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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Diagnose einer Leckage bei einem Brennstoffzellensystem sowie Brennstoffzellensystem selber.
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Stand der Technik
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Aus dem Stand der Technik sind diverse, unterschiedliche Systeme bekannt, die ein Fluid enthalten oder in denen ein Fluid geführt wird. Um das Fluid in einem solchen Fluidsystem zu halten, ist ein derartiges System im Normalfall zumindest teilweise abgedichtet. Aufgrund von Fertigungstoleranzen sowie durch betriebsbedingten Verschleiß, bspw. von Dichtungen, kann es vorkommen, dass das System eine Leckage aufweist und dass das Fluid aus dem System austritt. Insbesondere bei sicherheitsrelevanten Systemen, wie bspw. einem Brennstoffzellensystem, kann es daher sinnvoll sein, eine Leckage zu überwachen. Dazu wird häufig ein zulässiger, maximaler Leckagewert in einem bestimmten Betriebspunkt unter bestimmten Rahmenbedingungen definiert. Über die Lebensdauer des Fluidsystems wird dieses insbesondere daher mehrmals der Einsatzumgebung entnommen und unter Laborbedingungen der vorher definierte Betriebspunkt mit den bestimmten Rahmenbedingungen hergestellt, so dass die Leckage unter diesen Bedingungen erfasst und gegen den maximal zulässigen Leckagewert geprüft werden kann.
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Offenbarung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem unabhängigen Verfahrensanspruch sowie eine Vorrichtung nach dem unabhängigen Vorrichtungsanspruch.
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Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben worden sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem und jeweils umgekehrt, so dass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.
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Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im unabhängigen Anspruch angegebenen Verfahrens möglich.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Diagnose einer Leckage (insbesondere einer kritischen Leckage) zumindest eines ersten Fluids eines Fluidsystems umfasst die Schritte a) bis d). Gemäß Schritt a) erfolgt ein Bereitstellen eines ersten Referenzgradienten eines Betriebsdrucks des ersten Fluids. Schritt b) umfasst ein Ermitteln eines Betriebsgradienten des Betriebsdrucks in einem ersten Betriebspunkt. Gemäß Schritt c) wird ein zweiter Referenzgradient des Betriebsdrucks durch ein Modell bestimmt. Dabei berücksichtigt das Modell den ersten Referenzgradienten und zumindest einen weiteren Betriebsparameter im ersten Betriebspunkt. Ein Vergleichen des Betriebsgradienten des zweiten Referenzgradienten erfolgt gemäß Schritt d).
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Dabei kann unter einer Leckage insbesondere ein Volumenverlust des ersten Fluids aus dem Fluidsystem pro Zeiteinheit verstanden werden. Eine kritische Leckage kann ferner eine Leckage sein, die sich gefährlich auf das Fluidsystem oder die Umgebung auswirken kann. Kritisch kann eine Leckage jedoch auch dann sein, wenn dies aus einem anderen Grund interessant erscheint, wie bspw. die Auswirkung auf den Verbrauch des ersten Fluids. Ein Indikator für die Leckage des ersten Fluids des Fluidsystems kann insbesondere der Gradient des Betriebsdrucks sein. Im Sinne der Erfindung kann unter einem Gradienten die zeitliche Änderung eines Drucks, insbesondere ein Druckverlust über die Zeit, verstanden werden. Mit anderen Worten kann bspw. ein hoher Druckverlust innerhalb einer kurzen Zeit, und damit insbesondere ein hoher Gradient des Drucks, durch eine Leckage verursacht sein. Der erste Referenzgradient des Betriebsdrucks kann daher auch als Grenze der Druckveränderung pro Zeit unter festen Bedingungen verstanden werden, bis zu der ein Betriebsgradient unter diesen Bedingungen als unkritisch oder kritisch eingestuft werden kann. Bspw. kann der erste Referenzgradient einen maximal zulässigen Druckgradienten unter den festgelegten Bedingungen darstellen. Zur Ermittlung eines Gradienten des Betriebsdrucks kann vorzugsweise ein Druck über einen Zeitraum zu zumindest zwei Zeitpunkten gemessen werden, so dass der Quotient aus der Differenz der Messpunkte und dem Zeitraum den Gradienten ergibt. Das Modell, welches bspw. eine mathematische, insbesondere analytische oder numerische Funktion sein kann, bestimmt dabei insbesondere aus dem ersten Referenzgradienten sowie zumindest einer Umgebungsbedingung in Form eines weiteren Betriebsparameters im ersten Betriebspunkt den zweiten Referenzgradienten. Ein Betriebspunkt kann insbesondere einen Zeitraum während der Ermittlung des Betriebsgradienten umfassen. Der zweite Referenzgradient stellt dabei insbesondere eine Grenze der Druckveränderung pro Zeit unter realen Bedingungen dar, bis zu der ein Betriebsgradient als unkritisch oder kritisch eingestuft werden kann. Insbesondere erfolgt also ein Herausrechnen der Umgebungsbedingungen aus der festgelegten Grenze des Vergleichswertes der kritischen Leckage. Dadurch ergibt sich für das erfindungsgemäße Verfahren der Vorteil, dass die Diagnose einer Leckage zumindest in gewissen Grenzen, bspw. innerhalb einer Temperaturspanne, in welcher das Modell gültig ist, in allen Betriebspunkten durchführbar ist. Dadurch können schleichende Undichtigkeiten früh erkannt werden, insbesondere so dass der Wartungsaufwand des Fluidsystems reduziert ist. So kann bspw. eine Verlängerung von Wartungsintervallen vorgesehen sein, so dass eine Störung des Betriebsablaufs durch das Verfahren reduziert ist. Durch die mathematische Grundlage kann das Verfahren ferner bspw. in einem Computerprogramm automatisch ablaufen oder durch ein Computerprogramm ansteuerbar sein. Insbesondere ist der Betriebsgradient des Betriebsdrucks ferner einfach messbar, so dass eine genaue Lokalisierung einer Leckagestelle für die Diagnose der insbesondere kritischen Leckage nicht notwendig sein kann. Vorteilhafterweise kann der erste Referenzgradient des Betriebsdrucks ferner für das Fluidsystem einmalig in einem Referenzbetriebspunkt definiert sein. Ein derartiger, einmaliger Test kann z. B. bereits unter Laborbedingungen vor der Auslieferung des Fluidsystems an den Endkunden durchgeführt werden, insbesondere so dass eine Toleranzfestlegung individuell für jedes gefertigte Produkt möglich ist. Dadurch kann die Genauigkeit des Verfahrens gesteigert sein, da in dem ersten Referenzgradienten bereits entsprechende reale Fertigungsabweichungen berücksichtigt sind.
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Ferner kann es sich bei dem Fluidsystem um ein Brennstoffzellensystem handeln, so dass das erfindungsgemäße Verfahren vorteilhafterweise zur Diagnose einer Leckage (insbesondere einer kritischen Leckage) in einem Brennstoffzellensystem ausgebildet sein kann. Vorzugsweise kann es sich bei dem Betriebsdruck ferner um einen Anodendruck des Brennstoffzellensystems handeln. Dadurch kann die Sicherheit in dem Brennstoffzellensystem insbesondere deutlich gesteigert sein. So kann es sich bei dem ersten Fluid bspw. um Wasserstoff handeln, der in dem Brennstoffzellensystem unter hohem Druck steht und bei einem besonders starken Austritt aus dem Brennstoffzellensystem eine potenzielle Gefahrenquelle darstellen kann. Daher ist eine Früherkennung von Leckagen in einem Brennstoffzellensystem besonders erstrebenswert.
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Es ist des Weiteren denkbar, dass das Verfahren bei einem Fluidsystem in einem Fahrzeug verwendet wird bzw. das Fluidsystem während der Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einem Fahrzeug verbaut ist. Dies erhöht entsprechend die Sicherheit beim Betrieb des Fahrzeugs, insbesondere da das Verfahren unter realen Bedingungen durchgeführt wird und somit auch die realen Umgebungsbedingungen berücksichtigbar sind. So kann das Verfahren z. B. im Betrieb des Fahrzeugs automatisch, z B. permanent oder in regelmäßigen Abständen oder bei festen Auslösefunktionen (bspw. vor dem Start oder nach dem Abstellen) oder durch den Fahrer manuell ausgelöst erfolgen. Alternativ oder zusätzlich kann aber auch vorgesehen sein, dass das Verfahren in einer Wertstatt, bspw. bei einer Inspektion des Fahrzeugs, durchgeführt wird. Vorzugsweise kann das Verfahren beim Starten des Fahrzeugs durchgeführt werden, so dass eine Störung des Betriebsablaufs reduziert ist und zuvor ausgebildete Leckagen, insbesondere noch vor einer möglichen Gefährdung, erkannt werden.
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Es ist ferner denkbar, dass ein erfindungsgemäßes Verfahren unter stationären Betriebsbedingungen durchgeführt wird. So kann bspw. vorgesehen sein, dass ein Abschnitt des Fluidsystems durch Schließen zumindest eines Ventils zumindest teilweise abgeschlossen wird. Dadurch kann der ermittelte Betriebsgradient des Betriebsdrucks im ersten Betriebspunkt mit erhöhter Sicherheit einer Leckage zugeordnet werden. Dies ermöglicht eine Steigerung der Genauigkeit des Verfahrens und damit eine erhöhte Sicherheit des Fluidsystems. Unter stationären Betriebsbedingungen kann daher bspw. verstanden werden, dass sich die Strömung des ersten Fluids in einem Fließgleichgewicht befindet oder dass kein zusätzlicher Druck des ersten Fluids bspw. durch eine Pumpe in dem Abschnitt des Fluidsystems erzeugt wird.
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Im Rahmen der Erfindung kann weiterhin vorgesehen sein, dass das Modell anhand eines weiteren Betriebsparameters im ersten Betriebspunkt einen Nebendruck eines zweiten Fluids berücksichtigt. Bei dem Nebendruck kann es sich vorzugsweise um den Kathodendruck einer Brennstoffzelle handeln. Vorzugsweise kann unter dem zweiten Fluid ein Gas oder eine Flüssigkeit verstanden werden, wobei das zweite Fluid besonders bevorzugt einen Sauerstoff aufweisen kann. So kann es sich bei dem zweiten Fluid z. B. um Luft handeln. Im Hinblick auf die Berücksichtigung des Nebendrucks durch das Modell kann der Nebendruck selbst, ein Druckunterschied zwischen einer Anode und einer Kathode im Brennstoffzellensystem oder eine weitere, vom Nebendruck abhängige Größe den weiteren Betriebsparameters repräsentieren. Durch die Berücksichtigung des Nebendrucks des zweiten Fluids kann somit ein Umgebungsparameter durch das Modell berücksichtigt werden, der einfach zu messen ist. Insbesondere hat der Kathodendruck einen großen Einfluss auf die Genauigkeit des Ergebnisses, so dass eine Berücksichtigung des Kathodendrucks in einem Brennstoffzellensystem eine hohe Genauigkeit des Verfahrens und damit eine erhöhte Sicherheit des Brennstoffzellensystems zur Folge hat.
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Vorteilhafterweise kann bei einem erfindungsgemäßen Verfahren vorgesehen sein, dass im Falle eines Überschreitens oder eines Unterschreitens des zweiten Referenzgradienten durch den Betriebsgradienten eine Fehlerreaktion erfolgt. So kann z. B. eine Warnmeldung erfolgen, dass ein weiterer, insbesondere genauerer Test erforderlich ist oder es kann eine Abschaltung des Systems vorgenommen werden. Dies kann die Sicherheit des Fluidsystems steigern.
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Vorteilhafterweise kann das Modell bei einem erfindungsgemäßen Verfahren anhand eines weiteren Betriebsparameters im ersten Betriebspunkt eine Kondensation von Wasser im Fluidsystem berücksichtigen. Dazu kann die Kondensation von Wasser vorzugsweise durch einen Partialdruck des Wassers repräsentiert sein. Insbesondere kann die Kondensation von Wasser selbst, der Partialdruck des Wassers in Abhängigkeit von der Kondensation von Wasser oder eine weitere von der Kondensation von Wasser abhängige Größe den weiteren Betriebsparameter darstellen. Je nach Außentemperatur oder Kühlung des ersten Fluids kann während der Messung des Betriebsgradienten bzw. während der Durchführung des Verfahrens insbesondere Wasserdampf im Fluidsystem kondensieren, wobei der Prozentsatz des kondensierten Wassers insbesondere vom Taupunkt des Wassers abhängt. Eine Kondensation von Wasser wiederum kann eine Veränderung des Betriebsgradienten zur Folge haben, so dass eine Berücksichtigung durch das Modell den zweiten Referenzgradienten weiter den realen Bedingungen annähert. Dadurch kann ein genaueres Verfahren und damit eine erhöhte Sicherheit des Fluidsystems erreicht werden.
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Es ist des Weiteren denkbar, dass bei einem erfindungsgemäßen Verfahren das erste Fluid durch ein Kühlmittel gekühlt wird, wobei das Modell die Veränderung der Temperatur des Kühlmittels anhand eines weiteren Betriebsparameters im ersten Betriebspunkt berücksichtigt und/oder die Kühlung vor der Durchführung zumindest des Schrittes b) des Verfahrens abgeschaltet wird. Auch die Abkühlung als solche kann während der Durchführung des Verfahrens, insbesondere während des Ermittelns des Betriebsgradienten einen Einfluss auf den Betriebsgradienten haben, so dass ein entsprechender Druckabfall oder eine entsprechende Druckzunahme nicht vollständig auf eine Leckage zurückzuführen ist. Vorzugsweise kann die Veränderung der Temperatur des Kühlmittels selbst oder eine von der Temperatur des Kühlmittels abhängige Größe den weiteren Betriebsparameter darstellen. Durch die Berücksichtigung der Veränderung der Temperatur durch das Modell bzw. durch die Abschaltung der Kühlung kann somit eine erhöhte Genauigkeit des Verfahrens, insbesondere des zweiten Referenzgradienten, erreicht werden, so dass die Sicherheit des Fluidsystems gesteigert ist. Damit kann bspw. die Häufigkeit einer Fehleinschätzung einer kritischen Leckage reduziert sein.
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Es ist des Weiteren denkbar, dass bei einem erfindungsgemäßen Verfahren das Modell einen Reaktionsterm aufweist, der den Einfluss einer chemischen Reaktion innerhalb des Fluidsystems auf den zweiten Referenzgradienten anhand zumindest eines weiteren Betriebsparameters im ersten Betriebspunkt berücksichtigt. Unter dem Reaktionsterm kann z. B. die, insbesondere mathematische, Modellierung der chemischen Reaktion an der Membran einer Brennstoffzelle verstanden werden. Damit ergeben sich als mögliche Abhängigkeiten des Reaktionsterms die Temperatur, der Sauerstoffpartialdruck, der Wasserstoffpartialdruck und/oder ähnliche Betriebsparameter. Der Reaktionsterm kann vorzugsweise als analytische, mathematische Funktion oder als allgemein für eine Baureihe oder ein Einzelprodukt des Fluidsystems bestimmtes Kennfeld vorgesehen sein. Dadurch kann ein Einfluss einer Restreaktion zumindest des ersten Fluids auf den Betriebsgradienten des Betriebsdrucks berücksichtigt werden und daher ein genaueres Ergebnis erzielt werden. Dies wiederum führt insbesondere zu einer erhöhten Sicherheit. Der Reaktionsterm kann insbesondere selbst den weiteren Betriebsparameter darstellen.
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Im Rahmen der Erfindung kann weiterhin vorgesehen sein, dass zumindest die Schritte b) bis d) des Verfahrens zyklisch wiederholt werden. Dadurch kann eine Leckage regelmäßig überprüft werden, so dass der Stichprobenumfang der Messwerte und damit die Genauigkeit des Verfahrens erhöht wird. Unter einer zyklischen Wiederholung im Sinne der vorliegenden Erfindung kann eine Wiederholung verstanden werden, die z. B. nach einem bestimmten Zeitraum erfolgt. Vorzugsweise kann unter einer zyklischen Wiederholung jedoch auch verstanden werden, dass die Schritte des Verfahrens je Betriebszyklus des Fluidsystems, z. B. beim Starten und/oder Abschalten des Fluidsystems durchgeführt werden. So kann eine Unterbrechung des Betriebsablaufs reduziert sein und eine zuverlässige Detektion einer kritischen Leckage gegeben sein.
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Vorteilhafterweise können im Rahmen der Erfindung die Verfahrensschritte in der Reihenfolge a) bis d) erfolgen. Insbesondere ist jedoch ebenfalls denkbar, dass die Verfahrensschritte, sofern technisch sinnvoll, in einer geänderten Reihenfolge durchgeführt werden und/oder einzelne Schritte des Verfahrens wiederholt werden.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ein Brennstoffzellensystem beansprucht, das zumindest ein erstes Fluid und zumindest einen Sensor zum Erkennen zumindest eines Betriebsdrucks aufweist. Dabei ist das Brennstoffzellensystem zur Ausführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9 geeignet. Bei dem Sensor kann es sich vorzugsweise um einen Drucksensor handeln, so dass ein Druckgradient auf einfache und kostengünstige Art und Weise ermittelbar ist. Vorzugsweise kann es sich bei dem Brennstoffzellensystem um ein Brennstoffzellensystem eines Fahrzeugs handeln, so dass die Sicherheit des Fahrzeugs durch das Verfahren gesteigert ist. Damit bringt ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf ein erfindungsgemäßes Verfahren beschrieben worden sind.
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Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung zu einigen Ausführungsbeispielen der Erfindung, welche in den Figuren schematisch dargestellt sind. Sämtliche aus den Ansprüchen, der Beschreibung oder den Zeichnungen hervorgehenden Merkmale und/oder Vorteile, einschließlich konstruktiver Einzelheiten, räumliche Anordnungen und Verfahrensschritte, können sowohl für sich als auch in den verschiedensten Kombinationen erfindungswesentlich sein. Dabei ist zu beachten, dass die Figuren nur beschreibenden Charakter haben und nicht dazu gedacht sind, die Erfindung in irgendeiner Form einzuschränken. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung der einzelnen Schritte eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einem ersten Ausführungsbeispiel,
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2a + b jeweils ein Diagramm eines Druckgradienten über die Zeit in einem weiteren Ausführungsbeispiel mit jeweils unterschiedlichen Betriebsgradienten,
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3a–d eine Modellierung eines zweiten Referenzgradienten in einem Diagramm in jeweils einem weiteren Ausführungsbeispiel,
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4 eine schematische Darstellung eines Modell eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einem weiteren Ausführungsbeispiel,
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5 ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem in einem weiteren Ausführungsbeispiel und
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6 ein Fahrzeug mit einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem in einem weiteren Ausführungsbeispiel.
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In den nachfolgenden Figuren werden für die gleichen technischen Merkmale auch von unterschiedlichen Ausführungsbeispielen die identischen Bezugszeichen verwendet.
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1 zeigt Schritte a) bis d) eines erfindungsgemäßen Verfahrens 100 in einem ersten Ausführungsbeispiel, wobei gemäß einem Schritt a) ein erster Referenzgradient 210 eines Betriebsdrucks 200 eines ersten Fluids bereitgestellt wird. Die Bereitstellung kann bspw. durch eine Messung des ersten Referenzgradienten 210 des Betriebsdrucks 200 in einem Referenzbetriebspunkt 203 erfolgen. Gemäß Schritt b) wird ein Betriebsgradient 201 des Betriebsdrucks 200 in einem ersten Betriebspunkt 202 bestimmt. Durch ein Modells 220, welches den ersten Referenzgradienten 210 gemäß Schritt a) und zumindest einen weiteren Betriebsparameter 221 berücksichtigt, wird gemäß Schritt c) ein zweiter Referenzgradient 211 bestimmt. Das Modell 220 ist dabei als mathematische Funktion vorgegeben, so dass zum Bestimmen des zweiten Referenzgradienten 211 ein Einsetzen des weiteren Betriebsparameters 221 und des ersten Referenzgradienten 210 vorgenommen werden kann. Gemäß Schritt d) erfolgt ein Vergleich des Betriebsgradienten 201 und des zweiten Referenzgradienten 211. Insbesondere wird bei einem zeitlichen Druckverlust, dargestellt durch den Betriebsgradienten 201, der höher ist als der zweite Referenzgradient 211, eine Fehlerreaktion 212 ausgelöst. Dadurch kann ein Benutzer vor einer kritischen Leckage gewarnt werden. Ferner können insbesondere zumindest die Schritte b) bis d) wiederholt werden, z.B. um weitere Betriebspunkte zu überprüfen.
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2a zeigt ein Diagramm eines Druckgradienten gegenüber zumindest einem weiteren Betriebsparameter 221. Dabei markiert die Kurve, welche das Modell 220 repräsentiert, die jeweiligen Referenzgradienten abhängig vom jeweiligen Betriebspunkt. So handelt es sich bei dem dargestellten Diagramm um eine einfache, zweidimensionale Darstellung, wobei bei einer Abhängigkeit des Modells 220 von zusätzlichen Betriebsparametern neben dem weiteren Betriebsparameter 221 an dieser Stelle auch ein mehrdimensionales Diagramm denkbar ist. Die Kurve des Modells 220 verläuft ferner durch einen Punkt, der durch die Kombination aus einem Referenzbetriebspunkt 203 und einem ersten Referenzgradienten 210 gebildet ist. Damit werden insbesondere die Laborbedingungen markiert, unter welchen der erste Referenzgradient 210 ermittelt wird. Weiterhin ist ein Betriebsgradient 201 in einem ersten Betriebspunkt 202 aufgetragen, wobei der Betriebsgradient 201 unterhalb der Kurve des Modells 220 und damit unterhalb eines zweiten Referenzgradienten 211 im ersten Betriebspunkt 202 liegt. Dadurch ist der Betriebsgradient 201 derart einzuordnen, dass eine vorliegende Leckage unkritisch ist. Insbesondere kann es sich bei dem Druckgradienten um den Betrag des Druckgradienten handeln. 2b zeigt einen Betriebsgradienten 201 im ersten Betriebspunkt 202, wobei der Betriebsgradient 201 oberhalb der Kurve des Modells 220 liegt, so dass der Betriebsgradient 201 eine kritische Leckage eines ersten Fluids 10 darstellt.
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3a bis d zeigen jeweils unterschiedliche Ausführungsbeispiele der Abhängigkeit eines Modells 220 von unterschiedlichen Einflussgrößen. Dazu zeigen die Diagramme jeweils einen Druckgradienten gegenüber einem weiteren Betriebsparameter 221. Die Kurve des Modells 220 enthält sowohl einen ersten Referenzgradienten 210, der einem Referenzbetriebspunkt 203 zugeordnet ist und einen zweiten Referenzgradienten 211, der einem ersten Betriebspunkt 202 zugeordnet ist. Zwischen dem Referenzbetriebspunkt 203 und dem ersten Betriebspunkt 202 unterscheidet sich jeweils entsprechend der weitere Betriebsparameter 221. Die Kurve des Modells 220 entsteht daher aufgrund einer mathematischen Funktion, welche den Referenzgradienten 210 und jeweiligen weiteren Betriebsparameter 221 berücksichtigt. Insbesondere geht der erste Referenzgradient 210 als Konstante in die mathematische Modellierung des Modells 220 ein. In 3a handelt es sich bei dem weiteren Betriebsparameter 221 um eine Druckdifferenz zwischen Anode und Kathode, wobei diese Druckdifferenz entsprechend von einem Nebendruck 221.1, welcher in einem Brennstoffzellensystem 1 dem Kathodendruck entspricht, abhängig ist. 3b zeigt ein Diagramm eines Druckgradienten gegenüber einem Partialdruck von Wasser, der von der Kondensation von Wasser 221.2 abhängt. Dementsprechend beruht die mathematische Modellierung der Kurve des Modells 220 auf dem ersten Referenzgradienten 210 und der Kondensation von Wasser 221.2. Da die Kondensation von Wasser 221.2 insbesondere über den Partialdruck des Wassers einfach zu messen ist, wird die Abhängigkeit des Modells 220 von der Kondensation von Wasser 221.2 durch die Berücksichtigung des Partialdrucks realisiert. Ähnlich findet im Ausführungsbeispiel gemäß 3c eine Berücksichtigung der Veränderung der Temperatur 221.3 im Modell 220 dadurch statt, dass die, insbesondere theoretisch, physikalische Änderung eines Betriebsdrucks 200 aufgrund der Temperaturänderung 221.3 mathematisch in das Modell 220 eingeht. Dementsprechend ist z.B. auch ein Referenzbetriebspunkt 203 durch die Veränderung der Temperatur 221.3 definiert, so dass ein erster Referenzgradient 210 dem Referenzbetriebspunkt 203 zugeordnet wird. 3d zeigt in einem weiteren Ausführungsbeispiel eine Kurve des Modells 220, welches einen ersten Referenzgradienten 210 und einen Reaktionsterm 221.4 berücksichtigt. Der Reaktionsterm 221.4 ist insbesondere als weitere mathematische Funktion zu verstehen, die bspw. zumindest den Einfluss der Temperatur und den Partialdruck eines ersten Fluids 10 und eines zweiten Fluids 11 berücksichtigt. Dadurch kann durch den Reaktionsterm 221.4 die chemische Restreaktion einer Brennstoffzelle 1 während der Durchführung eines Verfahrens 100 berücksichtigt werden.
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4 zeigt schematisch ein Modell 220 mit unterschiedlichen Eingangsgrößen. So ist das Modell 220 abhängig von einem ersten Referenzgradienten 210, einem Nebendruck 221.1, welcher bspw. durch eine Druckdifferenz zwischen einer Anode und einer Kathode in einem als Brennstoffzellensystem 1 ausgestalteten Fluidsystem 1 repräsentiert sein kann, einer Kondensation von Wasser 221.2, welche bspw. durch den Partialdruck von Wasser repräsentiert sein kann, einer Veränderung der Temperatur 221.3, welche bspw. durch eine theoretische Druckdifferenz repräsentiert sein kann, die durch diese Temperaturänderung 221.3 hervorgerufen werden kann und einen Reaktionsterm 221.4, der die Veränderung des Drucks aufgrund einer chemischen Restreaktion, insbesondere mathematisch, repräsentiert. Durch die Berücksichtigung derartiger, relevanter Größen ist es insbesondere möglich, den Einfluss der Umgebungsbedingungen auf einen Betriebsgradienten 201 durch Anpassung eines zweiten Referenzgradienten 211 zu berücksichtigen. Der zweite Referenzgradient 211 stellt demnach eine Vergleichsgröße dar, die eine Grenze der als kritisch anzusehenden Leckage eines Referenzbetriebspunkts 203 auf einen realen Betriebspunkt 202 umgerechnet repräsentiert.
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5 zeigt ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem 1 in einem weiteren Ausführungsbeispiel in schematischer Darstellung. Dabei weist das Brennstoffzellensystem 1 eine Kathode 3 auf, die mit einem zweiten Fluid 11 versorgt wird und eine Anode 2, die mit einem ersten Fluid 10 versorgt wird. Eine Reaktion des ersten Fluids 10 mit dem zweiten Fluid 11 im Brennstoffzellensystem 1 kann insbesondere eine elektrische Spannung erzeugen. Der Strömungsweg des ersten Fluids 10 weist ferner zwei Ventile 5 und einen Sensor 6 auf. Um stationäre Betriebsbedingungen herzustellen, können insbesondere die Ventile 5 geschlossen werden, so dass der Sensor durch Messung des Drucks über einen Zeitraum, insbesondere zu zumindest zwei Zeitpunkten, einen Betriebsgradienten 201 ermittelt. Durch Schließen der Ventile 5 ist der Betriebsgradient 201 insbesondere unabhängig von Druckbedingungen des ersten Fluids 10 außerhalb des entsprechenden Abschnitts an der Anode 2. Weiterhin ist dargestellt, dass das Brennstoffzellensystem 1 durch eine Kühlung 4 mittels eines Kühlmittels 12 gekühlt ist, wobei diese Kühlung abschaltbar und/oder die Temperaturänderung des Kühlmittels 12 messbar sein kann, so dass der Einfluss des Kühlmittels 12 auf ein Verfahren 100 zur Diagnose einer Leckage, insbesondere einer kritischen Leckage, des Brennstoffzellensystems 1 reduzierbar ist.
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6 zeigt ein Fahrzeug 300, welches ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem 1 aufweist. Für das Brennstoffzellensystem 1 kann insbesondere ein Verfahren 100 zur Diagnose einer kritischen Leckage ausgeführt werden, wobei das Verfahren 100 durch ein Steuergerät 301 des Fahrzeugs 300 initiierbar und insbesondere steuerbar ist.
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Die voranstehende Erläuterung der Ausführungsformen beschreibt die vorliegende Erfindung ausschließlich im Rahmen von Beispielen. Selbstverständlich können einzelne Merkmale der Ausführungsformen, sofern technisch sinnvoll, frei miteinander kombiniert werden, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
