DE102015016958A1

DE102015016958A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Prüfen der Dichtheit wenigstens eines Reaktandenkreises eines Brennstoffzellensystems

Info

Publication number: DE102015016958A1
Application number: DE102015016958.0A
Authority: DE
Inventors: Demian Ternes; Nico Zimmermann
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2015-12-24
Filing date: 2015-12-24
Publication date: 2016-08-11

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung (10) zum Prüfen der Dichtheit wenigstens eines Reaktandenkreises eines Brennstoffzellensystems, bei welchem der wenigstens eine Reaktandenkreis innerhalb einer Testkammer (12) angeordnet wird. Hierbei wird eine sich in der Testkammer (12) einstellende Konzentration eines Prüfgases erfasst, welches in den wenigstens einen Reaktandenkreis eingebracht wird. Ein in den Reaktandenkreis eingebundener Brennstoffzellenstapel des Brennstoffzellensystems wird innerhalb eines Gehäuses (18) angeordnet, welches von der Testkammer (12) umhüllt wird. Die sich in der Testkammer (12) einstellende Konzentration des Prüfgases wird erfasst, während ein Teil des Prüfgases aus dem Gehäuse (18) abgesaugt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Prüfen der Dichtheit wenigstens eines Reaktandenkreises eines Brennstoffzellensystems. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine entsprechende Vorrichtung zum Prüfen der Dichtheit.
Die DE 196 35 943 A1 beschreibt ein Verfahren zur integralen Dichtheitsprüfung von großvolumigen Prüfobjekten. Hierbei wird ein Prüfobjekt wie etwa ein Motor eines Kraftwagens, eine Gastherme oder ein Getriebeblock in eine Testkammer eingebracht und mit einem von der Umgebungsatmosphäre unterscheidbaren und in der Atmosphäre nur in sehr geringen Konzentrationen vorhandenen Testgas befüllt. Das Testgas wird hierbei unter Druck in das Prüfobjekt eingebracht. An etwaigen Leckstellen tritt dann das Testgas aus dem Prüfobjekt aus. Aus dem Auftreten des Testgases in der Testkammer wird auf das Vorhandensein von Leckagen und aus der Testgaskonzentration auf die Größe der Leckagen geschlossen.
Des Weiteren sind derartige integrale Lecktests zur Prüfung der Dichtheit von Verbrennungsmotoren in der DIN EN 13185 und in der DIN EN 1779 beschrieben. Die Leckagen von Verbrennungsmotoren sind jedoch um ein Vielfaches höher als die zulässigen Leckagen von Brennstoffzellensystemen.
Des Weiteren ist die Leckage eines Brennstoffzellenstapels des Brennstoffzellensystems üblicherweise um ein Vielfaches höher als die Leckage der übrigen Komponenten eines Reaktandenkreises oder Reaktandenkreislaufs, in welchen der Brennstoffzellenstapel eingebunden ist.
Es ist jedoch von Interesse, die Leckage der von dem Brennstoffzellenstapel verschiedenen Komponenten des Reaktandenkreises zu ermitteln. Für diese Komponenten muss nämlich der Nachweis erbracht werden, dass die Leckage der Gesamtheit dieser Komponenten unterhalb eines bestimmten Grenzwerts liegt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein verbessertes Verfahren und eine verbesserte Vorrichtung der eingangs genannten Art zu erschaffen.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 8 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Prüfen der Dichtheit wenigstens eines Reaktandenkreises eines Brennstoffzellensystems wird der wenigstens eine Reaktandenkreis innerhalb einer Testkammer angeordnet. Eine sich in der Testkammer einstellende Konzentration eines Prüfgases, welches in den wenigstens einen Reaktandenkreis eingebracht wird, wird erfasst. Hierbei wird ein in den Reaktandenkreis eingebundener Brennstoffzellenstapel des Brennstoffzellensystems innerhalb eines Gehäuses angeordnet, welches von der Testkammer umhüllt wird. Die sich in der Testkammer einstellende Konzentration des Prüfgases wird erfasst, während ein Teil des Prüfgases aus dem Gehäuse abgesaugt wird. So kann dafür gesorgt werden, dass die Leckage des Brennstoffzellenstapels nicht fälschlicherweise als Leckage der übrigen Komponenten des Reaktandenkreises erfasst wird. Denn das aus dem Brennstoffzellenstapel austretende Prüfgas gelangt zwar in das Gehäuse, welches den Brennstoffzellenstapel umgibt. Durch das Absaugen des Prüfgases aus dem Gehäuse wird jedoch verhindert, dass aus dem Gehäuse Prüfgas in den Teil der Testkammer gelangt, in welchem sich die übrigen, also die von dem Brennstoffzellenstapel verschiedenen Komponenten des Reaktandenkreises befinden.
Von einer Messeinrichtung, welche die Konzentration des Prüfgases in der Testkammer erfasst, bereitgestellte Messwerte erlauben somit Rückschlüsse auf die Leckage dieser übrigen Komponenten des Reaktandenkreises, also auf die Leckage der von dem Brennstoffzellenstapel verschiedenen Komponenten des Reaktandenkreises. Auf diese Weise kann beispielsweise vor einem Produktionsstart einer Serienfertigung eines Brennstoffzellensystems der Nachweis erbracht werden, dass die Gesamtleckage des Reaktandenkreises mit Ausnahme der Leckage des Brennstoffzellenstapels unterhalb eines bestimmten Grenzwerts liegt. Es ist somit ein verbessertes Verfahren geschaffen.
Denn es kann verhindert werden, dass Prüfgas aus dem Brennstoffzellenstapel in den das Gehäuse umgebenden Teil oder Raum der Testkammer oder Prüfkammer gelangt, welches ansonsten die Messung der Konzentration des Prüfgases in der Testkammer unbrauchbar machen würde. Dies beruht auf der Erkenntnis, dass beispielsweise bei einem als Wasserstoffkreis des Brennstoffzellensystems ausgebildeten Reaktandenkreis der Beitrag der Leckage des Brennstoffzellenstapels zur Gesamtleckage etwa 18 Mal höher ist als die Leckage aller übrigen Komponenten des Wasserstoffkreises.
Würde also die Leckage des Brennstoffzellenstapels mit erfasst, so wäre es unmöglich, den Beitrag der übrigen Komponenten des Reaktandenkreises zur Gesamtleckage zu erfassen. Dies liegt auch daran, dass das besonders kleine Messsignal, welches die Leckage der übrigen Komponenten angibt, von dem Messsignal überlagert würde, welches von der Leckage des Brennstoffzellenstapels herrührt. Da jedoch der Brennstoffzellenstapel mit den übrigen Komponenten verbunden ist, also Bestandteil des Reaktandenkreises ist, kann das Prüfgas nur dem gesamten Reaktandenkreis zugeführt werden, etwa durch Anschließen einer entsprechenden Prüfgasleitung an einen Einlass in den Reaktandenkreis.
Die Leckage der von dem Brennstoffzellenstapel verschiedenen Systemkomponenten des Reaktandenkreises soll also gemessen werden, wohingegen die Leckage des Brennstoffzellenstapels selber nicht gemessen werden soll. Des Weiteren soll ein Austritt von Prüfgas aus dem Stapel in den Bereich der Testkammer, in welchem die Messeinrichtung Messwerte erfasst, verhindert werden, damit die von der Messeinrichtung erfasste Konzentration des Prüfgases Aufschluss über die Leckage der von dem Brennstoffzellenstapel verschiedenen Komponenten des Reaktandenkreises gibt. Es ist jedoch nicht möglich, aus dem Brennstoffzellenstapel direkt Prüfgas abzusaugen. Daher wird das Prüfgas aus dem Gehäuse abgesaugt, welches den Brennstoffzellenstapel umgibt. Das Absaugen von Prüfgas lediglich aus dem Brennstoffzellenstapel ist deswegen nicht möglich, weil der Brennstoffzellenstapel mit den übrigen Komponenten des Reaktandenkreises fluidisch verbunden ist, der durch den Reaktandenkreis strömende Reaktand also auch durch den Brennstoffzellenstapel strömt. Vorliegend wird also das Gehäuse abgesaugt, welches auch als Stackbox bezeichnet wird, da es den Brennstoffzellenstapel (Stack) umgibt. So wird sichergestellt, dass die Stackleckage die Messung der weiteren Systemkomponenten nicht beeinflusst.
Vorliegend wird das aus dem Brennstoffzellenstapel in das Gehäuse austretende Prüfgas mittels der Messeinrichtung nicht erfasst, da dieser Teil des Prüfgases während der Dichtheitsprüfung abgesaugt wird. So können verlässliche Daten im Hinblick auf die Dichtheit des wenigstens einen Reaktandenkreises des Brennstoffzellensystems erhalten werden. Des Weiteren kann eine Prüfung der Gesamtleckage des Brennstoffzellensystems während der Serienfertigung von Brennstoffzellensystemen durchgeführt werden.
Bevorzugt wird ein aus dem Gehäuse abzusaugender Volumenstrom des Prüfgases ermittelt, indem das Prüfgas einerseits über eine erste Leitung in das Gehäuse und andererseits über eine zweite Leitung in die Testkammer eingebracht wird. Hierbei weisen die erste Leitung und die zweite Leitung ein jeweiliges Leck vorbestimmter Größe auf. Mittels derartiger Testlecks kann der Volumenstrom des aus dem Gehäuse abgesaugten Prüfgases so eingestellt werden, dass die gemessene Konzentration des Prüfgases in der Testkammer mit der aufgrund des Lecks in der zweiten Leitung zu erwartenden Leckage übereinstimmt.
Beispielsweise kann ein jeweiliges Testleck vorgesehen werden, welches dem zulässigen Maximalwert einer Leckage der jeweiligen Komponente entspricht. Diese kann bei dem Brennstoffzellenstapel 200 Kubikzentimeter Wasserstoff pro Minute bei Standardbedingungen und bei den von dem Brennstoffzellenstapel verschiedenen Komponenten des Wasserstoffkreises etwa 3,3 Kubikzentimeter Wasserstoff pro Minute bei Standardbedingungen betragen. Auf diese Weise kann besonders einfach dafür gesorgt werden, dass die Absaugung nicht so stark ist, dass das Absaugen zu einer Verfälschung der Messung führt. Denn wenn aus dem Gehäuse, welches den Brennstoffzellenstapel umhüllt, mehr Prüfgas abgesaugt wird, als aus dem Brennstoffzellenstapel aufgrund von Leckagen austritt, so kann dies dazu führen, dass Prüfgas aus dem das Gehäuse umgebenden Volumen der Testkammer in das Gehäuse eindringt.
Bevorzugt wird der Teil des Prüfgases mittels einer Pumpe aus dem Gehäuse abgesaugt, welche über eine für das Prüfgas dichte Leitung an das Gehäuse angeschlossen ist. Die Leitung durchquert somit die Testkammer und reicht bis in das Gehäuse. Auf diese Weise wird eine gasdichte Verbindung zwischen dem Inneren des Gehäuses und der Pumpe, insbesondere Vakuumpumpe, hergestellt. Es kann also besonders zuverlässig sichergestellt werden, dass ein Betreiben der Pumpe lediglich zum Absaugen von Prüfgas aus dem Gehäuse führt, welches den Brennstoffzellenstapel umgibt oder umhüllt.
Als das Prüfgas kann insbesondere Helium in den wenigstens einen Reaktandenkreis eingebracht werden. Des Weiteren kann die sich in der Testkammer einstellende Konzentration des Prüfgases erfasst werden, während ein Druck in der Testkammer einem Druck außerhalb der Testkammer entspricht. Insbesondere kann der Druck in der Testkammer dem Atmosphärendruck entsprechen. Dies macht das Verfahren zum Prüfen der Dichtheit besonders aufwandsarm.
Schließlich hat es sich als vorteilhaft gezeigt, wenn die sich in der Testkammer einstellende Konzentration des Prüfgases erfasst wird, während das Prüfgas mittels wenigstens eines Lüfters innerhalb der Testkammer verteilt wird. Denn so wird auf einfache Weise sichergestellt, dass die von der Messeinrichtung erfasste Konzentration des Prüfgases tatsächlich auf die Leckage der von dem Brennstoffzellenstapel verschiedenen Komponenten des Reaktandenkreises, insbesondere Wasserstoffkreises, zurückzuführen ist.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Prüfen der Dichtheit wenigstens eines Reaktandenkreises eines Brennstoffzellensystems ist der wenigstens eine Reaktandenkreis innerhalb einer Testkammer der Vorrichtung angeordnet. Die Vorrichtung umfasst eine Messeinrichtung zum Erfassen einer sich in der Testkammer einstellenden Konzentration eines Prüfgases. Das Prüfgas kann über einen Einlass in den wenigstens einen Reaktandenkreis eingebracht werden. Hierbei ist ein in den Reaktandenkreis eingebundener Brennstoffzellenstapel des Brennstoffzellensystems innerhalb eines Gehäuses angeordnet, welches von der Testkammer umhüllt ist. Die Vorrichtung umfasst des Weiteren Mittel zum Absaugen eines Teils der Prüfgases aus dem Gehäuse.
Die Vorrichtung ist bevorzugt zum Prüfen der Dichtheit eines Wasserstoffkreises eines Brennstoffzellensystems für ein Fahrzeug ausgebildet. Denn insbesondere im Hinblick auf Wasserstoff ist es besonders wichtig, eine gewünschte Dichtheit des Reaktandenkreises nachzuweisen oder sicherzustellen.
Die für das erfindungsgemäße Verfahren beschriebenen Vorteile und bevorzugten Ausführungsformen gelten auch für die erfindungsgemäße Vorrichtung und umgekehrt.
Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Es sind somit auch Ausführungen als von der Erfindung umfasst und offenbart anzusehen, die in den Figuren nicht explizit gezeigt oder erläutert sind, jedoch durch separierte Merkmalskombinationen aus den erläuterten Ausführungen hervorgehen und erzeugbar sind. Es sind somit auch Ausführungen und Merkmalskombinationen als offenbart anzusehen, die nicht alle Merkmale eines ursprünglich formulierten unabhängigen Anspruchs aufweisen.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:
1 schematisch eine Vorrichtung zum Prüfen der Dichtheit eines Wasserstoffkreises eines Brennstoffzellensystems, bei welchem über eine Leitung Prüfgas aus einem in einer Testkammer angeordneten Gehäuse abgesaugt werden kann, welches einen Brennstoffzellenstapel umschließt;
2 einen Schaltplan einer Versuchsanlage zum Ermitteln des aus dem Gehäuse abzusaugenden Volumenstroms an Prüfgas;
3 den Einfluss der Leckage des Brennstoffzellenstapels auf die gemessenen Konzentrationen des Prüfgases in der Testkammer, welche das Gehäuse umgibt.
Eine in 1 schematisch gezeigt Vorrichtung 10 zum Prüfen der Dichtheit eines Reaktandenkreises eines Brennstoffzellensystems, insbesondere eines Wasserstoffkreises des Brennstoffzellensystems, umfasst eine Testkammer 12 oder Prüfkammer, in welcher der zu prüfende (nicht gezeigte) Wasserstoffkreis angeordnet wird. Eine Messeinrichtung 14 ist dazu ausgebildet, eine Konzentration eines Prüfgases wie etwa Helium in einem Raum 16 der Testkammer 12 zu erfassen. Innerhalb dieses Raums 16 ist ein Gehäuse 18 angeordnet, welches einen (vorliegend ebenfalls nicht gezeigten) Brennstoffzellenstapel des Brennstoffzellensystems umgibt. Das Gehäuse 18, welches den Brennstoffzellenstapel (Stack) umschließt, wird auch als Stackbox bezeichnet. Des Weiteren wird das Gehäuse 18 auch als „integrated frame enclosure” (IFE) bezeichnet, also als „integriertes Rahmengehäuse”. Aufgrund dieser Anordnung des Gehäuses 18 innerhalb der Testkammer 12 ist eine Box-in-Box-Anordnung beziehungsweise eine Box-in-Kammer-Anordnung geschaffen.
Der von dem Gehäuse 18 umschlossene (nicht gezeigte) Brennstoffzellenstapel ist die Komponente des Wasserstoffkreises, dessen Leckage um ein Vielfaches höher ist als die Leckage der übrigen Komponenten des Wasserstoffkreises. Da das Gehäuse 18 nicht vollständig dicht ist, sondern lediglich ein Eindringen von Spritzwasser in das Gehäuse 18 verhindert ist, könnte Prüfgas aus dem Brennstoffzellenstapel in die Umgebung des Gehäuses 18 gelangen, wenn dies nicht wie nachstehend beschrieben verhindert würde.
Vorliegend soll nämlich lediglich die Leckage der von dem Brennstoffzellenstapel verschiedenen Komponenten des Wasserstoffkreises erfasst werden. Dies kann zum Beispiel daran liegen, dass der Brennstoffzellenstapel zusammen mit dem Gehäuse 18 als fertige Komponenten bezogen wird, an welche bestimmte Anforderungen hinsichtlich der Dichtheit gegenüber Wasserstoff gestellt werden. Da jedoch der Brennstoffzellenstapel in den Wasserstoffkreis eingebunden ist, kann zur Prüfung der Dichtheit lediglich der gesamte Wasserstoffkreis mit dem Prüfgas beaufschlagt werden. Würde jedoch die auf den Brennstoffzellenstapel zurückzuführende Leckage des Prüfgases mittels der Messeinrichtung 14 mit erfasst, so würde die sehr viel höhere Leckage des Brennstoffzellenstapels das Messsignal überlagern, welches auf die Leckage der übrigen Komponenten des Wasserstoffkreises zurückzuführen ist.
Dies wird vorliegend verhindert, indem aus dem Gehäuse 18 der Teil des Prüfgases abgesaugt wird, welcher auf die Leckage des Brennstoffzellenstapels zurückzuführen ist. Hierfür ist eine Leitung 20 in das Gehäuse 18 hineingeführt, welche an eine Vakuumpumpe 22 angeschlossen ist (vergleiche 2). Über die Leitung 20 wird also ein Teil der Prüfgases aus dem Gehäuse 18 abgesaugt. Dadurch wird verhindert, dass dieser Teil des Prüfgases in den Raum 16 gelangt, welcher das Gehäuse 18 umgibt und welcher wiederum zur Umgebung hin durch die Testkammer 12 begrenzt ist.
Wenn also die Messeinrichtung 14 in dem Raum 16 eine bestimmte Konzentration des Prüfgases erfasst, so ist das Vorhandensein dieses Prüfgases in dem Raum 16 auf Leckagen der von dem Brennstoffzellenstapel verschiedenen Komponenten des Wasserstoffkreises zurückzuführen. Mit anderen Worten verhindert die Absaugung, dass von der Leckage des Brennstoffzellenstapels herrührendes Prüfgas in die Haube beziehungsweise Testkammer 12 gelangt, also in den Raum 16 innerhalb der Haube oder Testkammer 12, welche das Gehäuse 18 umgibt oder umschließt. So kann die Leckage des Brennstoffzellenstapels oder die Stackleckage nicht die Messung der Systemleckage verfälschen. Als Messgerät oder Messeinrichtung 14 kann insbesondere der T-Guard der Firma INFICON zum Einsatz kommen. Ein solches Messgerät ermöglicht die Detektion oder Erfassung der Heliumkonzentration in der Haube beziehungsweise in dem Raum 16 und somit eine Messung der Leckage.
Aufgrund der Komplexität des Brennstoffzellensystems und des geringen Grenzwerts für die Leckage des Wasserstoffkreises wird vorliegend ein integraler Lecktest durchgeführt, bei welchem in dem Raum 16 Atomsphärendruck herrscht. Über einen Einlass des Wasserstoffkreises, beispielsweise über den im Betrieb des Brennstoffzellensystems an einen Wasserstofftank angeschlossenen Einlass, wird dann das Prüfgas in den Wasserstoffkreis eingebracht. Das aus dem Brennstoffzellenstapel austretende Prüfgas wird über die Leitung 20 abgesaugt. Entsprechend erfasst die Messeinrichtung 14 die Konzentration des Prüfgases in dem Raum 16, welche auf die Leckagen der von dem Brennstoffzellenstapel verschiedenen Komponenten des Wasserstoffkreises zurückzuführen ist. Um für eine gleichmäßige Verteilung des Prüfgases in dem Raum 16 zu sorgen, kann ein Lüfter 24 an die Testkammer 12 angeschlossen sein. Hierbei können ein Einlass 26 einer Lüfterleitung 28, in welcher der Lüfter 24 angeordnet ist, und ein Auslass 30 der Lüfterleitung 28 innerhalb der Testkammer 12 angeordnet sein.
1 zeigt einen Versuchsaufbau, bei welchem anhand von Lecks vorbestimmter Größe oder so genannten Testlecks der aus dem Gehäuse 18 über die Leitung 20 abzusaugende Volumenstrom ermittelt wird. Hierbei wird das Prüfgas über eine erste Leitung 32, welche ein Leck 34 einer vorbestimmten Größe aufweist, in das Gehäuse 18 eingebracht. Das Prüfgas wird des Weiteren über eine zweite Leitung 36, welche ein Leck 38 vorbestimmter Größer aufweist, in den Raum 16 eingebracht.
Beispielsweise kann das Leck 34 so bemessen sein, dass bei Standardbedingungen etwa 200 Kubikzentimeter Wasserstoff pro Minute aus dem Leck 34 austreten. Demgegenüber kann das Leck 38 derart bemessen sein, dass bei Standardbedingungen etwa 3,33 Kubikzentimeter Wasserstoff pro Minute aus dem Leck 38 austreten. Es werden also die Leckage des Brennstoffzellenstapels und die Leckage der übrigen Komponenten des Wasserstoffkreises mittels derartiger Testlecks simuliert. Bei den entsprechenden, die Größe der Lecks angebenden Werten kann es sich um die maximal zulässigen Werte der Leckage der jeweiligen Komponenten handeln.
Wenn nun über die Leitung 20 mittels der Vakuumpumpe 22 ein derartiger Volumenstrom des Prüfgases aus dem Gehäuse 18 abgesaugt wird, dass die mit der Messeinrichtung 14 erfasste Konzentration des Prüfgases in dem Raum 16 der auf das Leck 38 zurückzuführenden, zu erwartenden Konzentration an Prüfgas in dem Raum 16 entspricht, so führt der aus dem Gehäuse 18 abgesaugte Volumenstrom des Prüfgases zu einer korrekten Erfassung der Konzentration des Prüfgases in dem Raum 16. Die mittels des integralen Lecktests ermittelte Gesamtleckage des Wasserstoffkreises entspricht somit der auf die von dem Brennstoffzellenstapel verschiedenen Komponenten zurückzuführenden Leckage des Wasserstoffkreises.
Wie aus 2 ersichtlich ist, wird das Prüfgas für den in 1 gezeigten Versuchsaufbau von einer Gasflasche 40 bereitgestellt, welcher vorliegend ein Druckminderer 42 nachgeschaltet ist. In einer Prüfgasleitung 44, von welcher die Leitung 32 und die Leitung 36 abzweigen, kann des Weiteren ein Sicherheitsventil 46 angeordnet sein. Das Sicherheitsventil 46 kann beispielsweise dafür sorgen, dass bei einem Überdruck von 4 bar Prüfgas in die Umgebung abgeblasen wird. Vorliegend ist in der Prüfgasleitung 44 ein Drucksensor 48 angeordnet, welcher mit einem beispielsweise digitalen Anzeigegerät 50 gekoppelt sein kann. So lässt sich der Druck des Prüfgases in der Prüfgasleitung 44 anzeigen. Das Prüfgas aus der Gasflasche 40 wird den Leitungen 32, 36 – beziehungsweise beim Messen der Leckage des Wasserstoffkreises dem Wasserstoffkreis – mit einem vorbestimmten Druck oberhalb des Atomsphärendrucks zugeführt. Zum Erfassen der Leckage des Wasserstoffkreises wird also die Prüfgasleitung 44 direkt an den Einlass des Wasserstoffkreises angeschlossen. Stromabwärts einer Verzweigungsstelle der Prüfgasleitung 44, an welcher sich die Prüfgasleitung 44 in die Leitungen 32, 36 verzweigt, können in der jeweiligen Leitung 32, 36 jeweilige Ventile 52, 54 angeordnet sein.
In der Leitung 20 kann zur Regulierung der Absaugung eine Drossel 56 angeordnet sein. Des Weiteren kann in der Leitung 20 ein weiterer Drucksensor 58 angeordnet sein, welcher bevorzugt mit einem weiteren, insbesondere digitalen Anzeigegerät 60 zum Anzeigen des Drucks verbunden ist. Über eine weitere, an einer Abzweigung 62 von der Leitung 20 abzweigende Leitung 64 kann das Prüfgas aus dem Raum 16 abgesaugt werden. Dies kann beispielsweise durch Öffnen eines in der weiteren Leitung 64 angeordneten Ventils 66 nach Versuchsende oder nach der Dichtheitsprüfung geschehen, um ein Austreten des Prüfgases in die Umgebung um die Testkammer 12 zu verhindern. Solange das Ventil 66 jedoch geschlossen ist, sorgt das Betreiben der Vakuumpumpe 22 lediglich für das Absaugen des Prüfgases aus dem Gehäuse 18 über die Leitung 20. Auch in der Leitung 20 kann ein Ventil 68 angeordnet sein. Das Ventil 68 ermöglicht ein entsprechendes Zuschalten beziehungsweise Abschalten der Absaugung des Gehäuses 18.
Des Weiteren kann ein Differenzdrucksensor 70 an die Leitung 20 einerseits und andererseits an die weitere Leitung 64 angeschlossen sein. Mittels dieses Differenzdrucksensors 70 lässt sich der Unterdruck messen, welcher sich während des Absaugens des Prüfgases aus dem Gehäuse 18 innerhalb des Gehäuses 18 einstellt. Über einen Leitungszweig 72, in welchem vorliegend ein weiteres Ventil 74 angeordnet ist, kann nach Versuchsende das Prüfgas auch aus den Leitungen 32, 36 abgesaugt werden, welche die Lecks 34, 38 vorbestimmter Größe aufweisen. Der Leitungszweig 72 verbindet entsprechend die Leitung 20 mit der Prüfgasleitung 44 stromaufwärts der Verzweigungsstelle, an welcher die Leitungen 32, 36 von der Prüfgasleitung 44 abzweigen. Das Öffnen des Ventils 74 nach Versuchsende dient also ebenfalls dem Verhindern eines Austretens von Prüfgas in die Umgebung um die Testkammer 12. Der Differenzdrucksensor 70 kann an ein Netzgerät 76, insbesondere Labornetzgerät, angeschlossen sein.
Die Leitung 20 ermöglicht also das Absaugen des Prüfgases aus der Stackbox beziehungsweise dem Gehäuse 18 und die Leitung 64 das Absaugen des Prüfgases aus der Haube beziehungsweise aus dem Raum 16 innerhalb der Testkammer 12. Des Weiteren dient die Leitung 36 der Versorgung des Lecks 38 mit dem Prüfgas und Leitung 32 der Versorgung des Lecks 34 mit dem Prüfgas. In dem Versuchsaufbau können die in 2 gezeigten Komponenten auf einer Stahlplatte 78 angeordnet sein.
Anhand eines in 3 gezeigten Diagramms 80 lässt sich der Einfluss der Leckage des Brennstoffzellenstapels auf den mittels der Messeinrichtung 14 erfassbaren Messwert der Prüfgaskonzentration in dem Raum 16 erläutern. Hierbei ist auf einer Ordinate 82 die gemessene Leckage in Kubikzentimetern Wasserstoff pro Minute bei Standardbedingungen aufgetragen.
Eine erste Säule 84 veranschaulicht in dem Diagramm 80 die Ergebnisse der Messung, wenn die Vakuumpumpe 22 nicht betrieben wird, also über die Leitung 20 kein Prüfgas aus dem Gehäuse 18 abgesaugt wird. Entsprechend erreicht (oder übersteigt) hier der gemessene Wert eine Messgrenze 86 der Messeinrichtung 14. Eine zweite Säule 88 veranschaulicht die Ergebnisse der Leckagemessung, während das Prüfgas mit einem Volumenstrom von 6 Litern pro Minute aus dem Gehäuse 18 abgesaugt wird. Bei dieser Absaugung des Gehäuses 18 während der Leckagemessung entspricht der gemessene Wert einem Sollwert 90, welcher aufgrund der Größe des Lecks 38 zu erwarten war. Entsprechend werden durch das Absaugen eines entsprechenden Volumenstroms des Prüfgases aus dem Gehäuse 18 korrekte Messergebnisse erhalten. Eine dritte Säule 92 veranschaulicht demgegenüber die gemessenen Werte bei einer Absaugung von Prüfgas aus dem Gehäuse 18 mit einem Volumenstrom von 12 Litern pro Minute. Hierbei liegt der gemessene Wert der Konzentration des Prüfgases in dem Raum 16 unterhalb des Sollwerts 90. Entsprechend kann eine zu starke Absaugung des Prüfgases aus dem Gehäuse 18 zu einer Verfälschung der Messergebnisse führen.
Durch Absaugen eines geeigneten Volumenstroms aus dem Gehäuse 18 kann also verhindert werden, dass die Leckage des Brennstoffzellenstapels die Messung der Systemleckage, also der Leckage der von dem Brennstoffzellenstapel verschiedenen Komponenten des Wasserstoffkreises beeinflusst. Es kann also die Gesamtleckage des Brennstoffzellensystems ohne die durch den Brennstoffzellenstapel bedingte Leckage gemessen werden. Mit anderen Worten können durch das moderate Abpumpen oder Absaugen beziehungsweise Evakuieren des Gehäuses 18 verlässliche Messergebnisse im Hinblick auf die Leckage der von dem Brennstoffzellenstapel verschiedenen Komponenten des Wasserstoffkreises und/oder eines weiteren Reaktandenkreises des Brennstoffzellensystems erhalten werden.
Bezugszeichenliste

10: Vorrichtung
12: Testkammer
14: Messeinrichtung
16: Raum
18: Gehäuse
20: Leitung
22: Vakuumpumpe
24: Lüfter
26: Einlass
28: Lüfterleitung
30: Auslass
32: Leitung
34: Leck
36: Leitung
38: Leck
40: Gasflasche
42: Druckminderer
44: Prüfgasleitung
46: Sicherheitsventil
48: Drucksensor
50: Anzeigegerät
52: Ventil
54: Ventil
56: Drossel
58: Drucksensor
60: Anzeigegerät
62: Abzweigung
64: Leitung
66: Ventil
68: Ventil
70: Differenzdrucksensor
72: Leitungszweig
74: Ventil
76: Netzgerät
78: Stahlplatte
80: Diagramm
82: Ordinate
84: Säule
86: Messgrenze
88: Säule
90: Sollwert
92: Säule

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 19635943 A1 [0002]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

DIN EN 13185 [0003]
DIN EN 1779 [0003]

Claims

Verfahren zum Prüfen der Dichtheit wenigstens eines Reaktandenkreises eines Brennstoffzellensystems, bei welchem der wenigstens eine Reaktandenkreis innerhalb einer Testkammer (12) angeordnet wird, und bei welchem eine sich in der Testkammer (12) einstellende Konzentration eines Prüfgases erfasst wird, welches in den wenigstens einen Reaktandenkreis eingebracht wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein in den Reaktandenkreis eingebundener Brennstoffzellenstapel des Brennstoffzellensystems innerhalb eines Gehäuses (18) angeordnet wird, welches von der Testkammer (12) umhüllt wird, wobei die sich in der Testkammer (12) einstellende Konzentration des Prüfgases erfasst wird, während ein Teil des Prüfgases aus dem Gehäuse (18) abgesaugt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein aus dem Gehäuse (18) abzusaugender Volumenstrom des Prüfgases ermittelt wird, indem das Prüfgas einerseits über eine erste Leitung (32) in das Gehäuse (18) und andererseits über eine zweite Leitung (36) in die Testkammer (12) eingebracht wird, wobei die erste Leitung (32) und die zweite Leitung (36) ein jeweiliges Leck (34, 38) vorbestimmter Größe aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Teil des Prüfgases mittels einer Pumpe (22) aus dem Gehäuse (18) abgesaugt wird, welche über eine für das Prüfgas dichte Leitung (20) an das Gehäuse (18) angeschlossen ist.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zum Überwachen des Absaugens des Teils des Prüfgases aus dem Gehäuse (18) ein Differenzdrucksensor (70) verwendet wird, welcher einerseits an die Leitung (20) und andererseits an eine in die Testkammer (12) führende weitere Leitung (64) angeschlossen ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Ermitteln der sich in der Testkammer (12) einstellenden Konzentration des Prüfgases über die weitere Leitung (64) das Prüfgas aus der Testkammer (12) abgesaugt wird und/oder das Prüfgas aus dem wenigstens einen Reaktandenkreis abgesaugt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass als der wenigstens eine Reaktandenkreis ein Wasserstoffkreis des Brennstoffzellensystems innerhalb der Testkammer (12) angeordnet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass als das Prüfgas Helium in den wenigstens einen Reaktandenkreis eingebracht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die sich in der Testkammer (12) einstellende Konzentration des Prüfgases erfasst wird, während ein Druck in der Testkammer (12) einem Druck außerhalb der Testkammer (12), insbesondere dem Atmosphärendruck, entspricht und/oder während das Prüfgas mittels wenigstens eines Lüfters (24) innerhalb der Testkammer (12) verteilt wird.
Vorrichtung zum Prüfen der Dichtheit wenigstens eines Reaktandenkreises eines Brennstoffzellensystems, wobei der wenigstens eine Reaktandenkreis innerhalb einer Testkammer (12) der Vorrichtung angeordnet ist, und wobei die Vorrichtung eine Messeinrichtung (14) zum Erfassen einer sich in der Testkammer (12) einstellenden Konzentration eines Prüfgases umfasst, welches über einen Einlass in den wenigstens einen Reaktandenkreis einbringbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein in den Reaktandenkreis eingebundener Brennstoffzellenstapel des Brennstoffzellensystems innerhalb eines Gehäuses (18) angeordnet ist, welches von der Testkammer (12) umhüllt ist, wobei die Vorrichtung Mittel (20, 22) zum Absaugen eines Teils des Prüfgases aus dem Gehäuse (18) umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zum Prüfen der Dichtheit eines Wasserstoffkreises eines Brennstoffzellensystems für ein Fahrzeug ausgebildet ist.