DE102012220331A1 - Verfahren zum Erzeugen eines H2-Abgassenor-Testimpulses unter Verwenden eines elektrisch gesteuerten Druckreglers - Google Patents

Verfahren zum Erzeugen eines H2-Abgassenor-Testimpulses unter Verwenden eines elektrisch gesteuerten Druckreglers Download PDF

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Abstract

Ein Brennstoffzellensystem zum Erzeugen eines Wasserstoff-Testimpulses umfasst einen Brennstoffzellenstapel mit einem Anodeneinlass, der mittels einer Brennstoffausgabeleitung mit einer Wasserstoffquelle in Fluidverbindung steht, einem Kathodeneinlass, der mit einer Oxidationsmittelquelle in Fluidverbindung steht, und einen Anodenauslass sowie einen Kathodenauslass, die mit einer Abgasleitung in Fluidverbindung stehen. Ein elektrischer Druckregler steht mit der Brennstoffausgabeleitung in Fluidverbindung. Ein Überdruckventil steht mit einer Überdruckleitung, die zwischen dem elektrischen Druckregler und dem Brennstoffzellenstapel mit der Brennstoffausgabeleitung in Fluidverbindung steht, in Fluidverbindung. Ein Wasserstoffsensor steht mit der Abgasleitung in Verbindung und ist ausgelegt, um den Wasserstoff-Testimpuls zu messen.

Description

  • GEBIET DER ERFINDUNG
  • Diese Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem und insbesondere ein System und Verfahren zum Erleichtern einer Überwachung eines Wasserstoffabgassensors in dem Brennstoffzellensystem.
  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Eine Brennstoffzelle wurde als saubere, effiziente und umweltverantwortliche Energiequelle für verschiedene Anwendungen vorgeschlagen. Brennstoffzellen sind elektrochemische Vorrichtungen, die einen Brennstoff wie etwa Wasserstoff und ein Oxidationsmittel wie etwa Sauerstoff kombinieren, um elektrischen Strom zu erzeugen. Der Sauerstoff wird typischerweise durch einen Luftstrom zugeführt. Der Wasserstoff und der Sauerstoff führen kombiniert zur Bildung von Wasser.
  • Einzelne Brennstoffzellen können miteinander in Reihe gestapelt werden, um einen Brennstoffzellenstapel zu bilden, der einen zum Antreiben eines Elektrofahrzeugs ausreichenden Betrag an elektrischem Strom liefern kann. Der Brennstoffzellenstapel wurde als mögliche Alternative für einen in modernen Fahrzeugen verwendeten herkömmlichen Verbrennungsmotor ausgemacht.
  • Bekannte Brennstoffzellensysteme verwenden einen Wasserstoffsensor in einem Abgas des Brennstoffzellenstapels, um eine an die Umgebung ausgestoßene Wasserstoffkonzentration zu überwachen. Bei typischen Brennstoffzellensystemen ist aber während eines normalen Betriebs nicht genügend Wasserstoff im Abgas vorhanden, um den Wasserstoffsensor zu testen. Bei herkömmlichen Mechanisierungen von Brennstoffzellensystemen war es bisher auch nicht möglich, Wasserstoffabgas-Testimpulse zum Diagnostizieren des Wasserstoffsensors zu erzeugen.
  • Es besteht ungebrochen Bedarf nach einem System und Verfahren, um eine Wasserstoffsensordiagnose in einem Brennstoffzellensystem zu ermöglichen. Wünschenswerterweise sehen das System und Verfahren einen Wasserstoff-Testimpuls zum Testen des Wasserstoffsensors des Brennstoffzellensystems vor.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Im Einklang mit der vorliegenden Offenbarung wurde überraschenderweise ein System und Verfahren zum Ermöglichen einer Wasserstoffsensordiagnose in einem Brennstoffzellensystem durch Vorsehen eines Wasserstoff-Testimpulses zum Testen des Wasserstoffsensors des Brennstoffzellensystems entdeckt.
  • Eine Analyse hat gezeigt, dass ein Wasserstoffsensor-Testimpuls für die Diagnose des Wasserstoffsensors vorteilhaft ist. Geltende Industrienormen, wie zum Beispiel IEC 61508 und ISO 26262, erfordern für bestimmte Systeme eine hohe Diagnoseabdeckung.
  • In einer beispielhaften Ausführungsform ist das System samt Verfahren der Offenbarung ausgelegt, um einen Wasserstoffabgas-Testimpuls für die Diagnose des Wasserstoffsensors zu erzeugen. Das System umfasst einen Hochdruckbehälter (PV) zum Speichern von Wasserstoff. Der Hochdruckbehälter kann zum Beispiel Drücke bis zu etwa 700 bar fassen. Ein Tankventil (OTV) sperrt den Hochdruckbehälter selektiv ab. Ein Hochdrucksensor (P1) ist für Druckmessung nach dem Tankventil angebracht. Ferner ist ein zweites Absperrventil (SV) als Reserve an dem Tankventil vorgesehen. Auf das zweite Absperrventil folgt ein elektrischer Druckregler (EPR), um den Druck von dem hohen Druckwert auf einen Wert zu senken, der für den Betrieb eines Brennstoffzellensystems (FCS) geeignet ist, zum Beispiel einen Druck von etwa 6–10 bar. Der Druck wird erneut mit einem Drucksensor (P2) zwischen dem elektrischen Druckregler und dem Brennstoffzellensystem gemessen. Um die Brennstoffausgabeleitung im Fall einer Fehlfunktion des Druckreglers vor Überdruck zu schützen, wird auch ein Überdruckventil (PRV) genutzt. Das Überdruckventil öffnet normalerweise bei einem vorbestimmten Wert über dem Betriebsdruck des Systems und lässt im Fall einer Aktivierung den Wasserstoff ab.
  • In dem Brennstoffzellensystem wird aus dem Wasserstoff in dem Brennstoffzellenstapel aus dem Wasserstoff und der Luft, die durch einen Kompressor bereitgestellt wird, elektrische Leistung erzeugt. Der Wasserstoff wird in dem Brennstoffzellensystem verbraucht. Ein Abgas des Brennstoffzellenstapels enthält normalerweise keine wesentlichen Wasserstoffkonzentrationen. Um im Fall von Fehlfunktionen des Brennstoffzellensystems einem Freisetzen von Wasserstoff an die Umgebung entgegenzuwirken, wird ein Wasserstoffsensor (H1) verwendet. Der Messwert des Wasserstoffsensors wird einem elektronischen Steuermodul (ECM) übermittelt, das im Fall einer Messung von hohen Wasserstoffkonzentrationen das Tankventil und das zweite Absperrventil schließt.
  • Der elektrische Druckregler ist im Gegensatz zu einem passiven Druckregler, der einen vorab festgelegten Drucksollwert aufweist, der nicht geändert werden kann, ein aktiver Druckregler. Der aktive elektrische Druckregler umfasst ein Proportionalventil, das extern durch das elektronische Steuermodul gesteuert wird. Dies ermöglicht eine Änderung des Durchsatzes durch das Proportionalventil. Somit kann der Drucksollwert des elektrischen Druckreglers fein gesteuert werden. Das vorliegende System samt Verfahren nutzt die gesteuerte Variabilität des elektrischen Druckreglers zusammen mit dem Überdruckventil, um einen Testimpuls für den Wasserstoffsensor zu erzeugen, ohne dass etwaige zusätzliche Komponenten für das Brennstoffzellensystem erforderlich sind.
  • Bei Betrieb wird der elektrische Druckregler auf einen Wert gesteuert, bei dem das Überdruckventil öffnet, um selektiv Wasserstoff in das Abgas des Brennstoffzellenstapels einzuleiten. Um die Wasserstoffrate zu ermitteln, die dem Abgas zugeführt wird, kann die Menge durch Beurteilung des Brennstoffausgabeleitungsdrucks berechnet werden. Zusammen mit der bekannten Luftströmung von dem Luftkompressor zu dem Abgas wird die resultierende Konzentration ermittelt und kann mit dem Wasserstoffsensor-Messwert verglichen werden. Dies ermöglicht eine Wasserstoffsensor-Diagnose ohne zusätzliche Komponenten.
  • Wie vorstehend beschrieben ist es für die Testimpulserzeugung wichtig, die Wasserstoffmenge und die Luftmenge zu kennen, die in der Abgasleitung gemischt wird. Die Luftmenge wird zum Beispiel bei Fahrzeuganwendungen, bei denen der Luftkompressor genutzt wird, im Allgemeinen gemessen oder ist bekannt. Für eine Ermittlung der Wasserstoffmenge können die folgenden Strategien verwendet werden:
    In einer Situation, in der das Brennstoffzellensystem-Eingangsventil geschlossen ist, wird der elektrische Druckregler mit einem konstanten Wert gesteuert, um mit einer sehr kleinen Öffnung zu öffnen. Der Durchsatz durch den elektrischen Druckregler ist proportional zu der Quadratwurzel der Druckdifferenz, wenn die Öffnungsmündung gemäß der folgenden Gleichung (1) konstant gehalten wird:
    Figure 00050001
    wobei n .2 den Molfluss in die Brennstoffausgabeleitung bezeichnet.
  • Bei P1 >> P2, was üblicherweise bei Fahrzeuganwendungen mit P2 < 10 bar und P1 > 300 bar der Fall ist, kann diese Gleichung zu der folgenden Gleichung (2) vereinfacht werden:
    Figure 00050002
  • Aus der Gleichung (2) ist ersichtlich, dass der Durchsatz konstant bleibt, solange der Antriebsdruck konstant ist.
  • Das Öffnen des elektrischen Druckreglers führt abhängig von der Öffnungsmündung des elektrischen Druckreglers, dem Antriebsdruck P1 und dem Volumen der Brennstoffausgabeleitung zu einem steigenden Druck p2. Die ideale Gasgleichung für das Gasvolumen in der Brennstoffausgabeleitung liest sich als folgende Gleichung (3):
    Figure 00050003
  • Die Annahme eines konstanten T und V in der Abgasleitung und das Differenzieren bezüglich Zeit führt zu der folgenden Gleichung (4)
    Figure 00060001
  • Aus Gleichung (4) kann der Durchsatz mit gemessenem p2 berechnet werden, solange das Überdruckventil noch geschlossen ist. Wenn der Wert der Steuerung des elektrischen Druckreglers unverändert bleibt, bleibt der Wasserstoffdurchsatz konstant, selbst wenn das Überdruckventil öffnet, solange das Steuerventil des elektrischen Druckreglers konstant bleibt. Mit diesem konstanten Durchsatz zusammen mit der Luft von dem Luftkompressor des Brennstoffzellensystems kann an dem Abgassensor eine Konzentration angelegt werden, um die Komponente zu testen.
  • Zusammengefasst umfasst das Verfahren zum Erzeugen des Wasserstoff-Testimpulses die folgenden Schritte:
    • – Schließen der Brennstoffzellensystem-Eingangsventile;
    • – Öffnen des elektrischen Druckreglers mit einem konstanten Wert, der zu einer erwarteten kleinen Wasserstoffrate führt (die aus der Auslegung des elektrischen Druckreglers bekannt ist);
    • – Berechnen einer exakten Rate durch Messen des Verlaufs von p2 aus den Gleichungen (1), (2), (3) und/oder (4) und Kalibrierungsmessungen;
    • – Einstellen des Luftkompressors in dem Brennstoffzellensystem, um eine bekannte Luftströmung zu liefern, die zu einer bekannten Wasserstoffkonzentration des Abgases führt, wenn das Überdruckventil bei seinem Sollwert öffnet; und
    • – Ablesen eines Werts des Wasserstoffsensors und Vergleichen desselben mit einer erwarteten gemessenen Konzentration.
  • Unter Verwenden dieser Strategie kann eine Diagnose des Wasserstoffsensors durchgeführt werden. Selbst wenn es nicht geplant ist, diese Diagnose während eines normalen Betriebs laufen zu lassen, könnte sie in einem speziellen Wartungsmodus in Werkstätten laufen gelassen werden.
  • In einer Ausführungsform umfasst ein Brennstoffzellensystem eine Wasserstoffquelle, die mit einer Brennstoffausgabeleitung in Verbindung steht, und einen Brennstoffzellenstapel. Der Brennstoffzellenstapel weist einen Anodeneinlass in Fluidverbindung mit der Brennstoffausgabeleitung und einen Kathodeneinlass in Fluidverbindung mit einem Luftkompressor auf. Der Brennstoffzellenstapel weist auch einen Anodenauslass und einen Kathodenauslass in Fluidverbindung mit einer Abgasleitung auf. Ein elektrischer Druckregler steht zwischen der Wasserstoffquelle und dem Brennstoffzellenstapel mit der Brennstoffausgabeleitung in Fluidverbindung. Ein Überdruckventil steht mit einer zwischen der Brennstoffausgabeleitung und der Abgasleitung angeordneten Überdruckleitung in Fluidverbindung. Die Überdruckleitung steht zwischen dem elektrischen Druckregler und dem Brennstoffzellenstapel mit der Brennstoffausgabeleitung in Fluidverbindung. Ein erster Drucksensor ist zwischen der Wasserstoffquelle und dem elektrischen Druckregler angeordnet. Ein zweiter Drucksensor ist zwischen dem elektrischen Druckregler und dem Brennstoffzellenstapel angeordnet. Ein Wasserstoffsensor steht mit der Abgasleitung in Verbindung und ist ausgelegt, um eine Wasserstoffkonzentration der Abgasleitung zu messen.
  • In einer anderen Ausführungsform umfasst das Brennstoffzellensystem weiterhin ein elektronisches Steuermodul. Das elektronische Steuermodul steht mit dem Wasserstoffsensor, dem ersten Drucksensor, dem zweiten Drucksensor und dem elektrischen Druckregler und dem Luftkompressor in Verbindung. Das elektronische Steuermodul betreibt den elektrischen Druckregler und den Luftkompressor als Reaktion auf Druckmessungen von mindestens einem von erstem Drucksensor und zweitem Drucksensor, um einen Wasserstoff-Testimpuls zu erzeugen.
  • In einer weiteren Ausführungsform umfasst ein Verfahren zum Erzeugen eines Wasserstoff-Testimpulses in dem Brennstoffzellensystem die folgenden Schritte: Steuern des elektrischen Druckreglers, um einen konstanten Wasserstoffdurchsatz durch den elektrischen Druckregler zuzulassen; Berechnen des konstanten Wasserstoffdurchsatzes durch den elektrischen Druckregler beruhend auf einer Druckmessung von mindestens einem von erstem Drucksensor und zweitem Drucksensor; Liefern einer Luftströmung von dem Luftkompressor zu der Abgasleitung bei einem bekannten Luftdurchsatz; Berechnen einer erwarteten Wasserstoffkonzentration in der Abgasleitung aus dem bekannten Luftdurchsatz und dem berechneten konstanten Wasserstoffdurchsatz; Messen einer detektierten Wasserstoffkonzentration in der Abgasleitung mit dem Wasserstoffsensor; und Vergleichen der gemessenen Wasserstoffkonzentration mit der erwarteten Wasserstoffkonzentration.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Die vorstehenden sowie andere Vorteile der vorliegenden Erfindung gehen für den Fachmann ohne weiteres aus der folgenden eingehenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform bei Betrachtung im Hinblick auf die Begleitfigur hervor.
  • Die Figur ist ein schematisches Diagramm eines Brennstoffzellensystems nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • EINGEHENDE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • Die folgende eingehende Beschreibung und beigefügten Zeichnungen beschreiben und veranschaulichen verschiedene beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung. Die Beschreibung und Zeichnungen dienen dazu, einem Fachmann das Herstellen und Nutzen der Erfindung zu ermöglichen, und sollen nicht den Schutzumfang der Erfindung in irgendeiner Weise beschränken. Bezüglich der offenbarten Verfahren sind die dargelegten Schritte beispielhafter Natur, und somit ist die Reihenfolge der Schritte nicht erforderlich oder ausschlaggebend.
  • Die Figur zeigt ein Brennstoffzellensystem 2 nach der vorliegenden Offenbarung. Das Brennstoffzellensystem 2 ist insbesondere ausgelegt, um für Diagnosezwecke einen Wasserstoffabgas-Testimpuls zu erzeugen. Das Brennstoffzellensystem 2 kann als nicht einschränkendes Beispiel in einem Antriebssystem für ein Elektrofahrzeug verwendet werden. Andere Verwendungen für das Brennstoffzellensystem 2 als in dem Elektrofahrzeug liegen ebenfalls innerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Offenbarung.
  • Das Brennstoffzellensystem 2 umfasst eine Wasserstoffquelle 4, einen Brennstoffzellenstapel 6, einen elektrischen Druckregler 8, ein Überdruckventil 10, einen ersten Drucksensor 12, einen zweiten Drucksensor 14 und einen Wasserstoffsensor 16. Die Wasserstoffquelle 4 steht mit einer Brennstoffausgabeleitung 18 in Fluidverbindung. Die Wasserstoffquelle 4 kann ein Druckbehälter sein, der ausgelegt ist, um Wasserstoffbrennstoff für den Brennstoffzellenstapel 6 zu fassen. Wenn die Wasserstoffquelle 4 ein Druckbehälter ist, kann an dem Druckbehälter für die Zwecke des selektiven Öffnens und Schließens oder Absperrens eines Zugangs zu dem Druckbehälter ein Tankventil 17 angebracht werden. Analog kann auch ein Absperrventil 19 mit dem Druckbehälter in Fluidverbindung stehen und als funktionelle Reserve für das Tankventil 17 genutzt werden. Ein Durchschnittsfachmann kann nach Bedarf andere Arten von Wasserstoffquellen, wie etwa Reformer und dergleichen, verwenden.
  • Der Brennstoffzellenstapel 6 weist einen Anodeneinlass 20, einen Kathodeneinlass 22 und einen Anodenauslass 24 sowie einen Kathodenauslass 26 auf. Der Anodeneinlass 20 steht mit der Brennstoffausgabeleitung 18 in Fluidverbindung. Mit dem Anodeneinlass 20 des Brennstoffzellenstapels 6 kann ein Anodeneinlassventil 27 in Fluidverbindung stehen. Das Anodeneinlassventil 27 reduziert einen Druck der Brennstoffausgabeleitung 18 auf einen Wert, der für das Arbeiten des Brennstoffzellenstapels 6 erwünscht ist. Das Anodeneinlassventil 27 ist auch ausgelegt, um eine Strömung von Wasserstoff von der Wasserstoffquelle 4 durch die Brennstoffausgabeleitung 18 zu dem Brennstoffzellenstapel 6 selektiv abzusperren, zum Beispiel wenn es erwünscht ist, die Wasserstoffströmung um den Brennstoffzellenstapel 6 umzuleiten. Der Kathodeneinlass 22 steht mit einer Oxidationsmittelquelle 28, wie etwa einem Luftkompressor, in Fluidverbindung. Der Anodenauslass 24 und der Kathodenauslass 26 können mit einer Abgasleitung 30 in Fluidverbindung stehen. Wie das Anodeneinlassventil 27 des Anodeneinlasses 20 können der Kathodeneinlass 22, der Anodenauslass 24 und der Kathodenauslass 2 jeweils ebenfalls mit diesen in Verbindung stehende (nicht gezeigte) Absperrventile aufweisen. Es versteht sich, dass die Abgasleitung 30 nach Bedarf Teil einer Rückführungsschleife sein kann oder direkt an die Umgebung ablassen kann.
  • Der elektrische Druckregler 8 der vorliegenden Offenbarung steht zwischen der Wasserstoffquelle 4 und dem Brennstoffzellenstapel 6 mit der Brennstoffausgabeleitung 18 in Fluidverbindung. In einer bestimmten Ausführungsform umfasst der elektrische Druckregler 8 ein Proportionalventil. Das Proportionalventil des elektrischen Druckreglers 8 kann extern durch ein elektronisches Steuermodul 32 gesteuert werden. Der elektrische Druckregler 8 ermöglicht eine Änderung eines Wasserstoffdurchsatzes durch den elektrischen Druckregler, wodurch ein Steuern eines Drucksollwerts innerhalb des Brennstoffzellensystems 2 erleichtert wird. Innerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Offenbarung können auch andere Mittel zum Steuern des Wasserstoffdurchsatzes durch den elektrischen Druckregler 8 verwendet werden.
  • Zwischen der Brennstoffausgabeleitung 18 und der Abgasleitung 30 ist eine Überdruckleitung 34 angeordnet und sieht ein Mittel um Umleiten einer Wasserstoffströmung um den Brennstoffzellenstapel 6 vor. Die Überdruckleitung 34 steht in bestimmten Ausführungsformen zwischen dem elektrischen Druckregler 8 und dem Brennstoffzellenstapel 6 mit der Brennstoffausgabeleitung 18 in Fluidverbindung. Das Überdruckventil 10 steht mit der Überdruckleitung 34 in Fluidverbindung. Das Überdruckventil 10 kann ein passives Ventil sein, das bei einem spezifizierten oder vorab festgelegten Druck öffnet. Das Überdruckventil 10 ist ausgelegt, um selektiv eine Strömung durch die Überdruckleitung 34 zuzulassen, wenn der Druck über einen vorab festgelegten Wert steigt, um die Wasserstoffströmung um den Brennstoffzellenstapel 6 umzuleiten.
  • Der Druck des Wasserstoffs und der Luft in dem Brennstoffzellensystem 2 kann an verschiedenen Stellen gemessen werden. Der erste Drucksensor 12 kann zum Beispiel zwischen der Wasserstoffquelle 4 und dem elektrischen Druckregler 8 angeordnet sein. In einer in der Figur gezeigten veranschaulichenden Ausführungsform ist der erste Drucksensor 12 zwischen dem Tankventil 17 der Wasserstoffquelle 4 und dem zweiten Absperrventil 19 in der Brennstoffausgabeleitung 18 angeordnet. Als weiteres Beispiel kann der zweite Drucksensor 14 zwischen dem elektrischen Druckregler 8 und dem Brennstoffzellenstapel 6 in der Brennstoffausgabeleitung 18 angeordnet sein. Der erste Drucksensor 12 ist ausgelegt, um einen ersten Druck der Brennstoffausgabeleitung 18 vor dem elektrischen Druckregler 8 zu messen. Der zweite Drucksensor 14 ist ausgelegt, um einen zweiten Druck der Brennstoffausgabeleitung 18 nach dem elektrischen Druckregler 8 zu messen. Es versteht sich, dass der erste Drucksensor 12 daher ein Hochdrucksensor sein kann und der zweite Drucksensor 14 ein Niederdrucksensor sein kann.
  • Der Wasserstoffsensor 16 steht mit der Abgasleitung 30 in Verbindung. Der Wasserstoffsensor 16 ist ausgelegt, um eine Wasserstoffkonzentration in der Abgasleitung 30, zum Beispiel während eines Betriebs des Brennstoffzellenstapels 6, zu messen. Ein Durchschnittsfachmann sollte erkennen, dass eine beliebige Ausführung eines Sensors, die zum Messen der Wasserstoffkonzentration geeignet ist, als Wasserstoffsensor 16 der vorliegenden Offenbarung verwendet werden kann.
  • Wenn das Brennstoffzellensystem 2 das elektronische Steuermodul 32 umfasst, kann das elektronische Steuermodul 32 mit mindestens einem von Wasserstoffsensor 16, erstem Drucksensor 12, zweitem Drucksensor 14 und elektrischem Druckregler 8 sowie Oxidationsmittelquelle 28 in Verbindung stehen. Das elektronische Steuermodul 32 kann einen Prozessor und eine Datenspeicherung aufweisen, um sowohl ein Ausführen von Betriebssoftware als auch ein Erfassen von Daten von den verschiedenen Komponenten des Brennstoffzellensystems 2 zu erleichtern.
  • In bestimmten Ausführungsformen ist das elektronische Steuermodul 32 ausgelegt, um sowohl den elektrischen Druckregler 8 als auch die Oxidationsmittelquelle 28 zu betreiben. Das elektronische Steuermodul 32 kann auch die Druckmessungen von mindestens einem von erstem Drucksensor 12 und zweitem Drucksensor 14 und die Wasserstoffkonzentrationsmessungen von dem Wasserstoffsensor 16 empfangen.
  • Bei Betrieb kann das Brennstoffzellensystem 2 der vorliegenden Offenbarung vorteilhafterweise verwendet werden, um einen Wasserstoff-Testimpuls zum Diagnostizieren oder Testen des Wasserstoffsensors 16 zu erzeugen. Ein Verfahren zum Erzeugen des Wasserstoff-Testimpulses in dem Brennstoffzellensystem kann zunächst das Steuern des elektrischen Druckreglers 8, um einen konstanten Wasserstoffdurchsatz durch den elektrischen Druckregler 8 zuzulassen, umfassen. In einer veranschaulichenden Ausführungsform wird der konstante Wasserstoffdurchsatz relativ zu einem Durchsatz, der einem normalen Betrieb des Brennstoffzellenstapels 6 zugeordnet ist, klein gewählt. Dann kann der konstante Wasserstoffdurchsatz durch den elektrischen Druckregler 8 beruhend auf einer Druckmessung von mindestens einem von erstem Drucksensor 12 und zweitem Drucksensor 14 berechnet werden.
  • Der konstante Wasserstoffdurchsatz kann unter Verwenden einer Vielzahl von Strategien berechnet werden. In einer Ausführungsform kann der konstante Wasserstoffdurchsatz durch den elektrischen Druckregler durch die folgende Gleichung (1) berechnet werden:
    Figure 00140001
  • In einer anderen Ausführungsform, bei der die Druckmessung von dem ersten Drucksensor 12 größer als die Druckmessung von dem zweiten Drucksensor 14 ist, wie es typischerweise der Fall ist, wenn die offene Mündung des elektrischen Druckreglers 8 verglichen mit der Öffnung während des Betriebs des Brennstoffzellenstapels 6 geeignet klein ist, kann der konstante Wasserstoffdurchsatz durch den elektrischen Druckregler 8 durch die folgende Gleichung (2) berechnet werden:
    Figure 00140002
  • In einer weiteren Ausführungsform, bei der Temperatur und Volumen konstant angenommen werden, kann der konstante Wasserstoffdurchsatz durch den elektrischen Druckregler 8 durch die folgende Gleichung (4) berechnet werden:
    Figure 00140003
  • Nach der Berechnung des konstanten Wasserstoffdurchsatzes wird eine Luftströmung von der Oxidationsmittelquelle 28 bei einem bekannten Luftdurchsatz der Abgasleitung 30 zugeführt. Die Luftströmung kann durch die Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels 6 zugeführt werden oder kann nach Bedarf alternativ um den Brennstoffzellenstapel herum und direkt zu der Abgasleitung 30 geleitet werden.
  • Bei geschlossenem Anodeneinlassventil 27 und konstantem Wasserstoffdurchsatz steigt der Druck in der Brennstoffausgabeleitung 18, bis das Überdruckventil 10 öffnet. Das Öffnen des Überdruckventils 10 lässt die Wasserstoffströmung von der Brennstoffausgabeleitung 18 durch die Überdruckleitung 34 und in die Abgasleitung 30 zu. Die Wasserstoffströmung von der Brennstoffausgabeleitung 18 mischt sich mit der Luftströmung von der Oxidationsmittelquelle 28, um für den Wasserstoff-Testimpuls eine erwartete Wasserstoffkonzentration in der Abgasleitung 30 vorzusehen. Es versteht sich, dass aufgrund der Verwendung des elektrischen Druckreglers 8 der vorliegenden Offenbarung mehrere Wasserstoff-Testimpulse mit unterschiedlichen erwarteten Wasserstoffkonzentrationen erzeugt werden können.
  • Die erwartete Wasserstoffkonzentration in der Abgasleitung 30 kann aus dem bekannten Luftdurchsatz und dem berechneten konstanten Wasserstoffdurchsatz berechnet werden. Eine detektierte Wasserstoffkonzentration in der Abgasleitung 30 kann für die Zwecke des Diagnostizierens, ob der Wasserstoffsensor 16 ordnungsgemäß arbeitet, dann mit dem Wasserstoffsensor 16 gemessen und mit der erwarteten Wasserstoffkonzentration verglichen werden.
  • Vorteilhafterweise erleichtern das Brennstoffzellensystem 2 und das Verfahren der vorliegenden Offenbarung die Erzeugung des Wasserstoff-Testimpulses ohne zusätzliche Komponenten und ermöglichen während der Betriebslebensdauer des Brennstoffzellensystems 2 eine größere Diagnoseabdeckung für den Abgas-Wasserstoffsensor 16.
  • Während bestimmte stellvertretende Ausführungsformen und Einzelheiten zum Zweck des Veranschaulichens der Erfindung gezeigt wurden, versteht sich für den Fachmann, dass verschiedene Änderungen vorgenommen werden können, ohne vom Schutzumfang der Erfindung abzuweichen, der in den folgenden beigefügten Ansprüchen weiter beschrieben ist.
  • 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 Nicht-Patentliteratur
    • IEC 61508 [0007]
    • ISO 26262 [0007]

Claims (10)

  1. Brennstoffzellensystem, umfassend: eine Wasserstoffquelle, die mit einer Brennstoffausgabeleitung in Fluidverbindung steht; einen Brennstoffzellenstapel, der einen Anodeneinlass, der mit der Brennstoffausgabeleitung in Fluidverbindung steht, einen Kathodeneinlass, der mit einer Oxidationsmittelquelle in Fluidverbindung steht, und einen Anodenauslass sowie einen Kathodenauslass, die mit einer Abgasleitung in Fluidverbindung stehen, aufweist; einen elektrischen Druckregler, der zwischen der Wasserstoffquelle und dem Brennstoffzellenstapel mit der Brennstoffausgabeleitung in Fluidverbindung steht; ein Überdruckventil, das mit der Brennstoffausgabeleitung und der Abgasleitung in Fluidverbindung steht und zwischen diesen angeordnet ist, wobei das Überdruckventil zwischen dem elektrischen Druckregler und dem Brennstoffzellenstapel mit der Brennstoffausgabeleitung in Fluidverbindung steht; und einen Wasserstoffsensor, der mit der Abgasleitung in Verbindung steht, wobei der Wasserstoffsensor ausgelegt ist, um eine Wasserstoffkonzentration der Abgasleitung zu messen.
  2. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei die Wasserstoffquelle ein Druckbehälter mit einem Tankventil ist.
  3. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, welches weiterhin ein zwischen dem ersten Drucksensor und dem elektrischen Druckregler angeordnetes Absperrventil umfasst.
  4. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, welches weiterhin einen zwischen der Wasserstoffquelle und dem elektrischen Druckregler angeordneten ersten Drucksensor umfasst, wobei der erste Drucksensor ein Hochdrucksensor ist, der ausgelegt ist, um einen ersten Druck zu messen.
  5. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 4, welches weiterhin einen zwischen dem elektrischen Druckregler und dem Brennstoffzellenstapel angeordneten zweiten Drucksensor umfasst, wobei der zweite Drucksensor ein Niederdrucksensor ist, der ausgelegt ist, um einen zweiten Druck zu messen.
  6. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei eine Überdruckleitung zwischen dem elektrischen Druckregler und dem zweiten Drucksensor mit der Brennstoffausgabeleitung in Fluidverbindung steht.
  7. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 5, welches weiterhin ein elektronisches Steuermodul umfasst, wobei das elektronische Steuermodul mit dem Wasserstoffsensor, dem ersten Drucksensor, dem zweiten Drucksensor und dem elektrischen Druckregler sowie der Oxidationsmittelquelle in Verbindung steht.
  8. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 7, wobei das elektronische Steuermodul sowohl den elektrischen Druckregler als auch die Oxidationsmittelquelle betreibt.
  9. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, welches weiterhin ein Anodeneinlassventil umfasst, das mit dem Anodeneinlass des Brennstoffzellenstapels in Fluidverbindung steht und ausgelegt ist, um selektiv einer Wasserstoffströmung von der Brennstoffausgabeleitung zu dem Brennstoffzellenstapel entgegenzuwirken.
  10. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei der elektrische Druckregler ein Proportionalventil ist, das eine Änderung eines Durchsatzes durch den elektrischen Druckregler zulässt.
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