340 280 B1 A "naked" fuel cell block is here understood to mean a fuel cell block which is not yet installed in a fuel cell system and thus does not yet have any safety features on the fuel cell system and on a fuel cell system electrical load is connected. In this method, the anode gas chamber of the fuel cell is charged with a hydrogen-containing test gas and the cathode gas space of the fuel cell with an oxygen-containing test gas, measured the cell voltage of the fuel cell and monitors the time course of the cell voltage. In order to avoid an ignitable gas mixture and thus a destruction of the fuel cell during the test, the first test gas is a gas having a hydrogen content of 0.1 to 20 vol .-% and the second test gas is a gas having an oxygen content of 0.1 to 30 vol .-% chosen.

Bei einer bereits in einer Brennstoffzellenanlage installierten Brennstoffzelle gestaltet sich jedoch die Bereitstellung dieser Testgase als problematisch, da hierfür zusätzliche Gasspeicher und somit Platz benötigt wird. Derartiger Platz ist jedoch in mobilen Brennstoffzellenanlagen, z. B. Brennstoffzellenanlagen in Land-, See- oder Raumfahrzeugen, sehr begrenzt.at an already installed in a fuel cell system fuel cell However, the provision of these test gases is problematic because For this additional gas storage and thus space needed becomes. However, such space is in mobile fuel cell plants, z. B. fuel cell systems in land, sea or space vehicles, very limited.

Es ist deshalb Aufgabe vorliegender Erfindung, ein Verfahren anzugeben, bei dem auch vor Ort in einer Brennstoffzellenanlage, insbesondere einer mobilen Brennstoffzellenanlage, ohne die Notwendigkeit der Bereitstellung spezieller Testgase und dafür benötigter Gasspeicher und ohne Gefahr einer Zerstörung der Brennstoffzelle ein Gasleck zuverlässig erkannt werden kann. Außerdem ist es Aufgabe vorliegender Erfindung, eine für die Durchführung des Verfahrens geeignete Brennstoffzellenanlage anzugeben.It is therefore object of the present invention to provide a method at the on-site in a fuel cell system, in particular a mobile fuel cell system, without the need of Provision of special test gases and required Gas storage and without risk of destruction of the fuel cell a gas leak can be reliably detected. Furthermore It is an object of the present invention, one for the implementation of the Specify method suitable fuel cell system.

Die Lösung der auf das Verfahren gerichteten Aufgabe gelingt durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind jeweils Gegenstand der Unteransprüche 2 bis 9.The Solution of the object directed to the method succeeds by a method according to claim 1. Advantageous Embodiments of the method are each the subject of the dependent claims 2 to 9.

Die Lösung der auf die Brennstoffzellenanlage gerichteten Aufgabe gelingt durch eine Brennstoffzellenanlage gemäß Patentanspruch 10. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Brennstoffzellenanlage sind jeweils Gegenstand der Unteransprüche 11 bis 21.The Solution of the task directed to the fuel cell system succeeds by a fuel cell system according to claim 10. Advantageous embodiments of the fuel cell system are each subject of the dependent claims 11 to 21.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum zerstörungsfreien Erkennen eines Gaslecks in einer mit Sauerstoff und Wasserstoff betriebenen Brennstoffzelle wird der Anodengasraum der Brennstoffzelle mit einem ersten Testgas und der Kathodengasraum der Brennstoffzelle mit einem zweiten Testgas beaufschlagt und ohne eine elektrische Last an der Brennstoffzelle die Zellspannung der Brennstoffzelle gemessen und der zeitliche Verlauf der Zellspannung überwacht wird. Das zweite Testgas wird hierbei durch ein Mischen von Sauerstoff mit einem inerten Gas, insbesondere Stickstoff, erzeugt.at the method according to the invention for non-destructive Detecting a gas leak in one with oxygen and hydrogen operated fuel cell is the anode gas space of the fuel cell with a first test gas and the cathode gas space of the fuel cell subjected to a second test gas and without an electrical Load on the fuel cell measured the cell voltage of the fuel cell and the time course of the cell voltage is monitored. The second test gas is in this case by mixing oxygen with an inert gas, in particular nitrogen.

Der Sauerstoff ist bereits als Reaktantenmedium in der Brennstoffzellenanlage vorhanden. Auch ein inertes Gas, meist Stickstoff, ist üblicherweise bereits in einer Brennstoffzellenanlage vorhanden, um zum Beispiel bei einem Abschalten der Brennstoffzellenanlage die Gasräume nach deren Evakuierung zu befüllen, um Korrosion zu vermeiden. Dies gilt insbesondere für mit reinem Sauerstoff betriebene Brennstoffzellenanlagen. In mobilen Brennstoffzellenanlagen, wie sie z. B. auf Unterwasserschiffen zum Einsatz kommen, werden zudem häufig pneumatische Ventile verwendet, die mit einem Inertgas betrieben werden. Das zweite Testgas wird somit in der Brennstoffzellenanlage selbst aus Gasen hergestellt, die ohnehin in der Brennstoffzellenanlage vorhanden sind. Hierdurch wird kein zusätzlicher Platz für einen Speicher für das zweite Testgas benötigt.The oxygen is already present as a reactant medium in the fuel cell system. An inert gas, usually nitrogen, is usually already present in a fuel cell system in order, for example, to fill the gas spaces after their evacuation when switching off the fuel cell system in order to avoid corrosion. This applies in particular to fuel cell systems operated with pure oxygen. In mobile fuel cell systems, as z. B. on underwater vessels for a In addition, pneumatic valves which are operated with an inert gas are frequently used. The second test gas is thus produced in the fuel cell system itself from gases that are already present in the fuel cell system. As a result, no additional space for a memory for the second test gas is needed.

Bei einer intakten Brennstoffzelle baut sich aufgrund der fehlenden Last eine Leerlaufspannung von ca. 1 V auf, während bei einer defekten Brennstoffzelle die Spannung nur kurz ansteigt, um danach innerhalb kurzer Zeit zusammenzubrechen. Hierdurch kann ein Gasleck zuverlässig erkannt werden. Da die Brennstoffzelle für den Test kathodenseitig dann mit einem verdünnten Reaktanten betrieben wird, kann eine Bildung zündfähiger Gemische und somit eine Zerstörung der Brennstoffzelle beim Test sicher vermieden werden.at an intact fuel cell builds up due to the lack of it Load an open circuit voltage of approx. 1 V, while at a defective fuel cell, the voltage rises only briefly to then collapse within a short time. This can be a Gas leak reliably detected. Because the fuel cell for the test cathode side then with a diluted Reactants operated, can be an ignitable formation Mixtures and thus a destruction of the fuel cell be safely avoided during the test.

Als erstes Testgas kann dabei nur Wasserstoff verwendet werden, so wie er bereits als Reaktantenmedium in der Brennstoffzellenanlage vorliegt. Die Brennstoffzelle wird dann kathodenseitig mit verdünntem Sauerstoff und anodenseitig mit unverdünntem Wasserstoff betrieben.When first test gas can be used only hydrogen, as well as he already exists as a reactant medium in the fuel cell system. The Fuel cell is then the cathode side with dilute Oxygen and anode side with undiluted hydrogen operated.

Alternativ kann aber auch das erste Testgas durch Mischen von Wasserstoff mit einem inerten Gas, insbesondere Stickstoff, erzeugt werden. Auch das erste Testgas wird dann direkt in der Brennstoffzellenanlage selbst aus Gasen hergestellt, die ohnehin in der Brennstoffzellenanlage vorhanden sind. Die Brennstoffzelle wird dann kathodenseitig mit verdünntem Sauerstoff und anodenseitig mit verdünntem Wasserstoff betrieben, wodurch die Sicherheit vor einer Zerstörung der Brennstoffzelle beim Test noch weiter erhöht werden kann.alternative But it can also be the first test gas by mixing hydrogen with an inert gas, in particular nitrogen, are generated. That too first test gas is then directly in the fuel cell plant itself made from gases that are in the fuel cell system anyway available. The fuel cell is then with the cathode side diluted oxygen and on the anode side with dilute Hydrogen operated, which ensures safety from destruction the fuel cell be further increased during the test can.

Während der Messungen können beide Gasräume eingangsseitig weiterhin mit dem jeweiligen Testgas beaufschlagt werden, wobei sie ausgangsseitig jedoch geschlossen sind.While The measurements allow both gas spaces on the input side continue to be charged with the respective test gas, wherein however, they are closed on the output side.

Alternativ können während der Messung beide Gasräume eingangsseitig weiterhin mit dem jeweiligen Testgas beaufschlagt werden, wobei einer der beiden Gasräume ausgangsseitig geschlossen und der andere geöffnet ist.alternative can measure both gas spaces during the measurement the input side continues to be charged with the respective test gas be, with one of the two gas chambers on the output side closed and the other is open.

Einer der beiden Gasräume wird somit während der Messung kontinuierlich mit dem Testgas gespült. Hierdurch kann die Genauigkeit der Messung noch weiter verbessert werden.one the two gas chambers will thus during the measurement continuously rinsed with the test gas. This can the accuracy of the measurement can be further improved.

Vorzugsweise werden die beiden Gasräume vor der Beaufschlagung mit den Testgasen mit einem inerten Gas, insbesondere Stickstoff, gespült. Bei Brennstoffzellen, in denen ein Gasleck vorliegt, können damit beispielsweise die Gasräume von bereits übergetretenen Reaktanten gereinigt werden. Hierdurch kann ein definierter Ausgangszustand für die Durchführung des Lecktestverfahrens hergestellt werden.Preferably be the two gas chambers before the impact with the Test gases with an inert gas, especially nitrogen, rinsed. For fuel cells in which there is a gas leak can so that, for example, the gas chambers of already passed Reactants are purified. This allows a defined initial state for performing the leak test method.

Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung beträgt die Konzentration des reinen Sauerstoffes bzw. des reinen Wasserstoffes in dem Inertgas weniger als 50%, insbesondere etwa 21%. Wenn als Inertgas Stickstoff verwendet wird, dann handelt es sich bei dem zweiten Testgas im Grunde um synthetische Luft.According to one particularly advantageous embodiment, the concentration the pure oxygen or pure hydrogen in the inert gas less than 50%, especially about 21%. When nitrogen as an inert gas is used, then the second test gas is in the Basically synthetic air.

Von besonderem Vorteil wird die Brennstoffzelle im Normalbetrieb mit reinem Sauerstoff und reinem Wasserstoff betrieben. Unter „reinem" Wasserstoff oder „reinem" Sauerstoff werden hierbei „technisch" reiner Wasserstoff bzw. Sauerstoff verstanden, d. h. in dem Wasserstoff oder Sauerstoff können noch geringe Inertgasbestandteile enthalten sein. Für die Erzeugung der Testgase kann dann ebenfalls reiner Sauerstoff bzw. reiner Wasserstoff verwendet werden.From The fuel cell is particularly advantageous in normal operation operated pure oxygen and pure hydrogen. Under "pure" Hydrogen or "pure" oxygen become "technical" pure hydrogen or oxygen understood, d. H. in the hydrogen or oxygen can still small inert gas constituents be included. For the generation of the test gases can then also pure oxygen or pure hydrogen can be used.

Eine erfindungsgemäße Brennstoffzellenanlage weist eine mit Sauerstoff und Wasserstoff betreibbare Brennstoffzelle mit einem Anodengasraum und einem Kathodengasraum, zwischen denen ein ionendurchlässiger Elektrolyt angeordnet ist, eine mit dem Anodengasraum verbundene erste Zufuhreinrichtung zur Zufuhr eines ersten Gases zu dem Anodengasraum, eine mit dem Kathodengasraum verbundene zweite Zufuhreinrichtung zur Zufuhr eines zweiten Gases zu dem Kathodengasraum und eine Messeinrichtung zur Messung der Zellspannung der Brennstoffzelle auf. Die zweite Zufuhreinrichtung ist hierbei gleich zeitig sowohl mit einer Sauerstoffversorgung zur Versorgung der Brennstoffzelle mit Sauerstoff als auch mit einer Inertgasversorgung für ein inertes Gas, insbesondere Stickstoff, verbindbar und weist einen Schalter zur Trennung der Brennstoffzelle von einer elektrischen Last auf.A has fuel cell system according to the invention a fuel cell operable with oxygen and hydrogen with an anode gas space and a cathode gas space between which an ion-permeable electrolyte is arranged, a connected to the anode gas chamber first supply means for supply a first gas to the anode gas space, one with the cathode gas space connected second supply means for supplying a second gas to the cathode gas space and a measuring device for measuring the Cell voltage of the fuel cell. The second feeder This is the same time both with an oxygen supply to Supplying the fuel cell with oxygen as well as with a Inert gas supply for an inert gas, in particular nitrogen, connectable and has a switch for the separation of the fuel cell from an electrical load.

Der Brennstoffzelle kann somit kathodenseitig eine Mischung aus Sauerstoff und Inertgas zugeführt werden. Mittels des Schalters kann die Brennstoffzelle für den Test von einer elektrischen Last getrennt werden und somit durch Messung der Brennstoffzellenspannung und Überwachung des zeitlichen Verlaufs der Brennstoffzellenspannung eine Brennstoffzelle mit einem Gasleck von einer intakten Brennstoffzelle unterschieden werden.Of the Fuel cell can thus cathode side a mixture of oxygen and inert gas are supplied. By means of the switch can the fuel cell for the test of an electric Load be separated and thus by measuring the fuel cell voltage and monitoring the time course of the fuel cell voltage a fuel cell with a gas leak from an intact fuel cell be differentiated.

Bevorzugt ist die zweite Zufuhreinrichtung wahlweise nur mit der Sauerstoffversorgung, nur mit der Inertgasversorgung oder aber mit beiden gleichzeitig verbindbar. Für den normalen Betrieb der Brennstoffzelle kann diese dann kathodenseitig nur mit der Sauerstoffversorgung verbunden werden, so dass der Brennstoffzelle kathodenseitig unverdünnter Sauerstoff zugeführt wird. Für den Lecktest kann die zweite Zufuhreinrichtung gleichzeitig sowohl mit der Sauerstoffversorgung als auch mit der Inertgasversorgung verbunden werden, so dass der Brennstoffzelle kathodenseitig verdünnter Sauerstoff, d. h. eine Mischung aus Sauerstoff und Inertgas, zugeführt werden kann. Für ein Spülen des Kathodengasraumes mit einem Inertgas (z. B. zu Beginn eines Lecktestes oder beim Abschalten der Brennstoffzellenanlage) kann die zweite Zufuhreinrichtung direkt mit der Inertgasversorgung verbunden werden und dem Kathodengasraum dann „unverdünntes" Inertgas zugeführt werden.Preferably, the second supply means is optionally connectable only with the oxygen supply, only with the inert gas supply or with both at the same time. For normal operation of the fuel cell, this can then be connected on the cathode side only with the oxygen supply, so that the fuel cell undiluted on the cathode side oxygen is supplied. For the leak test, the second supply device can be connected simultaneously to both the oxygen supply and the inert gas supply, so that the fuel cell, the cathode side diluted oxygen, ie, a mixture of oxygen and inert gas, can be supplied. For rinsing the cathode gas space with an inert gas (eg at the beginning of a leak test or when switching off the fuel cell system), the second supply device can be connected directly to the inert gas supply and then "undiluted" inert gas can be supplied to the cathode gas space.

Wenn die der zweiten Zufuhreinrichtung von der Sauerstoffversorgung zuführbare Menge an Sauerstoff veränderbar ist, kann die Konzentration des Sauerstoffes in dem zweiten Testgas auf einen optimalen Wert eingestellt werden.If that of the second supply means supplied from the oxygen supply Amount of oxygen can be changed, the concentration of the oxygen in the second test gas to an optimum value be set.

Die Veränderbarkeit der Menge der Zufuhr von Sauerstoff kann auf einfache Weise dadurch ermöglicht werden, dass die Sauerstoffversorgung mit der zweiten Zufuhreinrichtung über zumindest zwei parallele Leitungszweige verbunden ist, in denen jeweils zumindest ein Ventil angeordnet ist, wobei die Ventile unterschiedlicher Leitungszweige einen jeweils unterschiedlichen Querschnitt aufweisen.The Changeability of the amount of oxygen supply can be made possible in a simple way that the Oxygen supply to the second supply via at least two parallel line branches is connected, in which in each case at least one valve is arranged, the valves being different Line branches each have a different cross-section.

Gemäß einer technisch konstruktiv besonders vorteilhaften Ausgestaltung ist ein erstes Ventil hinsichtlich seines Querschnitts auf eine Sauerstoffzufuhr ausgelegt ist, die für einen Normalbetrieb der Brennstoffzelle benötigt wird und ein zweites Ventil hinsichtlich seines Querschnitts auf eine Sauerstoffzufuhr ausgelegt, die für den Lecktest benötigt wird.According to one technically constructive particularly advantageous embodiment a first valve with respect to its cross section to an oxygen supply is designed for normal operation of the fuel cell is needed and a second valve in terms of his Cross section designed for an oxygen supply, which for the leak test is needed.

Bevorzugt ist auch die erste Zufuhreinrichtung gleichzeitig sowohl mit einer Wasserstoffversorgung zur Versorgung der Brennstoffzelle mit Wasserstoff, als auch mit einer Inertgasversorgung für ein inertes Gas, insbesondere Stickstoff, verbindbar.Prefers is also the first feeder at the same time both with a Hydrogen supply for supplying the fuel cell with hydrogen, as well as with an inert gas supply for an inert gas, in particular nitrogen, connectable.

Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung ist hierbei die erste Zufuhreinrichtung wahlweise nur mit der Wasserstoffversorgung, nur mit der Inertgasversorgung oder aber mit beiden gleichzeitig verbindbar.According to one Particularly advantageous embodiment, in this case, the first supply is optional only with the hydrogen supply, only with the inert gas supply or connectable with both at the same time.

Für den normalen Betrieb der Brennstoffzelle kann diese dann anodenseitig nur mit der Wasserstoffversorgung verbunden werden, so dass der Brennstoffzelle anodenseitig unverdünnter Sauerstoff zugeführt wird. Für den Lecktest kann die erste Zufuhreinrichtung dann gleichzeitig sowohl mit der Wasserstoffversorgung als auch mit der Inertgasversorgung verbunden werden, so dass der Brennstoffzelle anodenseitig verdünnter Wasserstoff, d. h. eine Mischung aus Wasserstoff und Inertgas, zugeführt werden kann. Für Spülen des Anodengasraumes mit einem Inertgas (z. B. zu Beginn eines Lecktestes oder beim Abschalten der Brennstoffzellenanlage) kann die erste Zufuhreinrichtung mit der Inertgasversorgung verbunden werden und somit dem Anodengasraum dann „unverdünntes" Inertgas zugeführt werden.For the normal operation of the fuel cell, this can then anode side only be connected to the hydrogen supply, so that the fuel cell anode side undiluted oxygen supplied becomes. For the leak test, the first supply means then simultaneously with both the hydrogen supply and be connected to the inert gas supply, so that the fuel cell anode-side diluted hydrogen, d. H. a mixture from hydrogen and inert gas, can be supplied. For Rinsing the anode gas space with an inert gas (eg Beginning of a leak test or when switching off the fuel cell system) can the first supply means connected to the inert gas supply and thus the anode gas chamber then "undiluted" Inert gas are supplied.

Wenn die der ersten Zufuhreinrichtung von der Wasserstoffversorgung zuführbare Menge an Wasserstoff veränderbar ist, kann die Konzentration an Wasserstoff in dem ersten Testgas auf einen optimalen Wert eingestellt werden.If that of the first supply device supplied from the hydrogen supply Quantity of hydrogen is changeable, the concentration can Hydrogen in the first test gas is set to an optimum value become.

Die Veränderbarkeit der Menge der Zufuhr von Wasserstoff kann auf einfache Weise dadurch ermöglicht dass werden, dass die Wasserstoffversorgung mit der ersten Zufuhreinrichtung über zumindest zwei parallele Leitungszweige verbunden ist, in denen jeweils zumindest ein Ventil angeordnet ist, wobei die Ventile unterschiedlicher Leitungszweige einen jeweils unterschiedlichen Querschnitt aufweisen.The Changeability of the amount of supply of hydrogen can in a simple way that will allow that the hydrogen supply to the first feeder over at least two parallel line branches is connected, in which in each case at least one valve is arranged, the valves being different Line branches each have a different cross-section.

Gemäß einer technisch konstruktiv besonders vorteilhaften Ausgestaltung ist ein erstes Ventil hinsichtlich seines Querschnitts auf eine Wasserstoffzufuhr ausgelegt, die für einen Normalbetrieb der Brennstoffzelle benötigt wird und ein zweites Ventil hinsichtlich seines Querschnitts auf eine Wasserstoffzufuhr ausgelegt, die für den Lecktest benötigt wird.According to one technically constructive particularly advantageous embodiment a first valve with respect to its cross-section to a hydrogen supply designed for normal operation of the fuel cell is needed and a second valve in terms of his Cross section designed for a hydrogen supply, which for the leak test is needed.

Von besonderem Vorteil ist die Brennstoffzelle im Normalbetrieb mit reinem Sauerstoff und reinem Wasserstoff betreibbar.From Particularly advantageous is the fuel cell in normal operation with pure oxygen and pure hydrogen operable.

Die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung gemäß Merkmalen der Unteransprüche werden im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen in der Figur näher erläutert.The Invention and further advantageous embodiments of the invention according to features of the subclaims in the following with reference to embodiments in the figure explained in more detail.

Die Figur zeigt eine Brennstoffzellenanlage 1 mit einer Brennstoffzelle 2 mit einer Polymer-Elektrolyt-Membran (PEM – Brennstoffzelle), die einen Kathodengasraum 3 und einen Anodengasraum 4 aufweist, die durch eine Membran-Elektroden-Einheit (MEA) 5 voneinander getrennt sind. Die Brennstoffzel le 2 wird im Normalbetrieb mit (technisch) reinem Sauerstoff und (technisch) reinem Wasserstoff betrieben.The figure shows a fuel cell system 1 with a fuel cell 2 with a polymer electrolyte membrane (PEM - fuel cell), which has a cathode gas space 3 and an anode gas room 4 comprising a membrane-electrode assembly (MEA) 5 are separated from each other. The fuel cells 2 is operated in normal operation with (technically) pure oxygen and (technically) pure hydrogen.

Über eine Zufuhrleitung 10 und eine Abfuhrleitung 11 ist dem Kathodengasraum 3 Sauerstoff zuführbar bzw. abführbar und über eine Zufuhrleitung 20 und eine Abfuhrleitung 21 ist dem Anodengasraum 4 Wasserstoff zuführbar bzw. abführbar.Via a supply line 10 and a discharge line 11 is the cathode gas room 3 Oxygen can be supplied or discharged and via a supply line 20 and a discharge line 21 is the anode gas room 4 Hydrogen can be supplied or discharged.

Die Zufuhrleitung 10 ist hierzu mittels Leitungen 12, 13, 14 und steuerbarer Ventile 15, 16, 17 wahlweise nur mit einer Sauerstoffversorgungsleitung 30, nur mit einer Inertgasversorgungsleitung 31 oder aber mit beiden gleichzeitig verbindbar. Die Sauerstoffversorgungsleitung 30 kann wiederum direkt mit einem nicht näher dargestellten Sauerstoffspeicher der Brennstoffzellenanlage 1 und die Inertgasversorgungsleitung 31 mit einem nicht näher dargestellten Inertgasspeicher der Brennstoffzellenanlage 1 verbunden sein. In die Abfuhrleitung 11 ist ein steuerbares Ventil 18 geschaltet, mit dem der Kathodengasraum 3 ausgangsseitig geöffnet oder geschlossen werden kann.The supply line 10 is this by means of cables 12 . 13 . 14 and controllable valves 15 . 16 . 17 optionally with only one oxygen supply line tung 30 , only with an inert gas supply line 31 or connectable with both at the same time. The oxygen supply line 30 can in turn directly with a non-illustrated oxygen storage of the fuel cell system 1 and the inert gas supply line 31 with an unspecified Inertgasspeicher the fuel cell system 1 be connected. In the discharge line 11 is a controllable valve 18 switched, with the cathode gas space 3 can be opened or closed on the output side.

Die Zufuhrleitung 20 ist über Leitungen 22, 23, 24 und steuerbare Ventile 25, 26, 27 wahlweise nur mit einer Wasserstoffversorgungsleitung 32, nur mit einer Inertgasversorgungsleitung 31 oder aber mit beiden gleichzeitig verbindbar. Die Wasserstoffversorgungsleitung 32 kann wiederum direkt mit einem nicht näher dargestellten Wasserstoffspeicher der Brennstoffzellenanlage 1 und die Inertgasversorgungsleitung 31 mit einem Inertgasspeicher der Brennstoffzellenanlage 1 verbunden sein. In die Abfuhrleitung 21 ist ein steuerbares Ventil 28 geschaltet, mit dem der Anodengasraum 4 ausgangsseitig geöffnet oder geschlossen werden kann.The supply line 20 is via lines 22 . 23 . 24 and controllable valves 25 . 26 . 27 optionally only with a hydrogen supply line 32 , only with an inert gas supply line 31 or connectable with both at the same time. The hydrogen supply line 32 can in turn directly with a hydrogen storage of the fuel cell system, not shown 1 and the inert gas supply line 31 with an inert gas storage of the fuel cell system 1 be connected. In the discharge line 21 is a controllable valve 28 switched, with the anode gas space 4 can be opened or closed on the output side.

Die steuerbaren Ventile 15, 16, 17, 18 und 25, 26, 27, 28 werden von einer nicht näher dargestellten Steuerung der Brennstoffzellenanlage 1 gesteuert.The controllable valves 15 . 16 . 17 . 18 and 25 . 26 . 27 . 28 be from a non-illustrated control of the fuel cell system 1 controlled.

Der in der Brennstoffzelle 2 erzeugte Strom wird über eine elektrische Leitung 43 einer Last 42 zugeführt. In die elektrische Leitung 43 ist ein elektrischer Schalter 41 geschaltet, über den im geschlossenen Zustand der elektrische Strom aus der Brennstoffzelle 2 abfließt. Ist der Schalter 41 geöffnet, so kann über eine elektrische Leitung 44 mit einem darin angeordneten Volt-Meter 40 die elektrische Zellspannung U der Zelle 2 gemessen werden, ohne dass ein elektrischer Strom fließt.The one in the fuel cell 2 electricity generated is via an electrical line 43 a load 42 fed. In the electrical line 43 is an electrical switch 41 switched over, in the closed state, the electric current from the fuel cell 2 flows. Is the switch 41 open, so can via an electrical line 44 with a volt meter arranged therein 40 the electrical cell voltage U of the cell 2 be measured without an electric current flowing.

Die der Zufuhrleitung 10 von der Sauerstoffversorgungsleitung 30 zuführbare Menge an Sauerstoff und die der Zufuhrleitung 20 von der Wasserstoffversorgungsleitung 32 zuführbare Menge an Wasserstoff sind veränderbar.The supply line 10 from the oxygen supply line 30 deliverable amount of oxygen and that of the supply line 20 from the hydrogen supply line 32 deliverable amount of hydrogen are changeable.

Hierzu ist die Sauerstoffversorgungsleitung 30 mit der Zufuhrleitung 10 über zwei parallele Leitungszweige 12, 13 verbunden, in denen jeweils ein Ventil 15 bzw. 16 angeordnet ist, wobei die Ventile 15, 16 einen jeweils unterschiedlichen Querschnitt aufweisen. Ein erstes Ventil 15, im Folgenden als „O2-Betriebsventil" bezeichnet, ist hinsichtlich seines Querschnitts auf eine Sauerstoffzufuhr ausgelegt ist, die für einen Normalbetrieb der Brennstoffzelle 2 benötigt wird. Ein zweites Ventil 16, im Folgenden als „O2-Start-/Bypassventil" bezeichnet, ist hinsichtlich seines Querschnitts auf eine Sauerstoffzufuhr ausgelegt, die für den Lecktest benötigt wird.For this purpose, the oxygen supply line 30 with the supply line 10 via two parallel line branches 12 . 13 connected, in each of which a valve 15 respectively. 16 is arranged, the valves 15 . 16 each have a different cross-section. A first valve 15 , hereinafter referred to as "O2-operating valve" is designed in terms of its cross section to an oxygen supply, which is for a normal operation of the fuel cell 2 is needed. A second valve 16 , hereinafter referred to as "O2 start / bypass valve" is designed in terms of its cross section to an oxygen supply, which is required for the leak test.

In entsprechender Weise ist zur Veränderung der Menge der Zufuhr von reinem Wasserstoff H2 die Wasserstoffversorgungsleitung 32 mit der Zufuhrleitung 20 über zwei parallele Leitungszweige 22, 23 verbunden, in denen jeweils ein Ventil 25 bzw. 26 angeordnet ist, wobei die Ventile 25, 26 unterschiedlicher Leitungszweige 22, 23 einen jeweils unterschiedlichen Querschnitt aufweisen. Ein erstes Ventil 25, im Folgenden als „H2-Betriebsventil" bezeichnet, ist hinsichtlich seines Querschnitts auf eine Wasserstoffzufuhr ausgelegt, die für einen Normalbetrieb der Brennstoffzelle 2 benötigt wird. Ein zwei tes Ventil 26, im Folgenden als „H2-Start-/Bypassventil" bezeichnet, ist hinsichtlich seines Querschnitts auf eine Wasserstoffzufuhr ausgelegt, die für den Lecktest benötigt wird.Similarly, to change the amount of supply of pure hydrogen H2, the hydrogen supply line 32 with the supply line 20 via two parallel line branches 22 . 23 connected, in each of which a valve 25 respectively. 26 is arranged, the valves 25 . 26 different line branches 22 . 23 each have a different cross-section. A first valve 25 , hereinafter referred to as "H2-operating valve" is designed in terms of its cross section to a hydrogen supply, which is for a normal operation of the fuel cell 2 is needed. A two tes valve 26 , hereinafter referred to as "H2 start / bypass valve" is designed in terms of its cross section to a hydrogen supply, which is required for the leak test.

Zum Erkennen eines Gaslecks in der Membran-Elektroden-Einheit 5 zwischen dem Kathoden- und Anodengasraum 3 bzw. 4 wird in einem ersten Zeitabschnitt durch Öffnen der Restgasventile 18 und 28 und der Stickstoff-Spülventile 17 und 27 die Brennstoffzelle 2 zunächst mit (unverdünntem) Stickstoff gespült.To detect a gas leak in the membrane-electrode assembly 5 between the cathode and anode gas space 3 respectively. 4 is in a first period by opening the residual gas valves 18 and 28 and the nitrogen purge valves 17 and 27 the fuel cell 2 first rinsed with (undiluted) nitrogen.

Danach wird das wasserstoffseitige Stickstoff-Spülventil 27 geschlossen und das H2-Start-/Bypassventil 26 geöffnet, so dass der Anodengasraum 3 mit Wasserstoff gespült wird. Auf der Kathodenseite wird dabei durch Öffnen des O2-Start-/Bypassventils 16 dem Stickstoff Sauerstoff zudosiert. Der Kathodengasraum 4 wird somit mit einem Testgas beaufschlagt, das durch ein Mischen von reinem Sauerstoff mit Stickstoff erzeugt wird. Der Anteil des Sauerstoffs in dem Stickstoff kann hierbei durch eine geeignete Ansteuerung der Ventile 16 und 17, z. B. durch Variation des Puls-/Pausenverhältnisses bei der Ansteuerung, variabel zwischen 0 und ca. 50% eingestellt werden.Thereafter, the hydrogen-side nitrogen purge valve 27 closed and the H2 start / bypass valve 26 opened, leaving the anode gas room 3 is purged with hydrogen. On the cathode side, this is done by opening the O2 start / bypass valve 16 The oxygen is added to the nitrogen. The cathode gas room 4 is thus charged with a test gas, which is generated by mixing pure oxygen with nitrogen. The proportion of oxygen in the nitrogen in this case by a suitable control of the valves 16 and 17 , z. B. by varying the pulse / pause ratio in the control, variably adjusted between 0 and about 50%.

Durch die kathodenseitige Versorgung der Brennstoffzelle 2 mit einem verdünnten Reaktanten baut sich bei einer intakten Zelle eine Leerlaufspannung von ca. 1 V auf, während bei einer defekten Brennstoffzelle 2 die Spannung nur kurz ansteigt, um danach innerhalb kurzer Zeit zusammenzubrechen. Hierdurch kann eine Brennstoffzelle mit einem Gasleck zuverlässig erkannt werden. Während der Messung ist die Brennstoffzelle 2 mittels des Schalters 41 von der Last 42 getrennt und mit dem Voltmeter 40 verbunden.Through the cathode-side supply of the fuel cell 2 With a dilute reactant, an open circuit voltage of approx. 1 V builds up in an intact cell, while with a defective fuel cell 2 the voltage rises only briefly, then collapses within a short time. As a result, a fuel cell can be reliably detected with a gas leak. During the measurement, the fuel cell is 2 by means of the switch 41 from the load 42 disconnected and with the voltmeter 40 connected.

Bevorzugt beträgt die Konzentration des reinen Sauerstoffs in dem Stickstoff etwa 21%, d. h. es handelt sich um synthetische Luft. Alternativ kann auch das wasserstoffseitige Stickstoff-Spülventil 27 weiter geöffnet bleiben und zusätzlich das H2-Start-/Bypassventil 26 geöffnet werden, so dass auch dem Ano dengasraum 3 ein Testgas zugeführt wird, das durch ein Mischen von reinem Wasserstoff mit Stickstoff erzeugt wird. Auch auf der Anodenseite wird dem Stickstoff somit Wasserstoff zudosiert, wobei der Anteil des Wasserstoffs durch eine geeignete Ansteuerung der Ventile 26 und 27, z. B. durch Variation des Puls-/Pausenverhältnisses bei der Ansteuerung, variabel zwischen 0 und ca. 50% eingestellt werden kann. In diesem Fall erfolgt nun sowohl die Kathoden- als auch die Anodenseite der Brennstoffzelle 2 mit verdünnten Reaktanten.Preferably, the concentration of pure oxygen in the nitrogen is about 21%, ie, it is synthetic air. Alternatively, the hydrogen-side nitrogen purge valve 27 remain open and in addition the H2 start / bypass valve 26 be opened so that also the Ano dengasraum 3 a test gas is supplied, which is generated by mixing pure hydrogen with nitrogen. Hydrogen is thus also added to the nitrogen on the anode side, the proportion of hydrogen being controlled by a suitable control of the valves 26 and 27 , z. B. by varying the pulse / pause ratio in the control, can be set variably between 0 and about 50%. In this case, both the cathode and the anode side of the fuel cell now takes place 2 with dilute reactants.

Während der Messung können beide Gasräume 3, 4 eingangsseitig weiterhin mit dem jeweiligen Testgas beaufschlagt werden, wobei sie ausgangsseitig durch Schließen des entsprechenden Restgasventiles 18 bzw. 28 geschlossen sind. Alternativ können während der Messung beide Gasräume 3, 4 eingangsseitig weiterhin mit dem jeweiligen Testgas beaufschlagt werden, wobei einer der beiden Gasräume 3 bzw. 4 ausgangsseitig durch Schließen des entsprechenden Restgasventiles 18 bzw. 28 geschlossen und der andere geöffnet ist. Der Gasraum 3, 4 mit geöffnetem Restgasventil 18 bzw. 28 wird somit während der Messung kontinuierlich mit dem jeweiligen Testgas gespült.During the measurement, both gas chambers 3 . 4 On the input side continue to be acted upon by the respective test gas, on the output side by closing the corresponding residual gas valve 18 respectively. 28 are closed. Alternatively, during the measurement both gas spaces 3 . 4 On the input side continue to be acted upon by the respective test gas, wherein one of the two gas chambers 3 respectively. 4 on the output side by closing the corresponding residual gas valve 18 respectively. 28 closed and the other is open. The gas space 3 . 4 with opened residual gas valve 18 respectively. 28 is thus flushed during the measurement continuously with the respective test gas.

Die Konzentration des reinen Sauerstoffes bzw. reinen Wasserstoffes in dem Inertgas N2 kann mittels der Ventile 16, 17 bzw. 26, 27 variabel eingestellt werden. Hierdurch kann die Empfindlichkeit der Messung variabel eingestellt werden.The concentration of pure oxygen or pure hydrogen in the inert gas N2 can by means of the valves 16 . 17 respectively. 26 . 27 be set variably. As a result, the sensitivity of the measurement can be variably adjusted.

Mit Hilfe der Erfindung kann somit ohne Gefahr eine Zerstörung der Brennstoffzelle ein Gasleck in der Brennstoffzelle sicher erkannt werden. Das Verfahren kann hierbei insbesondere auch im eingebauten Zustand der Brennstoffzelle in einer Anlage vor Ort durchgeführt werden. Zusätzlicher Platzbedarf für Gasspeicher für Testgase entfällt, da die Testgase aus Gasen erzeugt werden, die ohnehin in der Brennstoffzelle vorhanden sind. Das Verfahren eignet sich somit insbesondere für mobile Brennstoffzellenanlagen. Das Verfahren kann hierbei auch auf einen Stapel von gasseitig parallel und elektrisch in Reihe geschalteten Brennstoffzellen angewendet und zur Lo kalisierung einer defekten Brennstoffzelle in einem Brennstoffzellenstapel genutzt werden. Weiterhin ist eine sehr leichte Automatisierung des Verfahrens möglich, wobei eine derartige Automatisierung auch in eine Brennstoffzellenanlagensteuerung integriert werden kann.With Help of the invention can thus destruction without danger the fuel cell reliably detected a gas leak in the fuel cell become. In this case, the method can also be installed in particular Condition of the fuel cell performed in a facility on site become. Additional space required for gas storage For test gases omitted, since the test gases from gases are generated, which are present in the fuel cell anyway. The method is thus particularly suitable for mobile Fuel cell systems. The method can also be applied to a Stack of gas side parallel and electrically connected in series Fuel cells applied and to the localization of a defective Fuel cell can be used in a fuel cell stack. Furthermore, a very easy automation of the method is possible such automation also being integrated into a fuel cell plant controller can be.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • - EP 1340280 B1 [0001, 0005] - EP 1340280 B1 [0001, 0005]
  • - EP 1444746 B1 [0004] EP 1444746 B1 [0004]

Claims (21)

Verfahren zum zerstörungsfreien Erkennen eines Gaslecks in einer mit Sauerstoff und Wasserstoff betriebenen Brennstoffzelle (2) mit einem Anodengasraum (4) und einem Kathodengasraum (3), zwischen denen ein ionendurchlässiger Elektrolyt (5) angeordnet ist, insbesondere in einer Brennstoffzelle (2) einer mobilen Brennstoffzellenanlage (1), wobei der Anodengasraum (4) der Brennstoffzelle (2) mit einem ersten Testgas und der Kathodengasraum (3) der Brennstoffzelle (2) mit einem zweiten Testgas beaufschlagt wird und dabei ohne eine elektrische Last an der Brennstoffzelle (2) die Zellspannung (U) der Brennstoffzelle (2) gemessen und der zeitliche Verlauf der Zellspannung (U) überwacht wird, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Testgas durch ein Mischen von Sauerstoff (O2) mit einem inerten Gas, insbesondere Stickstoff (N2), erzeugt wird.Method for the non-destructive detection of a gas leak in a fuel cell operated with oxygen and hydrogen ( 2 ) with an anode gas space ( 4 ) and a cathode gas space ( 3 ), between which an ion-permeable electrolyte ( 5 ), in particular in a fuel cell ( 2 ) a mobile fuel cell system ( 1 ), wherein the anode gas space ( 4 ) of the fuel cell ( 2 ) with a first test gas and the cathode gas space ( 3 ) of the fuel cell ( 2 ) is applied with a second test gas and thereby without an electrical load on the fuel cell ( 2 ) the cell voltage (U) of the fuel cell ( 2 ) and the time course of the cell voltage (U) is monitored, characterized in that the second test gas is produced by mixing oxygen (O2) with an inert gas, in particular nitrogen (N2). Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als erstes Testgas nur Wasserstoff (H2) verwendet wird.Method according to claim 1, characterized in that that only hydrogen (H2) is used as the first test gas. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Testgas durch ein Mischen von Wasserstoff (H2) mit einem inerten Gas, insbesondere Stickstoff (N2), erzeugt wird.Method according to claim 1, characterized in that that the first test gas by mixing hydrogen (H2) with an inert gas, in particular nitrogen (N2) is generated. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass während der Messung beide Gasräume (3, 4) eingangsseitig weiterhin mit dem jeweiligen Testgas beaufschlagt werden, wobei sie ausgangsseitig geschlossen sind.Method according to one of the preceding claims, characterized in that during the measurement both gas spaces ( 3 . 4 ) on the input side continue to be charged with the respective test gas, where they are closed on the output side. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass während der Messung beide Gasräume (3, 4) eingangsseitig weiterhin mit dem jeweiligen Testgas beaufschlagt werden, wobei einer der beiden Gasräume ausgangsseitig geschlossen und der andere geöffnet ist.Method according to one of claims 1 to 3, characterized in that during the measurement both gas spaces ( 3 . 4 ) on the input side continue to be acted upon by the respective test gas, one of the two gas chambers closed on the output side and the other is open. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasräume (3, 4) vor der Beaufschlagung mit den Testgasen mit einem inerten Gas, insbesondere Stickstoff (N2), gespült werden.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the gas spaces ( 3 . 4 ) are flushed with an inert gas, in particular nitrogen (N2), before being exposed to the test gases. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Konzentration des Sauerstoffes (O2) und/oder des Wasserstoffes (H2) in dem Inertgas variabel einstellbar ist.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the concentration of oxygen (O2) and / or the hydrogen (H2) in the inert gas is variably adjustable. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Konzentration des Sauerstoffes (O2) und/oder des Wasserstoffes (H2) in dem Inertgas (N2) weniger als 50%, insbesondere etwa 21%, beträgt.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the concentration of oxygen (O2) and / or the hydrogen (H2) in the inert gas (N2) less than 50%, in particular about 21%. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzelle im Normalbetrieb mit reinem Sauerstoff (O2) und reinem Wasserstoff (H2) betrieben wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the fuel cell in normal operation with pure oxygen (O2) and pure hydrogen (H2) is operated. Brennstoffzellenanlage (1) zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einer mit Sauerstoff und Wasserstoff betreibbaren Brennstoffzelle (2) mit einem Anodengasraum (4) und einem Kathodengasraum (3), zwischen denen ein ionendurchlässiger Elektrolyt (5) angeordnet ist, mit einer mit dem Anodengasraum (4) verbundenen ersten Zufuhreinrichtung (20) zur Zufuhr eines ersten Gases zu dem Anodengasraum (4), einer mit dem Kathodengasraum (3) verbundenen zweiten Zufuhreinrichtung (10) zur Zufuhr eines zweiten Gases zu dem Kathodengasraum (4) und mit einer Messeinrichtung (40) zur Messung der Zellspannung (U) der Brennstoffzelle (2), dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Zufuhreinrichtung (10) gleichzeitig sowohl mit einer Sauerstoffversorgung (30) zur Versorgung der Brennstoffzelle (2) mit Sauerstoff (O2) als auch mit einer Inertgasversorgung (31) für ein inertes Gas, insbesondere Stickstoff (N2), verbindbar ist und dass sie einen Schalter (41) zur Trennung der Brennstoffzelle (2) von einer elektrischen Last (42) aufweist.Fuel cell system ( 1 ) for carrying out the method according to one of the preceding claims, with a fuel cell operable with oxygen and hydrogen ( 2 ) with an anode gas space ( 4 ) and a cathode gas space ( 3 ), between which an ion-permeable electrolyte ( 5 ), with one with the anode gas space ( 4 ) connected first feeder ( 20 ) for supplying a first gas to the anode gas space ( 4 ), one with the cathode gas space ( 3 ) connected to the second supply device ( 10 ) for supplying a second gas to the cathode gas space ( 4 ) and with a measuring device ( 40 ) for measuring the cell voltage (U) of the fuel cell ( 2 ), characterized in that the second supply means ( 10 ) simultaneously with both an oxygen supply ( 30 ) for supplying the fuel cell ( 2 ) with oxygen (O 2) as well as with an inert gas supply ( 31 ) is connectable to an inert gas, in particular nitrogen (N2), and that it has a switch ( 41 ) for separating the fuel cell ( 2 ) of an electrical load ( 42 ) having. Brennstoffzellenanlage (1) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Zufuhreinrichtung (10) wahlweise nur mit der Sauerstoffversorgung (30), nur mit der Inertgasversorgung (31) oder aber mit beiden gleichzeitig verbindbar ist.Fuel cell system ( 1 ) according to claim 10, characterized in that the second supply means ( 10 ) optionally only with the oxygen supply ( 30 ), only with the inert gas supply ( 31 ) or can be connected to both at the same time. Brennstoffzellenanlage (1) nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die der zweiten Zufuhreinrichtung (10) von der Sauerstoffversorgung (O2) zuführbare Menge an Sauerstoff (O2) veränderbar ist.Fuel cell system ( 1 ) according to one of claims 10 or 11, characterized in that the second supply means ( 10 ) of the oxygen supply (O2) deliverable amount of oxygen (O2) is variable. Brennstoffzellenanlage (1) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass zur Veränderung der Menge der Zufuhr von Sauerstoff (O2) die Sauerstoffversorgung (30) mit der zweiten Zufuhreinrichtung (10) über zumindest zwei parallele Leitungszweige (12, 13) verbunden ist, in denen jeweils zumindest ein Ventil (15 bzw. 16) angeordnet ist, wobei die Ventile (15, 16) unterschiedlicher Leitungszweige (12, 13) einen jeweils unterschiedlichen Querschnitt aufweisen.Fuel cell system ( 1 ) according to claim 12, characterized in that for changing the amount of supply of oxygen (O 2), the oxygen supply ( 30 ) with the second supply device ( 10 ) via at least two parallel line branches ( 12 . 13 ), in each of which at least one valve ( 15 respectively. 16 ), the valves ( 15 . 16 ) of different line branches ( 12 . 13 ) each have a different cross-section. Brennstoffzellenanlage (1) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass ein erstes Ventil (15) hinsichtlich seines Querschnitts auf eine Sauerstoffzufuhr ausgelegt ist, die für einen Normalbetrieb der Brennstoffzelle (2) benötigt wird, und ein zweites Ventil (16) hinsichtlich seines Querschnitts auf eine Sauerstoffzufuhr ausgelegt ist, die für den Lecktest benötigt wird.Fuel cell system ( 1 ) according to claim 13, characterized in that a first valve ( 15 ) is designed with respect to its cross-section to an oxygen supply, which for a normal operation of the fuel cell ( 2 ) and a second valve ( 16 ) is designed with respect to its cross-section to an oxygen supply, which is required for the leak test. Brennstoffzellenanlage (1) nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Zufuhreinrichtung (20) gleichzeitig sowohl mit einer Wasserstoffversorgung (32) zur Versorgung der Brennstoffzelle (2) mit Wasserstoff (H2), als auch mit einer Inertgasversorgung (31) für ein inertes Gas, insbesondere Stickstoff (N2), verbindbar ist.Fuel cell system ( 1 ) according to one of claims 10 to 14, characterized in that the first supply device ( 20 ) simultaneously with both a hydrogen supply ( 32 ) for supplying the fuel cell ( 2 ) with hydrogen (H2), as well as with an inert gas supply ( 31 ) for an inert gas, in particular nitrogen (N2), is connectable. Brennstoffzellenanlage (1) nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Zufuhreinrichtung (20) wahlweise nur mit der Wasserstoffversorgung (32), nur mit der Inertgasversorgung (31) oder aber mit beiden gleichzeitig verbindbar ist.Fuel cell system ( 1 ) according to claim 15, characterized in that the first supply means ( 20 ) optionally only with the hydrogen supply ( 32 ), only with the inert gas supply ( 31 ) or can be connected to both at the same time. Brennstoffzellenanlage (1) nach einem der Ansprüche 10 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die der ersten Zufuhreinrichtung (10) von der Wasserstoffversorgung (H2) zuführbare Menge an Wasserstoff (H2) veränderbar ist.Fuel cell system ( 1 ) according to any one of claims 10 to 16, characterized in that the first supply means ( 10 ) of the hydrogen supply (H2) deliverable amount of hydrogen (H2) is variable. Brennstoffzellenanlage (1) nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass zur Veränderung der Menge der Zufuhr von reinem Wasserstoff (H2) die Wasserstoffversorgung (32) mit der ersten Zufuhreinrichtung (20) über zumindest zwei parallele Leitungszweige (22, 23) verbunden ist, in denen jeweils zumindest ein Ventil (25 bzw. 26) angeordnet ist, wobei die Ventile (25, 26) unterschiedlicher Leitungszweige (22, 23) einen jeweils unterschiedlichen Querschnitt aufweisen.Fuel cell system ( 1 ) according to claim 17, characterized in that for changing the amount of supply of pure hydrogen (H2) the hydrogen supply ( 32 ) with the first supply device ( 20 ) via at least two parallel line branches ( 22 . 23 ), in each of which at least one valve ( 25 respectively. 26 ), the valves ( 25 . 26 ) of different line branches ( 22 . 23 ) each have a different cross-section. Brennstoffzellenanlage (1) nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass ein erstes Ventil (25) hinsichtlich seines Querschnitts auf eine Wasserstoffzufuhr ausgelegt ist, die für einen Normalbetrieb der Brennstoffzelle (2) benötigt wird und ein zweites Ventil (26) hinsichtlich seines Querschnitts auf eine Wasserstoffzufuhr ausgelegt ist, die für den Lecktest benötigt wird.Fuel cell system ( 1 ) according to claim 18, characterized in that a first valve ( 25 ) is designed with respect to its cross-section to a hydrogen supply, which for a normal operation of the fuel cell ( 2 ) and a second valve ( 26 ) is designed with respect to its cross-section to a hydrogen supply, which is required for the leak test. Brennstoffzellenanlage (1) nach einem der Ansprüche 10 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzelle im Normalbetrieb mit reinem Sauerstoff (O2) und reinem Wasserstoff (H2) betreibbar ist.Fuel cell system ( 1 ) according to one of claims 10 to 19, characterized in that the fuel cell in normal operation with pure oxygen (O2) and pure hydrogen (H2) is operable. Brennstoffzellenanlage (1) nach einem der Ansprüche 10 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzellenanlage (1) eine mobile Brennstoffzellenanlage ist.Fuel cell system ( 1 ) according to one of claims 10 to 20, characterized in that the fuel cell system ( 1 ) is a mobile fuel cell system.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2019105673A1 (en) * 2017-12-03 2019-06-06 Audi Ag Fuel cell system having integrated gas connections for connection to an external test gas supply
EP3284131B1 (en) 2015-04-14 2020-07-15 Proton Motor Fuel Cell GmbH Process and device for operating a fule cell system with synthetic air

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1340280B1 (en) 2000-12-06 2005-01-19 Siemens Aktiengesellschaft Method for recognition of a leak in a fuel cell
EP1444746B1 (en) 2001-08-01 2005-06-22 Siemens Aktiengesellschaft Method for localising a gas leak in a fuel cell system

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1340280B1 (en) 2000-12-06 2005-01-19 Siemens Aktiengesellschaft Method for recognition of a leak in a fuel cell
EP1444746B1 (en) 2001-08-01 2005-06-22 Siemens Aktiengesellschaft Method for localising a gas leak in a fuel cell system

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP3284131B1 (en) 2015-04-14 2020-07-15 Proton Motor Fuel Cell GmbH Process and device for operating a fule cell system with synthetic air
WO2019105673A1 (en) * 2017-12-03 2019-06-06 Audi Ag Fuel cell system having integrated gas connections for connection to an external test gas supply
CN111418102A (en) * 2017-12-03 2020-07-14 奥迪股份公司 Fuel cell system with integrated gas connection for connection to an external test gas supply
CN111418102B (en) * 2017-12-03 2021-04-13 奥迪股份公司 Fuel cell system with integrated gas interface
US11031612B2 (en) 2017-12-03 2021-06-08 Volkswagen Ag Fuel cell system having integrated gas connections for connection to an external test gas supply

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