DE102012005690A1 - Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Anlage, die ein Brennstoffzellensystems (2) mit einer Brennstoffzelle (4) und mindestens einen Behälter (6, 8, 10) zum Speichern von Wasserstoffgas aufweist, wobei der mindestens eine Behälter (6, 8, 10) über eine Leitung (26), entlang der zumindest ein als Drucksensor (36) ausgebildeter Sensor angeordnet ist, mit der Brennstoffzelle (4) verbunden ist, wobei mit dem zumindest einen Drucksensor (36) ein Druck des zu der Brennstoffzelle (4) strömenden Wasserstoffgases in dieser Leitung (26) gemessen und eine Menge des zu der Brennstoffzelle (4) strömenden Wasserstoffgases über eine Menge-Druck-Beziehung berechnet wird, die einen Zusammenhang des Drucks und der Menge des Wasserstoffgases beschreibt, und wobei ein von der Brennstoffzelle (4) erzeugter Strom von einem als Stromsensor ausgebildeten Sensor gemessen und eine Menge des von der Brennstoffzelle (4) verstromten Wasserstoffgases über eine Menge-Strom-Beziehung berechnet wird, die einen Zusammenhang des von der Brennstoffzelle (4) erzeugten Stroms und der Menge des verbrannten Wasserstoffgases beschreibt, wobei die berechneten Mengen Wasserstoffgas miteinander verglichen werden, wobei für den Fall, dass die berechneten Mengen einen Schwellwert übersteigend voneinander abweichen und das Brennstoffzellensystem (2) leckagefrei ist, für mindestens einen Sensor der Anlage eine Funktionstüchtigkeit überprüft wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems.
  • Wasserstoff, der für eine Brennstoffzelle eines Antriebs eines Kraftfahrzeugs benötigt wird, wird in dem Kraftfahrzeug in hierfür vorgesehenen Zylindern bei einem Druck von bis zu 700 bar gespeichert. Dabei kann zur Optimierung einer ausreichenden Menge an Wasserstoff sowie unter Berücksichtigung eines minimalen Innenraumverlusts und sonstiger Package Restriktionen vorgesehen sein, dass in dem Kraftfahrzeug bis zu fünf derartige Zylinder angeordnet sind. Dabei ist jedem dieser Zylinder ein elektromagnetisch betätigbares Absperrventil zugeordnet, das zum Öffnen mit einem Strom von bis zu einem Ampere (1 A) bestromt werden muss. Es ist weiterhin vorgesehen, immer alle Absperrventile zur gleichen Zeit zu bestromen, so dass bis zu 5 Ampere (60 Watt) allein zum Öffnen der Absperrventile benötigt werden.
  • Die Druckschrift DE 10 2006 025 125 A1 beschreibt ein Verfahren zum Detektieren undichter Stellen in einem Brennstoffzellensystem, das einen Wasserstoffspeichertank, ein Hauptsperrventil und ein Nebensperrventil in einer Zufuhrleitung umfasst. Beim Abschalten wird das Hauptsperrventil geschlossen, wobei die Brennstoffzellen temporär in Betrieb gelassen werden. Weiterhin wird der Druck in der Zufuhrleitung zwischen den Ventilen gemessen. Wenn der gemessene Druck einen vorbestimmten Abschaltdruck erreicht hat, wird das Nebensperrventil geschlossen. Bei dem nächsten Systemstart wird der Druck gemessen, bevor die Sperrventile geöffnet werden, und der gemessene Druck wird mit dem gespeicherten Druck verglichen. Wenn ein Wert der gegenwärtigen Druckmessung geringer als ein Wert der gespeicherten Druckmessung ist, ist dies ein Hinweis dafür, dass die Zufuhrleitung zwischen den Sperrventilen undichte Stellen besitzt. Wenn der gemessene Druck höher als der gespeicherte Druck ist, ist es ein Hinweis dafür, dass das Primärventil undichte Stellen besitzt.
  • Eine Gasleckerfassungsvorrichtung für ein Brennstoffzellensystem ist aus der Druckschrift DE 11 2005 001 818 T5 bekannt. Das Brennstoffzellensystem umfasst dabei eine Brennstoffzelle, eine Brennstoffgaszuführungsquelle, einen Zuführungsdurchgang für das Brennstoffgas, einen Entladedurchgang zum Entladen des Brennstoffgases aus der Brennstoffzelle und ein in dem Entladedurchgang angeordnetes Entleerungsventil zum Anpassen einer durch die Brennstoffzelle entladenen Brennstoffgasmenge. Die Gasleckerfassungsvorrichtung umfasst einen in dem Zuführungsdurchgang angeordneten Zuführungsmengendetektor zur Erfassung einer Brennstoffgaszuführungsmenge, wobei der Zuführungsdurchgang einen ersten Durchgang umfasst, der stromab des Zuführungsmengendetektors angeordnet ist, wobei die Brennstoffzelle einen zweiten Durchgang umfasst, durch den das Brennstoffgas strömt. Der Entladedurchgang umfasst einen dritten Durchgang, der stromauf des Entleerungsventils angeordnet ist. Außerdem umfasst die Gasleckerfassungsvorrichtung eine Verbrauchsmengenberechnungseinrichtung zur Berechnung einer durch die Brennstoffzelle verbrauchten Brennstoffgasmenge, einen Druckdetektor zum Erfassen eines Drucks des Brennstoffgases in einem Leckerfassungsdurchgang einschließlich der drei Durchgänge, eine Änderungsmengenberechnungseinrichtung zum Bestimmen einer Änderung des Drucks und zum Berechnen einer Änderung in der Brennstoffgasmenge in dem Gasleckerfassungsdurchgang infolge der Änderung des Drucks des Brennstoffgases und eine Differenzmengenberechnungseinrichtung zur Berechnung einer Differenz zwischen der erfassten Menge an zugeführtem Brennstoffgas und einer Summe der Menge des verbrauchten Brennstoffgases sowie der Änderung der Brennstoffgasmenge in dem Gasleckerfassungsdurchgang.
  • Ein Diagnoseverfahren zum Detektieren von Komponentenstörungen in einem Brennstoffzellen-Anodensubsystem ist aus der Druckschrift DE 10 2007 060 712 A1 bekannt. Dabei wird eine Brennstoffströmung durch Injektoren geschätzt und mit einem Modell, das auf Systemparametern beruht, verglichen. Ein beobachterbasiertes Modell wird zum Ermitteln eines Restwerts der Differenz zwischen der Wasserstoffzufuhr und dem verbrauchten Wasserstoff verwendet, wobei der Restwert mit einem Grenzwertbereich verglichen wird.
  • Vor diesem Hintergrund werden ein Verfahren sowie eine Anordnung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgestellt.
  • Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es möglich, eine interne Konsistenz von mindestens einer Größe einer Komponente eines Brennstoffzellensystems einer als Kraftfahrzeug ausgebildeten Anlage zu bestimmen und/oder zu überprüfen. Diese mindestens eine Größe, üblicherweise physikalische Zustandsgröße, kann mit mindestens einem Sensor bestimmt werden. Somit ist es u. a. möglich, in dem Brennstoffzellensystem eine ggf. vorhandene Leckage festzustellen. Falls sich jedoch herausstellt, dass das Brennstoffzellensystem leckagefrei und somit für ggf. ausströmenden Wasserstoff dicht ist, aber Werte von zu vergleichenden Größen dennoch voneinander abweichen, ist im Rahmen des Verfahrens vorgesehen, eine Ursache für ein Abweichen der verglichenen Größen zu ermitteln. Hierbei wird berücksichtigt, dass ein Wert für die Größen über einen Sensor direkt gemessen oder aus mindestens einem Wert, der von mindestens einem Sensor erfasst wird, bspw. durch Berechnung abgeleitet wird, Somit wird eine Überprüfung einer internen Konsistenz der gemessene Größe durchgeführt, wobei eine Funktionstüchtigkeit bzw. Funktionsfähigkeit von mindestens einem Sensor überprüft wird.
  • Ein zu überprüfender Sensor im Brennstoffzellensystem ist ein Stromsensor der Brennstoffzelle. Ausgehend von einem Wert I des von diesem Stromsensor gemessenen Stroms bei der Reaktion: H2 + 1/2O2 → H2O wird mit dem Faradayschen Gesetz I = 2nF/t die Menge der in einer Brennstoffzelle reagierenden Edukte bestimmt. Dabei kann ein üblicherweise zeitlich integrierter Wert der reagierenden Menge an Wasserstoff (H2) mit dem Wert jener Menge an Wasserstoff verglichen werden, der über eine Änderung des mit einem Drucksensor als weiterem Sensor gemessenen Drucks und einer Druck-Temperatur-Menge-Relation, bspw. der Virialgleichung, die in dem Artikel "Standardized Equation for Hydrogen Gas Densities for Fuel Consumption Applications" von Eric W. Lemmon et al. beschrieben ist, oder der Gleichung für das ideale Gas in einem Wasserstoff-Speicher bestimmt wird. Stimmen diese beiden Werte überein, oder weichen höchstens um einen Toleranzwert voneinander ab, so ist davon auszugehen, dass das Brennstoffzellensystem gasdicht ist und der Stromsensor korrekt funktioniert. Sollte es bei den ermittelten Werten eine Ungleichheit geben, so deutet dies entweder auf einen Fehler im Stromsensor oder eine Undichtigkeit im Brennstoffzellensystem hin. Falls der gemessene Wert des Stroms zu hoch ist, ist das ein Hinweis auf einen Fehler des Stromsensors. Ob der Wert zu hoch ist, kann durch Vergleich dieses Werts mit einer Kennlinie ermittelt werden.
  • Es ist jedoch auch möglich, dass ein als Drucksensor ausgebildeter Sensor fehlerhaft ist, was ebenfalls nachgewiesen werden kann. Hierzu werden vor dem Abstellen des Kraftfahrzeugs mit einem als gasdicht identifizierten Brennstoffzellensystem der Druck im Hochdrucktrakt des Brennstoffzellensystems, sowie die Temperatur in einem aktuell und/oder zuletzt aktiven und somit geöffneten, als Zylinder ausgebildeten Behälter zum Speichern von Wasserstoff gemessen und üblicherweise in einem nicht flüchtigem Speicher, z. B. EEPROM, einer Steuereinheit einer Steuergeräteanordnung gespeichert. Direkt nach dem Neustart des Kraftahrzeugs wird die Temperatur in diesem Behälter erneut gemessen, wobei nur dieser Behälter zum Bereitstellen von Wasserstoff zum Neustart zuerst geöffnet wird. Anschließend wird der Druck im Hochdrucktrakt mit dem Hochdrucksensor bestimmt. Dessen Wert wird ggf. unter Berücksichtigung der gemessenen Temperatur des Behälters korrigiert, sollte jedoch mit dem gespeicherten Wert identisch sein. Weichen die Werte einen Schwellwert übersteigend voneinander ab, wobei der gespeicherte Wert deutlich geringer sein kann, so ist der Drucksensor zum Messen eines Hochdrucks des Wasserstoffgases im Brennstoffzellensystem defekt.
  • Zur Steigerung der Sicherheit einer derartigen Überprüfung können beim Abschalten des Kraftahrzeugs mit dichtem Brennstoffzellensystem die anderen Behälter aktiviert werden, was üblicherweise in einer druckabhängien Reihenfolge durchgeführt werden kann, wobei zunächst der Behälter mit dem niedrigsten Druck, danach der Behälter mit dem zweitniedrigsten Druck usw. aktiviert wird. Die gemessenen Werte für den Druck und die Temperatur der Behälter werden im Speicher der Steueranordnung abgelegt. Beim Neustart kann jetzt, wie oben beschrieben, der Test für die Behälter durch Messen der Werte beim Neustart wiederholt werden und ein Mittelwert für den Druck sämtlicher Behälter sowie eine jeweilige Abweichung der gemessenen Werte vom Mittelwert gebildet werden, wodurch eine Funktionalität des Drucksensors überprüft werden kann. Dieser Test des Drucksensors kann unabhängig von der Dichtigkeitsprüfung durchgeführt und auch zum Testen von Temperatursensoren in den Behältern verwendet werden, falls die genannten thermodynamischen Größen beim Abstellen und beim Neustart des Kraftfahrzeugs für alle Behälter bestimmt werden. Weicht der Wert für die Temperatur in einem Behälter von dem Mittelwert, der aus allen Werten gebildet wird, zu stark ab, wohingegen ein Wert des von dem Drucksensor dieses Behälters gemessenen Drucks von einem Mittelwert der für sämtliche Behälter gemessenen Werte nur geringfügig abweicht, so ist der Temperatursensor in jenem Behälter mit vom Mittelwert zu stark abweichendem Wert mit großer Wahrscheinlichkeit defekt.
  • Sofern die voranstehend beschriebene Maßnahme zum Überprüfen eines Zusammenhangs der Größen Druck, Temperatur und Strom im Brennstoffzellensystem keine eindeutige Aussage darüber liefern, welcher der Sensoren fehlerhaft ist, weil ein Fehler bspw. innerhalb der Messgenauigkeit liegt, so ist es möglich, eine Konsistenz des Stromsensors zu testen. Hierzu ist vorgesehen, neben dem Strom, der durch die Brennstoffzelle fließt, auch eine an der Brennstoffzelle anliegende Spannung zu messen. Das Produkt (U·I) dieser beiden Größen ist die von der Brennstoffzelle gelieferte elektrische Leistung (Pel). Für Verbraucher, d. h. für den Antriebsstrang, für die Verbraucher innerhalb des Brennstoffzellensystems, im Bordnetz des Kraftfahrzeugs, das bspw. eine Betriebsspannung von 14 V aufweisen kann, usw. werden Werte der elektrischen Größen Strom I und Spannung U üblicherweise ebenfalls bestimmt und bspw. über ein CAN-Netzwerk der Steuereinheit bereitgestellt. Aus einem Spannungsabfall zwischen der Brennstoffzelle (BZ) und den Verbrauchern (Verb) ΔU = UBZ – UVerb = I·R kann der Wiederstand (R) einer Verbindungsleitung zwischen der Brennstoffzelle und den Verbrauchern als Komponente bzw. Bauteil des Brennstoffzellensystems bestimmt werden. Eine Verlustleistung in dieser Verbindungsleitung ist gleich I2·R. Durch Summation der Werte der Leistung dieser Verbraucher und der jeweiligen Verlustleistung der Verbindungsleitung ist es möglich, eine elektrische Energiebilanz zu bestimmen. Ein Vergleich der produzierten elektrischen Leistung aus der Brennstoffzelle (U·I) mit der Summe der Leistung der Verbraucher gibt darüber Auskunft, ob die Abweichung aus der Messung des Stroms und der Spannung der Brennstoffzelle oder aus der Messung des Drucks und der Temperatur der Behälter resultiert.
  • Eine korrekte Funktionstüchtigkeit des Spannungssensors der Brennstoffzelle kann durch unterschiedliche Maßnahmen überprüft werden. Unter Berücksichtigung der hierbei durchgeführten Überprüfungen kann festgestellt werden, ob der Spannungssensor der Brennstoffzelle einen Fehler und/oder eine Drift aufweist.
  • Die Brennstoffzelle weist einen charakteristischen Strom-Spannungs-Zusammenhang auf, der entweder als physikalisches Modell oder als Kennlinie abgelegt werden kann. Durch Vergleich eines aktuellen, betriebsbegleitenden Strom-Spannung-Zusammenhangs mit dem Strom-Spannung-Zusammenhang der Kennlinie oder des Modells können alterungs- und/oder betriebsbedingte Abweichungen des Strom-Spannung-Zusammenhangs berücksichtigt werden. Der Vergleich ist mit einer Steuereinheit, die eine hierfür ausreichende Rechenkapazität aufweist, durchführbar.
  • Physikalisch bedingt weist die an der Brennstoffzelle anliegende Spannung in einem System, das die Brennstoffzelle und sämtliche elektrische Verbraucher umfasst, den höchsten Wert auf. Im stromlosen Zustand ist ein Wert der Spannung der nachgeschalteten Verbraucher und somit Komponenten höchstens genauso hoch wie der Wert der Spannung der Brennstoffzelle. Im bestromten Zustand ist der Wert der Spannung eines Verbrauchers um den Betrag I·R geringer. Da bei bekannter Länge der Verbindungsleitung auch deren elektrischer Leitungswiderstand R bekannt ist, kann unter Berücksichtigung einer Verlustleistung des Stroms entlang der Verbindungsleitung die Messung der Spannung plausibilisiert werden. Üblicherweise liefert eine Abweichung noch keine Aussage darüber, welcher der Spannungssensoren, ob nun der der Brennstoffzelle oder der eines Verbrauchers, fehlerhaft ist. Da aber mehrere Verbraucher mit jeweils zugeordnetem Spannungssensor und zugeordnetem, bekanntem Leitungswiderstand R in der Anlage vorhanden sind, ist aus einem Vergleich einer Mehrzahl von Ergebnissen von Messungen der Spannung ein Rückschluss auf fehlerhafte Spannungssensoren möglich.
  • Ob Spannungs- und/oder Stromsensoren, die Verbrauchern als Komponente der Anlage zugeordnet sind, fehlerhaft sind, kann ebenfalls überprüft werden, wobei berücksichtigt wird, dass mindestens eine Versorgungsspannung UBZ der Brennstoffzelle bekannt ist. Der Leitungswiderstand der Versorgungsleitung ist ebenfalls bekannt, da dieser aus einer Leitungslänge der Verbindungsleitung und dem Material, aus dem diese besteht, bspw. in der Entwicklungsphase bestimmt werden kann. Ergänzend ist es möglich, den Widerstand über eine Temperaturabhängigkeit des Materials, bspw. eines Metalls wie Kupfer zu berücksichtigen, hierbei können Referenzwerte bei 20°C verwendet werden. Aus dem Widerstand der Verbindungsleitung und dem gemessenen Strom, der durch eine als Verbraucher ausgebildete Komponente fließt, kann der Spannungsverlust in der Verbindungsleitung sowie eine am Verbraucher anliegende Sollspannung bestimmt werden. Aus der Vielzahl der einzelnen Messungen des Stroms und der Spannung ist ein Rückschluss darüber möglich, welche Spannungs- und/oder Strommessung fehlerhaft ist. Aus der Summe der Ströme, die durch die Brennstoffzelle und die Verbraucher fließen, kann ermittelt werden, ob für einen Verbraucher ein Strom oder eine Spannung fehlerhaft gemessen wurde und somit ein einem Verbraucher zugeordneter Strom- oder Spannungssensor möglicherweise defekt ist.
  • Eine weitere Plausibilisierung ist möglich, wenn eine Funktionalität der Komponente, bspw. der Verbraucher, berücksichtigt wird. So kann für eine elektrisch angetriebene Wasserpumpe als Verbraucher eine aufgenommene elektrische Leistung PWP = I·U abhängig von der durchgesetzten Wassermenge und dem Verdichtungsdruck bestimmt werden, wobei diese beiden genannten Größen direkt oder indirekt über eine Temperaturänderung ΔT sensorisch bestimmt werden können. Über ein im Steuergerät der Steuergeräteanordnung hinterlegtes Kennfeld zur Darstellung eines Verbrauchs der Wasserpumpe, der spannungsabhängig sein kann, kann zumindest grob abgeglichen werden, ob eine Aufnahme der elektrischen Leistung der Wasserpumpe realistisch oder fehlerhaft ist.
  • In ähnlicher Weise kann eine Funktionsweise einer Luftfördereinheit als Komponente der Anlage überprüft werden. Zur Steuerung der Brennstoffzelle und der Luftfördereinheit wird ein Heissfilm-Luftmassenmesser (HFM) als Messsonde eingesetzt. Dieser bzw. diese bestimmt die in dem Brennstoffzellensystem durchgesetzte Menge an Luft. Weiterhin kann durch Kombination eines Werts einer Strömung der durchgesetzten Luft, die mit dem Heissfilm-Luftmassenmesser bestimmbar ist, sowie dem Druckverhältnis der Luft, das aus dem Verhältnis eines gemessenen Ausgangs- und Eingangsdrucks bestimmt wird, über entsprechend gemessene und hinterlegte Kennfelder die von der Luftfördereinheit aufgenommene Leistung bestimmt werden, die wiederum mit der Leistung verglichen werden kann, die aus der Spannung U, die an der Luftfördereinheit anliegt, und dem Strom I, der durch die als Luftfördereinheit ausgebildete Fördereinheit fließt, verglichen werden kann.
  • Alternativ oder ergänzend kann eine Funktionsweise eines DC/DC-Wandlers der Anlage, bspw. eines 14 V DC/DC-Wandlers, überprüft werden. Da in dem Brennstoffzellensystem Strom direkt produziert wird, ist üblicherweise ein klassischer Generator, wie bei einem Kraftfahrzeug mit Verbrennungsmotor nicht vorhanden. Stattdessen wird eine von der Brennstoffzelle erzeugte Spannung von dem DC/DC-Wandler auf eine Spannung von 14 V gewandelt. Ist im elektrischen Bordnetz ein System zum Batteriemanagement vorhanden, so werden dort auch die an einer Batterie, bspw. einer 14 V Batterie, anliegende Spannung und ein durch die Batterie fließender Strom gemessen. Mit diesen elektrischen Größen können unter Berücksichtigung eines Spannungsabfalls U = I·R Werte von Niederspannungssensoren in dem DC/DC-Wandler direkt oder indirekt verglichen werden. Die hier zu überprüfende Leistung wird aus dem Mittelspannungsnetz geliefert, über das Komponenten der Anlage untereinander verbunden sind. Aufgrund der Energieerhaltung ist es möglich, die aus dem Mittelspannungsnetz entnommene Leistung zu bestimmen und somit auch eine Funktionstüchtigkeit der Mittelspannungssensoren am Eingang des DC/DC-Wandlers zu überprüfen. Hierbei ist die Leistung ggf. um eine Verlustleistung in dem DC/DC-Wandler zu korrigieren, die jedoch wiederum aus einem Kennfeld abgeleitet werden kann.
  • Die oben genannten Betrachtungen können auch auf andere Verbraucher und/oder Komponenten des Kraftfahrzeugs, bspw. auf eine Lichtmaschine bei einem hybridisierten Antriebsstrang oder einen elektrischen Energiespeicher, übertragen werden.
  • Eine Überprüfung der genannten Größen, d. h. elektrischer und/oder thermodynamischer Größen, der bspw. als Kraftfahrzeug ausgebildeten Anlage, üblicherweise des Brennstoffzellensystems des Kraftfahrzeugs, um Vergleiche mit anderen gemessenen und/oder berechneten Größen durchzuführen, kann situativ, kontinuierlich aber auch zu festgelegten Betriebspunkten, bspw. bei Nulllast, beim Start, im Leerlauf usw. durchgeführt werden. Es ist auch möglich, bestimmte Überprüfungen bzw. Tests permanent, nur situativ und/oder nur zu festgelegten Betriebspunkten durchzuführen.
  • Im Rahmen der Erfindung ist vorgesehen, dass eine Anlage ein Brennstoffzellensystem, das eine Brennstoffzelle und mindestens einen Behälter zum Speichern von Wasserstoffgas aufweist, umfasst. Der mindestens eine Behälter ist über eine Leitung, entlang welcher zumindest ein Drucksensor angeordnet ist, mit der Brennstoffzelle verbunden. Mit dem zumindest einen Drucksensor wird ein Druck des zu der Anode der Brennstoffzelle strömenden Wasserstoffgases in dieser Leitung gemessen. Über eine Menge-Druck-Beziehung wird die Menge des Wasserstoffgases vor der Brennstoffzelle bzw. des zu der Brennstoffzelle strömenden gasförmigen Wasserstoffs berechnet. Außerdem wird ein von der Brennstoffzelle erzeugter und/oder durch die Brennstoffzelle fließender elektrischer Strom gemessen und daraus über eine Menge-Strom-Beziehung eine Menge des von der Brennstoffzelle verstromten und/oder verbrannten Wasserstoffgases berechnet. Die hierbei berechneten Mengen Wasserstoffgas werden miteinander verglichen. Somit wird die Menge, üblicherweise Teilchenzahl, des zu der Brennstoffzelle strömenden Wasserstoffgases mit der von der Brennstoffzelle verbrannten Menge, üblicherweise Teilchenzahl, Wasserstoffgas verglichen. Falls die berechneten Mengen mehr als ein Schwellwert voneinander abweichen, obwohl das Brennstoffzellsystem für Wasserstoff gasdicht und somit leckagefrei ist, wird durch Prüfung einer Konsistenz von Größen der Anlage eine Funktionsfähigkeit und somit Funktionstüchtigkeit mindestens eines Sensors der Anlage überprüft.
  • Hierbei ist vorgesehen, dass die Menge-Druck-Beziehung bzw. -Relation einen üblicherweise mathematischen und/oder funktionalen Zusammenhang des Drucks und der Menge des strömenden Wasserstoffgases beschreibt. Die Menge-Strom-Beziehung bzw. Menge-Strom-Relation beschreibt einen üblicherweise mathematischen und/oder funktionalen Zusammenhang des von der Brennstoffzelle erzeugten Stroms und der Menge des durch Verbrennen verstromten Wasserstoffgases in der Brennstoffzelle.
  • Üblicherweise wird durch Erzeugen des Stroms in der Brennstoffzelle Wasserstoff verbrannt, was auch dadurch beschrieben werden kann, dass das Wasserstoffgas, aber auch der gasförmige Sauerstoff, die in der Brennstoffzelle miteinander reagieren, verstromt werden, da bei einer Reaktion des Wasserstoffgases mit dem gasförmigen Sauerstoff elektrische Energie und somit Strom erzeugt wird.
  • Als die Menge-Druck-Beziehung kann die Gleichung für das ideale Gas oder eine Virialgleichung für Wasserstoffgas verwendet werden. Es ist auch möglich, für die Menge-Druck-Beziehung eine Kennlinie zu verwenden, wobei eine derartige Kennlinie die Gleichung für das ideale Gas oder die Virialgleichung für Wasserstoffgas des Brennstoffzellensystems beschreibt. Diese Kennlinie kann zumindest punktweise gemessen und/oder berechnet werden.
  • Für die Menge-Strom-Beziehung kann die Gleichung des Faraday-Gesetzes und/oder eine Kennlinie verwendet werden. Dabei kann diese Kennlinie auch das Faraday-Gesetz beschreiben und an das Brennstoffzellensystem, dessen Dichtheit zu überprüfen ist, angepasst sein. Auch diese Kennlinie kann zumindest punktweise gemessen und/oder berechnet werden.
  • Mit den verwendeten Beziehungen bzw. Relationen, d. h. mit der Menge-Druck-Beziehung und der Menge-Strom-Beziehung, mit denen eine Abhängigkeit der Menge des gasförmigen Wasserstoffs von dem Druck bzw. dem Strom beschrieben wird, kann auf zwei unterschiedliche Arten die Menge und somit eine Teilchenzahl sowie Masse des Wasserstoffs bestimmt werden.
  • Somit wird die Menge des Wasserstoffgases einmal druckabhängig und einmal stromabhängig bestimmt. Falls für mindestens eine Abhängigkeit des Wasserstoffgases, d. h. für die Menge-Druck-Beziehung und/oder die Menge-Strom-Beziehung, eine Kennlinie verwendet wird, kann eine derartige Kennlinie auf einer der voranstehend erwähnten Gleichungen beruhen und als Zuordnung der Menge des Wasserstoffgases zu dem Druck und/oder dem Strom in einem Speicher des Steuergeräts zur Umsetzung des erfindungsgemäßen Verfahrens abgelegt sein. Mindestens eine derartige Kennlinie kann für eine Anlage mit Brennstoffzellensystem, für das das Verfahren durchzuführen ist, durch Messen und/oder Berechnen individuell bestimmt und ggf. betriebsbegleitend durch wiederholtes Messen und/oder Berechnen angepasst werden. Berechnungen können unter Berücksichtigung einer der genannten Gleichungen durchgeführt werden.
  • Bei dem Verfahren können jeweils mehrere zeitabhängige Werte für den gemessenen Druck und den gemessenen Strom summiert werden, die sich bspw. zu mehreren Zeitpunkten über das Zeitintervall ergeben, und zur Berechnung der zu vergleichenden Mengen verwendet werden. Dabei ist es möglich, den Strom I über die Beobachtungs- oder Betrachtungszeit tB als Dauer des Zeitintervalls zu integrieren, wobei die insgesamt geflossene Ladung Q und daraus weiter die Menge m des Wasserstoffgases berechnet werden kann.
  • In Ausgestaltung kann das Verfahren für eine Anlage mit einem Brennstoffzellensystem durchgeführt werden, das mehrere Behälter zum Speichern von Wasserstoff aufweist, wobei sämtliche Behälter über eine gemeinsame Leitung mit der Brennstoffzelle verbunden sind. An dieser für alle Behälter gemeinsamen Leitung ist der zumindest eine Drucksensor angeordnet, mit dem der zum Berechnen der zu der Brennstoffzelle strömenden Menge an Wasserstoff notwendige Druck gemessen wird. Zum Messen des Drucks wird nur einer der Behälter geöffnet, wohingegen alle anderen Behälter geschlossen werden. Somit wird ein zu berücksichtigendes Volumen für das strömende Gas reduziert, wodurch eine Genauigkeit für den zu messenden Druck erhöht werden kann.
  • Außerdem können Temperaturen von Wasserstoffgas in mehreren nicht aktiven Behältern miteinander verglichen werden. Falls die Temperatur des Wasserstoffgases in einem nicht aktiven, geschlossenen Behälter von einer der anderen gemessenen Temperaturen, d. h. des Wasserstoffgases in einem anderen Behälter und/oder der Luft außerhalb, abweicht, ist das bei einer leckagefreien Brennstoffzelle ein Indiz für das Vorliegen eines Fehlers jedes Temperatursensors, der dem entsprechenden Behälter zugeordnet ist.
  • Falls sich in Ausgestaltung des Verfahrens ergibt, dass Werte für Größen, wie die Menge des Wasserstoffs, der Druck, die Temperatur, eine elektrische Leistung, die mehrfach gemessene und/oder durch Berechnung ermittelt werden, von Vorgaben abweichen, obwohl das Brennstoffzellensystem für den Wasserstoff dicht ist, können Maßnahmen zur Überprüfung einer Funktion der Sensoren, mit denen die Größen direkt oder indirekt ermittelt werden, durchgeführt werden. Für eine sensorisch direkt oder indirekt, d. h. durch Berechnung, ermittelte Größe liegt eine Abweichung vor, wenn sich für diese redundant bestimmbare Größe, bspw. die Menge des Wasserstoffs, Werte ergeben, die sich um mehr als einen zu definierbaren Schwellwert voneinander unterscheiden. Dasselbe gilt auch für den Wert der elektrischen Leistung, die durch Betrieb der Brennstoffzelle geliefert wird, und den Wert der durch Verbraucher verbrauchten elektrischen Leistung.
  • Sämtliche Werte für Größen der Anlage können auch mit hierfür gespeicherten Kennlinien verglichen werden, wobei für einen Wert daraus eine Abweichung vorliegt, wenn dieser Wert zumindest um einen Schwellwert von der an der Kennlinie vorgegebenen Wert abweicht.
  • Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
  • Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
  • Die Erfindung ist anhand von Ausführungsform/en in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird unter Bezugnahme auf die Zeichnung schematisch und ausführlich beschrieben.
  • 1 zeigt in schematischer Darstellung ein Beispiel für ein Brennstoffzellensystem mit einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung, die zur Durchführung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Überprüfen einer Dichtheit des Brennstoffzellensystems ausgebildet ist.
  • Das in 1 schematisch dargestellte Brennstoffzellensystem 2 als Teil einer Anlage, bspw. eines Kraftfahrzeugs, umfasst eine Brennstoffzelle 4 sowie mehrere, hier als Zylinder ausgebildete Behälter 6, 8, 10 zum Speichern von gasförmigem Wasserstoff bzw. von Wasserstoffgas, der bzw. das zum Verstromen in der Brennstoffzelle 4 vorgesehen ist, wobei Wasserstoffgas mit Sauerstoff reagiert und Strom erzeugt wird. Dabei ist jedem dieser Behälter 6, 8, 10 ein Ventil 12, 14, 16 zugeordnet, mit dem ein jeweiliger Behälter 6, 8, 10 zu öffnen und zu schließen ist. Weiterhin ist jedes, einem Behälter 6, 8, 10 zugeordnete Ventil 12, 14, 16 mit einer behälterindividuellen Leitung 18, 20, 22 verbunden, wobei diese behälterindividuellen Leitungen 18, 20, 22 an einer gemeinsamen Schnittstelle 24 in eine für alle Behälter 6, 8, 10 gemeinsame Leitung 26 münden. Diese gemeinsame Leitung 26 ist wiederum mit der Brennstoffzelle 4 verbunden, wobei in dem hier dargestellten Beispiel des Brennstoffzellensystems 2 entlang der gemeinsamen Leitung 26 ein gemeinsames als Druckregelventil ausgestaltetes Ventil 28 angeordnet ist.
  • Außerdem ist jedem Behälter 6, 8, 10 ein behälterindividueller Temperatursensor 30, 32, 34 als Sensor zum Bestimmen der Temperatur des Wasserstoffs in jeweils einem Behälter 6, 8, 10 zugeordnet. Entlang eines ersten Abschnitts der gemeinsamen Leitung 26 zwischen der gemeinsamen Schnittstelle 24 und dem gemeinsamen Ventil 28 ist ein als Hochdrucksensor ausgebildeter Drucksensor 36 als weiterer Sensor zum Messen eines Drucks des gasförmigen Wasserstoffs in dem ersten Abschnitt der gemeinsamen Leitung 26 angeordnet. In einem zweiten Abschnitt, der für sämtliche Behälter 6, 8, 10 gemeinsamen Leitung 26, der zwischen dem gemeinsamen Ventil 28 und einer Anodenseite der Brennstoffzelle 4 angeordnet ist, ist hier ein als Niederdrucksensor ausgebildeter Drucksensor 38 als zusätzlicher Sensor angeordnet, mit dem ein Druck des Gases innerhalb des zweiten Abschnitts der gemeinsamen Leitung 26 zu messen ist.
  • 1 zeigt auch, dass die Brennstoffzelle 4 anodenseitig mit einer Rückführleitung 40 mit dem zweiten Abschnitt der gemeinsamen Leitung 26 verbunden ist. Entlang dieser Rückführleitung 40 ist eine bspw. als Pumpe ausgebildete Fördereinheit 42 angeordnet, so dass die Rückführleitung 40 mit der Fördereinheit 42 eine Rücklaufschleife (Rezyklierloop) für gasförmigen Wasserstoff aus der Brennstoffzelle 4 zu der gemeinsamen Leitung 26 bildet. Außerdem ist die Brennstoffzelle 4 anodenseitig mit einer Abgasleitung 44, entlang welcher ein Ablassventil 46 (Purgeventil) angeordnet ist, verbunden, über das aus der Brennstoffzelle 4 überschüssiger gasförmiger Wasserstoff in die Umgebung abgelassen werden kann.
  • Weiterhin ist die Brennstoffzelle 4 kathodenseitig mit einer Luftleitung 48 verbunden, entlang welcher eine weitere bspw. als Pumpe 50 ausgebildete Fördereinheit angeordnet ist, wobei Luft, die mit der Fördereinheit 50 aus der Umgebung angesaugt wird, der Brennstoffzelle 4 kathodenseitig über die Luftleitung 48 zugeführt wird. Mindestens eine Zustandsgröße der Luft aus der Umgebung wird mit einem als Luftsensor 52 ausgebildeten Sensor, der der Luftleitung 48 zugeordnet ist, gemessen.
  • Bei einem Betrieb der Brennstoffzelle 4 reagiert der gasförmige Wasserstoff aus den Behältern 6, 8, 10 mit dem Sauerstoff als Bestandteil der Luft der Umgebung zu Wasser, das über eine Kathodenabluftleitung 54 aus der Brennstoffzelle 4 abgeführt wird.
  • Ein dabei erzeugter Strom wird mit einem bspw. als Amperemeter 56 ausgebildeten Stromsensor bzw. Strommessgerät als Sensor gemessen, der bzw. das innerhalb eines als Mittelspannungsnetz ausgebildeten Schaltkreises 58, der mit der Brennstoffzelle 4 verbunden ist, angeordnet ist. Weiterhin weist dieser Schaltkreis 58 ein Spannungsmessgerät 60 bzw. einen Spannungssensor als weiteren Sensor auf, das bzw. der parallel zu der Brennstoffzelle 4 geschaltet ist und mit dem eine an der Brennstoffzelle 4 anliegende Spannung und/oder Spannungslage gemessen wird. Außerdem ist die Brennstoffzelle 4 über den Schaltkreis 58 mit mindestens einem Verbraucher 62 (EMS) als Komponente der Anlagen verbunden.
  • Die in 1 ebenfalls schematisch dargestellte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung 70 umfasst eine Steuergeräteanordnung 72, die wiederum mindestens ein Steuergerät umfasst. Dabei ist vorgesehen, dass die Steuergeräteanordnung 72 mit sämtlichen vorgestellten Komponenten des beschriebenen Brennstoffzellensystems 2 der Anlage verbunden ist. Die hierfür vorgesehenen Leitungen zum Austausch von Signalen zwischen der Steuergeräteanordnung 72 und den Komponenten des Brennstoffzellensystems 2 sind in 1 wegen der besseren Übersichtlichkeit nicht dargestellt.
  • Es ist vorgesehen, dass der Steuergeräteanordnung 72 über Komponenten des Brennstoffzellensystems 2, die als Sensoren ausgebildet sind, d. h. von den Temperatursensoren 30, 32, 34 sowie den Drucksensoren 36, 38 Signale zu Zustandsgrößen, d. h. Temperatur sowie Druck, des gasförmigen Wasserstoffs bereitgestellt werden. Über den als Luftsensor 52 ausgebildeten Sensor wird der Steuergeräteanordnung 72 ein Signal über zumindest eine Zustandsgröße der Luft der Umgebung bereitgestellt. Von den beiden elektrischen Sensoren, d. h. dem Strommessgerät 56 sowie dem Spannungsmessgerät 60, werden der Steuergeräteanordnung 72 Signale zu elektrischen Großen und somit Betriebsparametern, d. h. dem Strom und der Spannung der Brennstoffzelle 4, bereitgestellt. Durch die bereitgestellten sensorischen Signale wird die Steuergeräteanordnung 72 über einen Betriebszustand des Brennstoffzellensystems 2 informiert.
  • Außerdem ist die Steuergeräteanordnung 72 dazu ausgebildet, Funktionen von Aktoren des Brennstoffzellensystems 2 zu kontrollieren und somit zu steuern und/oder zu regeln. Hierzu werden diesen Aktoren von der Steuergeräteanordnung 72 Signale bereitgestellt. Dabei stellt die Steuergeräteanordnung 72 den als Ventilen 12, 14, 16, 28, 46 ausgebildeten Aktoren Signale bereit. Somit sind die genannten Ventile 12, 14, 16, 28, 46 üblicherweise durch Bestromung, die von der Steuergeräteanordnung 72 bereitgestellt wird, zu öffnen und/oder geöffnet zu halten. Über geöffnete Ventile 12, 14, 16, 28, 46 kann gasförmiger Wasserstoff strömen. Falls die Ventile 12, 14, 16, 28, 46 von der Steuergeräteanordnung 72 nicht bestromt werden, sind bzw. werden diese geschlossen. Außerdem werden die als Fördereinheiten 42, 50 ausgebildeten Aktoren des Brennstoffzellensystems 2 von der Steuergeräteanordnung 72 aktiviert, so dass eine Menge eines durch diese Fördereinheiten 42, 50 zu fördernden Fluids, d. h. gasförmiger Wasserstoff und/oder Luft, kontrolliert wird.
  • Mit der Steuergeräteanordnung 72 kann ein üblicher Betrieb des Brennstoffzellensystems 2 kontrolliert werden. Unabhängig davon ist die Steuergeräteanordnung 72 dazu ausgebildet, mindestens einen Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens zu kontrollieren und somit auszuführen. Die beschriebene Steuergeräteanordnung 72 kann mindestens ein Steuergerät bzw. mindestens eine Steuereinheit und somit ggf. auch mehrere Steuereinheiten umfassen, die jedoch miteinander verbunden sind und ggf. von einer übergeordneten Steuereinheit kontrolliert werden.
  • Je nach Definition kann mindestens eine der Komponenten des Brennstoffzellensystems 2, mit der mindestens ein Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens durchführbar ist, auch als Komponente der erfindungsgemäßen Anordnung 70 ausgebildet sein. Dies betrifft die Sensoren sowie die Aktoren des Brennstoffzellensystems. Demnach ist es möglich, dass zumindest ein Sensor, d. h. ein Temperatursensor 30, 32, 34, ein Drucksensor 36 und/oder ein elektrischer Sensor, d. h. das Strommessgerät 56 und/oder Spannungsmessgerät 60, als jeweilige Komponente der erfindungsgemäßen Anordnung 70 ausgebildet sein kann. Weiterhin ist es möglich, dass zumindest ein Aktor, d. h. zumindest ein Ventil 12, 14, 16, 28, 46 und/oder zumindest eine Fördereinheit 42, 50 als eine mögliche Komponente der erfindungsgemäßen Anordnung 70 ausgebildet sein kann.
  • Gasförmiger Wasserstoff, der aus mindestens einem der Behälter 6, 8, 10 über eine behalterindividuelle Leitung 18, 20, 22 in den ersten Abschnitt der gemeinsamen Leitung 26 strömt und einen erhöhten Druck von bspw. 700 bar aufweist, wobei ein Druck des Wasserstoffs in dem ersten Abschnitt der gemeinsamen Leitung 26 über den als Hochdrucksensor ausgebildeten Drucksensor 36 genau bestimmt werden kann, wird von dem hohen, auch als Versorgungsdruck bezeichneten Druck über das gemeinsame Ventil 28 auf einen niedrigeren Druck entspannt, so dass der gasförmige Wasserstoff in dem zweiten Abschnitt der gemeinsamen Leitung 26, der mit der Brennstoffzelle 4 anodenseitig verbunden ist, einen niedrigeren, zur Durchführung der Reaktion in der Brennstoffzelle 4 geeigneten Druck aufweist. Dieser niedrigere Druck in dem zweiten Abschnitt der gemeinsamen Leitung 26 beträgt typischerweise 2 bis 10 bar und kann über den in 1 gezeigten, als Niedrigdrucksensor ausgebildetes Drucksensor 38 oder alternativ über einen nicht weiter gezeigten Differenzdrucksensor bestimmt werden.
  • Gasförmiger Wasserstoff auf niedrigerem Druck wird der Brennstoffzelle 4 anodenseitig zugeführt, die üblicherweise in einem Wasserstoff-Überschuss gefahren wird. Nicht verwendeter und/oder überschüssiger Wasserstoff auf der Anodenseite der Brennstoffzelle 4 kann über die Rückführleitung 40 und/oder die Abgasleitung 44 periodisch und/oder nach Bedarf in geringfügigen Mengen abgelassen werden.
  • Von der kathodenseitig über die Fördereinheit 50 aus der Umgebung angesaugten Luft wird über den Luftsensor 52 deren Menge, Temperatur und/oder Druck bestimmt. Außerdem wird die Luft mit der Fördereinheit 50 verdichtet. Der Sauerstoff aus der Luft reagiert in der Brennstoffzelle 4 mit dem gasförmigen Wasserstoff, wobei Strom erzeugt wird, der von dem Strommessgerät 56 gemessen und von dem mindestens einen Verbraucher 62, der auch als Hauptverbraucher bezeichnet werden kann, verbraucht wird. Der mindestens eine Verbraucher 62 und somit auch mehrere Verbraucher 62 in dem als Mittelspannungsnetz ausgebildeten Schaltkreis 58 bestimmt bzw. bestimmen die elektrische Größe, d. h. eine Spannung U und einen Strom I ebenfalls sensorisch und übermitteln Signale hierzu über die nicht dargestellten Leitungen, die als Teil eines als CAN (Controlled Area Network) ausgebildeten Netzwerks ausgebildet sein können, an die Steuergeräteanordnung 72.
  • Zum Versorgen der Brennstoffzelle 4 mit Wasserstoff, der in mehreren Behältern 6, 8, 10 gespeichert ist, wird in der beschriebenen Ausführungsform jeweils nur eines der Ventile 12, 14, 16 geöffnet. Wenn dieses eine Ventil 12, 14, 16 geöffnet ist, sind oder werden alle anderen Ventile 12, 14, 16 geschlossen. Das geöffnete Ventil 12, 14, 16 wird wieder geschlossen, wenn die zumindest eine von mindestens einem gemeinsamen Gassensor, bspw. einem Drucksensor 36, ermittelte Zustandsgröße und somit Größe des Wasserstoffs in der gemeinsamen Leitung 26 von einem Sollwert um einen Toleranzwert abweicht. Alternativ oder ergänzend kann das geöffnete Ventil 12, 14, 16 ebenfalls wieder geschlossen werden, wenn eine von einem behälterindividuellen Temperatursensor 30, 32, 34 gemessene Temperatur als Zustandsgröße des gasförmigen Wasserstoffs in dem jeweiligen Behälter 6, 8, 10 um einen Toleranzwert von einem Sollwert abweicht.
  • Diese Vorgehensweise kann bei einem Dauerbetrieb des Brennstoffzellensystems, bei einer Überprüfung der Dichtheit des Brennstoffzellensystems und/oder beim Überprüfen der Funktionstüchtigkeit bzw. Funktionsfähigkeit mindestens eines Sensors des Brennstoffzellensystems 2 durchgeführt werden. Außerdem kann für die Behälter 6, 8, 10 eine Reihenfolge definiert werden, wobei die den Behältern 6, 8, 10 zugeordneten Ventile 12, 14, 16 der Reihenfolge entsprechend bei Bedarf nacheinander geöffnet werden. Der Sollwert der zumindest einen Zustandsgröße, d. h. einer behälterindividuellen Temperatur und/oder des Drucks in der gemessenen Leitung 26, kann situativ angepasst und/oder fest vorgegeben werden. Der Toleranzwert der zumindest einen Zustandsgröße kann ebenfalls situativ angepasst und/oder fest vorgegeben werden.
  • Als zumindest eine Zustandsgröße kann ein Druck, eine Menge und/oder eine Temperatur des gasförmigen Wasserstoffs in der gemeinsamen Leitung 26 gemessen werden.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben der Anlage, die das Brennstoffzellensystem 2 mit der Brennstoffzelle 4 und mindestens einen Behälter 6, 8, 10 zum Speichern von Wasserstoffgas aufweist, ist vorgesehen, dass der mindestens eine Behälter 6, 8, 10 über eine Leitung 26, entlang der zumindest ein als Drucksensor 36 ausgebildeter Sensor angeordnet ist, mit der Brennstoffzelle 4 verbunden ist, wobei mit dem zumindest einen Drucksensor 36 ein Druck des zu der Brennstoffzelle 4 strömenden Wasserstoffgases in dieser Leitung 26 gemessen und eine Menge des zu der Brennstoffzelle 4 strömenden Wasserstoffgases über eine Menge-Druck-Beziehung berechnet wird, die einen Zusammenhang des Drucks und der Menge des Wasserstoffgases beschreibt. Ein von der Brennstoffzelle 4 erzeugter Strom wird von einem als Stromsensor ausgebildeten Sensor gemessen und eine Menge des von der Brennstoffzelle 4 verstromten Wasserstoffgases über eine Menge-Strom-Beziehung berechnet, die einen Zusammenhang des von der Brennstoffzelle 4 erzeugten Stroms und der Menge des verbrannten Wasserstoffgases beschreibt. Dabei werden die berechneten Mengen Wasserstoffgas miteinander verglichen, wobei für den Fall, dass die berechneten Mengen einen Schwellwert übersteigend voneinander abweichen und das Brennstoffzellensystem 2 leckagefrei ist, für mindestens einen Sensor der Anlage eine Funktionstüchtigkeit überprüft wird.
  • Dabei kann die Funktionstüchtigkeit des als Drucksensor 36 ausgebildeten Sensors überprüft werden. Hierzu wird vor dem Abstellen der Anlage mit dem Drucksensor 36 ein Wert für den Druck des Wasserstoffgases und in dem zuletzt geöffneten Behälter 6, 8, 10 mit einem zugeordneten, als Temperatursensor 30, 32, 34 ausgebildeten Sensor ein Wert für die Temperatur des Wasserstoffgases in dem zuletzt geöffneten Behälter 6, 8, 10 ermittelt, wobei die ermittelten Werte in einem Speicher der Steuergeräteanordnung 72 gespeichert werden. Bei einem nachfolgenden Neustart der Anlage wird der zuletzt geöffnete Behälter 6, 8, 10 als erster Behälter 6, 8, 10 geöffnet, wobei mit dem Drucksensor 36 ein Wert für den Druck des Wasserstoffgases und in dem zuerst geöffneten Behälter 6, 8, 10 mit dem Temperatursensor 30, 32, 34 ein Wert für die Temperatur des Wasserstoffgases in dem zuerst geöffneten Behälter 6, 8, 10 ermittelt wird, wobei die Werte für den Druck des zuletzt geöffneten und dann wieder zuerst geöffneten Behälters 6, 8, 10, bspw. unter Berücksichtigung der Werte für die Temperatur, miteinander verglichen werden.
  • Außerdem können vor dem Abstellen der Anlage gemäß einer festzulegenden Reihenfolge mehrere Behälter 6, 8, 10 nacheinander geöffnet und wieder geschlossen werden, wobei jeweils nur ein Behälter 6, 8, 10 geöffnet ist, wobei für jeden jeweils geöffneten Behälter 6, 8, 10 mit dem zugeordneten Temperatursensor 30, 32, 34 ein Wert für die Temperatur und begleitend mit dem Drucksensor 36 jeweils ein Wert für den Druck gemessen wird. Bei dem Neustart der Anlage werden gemäß derselben Reihenfolge die Behälter 6, 8, 10 nacheinander geöffnet und wieder geschlossen, wobei für jeden jeweils geöffneten Behälter 6, 8, 10 mit dem zugeordneten Temperatursensor 30, 32, 34 ein Wert für die Temperatur und begleitend mit dem Drucksensor 36 jeweils ein Wert für den Druck gemessen wird, wobei die vor dem Abstellen ermittelten Werte mit den nach dem Neustart ermittelten Werten miteinander verglichen werden. Üblicherweise wird jeder Behälter zum Durchführen dieser Ausführungsform des Verfahrens einmal geöffnet.
  • Die Reihenfolge kann in Abhängigkeit von Werten eines Drucks des Wasserstoffgases in den Behältern 6, 8, 10 festgelegt werden, wobei die Reihenfolge in Abhängigkeit einer Höhe der Werte für den Druck festgelegt wird, wobei zuerst der Behälter mit dem niedrigsten Druck und zuletzt der Behälter 6, 8, 10 mit dem höchsten Druck geöffnet wird. Dabei können für die Werte des Drucks und der Temperatur vor dem Abstellen und nach dem Neustart Mittelwerte gebildet werden, mit denen die einzelnen gemessenen Werte verglichen werden.
  • Zur Durchführung des Verfahrens ist es alternativ oder ergänzend auch möglich, dass mit einem als Stromsensor bzw. Strommessgerät 56 ausgebildeten Sensor ein Wert eines durch die Brennstoffzelle 4 fließenden Stroms und mit einem als Spannungssensor bzw. Spannungsmessgerät 60 ausgebildeten Sensor ein Wert einer an der Brennstoffzelle 4 anliegenden Spannung gemessen wird, wobei aus den gemessenen Werten ein Wert einer elektrischen Leistung der Brennstoffzelle 4 berechnet wird. Der Wert der Leistung der Brennstoffzelle 4 kann mit der Summe der Werte der Leistung der elektrischen Verbraucher 62 der Anlage verglichen werden.
  • Zudem kann ein Wert einer Verlustleistung mindestens einer elektrischen Verbindungsleitung zwischen der Brennstoffzelle 4 und den Verbrauchern ermittelt und zu der Summe der Werte der Leistung der elektrischen Verbraucher 62 der Anlage addiert wird.
  • Weiterhin ist es möglich, eine aktuell gemessene Kennlinie einer Größe, die von mindestens einem Sensor, der einer Komponente der Anlage zugeordnet ist, mit einer gespeicherten Kennlinie für dieser Größe dieser Komponente zu vergleichen.
  • 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 102006025125 A1 [0003]
    • DE 112005001818 T5 [0004]
    • DE 102007060712 A1 [0005]
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • ”Standardized Equation for Hydrogen Gas Densities for Fuel Consumption Applications” von Eric W. Lemmon et al. [0008]

Claims (10)

  1. Verfahren zum Betreiben einer Anlage, die ein Brennstoffzellensystems (2) mit einer Brennstoffzelle (4) und mindestens einen Behälter (6, 8, 10) zum Speichern von Wasserstoffgas aufweist, wobei der mindestens eine Behälter (6, 8, 10) über eine Leitung (26), entlang der zumindest ein als Drucksensor (36) ausgebildeter Sensor angeordnet ist, mit der Brennstoffzelle (4) verbunden ist, wobei mit dem zumindest einen Drucksensor (36) ein Druck des zu der Brennstoffzelle (4) strömenden Wasserstoffgases in dieser Leitung (26) gemessen und eine Menge des zu der Brennstoffzelle (4) strömenden Wasserstoffgases über eine Menge-Druck-Beziehung berechnet wird, die einen Zusammenhang des Drucks und der Menge des Wasserstoffgases beschreibt, und wobei ein von der Brennstoffzelle (4) erzeugter Strom von einem als Stromsensor ausgebildeten Sensor gemessen und eine Menge des von der Brennstoffzelle (4) verstromten Wasserstoffgases über eine Menge-Strom-Beziehung berechnet wird, die einen Zusammenhang des von der Brennstoffzelle (4) erzeugten Stroms und der Menge des verbrannten Wasserstoffgases beschreibt, wobei die berechneten Mengen Wasserstoffgas miteinander verglichen werden, wobei für den Fall, dass die berechneten Mengen einen Schwellwert übersteigend voneinander abweichen und das Brennstoffzellensystem (2) leckagefrei ist, für mindestens einen Sensor der Anlage eine Funktionstüchtigkeit überprüft wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Funktionstüchtigkeit des als Drucksensor (36) ausgebildeten Sensors überprüft wird, bei dem vor dem Abstellen der Anlage mit dem Drucksensor (36) ein erster Wert für den Druck des Wasserstoffgases und in dem zuletzt geöffneten Behälter (6, 8, 10) mit einem zugeordneten, als Temperatursensor ausgebildeten Sensor ein erster Wert für die Temperatur des Wasserstoffgases in dem zuletzt geöffneten Behälter (6, 8, 10) ermittelt und die ermittelten Werte gespeichert werden, und bei dem bei einem nachfolgenden Neustart der Anlage der zuletzt geöffnete Behälter (6, 8, 10) als erster Behälter (6, 8, 10) geöffnet wird, wobei mit dem Drucksensor (36) ein zweiter Wert für den Druck des Wasserstoffgases und in dem zuerst geöffneten Behälter (6, 8, 10) mit dem Temperatursensor (30, 32, 34) ein zweiter Wert für die Temperatur des Wasserstoffgases in dem zuerst geöffneten Behälter (6, 8, 10) ermittelt wird, wobei der erste Wert für den Druck und der zweite Wert für den Druck miteinander verglichen werden.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem der erste und der zweite Wert für den Druck unter Berücksichtigung des ersten und des zweiten Werts für die Temperatur miteinander verglichen werden.
  4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, bei dem vor dem Abstellen der Anlage gemäß einer Reihenfolge mehrere Behälter (6, 8, 10) nacheinander geöffnet und wieder geschlossen werden, wobei jeweils nur ein Behälter (6, 8, 10) geöffnet ist, wobei für jeden jeweils geöffneten Behälter (6, 8, 10) mit dem zugeordneten Temperatursensor (30, 32, 34) ein Wert für die Temperatur und begleitend mit dem Drucksensor (36) jeweils ein Wert für den Druck gemessen wird, und bei dem bei dem Neustart der Anlage gemäß derselben Reihenfolge die Behälter (6, 8, 10) nacheinander geöffnet und wieder geschlossen werden, wobei für jeden jeweils geöffneten Behälter (6, 8, 10) mit dem zugeordneten Temperatursensor (30, 32, 34) ein Wert für die Temperatur und begleitend mit dem Drucksensor (36) jeweils ein Wert für den Druck gemessen wird, wobei die vor dem Abstellen ermittelten Werte mit den nach dem Neustart ermittelten entsprechenden Werten miteinander verglichen werden.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem die Reihenfolge in Abhängigkeit von Werten eines Drucks des Wasserstoffgases in den Behältern (6, 8, 10) festgelegt wird, wobei die Reihenfolge in Abhängigkeit einer Höhe der Werte für den Druck festgelegt wird, wobei zuerst der Behälter mit dem niedrigsten Druck und zuletzt der Behälter mit dem höchsten Druck geöffnet wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, bei dem für die Werte des Drucks und der Temperatur vor dem Abstellen und nach dem Neustart Mittelwerte gebildet werden, mit denen die einzelnen gemessenen Werte verglichen werden.
  7. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei dem mit einem als Stromsensor ausgebildeten Sensor ein Wert eines durch die Brennstoffzelle (4) fließenden Stroms und mit einem als Spannungssensor ausgebildeten Sensor ein Wert einer an der Brennstoffzelle (4) anliegenden Spannung gemessen wird, wobei aus den gemessenen Werten ein Wert einer elektrischen Leistung der Brennstoffzelle (4) berechnet wird, wobei der Wert der Leistung der Brennstoffzelle (4) mit der Summe der Werte der Leistung der elektrischen Verbraucher der Anlage verglichen wird.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem ein Wert einer Verlustleistung mindestens einer Verbindungsleitung zwischen der Brennstoffzelle (4) und den Verbrauchern ermittelt und zu der Summe der Werte der Leistung der elektrischen Verbraucher der Anlage addiert wird.
  9. Verfahren einem der voranstehenden Ansprüche, bei dem eine aktuell gemessene Kennlinie einer Größe, die von mindestens einem Sensor, der einer Komponente der Anlage zugeordnet ist, mit einer gespeicherten Kennlinie für diese Größe dieser Komponente verglichen wird.
  10. Anordnung, die eine Steuergeräteanordnung (72) aufweist und zum Betreiben einer Anlage, die ein Brennstoffzellensystem (2) mit einer Brennstoffzelle (4) und mindestens einen Behälter (6, 8, 10) zum Speichern von Wasserstoffgas aufweist, ausgebildet ist, wobei der mindestens eine Behälter (6, 8, 10) über eine Leitung (26), entlang der zumindest ein als Drucksensor (36) ausgebildeter Sensor angeordnet ist, mit der Brennstoffzelle (4) verbunden ist, wobei der zumindest eine Drucksensor (36) dazu ausgebildet ist, einen Druck des zu der Brennstoffzelle (4) strömenden Wasserstoffgases in dieser Leitung (26) zu messen, wobei die Steuergeräteanordnung (72) dazu ausgebildet ist, eine Menge des zu der Brennstoffzelle (4) strömenden Wasserstoffgases über eine Menge-Druck-Beziehung, die einen Zusammenhang des Drucks und der Menge des Wasserstoffgases beschreibt, zu berechnen, wobei ein als Stromsensor ausgebildeter Sensor dazu ausgebildet ist, einen von der Brennstoffzelle (4) erzeugten Strom zu messen, wobei die Steuergeräteanordnung (72) dazu ausgebildet ist, eine Menge des von der Brennstoffzelle (4) verstromten Wasserstoffgases über eine Menge-Strom-Beziehung, die einen Zusammenhang des von der Brennstoffzelle (4) erzeugten Stroms und der Menge des verbrannten Wasserstoffgases beschreibt, zu berechnen und die berechneten Mengen Wasserstoffgas miteinander zu vergleichen, wobei für den Fall, dass die berechneten Menge einen Schwellwert übersteigend voneinander abweichen und das Brennstoffzellensystem (2) leckagefrei ist, die Steuergeräteanordnung (72) dazu ausgebildet ist, für mindestens einen Sensor der Anlage eine Funktionstüchtigkeit zu überprüfen.
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