DE102011118689A1

DE102011118689A1 - Verfahren zur Fehlerdiagnose in einem Brennstoffzellensystem

Info

Publication number: DE102011118689A1
Application number: DE102011118689A
Authority: DE
Inventors: Markus Aberle; Klaus Graage; Gerald Hornburg; Sven Schmalzriedt
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2011-11-16
Filing date: 2011-11-16
Publication date: 2013-05-16

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Fehlerdiagnose in einem Brennstoffzellensystem (1) mit wenigstens einer Brennstoffzelle (3) mit einer Anodengasversorgung, mit einer Kathodengasversorgung und mit mehreren elektrischen Sensoren und Aktuatoren (17, 20, 21, 22, 23). Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass gemessen wird, ob das Brennstoffzellensystem (1) ohne Druck und ohne Hochspannung ist, wonach die Funktionsfähigkeit der Aktuatoren (17, 20) gemessen wird, und wonach das Hochvoltsystem aktiviert und die Luftfördereinrichtung (8) kurzzeitig betrieben wird, wobei mit Hilfe eines systemeigenen Luftmassenstromsensors und mit Hilfe von systemeigenen Drucksensoren bei verschiedenen Stellungen von Drosselklappen Werte für den Luftmassenstrom und/oder den Druck erfasst und mit Vorgabewerten verglichen werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Fehlerdiagnose in einem Brennstoffzellensystem nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.
Brennstoffzellensysteme sind aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Sie bestehen im Allgemeinen aus einer Brennstoffzelle, einer gewissen Anzahl von Aktuatoren und Sensoren sowie einer Anodengasversorgung und einer Kathodengasversorgung. Bei beiden ist es prinzipiell denkbar und möglich, eine Rezirkulation von Anoden- beziehungsweise Kathodenabgas in die jeweilige Anoden- bzw. Kathodenversorgung zu integrieren. Solche Brennstoffzellensysteme sind typischerweise sehr komplexe und aufwändige Systeme, welche im Falle eines Fehlers, während der Montage oder im regulären Betrieb, entsprechend aufwändig diagnostiziert werden müssen, um den Fehler zu finden. Im Falle der Montage ist es ebenfalls aufwändig, die korrekte Montage Schritt für Schritt zu prüfen, um so einen montagebedingten Fehler im späteren System sicher und zuverlässig verhindern zu können.
Aus dem Stand der Technik sind zahlreiche Methoden und Verfahren zur Fehlerdiagnose in Brennstoffzellensystemen bekannt. So beschreibt beispielsweise die DE 10 2006 037 798 A1 einen Test von Drucksensoren im Betrieb des Brennstoffzellensystems. Die DE 10 2008 006 738 A1 beschäftigt sich mit einem Leistungstest. Die DE 10 2005 000 611 A1 beschreibt eine Diagnoseeinheit, welche bei vorgegebener Leistung die Leistungsfähigkeit der Brennstoffzelle analysiert. Aus der DE 102 31 208 A1 ist außerdem ein Test bekannt, welcher die Funktionsfähigkeit eines Anodenloops sowie der darin vorhandenen Sensoren testet. Außerdem ist in dieser Schrift ein Dichtigkeitstest des Brennstoffzellensystems beschrieben. Letztlich beschreibt außerdem die US 2006/0210843 A1 einen Aufbau, welcher sich ebenfalls mit einem komplexen Leck-Test für ein Brennstoffzellensystem befasst, welcher in verschiedenen Betriebsmodi ausgeführt werden kann.
Diese verschiedenen Einzelroutinen sind dabei einzeln jeweils komplex und benötigen eine entsprechende Ausrüstung zur Durchführung der Tests, was deren Durchführung aufwändig und teuer macht. Sie sind dabei schwerpunktmäßig für Tests während der Montage des Brennstoffzellensystems geeignet.
Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, ein Verfahren zur Fehlerdiagnose in einem Brennstoffzellensystem anzugeben, welches diese Nachteile vermeidet und welches einen einfachen und effizienten Test gewährleistet, welcher mit minimaler zusätzlicher Testausrüstung durchgeführt werden kann.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen hiervon ergeben sich aus den restlichen abhängigen Unteransprüchen.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es vorgesehen, dass gemessen wird, ob das Brennstoffzellensystem ohne Druck und ohne Hochspannung ist. Danach wird die Funktionalität der Aktuatoren gemessen und danach wird das Hochvoltsystem aktiviert und die Luftfördereinrichtung kurzzeitig betrieben, wobei mit Hilfe eines systemeigenen Luftmassenstromsensors und mit Hilfe von systemeigenen Drucksensoren bei verschiedenere Stellungen von Drosselklappen Werte für den Luftmassenstrom und/oder den Druck erfasst und mit Vorgabewerten verglichen werden. Diese Testroutine ermöglicht so, die Funktionsfähigkeit der einzelnen Aktuatoren zu prüfen, und, wenn diese gegeben ist, die Funktionsfähigkeit der Kathodengasversorgung zu überprüfen.
In einer besonders günstigen und vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann es ferner vorgesehen sein, in einem weiteren Schritt die Anodenseite des Brennstoffzellensystems bei aktivierter Luftfördereinrichtung über ein geöffnetes Purge/Drain-Ventil mit Luft zu versorgen, wobei über die systemeigenen Drucksensoren ein Druckanstieg im Bereich der Anodengasversorgung gemessen wird. Wenn dieser Druckanstieg im Bereich von vorgegebenen Werten liegt, dann sind mehrere Erkenntnisse über das Brennstoffzellensystem zu gewinnen. Einerseits ist bekannt, ob das Drain/Purge-Ventil und die damit verbundene Leitungen durchgängig ist. Andererseits kann die Funktionalität der Anodenseite hinsichtlich ihrer Drucksensoren und der Durchströmbarkeit mit Gas diagnostiziert werden.
In einer weiteren sehr günstigen und vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es ferner vorgesehen, dass, insbesondere vor Verfahrensschritten, welche die systemeigenen Sensoren nutzen, bei drucklosem Brennstoffzellensystem und abgeschalteter Hochspannungsversorgung die Funktionalität der Sensoren gemessen wird. Über eine solche Funktionalität kann gemessen werden, ob die Sensoren funktionieren und plausible Werte liefern. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass bei komplett offenem und drucklosem System Drucksensoren in etwa den Umgebungsdruck anzeigen müssen. Tun sie dies nicht, kann eine Fehlfunktion des Drucksensors vermutet werden. Dieser Test der Sensoren, insbesondere bevor mit den Sensoren andere Tests durchgeführt werden, ist insbesondere für die Sicherheit der Testroutinen entscheidend, da so sichergestellt ist, dass die Sensoren, welche später Ergebnisse liefern, welche einen Rückschluss über die Funktionalität beispielsweise der Kathodenluftversorgung oder der Anodengasversorgung ermöglichen, mit funktionsfähigen Sensoren ermittelt wurden, und dass die Sensoren als potenzielle Fehlerquelle ausscheiden.
In einem weiteren sehr vorteilhaften Aspekt des erfindungsgemäßen Verfahrens kann es ferner vorgesehen sein, dass der Isolationswiderstand des Hochspannungssystems des Brennstoffzellensystems gemessen wird. Auch eine solche Messung des Isolationswiderstands ist ein sicherheitsrelevanter Punkt. Er kann daher insbesondere zu Beginn einer Testreihe durchgeführt werden. Wenn die elektrische Sicherheit andersweitig sichergestellt werden kann, kann auf diesen Test selbstverständlich auch verzichtet werden.
In einer weiteren sehr günstigen und vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es ferner vorgesehen, dass die Anodengasversorgung mit einem unter Druck stehenden Gas versorgt wird, wonach alle Ventileinrichtungen geschlossen werden und wonach über einen gewissen Zeitraum hinweg die Druckwerte gemessen werden, um einen eventuellen Druckabfall, welcher auf eine Undichtheit des Systems hinweist, zu erkennen. Ein solcher Dichtheitstest ermöglicht insbesondere im Bereich der Anodengasversorgung, also den Teilen des Brennstoffzellensystems, welcher später Wasserstoff führen werden, eine Überprüfung der Dichtheit, welche ebenfalls als sicherheitsrelevantes Kriterium einzustufen ist. Dabei kann insbesondere Wasserstoff verwendet werden, wenn das Brennstoffzellensystem bereits mit Wasserstoff versorgt ist. Wird das Verfahren beispielsweise während der Montage des Brennstoffzellensystems durchgeführt, dann kann an dieser Stelle auch ein anderes Testgas, vorzugsweise Helium, verwendet werden. Dies weist ähnliche Eigenschaften hinsichtlich der Dichtheit wie Wasserstoff auf, sodass der Test mit Helium vergleichsweise aussagekräftig ist. Eventuell aus dem System durch die Undichtheiten entweichendes Helium ist jedoch weniger sicherheitskritisch als entweichender Wasserstoff, welcher zusammen mit dem Luftsauerstoff zündfähige oder gar explosive Gemische bilden kannte.
In einer besonders günstigen und vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es dabei vorgesehen, dass die einzelnen Testroutinen in wenigstens einem Steuergerät des Brennstoffzellensystems eingespeichert sind, wobei die einzelnen Testroutinen von einem systemunabhängigen Diagnosetestgerät ausgelöst werden können. Insbesondere ein solcher Aufbau, bei dem die Steuergeräte oder das Steuergerät des Brennstoffzellensystems entsprechend programmiert ist, um die einzelnen Testroutinen oder Teilroutinen der Testroutinen auszuführen, ist von besonderem Vorteil. Über ein vom System beziehungsweise einem mit dem Brennstoffzellensystem ausgerüsteten Fahrzeug unabhängigen Diagnosetestgerät können dann beispielsweise über eine Kabelverbindung oder eine Funkverbindung die einzelnen Routinen ausgelöst werden. Reihenfolge, Typ, Anzahl und Auswertung der benötigten Routinen kann dann wiederum durch die Zurückmeldung von in dem Steuergerät zwischengespeicherten Ergebnissen an das Diagnosetestgerät erfolgen, sodass die eigentliche Diagnose des Brennstoffzellensystems im Diagnosetestgerät erfolgt, während die zur Diagnose vorgesehenen Testroutinen in jedem Steuergerät des Brennstoffzellensystems entsprechend programmiert sind. Zum Start der einzelnen Testroutinen in den Steuergeräten kann dabei z. B. ein KWP-2000 Protokoll oder ein UDS-Protokoll für die Kommunikation zwischen dem Diagnosetestgerät und dem oder den Steuergeräten des Brennstoffzellensystems eingesetzt werden.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich ferner aus den restlichen abhängigen Unteransprüchen und werden anhand des Ausführungsbeispiels deutlich, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben wird.
Dabei zeigen:
1 eine Darstellung eines Brennstoffzellensystems 1, wie es beispielsweise in einem prinzipmäßig angedeuteten Fahrzeug eingesetzt werden kann; und
2 eine Matrixdarstellung der möglichen Teststufen des erfindungsgemäßen Verfahrens in Abhängigkeit der vorhandenen Rahmenbedingungen.
In der Darstellung der 1 ist ein Brennstoffzellensystem 1 prinzipmäßig dargestellt. Dieses kann beispielsweise zur Erzeugung von elektrischer Antriebsenergie in einem mit strichpunktierter Linie angedeuteten Fahrzeug 2 vorgesehen sein. Der Aufbau des hier dargestellten Brennstoffzellensystems 1 ist dabei vergleichsweise stark schematisiert. Er ist rein beispielhaft zu verstehen und dient zur Erläuterung der nachfolgend dargestellten Erfindung. Das Brennstoffzellensystem 1 in anderer Art und Weise aufzubauen ist selbstverständlich ebenso möglich und denkbar.
In dem hier dargestellten Brennstoffzellensystem 1 in dem Fahrzeug 2 ist die Kernkomponente eine Brennstoffzelle 3, welche als PEM-Brennstoffzelle ausgebildet sein soll. Diese verfügt über einen Anodenraum 4 und einen durch Membranen hiervon getrennten Kathodenraum 5. Dazwischen ist in der hier gewählten Darstellung ein Kühlwärmetauscher 8 eingezeichnet, welcher gemäß den Pfeilen 7 von Kühlmedium durchströmt werden soll. Dem Kathodenraum 5 der Brennstoffzelle 3 wird Luft über eine Luftfördereinrichtung 8 zugeführt. Diese hat zuvor einen Luftfilter 9 passiert und gelangt über einen Ladeluftkühler 10, welcher ebenfalls von dem Kühlmedium 7 gekühlt ist, und einen Gas-Gas-Befeuchter 11 zu dem Kathodenraum 5 der Brennstoffzelle 3. Unverbrauchte Abluft zusammen mit einem großen Teil des Produktwassers der Brennstoffzelle 3 gelangt aus dem Kathodenraum 5 wiederum über den Befeuchter 11, in dessen Bereich dampfförmige Feuchte an die Zuluft abgegeben wird, und über einen optionalen katalytischen Brenner 12 in den Bereich einer Turbine 13 und von dort an die Umgebung. Im Bereich der Turbine 13 wird das Abgas aus dem Kathodenraum 5 entspannt, um so einen Teil der thermischen Energie und der Druckenergie in dem Abgas zurückgewinnen zu können. Bei Vorhandensein des optionalen katalytischen Brenners 12 kann außerdem Wasserstoff, beispielsweise aus dem Abgas des Anodenraums 4 oder externer zugeführter Wasserstoff aus einem Wasserstofftank 14 verbrannt werden, um die thermische Energie in dem Abgas zu erhöhen und damit die Energieausbeute im Bereich der Turbine 13 zu verbessern. Außerdem können so Wasserstoffemissionen an die Umgebung verhindert werden.
Die Turbine 13 ist zusammen mit der Luftfördereinrichtung 8 und einer elektrischen Maschine 15 auf einer gemeinsamen Welle angeordnet. Dieser Aufbau bildet einen sogenannten elektrischen Turbolader 16, welcher auch als ETC (Electric Turbo Charger) bezeichnet wird. Dieser ETC 16 funktioniert dabei so, dass die aus dem Abgas und/oder der katalytischen Verbrennung zurückgewonnene Leistung zum Antrieb der Luftfördereinrichtung 8 durch die Turbine 13 genutzt wird. Typischerweise reicht die Leistung jedoch nicht vollständig aus, um die Luftfördereinrichtung 8 anzutreiben. Für diese Fälle wird zusätzliche elektrische Leistung über die elektrische Maschine 15 erzeugt, sodass die Luftfördereinrichtung 8 mit der benötigten Antriebsleistung angetrieben werden kann. In Fällen, in denen im Bereich der Turbine 13 mehr Leistung anliegt als von der Luftfördereinrichtung 8 benötigt wird, kann die elektrische Maschine 15 auch generatorisch betrieben werden, um auch ihrerseits elektrische Leistung zu erzeugen.
Der Brennstoffzelle 3 beziehungsweise ihrem Anodenraum 4 wird außerdem Wasserstoff aus dem bereits erwähnten Wasserstofftank 14 zugeführt. Dieser ist typischerweise als Druckgasspeicher ausgelegt. Über ein Absperrventil 17 gelangt der frische Wasserstoff in den Bereich einer Druckreduzierung und einer Anodengasrezirkulationsfördereinrichtung. Diese sind gemeinsam über die mit 18 bezeichnete Box dargestellt. Wasserstoff gelangt dann in den Anodenraum 4 der Brennstoffzelle 3 und wird in diesem teilweise umgesetzt. Unverbrauchter Wasserstoff gelangt über eine Rezirkulationsleitung 19 zurück zur Rezirkulationsfördereinrichtung im Bereich der mit 18 bezeichneten Box. Diese kann beispielsweise als eine oder mehrere Gasstrahlpumpen ausgebildet sein. Alternativ oder ergänzend hierzu ist auch ein Wasserstoffrezirkulationsgebläse denkbar.
Im Bereich dieser Anodenrezirkulation reichert sich mit der Zeit im Bereich des Anodenraums 4 entstehendes Produktwasser und durch die Membranen der Brennstoffzelle 3 hindurchdiffundiertes inertes Gas, insbesondere Stickstoff, an. Um die Wasserstoffkonzentration in der Anodenrezirkulation nicht unter einen kritischen Wert abfallen zu lassen, müssen diese Stoffe von Zeit zu Zeit an die Umgebung abgegeben werden. Hierfür dient am sogenanntes Drain/Purge-Ventil 20, welches oft zusammen mit einem hier nicht dargestellten Wasserabscheider realisiert ist. Dieses Ventil 20 wird beispielsweise von Zeit zu Zeit oder in Abhängigkeit einer Wasserstoffkonzentration geöffnet, um Wasser und/oder Gas aus der Anodenrezirkulation abzulassen und dadurch die Wasserstoffkonzentration im Bereich der Anodenrezirkulation wieder anzuheben. Das abgelassene Wasser und/oder Gas gelangt in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel in die Abluftstrecke des Kathodenraums 5, und zwar im Bereich zwischen dem Befeuchter 11 und dem optionalen katalytischen Brenner 12. Eventueller Restwasserstoff kann dann in dem katalytischen Brenner 12 umgesetzt werden, um so Wasserstoffemissionen an die Umgebung zu verhindern. Ist der Brenner nicht vorhanden, so wird durch das Kathodenabgas eine sehr hohe Verdünnung des in dem abgelassenen Gas enthaltenen Restwasserstoffs erreicht, sodass dieser vergleichsweise gefahrlos an die Umgebung abgelassen werden kann.
Neben den bereits beschriebenen Aktuatoren in Form der Ventileinrichtungen 17, 20 und gegebenenfalls einer oder mehrerer Ventileinrichtung(-en) im Bereich der mit 18 bezeichneten Box sind außerdem beispielhaft – lediglich auf der Anodenseite – drei Drucksensoren eingezeichnet, einer im Bereich des Eingangs des Anodenraums 4. Dieser ist mit dem Bezugszeichen 21 versehen. Ein weiterer Drucksensor 22 befindet sich im Bereich des Ausgangs des Anodenraums 4, also im Bereich der Rezirkulationsleitung 19. Außerdem lässt sich der Differenzdruck zwischen diesen beiden Drucksensoren entsprechend ermitteln, um so den Druckabfall über dem Anodenraum 4 zu erhalten. Ferner ist ein Drucksensor beispielhaft im Bereich zwischen dem Absperrventil 17 und dem Wasserstofftank 14 dargestellt. Daneben sind typischerweise weitere Drucksensoren, Luftmassensensoren sowie weitere Aktuatoren und Sensoren im Bereich des Brennstoffzellensystems 1 an sich bekannt und üblich.
Um das Brennstoffzellensystem 1 nun bereits bei der Montage und beim Vorliegen einzelner Versorgungsmedien beziehungsweise Energien hinsichtlich seiner Funktionalität testen zu können, wird nachfolgend ein Testablauf mit diversen Testroutinen beschrieben. Diese Testroutinen können idealerweise durch ein angedeutetes bordeigenes Steuergerät 24 des Brennstoffzellensystems 1, welches als einzelnes Steuergerät oder als Vielzahl von einzelnen Steuergeräten ausgebildet ist, realisiert werden. Ein einfaches Diagnosetestgerät 25 reicht aus, um mit dem Steuergerät 24 in Kommunikation gebracht zu werden. Die Kommunikation des Diagnosetestgeräts 25 mit dem Steuergerät 24 kann beispielsweise über eine Steckverbindung oder über eine andersartige Verbindung, beispielsweise über Funk, Infrarot oder dergleichen realisiert werden. Sie ist in der Darstellung der 1 rein beispielhaft durch eine Verbindungsleitung 26 angedeutet. Dabei ist es vorgesehen, dass die nachfolgend noch im Detail beispielhaft beschriebenen Testroutinen in dem bordeigenen Steuergerät 24 bereits programmiert sind. Über das Diagnosetestgerät 25 werden diese Testroutinen dann beispielsweise in der gewünschten Reihenfolge oder jeweils einzeln oder teilweise ausgewählt und aktiviert, um so den in dem Steuergerät 24 programmierten Ablauf der Testroutine auszulösen. Je nachdem, ob die Spannungsversorgung auf 12 Volt-Basis, wie sie bei Fahrzeugen als Niederspannung üblich ist, oder die Spannungsversorgung auf Hochspannungsbasis, also dem Spannungsniveau der Brennstoffzelle 3 und gegebenenfalls einer mit der Brennstoffzelle 3 verbundenen Batterie zur Hybridisierung des Brennstoffzellensystems 1 vorliegt, können unterschiedliche Tests ausgeführt werden. Auch das Vorhandensein oder Nichtvorhandensein des Kühlmediums 7 und/oder das Vorhandensein von Wasserstoff oder eines Testgases wie beispielsweise Helium können von entscheidender Bedeutung sein.
In 2 ist eine Matrix dargestellt, welche diese Randbedingungen einzeln auflistet. Sie werden in der Darstellung der 2 als „Integrationstiefe” bezeichnet. In der ersten Zeile sind dabei lediglich 12 V als Spannung vorhanden. In der zweiten Zeile ist zusätzlich die Hochspannung (HV) vorhanden. In der dritten Zeile ist zusätzlich Helium als Test- und Prüfgas, beispielsweise innerhalb einer Montagelinie für das Brennstoffzellensystem 1, vorhanden. In der vierten Zeile ist zusätzlich Wasserstoff vorhanden, in der fünften Zeile stehen zusätzlich kleine elektronische Lasten zur Verfügung. In der letzten Zeile steht abschließend der Fahrmotor mit der Möglichkeit des Fahrbetriebs oder des Betriebs auf einem Rollenteststand (Dyno) sowie Kühlwasser- beziehungsweise Kühlmedium zur Verfügung.
In den Spalten der in 2 dargestellten Matrix finden sich die einzelnen Testroutinen, welche mit den Buchstaben a) bis i) bezeichnet sind zusammen mit einer kurzen Erläuterung. Sie werden in der Darstellung der 2 als Testabdeckung bezeichnet.
Nun ist es so, dass die einzelnen mit a) bis i) bezeichneten Testroutinen, welche nachfolgend anhand von Beispielen noch näher erläutert werden, in Abhängigkeit der Integrationstiefe eingesetzt werden können oder nicht. Ein vollständiger Test nutzt dabei die Funktionalitäten a) bis i) in der durch die alphabetische Bezeichnung vorgegebenen Reihenfolge, wobei die Tests nicht in unmittelbarer zeitlicher Abfolge durchgeführt werden müssen, sondern beispielsweise während der Montage eines Brennstoffzellensystems jeweils nach einzelnen erfolgten Montageschritten erfolgen können. Außerdem ist die Verwendung der Testroutinen selbstverständlich auch so möglich, dass lediglich einzelne Testroutinen aufgegriffen werden, um die benötigte Überprüfung durchzuführen. Beispielsweise kann zum Test eines komplett montierten Brennstoffzellensystems 1 in einem Fahrzeug 2, beispielsweise wenn dieses im Falle einer Panne liegen bleibt, der Testablauf in umgekehrter Reihenfolge erfolgen, sodass je nach Ergebnis der jeweiligen Testroutine nach und nach ausgeschlossen werden kann, in welchen Bereichen kein Fehler vorliegt und damit abgeschätzt werden kann, in welchen Bereichen der Fehler vorliegt.
Zwingend notwendig zur Durchführung eines Tests sind dabei immer die mit b) und e) bezeichneten Funktionalitäten. Weiterführend können dann in jedem Fall die mit c) und d) bezeichneten Funktionalitäten genutzt werden, da diese sicherheitsrelevante Funktionen betreffen und diese, sofern die Sicherheit nicht andersweitig gewährleistet werden kann, zusammen mit den Stufen b) und e) durchgeführt werden sollten.
Nachfolgend werden für die einzelnen Stufen a) bis i) beispielhaft Möglichkeiten zur Durchführung des jeweiligen Testroutinen beschrieben, aus welchen sich auch die Charakteristik und die Funktionalität als solches ergibt. Die Tests werden immer durch das oder die dem Brennstoffzellensystem 1 beziehungsweise dem Fahrzeug 2 eigenen Steuergerät(-e) durchgeführt und durch das Diagnosetestgerät 25, z. B. via KWP2000-Protokoll oder UDS-Protokoll gestartet. Das Ergebnis wird jeweils in einem nicht flüchtigen Speicher des Steuergeräts 24 gespeichert und an des Diagnosetestgerät 25 zurückgemeldet.
a) Vollständigkeit elektrischer Aktuatoren
Beim Test der Vollständigkeit elektrischer Aktuatoren wird geprüft, ob alle elektrisch angesteuerten Aktuatoren, beispielsweise Ventile, Regelklappen und dergleichen, in dem Brennstoffzellensystem 1 vorhanden sind. Es wird dabei geprüft, ob ein Kurzschluss der Aktuatoren gegenüber der Masse oder gegenüber der Batterie vorliegt, oder ob die Aktuatoren einen anderweitigen elektrischen Fehler aufweisen, beispielsweise nicht ordentlich angeschlossen sind oder dergleichen. Dafür wird jeder der Aktuatoren entsprechend betätigt und ein Ausbleiben seiner Betätigung aufgrund eines fehlerhaften elektrischen Signals lässt sich entsprechend feststellen, speichern und dem Diagnosetestgerät 25 zurückmelden.
b) Funktionalität der Aktuatoren
Die Funktionalität der Aktuatoren kann beispielsweise über eine Strommessung, insbesondere eine Summenstrommessung, erfolgen. Die Testroutine wird, wie oben beschrieben, von dem Diagnosetestgerät 25 ausgelöst. Bei der Testroutine können beispielsweise alle Drücke und Hochvoltspannungen entsprechend gemessen werden. Wenn sichergestellt ist, dass das Brennstoffzellensystem 1 drucklos und ohne Hochspannung ist, werden die Aktuatoren nacheinander einzeln eingeschaltet und die Summenstromaufnahme wird mit Hilfe eines Batteriestromsensors gemessen. Das Testergebnis wird wiederum in einem nicht flüchtigen Speicher im Steuergerät 24 gespeichert und an das Diagnosetestgerät 25 zurückgemeldet. Fehlerhafte Ergebnisse, welche durch einen Vergleich mit vorgegebenen und gespeicherten Referenz- beziehungsweise Erfahrungswerten, insbesondere durch das Diagnosetestgerät 25, diagnostiziert werden können, lassen Rückschluss auf die Funktionalität der einzelnen Aktuatoren zu. Wenn zuvor über dem unter a) beschriebenen Ablauf festgestellt worden ist, dass alle Aktuatoren vorhanden sind, kann so sicher und zuverlässig auf die Funktionalität oder einen eventuellen Fehler im Bereich der Aktuatoren zurückgeschlossen werden.
c) Vollständigkeit elektrischer Sensoren inklusive Plausibilisierung der Messwerte
Bei dieser Testroutine werden alle vorhandenen Sensoren auf dieselben Fehler geprüft, wie zuvor die Aktuatoren. Es wird also geprüft, ob eine entsprechende Messspannung erzeugt werden kann, ob ein Kurzschluss gegenüber Masse oder Batterie vorliegt oder ob ein fehlerhafter Anschluss vorliegt. Die Ergebnisse werden dann wiederum in einem nicht flüchtigen Speicher des Steuergeräts 24 gespeichert und an das Diagnosetestgerät 25 zurückgemeldet. Außerdem wird geprüft, ob das Messergebnis jedes einzelnen Sensors plausibel ist. So müssen beispielsweise bei druckleerem beziehungsweise drucklosem Brennstoffzellensystem 1 alle Drucksensoren Werte anzeigen, welche nahe dem Umgebungsdruck liegen. Die Ergebnisse werden wiederum in dem nicht flüchtigen Speicher des Steuergeräts 24 gespeichert und an das Diagnosetestgerät 25 zurückgemeldet. Ist dies nicht der Fall, zeigt also ein Drucksensor beispielsweise einen sehr viel höheren Druck als Umgebungsdruck an, dann muss von einem Fehler eben dieses Drucksensors ausgegangen werden.
d) Isolationswiderstand des Hochvoltsystems
Beim Ausführen der Testroutine wird das Hochvoltsystem mittels der vorhandenen Batterie und des in dem Brennstoffzellensystem 1 typischerweise ohnehin vorhandenen DC/DC-Wandlers oder eine Vorladeschaltung mit einer kleinen Prüfspannung beaufschlagt. Eine solche Prüfspannung ist dabei typischerweise eine Spannung mit weniger als 60 V, da ab einer Spannung von 60 V Gleichspannung ein Spannungswert vorliegt, welcher für Personen potentiell gefährlich ist. Die Prüfspannung wird also typischerweise unterhalb dieses Werts angelegt. Anschließend erfolgt eine integrierte Isolationswiderstandsmessung. Diese weist eine Einrichtung zum Messen des Isolationswiderstands des Brennstoffzellensystems 1 gegenüber einem elektrischen Massepunkt auf. Die Messeinrichtung umfasst dabei

– eine aus einer Reihenschaltung von Referenzwiderständen gebildete Widerstandsanordnung zwischen zwei Laststromleitungen des Brennstoffzellensystems,
– eine zwischen dem Massepunkt und einem Knoten zwischen den Referenzwiderständen angeordnete Referenzspannungsquelle, welche zwischen mindestens zwei verschiedenen Referenzspannungen umstellbar ist,
– eine Spannungserfassungseinrichtung, welche die Spannung zumindest zwischen einer der Laststromleitungen und dem Massepunkt erfasst, sowie
– eine mit der Spannungserfassungseinrichtung verbundene Auswerteeinheit, welche den Isolationswiderstand auf Grundlage eines ersten Spannungswerts, welcher einen Wert der Spannung zwischen einer ersten der Laststromleitungen und dem Massepunkt bei Anliegen einer ersten Referenzspannung der Referenzspannungsquelle repräsentiert, und eines zweiten Spannungswerts ermittelt, welcher einen Wert der Spannung zwischen der ersten Laststromleitung und dem Massepunkt bei Anliegen einer zweiten Referenzspannung der Referenzspannungsquelle repräsentiert.

Die Messeinrichtung ist symmetrisch zwischen den Laststromleitungen des Brennstoffzellensystems angeordnet. Durch Umschalten der Referenzspannungsquelle von einer Referenzspannung auf eine andere kann das System gezielt verändert werden. Dies ermöglicht es, Werte für die Spannung zwischen einer der Laststromleitungen und dem Massepunkt unter verschiedenen Messbedingungen zu erhalten. Unter Anwendung der Kirchhoff'schen Maschen- und Knotenregeln kann mit den so erhaltenen Spannungswerten der Isolationswiderstand seiner Größe nach berechnet werden.
Eine weitergehende Detaillierung und Erläuterung dieser beispielhaften Ausgestaltung der Isolationswiderstandsmessung ergibt sich aus der deutschen Patentanmeldung DE 10 2004 032 230 A1 , welche diese im Detail beschreibt.
Auch hier wird das Testergebnis wieder in dem nicht flüchtigen Speicher des Speichergeräts 24 gespeichert und an das Diagnosetestgerät 25 zurückgemeldet.
e) Funktionstest des Kathoden- und Anodenloops (Druckaufbau/Durchfluss/Regelklappen)
Beim Ausführen dieser Testroutine wird das Hochvoltsystem aktiviert und der ETC 16 bzw. die Luftversorgungseinrichtung 8 mit einer kleinen Solldrehzahl betrieben. Da das Brennstoffzellensystem 1 zu diesem Zeitpunkt auch noch ohne Kühlmedium 7 beziehungsweise Kühlwasser betrieben werden kann, ist die zeitliche Dauer des Tests hierdurch gegebenenfalls begrenzt. Mit Hilfe des in dem Brennstoffzellensystem 1 ohnehin verbauten Luftmassensensors und der verbauten Drucksensoren werden bei verschiedenen Drosselklappenstellungen die gemessenen Luftmassenstromwerte und Druckwerte mit gespeicherten Werten vergleichen. Sofern die gemessenen Werte innerhalb eines vordefinierten Toleranzbereichs liegen, wird der Test als bestanden bewertet.
In einem zweiten Schritt können einige Teilfunktionalitäten des Anodenkreislaufs auch ohne dass Wasserstoff vorhanden ist bereits überprüft werden. Der Anodenraum 4 bzw. die mit ihm verbundene Anodenrezirkulation, welche auch als Anodenkreislauf bezeichnet wird, dabei bei laufender Luftfördereinrichtung 8 und geöffnetem Purge/Drain-Ventil 20 unter Druck gesetzt. Der Zieldruck lässt sich dabei über die Drehzahl der Luftfördereinrichtung 8 entsprechend einstellen. Steigt der Druck in der Anodenrezirkulation, welcher in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel über die Drucksensoren 21, 22 gemessen wird, an, dann ist sichergestellt, dass die Leitung zwischen dem Purge/Drain-Ventil 20 und der Abluftleitung entsprechend durchgängig ist. Auch das Ventil 20 weist dann eine entsprechende Funktionalität und Durchgängigkeit auf. Das Purge/Drain-Ventil 20 wird dann geschlossen, die Luftfördereinrichtung 8 gestoppt. Die (Ab)Gasrezirkulation in den Anodenkreislauf kann dann gestartet werden, beispielsweise wenn es sich um ein Wasserstoffrezirkulationsgebläse handelt. Dadurch lässt sich die Funktionalität der Anodenrezirkulation und der Sensoren anhand der Änderung der Messwerte der Drucksensoren 21, 22 entsprechend überprüfen. Auch lässt sich in diesem Schritt bereits eine erste grobe Dichtheitsprüfung der Anodenrezirkulation vornehmen anhand des Gradienten des durch den Drucksensors 21 gemessenen Eingangsdrucks des Anodenraums 4 der Brennstoffzelle 3. Anschließend lässt sich der Anodenkreislauf dann über das Purge/Drain-Ventil 20 wieder entleeren. Das Testergebnis wird wiederum in dem nicht flüchtigen Speicher des Steuergeräts 24 gespeichert und an das Diagnosetestgerät 25 zurückgemeldet.
f) Dichtigkeit des H2-Systems
Beim Ausführen der Testroutine wird vorzugsweise Wasserstoff an das Brennstoffzellensystem 1 angeschlossen. Falls Undichtheiten vorhanden sind, sollte dieses dann, beispielsweise bei der Montage des Brennstoffzellensystems 1, vorteilhafterweise in einem gelüfteten Raum betrieben werden. Auch wenn der oben gemessene Gradient des Drucks am Eingang des Anodenraums 4, welcher idealerweise zuvor bereits gemessen worden ist, eine grobe Vorstellung über die Dichtheit des Systems liefert, ist Dichtheit gegenüber Luft und Dichtheit gegenüber Wasserstoff immer noch sehr unterschiedlich zu bewerten. Ein Dichtheitstest mit dem realen Medium Wasserstoff ist daher in jedem Fall zu bevorzugen. Nachdem das Brennstoffzellensystem 1 mit Wasserstoff versorgt ist bzw. mit dem gefüllten Wasserstofftank 14 verbunden worden ist, werden alle mit Wasserstoff in Kontakt kommenden Ventile 17, 20 sowie gegebenenfalls Ventile im Bereich der Box 18 im geschlossenen Zustand gehalten. Falls ein Drucksensor 23 zwischen dem Absperrventil 17 und der Druckreduzierung in der mit 18 bezeichneten Box vorhanden ist, was in dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel nicht der Fall ist, so könnte hier bereits die Dichtheit der Leitungen bis zur Box 18 überprüft werden. Dafür wird zunächst das Absperrventil 17 kurz geöffnet und sofort wieder geschlossen. Die Öffnungszeit sollte dabei sehr viel kleiner als 1 Sekunde sein. Durch das kurzzeitige Öffnen gelangt keine kritische Menge an Wässerstoff in das System. Es wird dann automatisch geprüft ob der Systemeingangsdruck, welcher mit dem Drucksensor 23 gemessen wird, im Erwartungsbereich liegt und damit wird überprüft, ob das System den Dichtigkeitsanforderungen entspricht, Eine große Leckage in diesem Bereich kann so detektiert werden. Der Druck wird für eine definierte Zeit, zum Beispiel 2 Sekunden, zyklisch gemessen, und daraus die Leckagerate ermittelt. Das Testergebnis wird wiederum in einem nicht flüchtigen Speicher im Steuergerät 24 gespeichert und dem Diagnosetestgerät 25 zurückgemeldet.
Zusätzlich kann das System mit einem Wasserstoffsensor manuell „abgeschnüffelt” werden. Dafür wird der Wasserstoffsensor beispielsweise von Montagepersonal des Brennstoffzellensystems 1 entlang der wasserstoffführenden Leitungen bewegt. Zeigt dieser einen Ausschlag an, muss davon ausgegangen werden, dass in dem Bereich, in dem der Ausschlag aufgetreten ist, eine Undichtheit vorliegt. Ist die Wasserstoffeingangsstrecke bis zum Druckregler automatisch getestet, so wird der Druckregler, welcher typischerweise durch ein oder mehrere Taktventil(e) ausgebildet ist, in kurzen Impulsen geöffnet und dabei der Eingangsdruck am Drucksensor 21 des Anodenraums 4 der Brennstoffzelle 3 zyklisch gemessen. Nur wenn der Druck am Eingang des Anodenraums 4 der Brennstoffzelle 3 in der erwarteten Rate ansteigt, wird ein positives Testergebnis ermittelt, abgespeichert und ausgegeben. Wenn durch die Druckmessung am Drucksensor 23 bekannt ist, welche Wasserstoffmenge ins System eindosiert worden war, kann auch direkt berechnet werden, welcher Zielwert für den Druck im Bereich des Drucksensors 21 nach dem Öffnen des Druckregelventils in einem dichten System erreicht werden muss.
Das Puls-Pausenverhältnis zum Öffnen des bzw. der Druckregelventile wird bei diesem Test so optimiert, dass auch bei offenem Purge/Drain-Ventil 20 oder bei offenem, da noch nicht komplett montiertem Anodenkreislauf, nur unkritische Mengen an Wasserstoff austreten und dass dennoch eine möglichst schnelle und zuverlässige Messung möglich ist. Auch hier wird das Testergebnis wiederum in dem nicht flüchtigen Speicher des Steuergeräts 24 gespeichert und dem Diagnosetestgerät 25 zurückgemeldet.
Zusätzlich kann das System auch hier wieder mit einem Wasserstoffsensor manuell abgeschnüffelt werden, wie es oben bereits beschrieben worden Ist. Anschließend wird der Anodendruck bei eingeschaltetem elektrischem Turbolader 16 über das Purge/Drain-Ventil 20 langsam abgebaut, sodass der Wasserstoff ausreichend verdünnt wird und entsprechend entweichen kann.
g) Funktionstest des Anodenloops (Rezirkulation/Purge)
Beim Ausführen dieser Testroutine wird wieder vorzugsweise Wasserstoff an das Brennstoffzellensystem 1 angeschlossen. Es bietet sich an, diesen Test in einem gut belüften Raum oder in der freien Umgebung durchzuführen. Idealerweise sind die oben beschriebene Testroutinen a)...f) als Voraussetzung bereits erfolgreich durchgeführt worden. Wenn unmittelbar vorher die Testroutine f) durchgeführt worden ist, dann ist es sinnvoll, diese vor dem Entlasten des Anodendrucks abzubrechen und dann direkt in die Testroutine g) zu wechseln, um keinen erneuten Aufbau des Anodendrucks realisieren zu müssen. Zum Test wird die Anodenrezirkulation gestartet und die gemessen Drücke im Bereich der Sensoren 21, 22 bzw. der Differenzdruck mit vorgegebenen Sollwerten verglichen. Auch hier wird das Ergebnis in einem flüchtigen Speicher gespeichert und dem Diagnosetestgerät 25 zurückgemeldet. Da das Brennstoffzellensystem 1 hier immer noch ohne Kühlwasser bzw. Kühlmedium 7 betrieben werden kann, ist in diesem Fall auch hierdurch die zeitliche Dauer des Tests begrenzt.
Anschließend wird dann die Luftfördereinrichtung 8 kurz gestartet und der Wasserstoff idealerweise durch Takten des Purge/Drain-Ventils 20 abgelassen. Die Luftfördereinrichtung dient dazu, den austretenden Wasserstoff entsprechend zu verdünnen. Anhand des Druckabfalls vom Wert des Drucksensors 21 beziehungsweise Drucksensors 22 beim Takten des Purge/Drain-Ventils 20 kann außerdem ermittelt werden, ob die Purge/Drain-Strecke durchgängig ist. Das Testergebnis wird wiederum in dem nicht flüchtigen Speicher des Steuergeräts 24 gespeichert und dem Diagnosetestgerät 25 zurückgemeldet.
Die Funktionalitäten gemäß f) und g) können alternativ zur Durchführung mit Wasserstoff auch mit Luft, welche über das Purge/Drain-Ventil 20 auf die Anodenseite der Brennstoffzelle 3 gelangt ist, durchgeführt werden. Hier können die Funktionalitäten und Drücke entsprechend getestet werden. Für einen Dichtigkeitstest wird idealerweise Wasserstoff eingesetzt. Wenn kein Wasserstoff vorhanden ist oder dies beispielsweise in der Umgebung einer Montagelinie des Brennstoffzellensystems 1 zu gefährlich ist, dann kann anstelle des Wasserstoffs auch Helium verwendet werden. Dies weist eine ähnliche Atomgröße auf und ist am ehesten vergleichbar zu Wasserstoff, wenn es um die Dichtigkeit des Systems geht.
h) Spannungsaufbau des Brennstoffzellenstapels
Im Rahmen der Testroutinen e), g) und f) kann, wenn die Brennstoffzelle 3 mit Luft auf der Kathodenseite und Wasserstoff auf der Anodenseite versorgt ist, gleichzeitig getestet werden, ob die Brennstoffzelle 3 eine Spannung aufbaut und damit prinzipiell funktionsfähig ist. Nach diesem Test wird die Wasserstoffversorgung dann wieder geschlossen und die Hochvoltkomponenten werden solange weiter betrieben, bis die Hochvoltspannung unter einen vorbestimmten Grenzwert abgefallen ist. Damit ist sichergestellt, dass das System ausreichend entladen ist und ohne Sicherheitsrisiken zur weiteren Montage beziehungsweise Demontage berührt werden kann.
Der zweite Teil der Testroutine h) kann dabei nicht nur während der Durchführung des Tests h) verwendet werden. Es ist auch möglich, diese im Steuergerät 24 so einzurichten, dass er einzeln ausgeführt werden kann. Dann kann er beispielsweise zum Spannungsabbau dienen, um separat aufgerufen zu werden, um beispielsweise vor einer Reparatur des Brennstoffzellensystems 1 sicherstellen zu können, dass die Spannung aus allen relevanten Bereichen so weit entladen ist, dass keine Gefahr für das Reparaturpersonal mehr besteht.
i) Leistungsfähigkeit des Brennstoffzellensystems
In dieser Testroutine i) wird das System vollständig mit Betriebsstoffen gefüllt. Es muss in diesem Fall auch zwingend mit dem Kühlmedium 7 versorgt werden. Das Brennstoffzellensystem 1 wird dann, beispielsweise wenn es in einem Fahrzeug eingebaut ist, von einem Fahrer auf der Straße oder auf einem Rollenprüfstand (Dyno) betrieben. Über das Diagnosetestgerät 25 kann die Messung vor der Fahrt entsprechend gestartet werden. Die Steuergerätsoftware des Brennstoffzellensystems 1 misst dann zyklisch die Performance und speichert die höchsten Werte jeweils in nicht flüchtigen Speichern in dem Steuergerät 24 ab. Nach der Fahrt können diese Werte über das Diagnosetestgerät 25 ausgelesen werden. Dadurch lässt sich ein sehr zuverlässiges Bild der realen Leistungsfähigkeit des Brennstoffzellensystems 1 generieren.
In der Darstellung der 2 sind die Testroutinen a) bis i) in den einzelnen Spalten aufgeführt. In den Zeilen ist, wie bereits eingangs erwähnt worden ist, die Integrationstiefe, also die verfügbaren Medien beziehungsweise Randbedingungen, dargestellt. Durch die Eintragungen „X” lässt sich nun erkennen, welche der Testroutinen bei welcher Integrationstiefe durchgeführt werden kann. So sind beispielsweise die Testroutinen a) bis c) bereits möglich, wenn lediglich 12 V als Spannungsversorgung vorhanden ist. Die Testroutinen d) und e) benötigen zusätzlich Hochspannung (HV), die Testroutinen f) und g) zusätzlich die Versorgung von zumindest Helium als Prüfgas, idealerweise die Versorgung mit Wasserstoff. Sobald Wasserstoff vorhanden ist, kann dann auch die Testroutine h) durchgeführt werden. Sie benötigt außerdem eine zusätzliche kleine elektronische Last für den Spannungsabbau im zweiten Teil der Testroutine h). Für die Testroutine i) zur Leistungsfähigkeit des Brennstoffzellensystems 1 ist dann zusätzlich ein V-Motor nötig und beispielsweise Kühlwasser, sodass in einem Fahrtest oder in einem Leistungstest auf einem Rollenprüfstand (Dyno) die Leistungsfähigkeit getestet werden kann. Die Testroutinen können in der beschriebenen Reihenfolge, beispielsweise bei der Montage eines Brennstoffzellensystems 1, eingesetzt werden. Je mehr Komponenten montiert sind und je mehr Medien zur Versorgung zur Verfügung stehen, können die einzelnen Teststufen nach und nach durchgeführt werden, um so nach der fertigen Montage ein sicheres und zuverlässiges Bild von der Funktionalität und der Leistungsfähigkeit des Brennstoffzellensystems 1 zu erhalten.
Über das Diagnosetestgerät 25 können die Testroutinen außerdem in beliebiger Reihenfolge zueinander oder auch manuell gesteuert in ihrer Reihenfolge zueinander unabhängig von einer solchen Montage abgerufen werden. Beispielsweise könnte ein Pannenhelfer oder eine Werkstatt über ein entsprechendes Diagnosetestgerät 25 die in dem Steuergerät 24 vorgehaltenen Routinen aktivieren und abrufen. In diesem Fall würde idealerweise in umgekehrter Reihenfolge gestartet, um so nach und nach festzustellen, ob das Gesamtsystem betriebsfähig ist, und wenn nicht, in welchem Bereich der Fehler liegt.
Dabei reicht es aus, wenn das Diagnosetestgerät 25 die einzelnen in dem Steuergerät 24 beziehungsweise den Steuergeräten des Brennstoffzellensystems 1 vorgespeicherten Testroutinen aktiviert. Messwerte, Vergleichswerte und Aussagen, was die zurückgemeldeten Werte des Steuergeräts 24 bedeuten, können dann in dem Diagnosetestgerät 25 eingespeichert sein, um so eine einfache Aktualisierung in den Diagnosetestgeräten 25 zu erzielen. Da diese Diagnosetestgeräte 25 typischerweise im Bereich von Montagelinien oder Werkstätten angeordnet sind, können diese beispielsweise mit dem Internet verbunden sein und so beständig aktuell gehalten werden, während die Steuergeräte 24 in den Fahrzeugen 2 nicht oder nur gelegentlich über Werkstätten angebunden und aktualisiert werden könnten.
Alles in allem entsteht so ein sehr komplexes Verfahren zur Diagnose von Fehlern in einem Brennstoffzellensystem 1. Je nach vorhandenen Medien und vorhandenen Umgebungsbedingungen kann dieses Verfahren in Einzelschritten oder als Gesamtes durchgeführt werden, um die Funktionsfähigkeit des Brennstoffzellensystems 1 zu testen und beispielsweise im Rahmen einer Montage ein voll funktionsfähiges System zu jedem Zeitpunkt der Montage zu gewährleisten, oder im Falle einer Panne den Fehler schneller zu finden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102006037798 A1 [0003]
DE 102008006738 A1 [0003]
DE 102005000611 A1 [0003]
DE 10231208 A1 [0003]
US 2006/0210843 A1 [0003]
DE 102004032230 A1 [0034]

Claims

Verfahren zur Fehlerdiagnose in einem Brennstoffzellensystem (1) mit wenigstens einer Brennstoffzelle (3) mit einer Anodengasversorgung, mit einer Kathodengasversorgung und mit mehreren elektrischen Sensoren und Aktuatoren (17, 20, 21, 22, 23), dadurch gekennzeichnet, dass gemessen wird, ob das Brennstoffzellensystem (1) ohne Druck und ohne Hochspannung ist, wonach die Funktionsfähigkeit der Aktuatoren (17, 20) gemessen wird, und wonach das Hochvoltsystem aktiviert und die Luftfördereinrichtung (8) kurzzeitig betrieben wird, wobei mit Hilfe eines systemeigenen Luftmassenstromsensors und mit Hilfe von systemeigenen Drucksensoren bei verschiedenen Stellungen von Drosselklappen Werte für den Luftmassenstrom und/oder den Druck erfasst und mit Vorgabewerten verglichen werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktionsfähigkeit der Aktuatoren dadurch gemessen wird, dass die Aktuatoren einzeln nacheinander eingeschaltet und die jeweilige Stromaufnahme gemessen wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in einem weiteren Schritt die Anodenseite des Brennstoffzellensystems (1) bei aktivierter Luftfördereinrichtung (8) über ein geöffnetes Purge/Drain-Ventil (20) mit Luft versorgt wird, wobei über die systemeigenen Drucksensoren (21, 23) ein Druckanstieg im Bereich der Anodengasversorgung gemessen wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass anschließend das Purge/Drain-Ventil (20) geschlossen und die Luftfördereinrichtung (8) gestoppt und eine Anodenrezirkulationsfördereinrichtung (18) gestartet wird, wobei die Druckwerte der systemeigenen Drucksensoren (21, 22) im Bereich der Anodengasversorgung gemessen werden, um die Funktionsfähigkeit der Anodenrezirkulationsfördereinrichtung zu überprüfen.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei geschlossenem Purge/Drain-Ventil (20) der Druckgradient an wenigstens einem der systemeigenen Drucksensoren (21, 22) der Anodengasversorgung gemessen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei drucklosem Brennstoffzellensystem (1) und abgeschalteter Hochspannungsversorgung die Funktionsfähigkeit der Sensoren gemessen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Isolationswiderstand des Hochspannungssystems des Brennstoffzellensystems (1) gemessen wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zur Messung des Isolationswiderstands eine Messeinrichtung eingesetzt wird, welche folgendes umfasst: – eine aus einer Reihenschaltung von Referenrwiderständen gebildete Widerstandsanordnung zwischen zwei Laststromleitungen des Brennstoffzellensystems, – eine zwischen dem Massepunkt und einem Knoten zwischen den Referenzwiderständen angeordnete Referenzspannungsquelle, welche zwischen mindestens zwei verschiedenen Referenzspannungen umstellbar ist, – eine Spannungserfassungseinrichtung, welche die Spannung zumindest zwischen einer der Laststromleitungen und dem Massepunkt erfasst, sowie – eine mit der Spannungserfassungseinrichtung verbundene Auswerteeinheit, welche den Isolationswiderstand auf Grundlage eines ersten Spannungswerts, welcher einen Wert der Spannung zwischen einer ersten der Laststromleitungen und dem Massepunkt bei Anliegen einer ersten Referenzspannung der Referenzspannungsquelle repräsentiert, und eines zweiten Spannungswerts ermittelt, welcher einen Wert der Spannung zwischen der ersten Laststromleitung und dem Massepunkt bei Anliegen einer zweiten Referenzspannung der Referenzspannungsquelle repräsentiert.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass in einem vorgeschalteten Verfahrensschritt die Vollständigkeit der Aktuatoren in dem Brennstoffzellensystem (1) getestet wird, indem diese einzeln nacheinander angesteuert und die Reaktion auf die Ansteuerung gemessen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Anodengasversorgung mit einem unter Druck stehenden Gas versorgt wird, wonach alle Ventileinrichtungen (17, 20) geschlossen werden, und wonach über einen gewissen Zeitraum hinweg die Druckwerte gemessen werden, um einen eventuellen Druckabfall, welcher auf eine Undichtheit des Systems hin schließt, zu erkennen.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich ein manuell geführter Sensor für das Gas eingesetzt wird, welcher über die gasführenden Bereiche des Brennstoffzellensystems (1) geführt wird, wobei eine Undichtheit durch eine Detektion von Gas an dem Sensor erkannt wird.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass das als Testgas Helium oder vorzugsweise Wasserstoff eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoffzelle (3) auf der Kathodenseite Luft und auf der Anodenseite Wasserstoff zugeführt wird, wobei eine Spannung im Bereich der Brennstoffzelle gemessen wird, um deren grundsätzliche Funktionsfähigkeit zu erkennen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass nach einem Test mit Wasserstoff und Sauerstoff innerhalb der Brennstoffzelle (3) die Wasserstoffversorgung unterbrochen wird, wonach elektrische Verbraucher so lange betrieben werden, bis die Spannung der Brennstoffzelle unter einen vorgegebenen Grenzwert fällt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoffzellensystem vollständig mit Betriebsstoffen gefüllt wird, und wobei die Leistungsfähigkeit des Brennstoffzellensystems durch einen Betrieb des Brennstoffzellensystems (1) oder eine praxisnahe Simulation des Betriebs (1) überprüft wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Testroutinen in wenigstens einem Steuergerät (24) des Brennstoffzellensystems (1) eingespeichert sind, wobei die einzelnen Testroutinen von einem systemunabhängigen Diagnosetestgerät (25) ausgelöst werden können.