DE102009008654A1

DE102009008654A1 - Verfahren zum Feststellen einer Leckage eines Brennstoffzellensystems und Brennstoffzellensystem

Info

Publication number: DE102009008654A1
Application number: DE102009008654A
Authority: DE
Inventors: Horst Dr.-Ing. Michels; Armin Dipl.-Ing. Warm
Original assignee: Daimler AG; Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2009-02-12
Filing date: 2009-02-12
Publication date: 2010-08-19

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Feststellen einer Leckage eines Brennstoffzellensystems, mittels welchem in einem von einem Abschaltbetrieb verschiedenen Normalbetriebszustand Energie für ein Antriebsaggregat bereitstellbar ist, bei welchem ein in einem Anodenzweig des Brennstoffzellensystems herrschender Druck durch Betätigen wenigstens einen Kontrollelements zum Einstellen eines Massenstroms eines dem Anodenzweig zugeführten Reduktionsmittels eingestellt wird, und bei welchem der Druck als Funktion der Zeit erfasst wird, wobei das Erfassen (18) des Drucks in dem Anodenzweig als Funktion der Zeit zum Feststellen der Leckage in dem Normalbetriebszustand des Brennstoffzellensystems gestartet wird, sofern seitens des Antriebsaggregats eine Nulllastanforderung an das Brennstoffzellensystem vorliegt. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Brennstoffzellensystem.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Feststellen einer Leckage eines Brennstoffzellensystems, mittels welchem in einem von einem Abschaltbetrieb verschiedenen Normalbetriebszustand des Brennstoffzellensystems Energie für ein Antriebsaggregat bereitstellbar ist, bei welchem ein einem Anodenzweig des Brennstoffzellensystems herrschender Druck durch Betätigen wenigstens eines Kontrollelements zum Einstellen eines Wasserstroms eines dem Anodenzweig zugeführten Reduktionsmittels eingestellt wird, und bei welchem der Druck als Funktion der Zeit erfasst wird.
Die US 2006/0166060 A1 beschreibt ein Verfahren zum Feststellen eines Vorliegens einer Leckage in einem Anodenraum eines Brennstoffzellensystems, bei welchem das Brennstoffzellensystem und ein von dem Brennstoffzellensystem mit Energie versorgtes Antriebsaggregat abgeschaltet werden. Daraufhin wird ein den Anodenraum umfassender Anodenzweig des Brennstoffzellensystems mit Wasserstoffgas als Reduktionsmittel beaufschlagt, wobei durch Betätigen eines Ventils ein Druck des Wasserstoffgases in dem Anodenzweig eingestellt wird, welcher höher ist als der atmosphärische Druck. Anschließend werden durch Betätigen von Absperrventilen eine Zufuhrleitung zu einem Anodenraum des Anodenzweigs und eine von dem Anodenraum weg führende Abfuhrleitung des Anodenzweigs geschlossen. Mittels eines Druckmessgeräts wird dann der Druck in dem Anodenraum als Funktion der Zeit erfasst. Ein sich in dem Anodenraum einstellender Druckabfall des Wasserstoffgases wird mit einem vorgegebenen Druckverlauf verglichen. Beschreibt der als Funktion der Zeit erfasste Druck einen stärkeren Druckabfall als es dem vorgegebenen Druckverlauf entspricht, so wird auf ein Vorliegen einer Leckage in dem Anodenraum geschlossen.
Als nachteilig bei einem derartigen Verfahren zum Feststellen einer Leckage eines Brennstoffzellensystems ist der Umstand anzusehen, dass das Erfassen des Drucks als Funktion der Zeit zum Feststellen der Leckage ein vergleichsweise langes Außer-Betrieb-Nehmen des Brennstoffzellensystems voraussetzt, und so einen Startbetrieb oder einen Abschaltbetrieb des Brennstoffzellensystems verlängert.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren zum Feststellen einer Leckage eines Brennstoffzellensystems bzw. ein Brennstoffzellensystem der eingangs genannten Art zu schaffen, welches ein verbessertes Feststellen einer Leckage ermöglicht.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung mit dieser Aufgabe durch ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Patentanspruchs 15 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Feststellen einer Leckage eines Brennstoffzellensystems, mittels welchem in einem von einem Abschaltbetrieb verschiedenen Normalbetriebszustand Energie für ein Antriebsaggregat bereitstellbar ist, wird ein in einem Anodenzweig des Brennstoffzellensystems herrschender Druck durch Betätigen wenigstens eines Kontrollelements zum Einstellen eines Massenstroms eines dem Anodenzweig zugeführten Reduktionsmittels eingestellt. Daraufhin wird der Druck in dem Anodenzweig als Funktion der Zeit erfasst. Hierbei ist vorgesehen, dass das Erfassen des Drucks in dem Anodenzweig als Funktion der Zeit zum Feststellen der Leckage in dem Normalbetriebszustand des Brennstoffzellensystems gestartet wird, sofern seitens des Antriebsaggregats eine Nulllastanforderung an das Brennstoffzellensystem vorliegt.
Dadurch ist es ermöglicht, das Feststellen der Leckage des Brennstoffzellensystems vorzunehmen, während sich das Brennstoffzellensystem im Normalbetriebszustand befindet. Das Feststellen der Leckage kann also unter besonders realitätsnahen Betriebsbedingungen erfolgen. Eine Nulllastanforderung des Antriebsaggregats liegt beispielsweise vor, wenn ein mittels des Antriebsaggregats antreibbares Kraftfahrzeug sich in einem Leerlaufzustand befindet, etwa beim Stillstand des Kraftfahrzeugs an einer Ampel. Das Festellen, ob eine Leckage, insbesondere in dem Anodenzweig des Brennstoffzellensystems, vorliegt, kann innerhalb eines besonders kurzen Zeitraums von beispielsweise weniger als fünfzehn Sekunden, insbesondere von fünf bis 10 Sekunden, erfolgen.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass beim Feststellen des Vorliegens einer Leckage mittels des Erfassens des Drucks als Funktion der Zeit in dem Startbetrieb des Brennstoffzellensystems zu einer Verlängerung der für den Startbetrieb vorzusehenden Zeitdauer führt. Dies bedeutet einerseits eine Komforteinbuße beim Nutzen des Brennstoffzellensystems. Andererseits können, insbesondere aufgrund unterschiedlicher Temperaturen des zu startenden Brennstoffzellensystems, im Startbetrieb wenig reproduzierbare Bedingungen herrschen, wodurch erhebliche Unterschiede beim Erfassen des Drucks als Funktion der Zeit auftreten können. Im Normalbetriebszustand des Brennstoffzellensystems liegen dagegen deutlich besser reproduzierbare Bedingungen vor.
Des Weiteren kann auf einen Einsatz von Sensoren zum Detektieren von aus dem Anodenzweig austretendem Reduktionsmittel, etwa Wasserstoffgas-Sensoren, verzichtet werden, welche einen großen gerätetechnischen Aufwand mit sich bringen und zudem zeitverzögert reagieren. Es ist somit ein zuverlässiges und verbessertes Feststellen der Leckage ermöglicht.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass während des Erfassens des Drucks als Funktion der Zeit in dem Normalbetriebszustand wenigstens ein von dem Antriebsaggregat verschiedener Verbraucher mittels des Brennstoffzellensystems mit Energie versorgt wird. So kann beispielsweise ein Kompressor einer Klimaanlage zum Klimatisieren eines Fahrgastraums des Kraftfahrzeugs mittels der von dem Brennstoffzellensystem erzeugten Energie betrieben werden, während der Druck als Funktion der Zeit zum Zwecke des Feststellens einer eventuellen Leckage erfasst wird. Somit ist ein komfortables Nutzen des Kraftfahrzeugs während einer Testphase zum Feststellen der Leckage ermöglicht.
Das Brennstoffzellensystem kann also während des Erfassens des Drucks als Funktion der Zeit zum Feststellen der Leckage einer Niedriglastanforderung des wenigstens einen Verbrauchers durch Bereitstellen von Energie entgegenkommen. Dies ist insbesondere dann möglich, wenn der wenigstens eine Verbraucher eine weitgehend konstante Niedriglast anfordert. Übersteigt die Lastanforderung des von dem Antriebsaggregat verschiedenen Verbrauchers einen Schwellenwert, liegt also keine Niedriglastanforderung vor, so kann das Erfassen des Drucks als Funktion der Zeit zum Feststellen der Leckage abgebrochen oder von einem Starten des Erfassens abgesehen werden.
Hierbei hat es sich als vorteilhaft gezeigt, wenn der wenigstens eine Verbraucher zum Betrieben zumindest einer Komponente des Brennstoffzellensystems herangezogen wird. Es können also insbesondere die einem Eigenverbrauch des Brennstoffzellensystems zuordenbaren Komponenten mit Energie versorgt werden. Zu diesen Komponenten kann ein Kompressor und ein diesem zugeordneter Antriebsmotor zum Beaufschlagen eines Kathodenzweigs des Brennstoffzellensystems mit einem Oxidationsmittel zählen. Ebenso können ein etwa in dem Anodenzweig angeordnetes Rezirkulationsgebläse, eine Kühlmittelpumpe zum Beaufschlagen eines dem Brennstoffzellensystem zugeordneten Kühlmittelkreislaufs mit Kühlmittel oder dergleichen mit Energie versorgt werden. Im Normalbetriebszustand des Brennstoffzellensystems können so insbesondere die Komponenten weiter betrieben werden, welche eine weitgehend konstante Lastanforderung an das Brennstoffzellensystem stellen, während zum Feststellen der Leckage des Anodenzweigs der Druck als Funktion der Zeit erfasst wird. Dadurch sind besonders betriebsrealitätsnahe Bedingungen beim Erfassen des Drucks als Funktion der Zeit gegeben.
Des Weiteren hat es sich als vorteilhaft gezeigt, wenn der Druck als Funktion der Zeit über eine vorgegebene Zeitspanne zum Feststellen der Leckage erfasst und mit einem für diese Zeitspanne vorgegebenen Druckverlauf verglichen wird. Der für die Zeitspanne vorgegebene Druckverlauf, also ein zu erwartender Druckabfall, kann hierbei auf bevorzugt vorab, insbesondere spezifisch für das Brennstoffzellensystem, empirisch ermittelten Daten beruhen. Alternativ kann der vorgegebene Druckverlauf modelliert sein. Dadurch sind besonders gut reproduzierbare Testbedingungen zum Feststellen der Leckage einstellbar.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird eine während des Erfassens des Drucks als Funktion der Zeit von dem Antriebsaggregat angeforderte Last zumindest teilweise mittels Energie aus einem Energiespeicher gedeckt. Bei dem Energiespeicher kann es sich um einen, insbesondere für Hybridfahrzeuge, üblichen Akkumulator handeln. Durch das Decken der von dem Antriebsaggregat angeforderten Last mittels Energie aus dem Energiespeicher ist ein Antreiben des Kraftfahrzeugs auch dann ermöglicht, wenn das Brennstoffzellensystem sich gerade in der Testphase befindet, in welcher der Druck als Funktion der Zeit zum Feststellen der Leckage erfasst wird.
In vorteilhafter Weise wird hierbei die von dem Antriebsaggregat angeforderte Last zumindest teilweise mittels der Energie aus dem Energiespeicher in Abhängigkeit von einem Fortschritt der vorgegebenen Zeitspanne gedeckt, während welcher der Druck als Funktion der Zeit erfasst wird. So kann vorgesehen sein, dass bei einem Fortschritt von mindestens 50% der Zeitspanne, welche zum Erfassen des Drucks vorgegeben ist, generell die von dem Antriebsaggregat angeforderte Last mittels Energie aus dem Energiespeicher gedeckt wird. Hierbei ist vorteilhaft, dass insbesondere bei einem vergleichsweise weiten Fortschritt der Testphase, das Erfassen des Drucks als Funktion der Zeit nicht abgebrochen werden muss.
Selbstverständlich kann alternativ nur dann ein Nutzen des Energiespeichers zum Decken der von dem Antriebsaggregat angeforderten Last vorgesehen werden, wenn ein noch weiter gehender Fortschritt der vorgegebenen Zeitspanne gegeben ist, wenn also die Zeitspanne beispielsweise um 70%, 80% oder 90% verstrichen ist.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird das Decken der von dem Antriebsaggregat angeforderten Last mittel Energie aus dem Energiespeicher in Abhängigkeit von einem Ladezustand des Energiespeichers vorgenommen. Dadurch kann sichergestellt werden, dass nur bei ausreichendem Ladezustand des Energiespeichers das Antriebsaggregat mittels Energie aus dem Energiespeicher angetrieben wird.
Als vorteilhaft hat es sich des Weiteren gezeigt, wenn in Abhängigkeit von einer Zeitdauer des Vorliegens der Nulllastanforderung seitens des Antriebsaggregats an das Brennstoffzellensystem in dem Normalbetriebszustand das Erfassen des Drucks als Funktion der Zeit zum Feststellen der Leckage unterbrochen oder abgebrochen wird. Das gestartete Erfassen des Drucks als Funktion der Zeit zum Zwecke des Feststellens der Leckage kann also unterbrochen oder abgebrochen werden, wenn die Nullastanforderung seitens des Antriebsaggregats nicht ausreichend lange vorliegt. Anders ausgedrückt kann bei einer während des Erfassens des Drucks als Funktion der Zeit sich einstellenden, plötzlichen Lastanforderung des Antriebsaggregats die Testphase unterbrochen oder abgebrochen werden. Diese kann insbesondere dann vorgesehen sein, wenn eine Steuereinheit zum Steuern einer Energieversorgung des Antriebsaggregats von einer bevorstehenden, besonders hohen Lastanforderung des Antriebsaggregats ausgeht. Dadurch ist der Energieversorgung des Antriebsaggregats eine Priorität eingeräumt.
In der weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird das Starten des Erfassens des Drucks als Funktion der Zeit zum Feststellen der Leckage der Steuereinheit zum Steuern der Energieversorgung des Antriebsaggregats kommuniziert. Dadurch kann die Steuereinheit das Vorliegen der Testphase beim Steuern der Energieversorgung des Antriebsaggregats berücksichtigen.
In vorteilhafter Weise wird zum Kommunizieren zwischen dem Brennstoffzellensystem und der Steuereinheit ein Kommunikationsbus, insbesondere ein CAN-Bus, herangezogen (Controller Area Network, Steuergeräte-Feld-Netzwerk). Dadurch kann bei einer räumlichen Trennung der Steuereinheit zum Steuern der Energieversorgung des Antriebsaggregats und der Steuereinheit des Brennstoffzellensystems eine einheitliche, besonders robuste und wenig fehleranfällige Kommunikation sichergestellt werden.
Als weiter vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn das Vorliegen des Normalbetriebszustands in Abhängigkeit von wenigstens einem, insbesondere einem Druck und/oder eine Temperatur und/oder einen Strom umfassenden, Betriebsparameter des Brennstoffzellensystems definiert wird. So kann als Voraussetzung für das Starten des Erfassens des Drucks als Funktion der Zeit zum Feststellen der Leckage eine Mindesttemperatur des Brennstoffzellensystems vorgegeben sein, beispielsweise eine Kühlmitteltemperatur des Brennstoffzellenstapels von mehr als 35°C. Dadurch sind für den Normalbetriebszustand besonders gut reproduzierbare Bedienungen vorgebbar, so dass eine Streuung von beim Testen auf das Vorliegen einer Leckage zu beobachtenden Druckabfällen vergleichsweise gering gehalten werden kann, sofern keine Leckage vorliegt. Es kann der Betriebsparameter des Brennstoffzellensystems einen geeigneten Bereitschaftszustand einer Software zum Betreiben des Brennstoffzellensystems umfassen.
Bei einem eine Polymer-Elektrolyt-Membren (PEM) bzw. Protonenaustauschmembran (PEM) aufweisenden Brennstoffzellensystem können als Systemvoraussetzungen zum Starten des Erfassens des Drucks als Funktion der Zeit zum Feststellen der Leckage ein Druck von 1 bar bis 3 bar und/oder eine Temperatur von 35°C bis 90°C und/oder ein von dem Brennstoffzellenstapel bereitgestellter Strom von weniger als 20 A vorgesehen sein.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird das Starten des Erfassens des Drucks als Funktion der Zeit zum Zwecke des Feststellens der Leckage bei einer die Nullastanforderung seitens des Antriebsaggregats übersteigenden Lastanforderung an das Brennstoffzellensystem unterbunden. Es wird also der Lastanforderung seitens des Antriebsaggregats eine Hoheit über das Brennstoffzellensystem eingeräumt, wodurch auf ein Decken der Lastanforderung des Antriebsaggregats mittels des Energiespeichers verzichtet werden kann. Es trägt zu einer Entlastung des Energiespeichers bei.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird in Abhängigkeit von einer Zeitdauer und/oder Häufigkeit des Vorliegens der Nulllastanforderung seitens des Antriebsaggregats an das Brennstoffzellensystem das Erfassen des Drucks als Funktion der Zeit im Abschaltbetrieb des Brennstoffzellensystems gestartet. Es kann also vorgesehen sein, das Erfassen des Drucks dann im Abschaltbetrieb, also beim Außer-Betrieb-Nehmen, des Brennstoffzellensystems zu starten, wenn die Nulllastanforderung seitens des Antriebsaggregats im Normalbetriebszustand des Brennstoffzellensystems nicht ausreichend häufig ein Starten des Erfassens des Drucks als Funktion der Zeit zum Feststellen der Leckage ermöglichte.
Die Häufigkeit des Startens des Erfassens des Drucks während eines Betriebszyklus des Brennstoffzellensystems, welcher ein In-Betrieb-Nehmen, den Normalbetriebszustand und den Abschaltbetrieb umfasst, kann so vorgegeben werden, dass das Erfassen des Drucks als Funktion der Zeit jedes Mal gestartet wird, wenn geeignete Voraussetzungen vorliegen. Dadurch ist ein besonders kontinuierliches Feststellen von Leckagen ermöglicht. Selbstverständlich kann auch das Erfassen auch nur bei jedem n-ten Mal des Vorliegens geeigneter Vorraussetzungen gestartet werden, wobei n eine Zahl größer als zwei sein kann.
Schließlich hat es sich als vorteilhaft gezeigt, wenn das Erfassen des Drucks als Funktion der Zeit im Abschaltbetrieb des Brennstoffzellensystems gestartet wird, falls in dem Normalbetriebszustand eine zum Erfassen des Drucks als Funktion der Zeit vorgegebene Zeitspanne kürzer war als die Zeitdauer des Vorliegens der Nulllastanforderung. Wenn also während des Betriebszyklus des Brennstoffzellensystems im Normalbetriebszustand keine geeigneten Voraussetzungen zum Feststellen der Leckage vorlagen, ist so sichergestellt, dass je Betriebszyklus wenigstens einmal, nämlich spätestens im Abschaltbetrieb das Verfahren zum Feststellen der Leckage durchgeführt wird.
Die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Feststellen einer Leckage des Brennstoffzellensystems beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen und Vorteile gelten auch für das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem.
Das, insbesondere für mobile Anwendungen, bevorzugt in einem Kraftfahrzeug, einsetzbare Brennstoffzellensystem umfasst hierbei einen Brennstoffzellenstapel mit einer Vielzahl von einzelnen Brennstoffzellen. Der Brennstoffzellenstapel weist einen Anodenraum und einen Kathodenraum auf. Sowohl an dem Kathodenraum als auch in dem Anodenraum können entsprechende Zufuhrleitungen und Abfuhrleitungen vorgesehen sein, welche jeweils zum Zuführen eines Reduktionsmittels zu dem Anodenraum und zum Abführen von Abgas aus dem Anodenraum bzw. zum Zuführen eines Oxidationsmittels zu dem Kathodenraum und zum Abführen von Abgas aus dem Kathodenraum vorgesehen sind.
Ebenso kann, insbesondere in einem den Anodenraum umfassenden Anodenzweig eine Rückführeinrichtung mit einem Gebläse zum Rückführen von Abgas aus dem Anodenraum in die Zufuhrleitung zu dem Anodenraum vorgesehen sein. Eine entsprechende, insbesondere ein Gebläse aufweisende Rückführeinrichtung kann auch einem den Kathodenraum umfassenden Kathodenzweig zugeordnet sein.
Das dem Anodenraum zugeführte Reduktionsmittel kann Wasserstoff oder ein wasserstoffhaltiges Gas umfassen. Das dem Kathodenraum zugeführte Oxidationsmittel kann Sauerstoff oder ein sauerstoffhaltiges Gas, z. B. Luft umfassen. Zum Einstellen eines Drucks in dem Anodenzweig und/oder in dem Anodenraum können einem Bevorratungsbehältnis Kontrollelemente, etwa Druckregelorgane und/oder Ventile nachgeschaltet sein. Mittels eines Drucksensors und einer Zeitmesseinrichtung kann in dem Anodenzweig der Druck als Funktion der Zeit erfasst werden, um ein Vorliegen einer Leckage in dem Anodenzweig festzustellen.
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.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung. Diese zeigt:
Ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Feststellen einer Leckage eines Brennstoffzellensystems für ein Kraftfahrzeug während eines Normalbetriebszustand des Brennstoffzellensystems.
Bei dem Verfahren zum Festellen eines Vorliegens einer Leckage in einem Anodenzweig eines Brennstoffzellensystems für ein Kraftfahrzeug erfolgt nach einem Startschritt 10 ein Abfragen 12, in welchem ermittelt wird, ob sich das Brennstoffzellensystem in einem Normalbetriebszustand befindet.
Der Normalbetriebszustand ist bevorzugt dadurch gekennzeichnet, dass eine Startbetrieb des Brennstoffzellensystems bereits erfolgt ist und keine Warmlaufphase mehr vorliegt. Für das Abfragen 12, ob ein Normalbetrieb des Normalbetriebszustands des Brennstoffzellensystems vorliegt, werden in dem Brennstoffzellensystem herrschende Drücke, eine Temperatur sowie der von dem Brennstoffzellensystem bereitgestellte Strom gemessen.
Ergibt das Abfragen 12, dass kein Normalbetriebszustand des Brennstoffzellensystems vorliegt, so erfolgt ein erneutes Ausführen des Startschritts 10 zu einem späteren Zeitpunkt.
Bei Vorliegen des Normalbetriebszustands erfolgt im nächsten Schritt ein Ermitteln 14 einer Lastanforderung eines Antriebsaggregats an das Brennstoffzellensystem. Ergibt das Ermitteln 14, dass eine Lastanforderung seitens des Antriebsaggregats an das Brennstoffzellensystem vorliegt, welche größer ist als eine Nulllastanforderung, so wird der Startschritt 10 zu einem späteren Zeitpunkt erneut ausgeführt.
Liegt jedoch eine Nulllastanforderung seitens des Antriebsaggregats an das Brennstoffzellensystem vor, befindet sich das Antriebsaggregat also etwa im Leerlauf, beispielsweise bei einem Stillstand des Kraftfahrzeugs an einer Ampel, so kann ein Leckagetest durchgeführt werden.
Als eine Voraussetzung für das Durchführen des Leckagetests kann eine Temperatur des Brennstoffzellensystems von mehr als 35°C vorgegeben sein.
Während des Leckagetests können von dem Antriebsaggregat verschiedene Verbraucher mittels des Brennstoffzellensystems weiter mit Energie versorgt werden. Insbesondere kann von dem Brennstoffzellensystem eine Last von Komponenten gedeckt werden, welche einem Eigenverbrauch des Brennstoffzellensystems zuzurechnen sind. Diese Komponenten können einen Kompressor und einen Antriebsmotor zum Antreiben des Kompressors umfassen, mittels welchem ein Kathodenzweig des Brennstoffzellensystems mit einem Oxidationsmittel beaufschlagbar ist. Diese Komponenten können des Weiteren ein Rehzirkulationsgebläse, mittels welchem insbesondere anodenseitiges Abgas über eine Rückführeinrichtung einer Zuleitung zu einem Anodenraum des Anodenzweigs zuführbar ist und/oder eine Kühlmittelpumpe zum Kühlen des Brennstoffzellensystems umfassen.
Auch eine Klimaanlage zum Klimatisieren eines Fahrgastraums des Kraftfahrzeugs kann während des Leckagetests mittels des Brennstoffzellensystems mit Energie versorgt werden.
Das Starten des Leckagetests erfolgt bevorzugt, wenn seitens dieser Verbraucher eine konstante, niedrige, insbesondere unterhalb eines Schwellenwertes liegende, Lastanforderung an das Brennstoffzellensystem vorliegt. Des Weiteren wird vor dem Starten des Leckagetests geprüft, ob in dem vorliegend als eine Polymer-Elektrolyt-Membran aufweisenden Brennstoffzellensystem ein Druck von 1° bar bis 3° bar, eine Temperatur von 35°C bis 90°C vorliegt und das Brennstoffzellensystem einen Strom von weniger als 20 A bereitstellt.
Für den Leckagetest erfolgt zunächst ein Einstellen 16 eines in dem Anodenzweig des Brennstoffzellensystems herrschenden Drucks. Hierbei werden Kontrollelemente, beispielsweise Ventile, betätigt, welche in einer Zufuhrleitung und in einer Abfuhrleitung des Anodenzweigs vorgesehen sind. Dadurch ist der Anodenzweig zu einer Umgebung abgesperrt, und es kann in einem nächsten Schritt ein Erfassen 18 des Drucks in dem Anodenzweig als Funktion der Zeit gestartet werden. Beim Erfassen 18 des Drucks als Funktion der Zeit zum Feststellen eines Vorliegens einer Leckage in dem Anodenzweig wird ein Druckabfall in dem Anodenzweig beobachtet.
Während des Erfassens 18 erfolgt ein erneutes Überprüfen 20, ob eine die Nulllastanforderung seitens des Antriebsaggregats übersteigende Lastanforderung seitens des Antriebsaggregats an das Brennstoffzellensystem vorliegt. Erfolgt während des Erfassens 18 keine, insbesondere plötzliche, Lastanforderung seitens des Antriebsaggregats, so erfolgt in einem nächsten Schritt ein Vergleichen 22 des als Funktion der Zeit über eine vorgegebene Zeitspanne erfassten Drucks in dem Anodenzweig mit einem für diese Zeitspanne vorgegebenen Druckverlauf. Der für die Zeitspanne vorgegebene Druckverlauf wurde vorab empirisch und spezifisch für das Brennstoffzellensystem ermittelt.
Weicht der beim Erfassen 18 ermittelte Druckverlauf von dem vorgegebenen Druckverlauf stärker ab, als es einem entsprechenden Toleranzintervall entspricht, so kann darauf geschlossen werden, dass in dem Anodenzweig eine Leckage vorliegt.
Ergibt das Überprüfen 20, dass eine die Nullastanforderung übersteigende Lastanforderung seitens des Antriebsaggregats an das Brennstoffzellensystem vorliegt, so kann ein Abbrechen 24 des Erfassens 18 ausgelöst werden. Nach dem Abbrechen 24 wird der Startschritt 10 zu einem späteren Zeitpunkt erneut durchgeführt.
Alternativ kann beim Vorliegen einer plötzlichen, insbesondere vergleichsweise hohen, Lastanforderung seitens des Antriebsaggregats an das Brennstoffzellensystem ein Ermitteln 26 eines Ladezustands eines Akkumulators erfolgen, in welchen von dem Brennstoffzellensystem erzeugte Energie einspeisbar ist. Ergibt das Ermitteln 26 des Ladezustands des als Energiespeicher dienenden Akkumulators, dass der Ladezustand nicht zum Decken der Lastanforderung seitens des Antriebsaggregats ausreicht, kann auf das Abbrechen 24 des Leckagetests entschieden werden.
Ergibt das Ermitteln 26 des Ladezustands jedoch, dass der Akkumulator ausreichend Energie gespeichert hat, um die Lastanforderung des Antriebsaggregats zu decken, kann auf ein Decken 28 der Lastanforderung des Antriebsaggregats mittels der Energie aus dem Akkumulator entschieden werden.
Anschließend kann das Vergleichen 22 des als Funktion der Zeit über die vorgegebene Zeitspanne erfassten Drucks mit dem für diese Zeitspanne vorgegebenen Druckverlauf erfolgen. Nach erfolgtem Vergleichen 22 ist der Leckagetest beendet, wie in der Figur durch einen Endschritt 30 veranschaulicht ist.

10: Startschritt
12: Abfragen
14: Ermitteln
16: Einstellen
18: Erfassen
20: Überprüfen
22: Vergleichen
24: Abbrechen
26: Ermitteln
28: Decken
30: Endschritt

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- US 2006/0166060 A1 [0002]

Claims

Verfahren zum Feststellen einer Leckage eines Brennstoffzellensystems, mittels welchem in einem von einem Abschaltbetrieb verschiedenen Normalbetriebszustand Energie für ein Antriebsaggregat bereitstellbar ist, bei welchem ein in einem Anodenzweig des Brennstoffzellensystems herrschender Druck durch Betätigen wenigstens eines Kontrollelements zum Einstellen eines Massenstroms eines dem Anodenzweig zugeführten Reduktionsmittels eingestellt wird, und bei welchem der Druck als Funktion der Zeit erfasst wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Erfassen (18) des Drucks in dem Anodenzweig als Funktion der Zeit zum Feststellen der Leckage in dem Normalbetriebszustand des Brennstoffzellensystems gestartet wird, sofern seitens des Antriebsaggregats eine Nulllastanforderung an das Brennstoffzellensystem vorliegt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass während des Erfassens (18) des Drucks als Funktion der Zeit in dem Normalbetriebszustand wenigstens ein von dem Antriebsaggregat verschiedener Verbraucher mittels des Brennstoffzellensystems mit Energie versorgt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Verbraucher zum Betreiben zumindest einer Komponente des Brennstoffzellensystems herangezogen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck als Funktion der Zeit über eine vorgegebene Zeitspanne zum Feststellen der Leckage erfasst und mit einem für diese Zeitspanne vorgegebenen Druckverlauf verglichen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine während des Erfassens (18) des Drucks als Funktion der Zeit von dem Antriebsaggregat angeforderte Last zumindest teilweise mittels Energie aus einem Energiespeicher gedeckt wird.
Verfahren nach Anspruch 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass die von dem Antriebsaggregat angeforderte Last zumindest teilweise mittels Energie aus dem Energiespeicher in Abhängigkeit von einem Fortschritt der vorgegebenen Zeitspanne gedeckt wird, während welcher der Druck als Funktion der Zeit erfasst wird.
Verfahren nach Anspruch 4 und 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Decken (28) der von dem Antriebsaggregat angeforderten Last mittels Energie aus dem Energiespeicher in Abhängigkeit von einem Ladezustand des Energiespeichers vorgenommen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit von einer Zeitdauer des Vorliegens der Nulllastanforderung seitens des Antriebsaggregats an das Brennstoffzellensystem in dem Normalbetriebszustand das Erfassen (18) des Drucks als Funktion der Zeit zum Feststellen der Leckage unterbrochen oder abgebrochen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Starten des Erfassens (18) des Drucks als Funktion der Zeit zum Feststellen der Leckage einer Steuereinheit zum Steuern einer Energieversorgung des Antriebsaggregats kommuniziert wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass zum Kommunizieren zwischen dem Brennstoffzellensystem und der Steuereinheit ein Kommunikationsbus, insbesondere ein CAN-Bus, herangezogen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Vorliegen des Normalbetriebszustands in Abhängigkeit von wenigstens einem, insbesondere einen Druck und/oder eine Temperatur und/oder einen Strom umfassenden, Betriebsparameter des Brennstoffzellensystems definiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Starten des Erfassens (18) des Drucks als Funktion der Zeit zum Feststellen der Leckage bei einer die Nulllastanforderung seitens des Antriebsaggregats übersteigenden Lastanforderung an das Brennstoffzellensystem unterbunden wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit von einer Zeitdauer und/oder einer Häufigkeit des Vorliegens der Nulllastanforderung seitens des Antriebsaggregats an das Brennstoffzellensystem das Erfassen (18) des Drucks als Funktion der Zeit im Abschaltbetrieb des Brennstoffzellensystems gestartet wird.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Erfassen (18) des Drucks als Funktion der Zeit im Abschaltbetrieb des Brennstoffzellensystems gestartet wird, falls in dem Normalbetriebszustand eine zum Erfassen (18) des Drucks als Funktion der Zeit vorgegebene Zeitspanne kürzer war, als die Zeitdauer des Vorliegens der Nulllastanforderung.
Brennstoffzellensystem, mittels welchem in einem von einem Abschaltbetrieb verschiedenen Normalbetriebszustand Energie für ein Antriebsaggregat bereitstellbar ist, wobei ein in einem Anodenzweig des Brennstoffzellensystems herrschender Druck durch Betätigen wenigstens eines Kontrollelements zum Einstellen eines Massenstroms eines dem Anodenzweig zugeführten Reduktionsmittels einstellbar ist, und wobei der Druck als Funktion der Zeit erfassbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Erfassen (18) des Drucks in dem Anodenzweig als Funktion der Zeit in dem Normalbetriebszustand des Brennstoffzellensystems auslösbar ist.