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Die hier offenbarte Technologie betrifft ein Verfahren zum Erfassen von aus einem Brennstoffzellenstapel in ein Gehäuse eines Brennstoffzellensystems austretenden Brennstoff. Ferner betrifft die hier offenbarte Technologie ein Brennstoffzellensystem.
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Brennstoffzellensysteme, die in Kraftfahrzeugen eingesetzt werden, können mit einem Gehäuse ausgestattet werden, welches aus dem Brennstoffzellenstapel austretenden Leckage-Brennstoff auffängt. Zur Erfassung des Brennstoffs kann in dem Gehäuse ein Wasserstoffsensor vorgesehen sein. Bei großen Gehäusen müssen gegebenenfalls mehrere Sensoren vorgesehen werden. Solche Wasserstoffsensoren sind vergleichsweise teuer. Ferner ist ihre Lebensdauer begrenzt. Es ist vorteilhaft, die Funktionsfähigkeit des Wasserstoffsensors regelmäßig zu überprüfen. Dies kann ebenfalls mit weiteren Kosten verbunden sein. Überdies muss für den Wasserstoffsensor zusätzlicher Bauraum bereitgehalten werden.
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Es ist eine bevorzugte Aufgabe der hier offenbarten Technologie, zumindest einen Nachteil von einer vorbekannten Lösung zu verringern oder zu beheben oder eine alternative Lösung vorzuschlagen. Es ist insbesondere eine bevorzugte Aufgabe der hier offenbarten Technologie, möglichst einfach, kostengünstig und/oder verlässlich aus dem Brennstoffzellenstapel austretenden Leckage-Brennstoff zu erfassen. Weitere bevorzugte Aufgaben können sich aus den vorteilhaften Effekten der hier offenbarten Technologie ergeben. Die Aufgabe(n) wird/werden gelöst durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche. Die abhängigen Ansprüche stellen bevorzugte Ausgestaltungen dar.
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Die hier offenbarte Technologie betrifft ein Verfahren zum Erfassen von aus einem Brennstoffzellenstapel in ein Gehäuse eines Brennstoffzellensystems aufgrund von Undichtigkeiten austretenden Leckage-Brennstoff, insbesondere bei dem hier offenbarten Brennstoffzellensystem, wobei der Brennstoffzellenstapel im Gehäuse zumindest teilweise aufgenommen ist bzw. wobei das Gehäuse den Brennstoffzellenstapel zumindest bereichsweise umgibt; umfassend die Schritte:
- - Bereitstellen von Brennstoff im Anodenraum des Brennstoffzellenstapels;
- - Spülen des Gehäuses mit Luft;
- - Zuführen der (Spül)Luft aus dem Gehäuse in eine Abgasleitung des Brennstoffzellensystems, die mit dem Kathodenraum und/oder mit dem Anodenraum fluidverbindbar bzw. fluidverbunden ist; und
- - Erfassen von in der (Spül)luft enthaltenen Leckage-Brennstoff in der Abgasleitung, der die (Spül)Luft zugeführt wurde bzw. wird.
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Ferner umfasst die hier offenbarte Technologie ein Brennstoffzellensystem, mit:
- - einem Brennstoffzellenstapel, der von einem Gehäuse zumindest bereichsweise umgeben ist;
- - einer Abgasleitung, die fluidverbindbar bzw. fluidverbunden ist mit dem Gehäuse und mit einem Kathodenraum und/oder Anodenraum des Brennstoffzellenstapels;
- - mindestens einem Brennstoffsensor, der in der Abgasleitung angeordnet ist; und
- - mindestens einem Oxidationsmittelförderer und/oder mindestens einem Gebläse, der bzw. das eingerichtet ist, das Gehäuse zu spülen.
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Die hier offenbarte Technologie betrifft ein Brennstoffzellensystem mit mindestens einer Brennstoffzelle. Das Brennstoffzellensystem ist beispielsweise für mobile Anwendungen wie Kraftfahrzeuge (z.B. Personenkraftwagen, Krafträder, Nutzfahrzeuge) gedacht, insbesondere zur Bereitstellung der Energie für mindestens eine Antriebsmaschine zur Fortbewegung des Kraftfahrzeugs. In ihrer einfachsten Form ist eine Brennstoffzelle ein elektrochemischer Energiewandler, der Brennstoff und Oxidationsmittel in Reaktionsprodukte umwandelt und dabei Elektrizität und Wärme produziert. Die Brennstoffzelle umfasst eine Anode und eine Kathode, die durch einen ionenselektiven bzw. ionenpermeablen Separator getrennt sind. Die Anode wird mit Brennstoff versorgt. Bevorzugte Brennstoffe sind: Wasserstoff, niedrigmolekularer Alkohol, Biokraftstoffe, oder verflüssigtes Erdgas. Die Kathode wird mit Oxidationsmittel versorgt. Bevorzugte Oxidationsmittel sind bspw. Luft, Sauerstoff und Peroxide. Der ionenselektive Separator kann bspw. als Protonenaustauschmembran (proton exchange membrane, PEM) ausgebildet sein. Bevorzugt kommt eine kationenselektive Polymerelektrolytmembran zum Einsatz. Materialien für eine solche Membran sind beispielsweise: Nafion®, Flemion® und Aciplex®.
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Ein Brennstoffzellensystem umfasst neben der mindestens einen Brennstoffzelle periphere Systemkomponenten (BOP-Komponenten), die beim Betrieb der mindestens einen Brennstoffzelle zum Einsatz kommen können. In der Regel sind mehrere Brennstoffzellen zu einem Brennstoffzellenstapel bzw. Stack zusammengefasst. Der Brennstoffzellenstapel umfasst also gestapelte Brennstoffzellen. Die Brennstoffzellen werden i.d.R. von ionenselektiven Separatoren und Separatorplatten ausgebildet, die nach dem Stapeln verspannt werden.
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Das Brennstoffzellensystem umfasst ein Anodensubsystem, das von den brennstoffführenden Bauelementen des Brennstoffzellensystems ausgebildet wird. Hauptaufgabe des Anodensubsystems ist die Heranführung und Verteilung von Brennstoff an die elektrochemisch aktiven Flächen des Anodenraums und die Abfuhr von Anodenabgas.
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Das Brennstoffzellensystem umfasst ein Kathodensubsystem. Das Kathodensubsystem wird aus den oxidationsmittelführenden Bauelementen gebildet. Ein Kathodensubsystem kann mindestens einen Oxidationsmittelförderer, mindestens eine zum Kathodeneinlass führende Kathodenzuleitung, mindestens eine vom Kathodenauslass wegführende Kathodenabgasleitung, einen Kathodenraum im Brennstoffzellenstapel, sowie weitere Elemente aufweisen. Hauptaufgabe des Kathodensubsystems ist die Heranführung und Verteilung von Oxidationsmittel an die elektrochemisch aktiven Flächen des Kathodenraums und die Abfuhr von unverbrauchtem Oxidationsmittel.
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Das hier offenbarte System kann mindestens einen Oxidationsmittelförderer umfassen. Der Oxidationsmittelförderer ist eingerichtet, das an der elektrochemischen Reaktion beteiligte Oxidationsmittel, in der Regel Luft, zur mindestens einen Brennstoffzelle des Brennstoffzellenstapels zu fördern. Der Oxidationsmittelförderer (auch Fluidfördereinrichtung genannt) kann beispielsweise als Kompressor bzw. Verdichter ausgebildet sein, besonders bevorzugt als luftgelagerter Turbokompressor, Turboverdichter, bzw. Kreiselverdichter. Bevorzugt weist der Oxidationsmittelförderer einen Arbeits-Drehzahlbereich von ca. 15.000 U/min bis ca. 170.000 U/min, und besonders bevorzugt von ca. 25.000 U/min bis ca. 130.000 U/min auf. Der Oxidationsmittelförderer ist insbesondere eingerichtet, das hier offenbarte Gehäuse zu spülen.
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Das hier offenbarte System kann kathodenseitige oder anodenseitige Stapel-Absperrventile umfassen. Die kathodenseitigen bzw. anodenseitigen Stapel-Absperrventile sind Ventile, die den Brennstoffzellenstapel gegenüber den restlichen Komponenten des Kathodensubsystems bzw. Anodensubsystem gasdicht (bis auf Leckageströme) abschließen können. Die kathodenseitigen Stapel-Absperrventile dienen dazu, in der Phase der Nichtbenutzung des Kraftfahrzeugs das Eindringen von Oxidationsmittel in den durch die Stapel-Absperrventile im Wesentlichen abgeschlossenen Kathodenraum des Brennstoffzellenstapels bis auf Leckageströme zu unterbinden.
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Das hier offenbarte System umfasst ein Gehäuse, in dem der Brennstoffzellenstapel zumindest teilweise aufgenommen ist bzw. das den Brennstoffzellenstapel zumindest bereichsweise umgibt. Bevorzugt ist das Gehäuse in dem Bereich, in dem es den Brennstoffzellenstapel aufnimmt bzw. diesen umgibt, gegenüber der Umgebung brennstoffdicht ausgeführt, so dass sich Leckage-Brennstoff zwischen dem Brennstoffzellenstapel und dem Gehäuse ansammelt. Zweckmäßig umschließt das Gehäuse vollständig den Brennstoffzellenstapel. Bevorzugt können in dem Gehäuse weitere brennstoffführende Komponenten des Anodensubsystems untergebracht sein. Bevorzugt ist das Volumen vom Innenraum, welches sich zwischen den brennstoffführenden Komponenten bzw. dem Brennstoffzellenstapel und dem Gehäuse ausbildet, möglichst klein. Beispielsweise kann das Gehäuse aus Kunststoff oder Metall ausgebildet sein. Bevorzugt sind alle brennstoffführenden Komponenten und insbesondere der Brennstoffzellenstapel innerhalb des Gehäuses derart angeordnet, dass die Zwischenräume zwischen den Komponenten und der Gehäusewand fluidverbunden sind mit einem Gehäuseauslass. Der Gehäuseauslass ist hier fluidverbunden mit einer Abgasleitung.
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Die hier offenbarte Technologie betrifft ferner eine Abgasleitung, die fluidverbindbar bzw. fluidverbunden ist mit dem Gehäuse. Ferner ist die Abgasleitung fluidverbindbar bzw. fluidverbunden mit dem Kathodenraum und/oder dem Anodenraum des Brennstoffzellenstapels. Bevorzugt ist die Abgasleitung selektiv fluidverbindbar über mindestens ein Ventil. Der Kathodenraum und der Anodenraum werden in der Regel ausgebildet durch die Vielzahl an Brennstoffzellen, die zu dem Brennstoffzellenstapel zusammengefasst sind. Insbesondere ist die Abgasleitung also die Leitung, in die das Abgas, i.d.R. das Kathodenabgas und/oder das Anodenabgas, nach der elektrochemischen Reaktion zur Erzeugung von elektrischer Energie geleitet wird. Die Abgasleitung ist stromab vom Brennstoffzellenstapel und mit diesem fluidverbunden ausgebildet. Beispielsweise kann die Abgasleitung eine Kathodenabgasleitung, eine Anodenabgasleitung oder aber eine gemeinsame Leitung sein, in die die Kathodenabgasleitung und die Anodenabgasleitung münden.
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Die hier offenbarte Technologie betrifft ferner mindestens einen Brennstoffsensor, der in der Abgasleitung angeordnet sein kann. Der Brennstoffsensor ist eingerichtet, (Leckage-)Brennstoff direkt oder indirekt zu detektieren. Bevorzugt ist der Brennstoffsensor ein Sensor, der die Brennstoffkonzentration direkt oder indirekt erfassen kann. In diese Anmeldung ist vereinfachend i.d.R. die Rede vom Erfassen von Brennstoff, wobei gleichsam immer das Erfassen der Brennstoffkonzentration mit offenbart sein soll. Beispielsweise kann der Brennstoffsensor ein Signal erfassen, das indikativ für den (Leckage-)Brennstoff bzw. für die Brennstoffkonzentration ist. Das Signal vom Brennstoffsensor kann einem Steuergerät bereitgestellt werden, welches erfasst, ob das Gas am Brennstoffsensor (Leckage-)Brennstoff enthält. Bevorzugt ist der mindestens eine Brennstoffsensor stromauf von dem hier offenbarten Bypass und stromab von der hier offenbarten Anodenabgasleitung bzw. Anodenspülleitung angeordnet.
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Das hier offenbarte Brennstoffzellensystem kann insbesondere mindestens eine Fluidverbindung umfassen, die den Oxidationsmittelförderer mit dem Gehäuse verbindet. Zweckmäßig zweigt die Fluidverbindung von der Kathodenzuleitung ab. Diese Fluidverbindung mündet dabei nicht im Kathodenraum, sondern im Innenraum des Gehäuses.
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Die Kathodenzuleitung ist die Leitung, die den Oxidationsmittelförderer mit dem Kathodenraum vom Brennstoffzellenstapel verbindet. Die Kathodenzuleitung kann dabei auch mehrere Leitungen umfassen. Sie dient zur Bereitstellung von Oxidationsmittel für die elektrochemische Reaktion in der Brennstoffzelle.
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Die hier offenbarte Technologie umfasst ferner mindestens einen Bypass. Der Bypass zweigt stromauf vom Brennstoffzellenstapel, insbesondere von der Kathodenzuleitung, ab. Der Bypass mündet zweckmäßig stromab vom Brennstoffsensor in die Abgasleitung. In dem Bypass kann ein Bypassventil vorgesehen sein. Die hier offenbarte Technologie umfasst ferner, dass ein Teil der vom Oxidationsmittelförderer geförderten Luft während der Erfassung vom Leckage-Brennstoff durch den Bypass strömen kann, insbesondere während des Spülens vom Gehäuse.
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Alternativ oder zusätzlich zum Oxidationsmittelförderer kann ein Gebläse vorgesehen sein, das eingerichtet ist, das Gehäuse zu spülen. Das Gebläse kann beispielsweise direkt in der Gehäusewand vorgesehen sein. Alternativ kann das Gebläse mit dem Gehäuse fluidverbunden werden. Der Oxidationsmittelförderer ist für vergleichsweise große Volumenströme ausgelegt. Daher kann ein zusätzliches Gebläse vorteilhaft sein, das die vergleichsweise geringen Luftmengen zum Spülen des Gehäuses bereitstellt. Wird das Gehäuse von einem zu großen Luftmassenstrom durchspült, so kann je nach Ausgestaltung des Brennstoffsensors der (Leckage-)Brennstoff nicht sicher erfasst werden.
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In einer Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass die Mündung vom Bypass und/oder die Mündung einer Fluidverbindung zwischen der Abgasleitung und dem Gehäuse als Saugstrahlpumpe ausgebildet sind. In der Strahlpumpe an der Mündung vom Bypass kann die durch den Bypass strömende Umgebungsluft als Treibmittel dienen. Vorteilhaft wird somit ein Unterdruck in der Abgasleitung stromauf der Mündung erzeugt, der die Luft zum Spülen des Gehäuses ansaugen kann. In der Strahlpumpe an der Mündung der Fluidverbindung kann das während der aktiven Phase des Brennstoffzellensystems aus der Kathode ausströmende Kathodenabgas als Treibmittel dienen. Vorteilhaft entsteht somit ein Unterdruck in der Fluidverbindung und im Gehäuse. Ferner vorteilhaft kann in dem Gehäuse ein Rückschlagventil vorgesehen sein, welches bei Unterdruck im Gehäuse Luft einströmen lässt.
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Die hier offenbarte Technologie betrifft insbesondere ein Kraftfahrzeug und/oder mindestens ein Steuergerät, das bzw. die eingerichtet sind, die hier offenbarten Verfahren durchzuführen. Ferner betrifft die hier offenbarte Technologie ein Kraftfahrzeug mit dem hier offenbarten Brennstoffzellensystem.
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Zum Bereitstellen von Brennstoff im Anodenraum kann beispielsweise der Brennstoff im Anodenraum bei einem Druck vorgehalten werden, der bevorzugt höher ist als der Druck im umliegenden Innenraum des Gehäuses. In einer Ausgestaltung können hierzu anodenseitige Stapel-Absperrventile geschlossen werden. Der Brennstoff kann insbesondere über einen längeren Zeitraum bereitgestellt werden, beispielsweise zwischen 5 Sekunden und 20 Minuten, bevorzugt zwischen 1 Minute und 10 Minuten, und besonders bevorzugt ca. 3 Minuten.
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Bevorzugt kann zumindest während der Erfassung von Leckage-Brennstoff in der Abgasleitung die Zufuhr an Luft zum Kathodenraum im Wesentlichen unterbunden werden. „Im Wesentlichen“ bedeutet in diesem Zusammenhang, dass kein Luftmassenstrom oder nur ein für die Detektion von (Leckage-)Brennstoff im Gehäuse vernachlässigbar geringer Luftmassenstrom dem Kathodenraum zugeführt wird bzw. diesen durchströmt. Ein vernachlässigbar geringer Luftmassenstrom kann für derzeitige Sensoren beispielsweise ein Luftmassenstrom sein, der maximal 2% oder maximal 5% oder maximal 10% des maximalen Luftmassenstroms beträgt, den der Oxidationsmittelförderer fördern kann. Hierzu kann beispielsweise mindestens ein kathodenseitiges Stapel-Absperrventil geschlossen werden. Bevorzugt sind zwei kathodenseitige Stapel-Absperrventile vorgesehen, die während der Erfassung von Leckage-Brennstoff geschlossen werden, insbesondere falls die Erfassung während der inaktiven Phase des Brennstoffzellensystems durchgeführt wird. Sofern das Brennstoffzellensystem ein Gebläse umfasst, kann auch lediglich der Oxidationsmittelförderer nicht oder nur im Standby-Modus betrieben werden, sodass kein oder nur einen vernachlässigbar geringe Luftmassenstroms durch die Kathode gefördert wird.
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Gemäß dem hier offenbarten Verfahren wird das Gehäuse mit Luft gespült. Damit ist gemeint, dass dem Gehäuse Luft zugeführt wird, welches die im Gehäuse bereits vorhandene Luft zum Gehäuseauslass hin verdrängt. Falls der Brennstoffzellenstapel undicht ist, hat sich der Leckage-Brennstoff in der verdrängten Luft angesammelt und wird zusammen mit dieser Luft zum Gehäuseauslass und letztendlich in die Abgasleitung verdrängt, wobei i.d.R. Zufuhr an Luft zum Kathodenraum im Wesentlichen unterbunden wird. Hierzu kann beispielsweise mindestens ein kathodenseitiges Stapel-Absperrventil geschlossen werden. Zweckmäßig wird die (Spül)Luft aus dem Gehäuse der Abgasleitung mit einem Luftmassenstrom zugeführt, der maximal 2% oder maximal 5% oder maximal 10% des maximalen Luftmassenstroms vom Oxidationsmittelförderer beträgt. Der zugeführte (Spül)Luftmassenstrom ist zweckmäßig so gewählt, dass der Brennstoffsensor sicher nicht tolerierbare Leckagen detektieren kann. Ist der Spülluftmassenstrom indes zu groß, so ist die Brennstoffkonzentration in der Spülluft zu gering und der Brennstoffsensor kann den Brennstoff nicht sicher detektieren.
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Anschließend wird der Leckage-Brennstoff insbesondere vom in der Abgasleitung vorgesehenen mindestens einen Brennstoffsensor erfasst.
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Bevorzugt wird der Leckage-Brennstoff während einer inaktiven Phase des Brennstoffzellensystems erfasst.
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Eine inaktive Phase ist dabei insbesondere eine Phase, in der das Brennstoffzellensystem nicht durch eine elektrochemische Reaktion im Brennstoffzellenstapel einer externen (Nutz)Last elektrische Energie bereitstellt oder nicht hierzu eingerichtet ist. Die externe Last können dabei beispielsweise die elektrischen Verbraucher und elektrischen Energiespeicher eines Kraftfahrzeugs ausbilden, die nicht zum Brennstoffzellensystem gehören. Gleichsam ist eine aktive Phase des Brennstoffzellensystems eine Phase, in der das Brennstoffzellensystem durch eine elektrochemische Reaktion im Brennstoffzellenstapel einer externen (Nutz)Last elektrische Energie bereitstellt oder hierzu eingerichtet ist. Hierzu werden während der aktiven Phase die Brennstoffzellen mit Brennstoff und Oxidationsmittel versorgt. Zu der aktiven Phase des Brennstoffzellensystems gehört somit also auch der Leerlaufbetrieb bzw. Standbybetrieb, da hier auch auf ein entsprechendes Steuersignal hin elektrische Leistung bereitgestellt werden kann.
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Die hier offenbarte Technologie betrifft ferner ein Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems. Das Verfahren umfasst die Schritte:
- - Erfassen von aus dem Brennstoffzellenstapel des Brennstoffzellensystems austretendem Leckage-Brennstoff nach dem hier offenbarten Verfahren; und
- - Erfassen von Brennstoff in einem Abgasstrom, der nach einer elektrochemischen Reaktion im Brennstoffzellenstapel zur Bereitstellung von elektrischer Energie den Kathodenraum und/oder den Anodenraum durch mindestens eine Abgasleitung verlässt;
- - wobei der aus dem Brennstoffzellenstapel in das Gehäuse austretende Leckage-Brennstoff und der Brennstoff im Abgasstrom mit demselben mindestens einen Brennstoffsensor erfasst werden.
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Mit anderen Worten betrifft das hier offenbarte Verfahren zum Betrieb des Brennstoffzellensystems ein Verfahren, bei dem mit demselben mindestens einen Brennstoffsensor
- - sowohl im Gehäuse angesammelter Leckage-Brennstoff während der inaktiven Phase des Brennstoffzellensystems
- - als auch im Kathodenabgas bzw. Anodenabgas nach der elektrochemischen Reaktion enthaltener Brennstoff während der aktiven Phase des Brennstoffzellensystems
erfasst werden.
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Bevorzugt werden also der aus dem Brennstoffzellenstapel austretende Leckage-Brennstoff und der Brennstoff aus dem Abgasstrom nicht gleichzeitig bestimmt. Bevorzugt wird der Leckage-Brennstoff während der inaktiven Phase des Brennstoffzellensystems erfasst und der Brennstoff im Kathodenabgas bzw. Anodenabgas wird bevorzugt während einer aktiven Phase des Brennstoffzellensystems erfasst. Es kann allerdings auch vorgesehen sein, dass während der aktiven Phase des Brennstoffzellensystems die Spülluft mit dem Kathodenabgas bzw. dem Anodenabgas zusammengeführt wird, und dass der Brennstoffsensor Brennstoff in diesem zusammengeführten Abgas während der aktiven Phase des Brennstoffzellensystems erfasst.
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Das hier offenbarte Verfahren umfasst ferner den Schritt, wonach die (Spül)Luft aus dem Gehäuse der Abgasleitung des Brennstoffzellensystems zugeführt wird.
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Bevorzugt wird das Verfahren zur Erfassung von Leckage-Brennstoff während der Anlaufphase und/oder der Nachlaufphase des Brennstoffzellensystems durchgeführt. Die Anlaufphase beginnt i.d.R. mit der Aktivierung des Brennstoffzellensystems und endet mit Abschluss der Vorkehrungen zur Bereitstellung von elektrischer Energie (=Start der aktiven Phase des Brennstoffzellensystems). Die Aktivierung des Brennstoffzellensystems kann durch ein Signal des Benutzers oder durch irgendein anderes Signal (z.B. von einer Vorkonditionierung Einrichtung) erfolgen. Die Nachlaufphase oder Shut-Down-Phase ist insbesondere ein Zeitabschnitt während der inaktiven Phase, in dem das Steuergerät vom Brennstoffzellensystem noch aktiviert ist. Bevorzugt schließt sich die Nachlaufphase direkt an die aktive Phase des Brennstoffzellensystems an.
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Mit anderen Worten betrifft die hier offenbarte Technologie ein Verfahren zur Erfassung von Leckage-Brennstoff sowie ein dazu eingerichtetes Brennstoffzellensystem. Die Shut-Down-Prozedur eines Brennstoffzellensystems von einem Brennstoffzellenfahrzeug kann dahingehend erweitert werden, dass zunächst die Brennstoff-Versorgung des Brennstoffzellenstapels aufrechterhalten wird, obwohl das Kraftfahrzeug bzw. die externe Last keine elektrische Leistung mehr anfordert. Eine relativ geringe Menge Luft kann bevorzugt durch das Gehäuse geblasen und dem Abluftsystem zugeführt werden. Dem Brennstoffzellenstapel wird zweckmäßig keine Luft zugeführt. Sollte der für die Luftversorgung verantwortliche Kompressor oder Verdichter nicht auf so kleine Volumenströme herunter geregelt werden, kann eine Führung der überschüssigen Luftmenge z.B. über ein Bypass-Ventil zurück zur Verdichter-Eingangsseite vorgesehen sein. In dieser Konstellation kann eine unzulässig hohe Brennstoff-Leckage des Brennstoffzellenstapels ins Gehäuse vom Brennstoffsensor im Abluftsystem detektiert werden. Das hier offenbarte Verfahren vor- bzw. nach jedem Betrieb des Kraftfahrzeugs angewendet werden. Das hier zu Grunde liegende Messprinzip verzichtet auf teure zusätzliche Wasserstoffsensoren, benötigt als zusätzliche Komponenten lediglich klein dimensionierte Spülluft-Leitungen vom Luft-Versorgungssystem zum Stack-Gehäuse und zurück, sowie ein geeignetes Absperrorgan ohne hohe Dichtheitsanforderungen. Die Betriebskosten für die Messung sind gering, da beim Abschalt- und/oder Startvorgang des FCS der minimale Kompressor-Volumenstrom nur kurzzeitig gefördert werden muss. Überdies ist ein solches System vergleichsweise robust. Der Brennstoffsensor wird auch im normalen Brennstoffzellenbetrieb zur Erfassung der Brennstoffkonzentration verwendet. Eine Fehlfunktion des Brennstoffzellensensors würde im Normalbetrieb von dem Steuergerät feststellbar sein. Somit kann die Gefahr von schlafenden Fehler für die Bestimmung des Leckage-Brennstoffs reduziert werden.
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Die hier offenbarte Technologie wird nun anhand der Figuren erläutert. Es zeigen:
- 1 eine schematische Ansicht des hier offenbarten Brennstoffzellensystems in einer ersten Ausführungsform;
- 2 eine weitere schematische Ansicht des hier offenbarten Brennstoffzellensystems in einer zweiten Ausführungsform; und
- 3 eine weitere schematische Ansicht des hier offenbarten Brennstoffzellensystems in einer dritten Ausführungsform
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In der 1 ist ein Brennstoffzellenstapel 300 gezeigt, der hier von dem Gehäuse 310 vollständig umgeben ist. Das Gehäuse 310 ist im Wesentlichen brennstoffdicht ausgebildet. Lediglich schematisch dargestellt sind der Kathodenraum K und der Anodenraum A des Brennstoffzellenstapels 300. Der Oxidationsmittelförderer 410 saugt Luft U aus der Umgebung an und verdichtet sie. Die verdichtete Luft U wird in der hier dargestellten Ausgestaltung im normalen Betrieb während der aktiven Phase von einem Ladeluftkühler 420 gekühlt. Die Kathodenzuleitung 415 verbindet hier den Oxidationsmittelförderer 410 mit dem Brennstoffzellenstapel 300. Die Kathodenabgasleitung 416 verbindet den Auslass des Brennstoffzellenstapels 300 mit der Umgebung. Das Kathodensubsystem umfasst neben dem Oxidationsmittelförderer 410 und dem Ladeluftkühler 420 noch die kathodenseitigen Stapel-Absperrventile 430,440 und den Brennstoffsensor 418. Die kathodenseitigen Stapel-Absperrventile 430, 440 sind benachbart zum Brennstoffzellenstapel 300 im Kathodensubsystem vorgesehen. Zudem umfasst das Kathodensubsystem einen Bypass 460 mit einem Bypassventil. Der Bypass 460 zweigt hier stromauf vom kathodenseitigen Stapel-Absperrventil 430 ab und mündet stromab vom Brennstoffsensor 418. Der Bypass 460 kann genutzt werden sowohl während der aktiven Phase als auch während der inaktiven Phase des Brennstoffzellensystems.
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In der 1 nicht gezeigt ist die Brennstoffquelle H2. Beispielsweise kann der Brennstoff in mindestens einem Druckbehälter gespeichert werden. Der Brennstoff wird beispielsweise über ein Tankabsperrventil 211 und einem hier nicht gezeigten Druckminderer einem Anodenraum A über eine Anodenzuleitung bereitgestellt. Im Brennstoffzellenstapel 300 kommt es zur elektrochemischen Reaktion zwischen dem Oxidationsmittel (z.B. Luft) und dem Brennstoff (z.B. Wasserstoff). Das Anodenabgas verlässt den Anodenraum A und wird über den Ejektor 234 wieder der Anodenzuleitung zugeführt. Der Rezirkulationsförderer 236 fördert den Brennstoff zur Anodenzuleitung. Durch den Wasserabscheider 232 und dem Anodenspülventil 238 wird Wasser und Stickstoff aus dem Anodensubsystem abgelassen. Dieser Vorgang wird auch als „purgen“ bezeichnet. Die Anodenspülleitung bzw. Anodenabgasleitung 239 zweigt vom Rezirkulationskreis ab und mündet stromab vom Brennstoffzellenstapel 300 bzw. vom kathodenseitigen Stapel-Absperrventil 440 (auch Backpressure-Ventil genannt) und stromauf vom Brennstoffsensor 418. Während der aktiven Phase des Brennstoffzellensystems wird somit regelmäßig Anodenabgas in die Kathodenabgasleitung gespült. Der Brennstoffsensor 418 ist während der aktiven Phase also in der Lage, direkt oder indirekt den Brennstoff zu erfassen, der den Brennstoffzellenstapel 300 über die Anodenspülleitung 239 oder über die Kathodenabgasleitung 416 verlässt. Von der Kathodenzuleitung 415 zweigt hier die Fluidverbindung 414 ab. Die Fluidverbindung 414 verbindet hier den Oxidationsmittelförderer 410 mit dem Gehäuseeinlass vom Gehäuse 310. Die Kathodenabgasleitung 416 bzw. die Anodenspülleitung 239 können auch als Abgasleitung bezeichnet werden. Die Kathodenabgasleitung 416 ist hier über eine weitere Fluidverbindung 417 mit dem Auslass vom Gehäuse 410 fluidverbunden. Die weitere Fluidverbindung 417 mündet stromab vom Stapel-Absperrventil 440. Es kann vorgesehen sein, dass während der aktiven Phase des Brennstoffzellensystems, also wenn Strom für eine externe Last generiert wird, dass Gehäuse 310 gespült wird, beispielsweise indem das Ventil 432 der Fluidverbindung 414 geöffnet wird. Vorteilhaft kann somit Brennstoff aus dem Gehäuse entweichen, der aufgrund von Undichtigkeiten während der aktiven Phase des Brennstoffzellensystems aus dem Brennstoffzellenstapel 300 entweicht. Der im zusammengeführten Abgas enthaltene Brennstoff wird vom Brennstoffsensor 418 erfasst.
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Während der inaktiven Phase des Brennstoffzellensystems, kann mit dem hier offenbarten Brennstoffzellensystem das hier offenbarte Verfahren zur Erfassung von Leckage-Brennstoff im Gehäuse 310 durchgeführt werden. Hierzu kann beispielsweise schon während des Shut-Downs vom Brennstoffzellensystem die Anode A des Brennstoffzellenstapels 300 mit Brennstoff versorgt werden, der dort mit Überdruck im Vergleich zur Umgebung vorgehalten werden kann. Ferner kann vorgesehen sein, dass während der inaktiven Phase des Brennstoffzellensystems die kathodenseitigen Stapel-Absperrventile 430,440 geschlossen sind. Nach einem vorbestimmten Zeitintervall, beispielsweise 3 Minuten, kann dann das Gehäuse 340 mit Luft U gespült werden und die (Spül)Luft aus dem Gehäuse 310 kann der Abgasleitung 416 zugefügt werden. Sofern der Oxidationsmittelförderer 410 nicht ausgebildet ist, sehr geringe Mengen an Luft zu fördern, kann gemäß der hier dargestellten Ausführungsform der Oxidationsmittelförderer 410 auch im Bypassbetrieb betrieben werden. Bevorzugt wird das Gehäuse gespült mit einem maximalen Luftmassenstrom, der maximal 2% oder maximal 5% oder maximal 10% des maximalen Luftmassenstroms vom Oxidationsmittelförderer beträgt. Vorteilhaft können somit auch besonders geringe Mengen an Leckage-Brennstoff erfasst werden. Gemäß den hier offenbarten Verfahren kann dann der Brennstoff in der der Abgasleitung zugeführten (Spül)Luft bestimmt werden. Wird vom Brennstoffzellensystem erfasst, dass in der aus dem Gehäuse in die Abgasleitung zugeführten (Spül)Luft Brennstoff enthalten ist, so ist dies ein Indiz dafür, dass eine brennstoffführende Komponente im Gehäuse (i.d.R. der Brennstoffzellenstapel) undicht ist.
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Die 2 zeigt eine alternative Ausgestaltung der hier offenbarten Technologie. Nachstehend werden lediglich die Unterschiede zur Ausgestaltung gemäß der 1 beschrieben. In der hier dargestellten Ausgestaltung ist ein Gebläse 510 vorgesehen, welches das Gehäuse 310 mit Luft spült. Das Gehäuse 310 ist wiederum mit der Abgasleitung 416 fluidverbunden über die weitere Fluidverbindung 417. Die aus dem Gehäuse 310 entweichende (Spül)Luft strömt wiederum zum Brennstoffsensor 418, der eingerichtet ist, in dieser ausgeströmten (Spül)Luft enthaltenen Leckage-Brennstoff zu erfassen. Bevorzugt ist das Gebläse 510 so gestaltet, dass es einen maximalen Luftmassenstrom fördern kann, der maximal 2% oder maximal 5% oder maximal 10% des maximalen Luftmassenstroms vom Oxidationsmittelförderer beträgt. Vorteilhaft können somit auch besonders geringe Mengen an Leckage-Brennstoff erfasst werden.
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Die 3 zeigt eine weitere Ausgestaltung der hier offenbarten Technologie. Die Fluidverbindung 414 wurde hier ersetzt durch ein Rückschlagventil 520, insbesondere eine luftdurchlässige aber wasserabweisende (Berst)Membran. Das Rückschlagventil 520 ist eingerichtet, bei einem Unterdruck im Gehäuse 310 ein Einströmen von Umgebungsluft in das Gehäuse 310 zu ermöglichen. Bevorzugt umfasst das Rückschlagventil 520 ein Rückstellmittel, beispielsweise eine Feder, sodass das Rückschlagventil 520 geschlossen ist, falls kein Unterdruck anliegt. Anstatt dem Rückschlagventil 520 kann auch jede andere Rückschlagventileinrichtung eingesetzt werden. Während der aktiven Phase des Brennstoffzellensystems bewirkt die Saugstrahlpumpe 419, dass im Gehäuse 310 ein Unterdruck ausgebildet wird. Dadurch wird der Leckage-Brennstoff in die Abgasleitung 416 gesaugt und kann nach Durchmischung mit dem Kathodenabgas in die Fahrzeugumgebung entweichen. Ferner vorteilhaft kann die Mündung vom Brennstoffzellenbypass 460 als Saugstrahlpumpe 462 ausgebildet sein, wobei als Treibmittel der Luftmassenstrom vom Bypass 460 dient. Somit entsteht ein Unterdruck in der Abgasleitung 416 stromauf von der Saugstrahlpumpe 462. Wird nun während der inaktiven Phase Luft durch den Bypass 460 gefördert, so entsteht stromauf von der Saugstrahlpumpe 462 ein Unterdruck. Sind gleichzeitig das Stapel-Absperrventil 440 und das Anodenspülventil 238 geschlossen, so wird hier über die Fluidverbindung 417 ebenfalls ein Unterdruck im Gehäuse 310 aufgebaut. Somit kann durch das Rückschlagventil 520 Umgebungsluft angesaugt werden, die das Gehäuse 310 spült. Gleichzeitig wird die bereits im Gehäuse 310 vorhandene Luft zur Erfassung von Leckage-Brennstoff zum Brennstoffsensor 418 gefördert. Da geringe Luftmassenströme zur Erfassung von Leckage-Brennstoff vorteilhaft sind, können die Saugstrahlpumpen 462, 419 mit einer entsprechend geringen Saugleistung ausgebildet sein. Somit halten sich vorteilhaft auch im Normalbetrieb des Brennstoffzellensystems die durch diese Saugstrahlpumpe verursachten Strömungsverluste im Rahmen.
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In den hier dargestellten Ausführungsbeispielen ist vorgesehen, dass die Spülluft stromab vom Brennstoffzellenstapel in die Abgasleitung einströmt. Alternativ oder zusätzlich ist vorstellbar, dass während der inaktiven Phase stromauf vom Brennstoffzellenstapel das Spülgas eingebracht wird und durch die Kathode strömt.
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Aus Gründen der Leserlichkeit wurde vereinfachend der Ausdruck „mindestens ein(e)“ teilweise weggelassen. Sofern ein Merkmal der hier offenbarten Technologie in der Einzahl bzw. unbestimmt beschrieben ist (z.B. der/ein Brennstoffzellenstapel, das/ein Gehäuse, die/ein Abgasleitung, der/ein Oxidationsmittelförderer, der/ein Ladeluftkühler, der/ein Bypass, das/ein Gebläse, die/eine Kathodenzuleitung, die/eine Anodenzuleitung, die/eine Abgasleitung, die/eine Kathodenabgasleitung, die/eine Anodenabgasleitung, der/ein Brennstoffsensor, etc.) so soll gleichzeitig auch deren Mehrzahl mit offenbart sein (z.B der mindestens eine Brennstoffzellenstapel, das mindestens eine Gehäuse, die mindestens eine Abgasleitung, der mindestens eine Oxidationsmittelförderer, der mindestens eine Ladeluftkühler, der mindestens eine Bypass, das mindestens eine Gebläse, die mindestens eine Kathodenzuleitung, die mindestens eine Anodenzuleitung, die mindestens eine Abgasleitung, die mindestens eine Kathodenabgasleitung, die mindestens eine Anodenabgasleitung, der mindestens eine Brennstoffsensor, etc.). Ist in dieser Anmeldung allgemein die Rede von Leitungen, beispielsweise der Kathodenzuleitung, der Anodenzuleitung, der Kathodenabgasleitung und/oder der Anodenabgasleitung, so soll gleichzeitig auch entsprechende Kanäle oder anders ausgebildet Strömungspfade bzw. Fluidverbindungen mit umfasst sein.
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Die vorhergehende Beschreibung der vorliegenden Erfindung dient nur zu illustrativen Zwecken und nicht zum Zwecke der Beschränkung der Erfindung. Im Rahmen der Erfindung sind verschiedene Änderungen und Modifikationen möglich, ohne den Umfang der Erfindung sowie ihrer Äquivalente zu verlassen.
