DE102007055486A1 - A method of detecting a leakage of a fuel cell system and fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Feststellen einer Leckage eines Brennstoffzellensystems mit einem einen Anodenraum umfassenden Anodenzweig, bei welchem ein in dem Anodenraum herrschender Druck durch Betätigen wenigstens eines Kontrollelements zum Einstellen eines Massenstroms eines dem Anodenraum zuführbaren Anodengases eingestellt wird, wobei der Druck als Funktion der Zeit erfasst wird und wobei in einem Kathodenraum des Brennstoffzellensystems durch Betätigen wenigstens eines Kontrollelements wenigstens ein Referenzdruck (16, 28) eingestellt wird, der von dem wenigstens einen Referenzdruck (16, 28) in dem Kathodenraum abhängige zeitliche Verlauf des Drucks in dem Anodenraum erfasst wird und in Abhängigkeit von dem zeitlichen Verlauf des Drucks eine in dem Anodenzweig gegebenenfalls vorhandene Leckage festgestellt wird. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Brennstoffzellensystem.The invention relates to a method for detecting a leakage of a fuel cell system comprising an anode compartment comprising an anode compartment in which a pressure prevailing in the anode compartment pressure is adjusted by actuating at least one control element for adjusting a mass flow of an anode gas supplied to the anode compartment, wherein the pressure as a function of time and wherein in a cathode chamber of the fuel cell system by operating at least one control element at least one reference pressure (16, 28) is set, which is detected by the at least one reference pressure (16, 28) in the cathode space-dependent time course of the pressure in the anode space and depending on the time course of the pressure, a leakage which may be present in the anode branch is ascertained. Furthermore, the invention relates to a fuel cell system.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Feststellen einer Leckage eines Brennstoffzellensystems mit einem einen Anodenraum umfassenden Anodenzweig, wobei ein in dem Anodenraum herrschender Druck durch Betätigen wenigstens eines Kontrollelements zum Einstellen eines Massenstroms eines dem Anodenraum zuführbaren Anodengases eingestellt wird, und wobei der Druck als Funktion der Zeit erfasst wird. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Brennstoffzellensystem.The The invention relates to a method for detecting a leakage of a fuel cell system with an anode compartment comprising an anode compartment, wherein an in the anode chamber prevailing pressure by pressing at least a control element for adjusting a mass flow of the Anode space is supplied to the supply of anode gas, and wherein the pressure is detected as a function of time. Furthermore The invention relates to a fuel cell system.
Die
Nach dem Erreichen eines Minimums des Drucks im Anodenraum steigt der Druck im Anodenraum wieder an, da atmosphärischer Stickstoff von der Kathodenseite aus die Membran durchdringt. Eine Geschwindigkeit beim Durchdringen der Membran ist hierbei für Luftstickstoff jedoch geringer als die Geschwindigkeit, mit welcher das Anodengas die Membran durchdringt. Sofern die Membran eine das Durchdringen der Membran für atmosphärischen Stickstoff erleichternde Leckage aufweist, ist der zeitliche Verlauf des Drucks im Anodenraum verschieden von dem vorstehend beschriebenen zeitlichen Druckverlauf. So wird aufgrund der Leckage der Membran der atmosphärische Druck im Anodenraum weniger stark unterschritten, als dies bei einer intakten Membran der Fall wäre.To reaching a minimum of the pressure in the anode compartment increases Pressure in the anode compartment again, because atmospheric nitrogen penetrates from the cathode side of the membrane. A speed when penetrating the membrane is here for atmospheric nitrogen but less than the rate at which the anode gas the membrane penetrates. Unless the membrane penetrates facilitating the membrane for atmospheric nitrogen Leakage, is the time course of the pressure in the anode compartment different from the temporal pressure curve described above. Thus, due to the leakage of the membrane of the atmospheric Pressure in the anode compartment falls below less than this intact membrane would be the case.
Als nachteilig bei einem derartigen Verfahren zum Feststellen einer Leckage des Brennstoffzellensystems ist der Umstand anzusehen, dass ein Erfassen des zeitlichen Verlaufs des Drucks im Anodenraum bis zum Erreichen bzw. Unterschreiten des atmosphärischen Drucks eine vergleichsweise lange Testdauer benötigt und dass es vergleichsweise unpräzise ist. Darüber hinaus ist das Brennstoffzellensystem während des Testverfahrens außer Betrieb genommen.When disadvantageous in such a method for determining a Leakage of the fuel cell system is the fact that a detection of the time course of the pressure in the anode space to for reaching or falling below the atmospheric pressure requires a comparatively long test period and that it is comparatively imprecise. Furthermore is the fuel cell system during the test procedure shut down.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Feststellen einer Leckage eines Brennstoffzellensystems bzw. ein Brennstoffzellensystem der eingangs genannten Art zu schaffen, welches ein verbessertes und präziseres Feststellen einer Leckage ermöglicht.task The present invention is a method of detection a leakage of a fuel cell system or a fuel cell system to create the type mentioned, which is an improved and more precise detection of leakage.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zum Feststellen einer Leckage eines Brennstoffzellensystems mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird diese Aufgabe durch ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Patentanspruchs 14 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.These The object is achieved by a method for detecting a leakage of a fuel cell system with the features of claim 1. According to one Another aspect of the invention, this object is achieved by a fuel cell system solved with the features of claim 14. advantageous Embodiments with expedient developments The invention are defined in the dependent claims specified.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Feststellen einer Leckage eines Brennstoffzellensystems mit einem einen Anodenraum umfassenden Anodenzweig, wird ein in dem Anodenraum herrschender Druck durch Betätigen wenigstens eines Kontrollelements zum Einstellen eines Massenstroms eines dem Anodenraum zuführbaren Anodengases eingestellt. Der Druck wird als Funktion der Zeit erfasst. In einem Kathodenraum des Brennstoffzellensystems wird durch Betätigen wenigstens eines Kontrollelements wenigstens ein Referenzdruck eingestellt. Der von dem wenigstens einen Referenzdruck in dem Kathodenraum abhängige zeitliche Verlauf des Drucks in dem Anodenraum wird erfasst und in Abhängigkeit von dem zeitlichen Verlauf des Drucks wird eine in dem Anodenzweig gegebenenfalls vorhandene Leckage festgestellt.at the method according to the invention for detecting a leakage of a fuel cell system with an anode compartment extensive anode branch, becomes a ruling in the anode compartment Pressure by actuating at least one control element for adjusting a mass flow of an anode compartment feedable Anodengases set. The pressure is recorded as a function of time. In a cathode compartment of the fuel cell system is operated by at least one control element at least set a reference pressure. The dependent on the at least one reference pressure in the cathode compartment time course of the pressure in the anode compartment is detected and depending on the time course of the pressure a detected in the anode branch possibly existing leakage.
Zum Einstellen des wenigstens einen Referenzdrucks in dem Kathodenraum des Brennstoffzellensystems kann etwa ein in einer Zufuhrleitung zu dem Kathodenraum angeordneter Kompressor bzw. Verdichter zum Beaufschlagen des Kathodenraums mit Kathodengas angesteuert und/oder ein in einer Abfuhrleitung des Kathodenraums angeordnetes Drosselelement betätigt werden. Das Einstellen des wenigstens einen Referenzdrucks kann aber auch durch Betätigen anderer Kontrollelemente erfolgen.To the Adjusting the at least one reference pressure in the cathode compartment of the fuel cell system may be about one in a supply line to the cathode compartment arranged compressor or compressor to Actuation of the cathode chamber is driven with cathode gas and / or a throttle element arranged in a discharge line of the cathode compartment be operated. The setting of the at least one reference pressure but can also by pressing other controls respectively.
Durch
das Einstellen des wenigstens einen Referenzdrucks in dem Kathodenraum
kann ein von dem eingestellten Referenzdruck abhängiger
zeitlicher Verlauf des Drucks in dem Anodenraum daraufhin untersucht
werden, ob er von einem charakteristischen zeitlichen Verlauf des
Drucks im Anodenraum abweicht, und es kann so auf eine Leckage in
dem Anodenzweig geschlossen werden. Hierbei ist es nicht wie beim
Stand der Technik gemäß der
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird der wenigstens eine Referenzdruck als wenigstens ein Betriebsdruck in dem Kathodenraum eingestellt. Dadurch ist es besonders vorteilhaft ermöglicht, das Verfahren auch während eines laufenden Betriebs des Brennstoffzellensystems durchzuführen, wobei das Brennstoffzellensystem während des Durchführens des Verfahrens insbesondere auch weiterhin elektrische Energie liefern kann. Der Betriebsdruck in dem Kathodenraum kann hierbei einem Druck in dem Kathodenraum bei einem Energie liefernden Normalbetrieb und/oder einem Druck in dem Kathodenraum bei einem Testbetrieb entsprechen.In an advantageous embodiment of the invention will be at least set a reference pressure as at least one operating pressure in the cathode compartment. This makes it particularly advantageous allows the process even during ongoing operation of the fuel cell system perform the fuel cell system during the In particular, continue to carry out the process can supply electrical energy. The operating pressure in the cathode compartment In this case, it can supply a pressure in the cathode space with an energy Normal operation and / or a pressure in the cathode compartment at a Test mode correspond.
Des Weiteren ist es von Vorteil, wenn der wenigstens eine Referenzdruck einen ersten und einen zweiten Referenzdruck umfasst, wobei der erste Referenzdruck kleiner oder gleich einem Ausgangsdruck in dem Anodenraum eingestellt wird, und wobei der zweite Referenzdruck kleiner als der erste Referenzdruck eingestellt wird. Hierbei kann während einer ersten Testphase der erste Referenzdruck und während einer zweiten Testphase der zweite Referenzdruck eingestellt werden, wobei die erste Testphase zeitlich auch auf die zweite Testphase folgen kann.Of Furthermore, it is advantageous if the at least one reference pressure a first and a second reference pressure, wherein the first reference pressure less than or equal to an outlet pressure in the Anode space is adjusted, and wherein the second reference pressure is set smaller than the first reference pressure. Here can during a first test phase, the first reference pressure and during a second test phase, the second reference pressure be set, with the first test phase also on time can follow the second test phase.
Während in der ersten Testphase der im Kathodenraum eingestellte erste Referenzdruck dem Druck im Anodenraum weitgehend gleich ist, wird mit Beginn der zweiten Testphase rasch der zweite Referenzdruck eingestellt, welcher niedriger ist als der Druck im Anodenraum. Wird hierbei in der ersten Testphase durch das Erfassen des Drucks im Anodenraum als Funktion der Zeit ein besonders starker Druckabfall im Anodenraum festgestellt, so ist davon auszugehen, dass in dem den Anodenraum umfassenden Anodenzweig eine Leckage vorhanden ist.While in the first test phase, the first reference pressure set in the cathode compartment The pressure in the anode compartment is largely the same, is the beginning of the second test phase quickly set the second reference pressure, which is lower than the pressure in the anode compartment. Will be in the first test phase by sensing the pressure in the anode compartment as a function of time noted a particularly strong pressure drop in the anode compartment, so It can be assumed that in the anode compartment comprising the anode compartment there is a leak.
Wird in der zweiten Testphase, bei einem gegenüber dem Druck in dem Anodenraum weiter verringerten zweiten Referenzdruck in dem Kathodenraum ein gegenüber der ersten Testphase größerer Druckabfall im Anodenraum festgestellt, so kann dies auf ein Vorliegen einer Transferleckage, also einer Leckage in einer die Anode von der Kathode trennenden Membran, oder sonstigen direkten Verbindung zwischen Anode und Kathode, schließen lassen. In bevorzugter Weise ist eine jeweilige Zeitdauer der ersten Testphase und der zweiten Testphase hierbei im Wesentlichen gleich.Becomes in the second test phase, at one compared to the pressure in the anode compartment further reduced second reference pressure in the Kathodenraum a compared to the first test phase larger pressure drop Detected in the anode compartment, this may indicate the presence of a Transfer leakage, so a leakage in one the anode of the cathode separating membrane, or other direct connection between Anode and cathode, close. In a preferred manner is a respective period of the first test phase and the second Test phase here essentially the same.
Des Weiteren hat es sich als vorteilhaft gezeigt, wenn vor einem erneuten Einstellen des zweiten Referenzdrucks ein Kontrollelement in einer den Anodenraum mit dem Kathodenraum verbindenden Verbindungsleitung geöffnet wird. Bei der Verbindungsleitung kann es sich um eine Spülleitung (Purgeleitung) und bei dem Kontrollelement um ein der Spülleitung zugeordnetes Spülventil (Purgeventil) handeln. Hierbei ist eine Einleitstelle der Spülleitung in den Kathodenraum dem als Druckregelorgan ausgebildeten Kontrollelement zum Einstellen des Referenzdrucks in dem Kathodenraum vorgeschaltet. Dadurch ist der in der Spülleitung mit geöffnetem Spülventil herrschende Druck in einem Druckregelbereich einstellbar, welcher einem Druckregelbereich zum Einstellen des Referenzdrucks in dem Kathodenraum entspricht.Of Furthermore, it has proven to be advantageous if before a renewed Setting the second reference pressure a control element in one connecting the anode compartment with the cathode compartment connecting line is opened. The connection line may be around a purge line (purge line) and at the control element around a flushing valve associated flushing valve (Purge valve) act. Here is a discharge point of the purge line in the cathode compartment designed as a pressure control element control element upstream of the reference pressure in the cathode compartment. As a result, in the purge line with open Flush valve prevailing pressure in a pressure control range adjustable which a pressure control range for setting the reference pressure in the cathode compartment corresponds.
Während in der ersten Testphase und in der zweiten Testphase das Spülventil geschlossen gehalten wird, wird bei dem erneuten Einstellen des zweiten Referenzdrucks während einer dritten Testphase das Spülventil geöffnet. Dadurch kann festgestellt werden, ob die Transferleckage eine Leckage in der die Anode von der Kathode trennenden Membran und/oder eine Undichtigkeit des Spülventils bzw. einer sonstigen, den Anodenraum mit dem Kathodenraum direkt verbindenden Verbindungsleitung zur Ursache hat. Selbstverständlich kann das erneute Einstellen des zweiten Referenzdrucks während der dritten Testphase für eine Mehrzahl von Verbindungsleitungen separat vorgenommen werden.While in the first test phase and in the second test phase, the purge valve is kept closed, is in the re-adjustment of the second Reference pressure during a third test phase the purge valve open. This can be used to determine if the transfer leakage a leakage in the anode separating the cathode from the cathode and / or a leakage of the purge valve or another, the anode compartment with the cathode compartment directly connecting connecting line to the cause. Of course, the re-setting the second reference pressure during the third test phase made separately for a plurality of connecting lines become.
Von Vorteil ist es weiterhin, wenn vor dem Einstellen des zweiten Referenzdrucks der in dem Anodenraum herrschende Druck, insbesondere auf den Ausgangsdruck, erhöht wird. Dadurch ist es sichergestellt, dass für die erste Testphase, während welcher in dem Kathodenraum der erste Referenzdruck eingestellt wird und für die zweite Testphase, während welcher in dem Kathodenraum der zweite Referenzdruck eingestellt wird, im Wesentlichen gleichartige Druckverhältnisse, insbesondere Ausgangsdruckverhältnisse, in dem Anodenraum hergestellt sind. Dadurch ist eine besonders gute Vergleichbarkeit des zeitlichen Verlaufs des Drucks in dem Anodenraum während der zwei Testphasen ermöglicht.From It is also advantageous if, before setting the second reference pressure the pressure prevailing in the anode compartment, in particular the outlet pressure, is increased. This ensures that for the first test phase during which in the cathode compartment the first reference pressure is set and for the second Test phase, during which in the cathode compartment, the second reference pressure is adjusted, substantially similar pressure conditions, in particular output pressure conditions, in the anode compartment are made. This is a particularly good comparability the time course of the pressure in the anode space during which allows two test phases.
Des Weiteren ist es von Vorteil, wenn der wenigstens eine Referenzdruck einen ersten und einen zweiten Referenzdruck umfasst, wobei der erste Referenzdruck 65%–100%, bevorzugt 70%–95%, noch bevorzugter 75%–90% eines Ausgangsdrucks in dem Anodenraum beträgt, und wobei der zweite Referenzdruck 3%–35%, bevorzugt 4%–15 % noch bevorzugter 5%–10% des Ausgangsdrucks beträgt. Dadurch ist sichergestellt, dass in der ersten Testphase im Kathodenraum ein erster Referenzdruck eingestellt wird, welcher dem Ausgangsdruck im Anodenraum im Wesentlichen gleich ist. Demgegenüber wird mit Beginn der zweiten Testphase rasch der zweite Referenzdruck eingestellt, welcher deutlich niedriger ist als der Ausgangsdruck im Anodenraum.Furthermore, it is advantageous if the at least one reference pressure comprises a first and a second reference pressure, wherein the first reference pressure is 65% -100%, preferably 70% -95%, more preferably 75% -90% of an outlet pressure in the anode chamber and wherein the second reference pressure is 3% -35%, preferably 4% -15%, more preferably 5% -10% of the initial pressure. This ensures that in the first test phase in the cathode chamber, a first reference pressure is set, which is the output pressure in the anode compartment is substantially equal. In contrast, the second reference pressure is quickly set at the beginning of the second test phase, which is significantly lower is the outlet pressure in the anode compartment.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird der Druck im Anodenraum zumindest bis zum Erreichen eines Endzeitpunktes einer vorgegebenen Zeitspanne und/oder zumindest bis zum Erreichen eines vorgegebenen Wertes des Drucks oder eines Wertebereichs des Drucks als Funktion der Zeit erfasst. So kann die Dauer einer Testphase auf die vorgegebene Zeitspanne beschränkt werden, wodurch ein besonders rasches Durchführen des Verfahrens ermöglicht ist. Ergänzend oder alternativ kann die jeweilige Testphase so vorgegeben werden, dass sie bis zum Erreichen des vorgegebenen Wertes des Drucks oder des Wertebereichs des Drucks andauert.In an advantageous embodiment of the invention, the pressure in Anode space at least until reaching an end time of a predetermined period of time and / or at least until reaching a predetermined value of the pressure or a range of values of the pressure recorded as a function of time. So the duration of a test phase be limited to the predetermined period of time, whereby allows a particularly rapid implementation of the method is. Additionally or alternatively, the respective test phase be given so that they reach the given Value of the pressure or the value range of the pressure continues.
Des Weiteren ist es von Vorteil, wenn der zweite Referenzdruck oder der erste Referenzdruck im Wesentlichen unmittelbar nach dem Erreichen des Endzeitpunktes der vorgegebenen Zeitspanne und/oder unmittelbar nach dem Erreichen des vorgegebenen Wertes des Drucks oder des Wertebereichs des Drucks eingestellt wird. Dadurch ist in vorteilhafter Weise sichergestellt, dass insbesondere Temperatur- und Feuchtigkeitsbedingungen in dem Brennstoffzellensystem, insbesondere in dem Anodenraum, während zweier Testphasen zumindest im Wesentlichen gleich sind.Of Furthermore, it is advantageous if the second reference pressure or the first reference pressure substantially immediately after reaching the end time of the predetermined period of time and / or immediately after reaching the predetermined value of the pressure or the value range of Pressure is adjusted. This ensures in an advantageous manner that in particular temperature and humidity conditions in the Fuel cell system, in particular in the anode compartment, while two test phases are at least substantially the same.
Weiterhin hat es sich als vorteilhaft gezeigt, wenn ein Zeitversatz zwischen dem Einstellen zweier unterschiedlicher Referenzdrücke kleiner oder im Wesentlichen gleich der vorgegebenen Zeitspanne und/oder kleiner oder im Wesentlichen gleich einer Zeitspanne zum Erreichen des vorgegebenen Wertes des Drucks oder des Wertebereichs des Drucks gewählt wird. Dadurch beträgt der Zeitversatz zwischen zwei Testphasen nicht mehr als die zum Durchlaufen einer Testphase notwendige Zeitspanne. Dadurch kann insgesamt der Zeitbedarf für das Durchführen eines Tests auf Leckage mittels zweier Testphasen, während welcher jeweils der erste und der zweite Referenzdruck in dem Kathodenraum eingestellt werden, in einem vertretbaren Rahmen gehalten werden.Farther it has been shown to be advantageous if a time offset between setting two different reference pressures less than or substantially equal to the predetermined time period and / or less than or substantially equal to a period of time to reach the predetermined value of the pressure or the value range of the pressure selected becomes. As a result, the time offset between two test phases not more than the time necessary to go through a test phase. This can total the time required for performing a test for leakage by means of two test phases while which in each case the first and the second reference pressure in the cathode space be kept within reasonable limits.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird eine Differenz zwischen dem an einem Anfangszeitpunkt und an dem Endzeitpunkt der vorgegebenen Zeitspanne erfassten Druck und/oder eine Zeitspanne zum Erreichen des vorgegebenen Wertes des Drucks oder des Wertebereichs des Drucks ermittelt. Dadurch werden absolute Größen zur Verfügung gestellt, welche auf besonders einfache Weise ein Vergleichen mit charakteristischen Werten ermöglichen.In An advantageous embodiment of the invention is a difference between at a start time and at the end time of predetermined period of time detected pressure and / or a period of time for reaching the predetermined value of the pressure or the value range of the pressure. As a result, absolute sizes become Provided, which in a particularly simple manner allow comparison with characteristic values.
In vorteilhafter Ausgestaltung wird des Weiteren ein Unterschied zwischen zwei Differenzen und/oder zwischen zwei Zeitspannen mit einem Prüfwert verglichen, wobei ein Über- oder Unterschreiten des Prüfwertes eine Wahrscheinlichkeit einer Transferleckage zwischen dem Anodenraum und dem Kathodenraum beschreibt. Hierbei entspricht der Prüfwert einem empirisch und/oder theoretisch ermittelten Wert, welcher vorgegeben wird, um auf besonders einfache und zuverlässige Weise ein Vorhandensein einer Transferleckage bestätigen oder ausschließen zu können.In Advantageous embodiment is further a difference between two differences and / or between two time periods with a test value compared, wherein an exceeding or falling below the test value a probability of transfer leakage between the anode compartment and the cathode compartment. Here, the test value corresponds an empirically and / or theoretically determined value, which predetermined is going to be in a particularly simple and reliable way confirm the presence of a transfer leak or to be able to exclude.
Ist etwa der Druckabfall im Anodenraum während der zweiten Testphase, während welcher der von dem Ausgangsdruck im Anodenraum stark unterschiedliche und deutlich geringere zweite Referenzdruck eingestellt wird, deutlich größer als der Druckabfall während der in etwa gleich langen ersten Testphase, während welcher der dem Ausgangsdruck im Anodenraum im Wesentlichen gleiche bzw. geringfügig geringere erste Referenzdruck eingestellt wird, so ist davon auszugehen, dass eine Transferleckage den gegenüber der ersten Testphase erhöhten Druckabfall ursächlich bedingt.is such as the pressure drop in the anode compartment during the second Test phase, during which of the output pressure in the Anode space greatly different and significantly lower second Reference pressure is set, much larger as the pressure drop during the roughly equal first test phase, while which of the outlet pressure in the anode compartment in Substantially equal or slightly lower first reference pressure is set, it can be assumed that a transfer leakage the increased pressure drop compared to the first test phase causally conditioned.
Des Weiteren ist es von Vorteil, wenn der wenigstens eine Referenzdruck während einer Anlaufphase des Brennstoffzellensystems eingestellt wird. So kann bereits vor einem Erreichen eines Normalbetriebszustandes des Brennstoffzellensystems festgestellt werden, ob eine Leckage, insbesondere eine Transferleckage, in dem Brennstoffzellensystem vorliegt. So kann ein durch das Durchführen des Verfahrens verursachtes Stören des Betreibens des Brennstoffzellensystems vermieden werden. Während des anschließenden Betreibens des Brennstoffzellensystems im Normalbetrieb ist somit ein uneingeschränktes Liefern von elektrischer Energie ermöglicht.Of Furthermore, it is advantageous if the at least one reference pressure set during a start-up phase of the fuel cell system becomes. So can already before reaching a normal operating state the fuel cell system to determine if a leak, in particular, a transfer leakage in the fuel cell system is present. So can one by performing the procedure causing disruption of the operation of the fuel cell system be avoided. During the subsequent operation the fuel cell system in normal operation is thus an unrestricted Supply of electrical energy allows.
Schließlich hat es sich als vorteilhaft gezeigt, wenn der wenigstens eine Referenzdruck in einem, insbesondere in ein Kraftfahrzeug, eingebauten Zustand des Brennstoffzellensystems eingestellt wird. Dadurch kann ohne ein Ausbauen des Brennstoffzellensystems aus dem Kraftfahrzeug eine Leckage des Brennstoffzellensystems, insbesondere eine Transferleckage, festgestellt werden, was einen erheblich verringerten Zeit- und Gerätebedarf mit sich bringt.After all it has proven to be advantageous if the at least one reference pressure in a, in particular in a motor vehicle, installed state of the fuel cell system is adjusted. This can be done without a removal of the fuel cell system from the motor vehicle a Leakage of the fuel cell system, in particular a transfer leakage, be found, resulting in a significantly reduced time and Equipment needs brings with it.
So ist zum Abmontieren aller Verbindungsleitungen eines Brennstoffzellenstapels oder etwa zum Ausbauen des Brennstoffzellenstapels für ein außerhalb des Kraftfahrzeugs durchzuführendes Testverfahren zum Feststellen einer Leckage ein voller Arbeitstag eines entsprechend qualifizierten Technikers in Ansatz zu bringen, wobei zusätzlich eine vergleichsweise teure Ausrüstung an speziellen Testgerätschaften vorzuhalten wäre. Dem gegenüber kann das beschriebene Verfahren besonders einfach an-board und ohne Ausbau des Brennstoffzellenstapels realisiert werden.So is for dismantling all connecting lines of a fuel cell stack or about to remove the fuel cell stack for an outside of the motor vehicle to be performed Test procedure to detect a leak a full working day of a suitably qualified technician, In addition, a comparatively expensive equipment would be kept on special test equipment. On the other hand, the method described can be particularly simply realized on-board and without removing the fuel cell stack become.
Dies kann etwa durch Einfügen eines entsprechenden Softwarebausteins zum Durchführen des Verfahrens in eine Steuer- oder Regelungseinrichtung des Brennstoffzellensystems geschehen. Das beschriebene Verfahren kann in weniger als 10 Minuten durchgeführt werden.This can be done by inserting a corresponding software component for performing the method in a control or regulating device of the fuel cell system. The method described can be done in less than 10 minutes.
Die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Feststellen einer Leckage des Brennstoffzellensystems beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen und Vorteile gelten auch für das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem.The in connection with the method according to the invention for detecting a leakage of the fuel cell system described preferred embodiments and advantages also apply to the fuel cell system according to the invention.
Das, insbesondere für mobile Anwendungen, bevorzugt in einem Kraftfahrzeug, einsetzbare Brennstoffzellensystem umfasst hierbei einen Brennstoffzellenstapel mit einer Vielzahl von einzelnen Brennstoffzellen, welchem der Anodenraum und der Kathodenraum zugeordnet sind. In der Brennstoffzelle ist die Anode von der Kathode durch ein Trennelement, etwa eine Polymer-Elektrolyt-Membran (PEM) oder Protonenaustauschmembran (proton exchange membrane, PEM), getrennt. Die PEM ist üblicher Weise Bestandteil einer Membran-Elektroden-Anordnung (MEA).The, especially for mobile applications, preferably in one Motor vehicle, usable fuel cell system includes this a fuel cell stack having a plurality of individual fuel cells, which are associated with the anode compartment and the cathode compartment. In the fuel cell is the anode of the cathode through a separator, such as a polymer electrolyte membrane (PEM) or proton exchange membrane (proton exchange membrane, PEM), separated. The PEM is the usual way Part of a membrane-electrode assembly (MEA).
Des Weiteren können sowohl an dem Kathodenraum als auch an dem Anodenraum entsprechende Zufuhrleitungen und Abfuhrleitungen vorgesehen sein, welche jeweils zum Zuführen von Anodengas zum Anodenraum und zum Abführen von Abgas aus dem Anodenraum bzw. zum Zuführen von Kathodengas zum Kathodenraum und zum Abführen von Abgas aus dem Kathodenraum vorgesehen sind. Es können insbesondere in einem den Anodenraum umfassenden Anodenzweig Rückführleitungen zum Rückführen von Abgas aus dem Anodenraum in die Zufuhrleitung zu dem Anodenraum vorgesehen sein.Of Further, both on the cathode compartment and on the anode compartment corresponding supply lines and discharge lines be provided, which in each case for supplying anode gas to the anode compartment and to discharge exhaust gas from the anode compartment or for supplying cathode gas to the cathode compartment and provided for discharging exhaust gas from the cathode compartment are. It may in particular in a the anode compartment comprehensive Anode branch Return lines for recycling exhaust gas from the anode compartment into the supply conduit to the anode compartment be provided.
Das zugeführte Anodengas kann Wasserstoff oder ein wasserstoffhaltiges Gas als Brennstoff sein. Das zugeführte Kathodengas kann Sauerstoff oder ein sauerstoffhaltiges Gas, z. B. Luft, als Oxidationsmittel sein.The supplied anode gas can be hydrogen or a hydrogen-containing Be gas as fuel. The supplied cathode gas can Oxygen or an oxygen-containing gas, e.g. As air, as an oxidizing agent be.
Des Weiteren können in dem Anodenraum und in dem Kathodenraum bzw. in den entsprechenden Zufuhrleitungen und Abfuhrleitungen Kontrollelemente zum Verringern eines Querschnitts der Leitungen, etwa Ventile, Drosseleinrichtungen oder Dosiereinrichtungen vorgesehen sein. Der Kathodenraum ist bevorzugt mittels eines Kompressors bzw. Verdichters mit dem Kathodengas beaufschlagbar. Mittels geeigneter Druckmesseinrichtungen kann der Druck im Anodenraum und im Kathodenraum bzw. in den entsprechenden Leitungen bestimmt werden. Die vorstehende Beschreibung von Komponenten des Brennstoffzellensystems ist beispielhaft und nicht abschließend oder einschränkend zu verstehen, und es kann eine Vielzahl weiterer, üblicher Komponenten Vorhanden sein.Of Further, in the anode compartment and in the cathode compartment or in the corresponding supply lines and discharge lines control elements for reducing a cross-section of the conduits, such as valves, throttle bodies or metering devices may be provided. The cathode compartment is preferred acted upon by a compressor or compressor with the cathode gas. By means of suitable pressure measuring devices, the pressure in the anode compartment and determined in the cathode compartment or in the corresponding lines become. The above description of components of the fuel cell system is exemplary and not exhaustive or limiting to understand, and there may be a variety of other common components To be available.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnungen, in welchen gleiche und funktionsgleiche Elemente mit identischen Bezugszeichen versehen sind. Dabei zeigen:Further Advantages, features and details of the invention will become apparent the following description of a preferred embodiment and with reference to the drawings, in which like and functionally identical Elements are provided with identical reference numerals. Showing:
Das
in einem Kraftfahrzeug angeordnete Brennstoffzellensystem, anhand
welchem die in den Diagrammen gemäß
In
Hierbei
ist erkennbar, dass während einer ersten Zeitspanne
Das
Druck-Zeit-Diagramm
Ein
Anfangszeitpunkt
So korrespondieren Phasen eines an dem Hochdruckventil anliegenden hohen Druckes mit einem entsprechenden Beaufschlagen des Anodenraums mit Anodengas, wobei ein über dem atmosphärischen Druck liegender Druck im Anodenraum eingestellt wird. Durch Öffnen des Hochdruckventils kann also der Druck im Anodenraum eingestellt werden, indem dem Anodenraum ein bestimmter Massenstrom des Anodengases zugeführt wird.So correspond phases of a voltage applied to the high pressure valve high pressure with a corresponding action on the anode compartment with anodic gas, being above the atmospheric Pressure is set in the anode chamber. By opening the high-pressure valve can thus set the pressure in the anode compartment be, by the anode compartment a certain mass flow of the anode gas is supplied.
Der
durch den Kurvenverlauf II beschriebene zeitliche Verlauf des Referenzdrucks
im Kathodenraum wird vor dem Erreichen des Anfangszeitpunktes
Zum
Anfangszeitpunkt
Anschließend
wird eine Differenz
Bevorzugt
beträgt ein Unterschied zwischen dem Ausgangsdruck
Der
Druck in dem Anodenraum wird nach Verstreichen der ersten Zeitspanne
Erst
mit dem Unterschreiten des Drucks von 1,0 bar in dem Anodenraum
ist ein weiterer Anfangszeitpunkt
Dementsprechend
wird während der zweiten Testphase ein zweiter Referenzdruck
Eine
Dauer der zweiten Zeitspanne
Bevorzugt
ist ein Zeitversatz
Bevorzugt
beträgt ein Zeitraum vom Beginn des Anfangszeitpunktes
Zweitens
ist so gewährleistet, dass Temperatur- und Feuchtigkeitsverhältnisse,
insbesondere in dem Anodenraum und in dem Kathodenraum, vom Beginn
der ersten Testphase bis zum Ende der zweiten Testphase annähernd
konstant sind. Eine Kühlwassertemperatur in dem Brennstoffzellenstapel
ist gemäß
Von
der in der zweiten Testphase ermittelten Differenz
Ein
Unterschreiten des Prüfwertes
In
einer alternativen Ausführungsform des Verfahrens kann
anstelle der Zeitspannen
Im
Unterschied zu dem zeitlichen Verlauf der Kurvenverläufe
I–V gemäß
Zum
Endzeitpunkt
Zu
dem Anfangszeitpunkt
Der
durch Abziehen des Wertes der Differenz
Selbstverständlich
kann die in
Neben
dem Heranziehen des Prüfwertes
Das oben beschriebene Verfahren zum Feststellen einer Leckage des Brennstoffzellensystems wird vorliegend am in das Kraftfahrzeug eingebauten Brennstoffzellensystem durchgeführt. Dies kann etwa im Rahmen eines Kraftfahrzeugservices auf besonders einfache Weise, insbesondere während einer Anlaufphase des Brennstoffzellensystems, erfolgen. Somit kann festgestellt werden, ob das Brennstoffzellensystem, insbesondere das Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzellensystem (PEMFC), des Kraftfahrzeugs aufgrund einer Transferleckage am Ende einer Lebensdauer angelangt ist.The The method for detecting leakage of the fuel cell system described above becomes in the present case carried out on the fuel cell system installed in the motor vehicle. This can be especially in the context of a motor vehicle service on especially simple way, especially during a start-up phase of the fuel cell system. Thus, it can be stated whether the fuel cell system, in particular the polymer electrolyte membrane fuel cell system (PEMFC), the motor vehicle due to a transfer leakage at the end has reached a lifetime.
Mittels des vorliegend beschriebenen Verfahrens kann somit festgestellt werden, ob ein Ausbau zumindest von Teilen des Brennstoffzellensystems zum Überprüfen von Leckagen gerechtfertigt ist.through of the presently described method can thus be determined be whether an expansion of at least parts of the fuel cell system is justified for checking leaks.
Ein Vorliegen einer Transferleckage kann hierbei einem Servicetechniker auf geeignete Weise angezeigt werden. So können optimale Serviceintervalle für das Durchführen des vorliegend beschriebenen Verfahrens ermittelt werden.One In this case, a transfer leak can be a service technician be displayed in a suitable manner. So can optimal Service intervals for performing the present be determined method described.
Das vorliegend beschriebene Verfahren ist wesentlich zuverlässiger als Verfahren, bei welchen etwa ein Sensor zum Ermitteln eines Wasserstoffpartialdrucks im Abgas des Brennstoffzellensystems oder an einer anderen Stelle des Anodenzweigs eingesetzt wird.The method described here is much more reliable than methods in which, for example, a sensor for determining a hydrogen partial pressure in the exhaust gas of the fuel cell system or at another point of the anode branch is used.
Das beschriebene Verfahren zum Feststellen einer Leckage des Brennstoffzellensystems kann insbesondere während des laufenden Betriebs des Brennstoffzellensystems durchgeführt werden, ohne dass eine Energielieferung des Brennstoffzellensystems eingestellt werden muss. Ebenso ist es vorstellbar, das Verfahren während eines Herunterfahrens des Brennstoffzellensystems durchzuführen.The described method for detecting a leakage of the fuel cell system in particular during operation of the fuel cell system be carried out without an energy delivery of the Fuel cell system must be adjusted. Likewise, it is conceivable the method during shutdown of the fuel cell system perform.
- 1010
- Druck-Zeit-DiagrammPressure-time diagram
- 1212
- erste Zeitspannefirst Period of time
- 1414
- AnfangszeitpunktStart time
- 1616
- erster Referenzdruckfirst reference pressure
- 1818
- Ausgangsdruckoutput pressure
- 2020
- Endzeitpunktend time
- 2222
- Differenzdifference
- 2424
- AnfangszeitpunktStart time
- 2626
- zweite Zeitspannesecond Period of time
- 2828
- zweiter Referenzdrucksecond reference pressure
- 3030
- Endzeitpunktend time
- 3232
- Differenzdifference
- 3434
- Zeitversatztime offset
- 3636
- Prüfwertcheck value
- II
- Kurvenverlauf (Druck Anodenraum)curve (Pressure anode space)
- IIII
- Kurvenverlauf (Referenzdruck Kathodenraum)curve (Reference pressure cathode compartment)
- IIIIII
- Kurvenverlauf (Druck Hochdruckventil)curve (Pressure high pressure valve)
- IVIV
- Kurvenverlauf (Massenstrom Kathodengas)curve (Mass flow cathode gas)
- VV
- Kurvenverlauf (Kühlwassertemperatur)curve (Cooling water temperature)
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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WO2009065520A1 (en) | 2009-05-28 |
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
8181 | Inventor (new situation) |
Inventor name: WEIGELE, KLAUS, DIPL.-ING., 73278 SCHLIERBACH, DE Inventor name: REIFF, STEFAN, DR., 73230 KIRCHHEIM, DE Inventor name: DERFLINGER, MONIKA, DIPL.-ING.(FH), 73272 NEID, DE Inventor name: WARM, ARMIN, DIPL.-ING., 73733 ESSLINGEN, DE Inventor name: SANDERSON, WILLIAM, COMMERCE TOWNSHIP, MICH., US Inventor name: RICHTER, HOLGER, DIPL.-ING.(FH), 73230 KIRCHHE, DE Inventor name: TUEXEN, THORSTEN, 73230 KIRCHHEIM, DE |
|
R082 | Change of representative | ||
R081 | Change of applicant/patentee |
Owner name: DAIMLER AG, DE Free format text: FORMER OWNERS: DAIMLER AG, 70327 STUTTGART, DE; FORD GLOBAL TECHNOLOGIES, LLC, DEARBORN, MICH., US Effective date: 20111107 Owner name: DAIMLER AG, DE Free format text: FORMER OWNER: DAIMLER AG, FORD GLOBAL TECHNOLOGIES, LLC, , US Effective date: 20111107 |
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R005 | Application deemed withdrawn due to failure to request examination | ||
R005 | Application deemed withdrawn due to failure to request examination |
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