DE102006059030A1 - Leakage test in a fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Detektierung von Leckagen im Anodenkreis eines Brennstoffzellensystems, wobei der Anodenkreis bei Vorliegen eines festgelegten Mindestdrucks durch Schließen aller Zu- und Ableitungen geschlossen wird und über einen Drucksensor zu zumindest zwei Zeitpunkten der Druck im Anodenkreis bestimmt und die Druckdifferenz zu diesen beiden Messzeitpunkten mit einem Referenzwert ohne Vorliegen einer Leckage verglichen wird.The invention relates to a method for detecting leaks in the anode circuit of a fuel cell system, wherein the anode circuit is closed in the presence of a predetermined minimum pressure by closing all inlets and outlets and determined by a pressure sensor at least two times the pressure in the anode circuit and the pressure difference to these two Measuring points is compared with a reference value without the presence of leakage.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Leckageprüfung des Anodenkreises in einem Brennstoffzellensystem mit einem Brennstoffzellenstapel, in dem der Brennstoff im Betrieb des Brennstoffzellensystems im Kreislauf geführt und über ein Ventil Brennstoff aus einem Vorrat dem Kreislauf zugeführt wird.The The invention relates to a method for leakage testing of the anode circuit in one Fuel cell system with a fuel cell stack, in the the fuel in the operation of the fuel cell system in the circulation guided and over a valve fuel from a supply is supplied to the circuit.
Brennstoffzellensysteme sind beispielsweise in Kraftfahrzeugen eine abgasfreie Alternative zu Verbrennungsmotoren mit Nutzung fossiler Brennstoffe.Fuel cell systems For example, in automobiles are an emission-free alternative to combustion engines using fossil fuels.
Ein Austreten von Brennstoff aus dem Anodenkreis eines Brennstoffzellensystems ist neben dem Verlust an Rohstoffen, vor allem auch ein sicherheitstechnisches Problem, da dieser Brennstoff oxidierbar ist und austretender Brennstoff damit zu unerwünschten, exothermen bis explosionsartigen Reaktionen führen kann.One Leakage of fuel from the anode circuit of a fuel cell system is in addition to the loss of raw materials, especially a safety-related Problem, since this fuel is oxidizable and leaking fuel to undesirable, exothermic to explosive reactions may result.
Es ist daher sinnvoll, Vorrichtungen bzw. Verfahren für eine Prüfung der Dichtheit des Anodenkreises beim Betrieb eines Brennstoffzellensystems vorzusehen.It is therefore useful to devices or procedures for testing the Tightness of the anode circuit in the operation of a fuel cell system provided.
Die
Die
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein einfaches und auch im laufenden Betrieb des Brennstoffzellensystems einsetzbares Verfahren zur Erkennung einer Leckage im Anodenkreis auszubilden.Of the present invention is based on the object, a simple and also usable during operation of the fuel cell system Forming a method for detecting a leakage in the anode circuit.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird bei einem herkömmlichen Brennstoffzellensystem ein Verfahren vorgeschlagen, bei dem die Zu- und Ableitungen des Brennstoffkreislaufes in dessen befülltem Zustand bei Vorliegen eines Mindestdruckes geschlossen werden und der Druck in dem Kreislauf zu zumindest zwei unterschiedlichen Zeitpunkten bestimmt wird, wobei die Druckdifferenz bei den zumindest zwei Messzeitpunkten bestimmt und mit zumindest einem Referenzwert ohne Vorhandensein einer Leckage verglichen wird.to solution This object is achieved in a conventional fuel cell system proposed a method in which the supply and discharge of the Fuel cycle in its filled state when present a minimum pressure and the pressure in the circuit is determined at least two different times, where determines the pressure difference at the at least two measuring times and at least one reference value without the presence of a leak is compared.
Der Druckverlust in dem Brennstoffkreislauf ohne Vorhandensein einer Leckage, beispielsweise durch Brennstoffdurchtritt durch die Membran in den Kathodenkreislauf, kann beispielsweise in einem Eichvorgang für jedes Brennstoffzellensystem bestimmt und beispielsweise in einer Prozessoreinheit hinterlegt werden. Die tatsächlich ermittelten Messwerte werden mit den Referenzwerten verglichen, wobei eine entsprechende Abweichung auf das Vorhandensein einer Leckage schließen lässt.Of the Pressure loss in the fuel cycle without presence of a Leakage, for example, by fuel passage through the membrane in the cathode circuit, for example, in a calibration process for each Fuel cell system determined and deposited, for example, in a processor unit become. Actually measured values are compared with the reference values, wherein a corresponding deviation to the presence of a leak shut down leaves.
In einer ersten Ausführungsform der Erfindung wird der Mindestdruck beim Befüllen des Brennstoffzellenkreislaufes vor dem Starten der Brennstoffzellenreaktion eingestellt. Die Leckageprüfung wird damit in den Startprozess des Brennstoffzellensystems integriert, wobei die Möglichkeit besteht, bei Detektierung einer Leckage den Startvorgang der Brennstoffzellenreaktion zu stoppen.In a first embodiment The invention is the minimum pressure when filling the fuel cell cycle set before starting the fuel cell reaction. The leak test is thus integrated into the starting process of the fuel cell system, being the possibility If there is leakage detection, the starting process of the fuel cell reaction exists to stop.
Hierzu wird mit Vorteil ein Schwellenwert für die Differenz zwischen der gemessenen Druckdifferenz in dem Brennstoffkreislauf und dem zumindest einen Referenzwert definiert, wobei bei Überschreitung dieses Schwellenwertes die Brennstoffzellenreaktion nicht gestartet wird.For this will be advantageous a threshold for the difference between the measured pressure difference in the fuel circuit and the at least one Defined reference value, and when exceeding this threshold the fuel cell reaction is not started.
Die entsprechenden Daten werden dabei in einer zentralen Prozessoreinheit gespeichert und verarbeitet.The corresponding data are thereby in a central processing unit saved and processed.
In einer alternativen Ausbildungsform der Erfindung wird der Mindestdruck im Betrieb des Brennstoffzellensystems bei ablaufender Brennstoffzellenreaktion eingestellt, wobei bei der Festlegung des Referenzwertes auch der Druckverlust durch die Brennstoffzellenreaktion während des Messintervalls berücksichtigt wird. Im laufenden Betrieb des Brennstoffzellensystems führt der Verbrauch des Brennstoffes in der Brennstoffzellenreaktion, bei der das gasförmige Edukt in ein flüssiges Produkt gewandelt wird, automatisch zu einem Druckverlust in dem Anodenkreis, der bei dem Referenzwert zur Detektierung einer Leckage berücksichtigt sein muss.In an alternative embodiment of the invention is the minimum pressure during operation of the fuel cell system in the course of the fuel cell reaction set when the reference value and the Pressure loss through the fuel cell reaction during the Measuring interval considered becomes. During ongoing operation of the fuel cell system leads the Consumption of fuel in the fuel cell reaction, at the gaseous one Educt in a liquid Product is automatically converted to a pressure drop in the product Anodenkreis, which at the reference value for detecting a leakage considered have to be.
In einer weiteren Alternative wird während des Betriebs des Brennstoffzellensystems der Druck im Kathodenraum zuerst erhöht, wobei der Druck im Anodenraum über ein einseitig wirkendes Regelsystem automatisch auf den gewünschten Differenzdruck zu dem Kathodenraum nachgeführt wird, dann der Druck im Kathodenraum wieder reduziert und die erneute Anpassung des Drucks im Anodenraum über die Bestimmung des Druckwertes über zumindest einen Zeitabschnitt detektiert wird.In Another alternative is during operation of the fuel cell system the pressure in the cathode compartment first increased, the pressure in the anode compartment via a one-sided control system automatically to the desired Differential pressure is tracked to the cathode space, then the pressure in Reduced cathode space and re-adjusting the pressure in the anode room over the Determination of the pressure value over at least one period of time is detected.
Während die Druckerhöhung im Kathodenraum durch das einseitige Regelungssystem automatisch im Anodenraum nachgeführt wird, erfolgt bei der Rückführung des Drucks im Kathodenraum die Anpassung des nun zu hohen Anodendrucks über den Verbrauch an Brennstoff durch die Brennstoffzellenreaktion beziehungsweise durch Diffusion an den Membran. Da der Brennstoffkreis geschlossen ist, wird während des Durchführens des Verfahrens zur Detektierung einer Leckage kein weiterer Brennstoff zugeführt. Bei Vorliegen einer Leckage im Anodenkreis erfolgt der Druckabbau schneller als erwartet.While the pressure increase in the cathode compartment by the one-sided control system auto is tracked in the anode compartment, carried out in the return of the pressure in the cathode compartment, the adjustment of the now too high anode pressure on the consumption of fuel by the fuel cell reaction or by diffusion to the membrane. Since the fuel circuit is closed, no further fuel is supplied while performing the method for detecting a leak. If there is a leak in the anode circuit, the pressure reduction is faster than expected.
Mit Vorteil ist dabei das einseitige Regelungssystem ein pneumatisches Druckregelventil, mit dem der Druck im Anodenraum direkt und ohne einen elektronischen Signalgeber eingestellt werden kann.With Advantage is the one-sided control system a pneumatic Pressure control valve with which the pressure in the anode compartment directly and without an electronic signal generator can be set.
Weitere Merkmale, Vorteile und Wirkungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung sowie den beigefügten Figuren.Further Features, advantages and effects of the invention will become apparent the following description, preferred embodiments of the invention and the attached Characters.
Dabei zeigt:there shows:
Das
in
Der
nicht verbrauchte Sauerstoff sowie die inerten Anteile der Luft
werden über
eine Leitung
Der
Wasserstoff im Anodenkreis wird vor allem aus Sicherheits-, aber
auch aus Kostengründen im
Kreislauf geführt,
so dass die den Wasserstoff aus dem Anodenraum
Hierzu
wird in einer ersten Alternative erfindungsgemäß ein in
Im nächsten Schritt S3 wird in der nicht dargestellten Prozessoreinheit ein Differenzdruck Δp bestimmt, der der Differenz von zwei zu unterschiedlichen, definierten Zeitpunkten t1 und t2 durch den Drucksensor bestimmten Druckwerten in dem Wasserstoffkreis entspricht. In der Prozessoreinheit ist als Referenzwert hinterlegt, welchen Wert der Druckverlust in dem Wasserstoffkreis ohne Vorliegen einer Leckage annimmt. Auch ohne Vorliegen einer Leckage tritt Wasserstoff, insbesondere über die Membrane der einzelnen Brennstoffzellen aus dem Wasserstoffkreis aus.in the next Step S3 is entered in the processor unit, not shown Differential pressure Δp determined, that of the difference from two to different, defined Times t1 and t2 by the pressure sensor certain pressure values in the hydrogen circle corresponds. In the processor unit is as a reference value, the value of the pressure loss in the Hydrogen circuit assumes no leakage. Without too Hydrogen exists, in particular over the Membrane of the individual fuel cells from the hydrogen cycle out.
In der Prozessoreinheit wird in einem weiteren Schritt S4 der in dem Testverfahren bestimmte Differenzdruck mit dem hinterlegten Referenzwert verglichen und wenn der Druckverlust kleiner oder gleich dem Referenzwert ist, kann das Brennstoffzellensystem im nächsten Schritt S5a gestartet werden. Ist dagegen der Druckverlust größer als der hinterlegte Referenzwert kann der Test entweder, beginnend bei Schritt S1, wiederholt werden oder das Brennstoffzellensystem wird gemäß Schritt S5b wegen des Verdachts auf Vorliegen einer Leckage nicht gestartet.In the processor unit is in a further step S4 in the Test method specific differential pressure compared with the stored reference value and if the pressure loss is less than or equal to the reference value, For example, the fuel cell system may be started in the next step S5a become. If, on the other hand, the pressure loss is greater than the stored reference value either the test can be repeated beginning at step S1 or the fuel cell system becomes suspect in step S5b on the presence of a leak has not started.
Das im Grundsatz gleiche Verfahren wird in einer alternativen Ausführungsform während des Betriebs des Brennstoffzellensystems angewendet. Durch den Betrieb ist der Wasserstoffkreis bereits befüllt (S1). Der Unterschied bei dieser alternativen Ausführungsform ist der Druckverlust in dem geschlossenen Wasserstoffkreis durch die weiter stattfindende Brennstoffzellenreaktion. Dieser durch die Brennstoffzellenreaktion verursachte Wasserstoffverbrauch, der zu einem zusätzlichen Druckverlust in dem Kreis führt, muss bei der Bestimmung des Referenzwertes bei der Druckmessung berücksichtigt werden. Des Weiteren ist es wichtig, darauf zu achten, dass es zu keiner Unterversorgung der Brennstoffzelle mit Wasserstoff aufgrund der geschlossenen Zuführung von frischem Wasserstoff in das System kommt, da eine solche schädlich für die Brennstoffzellen wäre.The basically same method is used in an alternative embodiment during operation of the fuel cell system. Due to the operation, the hydrogen circuit is already filled (S1). The difference with this alternative embodiment is the pressure loss in the closed hydrogen loop due to the ongoing fuel cell reaction. This one by the Fuel consumption caused by fuel cell reaction, which leads to additional pressure loss in the circuit, must be taken into account when determining the reference value in the pressure measurement. Furthermore, it is important to make sure that there is no undersupply of the fuel cell with hydrogen due to the closed supply of fresh hydrogen into the system, as this would be harmful for the fuel cell.
In
einer weiteren, alternativen Ausführungsform wird das Verfahren
zur Prüfung
auf Leckagen im Wasserstoffkreis gleichfalls im Betrieb des Brennstoffzellensystems
durchgeführt.
Nach Schließen des
Wasserstoffkreises wird der Druck im Kathodenkreis durch Erhöhen der
Gebläseleistung
Mit der vorliegenden Erfindung ist es somit möglich, ein Verfahren zur Detektierung von Leckagen im Wasserstoffkreis eines Brennstoffzellensystems sowohl beim Starten des Brennstoffzellensystems als auch im Betrieb des Brennstoffzellensystems anzuwenden.With Thus, according to the present invention, it is possible to provide a method of detection leaks in the hydrogen cycle of a fuel cell system both when starting the fuel cell system and in the operation of the Fuel cell system apply.
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