DE102016011140A1 - Method for determining a hydrogen leak - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung einer Wasserstoffleckage im Anodenbereich eines Brennstoffzellensystems (1), wozu in vorgegebenen Betriebszuständen eine Druckdifferenz zwischen einem ersten und einem zweiten Zeitpunkt ausgewertet wird. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Leckageprüfung immer dann und so lange erfolgt, wie Befüll- und Entleerventile (7, 12) des Anodenbereichs geschlossen sind, wobei zur Auswertung die Wasserstoffmasse (m) zum Start (Zeitpunkt1) der Leckageprüfung und beim Ende (Zeitpunkt 2) der Leckageprüfung dient, wobei die verbrauchte Wasserstoffmasse (mFaraday) rechnerisch ermittelt wird.The invention relates to a method for determining a hydrogen leak in the anode region of a fuel cell system (1), for which purpose a pressure difference between a first and a second point in time is evaluated in predetermined operating states. The invention is characterized in that a leakage test always takes place and as long as the filling and emptying valves (7, 12) of the anode area are closed, whereby for evaluation the hydrogen mass (m) at the start (time 1) of the leakage test and at the end ( Time 2) of the leakage test is used, wherein the consumed hydrogen mass (mFaraday) is determined by calculation.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung einer Wasserstoffleckage nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.The invention relates to a method for determining a hydrogen leakage according to the closer defined in the preamble of claim 1.

Bei der Verwendung von Wasserstoff in Brennstoffzellensystemen, und hier insbesondere in Brennstoffzellensystemen, welche in Fahrzeugen zur Erzeugung von elektrischer Antriebsleistung und/oder Bordenergie eingesetzt werden, darf die unweigerlich auftretende Wasserstoffemission definierte Grenzwerte nicht überschreiten. Die Wasserstoffkonzentration darf in einem Mittelwert von drei Sekunden 4 Vol.-% nicht überschreiten. Peakwerte müssen in jedem Fall unter einer Grenze von 8 Vol.-% bleiben. Neben einer messtechnischen Erfassung von Wasserstoffemissionen, was aufgrund der vergleichsweise aufwändigen Wasserstoffsensoren sowie deren Zuverlässigkeit bei unterschiedlichen Klimabedingungen, welchen insbesondere ein Fahrzeug ausgesetzt ist, entsprechend aufwändig ist, ist es mittlerweile auch üblich, Wasserstoffleckagen in dem System über andere Methoden zu erfassen. Im Falle einer zu hohen Wasserstoffemission muss dann reagiert werden.When hydrogen is used in fuel cell systems, and in particular in fuel cell systems, which are used in vehicles for generating electric drive power and / or on-board energy, the inevitably occurring hydrogen emission must not exceed defined limit values. The hydrogen concentration must not exceed 4 vol.% In an average of three seconds. Peak values must always remain below a limit of 8% by volume. In addition to a metrological detection of hydrogen emissions, which is due to the comparatively complex hydrogen sensors and their reliability in different climatic conditions, which in particular a vehicle is exposed, is correspondingly complex, it is now common to detect hydrogen leaks in the system via other methods. In the case of too high a hydrogen emission must then be reacted.

Der Fokus einer Leckageprüfung liegt dabei zumeist in einer möglichst genauen Ermittlung einer potenziellen Leckagerate. Parameter, die sich auf die Genauigkeit der Messung negativ auswirken, werden deshalb nach Möglichkeit konstant gehalten. Dies wird unter anderem dadurch erreicht, dass die Messung im Nulllastbetrieb der Brennstoffzelle erfolgt, und dass gleichbleibende Ablaufprozeduren bei konstanten Temperaturen abgewartet werden, bis die Leckagemessung durchgeführt wird. Eine derartige Leckageprüfung ist beispielsweise in der DE 10 2009 008 654 A1 beschrieben. Eine ähnliche Vorgehensweise ist ferner aus der US 9,203,100 B2 bekannt. In beiden Fällen, ist es so, dass Druckdifferenzen gemessen werden, wobei bestimmte Bedingungen, insbesondere konstante Temperaturen, und ein Nulllastbetrieb, also kein elektrischer Betrieb der Brennstoffzelle, vorliegen müssen. Diese konstanten Bedingungen sind im Fahrtbetrieb eines Fahrzeugs mit der Brennstoffzelle jedoch typischerweise nicht erwünscht und treten allenfalls in Sonderfällen des Betriebs, beispielsweise einem Ampelstopp oder dgl. auf. Dementsprechend ist die Anzahl der Leckagemessungen über die tägliche Betriebsdauer des Fahrzeugs eher gering. Dies bedeutet, dass eine Leckagemessung jeweils nur im Abstand von mehreren Minuten oder noch längerer Zeitabschnitte erfolgen kann, ohne den Betrieb der Brennstoffzelle zu beeinträchtigen. Dies kann im Falle einer auftretenden Leckage dazu führen, dass die Grenzwerte bereits deutlich überschritten sind, bevor die Leckage überhaupt detektiert wird.The focus of a leak test usually lies in the most accurate determination possible of a potential leakage rate. Parameters which have a negative effect on the accuracy of the measurement are therefore kept constant as far as possible. This is achieved, inter alia, by the measurement being carried out in zero-load operation of the fuel cell, and by the fact that constant sequence procedures at constant temperatures are awaited until the leakage measurement is carried out. Such a leak test is for example in the DE 10 2009 008 654 A1 described. A similar approach is further from the US 9,203,100 B2 known. In both cases, it is the case that pressure differences are measured, whereby certain conditions, in particular constant temperatures, and zero-load operation, ie no electrical operation of the fuel cell, must be present. However, these constant conditions are typically undesirable during driving operation of a vehicle with the fuel cell and occur at most in special cases of operation, such as a traffic light stop or the like. On. Accordingly, the number of leakage measurements over the daily operating life of the vehicle is rather low. This means that a leakage measurement can be carried out only at intervals of several minutes or even longer periods of time, without affecting the operation of the fuel cell. In the event of leakage occurring, this can lead to the limit values already being significantly exceeded before the leakage is even detected.

Zum weiteren Stand der Technik kann außerdem auf die DE 10 2011 005 822 A1 hingewiesen werden. In dieser Schrift ist beschrieben, dass der Fluss von Wasserstoff durch ein Brennstoffzellensystem auch über rechnerische Maßnahmen bestimmt werden kann. Das Verfahren lässt sich unter anderem auch zu einer Prognose potenzieller Leckagen einsetzen.To further state of the art can also on the DE 10 2011 005 822 A1 be pointed out. In this document it is described that the flow of hydrogen through a fuel cell system can also be determined by arithmetic measures. Among other things, the method can also be used to forecast potential leaks.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht nun darin, ein Verfahren zur Ermittlung von Wasserstoffleckagen im Anodenbereich eines Brennstoffzellensystems weiter zu verbessern und insbesondere die oben genannten Nachteile im Stand der Technik, dass die Leckageprüfung entweder den Betrieb des Brennstoffzellensystems beeinträchtigt, oder nur vergleichsweise selten durchgeführt werden kann, zu verbessern.The object of the present invention is to further improve a method for determining hydrogen leakage in the anode region of a fuel cell system and in particular the above-mentioned disadvantages of the prior art that the leakage test either affects the operation of the fuel cell system, or can be performed only comparatively rarely , to improve.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch das Verfahren mit den Merkmalen im Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen.According to the invention this object is achieved by the method having the features in claim 1. Advantageous embodiments and further developments emerge from the subclaims dependent thereon.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es so, dass die Leckageprüfung immer dann und solange erfolgt, wie Befüll- und Entleerventile des Anodenbereichs geschlossen sind. Die Leckagemessung kann also während des Betriebs durchgeführt werden und hat typischerweise vergleichsweise kurze Laufzeiten von lediglich 2 bis 3 s, in denen das Anodenbefüllventil und das Ablassventil, beispielsweise eines Anodenkreislaufs, welches auch als Purgeventil bezeichnet wird, geschlossen sind. Aufgrund des häufig getakteten Betriebs des Befüllventils bzw. Wasserstoffdosierventils tritt ein solcher Betriebszustand mit ausreichender Zeitlänge vergleichsweise häufig auf. In der Praxis ist es nun jedoch so, dass die weiteren Betriebsparameter nicht konstant bleiben, insbesondere da die Brennstoffzelle im Allgemeinen betrieben wird. Das erfindungsgemäße Verfahren sieht es deshalb vor, dass zur Auswertung die Wasserstoffmasse beim Start der Leckageprüfung und am Ende der Leckageprüfung dient. Dabei wird die zwischenzeitlich verbrauchte Wasserstoffmasse rechnerisch ermittelt.In the method according to the invention, it is the case that the leakage test always takes place as long as the filling and emptying valves of the anode area are closed. The leakage measurement can thus be carried out during operation and typically has comparatively short running times of only 2 to 3 s, in which the anode filling valve and the discharge valve, for example an anode circuit, which is also referred to as purge valve, are closed. Due to the frequently timed operation of the filling valve or hydrogen metering valve, such an operating state with sufficient time length occurs comparatively frequently. In practice, however, it is now the case that the further operating parameters do not remain constant, in particular because the fuel cell is generally operated. The method according to the invention therefore provides for the evaluation of the hydrogen mass at the start of the leak test and at the end of the leakage test. The meanwhile consumed hydrogen mass is determined by calculation.

Mit dieser Technologie, bei welcher der Fokus nunmehr nicht mehr auf einer möglichst genauen Erfassung des Messwerts liegt, welche nur entsprechend selten durchgeführt werden kann, sondern auf einer möglichst häufigen Messung der Leckage, wobei ein größerer Messfehler in Kauf genommen wird, erlaubt nun mehrere einzelne Messvorgänge innerhalb einer Minute. So hat in einem Versuch bei einem typischen Fahrprofil mit einer Dauer von 30 min eine Leckageprüfung gemäß dem erfindungsgemäßen Ansatz im Durchschnitt alle 18 s durchgeführt werden können. Es werden also in den 30 min mehr als 100 einzelne Leckageprüfungen durchgeführt. Eine deutliche Steigerung gegenüber einer sonst üblichen Anzahl, die weniger als die Hälfte, insbesondere deutlich weniger als ein Drittel dieser Zahl beträgt. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht so eine ausreichend zuverlässige Leckageprüfung in kurzen Abständen, sodass auf den aufwändigen Wasserstoffsensor im Abgas des Brennstoffzellensystems gänzlich verzichtet werden kann.With this technology, where the focus is now no longer on a very accurate detection of the measured value, which can only be carried out in accordance with rare, but on one As frequent as possible measurement of the leakage, with a larger measurement error is accepted, now allows several individual measurements within a minute. Thus, in a test with a typical driving profile with a duration of 30 min, a leakage test according to the inventive approach on average every 18 s can be performed. Thus, more than 100 individual leakage tests are carried out in the 30 minutes. A significant increase over a usual number, which is less than half, in particular significantly less than a third of this number. The inventive method thus allows a sufficiently reliable leakage test at short intervals, so that can be completely dispensed with the complex hydrogen sensor in the exhaust gas of the fuel cell system.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann dabei aus einer Massendifferenz eine Druckdifferenz ermittelt und mit einem vorgegebenen Grenzwert verglichen werden. So kann der bisher auch verwendete Ansatz einer Druckdifferenz bei dem erfindungsgemäßen Verfahren rechnerisch eingesetzt werden, beispielsweise um auf bestehende Grenzwerte zurückgreifen zu können.According to an advantageous embodiment of the method according to the invention can be determined from a mass difference, a pressure difference and compared with a predetermined limit. Thus, the hitherto also used approach of a pressure difference in the inventive method can be used computationally, for example, to fall back on existing limits can.

Aufgrund der Vielzahl von Messungen innerhalb einer vergleichsweise kurzen Zeitspanne liegen in jedem Fall mehrere Messungen innerhalb der vorgeschriebenen Zeitspanne von 3 min vor, sodass hier ein entsprechender Mittelwert erfasst werden kann. Ein Leckagealarm kann deshalb gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens nur noch dann ausgelöst werden, wenn eine vorgegebene Anzahl von ermittelten Druckdifferenzen innerhalb einer vorgegebenen Zeitspanne über dem vorgegebenen Grenzwert liegt. Einzelne Ausreißer müssen so nicht oder allenfalls, wenn sie einen zweiten höheren Grenzwert, beispielsweise die 8 Vol.-% aus der oben dargelegten Gesetzgebung, überschreiten, berücksichtigt werden.Due to the large number of measurements within a comparatively short period of time, in each case several measurements are available within the prescribed period of 3 minutes, so that a corresponding mean value can be detected here. Therefore, according to an advantageous development of the method according to the invention, a leakage alarm can only be triggered if a predetermined number of determined pressure differences lies within the predetermined limit within a predetermined period of time. Individual outliers do not need to be taken into account or at best, if they exceed a second higher limit, for example the 8% by volume from the legislation outlined above.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus dem nachfolgend dargestellten Ausführungsbeispiel, der dort beschriebenen Berechnungen sowie den aufgezeigten gemessenen Leckagewerten.Advantageous embodiments of the method according to the invention will become apparent from the embodiment illustrated below, the calculations described there and the measured leakage values shown.

Dabei zeigen:Showing:

1 ein beispielhaftes Brennstoffzellensystem in einem Fahrzeug; 1 an exemplary fuel cell system in a vehicle;

2 Leckagemesswerte (Druckdifferenz) über einer Fahrprofildauer; und 2 Leakage measurement values (pressure difference) over a driving profile duration; and

3 ein Diagramm von Leckagemesswerten (Druckdifferenz) über der Leckagetestdauer. 3 a diagram of leakage readings (pressure difference) over the leakage test duration.

In der Darstellung der 1 ist ein prinzipmäßig angedeutetes Brennstoffzellensystem 1 dargestellt, welches in einem angedeuteten Fahrzeug 2 zur Bereitstellung von Bordenergie und/oder elektrischer Antriebsleistung dient. Den Kern des Brennstoffzellensystems 1 bildet dabei eine PEM-Brennstoffzelle 3, welche typischerweise als Stapel von Einzelzellen, als sogenannter Brennstoffzellenstack ausgebildet ist. Beispielhaft ist hier ein gemeinsamer Anodenraum 4 sowie ein gemeinsamer Kathodenraum 5 dargestellt. Der Schwerpunkt der Darstellung liegt nun auf der Anodenseite. Der Anodenraum 4 soll mit Wasserstoff aus einem Druckgasbehälter 6 über eine Druckregel- und Dosiereinheit 7 versorgt werden. Der Wasserstoff strömt dann in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel über eine Gasstrahlpumpe 8 in den Anodenbereich 4 ein und nicht verbrauchter Wasserstoff gelangt zusammen Produktwasser und inerten Gasen über eine Rezirkulationsleitung 9 zurück zur Gasstrahlpumpe 8. Von dem frischen Wasserstoffstrom als Treibgasstrom wird der zirkulierte Gasstrom angesaugt und dem Anodenbereich vermischt mit dem frischen Wasserstoff erneut zugeführt. Dieser Aufbau ist soweit aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt und wird auch als Anodenkreislauf 10 bezeichnet. Teil dieses Anodenkreislaufs ist typischerweise an Wasserabscheider 11 mit einem Ablassventil 12, über welches abgeschiedenes Wasser und Gas aus dem Anodenkreislauf 10 über eine Ablassleitung 13 abgelassen werden kann. Das Wasser und das Gas gelangen dann in eine Abgasleitung 14 des Brennstoffzellensystems 1 und von hier typischerweise aus dem Fahrzeug 2.In the presentation of the 1 is a fuel cell system indicated in principle 1 shown, which in an indicated vehicle 2 serves for the provision of on-board energy and / or electrical drive power. The core of the fuel cell system 1 forms a PEM fuel cell 3 which is typically designed as a stack of single cells, as a so-called fuel cell stack. By way of example, here is a common anode compartment 4 and a common cathode compartment 5 shown. The focus of the presentation is now on the anode side. The anode compartment 4 should with hydrogen from a pressurized gas container 6 via a pressure regulating and dosing unit 7 be supplied. The hydrogen then flows in the embodiment shown here via a gas jet pump 8th in the anode area 4 One and unused hydrogen comes together with product water and inert gases via a recirculation line 9 back to the gas jet pump 8th , From the fresh hydrogen stream as a propellant gas stream of the circulated gas stream is sucked and fed to the anode area mixed with the fresh hydrogen again. This structure is so far known from the general state of the art and is also used as an anode circuit 10 designated. Part of this anode cycle is typically on water separators 11 with a drain valve 12 , about which separated water and gas from the anode circuit 10 via a drainage line 13 can be drained. The water and the gas then pass into an exhaust pipe 14 of the fuel cell system 1 and from here typically from the vehicle 2 ,

Dem Kathodenraum 5 der Brennstoffzelle 3 wird Luft über eine Luftfördereinrichtung 15 und typischerweise einen Gas/Gas-Befeuchter 16 zugeführt. Die nicht verbrauchte Abluft gelangt zusammen mit dem Produktwasser wiederum über den Gas/Gas-Befeuchter 16 und über die Abgasleitung 14 in die Umgebung. Weitere Details wie beispielsweise ein Ladeluftkühler, ein Systembypass, ein Bypass um den Gas/Gas-Befeuchter 16, eine Abluftturbine oder Ähnliches können ebenfalls vorhanden sein. All dies ist dem Fachmann bekannt und für die hier vorliegende Erfindung von untergeordneter Bedeutung. Auf eine Darstellung wurde deshalb verzichtet. Gleichwohl können diese Elemente in dem Aufbau des Brennstoffzellensystems 1 vorgesehen werden.The cathode compartment 5 the fuel cell 3 Air is transferred via an air conveyor 15 and typically a gas / gas humidifier 16 fed. The unused exhaust air, together with the product water, again passes through the gas / gas humidifier 16 and over the exhaust pipe 14 in the nearby areas. Further details such as a charge air cooler, a system bypass, a bypass around the gas / gas humidifier 16 , an exhaust turbine or the like may also be present. All of this is known to the person skilled in the art and is of secondary importance for the present invention. On a presentation was therefore omitted. However, these elements may be in the structure of the fuel cell system 1 be provided.

Um die Dichtheit der Anodenseite bzw. des Anodenbereichs des Brennstoffzellensystems 1 zu prüfen, wird nun dieser gesamte Anodenbereich bestehend aus dem Anodenraum 4 der Anodenrezirkulation 10 sowie den Leitungen zwischen dem Druckregel- und Dosierventil 7 und der Gasstrahlpumpe 8 hinsichtlich einer Leckage geprüft. Dies erfolgt immer dann, wenn während des Betriebs sowohl das Ablassventil 12 als auch ein Dosierventil in der Druckregel- und Dosiereinheit 7 geschlossen sind. Sowohl ein Befüllventil (hier innerhalb der Druckregel- und Dosiereinheit 7) als auch ein Entleerventil (hier das Ablassventil 12) des Anodenbereichs sind also geschlossen. In diesem Zustand kann Wasserstoff, sofern keine Leckage vorliegt, lediglich durch die Brennstoffzelle 3 selbst verbraucht werden. Dieser Verbrauch an Wasserstoffmasse m lässt sich aus den elektrischen Betriebsparametern der Brennstoffzelle berechnen. So gilt zum Startzeitpunkt 1 für den Druck p im Anodenbereich der folgende Zusammenhang:

Figure DE102016011140A1_0002
wobei m die Masse des Wasserstoffs, RH2 die spezifische Gaskonstante des Wasserstoffs, T die Temperatur und V das Volumen ist. Die Masse zum Zeitpunkt 2, wenn die Leckageprüfung beendet wird, weil eines der Ventile 12 oder 7 geöffnet wird, errechnet sich dann:
Figure DE102016011140A1_0003
wobei mFaraday die Masse des von der Brennstoffzelle verbrauchten Wasserstoffs ist. Diese lässt sich aufgrund des Faradayschen Gesetzes anhand der elektrischen Größen der Brennstoffzelle 3 wie Strom und erzeugter Leistung errechnen, da je Ladungseinheit eine bestimmte Menge an Wasserstoffatomen umgesetzt worden ist. Um die verbrauchte Masse an Wasserstoff zwischen den beiden Zeitpunkten, dem Startzeitpunkt 1 und dem Endzeitpunkt 2 der Leckageprüfung zu ermitteln, reicht es aus, diese Werte aufzuintegrieren. To the tightness of the anode side and the anode region of the fuel cell system 1 to check, now this entire anode area consisting of the anode space 4 the anode recirculation 10 and the lines between the pressure control and metering valve 7 and the gas jet pump 8th tested for leakage. This occurs whenever, during operation, both the drain valve 12 as well as a dosing valve in the pressure control and dosing unit 7 are closed. Both a filling valve (here within the pressure control and dosing unit 7 ) as well as an emptying valve (here the drain valve 12 ) of the anode region are therefore closed. In this state, hydrogen, if there is no leakage, only by the fuel cell 3 itself consumed. This consumption of hydrogen mass m can be calculated from the electrical operating parameters of the fuel cell. Thus, the following relationship applies at the start time 1 for the pressure p in the anode region:
Figure DE102016011140A1_0002
where m is the mass of hydrogen, R H2 is the specific gas constant of hydrogen, T is the temperature and V is the volume. The mass at time 2 when the leak test is terminated because of one of the valves 12 or 7 is opened, then calculates:
Figure DE102016011140A1_0003
where m Faraday is the mass of hydrogen consumed by the fuel cell. This is due to the Faraday's law based on the electrical parameters of the fuel cell 3 such as electricity and power generated, since each unit of charge has been converted a certain amount of hydrogen atoms. In order to determine the consumed mass of hydrogen between the two times, the start time 1 and the end time 2 of the leakage test, it is sufficient to integrate these values.

Die Druckdifferenz zwischen den beiden Zeitpunkten bestimmt sich dann gemäß der folgenden Formel:

Figure DE102016011140A1_0004
oder entsprechend umgestellt:
Figure DE102016011140A1_0005
The pressure difference between the two times is then determined according to the following formula:
Figure DE102016011140A1_0004
or converted accordingly:
Figure DE102016011140A1_0005

Diese Formel ist besonders dann geeignet, wenn die Leckageprüfung über einen vergleichsweise kurzen Zeitraum erfolgt ist, und hierdurch davon ausgegangen werden kann, dass die Temperatur T1 in etwa der Temperatur T2 entspricht. Dies stellt sich formelmäßig so dar, dass T1 ~ T2 = T12 (4) womit folgt:

Figure DE102016011140A1_0006
This formula is particularly suitable if the leakage test has been carried out over a comparatively short period of time, and it can be assumed that the temperature T 1 corresponds approximately to the temperature T 2 . This is formally such that T 1 ~ T 2 = T 12 (4) with what follows:
Figure DE102016011140A1_0006

Die Druckdifferenz errechnet sich in diesem Fall also einfach aus der während der Messung herrschenden Temperatur, dem Volumen, der spezifischen Gaskonstante von Wasserstoff sowie der Masse an durch die Brennstoffzelle 3 verbrauchtem Wasserstoff. Diese Berechnung ist besonders einfach und lässt sich insbesondere bei kurzen Zeiten, während denen die Leckageprüfung stattfindet, beispielsweise bei einer Leckageprüfung in einer zeitlichen Größenordnung von 2 bis 3, oder 2 bis 5 s, was den größten Teil der auftretenden Leckagemessungen ausmacht, ideal nutzen. Bei längeren auftretenden Zeiträumen kann die Formel (3) bzw. (3a) mit den zwei unterschiedlichen Temperaturen T1 und T2 genutzt werden.The pressure difference in this case is thus calculated simply from the temperature prevailing during the measurement, the volume, the specific gas constant of hydrogen and the mass of hydrogen consumed by the fuel cell 3. This calculation is particularly simple and can be ideally used, in particular, for short times during which the leakage test takes place, for example in the case of a leakage test in the order of 2 to 3, or 2 to 5 s, which accounts for the largest part of the leakage measurements that occur. For longer occurring periods, the formula (3) or (3a) with the two different temperatures T 1 and T 2 can be used.

In jedem Fall ergibt sich aus einer solchen Berechnung eine Druckdifferenz, welche dementsprechend mit einem Grenzwert der Druckdifferenz verglichen werden kann: P1 – P2 < dp 12 Grenzwert (6) In any case, such a calculation results in a pressure difference, which can accordingly be compared with a limit value of the pressure difference: P 1 - P 2 <dp 12 limit value (6)

Dieses Verfahren erlaubt es, die Anzahl der einzelnen Messungen entsprechend zu steigern. In der Darstellung der 2 ist ein Diagramm der einzelnen gemessenen Leckagemesswerte (Druckdifferenz (P1 – P2)) über einer Fahrprofildauer zu erkennen. Das Fahrprofil dauert dabei in etwa 30 min (1800 s) an. Die mit einer Raute markierten Leckagemesswerte sind dabei die Werte eines Systems mit geringer Wasserstoffleckage, die mit einem Kreis markierten Werte sind die Leckagemesswerte eines Systems mit großer Wasserstoffleckage. Es ist zu erkennen, dass zumindest im Mittel über einige der Messwerte betrachtet, ein signifikanter Unterschied zwischen der einen Gruppe und der anderen Gruppe auftritt, sodass hier eine sehr zuverlässige Aussage möglich ist. Ferner ist zu erkennen, dass die Zahl der Messwerte mit ca. 100 während der Dauer des Fahrprofils vergleichsweise groß ist, sodass im Mittel alle 18 s ein Messwert erfolgt ist, was eine sehr hohe Anzahl von Messwerten während des Betriebs des Brennstoffzellensystems 1 bzw. des Fahrzeugs 2 ist. This method makes it possible to increase the number of individual measurements accordingly. In the presentation of the 2 is a diagram of the individual measured leakage measurements (pressure difference (P 1 - P 2 )) over a driving profile duration to recognize. The driving profile lasts about 30 minutes (1800 s). The values indicated by a diamond are the values of a system with low hydrogen leakage, the values marked with a circle are the leakage values of a system with high hydrogen leakage. It can be seen that, at least on average over some of the measured values, a significant difference between the one group and the other group occurs, so that a very reliable statement is possible here. Furthermore, it can be seen that the number of measured values of approximately 100 during the duration of the driving profile is comparatively large, so that on average every 18 s a measured value has taken place, which is a very high number of measured values during operation of the fuel cell system 1 or of the vehicle 2 is.

In der Darstellung des Diagramms der 3 ist aufgezeigt, wie lange die einzelnen Leckagemessungen angedauert haben. Hierfür ist wieder der Leckagemesswert (Druckdifferenz (P1 – P2)) über der Testdauer der Leckage in Sekunden aufgeführt. Die Darstellung ist logarithmisch. Es ist zu erkennen, dass die meisten Leckagemessungen zwischen 2 und 3 s Dauer hatten, während nur wenige Leckagemessungen Dauern von mehr als beispielsweise 10 s aufweisen. Auch hier sind wiederum die Werte aus einem System mit geringer Wasserstoffleckage, vergleichbar zur Darstellung in 2 mit einer Raute und die Werte mit großer Wasserstoffleckage durch Punkte dargestellt. Auch hier ist zu erkennen, dass ein signifikanter Unterschied der Messwerte bereits bei sehr kurzen und insbesondere bei solchen kurzen Messdauern auftritt. Es kann dabei durchaus auch vorgesehen werden, die Messdauer prinzipiell auf weniger als 5 s zu beschränken, um diesen Effekt einerseits positiv hinsichtlich der zu erzielenden Genauigkeit und andererseits hinsichtlich der Möglichkeit, die Anzahl der Einzelmessungen noch weiter zu steigern, zu nutzen.In the representation of the diagram of the 3 It is shown how long the individual leakage measurements have lasted. For this purpose, the leakage value (pressure difference (P 1 - P 2 )) over the test duration of the leakage is again listed in seconds. The representation is logarithmic. It can be seen that most leakage measurements lasted between 2 and 3 s, while only a few leakage measurements last longer than 10 s. Here, too, are the values from a system with low hydrogen leakage, comparable to the representation in 2 with a rhombus and the values with large hydrogen leakage represented by dots. Again, it can be seen that a significant difference in the measured values already occurs at very short and especially at such short measurement periods. It may well be provided to limit the measurement period in principle to less than 5 s in order to use this effect on the one hand positive in terms of accuracy to be achieved and on the other hand, the possibility of increasing the number of individual measurements even further.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

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Claims (4)

Verfahren zur Ermittlung einer Wasserstoffleckage im Anodenbereich eines Brennstoffzellensystems (1), wozu in vorgegebenen Betriebszuständen eine Druckdifferenz zwischen einem ersten und einem zweiten Zeitpunkt ausgewertet wird, dadurch gekennzeichnet, dass eine Leckageprüfung immer dann und so lange erfolgt, wie Befüll- und Entleerventile (7, 12) des Anodenbereichs geschlossen sind, wobei zur Auswertung die Wasserstoffmasse (m) zum Start (Zeitpunkt 1) der Leckageprüfung und beim Ende (Zeitpunkt 2) der Leckageprüfung dient, wobei die verbrauchte Wasserstoffmasse (mFaraday) rechnerisch ermittelt wird.Method for determining hydrogen leakage in the anode region of a fuel cell system ( 1 ), for which purpose a pressure difference between a first and a second time is evaluated in predetermined operating states, characterized in that a leakage test always takes place and as long as filling and emptying valves ( 7 . 12 ) of the anode region are closed, wherein the hydrogen mass (m) for the start (time 1) of the leakage test and at the end (time 2) of the leakage test is used for the evaluation, wherein the consumed hydrogen mass (m Faraday ) is determined by calculation. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass aus den Massen eine Druckdifferenz (P1 – P2) ermittelt und mit einem vorgegebenen Grenzwert (dp) verglichen wird.A method according to claim 1, characterized in that from the masses a pressure difference (P 1 - P 2 ) is determined and compared with a predetermined limit value (dp). Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Gesamtdauer jeder einzelnen Leckageprüfung auf einen vorgegebenen Maximalwert beschränkt wird, welcher vorzugsweise weniger als 5 s beträgt.A method according to claim 1 or 2, characterized in that the total duration of each individual leakage test is limited to a predetermined maximum value, which is preferably less than 5 s. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Leckagealarm ausgelöst wird, sobald eine vorgegebene Anzahl von ermittelten Druckdifferenzen (P1 – P2) innerhalb einer vorgegebenen Zeitspanne über dem vorgegebenen Grenzwert (dp) liegt, oder falls von zwei aufeinander folgenden ermittelten Druckdifferenzen (P1 – P2) ein höherer vorgegebener Grenzwert überschritten wird.A method according to claim 1, 2 or 3, characterized in that a leakage alarm is triggered as soon as a predetermined number of detected pressure differences (P 1 - P 2 ) within a predetermined time period above the predetermined limit (dp), or if two of each other following determined pressure differences (P 1 -P 2 ) is exceeded a higher predetermined limit.
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