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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Diagnose
eines Abscheidermoduls in einem Brennstoffzellensystem.
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Ein
Brennstoffzellensystem umfasst eine Brennstoffzelle oder mehrere
Brennstoffzellen, welche in Reihe und/oder parallel zu einem Brennstoffzellenstapel
geschaltet sind. Für die Fahrzeugindustrie sind derzeit
insbesondere Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen (engl. Proton
Exchange Membrane Fuel Cell, PEM-FC) bekannt, wobei Wasserstoff
als Brennstoff (auch als Anodengas bezeichnet) eingesetzt wird.
Es ist jedoch auch eine Verwendung von Methan, Methanol oder Glukoselösung
als Brennstoff bekannt. An einer Anodenseite der Brennstoffzelle
bzw. des Brennstoffzellenstapels wird an einem Einlass der Brennstoff,
insbesondere Wasserstoff, in den Brennstoffzellenstapel eingespeist.
An einem Auslass treten die Anodenabgase aus der Brennstoffzelle
bzw. dem Brennstoffzellenstapel aus, welche bei Verwendung von Wasserstoff
unter anderem aus nicht verbrauchtem Wasserstoff sowie Wasser bestehen.
Der nicht verbrauchte Brennstoff kann über einen Rezirkulations-Kreislauf
an dem Einlass wieder zur Verfügung gestellt werden.
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Bei
Betrieb eines Brennstoffzellensystems, insbesondere einem PEM-Brennstoffzellensystem wird
an der Kathode ein so genanntes Produktwasser freigesetzt. Daneben
wird jedoch auch an der Anode, insbesondere in dem Anodenabgas,
Wasser freigesetzt. Ist das System mit einem Rezirkulations-Kreislauf
oder einem auf andere Weise geschlossenen Anodenkreislauf aufgebaut,
so muss das angefallene Wasser von Zeit zu Zeit aus dem Anodenkreislauf entfernt
werden. Zu diesem Zweck ist es bekannt, in dem Anodenkreislauf ein
Abscheidermodul anzuordnen. Das Abscheidermodul umfasst einen Sensor zum
Erfassen eines Füllstands, einen sogenannten Levelsensor.
Das Abscheidermodul wird dabei derart betrieben, dass bei Überschreiten
eines oberen Schaltpunkts, d. h. bei Überschreiten eines
maximalen Füllstands, ein Entleeren des Abscheidermoduls ausgelöst
wird. Eine Entleerung wird beendet, sobald ein unterer Schaltpunkt
unterschritten wird, d. h. ein minimaler Füllstand detektiert
wurde. Zum Erfassen der zwei Füllstände umfasst
der Levelsensor mindestens zwei Fühler oder dergleichen.
So ist es beispielsweise bekannt, einen Schwimmschalter als Levelsensor
mit zwei oder mehr Schaltpunkten einzusetzen. Ein derartiger Schwimmschalter
ist jedoch vielfach unzuverlässig und/oder nur mit hohem
Aufwand mit einer ausreichenden Sicherheit betreibbar.
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Aus
der
DE 102 33 039
A1 ist es bekannt, nur einen unteren Schaltpunkt durch
einen Sensor zur Erfassen, wobei ein Ventil zum Entleeren des Abscheiders
nach Ablauf eines maximalen Zeitintervalls nach einem Schließen
wieder geöffnet wird. Das maximale Zeitintervall wird dabei
aufgrund statischer Größen, wie einem Volumen
eines Abscheiderbehälters, einer Zuflussrate und einer
Abflussrate ermittelt.
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Fehler
bei einer Ermittlung des oberen und/oder des unteren Schaltpunkts
können irreparable Schäden an dem Brennstoffzellensystem
verursachen. Wird beispielsweise der untere Schaltpunkt zu spät
detektiert, so kann dies dazu führen, dass ein Brennstoff-Gas,
beispielsweise Wasserstoff, in eine Umgebung gelangt. Erfolgt ein
Entleeren des Abscheidermoduls dagegen zu spät, so kann
dies dazu führen, dass die in dem Abscheidermodul angefallene
Flüssigkeit wieder in den Anodenkreislauf gelangt, wodurch
es zu einer Überhitzung des Systems kommen kann.
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Es
ist daher bekannt, bei Verwendung von einem oder mehreren Sensoren,
durch welche zwei oder mehr Schaltpunkte erfasst werden, eine Plausibilitätsprüfung
derart vorzunehmen, dass ein Fehler gemeldet wird, wenn mehrere
Schaltpunkte gleichzeitig aktiv sind.
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Es
ist weiter bekannt, durch Einsatz eines Zellspannungsüberwachungssystem
oder dergleichen eine Diagnose des Systems vorzunehmen. Eine hierfür
notwendige Diagnosehardware ist jedoch äußerst
komplex und damit kostenintensiv.
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Es
ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu
schaffen, durch welche Fehler bei einer Erfassung eines Füllstands
in einem Abscheidermodul und zugehörige Fehler-Ursachen
zuverlässig erkennbar sind.
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Diese
Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren und eine Vorrichtung
zur Diagnose eines Abscheidermoduls in einem Brennstoffzellensystem, wobei
eine Anodengas-Konzentration in einem Anodenkreislauf und/oder einer
Kathodenabgasleitung erfasst wird und eine Fehler-Diagnose basierend
auf der erfassten Anodengas-Konzentration durchgeführt
wird. Als Anodengas wird beispielsweise Wasserstoff eingesetzt.
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Durch
Erfassung der Anodengas-Konzentration in dem Anodenkreislauf und/oder
einer Kathodenabgasleitung ist eine zuverlässige Fehler-Diagnose
eines zwischen dem Anodenkreislauf und der Kathodenabgasleitung
angeordneten Abscheidermoduls möglich.
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Eine
erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst hierfür
mindestens eine Steuer- und/oder Recheneinheit und mindestens einen
Sensor, durch den eine Anodengas-Konzentration in einem Anodenkreislauf und/oder
einer Kathodenabgasleitung ermittelbar ist, wobei eine erfasste
Anodengas-Konzentration der Steuer- und/oder Recheneinheit zuführbar
ist und die Steuer- und/oder Recheneinheit Mittel aufweist, durch
die eine Fehler-Diagnose basierend auf der ermittelten Anodengas-Konzentration
durchführbar ist.
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In
einer Ausgestaltung der Erfindung wird der Füllstand in
Abhängigkeit mindestens einer aktuellen physikalischen
Zustandsgröße des Brennstoffzellensystems vorausgesagt
und der vorausgesagte Wert des Füllstands mit einem durch
einen Sensor erfassten Wert des Füllstands für
einen Plausibilitätscheck verglichen. Die Steuer- und/oder
Recheneinheit umfasst in einer Ausgestaltung hierfür Mittel,
durch die mindestens eine aktuelle physikalische Zustandsgröße
des Brennstoffzellensystems erfassbar ist, ein Füllstand
in Abhängigkeit der mindestens einen physikalischen Zustandsgröße
voraussagbar ist und der vorausgesagte Wert des Füllstands
mit dem durch einen Sensor erfassten Wert des Füllstands
für einen Plausibilitätscheck vergleichbar ist.
Die Zustandsgrößen sind in einer Ausgestaltung
durch bereits im System vorhandene Sensoren erfassbar und können über Steuereingänge
der Steuer- und/oder Recheneinheit zur Verfügung gestellt
werden.
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In
einem Ausführungsbeispiel wird ein Anwachsen des Füllstands
und damit ein Erreichen eines oberen Schaltpunkts in Abhängigkeit
mindestens einer Zustandsgröße des Systems, aus
einer Gruppe umfassend: eine Temperatur eines Kühlmittels
an einem Kühlmittel-Einlass, eine Temperatur des Kühlmittels
an einem Kühlmittel-Auslass, eine Temperatur des Brennstoffs
an einem Anoden-Einlass, eine Temperatur des Brennstoffs in einem
Brennstoffspeicher, einen an einem Brennstoffzellenstapel gezogenen Strom
und eine Umgebungstemperatur des Systems, ermittelt. Dabei sind
beispielsweise die folgenden Abhängigkeiten des Füllstands
eines Abscheiders in einem Anodenkreislauf berücksichtigbar:
die Abhängigkeit von einer Temperaturdifferenz zwischen
einer Temperatur eines Kühlmittels an einem Auslass eines
Brennstoffzellenstapels und einer Temperatur des Brennstoffs in
einem Brennstoff-Speicher; die Abhängigkeit von einem am
Brennstoffzellenstapel gezogenen Strom; die Abhängigkeit
von einer Systemtemperaturänderung an einem Kühlmittel-Einlass bei
einem Systemstart; die Abhängigkeit von Temperaturdifferenzen
zwischen einer Umgebungstemperatur und Systemtemperaturen; die Abhängigkeit
von einer Temperaturdifferenz zwischen einer Temperatur am Kühlmittel-Auslass
und an einem Anoden-Einlass. Je nach Systemaufbau kann eine Abhängigkeit des
Füllstands von weiteren Größen und/oder
von weiteren Zusammenhängen von Interesse sein.
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Alternativ
und/oder zusätzlich wird ein Absinken des Füllstands
und damit ein Erreichen eines unteren Schaltpunkts basierend auf
einer Ermittlung und/oder einer Voraussage einer abgeflossenen Flüssigkeitsmenge
bestimmt. Dabei ist es möglich, anstelle eines physikalischen
Sensors zur Erfassung des unteren Schaltpunkts diesen ausschließlich
aus anderen Größen zu ermitteln oder zu beobachten.
In einem Ausführungsbeispiel wird der untere Schaltpunkt
beispielsweise in Abhängigkeit von einem Durchflusskoeffizienten
(Kv-Wert) und/oder in Abhängigkeit von einem Druckverhältnis über
einem Abscheiderabfluss, ermittelt. In anderen Ausgestaltungen der
Erfindung wird mindestens ein Füllstand vorausgesagt, welcher
zwischen einem oberen und einem unteren Schaltpunkt liegt, wobei
der Sensor so angeordnet ist, dass dieser Füllstand erfassbar
ist.
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In
einer Weiterbildung der Erfindung wird bei einer Abweichung des
erfassten Werts von dem vorausgesagten Wert, welche einen definierten
Toleranzbereich übersteigt, eine Fehler-Diagnose veranlasst.
Der Toleranzbereich kann dabei geeignet definiert werden. Zudem
kann der Toleranzbereich variabel gestaltet sein, wobei beispielsweise
in Abhängigkeit bestimmter Zustandsgrößen
eine höhere Genauigkeit gefordert werden kann. Die Vorrichtung
ist beispielsweise mit Signal- und/oder Anzeigemitteln gekoppelt
und/oder ausgebildet, durch welche ein Fehler oder eine Unregelmäßigkeit
anzeigbar sind. Dabei können verschiedene Warnsignale verwendet
werden, so dass beispielsweise bei geringen Abweichungen lediglich
ein optisches Signal ausgegeben wird, wohin gegen bei größeren
Abweichungen zusätzlich ein akustisches Dauersignal ausgegeben wird,
so dass einem Nutzer die Notwendigkeit eines sofortigen Eingreifens
signalisiert wird. An einer Anzeigeeinheit ist dabei auch eine Fehler-Ursache
anzeigbar. In anderen Ausgestaltungen sind Signalleuchten zum optischen
Markieren von Fehlerstellen vorgesehen.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird für die
Fehler-Diagnose zwischen einem Unterschreiten und einem Überschreiten
des erfassten Werts durch den vorausgesagten Wert unterschieden.
In einem Abscheidermodul auftretenden Fehler können grundsätzlich
in zwei Gruppen unterschieden werden: der erfasste Füllstand
liegt höher als ein vorausgesagter Füllstand oder
der erfasste Füllstand liegt niedriger als der vorausgesagten
Füllstand. Diese Gruppierung erlaubt es jedoch für
sich noch nicht, die Ursache des Fehlers eindeutig zu bestimmen.
Erfindungsgemäß wird daher zusätzlich
die Anodengas-Konzentration zur Auswertung herangezogen.
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Weitere
Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung
eines Ausführungsbeispiels der Erfindung, das in den Zeichnungen
schematisch dargestellt ist. Für gleiche oder ähnliche
Bauteile werden in den Zeichnungen einheitliche Bezugszeichen verwendet.
Sämtliche aus den Ansprüchen, der Beschreibung
oder den Zeichnungen hervorgehende Merkmale und/oder Vorteile, einschließlich
konstruktiver Einzelheiten, räumlicher Anordnungen und
Verfahrensschritte, können sowohl für sich als
auch in den verschiedensten Kombinationen erfindungswesentlich sein.
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Dabei
zeigen:
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1 ein
Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems,
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2 eine
schematische Darstellung eines Abscheidermoduls und
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3 ein
Blockschaltbild eines Teils einer erfindungsgemäßen
Steuereinheit.
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1 zeigt
schematisch ein Blockschaltbild eines Brennstoffzellensystems 1.
Das Brennstoffzellensystem 1 umfasst einen Brennstoffzellenstapel 10, welcher
aus mehreren Brennstoffzellen, die elektrisch in Reihe und/oder
parallel geschaltet sind, aufgebaut ist. Anodenseiten einzelner
Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels 10 ergeben
die Anodenseite 103 des Brennstoffzellenstapels 10.
Ebenso ergeben die Kathodenseiten der Brennstoffzellen die Kathodenseite 102 des
Brennstoffzellenstapels 10. An der Kathodenseite 102 bzw.
der Anodenseite 103 sind vereinfacht dargestellte Kathoden-
bzw. Anoden-Kreisläufe 2, 3 angeordnet.
Zudem ist ein Kühlkreislauf 4 mit einem Einlass 41 und
einem Auslass 42 vorgesehen. Der vereinfacht dargestellte
Anodenkreislauf 3 umfasst einen Brennstoffspeicher 30,
wobei der Brennstoff, beispielsweise Wasserstoff, über einen
Einlass 31 dem Brennstoffzellenstapel 10 zugeführt
wird. Ein Anodenabgas wird über einen Auslass 32 aus
dem Brennstoffzellenstapel 10 abgeführt. In dem
dargestellten Ausführungsbeispiel ist eine Rezirkulations-Baueinheit 33 vorgesehen,
durch welche zumindest ein Teil des Anodenabgases wieder dem Einlass 31 zugeführt
werden kann. In anderen Ausgestaltungen kann ein Anodenkreislauf 3 an
einer anderen Stelle, beispielsweise durch zumindest teilweise Rückführung
des Anondenabgases in den Brennstoffspeicher 30 geschlossen
werden. In dem Anodenkreislauf 3 ist ein Abscheidermodul 34 vorgesehen,
durch welches Wasser oder ein anderes Kondensat, das in dem Anodenkreislauf 3 anfällt,
von Zeit zu Zeit ausgeschieden wird.
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2 zeigt
schematisch ein entsprechendes Abscheidermodul 34. Das
Abscheidermodul 34 ist dabei zwischen dem Anodenkreislauf 3 und
einer Kathodenabgasleitung 2a angeordnet, wobei eine Entleerung
des Abscheidermoduls 34 in die Kathodenabgasleitung 2a erfolgt.
Das Abscheidermodul 34 umfasst einen Abscheiderbehälter 340,
einen Filter 342 und ein Ventil 343. Eine Ansteuerung
oder Regulierung des Abscheidermoduls 34, insbesondere
des Ventils 343, erfolgt mittels einer Steuereinheit 6.
Die Steuereinheit 6 umfasst einen Eingang 60 für
ein Messsignal eines Füllstandsensors 5, sowie
mehrere Eingänge 61, durch welche weitere Zustands-
oder Systemgrößen der Steuereinheit 6 zuführbar
sind. Die Steuereinheit 6 umfasst weiter einen Ausgang 62 zum
Ansteuern des Abscheiderventils 343. In dem dargestellten
Ausführungsbeispiel wird ein abgeschiedenes Wasser in dem
Abscheiderbehälter 340 gesammelt. Das Abscheidermodul 34 wird
dabei derart angesteuert, dass ein Füllstand zwischen einem unteren
Wert F_min und einem oberen Wert F_max eingeregelt wird. Erreicht
der Füllstand den unteren Schaltpunkt F_min, so wird eine
Entleerung des Abscheiderbehälters 340 durch Schließen
des Abscheiderventils 343 beendet. Das Abscheiderventil 343 wird
geöffnet, wenn der Füllstand den oberen Schaltpunkt
F_max erreicht.
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Ein
Füllstand des gesammelten oder abgeschiedenen Wassers wird
in dem dargestellten Ausführungsbeispiel zum einen mittels
des Füllstandsensors 5 erfasst. Der dargestellte
Füllstandsensor 5 ist dabei derart angeordnet,
dass der untere Schaltpunkt erfassbar ist. Zum anderen wird der
Füllstand beobachtet.
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Erfindungsgemäß wird
durch die Steuereinheit 6 der obere Schaltpunkt, ab welchem
eine Entleerung des Abscheiderbehälters 340 beginnen
soll, in Abhängigkeit von verschiedenen Zustandsgrößen, welche
der Steuereinheit 6 an den Steuereingängen 61 zugeführt
werden, ermittelt. Die Zustandsgrößen sind beispielsweise
eine Temperatur T_KM_ein eines Kühlmittels am Einlass 41 gemäß 1,
eine Temperatur T_KM_aus des Kühlmittels am Auslass 42, eine
Temperatur des Brennstoffs, insbesondere des Wasserstoffs, T_H2_ein am Einlass 31, eine Temperatur
T_Tank des Brennstoffs am Brennstoffspeicher 30, ein aktueller,
am Brennstoffzellenstapel 10 gezogener Strom I_BZ und/oder
eine Umgebungstemperatur T_UM des Systems.
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Anhand
dieser Größen ist beispielsweise eine Erhöhnung
der Wassermenge bzw. des Füllstands in dem Abscheidermodul 34 in
Abhängigkeit einer Temperaturdifferenz T_KM_aus – T_Tank
zwischen einer Temperatur des Kühlmittels am Auslass 42 und
eine Temperatur T_Tank im Brennstoffspeicher 30 möglich,
wobei so eine Vermischung von sehr kaltem oder kälterem
Wasserstoff aus dem Speicher 30 mit sehr feuchtem Anodenabgas
im Anodenkreislauf 3 berücksichtigbar ist. Weiter
ist eine Abhängigkeit eines Füllstands von einem
an der Brennstoffzelle gezogenen Strom I_BZ möglich. Durch
die ermittelten Größen kann weiter ein Füllstand
in Abhängigkeit einer zeitlichen Systemtemperaturänderung
d(T_KM_ein)/dt bei einem Systemstart berücksichtigt werden,
wobei berücksichtigt wird, dass bei kälteren Temperaturen
des Brennstoffzellenstapels 10 in Membranen des Brennstoffzellenstapels 10 Wasser
gespeichert wird, welches durch eine Temperaturerhöhung
abgegeben wird. Alternativ oder zusätzlich ist es weiter
möglich, die Abhängigkeit eines Füllstands
von der Temperaturdifferenz zwischen der Umgebungstemperatur T_UM
und verschiedenen Systemtemperaturen zu berücksichtigen.
Als weiterer Einfluss auf einen Füllstand ist die Temperaturdifferenz
T_KM_aus – T_H2_ein zwischen der
Temperatur des Kühlmittel am Auslass 41 und der
Temperatur des Brennstoffs am Einlass 31 berücksichtigbar.
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Sobald
die Steuereinheit 6 das Erreichen eines „virtuellen"
oberen Schaltpunkts beobachtet hat, kann das Abscheiderventil 343 geöffnet
werden und der Abscheiderbehälter 340 entsprechend
geleert werden.
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In
dem dargestellten Ausführungsbeispiel wird ein unterer
Schaltpunkt durch den Füllstandsensor 5 erfasst.
Zusätzlich wird der untere Schaltpunkt durch die Steuereinheit 6 vorausgesagt.
Zur Ermittlung einer Abnahme des Füllstands und einem Erreichen
des unteren Schaltpunkt ist eine Ausflussgeschwindigkeit in Abhängigkeit
eines Durchflussfaktors (Kv-Wert), einschließlich Eigenschaften
des Ventils 343 sowie der Leitungen und des Filters 342, und/oder
in Abhängigkeit eines Druckverhältnisses, z. B.
eines Systemdrucks im Anodenkreislauf 3 und/oder im Abscheiderbehälter 340 gegenüber
einem Umgebungsdruck, berücksichtigbar.
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Der
durch den Sensor 5 erfasste Wert des Füllstands
wird mit dem durch die Steuereinheit 6 vorausgesagten Wert
des Füllstands für einen Plausibilitätscheck
verglichen. Weichen die beiden Werte voneinander ab, so weist dies
auf einen fehlerhaften Betrieb des Abscheidermoduls 34 hin.
Dieser Fehler kann durch geeignete, nicht dargestellte Mittel signalisiert
werden. Dadurch ist es möglich, durch rechtzeitige Wartung
und/oder Auswechslung einzelner Komponenten oder des Abscheidermoduls 34 Folgeschäden
an dem Brennstoffzellensystem zu vermeiden.
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Mögliche
Fehler des Abscheidermoduls 34 können dabei auf
unterschiedlichen Ursachen basieren. Zeigt der dargestellte Sensor 5 zur
Erfassung des unteren Schaltpunkts F_min ein Erreichen dieses Schaltpunkts
früher an, als ein Erreichen des Schaltpunkts beobachtet
wurde, so kann dies zum Einen durch einen Fehler des Sensors 5 selbst
verursacht sein, beispielsweise durch eine mechanische Verklemmung
eines Schwimmkörpers an dem Schaltpunkt. Daneben ist es
jedoch auch möglich, dass das Abscheiderventil 343 undicht
ist, beispielsweise aufgrund einer mechanischen Verklemmung an dem
Abscheiderventil 343 oder aufgrund von Schmutzablagerungen.
Zudem kann das Abscheidermodul 34 an einer anderen Stelle
undicht geworden sein.
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Zeigt
der dargestellte Sensor 5 zur Erfassung des unteren Schaltpunkts
F_min ein Erreichen dieses Schaltpunkts dagegen später
an, als ein Erreichen des Schaltpunkts beobachtet wurde, so kann dies
ebenfalls durch einen Fehler des Sensors 5 selbst verursacht
sein. Weiter ist es jedoch auch möglich, dass das Abscheiderventil 343 verstopft
ist, beispielsweise aufgrund von Schmutzablagerungen.
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Alternativ
oder zusätzlich kann der Sensor 5 so angeordnet
sein, dass ein oberer Schaltpunkt F_max durch den Sensor erfassbar
ist. In noch einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist der Füllstandsensor
in einem Bereich zwischen dem oberen und dem unteren Schaltpunkt
angeordnet. Dabei kann sowohl ein Zeitpunkt, an welchem der zugehörige
Füllstand überschritten, als auch ein Zeitpunkt, an
welchem der zugehörige Füllstand unterschritten wird,
vorausgesagt werden. Durch eine derartige Anordnung ist es beispielsweise
möglich, sowohl eine Leckage durch ein zu frühes
Unterscheiden des Füllstands, als auch ein Verstopfen eines
Abflusses durch ein zu frühes Überschreiten des
Füllstands zu detektieren.
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Die
Diagnose des Fehlersignals erfolgt mittels der Steuereinheit 6. 3 zeigt
schematisch ein Blockschaltbild für eine Fehler-Diagnose.
Mittels der Voraussage des Füllstands und des Füllstandsensors 5 werden
wie beschrieben zwei Fehler-Situationen erkannt:
In einer ersten
Fehler-Situation, Fehler-Situation A, ist der erfasste Füllstand
unerwartet hoch, d. h. der durch den Füllstandsensor 6 erfasste
Füllstand ist höher als der vorausgesagte Füllstand.
In einer zweiten Fehler-Situation, Fehler-Situation B, ist der erfasste
Füllstand unerwartet niedrig, d. h. der durch den Füllstandsensor 5 erfasste
Wert ist niedriger als der vorausgesagte Wert. Bei Auftreten der
Fehler-Situation A oder der Fehler-Situation B werden entsprechende
Fehlersignale Signal A bzw. Signal B gemäß 3 gesetzt.
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Erfindungsgemäß wird
eine Diagnose dieser beiden Fehler-Situationen A, B anhand der durch
die Sensoren 7, 8 erfassten Anodengas-Konzentrationen
durchgeführt. Die Steuereinheit 6 umfasst zu diesem
Zweck Mittel, durch welche die durch die Sensoren 7, 8 ermittelten
Werte mit Maximalwerten MAX an Verzweigungspunkten 70, 80 gemäß 3 verglichen
werden. Das Ergebnis ist entweder positiv + oder negativ –.
Je nach Ergebnis erfolgt eine entsprechende Weiterverarbeitung,
wobei fünf Diagnose-Ergebnisse Diag 1, ..., Diag 5 unterschieden
werden.
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Die
einzelnen Diagnose-Schritte werden im folgenden Beschrieben.
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Ist
der durch den Füllstandssensor 5 gemessene Füllstand
unerwartet hoch, so wird das Signal A gesetzt. Ist zusätzlich
eine Anodengas-Konzentration, welche durch den Sensor 7 an
der Kathodenabgasleitung 2a gemäß 2 ermittelt
wurde, größer als ein Maximalwert, so lässt
dies darauf schließen, dass der Füllstandsensor 5 fälschlicherweise
einen zu hohen Wert anzeigt, so dass fälschlicherweise
ein Entleeren länger als gewünscht erfolgte. Ursache hierfür
ist beispielsweise bei Verwendung eines Sensors 5 mit einem
Schwimmkörper ein mechanisches Verklemmen an einem zugehörigen
Schaltpunkt. Dieses Diagnose-Ergebnis Diag 2 kann entsprechend signalisiert
werden. Zur Behebung dieses Fehlers können weiter Maßnahmen
geeignete Maßnahmen eingeleitet werden, die verhindern,
dass die Anodengas-Konzentration im Kathodenabgas weiter steigt
und/oder einen kritischen Wert überschreitet. Zur Behebung
dieses Fehlers wäre es beispielsweise denkbar, den Sensor 5 zumindest
vorübergehend abzuschalten und den zugehörigen
Wert durch eine Voraussage zu ermitteln.
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Ist
dagegen der durch den Sensor 5 erfasste Füllstand
unerwartet hoch, d. h. Signal A gesetzt, ohne dass eine Anodengas-Konzentration
in der Kathodenabgasleitung einen kritischen Wert übersteigt, so
lässt dies auf einen als Diagnose-Ergebnis Diag 5 bezeichneten
Fall schließen, wobei der erfasste Füllstand korrekt
ist und eine Voraussage einen Fehler aufweist. Ursache für
einen fehlerhafte Voraussage kann beispielsweise sein, dass ein
Abfluss des in 2 dargestellten Abscheidermoduls 34 verstopft ist.
Zur Behebung dieses Fehlers können Maßnahmen eingeleitet
werden, welche verhindern, dass sich die abgeschiedene Flüssigkeit
in dem Anodenkreislauf 3 ansammelt und so in den in 1 dargestellten
Brennstoffzellenstapel 10 eindringen könnte. Ein
derartiges Eindringen könnte unter Umständen zu
sehr hohen Temperaturen und irreversiblen Schädigungen
des Brennstoffzellenstapels 10 führen. Als Gegenmaßnahme
ist es beispielsweise denkbar, den Betriebsmodus des in 1 dargestellten
Brennstoffzellensystems 1 zu ändern, wobei ein
Betriebsmodus mit einer geringen Feuchte gewählt wird,
so dass eine Wasseranreicherung in dem Anodenkreislauf 3 minimiert
wird.
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Für
eine Fehler-Situation B, bei welcher der durch den Sensor 5 gemessene
oder erfasste Füllstand unerwartet niedrig ist, können
drei verschiedene Ursachen unterschieden werden. Bei Auftreten einer
derartigen Fehler-Situation B wird zunächst das Signal
B gesetzt. Ist das Signal B gesetzt und eine Anodengas-Konzentration
in der Kathodenabgasleitung 2a größer
als ein Maximalwert, so lässt dies auf einen als Diagnose-Ergebnis
Diag 3 bezeichneten Fall schließen, wobei der Füllstand
richtig erfasst wird, jedoch Probleme bei der Voraussage auftraten. Ursache
für die falsche Voraussage ist beispielsweise, dass das
Abscheiderventil 343 gemäß 2 undicht
ist. Aufgrund des Diagnose-Ergebnis Diag 3 können Maßnahmen
eingeleitet werden, welche verhindern, dass eine Anodengas-Konzentration
im Kathodenabgas einen kritischen Wert überschreitet. Eine
denkbare Maßnahme ist beispielsweise eine Erhöhung
des Kathodenflusses zur stärkeren Verdünnung einer
Anodengas-Konzentration im Abgas.
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Ist
das Signal B gesetzt und der Wert der Anodengas-Konzentration am
Sensor 7 geringer als ein Maximalwert, so kann dieser Fehler
zwei mögliche Ursachen haben. Für eine weitere
Analyse der Ursache erfolgt erfindungsgemäß eine
Auswertung eines zweiten, im Anodenkreislauf 3 vorgesehenen
Sensors 8. Der durch den Sensor 8 erfasste Wert
wird an einem Verzweigungspunkt 80 mit einem Maximalwert verglichen.
Ist auch dieser Vergleich negativ, d. h. wenn der Wert einer Anodengas-Konzentration
weder im Kathodenabgas noch im Anodenkreislauf einen Maximalwert überschreitet,
so lässt dies auf einen als Diagnose-Ergebnis Diag 1 bezeichneten
Fall schließen, wobei der vorausgesagte Wert qualitativ besser
ist, als der durch den Sensor 5 gemessene Wert, so dass
der Sensor 5 fälschlicherweise einen zu niedrigen
Füllstand anzeigt. Ursächlich hierzu ist beispielsweise
bei Verwendung eines Sensors mit einem Schwimmkörper ein
mechanisches Verklemmen des Schwimmkörpers oberhalb eines
Schaltpunkts. Um diesen Fehler zu beheben, können Maßnahmen eingeleitet werden,
welche verhindern, dass sich die abgeschiedene Flüssigkeit
im Anodenkreis ansammelt und so in den in 1 dargestellten
Brennstoffzellenstapel 10 eindringen kann. Als Gegenmaßnahme
kann der entsprechende Sensor 5 abgeschaltet werden und
zumindest vorübergehend auf eine reine Vorausschau des
Füllstands umgeschaltet werden.
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Ist
dagegen der durch den Sensor 8 erfasste Wert der Anodengas-Konzentration
in dem Anodenkreislauf 3 gemäß 1 größer
als ein Maximalwert, so lässt dies auf einen als Diagnose-Ergebnis
Diag 4 bezeichneten Fall schließen, wonach das Abscheidermodul 34 eine
externe Leckage aufweist. In diesem Fall sollten Maßnahmen
eingeleitet werden, welche eine für Menschen und Umwelt
sichere Abschaltung des Brennstoffzellensystems 1 gemäß 1 gewährleisten.
Bei einem solchen Fehler können sich gefährliche
Anodengas-Konzentrationen außerhalb des Anodenkreislaufs 3 oder
sogar außerhalb des Brennstoffzellensystems 1 unkontrolliert
anreichern. Eine mögliche Maßnahme wäre
beispielsweise bei einem Brennstoffzellen-Hybrid-Fahrzeugsystem
eine sofortige Abschaltung des Brennstoffzellensystems und ein weiterer,
nach Möglichkeit zeitlich begrenzter Fahrbetrieb des Fahrzeugs
ausschließlich durch den alternativen Antrieb. Dabei kann
eine entsprechende Warnmeldung an den Fahrer abgegeben werden, so dass
dieser entsprechend eine geeignete Fahrposition oder dergleichen
anfahren kann.
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Selbstverständlich
ist es nicht nur bei einem Diagnose-Ergebnis Diag 4 möglich,
entsprechende Warnsignale abzugeben. Ebenso können auch
in anderen Fällen Warnsignale abgegeben werden, so dass
eventuell defekte Bauteile ersetzt werden können und/oder
eine Schmutzablagerung entfernt werden kann.
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Dabei
ist es auch denkbar, ein verschiedenes Warnsignal abzugeben, wobei
bei einem erstmaligen Fehler-Auftritt eine Frühwarnung
abgegeben wird, und bei mehrmaligem Fehler-Auftritt ein Warnsignal
abgegeben wird, welches eine Notwendigkeit eines sofortiges Eingreifens
signalisiert.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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