DE102019125554A1 - Method for checking the tightness of a fuel cell system and motor vehicle - Google Patents

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Abstract

Die hier offenbarte Technologie betrifft erfindungsgemäß ein Verfahren zur Überprüfung der Dichtheit eines Teilsystems eines Brennstoffzellensystems eines Kraftfahrzeugs; wobei ein Brennstoffzellenstapel 300 zum Teilsystem gehört; und wobei mittels Absperrventile 470, 480, 211, 238 das Teilsystem vom übrigen Brennstoffzellensystem absperrbar ist. Ferner betrifft das Verfahren ein Kraftfahrzeug.The technology disclosed here relates, according to the invention, to a method for checking the tightness of a subsystem of a fuel cell system of a motor vehicle; wherein a fuel cell stack 300 belongs to the subsystem; and wherein the subsystem can be shut off from the rest of the fuel cell system by means of shutoff valves 470, 480, 211, 238. The method also relates to a motor vehicle.

Description

Bei Kraftfahrzeugen, die mit einem Brennstoffzellensystem ausgestattet sind, wird i.d.R. beim Start des Kraftfahrzeugs das Anodensubsystem vom Brennstoffzellensystem hinsichtlich der Dichtheit geprüft. Dieser Leckagetest verzögert den Start des Kraftfahrzeugs um mehrere Sekunden. Aus Sicht des Fahrers ist es wünschenswert, die für den Start des Kraftfahrzeugs benötigte Zeitspanne weiter zu verkürzen. Insbesondere beim Wiederstart nach kurzer Fahrt können bereits kurze Verzögerungen vom Fahrer als störend empfunden werden.In motor vehicles that are equipped with a fuel cell system, the anode subsystem is usually checked for leaks by the fuel cell system when the motor vehicle is started. This leak test delays the start of the motor vehicle by several seconds. From the driver's point of view, it is desirable to further shorten the time span required to start the motor vehicle. Especially when restarting after a short journey, even short delays can be perceived as annoying by the driver.

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, den Start eines Brennstoffzellensystems weiter zu verkürzen, wobei weiterhin ein ausreichend genauer Dichtheitstest durchgeführt werden soll. Weitere bevorzugte Aufgaben können sich aus den vorteilhaften Effekten der hier offenbarten Technologie ergeben. Die Aufgabe(n) wird/werden gelöst durch den Gegenstand des Patentanspruchs 1. Die abhängigen Ansprüche stellen bevorzugte Ausgestaltungen dar.It is a preferred object of the technology disclosed here to reduce or eliminate at least one disadvantage of a previously known solution or to propose an alternative solution. In particular, it is a preferred object of the technology disclosed here to further shorten the start of a fuel cell system, with a sufficiently accurate leak test still being carried out. Further preferred objects can result from the advantageous effects of the technology disclosed here. The object (s) is / are achieved by the subject matter of claim 1. The dependent claims represent preferred embodiments.

Die hier offenbarte Technologie betrifft ein erstes Verfahren zur Überprüfung der Dichtheit eines Teilsystems eines Brennstoffzellensystems eines Kraftfahrzeugs. Der Brennstoffzellenstapel des Brennstoffzellensystems gehört zum Teilsystem. Mittels Absperrventile ist das Teilsystem vom übrigen Brennstoffzellensystem, insbesondere von der Umgebung und von einer Brennstoffquelle, absperrbar. Das erste Verfahren umfasst die Schritte:

  • - Absperren des Teilsystems vom übrigen Brennstoffzellensystem zu einem ersten Zeitpunkt zu Beginn oder während einer inaktiven Phase des Kraftfahrzeugs; und anschließend:
  • - Erfassen von mindestens einem Druckwert zu einem zweiten Zeitpunkt nach der inaktiven Phase und während der Vorbereitung auf die aktiven Phase des Kraftfahrzeugs; und
  • - Überprüfen der Dichtheit des Teilsystems anhand des erfassten Druckwerts.
The technology disclosed here relates to a first method for checking the tightness of a subsystem of a fuel cell system of a motor vehicle. The fuel cell stack of the fuel cell system belongs to the subsystem. The subsystem can be shut off from the rest of the fuel cell system, in particular from the environment and from a fuel source, by means of shut-off valves. The first procedure involves the following steps:
  • - Shutting off the subsystem from the rest of the fuel cell system at a first point in time at the beginning or during an inactive phase of the motor vehicle; and subsequently:
  • - Detecting at least one pressure value at a second point in time after the inactive phase and during the preparation for the active phase of the motor vehicle; and
  • - Checking the tightness of the subsystem based on the recorded pressure value.

Der Druckwert ist indikativ für den Druck im Teilsystem. Beispielsweise kann der Druckwert ein Signal eines Drucksensors sein. Der Druckwert kann nach jedem geeigneten Verfahren erfasst werden.The pressure value is indicative of the pressure in the subsystem. For example, the pressure value can be a signal from a pressure sensor. The pressure value can be recorded using any suitable method.

Die hier offenbarte Technologie betrifft ein Kraftfahrzeug mit einem Brennstoffzellensystem mit mindestens einer Brennstoffzelle, das eingerichtet ist, eines der hier offenbarten Verfahren durchzuführen. Das Kraftfahrzeug kann beispielsweise ein Personenkraftwagen, ein Kraftrad, ein Bus oder ein Nutzfahrzeug sein. I.d.R. dient das Brennstoffzellensystem 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®.The technology disclosed here relates to a motor vehicle with a fuel cell system with at least one fuel cell which is set up to carry out one of the methods disclosed here. The motor vehicle can be, for example, a passenger car, a motorcycle, a bus or a utility vehicle. As a rule, the fuel cell system is used to provide the energy for at least one drive machine to move the motor vehicle. In its simplest form, a fuel cell is an electrochemical energy converter that converts fuel and oxidizing agents into reaction products, producing electricity and heat in the process. The fuel cell comprises an anode and a cathode, which are separated by an ion-selective and ion-permeable separator, respectively. The anode is supplied with fuel. Preferred fuels are: hydrogen, low molecular weight alcohol, biofuels, or liquefied natural gas. The cathode is supplied with oxidizing agent. Preferred oxidizing agents are, for example, air, oxygen and peroxides. The ion-selective separator can be designed, for example, as a proton exchange membrane (PEM). A cation-selective polymer electrolyte membrane is preferably used. Materials for such a membrane are, for example: Nafion®, Flemion® and Aciplex®.

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.In addition to the at least one fuel cell, a fuel cell system comprises peripheral system components (BOP components) that can be used when operating the at least one fuel cell. As a rule, several fuel cells are combined to form a fuel cell stack.

Das Brennstoffzellensystem umfasst ein Anodensubsystem, das von den brennstoffführenden Bauelementen des Brennstoffzellensystems ausgebildet wird. Ein Anodensubsystem kann mindestens einen Druckbehälter (Brennstoffquelle), mindestens ein Tankabsperrventil, mindestens einen Druckminderer, mindestens einen zum Anodeneinlass des Brennstoffzellenstapels führenden Anodenzuströmungspfad, einen Anodenraum im Brennstoffzellenstapel, mindestens einen vom Anodenauslass des Brennstoffzellenstapels wegführenden Rezirkulationsströmungspfad, mindestens einen Wasserabscheider, mindestens ein Anodenspülventil, mindestens einen aktiven oder passiven Brennstoff-Rezirkulationsförderer, anodenseitige Absperrventile sowie weitere Elemente aufweisen. Hauptaufgabe des Anodensubsystems ist die Heranführung und Verteilung von Brennstoff an die elektrochemisch aktiven Flächen des Anodenraums und die Abfuhr von Anodenabgas.The fuel cell system comprises an anode subsystem which is formed by the fuel-carrying components of the fuel cell system. An anode subsystem can have at least one pressure vessel (fuel source), at least one tank shut-off valve, at least one pressure reducer, at least one anode inflow path leading to the anode inlet of the fuel cell stack, an anode compartment in the fuel cell stack, at least one recirculation flow path leading away from the anode outlet of the fuel cell stack, at least one water separator valve, at least one anode flushing valve have an active or passive fuel recirculation conveyor, anode-side shut-off valves and other elements. The main task of the anode subsystem is the supply and distribution of fuel to the electrochemically active surfaces of the anode compartment and the removal of anode exhaust gas.

Das Brennstoffzellensystem umfasst ein Kathodensubsystem. Das Kathodensubsystem wird aus den oxidationsmittelführenden Bauelementen gebildet. Ein Kathodensubsystem kann mindestens einen Oxidationsmittelförderer, mindestens einen zum Kathodeneinlass führenden Kathodenzuströmungspfad, mindestens eine vom Kathodenauslass wegführende Kathodenabgaspfad, 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.The fuel cell system includes a cathode subsystem. The cathode subsystem is formed from the components that carry the oxidizing agent. A cathode subsystem can have at least one oxidizing agent conveyor, at least one cathode inflow path leading to the cathode inlet, at least one cathode exhaust gas path leading away from the cathode outlet, a cathode chamber in the fuel cell stack, as well as other elements. The main task of the cathode subsystem is the supply and distribution of oxidizing agent to the electrochemically active surfaces of the cathode compartment and the removal of unused oxidizing agent.

Die Absperrventile sind Ventile, die das Teilsystem gegenüber den übrigen Komponenten des Brennstoffzellensystems gasdicht (bis auf Leckageströme) abschließen können. Die Absperrventile dienen u.a. dazu, in der Phase der Nichtbenutzung des Kraftfahrzeugs das Eindringen von Oxidationsmittel oder Brennstoff in das im Wesentlichen abgeschlossene Teilsystem bis auf tolerierbare Leckageströme zu unterbinden. Die Absperrventile können unterschiedlich ausgestaltet sein. Die anodenseitigen Absperrventile können beispielsweise als stromlos geschlossene Tellerventile, elektromagnetische Membranventile oder Injektoren ausgestaltet sein. Die kathodenseitigen Absperrventile können beispielsweise als Tellerventile oder als Drosselklappenventile ausgestaltet sein. Tellerventile weisen i.d.R. ein besseres Dichtverhalten auf als Drosselklappenventile. Hinsichtlich dem dynamischen Verhalten und der Herstellkosten sind indes Drosselklappenventile vorteilhafter. Das Teilsystem umfasst den Brennstoffzellenstapel sowie alle Komponenten, die zwischen den Absperrventilen und dem Brennstoffzellenstapel angeordnet ist. Die Absperrventile sperren das Teilsystem gegenüber den übrigen Komponenten des Kathodensubsystems bzw. des Anodensubsystems ab, insbesondere gegenüber den Komponenten, in denen Umgebungsdruck bzw. der Druck der Brennstoffquelle anliegt, wie beispielsweise dem Kathodenzuströmpfad, dem Kathodenabgaspfad bzw. der Brennstoffquelle und der Anodenspülleitung. Die anodenseitigen Komponenten des Teilsystems sind miteinander fluidverbunden. Gleichsam sind die kathodenseitigen Komponenten des Teilsystems miteinander fluidverbunden. I.d.R. sind das Anodensubsystem und das Kathodensubsystem nur über den ionenselektiven Separator miteinander verbundenThe shut-off valves are valves that can shut off the subsystem in a gas-tight manner (apart from leakage flows) from the other components of the fuel cell system. The shut-off valves serve, among other things, to prevent the penetration of oxidizing agent or fuel into the essentially closed subsystem, except for tolerable leakage flows, when the motor vehicle is not in use. The shut-off valves can be designed differently. The anode-side shut-off valves can be designed, for example, as normally closed poppet valves, electromagnetic membrane valves or injectors. The cathode-side shut-off valves can be designed, for example, as poppet valves or as butterfly valves. Disk valves usually have a better sealing behavior than butterfly valves. With regard to the dynamic behavior and the manufacturing costs, however, throttle valves are more advantageous. The subsystem comprises the fuel cell stack and all components that are arranged between the shut-off valves and the fuel cell stack. The shut-off valves shut off the subsystem from the other components of the cathode subsystem or the anode subsystem, in particular from the components in which ambient pressure or the pressure of the fuel source is present, such as the cathode inflow path, the cathode exhaust gas path or the fuel source and the anode purge line. The anode-side components of the subsystem are fluidly connected to one another. At the same time, the components of the subsystem on the cathode side are fluidly connected to one another. As a rule, the anode subsystem and the cathode subsystem are only connected to one another via the ion-selective separator

Zum ersten Zeitpunkt kann das Teilsystem abgesperrt werden, indem die Absperrventile geschlossen werden.At the first point in time, the subsystem can be shut off by closing the shut-off valves.

Die inaktive Phase ist die Phase, in der das Fahrzeug nicht vom Fahrer betrieben wird. Insbesondere ist die inaktive Phase ein Zeitintervall, während dessen das Kraftfahrzeug vom Benutzer aktiv keine (Fahr)Anweisung erhält, die das Betreiben der Brennstoffzelle bzw. des Kraftfahrzeugs erfordert. Dies ist beispielsweise der Fall, wenn ein Kraftfahrzeug geparkt ist. Das Kraftfahrzeug befindet sich gemäß der hier offenbarten Technologie im geparkten Zustand bzw. im Zustand „Parken“, falls der Fahrzeugnutzer das Kraftfahrzeug verlassen hat. In der Regel nimmt das Kraftfahrzeug im geparkten Zustand einen Zustand ein, in dem es minimale elektrische Energie verbraucht, um maximale Standzeiten zu realisieren. Daher sind in diesem Zustand zweckmäßig nur Funktionen verfügbar, die dazu dienen, das Kraftfahrzeug wieder in einen betriebsbereiten Zustand zu versetzen (insbesondere Zentralverriegelung, Auswerten Funkschlüssel). Zudem können Funktionen verfügbar sein, die ein sicheres Abstellen des Kraftfahrzeugs gewährleisten (z.B. Standlicht, Feststellbremse, Diebstahlwarnanlage, etc.). Der Zustand „Parken“ kann insbesondere dann vorliegen, wenn über die Zentralverriegelung gesichert wurde und wenn im Fahrzeug für eine gewisse Zeit keine Aktivität eines Fahrzeugnutzers wahrnehmbar ist, der Fahrzeugnutzer also vermutlich nicht im Fahrzeug ist.The inactive phase is the phase in which the vehicle is not being operated by the driver. In particular, the inactive phase is a time interval during which the motor vehicle does not actively receive any (driving) instructions from the user that require the operation of the fuel cell or the motor vehicle. This is the case, for example, when a motor vehicle is parked. According to the technology disclosed here, the motor vehicle is in the parked state or in the “parked” state if the vehicle user has left the motor vehicle. As a rule, when parked, the motor vehicle assumes a state in which it consumes minimal electrical energy in order to achieve maximum downtimes. Therefore, in this state, only functions are expediently available which serve to put the motor vehicle back into an operational state (in particular central locking, evaluating radio key). In addition, functions may be available that ensure that the vehicle can be parked safely (e.g. parking lights, parking brake, anti-theft alarm system, etc.). The “Parking” state can exist in particular if the central locking system has been used to secure the vehicle and if no activity by a vehicle user is perceptible in the vehicle for a certain period of time, i.e. the vehicle user is probably not in the vehicle.

In dieser inaktiven Phase des Kraftfahrzeugs kann es jedoch zum Autarkbetrieb des Brennstoffzellensystems kommen, beispielsweise um

  • - durch gewisse Brennstoff-verbrauchende Funktionen des Kraftfahrzeugs irreversible Schäden an dem Brennstoffzellensystem zu vermeiden bzw. verringern; und/oder
  • - Vorkonditionierung-bzw. Komfortfunktionen das Kraftfahrzeug auf die nächste Benutzung des Kraftfahrzeugs vorzubereiten (z.B. Klimatisierung des Fahrgastinnenraums; Aufladen des elektrischen Energiespeichers, etc.).
In this inactive phase of the motor vehicle, however, the fuel cell system can operate independently, for example by
  • - Avoid or reduce irreversible damage to the fuel cell system due to certain fuel-consuming functions of the motor vehicle; and or
  • - preconditioning or Comfort functions to prepare the motor vehicle for the next use of the motor vehicle (e.g. air conditioning of the passenger compartment; charging of the electrical energy storage device, etc.).

Bevorzugt wird zu Beginn der inaktiven Phase, insbesondere während der Prozeduren, die zum Abstellen des Brennstoffzellensystems durchlaufen werden - auch „shutdown“ Prozeduren oder „Nachlauf“ genannt - das Teilsystem am ersten Zeitpunkt abgesperrt. Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass auch während der inaktiven Phase das Teilsystem erneut geöffnet und wieder abgesperrt wird, beispielsweise im Autarkbetrieb, um die Anode erneut mit Brennstoff zu bedrücken. In diesem Fall steigt der Druck im brennstoffführenden Teil des Teilsystems (= Anodenseite des Teilsystems) bevorzugt erneut auf den Ausgangsdruck. In einer anderen Ausgestaltung wird die hier offenbarte Zeitspanne so kurz gehalten, dass kein Nachbedrücken im Autarkbetrieb erforderlich ist.At the beginning of the inactive phase, in particular during the procedures that are run through to shut down the fuel cell system - also called “shutdown” procedures or “overrun” - the subsystem is preferably shut off at the first point in time. As an alternative or in addition, it can be provided that the subsystem is reopened and shut off again during the inactive phase, for example in self-sufficient operation, in order to pressurize the anode with fuel again. In this case, the pressure in the fuel-carrying part of the subsystem (= anode side of the subsystem) preferably rises again to the initial pressure. In another embodiment, the period of time disclosed here is kept so short that no additional pressure is required in self-sufficient operation.

Der zweite Zeitpunkt, an dem der mindestens eine Druckwert erfasst wird, liegt hinter dem ersten Zeitpunkt und liegt zudem nicht in der inaktiven Phase. Vielmehr liegt der zweite Zeitpunkt in dem Zeitraum, in dem das Brennstoffzellensystem bzw. das Kraftfahrzeug auf die aktive Phase vorbereitet wird. Die aktive Phase ist die Phase, in der ein Benutzer des Kraftfahrzeugs das Kraftfahrzeug (aktiv) nutzt. Mithin beispielsweise also der Fahrbetrieb des Kraftfahrzeugs durch den Benutzer oder (teil)autonom. Insbesondere produziert das Brennstoffzellensystem in der aktiven Phase zumindest zeitweise elektrischen Strom für einen Traktionsantrieb. Der Zeitraum, in dem das Brennstoffzellensystem auf den aktiven Betrieb vorbereitet wird, wird auch als „Aufstartphase“ oder als „warm up“ bezeichnet. In dieser Phase wird das Brennstoffzellensystem aus dem ausgeschalteten Zustand in den betriebsbereiten Zustand überführt.The second point in time at which the at least one pressure value is recorded is behind the first point in time and is also not in the inactive phase. Rather, the second point in time lies in the period in which the fuel cell system or the motor vehicle is being prepared for the active phase. The active phase is the phase in which a user of the motor vehicle (actively) uses the motor vehicle. Hence, for example, the driving operation of the motor vehicle by the user or (partially) autonomously. In particular, in the active phase, the fuel cell system produces electrical power for a traction drive at least at times. Of the The period in which the fuel cell system is being prepared for active operation is also referred to as the "start-up phase" or "warm up". In this phase, the fuel cell system is transferred from the switched-off state to the operational state.

Gemäß der hier offenbarten Technologie kann vorgesehen sein, dass die Zeitspanne zwischen dem ersten Zeitpunkt und dem zweiten Zeitpunkt erfasst wird.According to the technology disclosed here, it can be provided that the time span between the first point in time and the second point in time is recorded.

Bevorzugt kann die Zeitspanne zwischen dem ersten Zeitpunkt und dem zweiten Zeitpunkt kleiner sein als eine Grenzzeitspanne. In einer Ausgestaltung kann eine Grenzzeitspanne so kurz gewählt sein, dass keine Nachbedrückung erforderlich ist. Die Grenzzeitspanne kann ferner so kurz gewählt sein, dass im Teilsystem bei Ablauf der Grenzzeitspanne noch ein Mindestdruckunterschied zwischen dem intakten Teilsystem und der Umgebung existiert. Der Mindestdruckunterschied ist dabei so groß, dass ein im Wesentlichen dichtes Teilsystem von einem fehlerhaft undichten Teilsystem anhand der erfassten Druckwerte unterscheidbar ist. Beispielsweise kann der Mindestdruckunterschied mindestens 20 Millibar oder mindestens 50 Millibar oder mindestens 100 Millibar betragen. Die Grenzzeitspanne kann beispielsweise maximal 100 Stunden oder maximal 50 Stunden oder maximal 10 Stunden betragen. Die Zeitspanne zwischen dem ersten Zeitpunkt und dem zweiten Zeitpunkt kann einen Wert von von mindestens 1 Minute oder mindestens 5 Minuten oder mindestens 10 Minuten oder mindestens 20 Minuten aufweisen.The period of time between the first point in time and the second point in time can preferably be shorter than a limit period of time. In one embodiment, a limit time span can be selected to be so short that no additional pressure is required. The limit time span can also be selected to be so short that there is still a minimum pressure difference between the intact subsystem and the environment in the subsystem when the limit time span expires. The minimum pressure difference is so great that an essentially leak-proof subsystem can be distinguished from an incorrectly leaky subsystem on the basis of the recorded pressure values. For example, the minimum pressure difference can be at least 20 millibars or at least 50 millibars or at least 100 millibars. The limit time span can, for example, be a maximum of 100 hours or a maximum of 50 hours or a maximum of 10 hours. The period of time between the first point in time and the second point in time can have a value of at least 1 minute or at least 5 minutes or at least 10 minutes or at least 20 minutes.

Besonders bevorzugt herrscht zum ersten Zeitpunkt in den brennstoffführenden Komponenten vom Teilsystem ein Ausgangsdruck, der größer ist als der Umgebungsdruck. Der Ausgangsdruck kann beispielsweise einen Absolutwert von zwischen 1,5 bar und 5 bar oder zwischen 2 bar und 3 bar annehmen. Zweckmäßig umfasst das erste Verfahren den Schritt, wonach zum ersten Zeitpunkt, insbesondere kurz davor oder danach, im Teilsystem mindestens ein Ausgangsdruckwert erfasst wird, wobei der Ausgangsdruckwert indikativ ist für den Ausgangsdruck im Teilsystem zum ersten Zeitpunkt. In einer Ausgestaltung wird auch der Ausgangsdruckwert für das Bestimmen der Dichtheit herangezogen.At the first point in time, there is particularly preferably an outlet pressure in the fuel-carrying components of the subsystem that is greater than the ambient pressure. The output pressure can assume an absolute value of between 1.5 bar and 5 bar or between 2 bar and 3 bar, for example. The first method expediently includes the step according to which at least one output pressure value is recorded in the subsystem at the first point in time, in particular shortly before or after, the output pressure value being indicative of the output pressure in the subsystem at the first point in time. In one embodiment, the output pressure value is also used to determine the tightness.

Anhand des erfassten Druckwerts kann die Dichtheit des Teilsystems überprüft werden. Hierzu kann beispielsweise der erfasste Druckwert mit einem Grenzdruckwert verglichen werden. Der Grenzdruckwert kann indikativ sein für ein dichtes Teilsystem. Je nach Ausgestaltung des Brennstoffzellensystems können Leckageverluste, beispielsweise an den kathodenseitigen Absperrventilen, tolerierbar sein und werden bei der Auslegung des Systems zur Erzielung anderer Vorteile in Kauf genommen. Der Grenzdruckwert kann somit auch indikativ sein für ein für den bestimmungsgemäßen Betrieb ohne Fehlerfall ausreichend dichtes Teilsystem.The tightness of the subsystem can be checked on the basis of the recorded pressure value. For this purpose, for example, the detected pressure value can be compared with a limit pressure value. The limit pressure value can be indicative of a tight subsystem. Depending on the design of the fuel cell system, leakage losses, for example at the cathode-side shut-off valves, can be tolerated and are accepted when designing the system in order to achieve other advantages. The limit pressure value can thus also be indicative of a subsystem that is sufficiently tight for normal operation without a fault.

Der Grenzdruckwert kann abhängig sein von der Zeitspanne. Der Grenzdruckwert kann ferner abhängig sein vom Ausgangsdruck bzw. vom Ausgangsdruckwert beim Absperren des Teilsystems. Beispielsweise kann ein Kennfeld für Grenzdruckwerte hinterlegt sein. Bevorzugt kann das Kennfeld für die Grenzdruckwerte abhängig sein von der Zeitspanne, von dem Ausgangsdruckwert und gegebenenfalls von der Anzahl an Nachbedrückungen des anodenseitigen Teilsystems während der inaktiven Phase. Eine Nachbedrückung ist ein Vorgang, bei dem während der inaktiven Phase im Autarkbetrieb die anodenseitigen Absperrventile kurz geöffnet und wieder geschlossen werden, damit der Druck in den brennstoffführenden Komponenten des Teilsystems wieder auf den Ausgangsdruck ansteigt. In einer bevorzugten Ausgestaltung findet in der Zeitspanne keine Nachbedrückung statt und die Absperrventile bleiben während der Zeitspanne geschlossen. Vorteilhaft vereinfacht sich somit die Bestimmung der Grenzdruckwerte.The limit pressure value can depend on the time span. The limit pressure value can also be dependent on the outlet pressure or on the outlet pressure value when the subsystem is shut off. For example, a map for limit pressure values can be stored. The characteristic diagram for the limit pressure values can preferably be dependent on the time span, on the output pressure value and, if appropriate, on the number of subsequent pressures of the anode-side subsystem during the inactive phase. Repressurization is a process in which the anode-side shut-off valves are briefly opened and then closed again during the inactive phase in self-sufficient operation so that the pressure in the fuel-carrying components of the subsystem rises again to the initial pressure. In a preferred embodiment, there is no additional pressure in the time span and the shut-off valves remain closed during the time span. The determination of the limit pressure values is thus advantageously simplified.

In einer Ausgestaltung wird der erfasste Druckwert mit einem Grenzdruckwert verglichen wird, der geringer ist als der Umgebungsdruck. Mit anderen Worten kann der Grenzdruckwert auch negative Werte annehmen. Wie genauer im Zusammenhang mit der 2 erläutert wird, kann nach dem Absperren zum ersten Zeitpunkt im Teilsystem ein Überdruck zumindest auf der Anodenseite entstehen. Sowohl der Brennstoff als auch der Sauerstoff können durch den ionenselektiven Separator auf die jeweils andere Seite (d.h. Brennstoff zur Kathodenseite und Sauerstoff zur Anodenseite) gelangen und dort zu Flüssigwasser reagieren. Durch die Reaktion der Gase zu Wasser verringert sich allmählich das Volumen sowohl auf der Kathodenseite als auch auf der Anodenseite des Teilsystems. Dabei entsteht ein Unterdruck. Ferner kann eine Druckverminderung durch Volumenverringerung infolge abkühlender Gase hinzukommen. Bei einem ideal dichten System wäre dieser Unterdruck konstant bis die Absperrventile wieder geöffnet werden. Aufgrund von tolerierbaren Leckagen kann vorgesehen sein, dass allmählich Umgebungsluft in das Teilsystem gelangt, beispielsweise über die Dichtstellen der kathodenseitigen Absperrventile, die den Unterdruck wieder verringert. Der Druckverlauf im Teilsystem nach dem Absperren der Absperrventile ist für jedes intakte Brennstoffzellensystem reproduzierbar und kann über Messreihen und/oder Simulationen für jedes Brennstoffzellensystem bestimmt werden. Der vorher über Messreihen und/oder Simulationen bestimmte charakteristische Druckverlauf eines intakten Brennstoffzellensystems kann als Grenzdruckverlauf herangezogen werden.In one embodiment, the detected pressure value is compared with a limit pressure value that is lower than the ambient pressure. In other words, the limit pressure value can also assume negative values. How more precisely in connection with the 2 is explained, after the shut-off at the first point in time, an overpressure can arise in the subsystem, at least on the anode side. Both the fuel and the oxygen can pass through the ion-selective separator to the other side (ie fuel to the cathode side and oxygen to the anode side) and react there to form liquid water. The reaction of the gases to form water gradually reduces the volume both on the cathode side and on the anode side of the subsystem. This creates a negative pressure. In addition, there may be a pressure reduction due to volume reduction as a result of cooling gases. In an ideally tight system, this negative pressure would be constant until the shut-off valves are opened again. Due to tolerable leakages, it can be provided that ambient air gradually enters the subsystem, for example via the sealing points of the cathode-side shut-off valves, which reduces the negative pressure again. The pressure curve in the subsystem after the shut-off valves have been shut off is reproducible for every intact fuel cell system and can be determined for every fuel cell system using series of measurements and / or simulations. The characteristic pressure curve of an intact fuel cell system, previously determined via series of measurements and / or simulations, can be used as the limit pressure curve.

Gemäß dem hier offenbarten Verfahren zur Überprüfung der Dichtheit kann vorgesehen sein, dass überprüft wird, welches Verfahren zur Überprüfung der Dichtheit eingesetzt wird. Dazu kann das Verfahren die Schritte umfassen, wonach die Zeitspanne zwischen dem ersten Zeitpunkt und dem zweiten Zeitpunkt erfasst wird; und wobei die Dichtheit des Teilsystems nur mit dem hier offenbarten ersten Verfahren überprüft wird, falls die Zeitspanne geringer ist als die Grenzzeitspanne und anderenfalls ein Alternativverfahren zur Überprüfung der Dichtheit des Teilsystems eingesetzt wird. Alternativ oder zusätzlich kann das Verfahren den Schritt umfassen, wonach die Dichtheit des Teilsystems nur mit dem hier offenbarten ersten Verfahren überprüft wird, falls der Druckunterschied zwischen dem Grenzdruck und dem Umgebungsdruck größer ist als ein Mindestdruckunterschied und anderenfalls ein Alternativverfahren zur Überprüfung der Dichtheit des Teilsystems eingesetzt wird. Dabei kann jedes geeignete Alternativverfahren eingesetzt werden.According to the method disclosed here for checking the tightness, it can be provided that it is checked which method is used for checking the tightness. For this purpose, the method can comprise the steps according to which the time span between the first point in time and the second point in time is recorded; and wherein the tightness of the subsystem is only checked with the first method disclosed here if the time span is less than the limit time span and otherwise an alternative method for checking the tightness of the subsystem is used. Alternatively or additionally, the method can include the step according to which the tightness of the subsystem is only checked with the first method disclosed here if the pressure difference between the limit pressure and the ambient pressure is greater than a minimum pressure difference and otherwise an alternative method is used to check the tightness of the subsystem becomes. Any suitable alternative method can be used.

Zweckmäßig kann als Alternativverfahren während der Vorbereitung auf die aktive Phase des Kraftfahrzeugs folgende Schritte durchgeführt werden, falls die Zeitspanne größer ist als die Grenzzeitspanne und/oder der Druckunterschied zwischen dem Grenzdruck und dem Umgebungsdruck kleiner ist als der Mindestdruckunterschied:

  • - Einstellen eines Ausgangsdrucks in einer brennstoffführenden Komponente des Teilsystems; und
  • - Erfassen des Druckverlustes in der brennstoffführenden Komponente innerhalb eines Zeitraums, der kürzer ist als 1 Minute oder 30 Sekunden oder 10 Sekunden oder 5 Sekunden; und
  • - Bestimmen der Dichtheit anhand des Druckverlustes.
The following steps can expediently be carried out as an alternative method during the preparation for the active phase of the motor vehicle if the time span is greater than the limit time span and / or the pressure difference between the limit pressure and the ambient pressure is smaller than the minimum pressure difference:
  • - Setting an outlet pressure in a fuel-carrying component of the subsystem; and
  • - Detecting the pressure loss in the fuel-carrying component within a period of time which is shorter than 1 minute or 30 seconds or 10 seconds or 5 seconds; and
  • - Determination of the tightness based on the pressure loss.

Die hier offenbarte Technologie umfasst ferner ein Kraftfahrzeug, das eingerichtet ist, eines der hier offenbarten Verfahren durchzuführen sowie ein Computerprogrammprodukt, auf dem Instruktionen gespeichert sind, die bei Ausführung auf einem Steuergerät, das Steuergerät veranlassen, eines der hier offenbarten Verfahren durchzuführen.The technology disclosed here also includes a motor vehicle that is set up to carry out one of the methods disclosed here and a computer program product on which instructions are stored which, when executed on a control device, cause the control device to carry out one of the methods disclosed here.

Mit anderen Worten betrifft die hier offenbarte Technologie ein Brennstoffzellensystem, bei dem beim Start der aktuelle Anodendruck und ggf. weitere Sensoren unter Berücksichtigung der Historie der Betriebsbedingungen interpretiert werden. Dadurch können Rückschlüsse auf die Dichtheit gezogen werden. Beispielsweise kann hierzu i) der Anodendruck beim Abstellen gespeichert werden, ii) beim Wiederstart der Anodendruck erfasst werden, und iii) der erfasste Anodendruck mit einem Grenzdruckwert verglichen werden.In other words, the technology disclosed here relates to a fuel cell system in which the current anode pressure and possibly other sensors are interpreted when starting, taking into account the history of the operating conditions. This allows conclusions to be drawn about the tightness. For this purpose, for example, i) the anode pressure can be stored when it is switched off, ii) the anode pressure can be detected when restarting, and iii) the anode pressure detected can be compared with a limit pressure value.

In einer Ausgestaltung der hier offenbarten Technologie wird der Brennstoffzellenstapel im Stillstand mittels dichter Ventile so verschlossen, dass auch noch nach mehreren Tagen der Druck im Teilsystem (insbesondere in den brennstoffführenden Komponenten) nahezu konstant ist. Je nach Auslegung des Systems kann sich ein Über- oder Unterdruck einstellen. Typischerweise existiert nach dem Abstellen des Brennstoffzellensystems und Absperren des Teilsystems auf der Anodenseite des Teilsystems ein Überdruck (bezogen auf die Umgebung). Auf der Kathodenseite des Teilsystems kann sich nach dem Abstellen aufgrund von Cross-Over-Effekten zunächst auch ein Überdruck einstellen. In one embodiment of the technology disclosed here, the fuel cell stack is closed by means of tight valves at a standstill in such a way that the pressure in the subsystem (in particular in the fuel-carrying components) is almost constant even after several days. Depending on the design of the system, an overpressure or underpressure can occur. Typically, after the fuel cell system has been shut down and the subsystem has been shut off, there is an overpressure on the anode side of the subsystem (in relation to the environment). On the cathode side of the subsystem, an overpressure can initially also set in after it has been shut down due to cross-over effects.

Der gasförmige Brennstoff diffundiert von der Anode zur Kathode und reagiert dort mit gasförmigem Sauerstoff zu flüssiges Wasser. Dies führt in Summe zu einer Volumenreduzierung und zu einem Unterdruck. Ebenso diffundiert Sauerstoff von der Kathodenseite auf die Anodenseite und reagiert dort zu Wasser. Somit kommt es i.d.R. zu einem Unterdruck sowohl auf der Anoden- als auch auf der Kathodenseite des Teilsystems. Der zeitliche Verlauf des Druckes kann berechnet und/oder experimentell ermittelt werden. Sind sowohl die Kathodenabsperrventile als auch die Anodensperrventile dicht, so stellt sich nach Abschluss der Austauschprozesse und chemischen Reaktionen im Teilsystem ein Unterdruck ein, der auch nach mehreren Tagen noch konstant ist. Beim Wiederstart des Systems kann nun aufgrund eines ausreichenden Unterdruckes auf eine dichte Anode geschlossen werden. Je nach Ausgestaltung des Systems ist vorstellbar, dass auch nach Abschluss der Austauschprozesse und chemischen Reaktionen noch ein Überdruck im Teilsystem vorherrscht.The gaseous fuel diffuses from the anode to the cathode and reacts there with gaseous oxygen to form liquid water. All in all, this leads to a volume reduction and negative pressure. Oxygen also diffuses from the cathode side to the anode side and reacts there to form water. This generally results in a negative pressure on both the anode and the cathode side of the subsystem. The time course of the pressure can be calculated and / or determined experimentally. If both the cathode shut-off valves and the anode shut-off valves are tight, after the exchange processes and chemical reactions have been completed, a negative pressure is established in the subsystem, which remains constant even after several days. When the system is restarted, a tight anode can now be concluded due to a sufficient negative pressure. Depending on the design of the system, it is conceivable that overpressure will still prevail in the subsystem even after the exchange processes and chemical reactions have been completed.

Je nach Ausgestaltung des Brennstoffzellensystems können auf der Kathodenseite besonders dichte Ventile (z.B. Tellerventile) oder weniger dichte Ventile (z.B. Drosselklappenventile) eingesetzt werden. Letztere sind für die Anwendung zwar ausreichend dicht, ermöglichen aber einen geringen Eintrag an Luft in das Teilsystem. Der vorher geschilderte Druckverlauf nach dem Abstellen gilt auch hier, jedoch bleibt der Unterdruck nicht mehrere Tage stabil sondern steigt - je nach Dichtigkeit der Absperreichrichtung - nach einiger Zeit langsam an. Um Wasserstoff/Sauerstoff-Fronten zu vermeiden, die eine Kohlenstoffkorrosion des Katalysatorträgers bewirken könnten und die Lebensdauer reduzieren würden, wird meistens in regelmäßigen Abständen Wasserstoff auf der Anode nachgeführt. Dies erfolgt i.d.R. im Autarkbetrieb des Kraftfahrzeugs. Auch hier kann der Druckverlauf nach dem Abstellen oder Nachbedrücken berechnet oder in der Entwicklungsphase experimentell ermittelt werden. Auf dieser Basis kann beim Wiederstart ermittelt werden, ob die Anode noch hinreichend dicht ist. Vorteilhaft kann somit auf einen weiteren Leckagetest während der Startup-Prozedur verzichtet werden. Dies funktioniert in den Fällen, in denen sich der Druck im Teilsystem messbar über oder unter dem Umgebungsdruck befindet. Ist der Druck nach längeren Standzeiten auf Umgebungsniveau gefallen, sollte ein alternativer Lecktest beim Start erfolgen. In den ersten Stunden nach dem Abstellen des Kraftfahrzeugt funktioniert das hier offenbarte erste Verfahren zur Erfassung der Dichtheit besonders gut. In diesen Fällen ist der Kundennutzen auch am höchsten, da bei häufigem Wiederstart, insbesondere bei noch betriebswarmem Fahrzeug, die Startverzögerung von mehreren Sekunden für den Kunden besonders auffällig ist. Beim Kaltstart nach vielen Stunden liegt i.d.R. eine andere Erwartungshaltung vor.Depending on the configuration of the fuel cell system, particularly tight valves (for example poppet valves) or less tight valves (for example throttle valves) can be used on the cathode side. The latter are sufficiently tight for the application, but allow a small amount of air to enter the subsystem. The previously described pressure curve after shutdown also applies here, but the negative pressure does not remain stable for several days but increases slowly after some time, depending on the tightness of the shut-off direction. In order to avoid hydrogen / oxygen fronts, which could cause carbon corrosion of the catalyst carrier and reduce the service life, hydrogen is usually added to the anode at regular intervals. This usually takes place in the self-sufficient operation of the motor vehicle. Here, too, the pressure profile can be calculated after it has been switched off or repressed, or it can be determined experimentally in the development phase. On this basis, when restarting it can be determined whether the anode is still sufficiently tight. A further leak test during the startup procedure can therefore be advantageous be waived. This works in cases in which the pressure in the subsystem is measurably above or below the ambient pressure. If the pressure has fallen to the ambient level after a long period of inactivity, an alternative leak test should be carried out at start-up. In the first hours after the motor vehicle has been parked, the first method disclosed here for detecting the tightness works particularly well. In these cases, the customer benefit is also the highest, since with frequent restart, especially when the vehicle is still at operating temperature, the start delay of several seconds is particularly noticeable for the customer. In the case of a cold start after many hours, there are usually different expectations.

Die hier offenbarte Technologie wird nun anhand der Figuren erläutert. Es zeigen:

  • 1 eine schematische Ansicht eines Brennstoffzellensystems,
  • 2 eine schematische Ansicht vom zeitlichen Verlauf der Drücke im Teilsystem, und
  • 3 eine schematische Ansicht des Verfahrens.
The technology disclosed here will now be explained with reference to the figures. Show it:
  • 1 a schematic view of a fuel cell system,
  • 2 a schematic view of the time profile of the pressures in the subsystem, and
  • 3rd a schematic view of the process.

Die 1 zeigt ein Brennstoffzellensystem mit einem Brennstoffzellenstapel 300, der eine Vielzahl an Brennstoffzellen aufweist. Der Brennstoffzellenstapel 300 ist schematisch unterteilt in eine Kathodenseite K und eine Anodenseite A. Der Aufbau eines solchen Brennstoffzellenstapels 300 ist dem Fachmann geläufig. Das Anodensubsystem umfasst eine Brennstoffquelle H2, die Brennstoff bereitstellt, z.B. Wasserstoff. Durch ein Absperrventil 211 wird die Zufuhr an Brennstoff unterbunden. Durch einen Druckminderer (hier nicht gezeigt) kann der Druck in dem Anodenzuströmungspfad 215 reduziert werden, bevor der Brennstoff in die Anodenseite A vom Brennstoffzellenstapel 300 gelangt. In der aktiven Phase des Kraftfahrzeugs verlässt das Anodenabgas nach der elektrochemischen Reaktion im Brennstoffzellenstapel 300 den Brennstoffzellenstapel 300 und wird zumindest teilweise über den Rezirkulationsförderer 236 rezirkuliert. Im Wasserabscheider 232 wird Wasser aus dem Anodenabgas abgeschieden. Durch das Absperrventil 238, auch Anodenspülventil genannt, wird Wasser und Purgegas aus dem Anodensubsystem in die Anodenspülleitung 239 abgelassen. Alternativ oder zusätzlich kann vor dem Eingang zur Anode und/oder direkt nach dem Ausgang der Anode jeweils ein Absperrventil vorgesehen sein.The 1 shows a fuel cell system with a fuel cell stack 300 , which has a plurality of fuel cells. The fuel cell stack 300 is schematically divided into a cathode side K and an anode side A. The structure of such a fuel cell stack 300 is familiar to the person skilled in the art. The anode subsystem includes a fuel source H2 that provides fuel, e.g. hydrogen. Through a shut-off valve 211 the supply of fuel is cut off. The pressure in the anode inflow path can be reduced by a pressure reducer (not shown here) 215 be reduced before the fuel enters the anode side A of the fuel cell stack 300 got. In the active phase of the motor vehicle, the anode exhaust gas leaves the fuel cell stack after the electrochemical reaction 300 the fuel cell stack 300 and is at least partially via the recirculation conveyor 236 recirculated. In the water separator 232 water is separated from the anode exhaust gas. Through the shut-off valve 238 , also known as the anode flush valve, transfers water and purge gas from the anode subsystem into the anode flush line 239 drained. Alternatively or additionally, a shut-off valve can be provided in front of the entrance to the anode and / or directly after the exit of the anode.

In der aktiven Phase des Kraftfahrzeugs saugt die Strömungsmaschine 500 Luft O2 an und verdichtet diese. Die verdichtete Luft wird im Ladeluftkühler 420 gekühlt und gegebenenfalls weiter stromab im Kathodenzuströmungspfad 415 durch eine Einrichtung 430 zur Befeuchtung der Luft befeuchtet. Anschließend gelangt die befeuchtete Luft in die Kathodeseite K des Brennstoffzellenstapels 300, wo die elektrochemische Reaktion mit dem Brennstoff der Anode stattfindet. Nach der elektrochemischen Reaktion im Brennstoffzellenstapel 300 gelangt das Kathodenabgas durch den Kathodenabgaspfad 416 in die Umgebung.In the active phase of the motor vehicle, the turbomachine sucks 500 air O2 and condenses it. The compressed air is in the intercooler 420 cooled and optionally further downstream in the cathode inflow path 415 through a facility 430 humidified to humidify the air. The humidified air then reaches the cathode side K of the fuel cell stack 300 where the electrochemical reaction with the fuel of the anode takes place. After the electrochemical reaction in the fuel cell stack 300 the cathode exhaust gas passes through the cathode exhaust gas path 416 in the nearby areas.

Die hier gezeigte Strömungsmaschine 500 umfasst eine Verdichtereinheit 510, die den Kathodenzuströmungspfad 415 mit ausbildet. Ferner umfasst die hier gezeigte Strömungsmaschine 500 eine Turbineneinheit 520, die den (Kathoden)abgaspfad 416 mit ausbildet. Die Verdichtereinheit 510, die Turbineneinheit 520 und der elektrische Antrieb 530 sind hier über eine Welle 540 starr miteinander verbunden.The turbo machine shown here 500 comprises a compressor unit 510 showing the cathode inflow path 415 with trains. The turbo machine shown here also includes 500 a turbine unit 520 , which forms the (cathode) exhaust gas path 416 with. The compressor unit 510 , the turbine unit 520 and the electric drive 530 are here over a wave 540 rigidly connected to each other.

Ferner gezeigt sind kathodenseitige Absperrventile 470,480, die kathodenseitig das Teilsystem vom übrigen Brennstoffzellensystem (insbesondere gegenüber dem Kathodenzuströmpfad 415 und dem Kathodenabgaspfad 416) absperren. Die Absperrventile 470,480 sind unmittelbar benachbart zur Kathodenseite K des Brennstoffzellenstapels 300 ausgebildet. Es befinden sich also keine weiteren Ventile zwischen den Absperrventilen 470,480 und der Kathodenseite des Teilsystems. Dies hat den Vorteil, dass die eingeschlossene Luftmenge im Teilsystem vergleichsweise klein ist. Die Leitungslängen zwischen den anodenseitigen Absperrventilen 238, 211 und dem Brennstoffzellenstapel 300 sind i.d.R. länger als die Leitungslängen zwischen den kathodenseitigen Absperrventile 470, 480 und dem Brennstoffzellenstapel 300. Dies hat den Vorteil, dass mehr brennstoffführende Komponenten auf Leckage hin getestet werden können. Da die Volumina der brennstoffführenden Leitungen des Anodensubsystems gegenüber den sauerstoffführenden Leitungen des Kathodensubsystems vergleichsweise gering sind, hat die anodenseitige Leitungslänge eine geringere Auswirkung auf die Dichtheitsprüfung. Auch die anodenseitigen Absperrventile 238, 211 sperren das Teilsystem gegenüber dem übrigen Brennstoffzellensystem, insbesondere gegenüber der Anodenspülleitung 239 und der Brennstoffquelle H2, ab. Die Anodenspülleitung 239 kann in einer Ausgestaltung im Kathodenabgaspfad 416 münden, beispielsweise in einer Mischkammer zur Verringerung der Brennstoffkonzentration.Also shown are cathode-side shut-off valves 470 , 480 , the subsystem on the cathode side from the rest of the fuel cell system (in particular opposite the cathode inflow path 415 and the cathode exhaust path 416 ) shut off. The shut-off valves 470 , 480 are immediately adjacent to the cathode side K of the fuel cell stack 300 educated. So there are no other valves between the shut-off valves 470 , 480 and the cathode side of the subsystem. This has the advantage that the amount of air trapped in the subsystem is comparatively small. The line lengths between the anode-side shut-off valves 238 , 211 and the fuel cell stack 300 are usually longer than the line lengths between the cathode-side shut-off valves 470 , 480 and the fuel cell stack 300 . This has the advantage that more fuel-carrying components can be tested for leaks. Since the volumes of the fuel-carrying lines of the anode subsystem are comparatively small compared to the oxygen-carrying lines of the cathode subsystem, the line length on the anode side has a smaller effect on the leak test. Also the shut-off valves on the anode side 238 , 211 block the subsystem with respect to the rest of the fuel cell system, in particular with respect to the anode rinsing line 239 and the fuel source H2 , from. The anode purge line 239 can in one embodiment in the cathode exhaust gas path 416 open, for example in a mixing chamber to reduce the fuel concentration.

Die 2 zeigt schematisch die Druckverläufe im Teilsystem. Die dünn gezeichneten Linien zeigen die Kennlinien der Grenzdrücke pG von intakten Brennstoffzellensystemen. Vereinfachend sind für die Überdruckphase t0-1 lediglich die Kennlinien von einem Brennstoffzellensystem gezeigt, und zwar jeweils für die Kathodenseite K (strichpunktierte Linie) und für die Anodenseite A (doppelt strichpunktierte Linie) getrennt. In den Unterdruckphasen t1-3 ist der Druckunterschied zwischen der Kathodenseite K und der Anodenseite A vergleichsweise gering. Daher wurden etwaige Druckunterschiede zwischen der Anodenseite A und der Kathodenseite K während der Unterdruckphasen vereinfachend weggelassen und gemeinsame Kennlinien (mit AK versehen) aufgetragen.The 2 shows schematically the pressure curves in the subsystem. The thin lines show the characteristics of the limit pressures pG of intact fuel cell systems. To simplify matters, only the characteristic curves of a fuel cell system are shown for the overpressure phase t0-1, specifically for the cathode side K (dash-dotted line) and for the anode side A (double-dot-dash line) separately. In the negative pressure phases t1-3 is the pressure difference between the cathode side K and the anode side A comparatively low. For this reason, any pressure differences between the anode side A and the cathode side K during the negative pressure phases have been omitted for the sake of simplicity and common characteristic curves (provided with AK) have been plotted.

Kurz vor dem ersten Zeitpunkt t0 wird das durch die Absperrventile 211, 238, 470, 480 ausgebildete Teilsystem anodenseitig mit Brennstoff bedrückt. Hierzu strömt Brennstoff aus dem Brennstoffspeicher H2 (z.B. ein Drucktank) in das Anodensubsystem ein. Zum ersten Zeitpunkt t0 werden die noch offenen Ventile der Absperrventile 211, 238, 470, 480 geschlossen. Somit bildet sich das gegenüber der Umgebung abgesperrte Teilsystem des Brennstoffzellensystems aus.Shortly before the first point in time t0, this is triggered by the shut-off valves 211 , 238 , 470 , 480 trained subsystem pressurized with fuel on the anode side. For this purpose, fuel flows out of the fuel reservoir H2 (e.g. a pressure tank) into the anode subsystem. At the first point in time t0, the valves that are still open become the shut-off valves 211 , 238 , 470 , 480 closed. The subsystem of the fuel cell system that is blocked off from the environment is thus formed.

Zum ersten Zeitpunkt t0 entspricht der Druck auf der Kathodenseite K dem Umgebungsdruck patm. Auf der Anodenseite A herrscht der Ausgangsdruck p0, der wesentlich höher ist als der Umgebungsdruck patm. Der Brennstoff diffundiert nun von der Anodenseite A zur Kathodenseite K. Somit verringert sich der Druck auf der Anodenseite (vgl. doppelt strichpunktierte und mit einem A versehene Linie zwischen t0 und t1) und erhöht sich der Druck auf der Kathodenseite K (vgl. strichpunktiert gezeigte und mit einem K versehene Linie zwischen t0 und t1). Auf der Kathodenseite K reagiert der Brennstoff mit dem Sauerstoff zu Flüssigwasser, so dass der Druck langsam wieder abnimmt. Zum Zeitpunkt t1 entspricht der Druck sowohl auf Anodenseite A als auch auf der Kathodenseite K im Wesentlichen dem Umgebungsdruck patm. Der Sauerstoff gelangt ebenfalls von der Kathodenseite K zu der Anodenseite A und reagiert dort zu Flüssigwasser. Bleiben die Absperrventile 211, 238, 470, 480 weiterhin geschlossen, so entsteht im Zeitraum t1-2 i.d.R. ein Unterdruck auf der Anodenseite A und auf der Kathodenseite K. Dieser Unterdruck nimmt aufgrund von Undichtigkeiten im Teilsystem schließlich im Zeitraum t2-3 wieder ab.At the first point in time t0, the pressure on the cathode side K corresponds to the ambient pressure patm. The outlet pressure p0 prevails on the anode side A, which is significantly higher than the ambient pressure patm. The fuel now diffuses from the anode side A to the cathode side K. Thus, the pressure on the anode side decreases (cf. double-dot-dash-dotted line between t0 and t1 with an A) and the pressure on the cathode side K increases (cf. and a line with a K between t0 and t1). On the cathode side K, the fuel reacts with the oxygen to form liquid water, so that the pressure slowly decreases again. At time t1, the pressure both on the anode side A and on the cathode side K essentially corresponds to the ambient pressure patm. The oxygen also reaches the anode side A from the cathode side K and reacts there to form liquid water. The shut-off valves remain 211 , 238 , 470 , 480 If it is still closed, a negative pressure usually arises in the period t1-2 on the anode side A and on the cathode side K. This negative pressure finally decreases again in the period t2-3 due to leaks in the subsystem.

Der Betrag und das zeitliche Verhalten der Druckverläufe hängen von der Ausgestaltung des Brennstoffzellensystems und insbesondere von der Güte der Absperrventile ab. Bei einem ideal dichten Teilsystem baut sich der Druck während der Überdruckphase weniger schnell ab. In der Unterdruckphase baut sich der Unterdruck kaum ab, so dass auch zum Zeitpunkt t3 der Grenzdruck pG annähernd konstant ist und auf den Wert pU verweilt (vgl. durchgezogene Linie). Umfasst das Brennstoffzellensystem Komponenten, die auch im fehlerfreien Zustand eine gewisse Leckage aufweisen, wie beispielsweise kathodenseitige Absperrventile, so baut sich der Überdruck und auch der Unterdruck schneller wieder ab als bei einem ideal dichten Teilsystem. Das zeitliche Verhalten der Drücke eines intakten Teilsystems kann experimentell und/oder durch Simulationen bestimmt werden und als Grenzdrücke pG für die hier offenbarten Verfahren zur Überprüfung der Dichtheit herangezogen werden. Die durchgezogene Linie zeigt dabei den zeitlichen Verlauf des Grenzdrucks pG eines im intakten Zustand sehr dichten Teilsystems. Der punktiert gezeigte Graph zeigt den zeitlichen Verlauf des Grenzdrucks eines intakten Teilsystems, das beispielsweise Drosselklappenventile als kathodenseitige Absperrventile 470, 480 nutzt. Für die Überprüfung, ob das Teilsystem dicht ist, muss ein gewisser Mindestdruckunterschied Dp zwischen dem Grenzdruck des Teilsystems und dem Umgebungsdrucks patm herrschen, damit verlässlich die Dichtheit überprüft werden kann. Dies kann beispielsweise dadurch gewährleistet sein, dass nur in bestimmten Zeitfenstern ta das hier offenbarte erste Verfahren eingesetzt werden darf und ansonsten ein bzw. das hier offenbarte Alternativverfahren angewendet werden muss. Alternativ oder zusätzlich kann das Verfahren den Schritt umfassen, wonach überprüft wird, ob zum zweiten Zeitpunkt t2, an dem der mindestens eine Druckwert erfasst wird, der Betrag des Druckunterschieds zwischen dem Grenzdruck pG und dem Umgebungsdruck patm größer ist als der Betrag eines Mindestdruckunterschieds Dp.The amount and the behavior over time of the pressure curves depend on the design of the fuel cell system and, in particular, on the quality of the shut-off valves. With an ideally tight subsystem, the pressure does not decrease as quickly during the overpressure phase. In the negative pressure phase, the negative pressure hardly decreases, so that the limit pressure pG is also approximately constant at time t3 and remains at the value pU (see solid line). If the fuel cell system includes components that have a certain leakage even in a fault-free state, such as, for example, cathode-side shut-off valves, then the overpressure and also the underpressure are reduced more quickly than in an ideally tight subsystem. The time behavior of the pressures of an intact subsystem can be determined experimentally and / or by simulations and used as limit pressures pG for the method disclosed here for checking the tightness. The solid line shows the time course of the limit pressure pG of a subsystem that is very dense in the intact state. The graph shown in dotted lines shows the time profile of the limit pressure of an intact subsystem, for example the throttle valve as cathode-side shut-off valves 470 , 480 uses. To check whether the subsystem is tight, there must be a certain minimum pressure difference Dp between the limit pressure of the subsystem and the ambient pressure patm so that the tightness can be reliably checked. This can be ensured, for example, by the fact that the first method disclosed here may only be used in certain time windows ta and otherwise an or the here disclosed alternative method must be used. Alternatively or additionally, the method can include the step of checking whether, at the second point in time t2, at which the at least one pressure value is detected, the amount of the pressure difference between the limit pressure pG and the ambient pressure patm is greater than the amount of a minimum pressure difference Dp.

Die 3 zeigt schematisch ein Ablaufdiagramm für das hier offenbarte Verfahren. Das Verfahren beginnt mit dem Schritt S100. Im Schritt S200 wird abgefragt, ob die Zeitspanne t0-2 größer ist als die Grenzzeitspanne t0-3. Alternativ oder zusätzlich kann im Schritt S200 abgefragt werden, ob der Betrag vom Druckunterschied zwischen dem Grenzdruck pG und dem Umgebungsdruck patm zum zweiten Zeitpunkt kleiner ist als der Betrag vom Mindestdruckunterschied Dp. Ist eine oder sind beide Bedingungen erfüllt, so wird ein Alternativverfahren zur Überprüfung der Dichtheit ausgeführt. Dazu können während der Vorbereitung auf die aktive Phase im Schritt S300 folgende Schritte durchgeführt werden:

  • - Einstellen eines Ausgangsdrucks in einer brennstoffführenden Komponente des Teilsystems auf einen vorbestimmten Ausgangsdruck; und
  • - Erfassen des Druckverlustes in der brennstoffführenden Komponente des Teilsystems innerhalb eines Zeitraums, der kürzer ist als 1 Minute
oder 30 Sekunden oder 10 Sekunden oder 5 Sekunden. Anschließend kann im Schritt S400 bestimmt werden, ob der Druckverlust größer ist als ein maximal zulässiger Druckverlust. Ist dies der Fall, so kann im Schritt S700 angenommen werden, dass das Teilsystem undicht ist und ggfls. kann mindestens eine Sicherheitsmaßnahme durchgeführt werden. Hierzu kann jede geeignete Sicherheitsmaßnahme eingesetzt werden (keine Inbetriebnahmeerlaubnis, Ausgabe von Warnhinweisen, Information einer Serviceleitwarte, etc.) Ist dies nicht der Fall, so kann angenommen werden, dass das Teilsystem ausreichend dicht ist und ggfls. kann das Brennstoffzellensystem in die aktive Phase überführt werden (vgl. Schritt S600).The 3rd schematically shows a flow chart for the method disclosed here. The procedure begins with the step S100 . In step S200 a query is made as to whether the time span t0-2 is greater than the limit time span t0-3. Alternatively or additionally, in step S200 It can be queried whether the amount of the pressure difference between the limit pressure pG and the ambient pressure patm at the second point in time is less than the amount of the minimum pressure difference Dp. If one or both of the conditions are met, an alternative procedure for checking the tightness is carried out. You can do this while preparing for the active phase in the step S300 the following steps must be carried out:
  • Setting an output pressure in a fuel-carrying component of the subsystem to a predetermined output pressure; and
  • - Detection of the pressure loss in the fuel-carrying component of the subsystem within a period of time that is shorter than 1 minute
or 30 seconds or 10 seconds or 5 seconds. Then in step S400 it can be determined whether the pressure loss is greater than a maximum permissible pressure loss. If this is the case, step S700 it can be assumed that the subsystem is leaking and possibly. at least one security measure can be carried out. Any suitable safety measure can be used for this (no commissioning permit, issuing of warning notices, information from a service control room, etc.). If this is not the case, it can be assumed that the subsystem is sufficiently tight and, if necessary, the fuel cell system can be transferred to the active phase (see step S600 ).

Sind die Bedingungen im Schritt S200 nicht erfüllt, so wird im Schritt S500 in Unterdruckbereichen geprüft, ob der Druck p im Teilsystem, insbesondere auf der Anodenseite, größer ist als der Grenzdruck pG. In Überdruckbereichen wird im Schritt S500 indes geprüft, ob der Druck im Teilsystem, insbesondere auf der Anodenseite, geringer ist als der Grenzdruck. Ist die Bedingung erfüllt, so wird im Schritt S700 angenommen, dass das Teilsystem undicht ist und ggfls. kann eine Sicherheitsmaßnahme durchgeführt werden. Ist dies nicht der Fall, so kann angenommen werden, dass das Teilsystem ausreichend dicht ist und ggfls. kann das Brennstoffzellensystem in die aktive Phase überführt werden (vgl. Schritt S600).Are the conditions in step S200 not fulfilled, so is the step S500 checked in negative pressure areas whether the pressure p in the subsystem, especially on the anode side, is greater than the limit pressure pG. In overpressure areas, the step S500 meanwhile it is checked whether the pressure in the subsystem, especially on the anode side, is lower than the limit pressure. If the condition is met, then in step S700 assumed that the subsystem is leaking and possibly. a security measure can be carried out. If this is not the case, it can be assumed that the subsystem is sufficiently tight and the fuel cell system can be transferred to the active phase (see step S600 ).

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.The foregoing description of the present invention is for illustrative purposes only and not for the purpose of limiting the invention. Various changes and modifications are possible within the scope of the invention without departing from the scope of the invention and its equivalents.

Claims (13)

Erstes Verfahren zur Überprüfung der Dichtheit eines Teilsystems eines Brennstoffzellensystems eines Kraftfahrzeuges; wobei ein Brennstoffzellenstapel (300) zum Teilsystem gehört; und wobei mittels Absperrventile (470, 480, 211, 238) das Teilsystem vom übrigen Brennstoffzellensystem absperrbar ist; umfassend die Schritte: - Absperren des Teilsystems vom übrigen Brennstoffzellensystem zu einem ersten Zeitpunkt (t0) zu Beginn oder während einer inaktiven Phase des Kraftfahrzeugs; - Erfassen von mindestens einem Druckwert zu einem zweiten Zeitpunkt (t2) während der Vorbereitung auf die aktiven Phase des Kraftfahrzeugs; und - Überprüfen der Dichtheit anhand des erfassten Druckwerts; wobei der Druckwert indikativ ist für den Druck (p) im Teilsystem.First method for checking the tightness of a subsystem of a fuel cell system of a motor vehicle; wherein a fuel cell stack (300) belongs to the subsystem; and wherein the subsystem can be shut off from the rest of the fuel cell system by means of shut-off valves (470, 480, 211, 238); comprehensive the steps: - Shutting off the subsystem from the rest of the fuel cell system at a first point in time (t0) at the beginning or during an inactive phase of the motor vehicle; - Detecting at least one pressure value at a second point in time (t2) during preparation for the active phase of the motor vehicle; and - Checking the tightness based on the recorded pressure value; where the pressure value is indicative of the pressure (p) in the subsystem. Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend den Schritt, wonach der erfasste Druckwert mit einem für einen Grenzdruck (pG) indikativen Grenzdruckwert verglichen wird, wobei der Grenzdruckwert abhängig ist von einer Zeitspanne (t0-2) zwischen dem ersten Zeitpunkt (t0) und dem zweiten Zeitpunkt (t2).Procedure according to Claim 1 , further comprising the step of comparing the detected pressure value with a limit pressure value indicative of a limit pressure (pG), the limit pressure value being dependent on a time span (t0-2) between the first point in time (t0) and the second point in time (t2) . Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Zeitspanne (t0-2) zwischen dem ersten Zeitpunkt (t0) und dem zweiten Zeitpunkt (t2) kleiner ist als eine Grenzzeitspanne (t0-3), wobei die Grenzzeitspanne (t0-3) so kurz gewählt ist, dass bei Ablauf der Grenzzeitspanne (t0-3) noch ein Mindestdruckunterschied (Dp) zwischen dem Grenzdruck (pG) und dem Umgebungsdruck (patm) existiert.Procedure according to Claim 1 or 2 , wherein the time span (t0-2) between the first point in time (t0) and the second point in time (t2) is smaller than a limit time span (t0-3), the limit time span (t0-3) being selected to be so short that when it expires the limit time span (t0-3) there is still a minimum pressure difference (Dp) between the limit pressure (pG) and the ambient pressure (patm). Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Absperrventile (470, 480, 211, 238) während der Zeitspanne (t0-2) geschlossen bleiben.Method according to one of the preceding claims, wherein the shut-off valves (470, 480, 211, 238) remain closed during the time period (t0-2). Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Zeitspanne (t0-2) einen Wert von mindestens 1 Minute oder von mindestens 5 Minuten oder mindestens 10 Minuten oder mindestens 20 Minuten aufweist.Method according to one of the preceding claims, wherein the time period (t0-2) has a value of at least 1 minute or of at least 5 minutes or at least 10 minutes or at least 20 minutes. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der erfasste Druckwert mit einem Grenzdruckwert verglichen wird, der geringer ist als der Umgebungsdruck (patm).Method according to one of the preceding claims, wherein the detected pressure value is compared with a limit pressure value which is lower than the ambient pressure (patm). Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, ferner umfassend den Schritt, wonach mindestens ein Ausgangsdruckwert erfasst wird, der indikativ ist für den Ausgangsdruck (p0) im Teilsystem zum ersten Zeitpunkt (t0).Method according to one of the preceding claims, further comprising the step of detecting at least one output pressure value which is indicative of the output pressure (p0) in the subsystem at the first point in time (t0). Verfahren nach Anspruch 7, wobei auch der Ausgangsdruckwert für das Bestimmen der Dichtheit herangezogen wird.Procedure according to Claim 7 , whereby the output pressure value is also used to determine the tightness. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, ferner umfassend den Schritt, wonach vor dem Absperren des Teilsystems der Druck (p) in den brennstoffführenden Komponenten des Teilsystems auf den Ausgangsdruck (p0) gesteigert wird.Method according to one of the preceding claims, further comprising the step of increasing the pressure (p) in the fuel-carrying components of the subsystem to the initial pressure (p0) before the subsystem is shut off. Verfahren zur Überprüfung der Dichtheit des Teilsystems, wobei die Zeitspanne (t0-2) zwischen dem ersten Zeitpunkt (t0) und dem zweiten Zeitpunkt (t2) erfasst wird, und wobei die Dichtheit des Teilsystems nur mit dem ersten Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche überprüft wird, falls die Zeitspanne (t0-2) geringer ist als die Grenzzeitspanne (t0-3).Method for checking the tightness of the subsystem, wherein the time span (t0-2) between the first point in time (t0) and the second point in time (t2) is recorded, and wherein the tightness of the subsystem is only checked with the first method according to one of the preceding claims if the time period (t0-2) is less than the limit time period (t0-3). Verfahren zur Überprüfung der Dichtheit des Teilsystems, wobei die Dichtheit des Teilsystems nur mit dem ersten Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche 1 bis 9 überprüft wird, falls der Betrag vom Druckunterschied zwischen dem Grenzdruck (pG) und dem Umgebungsdruck (patm) größer ist als der Mindestdruckunterschied (Dp).Method for checking the tightness of the subsystem, whereby the tightness of the subsystem only with the first method after one of the previous ones Claims 1 to 9 it is checked if the amount of the pressure difference between the limit pressure (pG) and the ambient pressure (patm) is greater than the minimum pressure difference (Dp). Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, wobei während der Vorbereitung auf die aktive Phase des Kraftfahrzeugs folgende Schritte durchgeführt werden, falls die Zeitspanne (t0-2) größer ist als die Grenzzeitspanne (t0-3) und/oder der Druckunterschied zwischen dem Grenzdruck (pG) und dem Umgebungsdruck (patm) kleiner ist als der Mindestdruckunterschied (Dp): - Einstellen eines Ausgangsdrucks (p0) in einer brennstoffführenden Komponente des Teilsystems; - Erfassen des Druckverlustes in der brennstoffführenden Komponente innerhalb eines Zeitraums, der kürzer ist als 1 Minute oder 30 Sekunden oder 10 Sekunden oder 5 Sekunden; und - Bestimmen der Dichtheit anhand des Druckverlustes.Procedure according to Claim 10 or 11 The following steps are carried out during the preparation for the active phase of the motor vehicle if the time span (t0-2) is greater than the limit time span (t0-3) and / or the pressure difference between the limit pressure (pG) and the ambient pressure (patm ) is smaller than the minimum pressure difference (Dp): - Setting an outlet pressure (p0) in a fuel-carrying component of the subsystem; - Detecting the pressure loss in the fuel-carrying component within a period of time which is shorter than 1 minute or 30 seconds or 10 seconds or 5 seconds; and - determining the tightness on the basis of the pressure loss. Kraftfahrzeug, das eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche durchzuführen.Motor vehicle which is set up to carry out a method according to one of the preceding claims.
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