DE102012002211A1

DE102012002211A1 - Prüfverfahren zur Identifikation eines elektrischen Kurzschlusses innerhalb eines Brennstoffzellenstapels

Info

Publication number: DE102012002211A1
Application number: DE201210002211
Authority: DE
Inventors: Nils Brandau; Janine Grammel; Gerold Hübner
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2012-02-04
Filing date: 2012-02-04
Publication date: 2013-08-08

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Identifikation und Lokalisierung eines Kurzschlusses einer Membran-Elektrodeneinheit (11A, 11B, 11C; 12A, 12B, 12C) mindestens einer Brennstoffzelle (10, 20) oder eines mehrere Brennstoffzellen (10, 20) aufweisenden Brennstoffzellenstapels (100) durch Anlegen einer externen Anschluss-Spannung (U₂₀₀) an die mindestens eine Brennstoffzelle (10, 20) oder den Brennstoffzellenstapel (100).
Es ist vorgesehen, dass der mindestens einen Brennstoffzelle (10, 20) zu einem Aufpräge-Zeitpunkt (t₀), bei der die mindestens eine Brennstoffzelle (10, 20) keine Leistung abgibt, eine externe vorgebbare Zellenspannung (U_10,20) aufgeprägt wird, deren Spannungsverlauf ausgehend von dem Aufpräge-Zeitpunkt (t₀) überwacht wird, wobei durch die Signifikanz des Spannungsverlaufes ein makroskopischer und/oder mikroskopischer Kurzschluss innerhalb der mindestens einen Brennstoffzelle (10, 20) identifiziert und innerhalb eines Brennstoffzellenstapels (100) identifiziert und lokalisiert wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Prüfverfahren zur Identifikation eines elektrischen Kurzschlusses innerhalb eines Brennstoffzellenstapels.
Die Druckschrift DE 102 26 339 A1 offenbart ein Verfahren sowie eine Anordnung zum Testen und/oder Überwachen von Brennstoffzellen. Mittels des Verfahrens wird das dynamische Verhalten der Brennstoffzellen getestet, woraus Rückschlüsse auf die Zuverlässigkeit und den jeweiligen augenblicklichen Alterungszustand oder eine allmähliche „Vergiftung” der Membran zwischen Anode und Kathode der Brennstoffzellen gewonnen werden können. Dazu wird eine zu untersuchende Brennstoffzelle in ihrem elektrischen Ausgangskreis mit einem sprunghaft wechselnden Lastwiderstand belastet, wobei die Brennstoffzelle beispielsweise auch kurzzeitig auf Kurzschluss geschaltet wird, wobei gleichzeitig in dem Ausgangskreis der zeitliche Verlauf des Stromes und/oder der Spannung in Reaktion auf die wechselnde Belastung erfasst wird. Aus den erfassten Reaktionen können die gewünschten Rückschlüsse auf die Zuverlässigkeit und den Alterungszustand der Brennstoffzelle gezogen werden.
Aus der Druckschrift EP 1 487 044 A2 ist eine Methode zur Ermittlung von möglichen strukturellen Mängeln einer Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle bekannt. Das Verfahren eignet sich dazu, einen Mikro-Kurzschluss der Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle zu detektieren. Die Versorgung mit Brennstoff und dem Oxidationsmittel beispielsweise Wasserstoff als Brennstoff und Sauerstoff als Oxidationsmittel) wird unterbrochen, wobei parallel die an mindestens einer Brennstoffzelle anliegende Spannung gemessen wird. Bei Vorliegen eines Defektes, beispielsweise einem Kurzschluss einer Brennstoffzelle oder einem Querleck zwischen zwei Brennstoffzellen, wird ein rapider Spannungsabfall beobachtet. Der Spannungsabfall wird ausgewertet, um den Defekt einer Brennstoffzelle zu signalisieren.
Aus der Druckschrift JP 2002 208424 A2 ist ein anderes Verfahren zur Erfassung eines Mikro-Kurzschlusses für eine Brennstoffzelle bekannt. Die Druckschrift beschreibt unterschiedliche Vorgehensweisen zur Erfassung eines Mikro-Kurzschlusses. Der Brennstoff wird der Anode zugeführt und das Oxidationsmittel wird der Kathode zugeführt. Die Zufuhr des Oxidationsmittels wird gestoppt, während an der Brennstoffzelle eine elektrische Last anliegt oder es wird ein inaktives Gas zugeführt, während keine elektrische Last an der Brennstoffzelle anliegt. Bei beiden Vorgehensweisen wird ausgehend von einem bestimmten vorgegebenen elektrischen Potential die Veränderung des Stromes und der Spannung in einem Stromkreis zwischen Anode und Kathode erfasst. Es werden an der Kathode gegenüber der Anode zwei oder mehr elektrische Potentiale in einem Bereich von 120 mV bis zu 1230 mV vorgegeben und der Stromfluss in dem Stromkreis gegenüber dem jeweils angelegten elektrischen Potential wird gemessen. Wenn die Veränderung des Stromflusses einen vorgegebenen Wert übersteigt, liegt ein Mikro-Kurzschluss in einer Brennstoffzelle vor.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein alternatives Verfahren anzugeben, mittels dem makroskopische und/oder mikroskopische Kurzschlüsse einfach identifiziert und lokalisiert werden können.
Dazu wird erfindungsgemäß eine Brennstoffzelle oder ein Brennstoffzellenstapel mit einem Anschluss versehen, mittels dem der mindestens einen Brennstoffzelle mittels einer externen Spannungsquelle eine Zellenspannung aufgeprägt werden kann. Darüber hinaus wird der mindestens einen Brennstoffzelle, bevorzugt jeder Brennstoffzelle eines Brennstoffzellenstapels eine Einzelspannungserfassungs-Einrichtung zur Erfassung eines Spannungsverlaufes der Zellenspannung zugeordnet.
Das Verfahren zur Identifikation und Lokalisierung eines Kurzschlusses einer Membran-Elektrodeneinheit mindestens einher Brennstoffzelle oder eines mehrere Brennstoffzellen aufweisenden Brennstoffzellenstapels wird erfindungsgemäß dadurch charakterisiert, dass an die Brennstoffzellen oder den Brennstoffzellenstapel eine externe Anschluss-Spannung angelegt wird.
Es ist erfindungsgemäß weiter vorgesehen, dass der mindestens einen Brennstoffzelle zu einem Zeitpunkt, einem so genannten Aufpräge-Zeitpunkt, bei der die mindestens eine Brennstoffzelle keine Leistung abgibt, eine externe vorgebbare Zellenspannung aufgeprägt wird, deren Spannungsverlauf ausgehend von dem Aufpräge-Zeitpunkt überwacht wird, wobei durch die Signifikanz des Spannungsverlaufes ein makroskopischer und/oder mikroskopischer Kurzschluss innerhalb der mindestens einen Brennstoffzelle identifiziert und innerhalb eines Brennstoffzellenstapels identifiziert und lokalisiert wird.
In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist die Signifikanz des Spannungsverlaufes eines makroskopischen Kurzschlusses ausgehend von dem Aufpräge-Zeitpunkt durch einen schnellen vollständigen Spannungsabfall der extern aufgeprägten Zellenspannung innerhalb eines ersten Zeitraumes charakterisiert.
In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung wird die zu dem Aufpräge-Zeitpunkt extern vorgegebene ”aufgeprägte” Zellenspannung der mindestens einen Brennstoffzelle zu einem später liegenden Zeitpunkt, einem so genannten Abschalt-Zeitpunkt abgeschaltet, um einen mikroskopischen Kurzschluss zu identifizieren und zu lokalisieren. Die Signifikanz des Spannungsverlaufes des mikroskopischen Kurzschlusses ist ausgehend von dem Abschalt-Zeitpunkt durch einen langsamen vollständigen Spannungsabfall der extern aufgeprägten Zellenspannung innerhalb eines zweiten Zeitraumes charakterisiert.
Es hat sich einerseits herausgestellt, dass der makroskopische Kurzschluss der mindestens einen Brennstoffzelle innerhalb des ersten Zeitraumes anhand einer charakteristischen Kennlinie identifiziert werden kann, die einem sich schnell vollständig entladenden Plattenkondensator entspricht.
Andererseits wurde festgestellt, dass der mikroskopische Kurzschluss der mindestens einen Brennstoffzelle innerhalb des zweiten Zeitraumes anhand einer charakteristischen Kennlinie identifiziert werden kann, die einem sich langsam vollständig entladenden Plattenkondensator entspricht.
In vorteilhafter Weise ist es möglich, die Identifizierung und Lokalisierung des makroskopischen und/oder mikroskopischen Kurzschlusses – vor einer Erstinbetriebnahme – oder – nach der Erstinbetriebnahme – durchzuführen, wobei die mindestens eine Brennstoffzelle während der Identifizierung entweder noch keine Leistung (vor der Erstinbetriebnahme) erbracht hat oder keine Leistung (nach der Erstinbetriebnahme) mehr erzeugt.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist vorgesehen, dass der mindestens einen Brennstoffzelle vor der Erstinbetriebnahme, bevor ihr zu dem Aufpräge-Zeitpunkt die externe vorgebbare Zellenspannung aufgeprägt wird, ein Gas-Wasserdampfgemisch zugeführt wird, so dass die mindestens eine Brennstoffzelle befeuchtet ist.
Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
1 einen schematischen Aufbau eines zwei Brennstoffzellen aufweisenden PEM-Brennstoffzellenstapels nach dem Stand der Technik;
2 den schematischen Aufbau einer einzelnen Brennstoffzelle nach dem Stand der Technik;
3 einen schematischen Verlauf einer sich aufbauenden Ruhespannung einer Brennstoffzelle nach dem Stand der Technik in einem ersten Spannungs-/Zeit Diagramm;
4 einen schematischen Verlauf einer sich entladenden Brennstoffzelle nach dem Stand der Technik in einem zweiten Spannungs-/Zeit-Diagramm;
5 schematische Verläufe von intakten und defekten Brennstoffzellen in einem dritten Spannungs-/Zeit-Diagramm;
6A eine schematische Darstellung einer Membran-Elektrodeneinheit einer Brennstoffzelle ohne Kurzschluss;
6B eine schematische Darstellung einer Membran-Elektrodeneinheit einer Brennstoffzelle mit einem internen Kurzschluss, beispielsweise einem Membran-Kurzschluss;
6C eine schematische Darstellung einer Membran-Elektrodeneinheit einer Brennstoffzelle mit einem externen Kurzschluss, beispielsweise einem Bipolarplatten-Kurzschluss.
1 zeigt den bekannten schematischen Aufbau eines Brennstoffzellenstapels 100.
Die Beschreibung des Aufbaus des Brennstoffzellenstapels 100 und des Verfahrens erfolgt anhand eines PEM-Brennstoffzellenstapels [Proton-Exchange-Membrane-Brennstoffzellenstapels] 100, welcher beispielsweise zwei Brennstoffzellen 10, 20 umfasst. Die Erfindung ist nicht auf Brennstoffzellen 10, 20 mit Protonenaustauschmembranen 11A, 21A beschränkt. Das erfindungsgemäße Verfahren ist auch mit anderen Brennstoffzellen-Typen durchführbar.
Jede Brennstoffzelle 10, 20 umfasst eine Membran-Elektrodeneinheit, die in 2 vergrößert dargestellt ist und stellvertretend für den Aufbau der Membran-Elektrodeneinheiten der ersten und zweiten Brennstoffzelle 10, 20 eines Brennstoffzellenstapels 100 mit entsprechenden Bezugszeichen versehen ist.
In der Übersichtsdarstellung der 1, die den Brennstoffzellenstapel 100 insgesamt zeigt, sind die Membran-Elektrodeneinheiten der beiden Brennstoffzellen 10, 20 ebenfalls sichtbar, so dass die 1 und 2 in einer Zusammenschau betrachtet werden können. Die Membran-Elektrodeneinheiten umfassen jeweils die Protonenaustauschmembran 11A, 21A mit beidseitig aufgebrachten Elektroden, jeweils der Anode 11B, 21B und der Kathode 11C, 21C. Die Protonenaustauschmembran 11A, 21A ist vorzugsweise mit einem Katalysator 11D, 21D beschichtet.
Die Protonenaustauschmembran 11A, 21A trennt einen Anodenraum 11E, 21E einer Brennstoffzelle 10, 20 von einem Kathodenraum 11F, 21F. Die Protonenaustauschmembran 11A, 21A leitet Protonen und ist für Elektronen weitestgehend undurchlässig. Die Elektronen werden von der Anode 11B, 21B über einen äußeren symbolhaft dargestellten Stromkreis 108 der Kathode 11C, 21C zugeführt, wobei die Elektronen elektrische Arbeit verrichten können, wofür in 2 ebenfalls symbolisch ein elektrischer Verbraucher 109 dargestellt ist.
Jede der Membran-Elektrodeneinheiten ist, insofern nicht mehrere Brennstoffzellen nebeneinander zu einem Brennstoffzellenstapel 100 zusammengefügt sind, mit Unipolarplatten 11G, 21G mit Flussfeld umgeben (2). Zwischen zwei Membran-Elektrodeneinheiten wird in einem Brennstoffzellenstapel 100 gemäß 1 eine Bipolarplatte 1121G angeordnet. Die einzelnen Brennstoffzellen 10, 20 sind gegenüber den Brennstoff- und Oxidationsmittel-Versorgungsleitungen sowie einer nicht dargestellten Entsorgungsleitung des nach der Brennstoffzellenreaktion entstehenden Restproduktes Wassers und der Umgebung mittels exemplarisch dargestellten Dichtungen 107 abgedichtet. Die Membran-Elektrodeneinheiten sind jeweils von einer Gasdiffusionsstruktur 11H, 21H umgeben, die an die Unipolarplatten 11G, 21G beziehungsweise an die Bipolarplatte 1121G angrenzen.
Die derart aufgebauten Brennstoffzellen 10, 20 sitzen zwischen Endplatten 104, die vorzugsweise mittels Zugstangen 106 und Verschraubungen 105 zu einem Brennstoffzellenstapel 100 verbunden sind. Dieser Brennstoffzellenstapel 100 weist die entsprechenden Zufuhranschlüsse und internen Verbindungsleitungen zur Ver- und Entsorgung jeder Brennstoffzelle 10, 20 auf.
Dargestellt ist in 1 eine Brennstoffzufuhr 101, insbesondere für den Brennstoff Wasserstoff H₂, und eine Oxidationsmittelzufuhr 102, insbesondere für das Oxidationsmittel Sauerstoff O₂, sowie in 2 symbolisch eine Rückstandsabfuhrleitung 103 für das entstehende Restprodukt, insbesondere Wasser H₂O beziehungsweise Wasserdampf.
Gemäß 3 baut eine Brennstoffzelle 10, 20 im intakten Zustand eine Ruhespannung U_R gemäß der Kennlinie 3.1 auf, die stellvertretend für die beiden intakten Brennstoffzellen 10, 20 dargestellt ist, sobald der jeweilige Anodenraum 11E, 21E mit Wasserstoff angereichertem Gas und der jeweilige Kathodenraum 11F, 21F mit Sauerstoff angereichertem Gas versorgt wird. Die Brennstoffzelle 10, 20 ist ausgehend von der Ruhespannung in der Lage, eine elektrische Leistung zu erzeugen.
Der Aufbau der Ruhespannung U_R verläuft gemäß der in 3 schematisch dargestellten Kennlinie 3.1. Der Verlauf ist charakterisiert durch die mittels Brennstoff und Oxidationsmittel hervorgerufene Aufladung der Doppelschicht der jeweiligen Brennstoffzelle 10, 20. Die Doppelschicht besteht jeweils aus den Elektroden – den Anoden 11B, 21B und den Kathoden 11C, 21C –, welche direkt an die Protonenaustauschmembran 11A, 21A angrenzen. Ähnlich einem Plattenkondensator lädt sich die jeweilige Membran-Elektrodeneinheit 11, 21 elektrisch auf. Die jeweilige Protonenaustauschmembran 11A, 21A selbst dient hierbei als Dielektrikum.
Die Aufladung der jeweiligen Membran-Elektrodeneinheit 11, 21 geschieht nur dann, wenn währenddessen kein Ladungsausgleich von der jeweiligen Anode 11B, 21B zu der jeweiligen Kathode 11C, 21C stattfindet, das heißt, wenn kein in den 6B und 6C mit e^– gekennzeichneter Kurzschluss vorliegt, wie es beispielsweise bei der 6A der Fall ist.
In diesem Fall, wenn kein Kurzschluss vorliegt, erfolgt die Aufladung der jeweiligen Membran-Elektrodeneinheit 11, 21 bis zu einem beispielhaft gewählten Grenzwert der Ruhespannung U_R, der beispielsweise 1,07 V beträgt. Der Grenzwert der Aufladung ist von vielen verschiedenen Parametern einer Brennstoffzellenanordnung abhängig. Somit ist die Angabe von 1,07 V nur beispielhaft zu verstehen.
Der Brennstoffzellenstapel 100 oder eine einzelne Brennstoffzelle 10, 20 wird erfindungsgemäß mit einer nicht näher dargestellten Einzelspannungserfassung ausgestattet. Dadurch kann eine Zellenspannung U_10,20 einer jeden Brennstoffzelle 10, 20 des Brennstoffzellenstapels 100 erfasst werden.
Eine Brennstoffzelle 10, 20 oder ein Brennstoffzellenstapel 100 aus mehreren, mindestens zwei Brennstoffzellen 10, 20 wird erfindungsgemäß vor der Erstinbetriebnahme einem Kurzschlusstest unterzogen.
Es wird ferner vorgeschlagen, einen Kurzschlusstest auch nach der Inbetriebnahme durchzuführen, um sicherzustellen, dass die Brennstoffzelle 10, 20 beziehungsweise der Brennstoffzellenstapel 100 zukünftig weiter sicher betrieben werden kann. Das heißt, der Kurzschlusstest soll nicht nur vor der Erstinbetriebnahme nach der Produktion oder einer erfolgten Wartung, sondern auch nach der Erstinbetriebnahme vorzugsweise vollautomatisch bei jedem Neustart oder nach einem längeren Halt eines in einem Fahrzeug verwendeten Brennstoffzellenstapels 100 durchgeführt werden.
Zusammenfassend soll ein Kurzschlusstest vor der Erstinbetriebnahme und/oder nach der Erstinbetriebnahme durchgeführt werden. Die Durchführung des Kurzschlusstestes soll erfindungsgemäß nach der Erstinbetriebnahme nach jedem Start einer Brennstoffzelle 10, 20 durchgeführt werden, wodurch der Dauerbetrieb der Brennstoffzellen 10, 20 eines Brennstoffzellenstapels 100 überwacht werden kann.
Brennstoffzellenstapel 100 werden für Transaktionsanwendungen zum Antrieb von Kraftfahrzeugen verwendet, sodass aus Sicherheitsgründen eine Überprüfung eines vorliegenden makroskopischen und/oder mikroskopischen Kurzschlusses erstens vor der Inbetriebnahme und zweitens – im Sinne eines Neustartes –, bei jedem Start eines außer Betrieb befindlichen Fahrzeuges oder – im Sinne eines Wiederstartes – nach einem längeren Halt eines in Betrieb bleibenden Fahrzeuges vorgesehen wird.
Innerhalb der vorliegenden Erfindung entspricht ein makroskopischer Kurzschluss einem durch den Kurzschluss hervorgerufenen elektrischen Strom größer 0,1 mA. Ein mikroskopischer Kurzschluss entspricht dann definitionsgemäß einem Stromfluss kleiner 0,1 mA.

1) Identifikation eines makroskopischen Kurzschlusses (4): Um einen makroskopischen Kurzschluss einer oder mehrerer Brennstoffzellen 10, 20 innerhalb eines Brennstoffzellenstapels 100 zu identifizieren, wird wie folgt vorgegangen:
1A) In einer ersten Ausgestaltung der Erfindung, wird eine Identifikation eines makroskopischen Kurzschlusses – vor der Erstinbetriebnahme – eines Brennstoffzellenstapels 100 durchgeführt. Die Brennstoffzellen 10, 20 eines Brennstoffzellenstapels 100 sind dann noch nicht mit dem Brennstoff und dem Oxidationsmittel beladen. Die Brennstoffzelle 10, 20 kann keine elektrische Leistung abgeben.

Es ist vorgesehen, von außen an dem Brennstoffzellenstapel 100 eine externe elektrische Spannung U mittels einer Spannungsquelle 200 anzulegen, welche sich zu gleichen Anteilen auf die einzelnen Brennstoffzellen 10, 20 verteilt. Die in 1 zur Verdeutlichung dargestellte Spannungsquelle 200 wird beispielsweise parallel zu den zur Stromabführung angeordneten Stromabnehmern 110 des Brennstoffzellenstapels 100 geschaltet.
Diese auf die einzelnen Brennstoffzellen 10, 20 – aufgeprägte – externe elektrische Zellenspannung U_10,20 soll einen bestimmten vorgebbaren Spannungswert, beispielsweise 0,80 V pro Brennstoffzelle 10, 20, nicht überschreiten, da ansonsten eine beschleunigte Degradation die Brennstoffzellen 10, 20 des Brennstoffzellenstapels 100 beschädigen kann.
In vorteilhafter Weise wurde zur Identifikation eines Kurzschlusses, um eine beschleunigte Degradation zu vermeiden, eine aufgeprägte – externe elektrische Zellenspannung U_10,20 ermittelt und festgelegt, die kleiner ist als die Ruhespannung U_R. Die Ruhespannung U_R ist somit größer als die aufgeprägte – externe elektrische Zellenspannung U_10,20 (U_R > U_10,20). Die aufgeprägte – externe elektrische Zellenspannung U_10,20 wird auch als externe Testspannung einer Brennstoffzelle 10, 20 bezeichnet.
Über die nicht näher dargestellte Einzelspannungserfassung an jeder Brennstoffzelle 10, 20 kann nun erfasst werden, ob jede einzelne Brennstoffzelle 10, 20 des Brennstoffzellenstapels 100 eine bleibende Zellenspannung U_10,20 mit dem vorgegebenen ”aufgeprägten” Spannungswert U_10,20 von beispielsweise 0,8 V aufbaut.
Die externe Testspannung U_10,20 wird in jeder intakten Brennstoffzelle 10, 20 so lange gehalten, wie die Spannung U₂₀₀ an dem Brennstoffzellenstapel 100 angelegt bleibt.
Wird gemäß 4 im Laufe der Zeit nach dem Anlegen der zum Aufpräge-Zeitpunkt t₀ aufgeprägten externen elektrischen Zellenspannung U_10,20 bleibend der aufgeprägte Spannungswert U_10,20 festgestellt, so liegt kein makroskopischer Kurzschluss vor. Eine intakte erste Brennstoffzelle 10 weist erwartungsgemäß die in 4 dargestellte erste signifikante Kennlinie 4.1 auf.
Baut eine Brennstoffzelle 10, 20 nicht stetig die vorgegebene extern aufgeprägte elektrische Zellenspannung U_10,20 auf, so liegt gemäß 4, Kennlinie 4.2 grundsätzlich zunächst einmal in jedem Fall ein elektrischer Kurzschluss der Membran-Elektrodeneinheit vor.
Ein elektrischer makroskopischer Kurzschluss liegt dann vor, wenn beispielsweise die zweite Brennstoffzelle 20, die in 4 dargestellte zweite Kennlinie 4.2 aufweist, die durch den Spannungsverlauf eines sich entladenden Plattenkondensators charakterisiert ist.
Der Entladevorgang vollzieht sich gemäß 4, zweite Kennlinie 4.2 ausgehend von der vorgegebenen extern aufgeprägten elektrischen Zellenspannung U₂₀, die zum Aufpräge-Zeitpunkt t₀ angelegt worden ist, innerhalb eines ersten kurzen Zeitraumes Δt₁ (Δt₁ = t₁ – t₀) sehr schnell gegen Null, wobei t₁ dem Zeitpunkt entspricht, bei dem die Zellenspannung U₂₀ vollständig auf Null abgefallen ist.

1B) In einer zweiten Ausgestaltung der Erfindung wird ein makroskopischer Kurzschluss – nach der Erstinbetriebnahme der Brennstoffzelle 10, 20 eines Brennstoffzellenstapels 100 durchgeführt.

Die Brennstoffzellen 10, 20 eines Brennstoffzellenstapels 100 sind dann schon mit dem Brennstoff und dem Oxidationsmittel beladen gewesen. Nach der ersten Inbetriebnahme aber vor einem Neustart oder einem Wiederstart der Brennstoffzelle 10, 20 oder eines Brennstoffzellenstapels 100 hat sich die Gasdiffusionsstruktur 11H, 21H inertisiert. Das heißt, die reaktionsfreudigen Stoffe (Brennstoff und Oxidationsmittel) sind verbraucht und haben sich zu reaktionsarmen Stoffen umgewandelt. Die Gasdiffusionsstruktur 11H, 21H inertisiert sich bereits bei einem längeren Halt des Fahrzeuges. Es wird deutlich, dass sich die Brennstoffzellen 10, 20 und damit der Brennstoffzellenstapel 100 nach einem längeren Halt vor einem Wiederstart oder nach einer Außerbetriebnahme vor einem Neustart in einem nicht aufgeladenen Betriebszustand befinden. Die Ruhespannung U_R fällt nach der Außerbetriebnahme oder bei einem längeren Halt ab, so dass der Abfall der Ruhespannung U_R nicht oder nur bedingt zu einer genauen und absolut verlässlichen Identifikation eines Kurzschlusses dienen kann.
Deshalb wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, nach einem längeren Halt oder einer Außerbetriebnahme eines Fahrzeuges, also vor einem Neustart oder einem Wiederstart der Brennstoffzellen 10, 20, bei der die Brennstoffzellen 10, 20 des Brennstoffzellenstapels 100 in einem nicht aufgeladenen Betriebzustand vorliegen, analog wie bereits unter 1A) beschrieben, vorzugehen. Vor einem Neustart oder einem Wiederstart der Brennstoffzellen 10, 20 wird die aufgeprägte externe elektrische Spannung U_10,20 an dem Brennstoffzellenstapel 100 angelegt. Die Spannung U₂₀₀ der Spannungsquelle 200 verteilt sich, wie beschrieben, gleichmäßig auf die Brennstoffzellen 10, 20. Die Brennstoffzellen 10, 20 weisen jeweils die gleiche Zellenspannung U_10,20 auf.
Wird zum Aufpräge-Zeitpunkt t₀ der erwartete aufgeprägte Spannungswert U_10,20 gemäß der Kennlinie 4.1; 4 festgestellt, so liegt kein makroskopischer Kurzschluss vor. Ist ein Spannungsabfall gemäß der Kennlinie 4.2; 4 feststellbar, liegt, wie beschrieben, ein makroskopischer und somit kein mikroskopischer Kurzschluss vor.

2) Identifizierung eines mikroskopischen Kurzschlusses (5):
2A) In einer ersten Ausgestaltung der Erfindung wird eine Identifikation eines mikroskopischen Kurzschlusses – vor der Erstinbetriebnahme – eines Brennstoffzellenstapels 100 durchgeführt. Die Brennstoffzellen 10, 20 eines Brennstoffzellenstapels 100 sind dann noch nicht mit dem Brennstoff und dem Oxidationsmittel beladen.
2B) In einer zweiten Ausgestaltung der Erfindung wird ein mikroskopischer Kurzschluss – nach der Erstinbetriebnahme der Brennstoffzelle 10, 20 eines Brennstoffzellenstapels 100 durchgeführt.

Eine Erfassung eines mikroskopischen Kurzschlusses mit Hilfe der Einzelspannungserfassung an den Brennstoffzellen 10, 20 erfolgt in beiden Ausgestaltungen 2A), 2B) folgendermaßen:
Erfindungsgemäß werden die Brennstoffzellen 10, 20 eines Brennstoffzellenstapels 100 über einen längeren Zeitraum überwacht.
Auch bei der Identifizierung eines mikroskopischen Kurzschlusses wird zum Aufpräge-Zeitpunkt t₀ eine externe elektrische Zellenspannung U_10,20 auf die einzelnen Brennstoffzellen 10, 20 aufgeprägt. Die aufgeprägte elektrische Zellenspannung U_10,20 sollte auch in diesem Fall nicht größer als 0,80 V je Brennstoffzelle 10, 20 betragen.
Wenn eine einzelne erste Brennstoffzelle 10 des Brennstoffzellenstapels 100 gemäß 5, siehe die Kennlinie 5.1 die vorgegebene aufgeprägte Zellenspannung U₁₀ erreicht, ist sicher gestellt, dass zunächst einmal kein makroskopischer Kurzschluss vorliegt. Bis dahin unterscheidet sich die Vorgehensweise nicht gegenüber dem bereits beschriebenen Verfahrensablauf zur Detektion eines makroskopischen Kurzschlusses. Es ist jedoch mit der bisher erläuterten Verfahrensweise noch nicht ausgeschlossen, dass ein mikroskopischer Kurzschluss vorliegt.
Zur Detektion des mikroskopischen Kurzschlusses wird die elektrische Anschluss-Spannung U₂₀₀ der Spannungsversorgung 200 nach Erreichen des an jeder Brennstoffzelle 10, 20 vorgegebenen Spannungswertes U_10,20 zum Abschalt-Zeitpunkt t_Abschalt ausgeschaltet, so dass keine externe elektrische Zellenspannung U_10,20 mehr auf die Brennstoffzellen 10, 20 aufgeprägt ist.
Im Unterschied zur bisherigen Vorgehensweise wird die Spannungsversorgung zum Abschalt-Zeitpunkt t_Abschalt unterbrochen, das heißt, die extern aufgeprägte elektrische Zellenspannung U_10,20 liegt nicht mehr an den Brennstoffzellen 10, 20 an. Jetzt wird der Spannungsverlauf der einzelnen Brennstoffzellen 10, 20 über die Zeit t fortschreitend mittels der Einzelspannungserfassung überwacht.
Existiert ein mikroskopischer Kurzschluss, so entlädt sich beispielsweise eine defekte zweite Brennstoffzelle 20 in einem zweiten Zeitraum Δt₂ mit einer charakteristischen Kennlinie 5.2 gemäß 5. Gegenüber einer defekten zweiten Brennstoffzelle 20 gemäß 4, zweite Kennlinie 4.2 mit einem makroskopischen Kurzschluss geht die Entladung wesentlich langsamer vonstatten, wie das pro Zeiteinheit geringere Abfallen der Zellenspannung U₂₀ auf Null mittels der zweiten Kennlinie 5.2 in 5 innerhalb des zweiten Zeitraumes Δt₂ im Vergleich zur zweiten Kennlinie 4.2 in 4 verdeutlicht. Dort fällt die Zellenspannung U₂₀ innerhalb des ersten Zeitraumes Δt₁ innerhalb einer kürzeren Zeit auf Null ab.
5 zeigt anhand der Kennlinien 5.1, 5.2 beispielsweise zwei Brennstoffzellen 10, 20, wobei die erste Kennlinie 5.1 beispielsweise die intakte erste Brennstoffzelle 10 zeigt, deren Spannungswert U₁₀ in dem zweiten überwachten Zeitraum Δt₂ konstant bleibt. Die andere zweite Kennlinie 5.2 zeigt die zweite, in diesem Fall defekte Brennstoffzelle 20 mit dem mikroskopischen Kurzschluss. Es wird deutlich, dass die Zellenspannung U₂₀ der zweiten Brennstoffzelle 20 ausgehend von dem aufgeprägten Spannungswert U₂₀ im zweiten Zeitraum Δt₂, bei einem mikroskopischen Kurzschluss (Kennlinie 5.2) gegenüber einem makroskopischen Kurzschlusses im zweiten Zeitraum Δt₂ (Kennlinie 4.2) wesentlicher langsamer abfällt (Δt₁ < Δt₂).
Der Entladevorgang vollzieht sich gemäß 5, zweite Kennlinie 5.2 ausgehend von der vorgegebenen extern aufgeprägten elektrischen Zellenspannung U₂₀, die zum Aufpräge-Zeitpunkt t₀ aufgeprägt worden ist und dem Abschalt-Zeitpunkt t_Abschalt innerhalb des längeren zweiten Zeitraumes Δt₂ (Δt₂ = t_Abschalt – t₁) gegen Null, wobei t₁ dem Zeitpunkt entspricht, bei dem die Zellenspannung U₂₀ vollständig auf Null abgefallen ist. Es wird deutlich, dass der erste Zeitraum Δt₁ kürzer ist, als der zweite Zeitraum Δt₂ (Δt₁ < Δt₂). Bei einem mikroskopischen Kurzschluss wird der Spannungswert Null gegenüber einem makroskopischen Kurzschluss vergleichsweise erst nach einer längeren Zeitspanne Δt₂ erreicht.
Der identifizierte mikroskopische Kurzschluss ist analog zum makroskopischen Kurzschluss ein elektrischer Kurzschluss, der durch einen Defekt in der Protonenaustauschmembran 11A, 21A entsteht, oder durch einen elektrischen Kurzschluss der beiden Bipolarplatten 11G, 21G hervorgerufen wird.
Über die Einzelspannungserfassung an jeder Brennstoffzellen 10, 20 ist eine mikroskopisch defekte Brennstoffzelle 10, 20 direkt und örtlich (lokal) detektierbar. Defekte Brennstoffzellen 10, 20 können dadurch eindeutig identifiziert und repariert beziehungsweise ausgetauscht werden. In vorteilhafter Weise besteht mit Hilfe dieses Verfahrens die Möglichkeit, dass eine Identifizierung eines makroskopischen und eines mikroskopischen Kurzschlusses vor als auch nach der Erstinbetriebnahme vorgenommen werden kann.

3) Befeuchtung der Protonenaustauschmembran 11A, 21A, die sowohl für die Identifizierung eines makroskopischen als auch mikroskopischen Kurzschlusses zum Einsatz kommen kann.

In einer Ausgestaltungsvariante wird der Spannungsaufbau der vor einer Erstinbetriebnahme aufgeprägten Zellenspannung U_10,20 gemäß der Kennlinien 4.1 und 4.2 sowie 5.1 und 5.2 gemäß 4 und 5 verbessert, wenn die Membran-Elektrodeneinheit 11, 21 zuvor befeuchtet wird. Bei der Erfassung eines möglichen Kurzschlusses vor einem Neustart oder einem Wiederstart wird die separate Befeuchtung nicht benötigt, da die zwischen dem jeweilige Anodenraum 11E, 21E und dem jeweiligen Kathodenraum 11F, 21F liegende Protonenaustauschmembran 11A, 12A bereits durch den vorhergegangen Betrieb der jeweiligen Brennstoffzelle 10, 20 befeuchtet ist.
Vorgeschlagen wird, zur Befeuchtung der Protonenaustauschmembran 11A, 12A ein befeuchtetes Gas, eine Mischung aus Wasserdampf und einem Inertgas (beispielsweise Stickstoff, Argon oder Helium) zu verwenden, welcher vor dem Kurzschlusstest den jeweiligen Anodenraum 11E, 21E und den jeweiligen Kathodenraum 11F, 21F des Brennstoffzellenstapels 100 spült. Bevorzugt wird ein Stickstoff-Wasserdampf-Gemisch verwendet.
Durch die Verwendung eines Gas-Wasserdampf-Gemischs vor der Erfassung des Kurzschlusses vor der Erstinbetriebnahme ist sichergestellt, dass eine bisher noch nicht mit Brennstoff und/oder Oxidationsmittel beladene Brennstoffzelle 10, 20 gleichmäßiger die jeweils aufgeprägte gewünschte Zellenspannung U_10,20 aufbaut. Der Aufbau einer gleich großen Zellenspannung U_10,20 in jeder Brennstoffzelle 10, 20 des Brennstoffzellenstapels 100 wird dadurch positiv beeinflusst. Die Erfassung eines Kurzschlusses der einzelnen Brennstoffzelle 10, 20 erfolgt dadurch bei einheitlichen Ausgangsbedingungen.
Abschließend zeigt 6A-1 schematisch eine Membran-Elektrodeneinheit 11, 21 ohne Kurzschluss.
6B zeigt eine Membran-Elektrodeneinheit 11, 21 mit einem Membran-Kurzschluss, verdeutlicht durch e^– innerhalb der Protonenaustauschmembran 11A, 21A.
Anhand der 6C wird eine Membran-Elektrodeneinheit 11, 21 mit einem externen Kurzschluss dargestellt, der durch den elektrischen Widerstand R und den Kurzschluss e^–, der sich über die Bipolarplatten 11G, 21G bildet, symbolisiert wird.
Es versteht sich, dass das Verfahren an einer einzelnen Membran-Elektrodeneinheit 11, 21 durchführbar ist, wobei die Identifikation eines Kurzschlusses erfolgt, während bei dem anhand des Brennstoffzellenstapels 100 beschriebenen Verfahrens sowohl die Identifikation eines Kurzschlusses als auch die Lokalisierung des Kurzschlusses in mindestens einer Brennstoffzelle 10, 20 des Brennstoffzellenstapels 100 erfolgt.
Das Verfahren wird nach der erfolgten Fertigung eines Brennstoffzellenstapels 100 angewendet, bevor der Brennstoffzellenstapel 100 beispielsweise in einem Kraftfahrzeug verbaut wird. Dazu wird ein Prüfstand verwendet, der eine externe Spannungsquelle 200 und Einrichtungen zur Einzelspannungserfassung jeder Brennstoffzelle 10, 20 eines Brennstoffzellenstapels 100 umfasst. Über die Einzelspannungserfassung ist ein mikroskopischer oder makroskopischer Kurzschluss detektierbar.
Zur Durchführung des Verfahrens an einem Brennstoffzellenstapel 100, welches bereits in einem Kraftfahrzeug verbaut ist, umfasst der Brennstoffzellenstapel 100 neben den stromabführenden Anschlüssen, den Stromabnehmern 110 einen Anschluss zur Spannungsversorgung die an eine externe Spannungsquelle 200 angeschlossen ist. Ferner wird eine Einzelspannungserfassungs-Einrichtung angeordnet, die eine Erfassung der Zellenspannung U_10,20 an jeder Brennstoffzelle 10, 20 des Brennstoffzellenstapels 100 ermöglicht. Als externe Spannungsquelle 200 wird die Kraftfahrzeug-Batterie vorgeschlagen.
Die Eingangsdaten der Spannungsversorgung des Brennstoffzellenstapels 100 insgesamt und die an den Brennstoffzellen 10, 20 anliegende Zellenspannung U_10,20 werden durch eine Auswerteeinheit, die Teil eines Kraftfahrzeug-Diagnosegerätes ist, überwacht. Die Ausgangsdaten der Einzelspannungserfassungs-Einrichtung der Brennstoffzellen 10, 20 werden ebenfalls in der Auswerteeinheit ausgewertet. Wird ein makroskopischer oder ein mikroskopischer Kurzschluss festgestellt, wird von der Auswerteeinheit des Kraftfahrzeug-Diagnosegerätes eine Fehlermeldung abgesetzt, die dem Kraftfahrzeug-Führer ein Defekt im Brennstoffzellenstapel 100 signalisiert, wonach eine Reparatur oder ein Austausch des defekten Brennstoffzellenstapels erfolgen kann. Das Verfahren kann beispielsweise bei jedem Start oder nach jedem Fahrtende eines mit einem Brennstoffzellenstapel ausgerüsteten Fahrzeugs vollautomatisiert durchgeführt werden.
Bezugszeichenliste

100: Brennstoffzellenstapel
10: erste Brennstoffzelle
20: zweite Brennstoffzelle
11A, 21A: Membran (Protonenaustauschmembran)
11B, 21B: Anode
11C, 21C: Kathode
11D, 21D: Katalysator
11E, 21E: Anodenraum
11F, 21F: Kathodenraum
11G, 21G: Unipolarplatte
1121G: Bipolarplatte
11H, 21H: Gasdiffusionsstruktur
101: Brennstoffzufuhr
102: Oxidationsmittelzufuhr
103: Rückstandsabfuhr
104: Endplatte
105: Verschraubung
106: Zugstange
107: Dichtung
108: Stromkreis
109: Verbraucher
110: Stromabnehmer
111: Bipolarplatte inklusive Kühlkanal
200: externe Spannungsquelle
e^–: Kurzschluss
R: elektrischer Widerstand
3.1: Kennlinie in 3
4.1: erste Kennlinie in 4
4.2: zweite Kennlinie in 4
5.1: erste Kennlinie in 5
5.2: zweite Kennliniein 5
U: Spannung
U₂₀₀: Anschluss-Spannungswert
U_10,20: Spannungswert der Zellenspannung (Testspannung)
t: Zeit
Δt₁: erster Zeitraum des Zellenspannungsabfalls
Δt₂: zweiter Zeitraum des Zellenspannungsabfalls
t₀: Zeitpunkt – Anlegen der aufgeprägten Zellenspannung
t_Abschalt: Zeitpunkt-Abschaltung der aufgeprägten Zellenspannung
t₁: Zeitpunkt des vollständigen Zellenspannungsabfalls

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10226339 A1 [0002]
EP 1487044 A2 [0003]
JP 2002208424 A2 [0004]

Claims

Verfahren zur Identifikation und Lokalisierung eines Kurzschlusses einer Membran-Elektrodeneinheit (11A, 11B, 11C; 12A, 12B, 12C) mindestens einer Brennstoffzelle (10, 20) oder eines mehrere Brennstoffzellen (10, 20) aufweisenden Brennstoffzellenstapels (100) durch Anlegen einer externen Anschluss-Spannung (U₂₀₀) an die mindestens eine Brennstoffzelle (10, 20) oder den Brennstoffzellenstapel (100), dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens einen Brennstoffzelle (10, 20) zu einem Aufpräge-Zeitpunkt (t₀), bei der die mindestens eine Brennstoffzelle (10, 20) keine Leistung abgibt, eine externe vorgebbare Zellenspannung (U_10,20) aufgeprägt wird, deren Spannungsverlauf ausgehend von dem Aufpräge-Zeitpunkt (t₀) überwacht wird, wobei durch die Signifikanz des Spannungsverlaufes ein makroskopischer und/oder mikroskopischer Kurzschluss innerhalb der mindestens einen Brennstoffzelle (10, 20) identifiziert und innerhalb eines Brennstoffzellenstapels (100) identifiziert und lokalisiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zu dem Aufpräge-Zeitpunkt (t₀) extern vorgegebene Zellenspannung (U_10,20) der mindestens einen Brennstoffzelle (10, 20) zu einem später liegenden Abschalt-Zeitpunkt (t_Abschalt) abgeschaltet wird, um den mikroskopischen Kurzschluss zu identifizieren und zu lokalisieren.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Signifikanz des Spannungsverlaufes des makroskopischen Kurzschlusses ausgehend von dem Aufpräge-Zeitpunkt (t₀) durch einen schnellen vollständigen Spannungsabfall der extern aufgeprägten Zellenspannung (U_10,20) innerhalb eines ersten Zeitraumes (Δt₁) charakterisiert ist.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Signifikanz des Spannungsverlaufes des mikroskopischen Kurzschlusses ausgehend von dem Abschalt-Zeitpunkt (t_Abschalt) durch einen langsamen vollständigen Spannungsabfall der extern aufgeprägten Zellenspannung (U_10,20) innerhalb eines zweiten Zeitraumes (Δt₂) charakterisiert ist.
Verfahren nach Anspruch 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass der makroskopische Kurzschluss der mindestens einen Brennstoffzelle (10, 20) innerhalb des ersten Zeitraumes (Δt₁) anhand einer charakteristischen Kennlinie (4.2) identifiziert wird, die einem sich schnell vollständig entladenden Plattenkondensator entspricht.
Verfahren nach Anspruch 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass der mikroskopische Kurzschluss der mindestens einen Brennstoffzelle (10, 20) innerhalb des zweiten Zeitraumes (Δt₂) anhand einer charakteristischen Kennlinie (5.2) identifiziert wird, die einem sich langsam vollständig entladenden Plattenkondensator entspricht.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Identifizierung und Lokalisierung des makroskopischen und/oder mikroskopischen Kurzschlusses a) – vor einer Erstinbetriebnahme oder b) – nach der Erstinbetriebnahme der mindestens einen Brennstoffzelle (10, 20) vorgenommen wird, wobei die mindestens eine Brennstoffzelle (10, 20) während der Identifizierung noch keine Leistung a) oder keine Leistung mehr b) erzeugt.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens einen Brennstoffzelle (10, 20) vor der Erstinbetriebnahme, bevor ihr zu dem Aufpräge-Zeitpunkt (t₀) die externe vorgebbare Zellenspannung (U_10,20) aufgeprägt wird, ein Gas-Wasserdampfgemisch zugeführt wird, so dass die mindestens eine Brennstoffzelle (10, 20) befeuchtet wird.
Brennstoffzelle (10, 20) oder Brennstoffzellenstapel (100), umfassend einen Anschluss zur externen Spannungsversorgung der mindestens einen Brennstoffzelle (10, 20) mittels einer externen Spannungsquelle (200) zum Aufprägen einer Zellenspannung (U_10,20) und eine zugeordnete Einzelspannungserfassungs-Einrichtung zur Erfassung eines Spannungsverlaufes der Zellenspannung (U_10,20).