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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Kalibrieren eines Brennstoffsensors nach dem unabhängigen Verfahrensanspruch, ein korrespondierendes Brennstoffzellensystem mit einem entsprechend kalibrierten Brennstoffsensor nach dem unabhängigen Vorrichtungsanspruch sowie ein Fahrzeug mit einem entsprechenden Brennstoffzellensystem nach dem nebengeordneten unabhängigen Vorrichtungsanspruch.
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Stand der Technik
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Brennstoffzellensysteme sind grundsätzlich bekannt, auch als Energielieferanten bei Fahrzeugen. In Brennstoffzellensystemen wird i. d. R. als Oxidationsmittel Sauerstoff aus der Umgebungsluft und als Reduktionsmittel bzw. Brennstoff Wasserstoff benutzt, um in dem Brennstoffzellenstapel des Systems zu Wasser (bzw. Wasserdampf) zu reagieren und durch elektrochemische Wandlung eine elektrische Leistung zu liefern. Die Umgebungsluft wird zumeist mittels eines Kathodensystems mit einem Luftverdichtungssystem dem Brennstoffzellenstapel bereitgestellt. Der Wasserstoff wird i. d. R. in einem Hochdrucktank (bspw. 700bar) gespeichert und über Leitungen und Ventile dem Brennstoffzellenstapel zugeführt und in einem loopartigen Anodensystem eines Anodensystems rezirkuliert. Der Anodenloop muss im Betrieb in periodischer Weise gespült („purg“) und entwässert („drain“) werden, um den zunehmenden Stickstoffgehalt (durch Diffusion über die Membran) und das anreichende Wasser in der Anode zu senken. Ein Teil des Purge-Gases ist dabei auch Wasserstoff, weshalb das Purge-Gas in den Luftsystem-Abgaskanal geleitet und dort durch den Luftmassenstrom soweit verdünnt wird, dass kein explosives Gemisch entstehen kann.
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Der Brennstoffzellenstapel umfasst meistens mehrere Brennstoffzellen, die mit vielen Dichtungen gegenseitig abgedichtet werden. Diese Dichtungen unterliegen jedoch Temperaturwechsel, Druckwechsel, usw. und altern entsprechend. Deshalb sind die Brennstoffzellenstapel üblicherweise auch nicht dicht im absoluten Sinne. Zum anderen können die Hochdrucktanks zur Speicherung des Wasserstoffs bzw. deren Armaturen, Aktoren, Sensoren und/oder Rohrleitungen undicht werden.
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Da Wasserstoff sehr flüchtig ist und mit Luft ein explosives Gemisch bilden kann, insbesondere in abgegrenzten oder geschlossenen Räumen, ist es sicherheitsrelevant evtl. Wasserstoffleckagen sicher zu erkennen. Zur Wasserstoff-Leckage-Erkennung werden üblicherweise mehrere Wasserstoffsensoren eingebaut. Diese Sensoren sind mit signifikanten Kosten verbunden. Außerdem müssen die Sensoren aufwendig kalibriert werden, um hohe Sicherheitsanforderung entsprechen zu können.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Erfindung sieht gemäß einem ersten Aspekt ein Verfahren zum Kalibrieren eines Brennstoffsensors mit den Merkmalen des unabhängigen Verfahrensanspruches, gemäß einem zweiten Aspekt ein korrespondierendes Brennstoffzellensystem mit einem entsprechend kalibrierten Brennstoffsensor mit den Merkmalen des unabhängigen Vorrichtungsanspruches und gemäß einem dritten Aspekt ein Fahrzeug mit einem entsprechenden Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des nebengeordneten unabhängigen Vorrichtungsanspruches vor. Weitere Vorteile, Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit einzelnen erfindungsgemäßen Aspekten beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit den anderen erfindungsgemäßen Aspekten und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.
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Die vorliegende Erfindung sieht gemäß dem ersten Aspekt ein Verfahren zum Kalibrieren eines Brennstoffsensors eines Brennstoffzellensystems vor. Das Brennstoffzellensystem kann dabei für ein Fahrzeug ausgelegt sein. Das Brennstoffzellensystem kann dabei folgende Elemente aufweisen:
- - mindestens eine Brennstoffzelle, mindestens eine Brennstoffzelle pro Brennstoffzellenstack, wobei vorzugsweise mehrere Brennstoffzellenstacks vorgesehen sein können, welche(r) ggf. mit einem Stack-Umgebung-Belüftungssystem ausgeführt sein kann,
- - ein Kathodensystem zum Bereitstellen eines sauerstoffhaltigen Reaktanten an die mindestens eine Brennstoffzelle, wobei das Kathodensystem eine Zuluftleitung zum Bereitstellen einer Zuluft zu der mindestens einen Brennstoffzelle und eine Abluftleitung zum Abführen einer Abluft von der mindestens einen Brennstoffzelle aufweist, und wobei das Kathodensystem eine Bypassleitung aufweist, die die Zuluftleitung und die Abluftleitung verbindet, um die Zuluft aus der Zuluftleitung zumindest zum Teil vorbei an der mindestens einen Brennstoffzelle zu führen und in die Abluftleitung einzuleiten,
- - und ein Anodensystem zum Bereitstellen eines brennstoffhaltigen Reaktanten, bspw. Wasserstoffes, an die mindestens eine Brennstoffzelle, welches ggf. mit einem Anodensystem-Umgebung-Belüftungssystem ausgeführt sein kann, wobei das Anodensystem ein Purge- und/oder Drainsystem zum Spülen des Anodensystems und/oder zum Abführen von einem Produktwasser aus dem Anodensystem aufweist,
- - und ein, vorzugsweise modular aufgebautes, Tanksystem mit mindestens einem Tank oder mit mehreren Tanks pro Modul für den brennstoffhaltigen Reaktanten, welches ggf. mit einem Tanksystem-Umgebung-Belüftungssystem ausgeführt sein kann.
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Der Brennstoffsensor im Sinne der Erfindung ist in der Abluftleitung des Brennstoffzellensystems angeordnet. Vorteilhafterweise ist der Brennstoffsensor dazu ausgeführt, eine Brennstoff-Leckage und/oder einen Brennstoffmassenstrom ausgehend von sämtlichen möglichen Brennstoffquellen innerhalb und außerhalb des Brennstoffzellensystems zu sensieren. Vorzugsweise ist der Brennstoffsensor im Sinne der Erfindung dazu ausgeführt, eine Brennstoff-Leckage und/oder einen Brennstoff-Massenstrom von allen Subsystemen des Brennstoffzellensystems zu sensieren, die direkte und/oder indirekte Quellen für eine Brennstoff-Leckage und/oder einen Brennstoff-Massenstrom sein können. Darunter zählen z. B. das Purge- und/oder Drainsystem, das Stack-Umgebung-Belüftungssystem, Anodensystem-Umgebung-Belüftungssystem und/oder das Tanksystem-Umgebung-Belüftungssystem, sofern vorhanden. Als eine indirekte Quelle kann der Kathodenpfad selbst bezeichnet werden, der durch verschiedene Effekte, wie z. B. Membranenundichtheit oder sog. „Protonenpumpe“, Brennstoff enthalten kann.
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Das Verfahren im Sinne der Erfindung weist folgende Schritte auf:
- 1) Öffnen eines Bypassventils in der Bypassleitung, um die Bypassleitung offen zu betreiben,
- 2) Schließen von Absperrventilen in der Zuluftleitung und in der Abluftleitung, um die, vorzugsweise ganze, Zuluft aus der Zuluftleitung durch die Bypassleitung vorbei an der mindestens einen Brennstoffzelle zu führen und in die Abluftleitung einzuleiten,
- 3) Durchführen einer Kalibrierung, insbesondere einer Nullpunkt-Kalibrierung, des Brennstoffsensors.
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Der Brennstoffsensor im Sinne der Erfindung kann vorzugsweise als der einzige Brennstoffsensor im gesamten Brennstoffzellensystem sowie im gesamten Fahrzeug dienen. Wenn im Fahrzeug sekundäre Belüftungssysteme für brennstoffführende Komponenten verwendet werden, wie z. B. Belüftungssysteme eines Anodensystems, eines Fahrzeuginnenraums, eines Kofferraumsystems usw., werden hierzu keine separaten Brennstoffsensoren benötigt. Somit können sämtliche direkte und/oder indirekte Quellen für Brennstoff-Leckagen und/oder Brennstoff-Massenströme mit nur einem Brennstoffsensor detektiert werden. Der Brennstoffsensor kann dabei bspw. in Form eines Wasserstoffsensors ausgeführt sein.
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Das Purge- und/oder Drainsystem kann dabei mindestens eine Purge- und/oder Drainleitung aufweisen. Die mindestens eine Purge- und/oder Drainleitung kann eine kombinierte Purge- und/oder Drain-Ablassleitung bilden. Die mindestens eine Purge- und/oder Drainleitung kann aber auch zwei separate Ablassleitungen aufweisen, umfassend eine Purge-Ablassleitung für einen Purgevorgang und eine Drain-Ablassleitung für einen Drainvorgang.
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Das Stack-Umgebung-Belüftungssystem kann mindestens eine Stack-Umgebung-Entlüftungsleitung aufweisen. Die mindestens eine Stack-Umgebung-Entlüftungsleitung kann dabei jeweils eine Stack-Umgebung-Entlüftungsleitung pro Brennstoffzelle bzw. Stack aufweisen oder als eine gemeinsame Stack-Umgebung-Entlüftungsleitung ausgeführt sein, um das Gas oder die Gasmischung, das bzw. die zur Belüftung der nahen bzw. direkten Umgebung der Brennstoffzelle bzw. des Stacks verwendet wurde, aus der Stack-Umgebung abzuführen.
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Das Anodensystem-Umgebung-Belüftungssystem kann mindestens eine Anodensystem-Umgebung-Entlüftungsleitung aufweisen. Die mindestens eine Anodensystem-Umgebung-Entlüftungsleitung, um das Gas oder die Gasmischung, das bzw. die zur Belüftung der nahen bzw. direkten Umgebung der Komponenten des Anodensystems verwendet wurde, aus der Anodensystem-Umgebung abzuführen.
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Das Tanksystem-Umgebung-Belüftungssystem kann mindestens eine Tank-Entlüftungsleitung aufweisen. Die mindestens eine Tank-Entlüftungsleitung kann jeweils eine Tank-Entlüftungsleitung pro Tank oder pro Modul mit mehreren Tanks aufweisen oder als eine gemeinsame Tank-Entlüftungsleitung ausgeführt sein, um das Gas oder die Gasmischung, das bzw. die zur Belüftung der nahen oder direkten Umgebung des Tanksystems verwendet wurde, aus der Tanksystem-Umgebung abzuführen.
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Ferner kann vorgesehen sein, dass die mindestens eine Purge- und/oder Drainleitung, die mindestens eine Stack-Umgebung-Entlüftungsleitung und/oder die mindestens eine Tank-Entlüftungsleitung, vorzugsweise alle Entlüftungsleitungen, in die Abluftleitung, insbesondere unmittelbar vor dem Brennstoffsensor, münden bzw. dort fluidisch angeschlossen sind.
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Der Brennstoffsensor kann vorzugsweise stromabwärts in der Abluftleitung des Kathodensystems angeordnet sein. Der Brennstoffsensor kann vorteilhafterweise mithilfe einer Medienzusammenführungsvorrichtung in der Abluftleitung angeordnet werden. Die Medienzusammenführungsvorrichtung kann dabei mit oder ohne Wasserbevorratungsfunktion ausgeführt sein. Die Medienzusammenführungsvorrichtung kann dafür sorgen, dass die Abluft von der mindestens einen Brennstoffzelle, ggf. mit den anderen Medienströmen aus dem Brennstoffzellensystem, durch die Medienzusammenführungsvorrichtung strömt und dort durchmischt wird, vorzugsweise bevor sie an die Umgebung abgelassen wird.
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Stromabwärts in der Abluftleitung kann ungefähr am Ende der Abluftleitung sein, wobei nach dem erfindungsgemäßen Brennstoffsensor in der Abluftleitung nur noch ein Schalldämpfer angeordnet sein kann.
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Das Brennstoffzellensystem kann nicht nur für mobile Anwendungen, wie bspw. in Kraftfahrzeugen, sondern auch für stationäre Anwendungen, wie bspw. in Generatoranlagen, verwendet werden.
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Als Quellen von Brennstoff zählen zumindest:
- - die mindestens eine Purge- und/oder Drainleitung (gewollte Quelle von Brennstoff-Massenstrom),
- - ggf. die mindestens eine Stack-Umgebung-Entlüftungsleitung (ungewollte Quelle von Brennstoff-Leckagen,
wobei die mindestens eine Stack-Umgebung-Entlüftungsleitung mehrere Stack-Umgebung-Entlüftungsleitungen umfassen kann,
ungeachtet dessen, ob die mindestens eine Brennstoffzelle oder der mindestens eine Brennstoffzellenstack ohne ein zusätzliches Gehäuse, zumindest zum Teil oder ganz in einem zusätzlichen Gehäuse angeordnet ist,
- - optional die mindestens eine Tank-Umgebung-Entlüftungsleitung,
wobei die mindestens eine Tank-Umgebung-Entlüftungsleitung mehrere Tank-Entlüftungsleitungen umfassen kann,
ungeachtet dessen, ob das Tanksystem ohne ein zusätzliches Gehäuse, zumindest zum Teil oder ganz in einem zusätzlichen Gehäuse angeordnet ist,
- - optional die mindestens eine Anodensystem-Umgebung-Entlüftungsleitung, ungeachtet dessen, ob das Anodensystem ohne ein zusätzliches Gehäuse, zumindest zum Teil oder ganz in einem zusätzlichen Gehäuse angeordnet ist,
- - eine indirekte Quelle von Brennstoff-Leckagen kann auch der Kathodenpfad bezeichnet werden, der aufgrund von Brennstoff-Übertritt durch die Membran oder auch andere Effekte Brennstoff enthalten kann,
wobei weitere Belüftungssysteme und/oder Quellen für mögliche Brennstoff-Leckagen sowie Brennstoff-Massenströme analog den genannten Entlüftungsleitungen an die Abluftleitung kurz vor dem Brennstoffsensor fluidisch angeschlossen werden können.
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Vorteilhafterweise können die Detektion und Verdünnungen für alle möglichen (ungewollten) Brennstoff-Leckagen und/oder alle möglichen (gewollten) Brennstoff-Massenströme an einer Stelle, mithilfe nur eines Brennstoffsensors, durchgeführt werden.
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Vorteilhafterweise können die Brennstoff-Ansammlungen zumindest durch die Abluft des Kathodensystems und ggf. durch die Bypassluft des Kathodensystems verdünnt werden.
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Vorteilhafterweise kann auch ein Diagnoseverfahren und/oder ein Überwachungsverfahren mit Pin-Pointing, d.h. Detektion aus welcher Quelle die Brennstoff -Leckage und/oder der Brennstoff -Massenstrom stammt, durchgeführt werden.
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Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass die Abluftleitung zur Wasserausleitung an die Umgebung oder zur Wasserableitung an ein anderes Funktionssystem des Brennstoffzellensystems und/oder an einen Behälter zur weiteren Nutzung dienen kann.
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Des Weiteren kann es vorteilhaft sein, dass die Verdünnung der ggf. brennstoffhaltigen Abluft mittels eines sekundären Luftmassenstroms, z. B. eines Frischluftgebläses eines Fahrzeuginnenraums und/oder eines separaten Belüftungsgebläses, durchgeführt werden kann. Auf diese Weise kann eine Entkopplung vom Luftverdichter-Betrieb in der Zuluftleitung und/oder eine Redundanz zum Luftverdichter-Betrieb geschaffen werden.
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Der Erfindungsgedanke liegt dabei darin, dass ein solcher Brennstoffsensor einfach und mit wenig Aufwand kalibriert werden kann. Für eine Nullpunkt-Kalibrierung wird das Bypassventil geöffnet und die Absperrventile für den Stack geschlossen, um sicherzustellen, dass die ganze Zuluft vorbei an dem Stack geführt wird und in die Abluftleitung gelangt. Die Erfindung geht dabei von dem Gedanken aus, dass in diesem Fall nur frische bzw. brennstofffreie Luft an dem Brennstoffsensor vorbeifließt. Der Sensor kann somit auf null kalibriert werden.
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Sämtliche weitere Subsysteme, die im System vorhanden sind und Quellen von Brennstoff sein können, wie das Purge- und/oder Drainsystem sowie sämtliche Belüftungssysteme, wie das Anodensystem-Umgebung-Belüftungssystem, das Stack-Umgebung-Belüftungssystem und das Tanksystem-Umgebung-Belüftungssystem, können zum Durchführen einer Nullpunkt-Kalibrierung des Brennstoffsensors geschlossen werden. Dadurch kann mit einer erhöhten Wahrscheinlichkeit sichergestellt werden, dass nur frische Luft an dem Brennstoffsensor vorbeifließt.
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Ferner kann bei einem Verfahren zum Kalibrieren eines Brennstoffsensors vorgesehen werden, dass das Verfahren mindestens einen weiteren von den folgenden Schritten aufweist:
- 2a) Betreiben eines Verdichters in der Zuluftleitung mit mindestens einer Drehzahl,
- 2b) Ermitteln, bspw. Berechnen oder Schätzen, eines Soll-Massenstroms des sauerstoffhaltigen Reaktanten, der am Brennstoffsensor ankommen soll,
- 2c) Überprüfen, bspw. durch Vermessen und Berechnen, des Massenstroms des sauerstoffhaltigen Reaktanten, der am Sensor vorliegen soll, mithilfe von Messwerten eines Massenstromsensors im Kathodensystem, z. B. in der Zuluftleitung,
- 2d) Überprüfen bzw. Vermessen eines Druckes in dem Kathodensystem durch einen Drucksensor, bspw. in der Abluftleitung des Kathodensystems,
- 2e) Variieren der Drehzahl, mit der der Verdichter betrieben wird,
- 3a) Überwachen von Messergebnissen des Brennstoffsensors, und/oder
- 3b) Bestimmen, dass der Brennstoffsensor funktionsfähig ist, wenn sich die Messergebnisse des Brennstoffsensors bei einem Variieren der Drehzahl des Verdichters, bei einem Variieren des Massenstroms des sauerstoffhaltigen Reaktanten am Sensor und/oder bei einem Variieren des Druckes im Kathodensystem nicht verändern.
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Die Messergebnisse des Brennstoffsensors sollen unabhängig von dem Massenstrom am Sensor oder dem Druck der Abluft sein. Auch die Drehzahl des Verdichters soll die Messergebnisse des Brennstoffsensors nicht beeinflussen. Wenn der Brennstoffsensor funktionsfähig ist, werden sich seine Messergebnisse bei einem Variieren der Drehzahl des Verdichters, bei einem Variieren des Massenstroms des sauerstoffhaltigen Reaktanten und/oder bei einem Variieren des Druckes im Kathodensystem nicht wesentlich (ein bestimmtes Rauschen zählt nicht zum wesentlichen Verändern) verändern. Auf diese Weise kann einfach und bequem sichergestellt werden, dass der Brennstoffsensor funktionsfähig ist.
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Ferner kann der Massenstrom, bspw. der Massenstrom in der Abluftleitung, durch einen Massenstromsensor vermessen werden. Auf diese Weise kann überprüft werden, ob der erwartete Massenstrom bei einer bestimmten Drehzahl des Verdichters tatsächlich an dem Massenstromsensor ankommt.
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Auch der Druck, bspw. der Druck in der Abluftleitung, kann durch einen Drucksensor vermessen werden. Somit kann überprüft werden, ob der erwartete Druck bei einer bestimmten Drehzahl des Verdichters tatsächlich in der Abluftleitung herrscht. Der gemessene Druck in der Abluftleitung kann auch zum Überprüfen und/oder zum Plausibilisieren des Soll-Massenstroms herangezogen werden.
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Weiterhin kann bei einem Verfahren zum Kalibrieren eines Brennstoffsensors vorgesehen werden, dass das Verfahren mindestens einen weiteren von den folgenden Schritten aufweist:
- 4) (gezieltes) Einführen bzw. Injizieren eines, insbesondere bestimmten, Massenstroms des brennstoffhaltigen Reaktanten in die Abluftleitung vor dem Brennstoffsensor,
- 5) Durchführen einer Mengenpunkt-Kalibrierung des Brennstoffsensors, insbesondere für eine erwartete Konzentration des brennstoffhaltigen Reaktanten am Brennstoffsensor.
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Auf diese Weise kann zusätzlich zu einer Nullpunkt-Kalibrierung eine Mengenpunkt-Kalibrierung des Brennstoffsensors durchgeführt werden. Dabei kann vorteilhafterweise darauf geachtet werden, dass die Konzentration des Brennstoffs in der Abluft eine kritische Grenze, sog. Explosionsgrenze, nicht übersteigt. Für die Mengenpunkt-Kalibrierung des Brennstoffsensors kann in die Abluftleitung Brennstoff durch die Purge- und/oder Drainleitung gezielt zugeführt werden, wenn der Anodenpfad auf einen möglichst definierten Zustand geführt wird, z.B. durch Spülen mit frischem Brennstoff, wenn die Konzentration von Brennstoff hoch und näherungsweise bekannt ist.
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Des Weiteren kann bei einem Verfahren zum Kalibrieren eines Brennstoffsensors vorgesehen werden, dass das Verfahren mindestens einen weiteren von den folgenden Schritten aufweist:
- 4a) Betreiben eines Verdichters in der Zuluftleitung mit mindestens einer Drehzahl,
- 4b) Ermitteln, bspw. Erfassen und Berechnen oder Schätzen, eines Soll-Massenstroms des sauerstoffhaltigen Reaktanten, der am Brennstoffsensor vorliegt,
- 4c) Überprüfen (Erfassen und Berechnen) des Massenstroms des sauerstoffhaltigen Reaktanten, der am Brennstoffsensor vorliegen soll, mithilfe von Messergebnissen eines Massenstromsensors im Kathodensystem,
- 4d) Überprüfen eines Druckes in dem Kathodensystem durch einen Drucksensor,
- 4e) Variieren der Drehzahl, mit der der Verdichter betrieben wird,
- 4f) Variieren des Massenstroms des brennstoffhaltigen Reaktanten, der in die Abluftleitung vor dem Brennstoffsensor eingeführt wird, und/oder
- 5a) Kalibrieren des Brennstoffsensors auf einen Messpunkt, der einer bestimmten Konzentration des brennstoffhaltigen Reaktanten entspricht, insbesondere in Abhängigkeit von dem Massenstrom des brennstoffhaltigen Reaktanten, der in die Abluftleitung vor dem Brennstoffsensor eingeführt wird, der Drehzahl des Verdichters, dem Massenstrom des sauerstoffhaltigen Reaktanten und/oder dem Druck im Kathodensystem.
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Durch Variieren der Drehzahl des Verdichters und/oder des Massenstroms des brennstoffhaltigen Reaktanten, der in die Abluftleitung vor dem Brennstoffsensor eingeführt wird, kann die Konzentration des Brennstoffes in der Abluft angepasst werden, um unterschiedliche Messpunkte für eine flexible Kalibrierung des Brennstoffsensors bei unterschiedlichen Messpunkten bereitzustellen.
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Zudem kann bei einem Verfahren zum Kalibrieren eines Brennstoffsensors vorgesehen werden, dass das Verfahren mindestens einen weiteren von den folgenden Schritten aufweist:
- 4g) Erhöhen oder Reduzieren oder Ausschalten des Massenstroms des brennstoffhaltigen Reaktanten, der in die Abluftleitung vor dem Brennstoffsensor eingeführt wird,
- 5b) Überprüfen, ob und/oder wie schnell, der Brennstoffsensor auf das Erhöhen oder Reduzieren oder Ausschalten des Massenstroms reagiert.
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Auf diese Weise kann ein oder mehrere Reaktionstests bereitgestellt werden, um zu überprüfen, wie schnell der Brennstoffsensor auf Änderungen der Konzentration des Brennstoffs in der Abluft reagiert. Auf diese Weise kann die Sicherheit im Betrieb des Brennstoffzellensystems noch weiter erhöht werden.
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Außerdem kann bei einem Verfahren zum Kalibrieren eines Brennstoffsensors vorgesehen werden, dass das Verfahren mindestens einen weiteren von den folgenden Schritten aufweist:
- 6) Durchführen eines Purgevorganges des Anodensystems,
- 7) Bewerten eines Purgegases mithilfe von Messergebnissen des Brennstoffsensors,
- 8) Adaptieren des Purgevorganges des Anodensystems, bis durch den Brennstoffsensor eine erwartete Konzentration des brennstoffhaltigen Reaktanten in einem Massenstrom des Purgegases sensiert wurde.
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Auf diese Weise kann der Purgegas untersucht werden, um vorzugsweise den Anteil des Brennstoffes, bspw. im Vergleich zum Stickstoff, zu ermitteln. Somit kann eine verbesserte Steuerung des Purgevorganges geschaffen werden.
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Im Rahmen der Offenbarung ist es denkbar, dass die Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens simultan, zumindest tlw. gleichzeitig und/oder nacheinander durchgeführt werden können.
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Vorteilhafterweise kann das Verfahren periodisch, insbesondere nach einer bestimmten Zeit, und/oder regelmäßig, insbesondere nach einem bestimmten Verbrauch, bspw. des sauerstoffhaltigen Reaktanten und/oder des brennstoffhaltigen Reaktanten, und/oder lastprofilabhängig durchgeführt werden. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass der Brennstoffsensor immer wieder kalibriert wird, um die zuverlässige Funktionsweise des Brennstoffsensors über Lebensdauer des Sensors zu gewährleisten.
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Denkbar ist z. B., dass das Verfahren integriert in einen Betrieb des Brennstoffzellensystems durchgeführt wird, insbesondere in den Momenten, wenn keine elektrische Leistung vom Brennstoffzellensystem gefordert wird. Auf diese Weise kann das Verfahren ohne ungewollte Unterbrechungen im Betrieb des Brennstoffzellensystems integriert werden.
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Zudem ist es denkbar, dass das Brennstoffzellensystem zum Durchführen des Verfahrens in einen leistungsfreien Zustand überführt wird. Unter leistungsfreien Zustand des Brennstoffzellensystems kann der Zustand verstanden werden, wenn das Brennstoffzellensystem keine elektrische Energie liefert und die Absperrventile in der Zuluftleitung und der Abluftleitung des Kathodensystems geschlossen sind. Somit kann sichergestellt werden, dass das Verfahren jederzeit durchgeführt werden kann, wenn dies erforderlich ist, bspw. wenn es erkennbar ist, dass der Brennstoffsensor keine zuverlässigen Ergebnisse liefert.
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Die Erfindung stellt gemäß dem zweiten Aspekt ein Brennstoffzellensystem mit einem Brennstoffsensor bereit, der durch ein Verfahren kalibriert wurde, welches wie oben beschrieben ablaufen kann, wobei der Brennstoffsensor in der Abluftleitung angeordnet und dazu ausgeführt ist, eine Brennstoff-Leckage und/oder einen Brennstoffmassenstrom in allen Subsystemen des Brennstoffzellensystems zu sensieren, die im System vorhanden und Quellen für eine Brennstoff-Leckage und/oder einen Brennstoff-Massenstrom sein können. Mithilfe des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems können die gleichen Vorteile erreicht werden, die oben im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben wurden. Auf diese Vorteile wird vorliegend vollumfänglich Bezug genommen.
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Die Erfindung stellt gemäß dem dritten Aspekt ein Fahrzeug mit einem Brennstoffzellensystem bereit, welches wie oben beschrieben ausgeführt sein kann. Mithilfe des erfindungsgemäßen Fahrzeuges können die gleichen Vorteile erreicht werden, die oben im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben wurden. Auf diese Vorteile wird vorliegend vollumfänglich Bezug genommen.
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Figurenliste
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Die Erfindung und deren Weiterbildungen sowie deren Vorteile werden nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen jeweils schematisch:
- 1 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems im Sinne der Erfindung,
- 2 eine schematische Darstellung eines Diagnoseverfahrens für mögliche Brennstoff-Leckage und/oder Brennstoff-Massenströme in einem Brennstoffzellensystem, und
- 3 eine schematische Darstellung eines Verfahrens zum Kalibrieren eines Brennstoffsensors im Sinne der Erfindung.
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In den unterschiedlichen Figuren sind gleiche Teile der Erfindung stets mit denselben Bezugszeichen versehen, weshalb diese in der Regel nur einmal beschrieben werden.
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Die 1 zeigt ein Brennstoffzellensystem 100 im Sinne der Erfindung, welches bspw. als eine Quelle für elektrische Energie in einem Fahrzeug 1, vorzugsweise in einem Elektrofahrzeug und/oder einem hochautomatisierten oder sogar autonom fahrenden Fahrzeug, verwendet werden kann.
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Das Brennstoffzellensystem 100 weist mindestens eine Brennstoffzelle 101 oder sogar einen Stack bzw. Stapel an mehreren Brennstoffzellen 101 auf, die zu einem Brennstoffzellenstack zusammengefügt sind, welche(r) mit einem Stack-Umgebung-Belüftungssystem Q2 ausgeführt ist. Die Brennstoffzelle 101 oder der Brennstoffzellenstack oder -stapel kann nach außen hin Brennstoff-Leckage aufweisen, da die vielen Brennstoffzellen 101 mit vielen Dichtungen ausgeführt sind, die verschiedenen Alterungsmechanismen durch Medien, mechanische Spannungen, Temperaturwechsel, Druckwechsel, usw. unterliegen. Die Brennstoffzelle 101 oder der Brennstoffzellenstack oder -stapel kann zumindest zum Teil in einem Gehäuse 102 (zumindest im oberen Bereich) aufgenommen werden, sodass eine Belüftung der Umgebung gezielt erfolgen kann. Austretender Brennstoff, insbesondere Wasserstoff, kann sich in einem oberen Bereich ansammeln, aus dem die Stack-Umgebung-Entlüftungsleitung L2 des Stack-Umgebung-Belüftungssystems Q2 führen kann. Die Stack-Umgebung-Entlüftungsleitung L2 des Stack-Umgebung-Belüftungssystems Q2 wird in eine Abluftleitung 12 eines Kathodensystems 10 vor dem Brennstoffsensor S, insbesondere in Form eines Wasserstoffsensors, eingeleitet. Die Abluft aus der Abluftleitung 12 des Kathodensystems 10 kann den sich eventuell angesammelten Brennstoff H2 verdünnen.
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Für die Belüftung der Brennstoffzelle 101 oder des Brennstoffzellenstacks kann als erster Lieferant A1 die Zuluft aus der Zuluftleitung 11 des Kathodensystems 10 oder von einem weiteren Lieferanten A2, A3, wie z. B. Frischluftgebläse IN eines Fahrzeuginnenraums und/oder einem separaten Belüftungsgebläse BG, verwendet werden. Die Zuluft kann dabei bspw. über eine Verbindungsleitung, die optional, aber vorteilhaft eine Drossel VQ2, VQ3 und/oder ein regelbares Ventil VSQ2, VSQ3 enthalten kann, zum Gehäuse 102 der Brennstoffzelle 101 oder des Brennstoffzellenstacks, vorzugsweise in den unteren Bereich, eingeleitet werden. Für die Lieferung des Luftmassenstroms können verschiedene Lieferanten (wie z. B. die Zuluftleitung 11, ein Frischluftgebläse IN eines Fahrzeuginnenraums und/oder ein separates Belüftungsgebläse BG) für die Belüftungsleitungen A1, A2, A3 möglich sein, wie es im Nachfolgenden noch im Detail beschrieben wird.
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Wie oben bereits erwähnt ist, weist das Brennstoffzellensystem 100 ein Kathodensystem 10 zum Bereitstellen eines sauerstoffhaltigen Reaktanten an die mindestens eine Brennstoffzelle 101 oder an den Brennstoffzellenstack auf, wobei das Kathodensystem 10 eine Zuluftleitung 11 zum Bereitstellen einer Zuluft zu der mindestens einen Brennstoffzelle 101 und eine Abluftleitung 12 zum Abführen einer Abluft von der mindestens einen Brennstoffzelle 101 aufweist. Die erfindungsgemäße Systemtopologie sieht nur einen Brennstoffsensor S im Brennstoffzellensystem 101 sowie im gesamten Fahrzeug 1 vor. Verschiedene Quellen für direkte und/oder indirekte (ungewollte) Brennstoff-Leckagen und/oder (gewollte) Brennstoff-Massenströme, die im System 100 vorgesehen sind, werden durch entsprechende vorhandene Subsysteme Q1, Q2, Q3, Q4, Q5 des Brennstoffzellensystems 100 in die Abluftleitung 12 des Kathodensystems 10 geführt.
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Das Kathodensystem 10 ist in der 1 beispielhaft gezeichnet. Die Zuluft kann dabei z. B. aus der Umgebung U angesaugt und entsprechend den Erfordernissen der Brennstoffzelle 101 mithilfe eines Luftfilters AF gefiltert werden. Unterschiedliche Systemtopologien mit/ohne eines Zuluftkühlers IC, mit/ohne einer Turbine in der Abluftleitung 12, mit/ohne eines Befeuchters H, mit einer ein- oder mehrstufigen Verdichtung, mit einem einflutigen oder mehrflutigen Verdichter V, mit Ein- oder Zweiwellensystemen, mit/ohne Wassereinspritzung, etc. sind möglich.
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Weiterhin weist das Brennstoffzellensystem 100 ein Anodensystem 20 zum Bereitstellen eines brennstoffhaltigen Reaktanten an die mindestens eine Brennstoffzelle 101 oder an den Brennstoffzellenstack auf, wobei das Anodensystem 20 eine Purge- und/oder Drainsystem Q1 zum Spülen des Anodensystems 20 und/oder zum Abführen von einem Produktwasser aus dem Anodensystem 20 aufweist. Die Purge- und/oder Drainleitung L1 wird vorteilhafterweise in die Abluftleitung 12 des Kathodensystems 10 vor dem Brennstoffsensor S eingeleitet und dort verdünnt. Auch das Anodensystem 20 kann ein Anodensystem-Umgebung-Belüftungssystem Q4 aufweisen, um die Umgebung der Komponenten des Anodensystems 20 zu belüften. Dabei kann das Anodensystem-Umgebung-Belüftungssystem Q4 mindestens eine nicht dargestellte Anodensystem-Umgebung-Entlüftungsleitung aufweisen, um das Gas oder die Gasmischung, das bzw. die zur Belüftung der nahen bzw. direkten Umgebung der Komponenten des Anodensystems 20 verwendet wurde, aus der Anodensystem-Umgebung abzuführen.
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Der Purge-Vorgang kann vorteilhafterweise nicht nur dann stattfinden, wenn das Kathodensystem 10 ausreichend Luftmassenstrom/Luftvolumenstrom zur Verfügung stellt, sondern auch wenn das nicht der Fall ist. Hierzu können mithilfe des Brennstoffzellensystems 100 neben der Zuluft aus der Zuluftleitung 11 weitere Lieferanten A2, A3, wie z. B. Frischluftgebläse IN eines Fahrzeuginnenraums und/oder einem separaten Belüftungsgebläse BG verwendet werden.
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Ferner weist das Kathodensystem 10 eine Bypassleitung 13 auf, die die Zuluftleitung 11 und die Abluftleitung 12 fluidisch verbindet, um die Zuluft aus der Zuluftleitung 11 zumindest zum Teil vorbei an der mindestens einen Brennstoffzelle 101 zu führen und in die Abluftleitung 12 einzuleiten. In der Zuluftleitung 13 ist vorzugsweise ein Bypassventil BV vorgesehen, um die Menge an Zuluft, die vorbei an der mindestens einen Brennstoffzelle 101 geleitet wird, zu steuern. Das Bypassventil BV wird geöffnet, um die Bypassleitung 13 offen zu betreiben.
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Zudem weist das Kathodensystem 10 ein Absperrventil SV1 in der Zuluftleitung 11, kurz vor dem Eintritt der Zuluftleitung 11 in die mindestens eine Brennstoffzelle 101, und ein Absperrventil SV2 in der Abluftleitung 12, kurz nach dem Austritt der Abluftleitung 12 aus der mindestens einen Brennstoffzelle 101, auf. Die Absperrventile SV1, SV2 werden geschlossen, um die Zuluft durch die Bypassleitung 13 gänzlich vorbei an der mindestens einen Brennstoffzelle 101 zu führen, um eine Kalibrierung des Brennstoffsensors S durchzuführen (vgl. die 3). Auf das erfindungsgemäße Verfahren zum Kalibrieren eines Brennstoffsensors S wird im Nachfolgenden in Verbindung mit der 3 im Detail Bezug genommen.
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Des Weiteren weist das Brennstoffzellensystem 100 ein, vorzugsweise modular aufgebautes, Tanksystem 30 mit mindestens einem Tank T (vorzugsweise mehreren Tanks T bzw. Flaschen pro Modul) für den brennstoffhaltigen Reaktanten auf, welches mit einem Tanksystem-Umgebung-Belüftungssystem Q3 ausgeführt ist. Das Tanksystem 30 kann bspw. im hinteren Bereich des Fahrzeugs 1 angeordnet werden (z.B. in einem Kofferraum), aber auch in einem Unterboden des Fahrzeugs (z. B. unterhalb des Brennstoffzellenstacks oder unterhalb des Fahrgastraumes). Durch den modularen Aufbau des Tanksystems 20 verkleinert sich der Abstand zwischen Tanksystem 30 und dem Stack und/oder dem Kathodenpfad 10 und es können einfacher Verbindungen zwischen diesen Systemen implementiert werden. Vorteilhafterweise können die einzelnen Tanks T in einem Modul, bspw. von mehreren Modulen in dem Tanksystem 30, mittels (jeweils) eines Tankgehäuses 31 umschlossen werden, welches ein Teil des Tanksystem-Umgebung-Belüftungssystems Q3 bilden kann. Das Tankgehäuse 31 kann wiederum eine Tank-Entlüftungsleitung L3 aufweisen.
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Für die Belüftung des Tanksystems 30 kann als erster Lieferant A1 die Zuluft aus der Zuluftleitung 11 des Kathodenpfades 10 und/oder die Frischluft von einem weiteren Lieferanten A2, A3, wie z. B. Frischluftgebläse IN eines Fahrzeuginnenraums und/oder einem separaten Belüftungsgebläse BG, verwendet werden.
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Die Zuluft für die Belüftung wird von dem ersten Lieferant A1 über eine Belüftungsleitung A1 bereitgestellt, die von der Zuluftleitung 11 des Kathodensystems 10 abgezweigt ist, bspw. vor dem Befeuchter H (Belüftungsleitung A1.1), nach dem Befeuchter H (Belüftungsleitung A1.2) oder vor dem Zuluftkühler IC (Belüftungsleitung A1.3).
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Das Purge- und/oder Drainsystem Q1 kann eine (kombinierte oder doppelte) Purge- und/oder Drainleitung L1 aufweisen. Das Stack-Umgebung-Belüftungssystem Q2 kann mindestens eine (oder mehrere) Stack-Umgebung-Entlüftungsleitung(en) L2 aufweisen. Das Tanksystem-Umgebung-Belüftungssystem Q3 kann ebenfalls mindestens eine (oder mehrere) Tank-Entlüftungsleitung(en) L3 aufweisen. Das Anodensystem-Umgebung-Belüftungssystem Q4 kann ebenfalls eine nicht dargestellte Entlüftungsleitung aufweisen. Am Ende der bzw. stromabwärts in der Abluftleitung 12 des Kathodensystems 10 ist ein, insbesondere ausschließlich ein im gesamten Brennstoffzellensystem100 sowie im gesamten Fahrzeug 1, Brennstoffsensor S, bspw. in Form eines Wasserstoffsensors, angeordnet. Erfindungsgemäß münden die Purge- und/oder Drainleitung L1, die mindestens eine Stack-Umgebung-Entlüftungsleitung L2, die mindestens eine Tank-Entlüftungsleitung L3 und/oder die Anodensystem-Umgebung-Entlüftungsleitung, sofern vorhanden, in die Abluftleitung 12 des Kathodensystems 10 (vorzugsweise alle drei Leitungen L1, L2, L3) vor dem Brennstoffsensor S1, wie es die 1 zeigt.
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Im Rahmen der Erfindung kann für das komplette Brennstoffzellensystem 100 sowie für das gesamte Fahrzeug 1 nur ein Brennstoffsensor S verwendet werden. Dabei können in der Abluftleitung 12 des Kathodensystems 10 alle Leitungen L1, L2, L3 zusammengeführt werden, die Quellen von Brennstoff, insbesondere Wasserstoff, sein können. In der 1 sind beispielhaft die Purge- und/oder Drainleitung L1, die Stack-Umgebung-Entlüftungsleitung L2, ungeachtet dessen, ob die mindestens eine Brennstoffzelle 101 oder der mindestens eine Brennstoffzellenstack offen ist/sind oder zumindest zum Teil in einem Gehäuse 102 angeordnet ist/sind, und die Tank-Entlüftungsleitung L3, ungeachtet dessen, ob das Tanksystem 30 offen ist oder zumindest zum Teil in einem Gehäuse 31 angeordnet ist, gezeigt. Im Rahmen der Erfindung sind aber auch weitere Quellen für mögliche Brennstoff-Leckagen denkbar, die ebenfalls wie die genannten Entlüftungsleitungen L1, L2, L3 an die Abluftleitung 12 des Kathodensystems 10, vorzugsweise vor dem Brennstoffsensor S fluidisch angeschlossen werden können.
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Somit kann die Detektion für alle möglichen direkten und/oder indirekten Brennstoff-Leckagen an einer Stelle im Brennstoffzellensystem 100 durchgeführt werden. Vorteilhafterweise können die Brennstoff-Ansammlungen zumindest durch die Abluft des Kathodensystems 10 verdünnt werden.
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Mithilfe des beschriebenen Brennstoffzellensystems 100 kann weiterhin ein Diagnoseverfahren bzw. ein Überprüfungsverfahren mit Pin-Pointing, d.h. Detektion aus welcher Quelle die Wasserstoff-Leckage bzw. der Wasserstoff-Massenstrom stammt, durchgeführt werden, wie es in der 2 gezeigt ist.
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Durch Anbindung des Anodensystem-Umgebung-Belüftungssystems Q4, des Tanksystem-Umgebung-Belüftungssystems Q3 und/oder des Stack-Umgebung-Belüftungssystems Q2, sofern vorhanden, an die Abluftleitung 12 kann der sich in den jeweiligen Systemen angesammelte Brennstoff H2 zuverlässig angeführt und verdünnt werden.
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Vorteilhafterweise ist es bei dem beschriebenen Brennstoffzellensystem 100, dass die Verdünnung des Purgegases mittels eines sekundären Luftmassenstroms A2, A3, z.B. eines Frischluftgebläses IN eines Fahrzeuginnenraums und/oder eines separaten Belüftungsgebläses BG, durchgeführt werden kann. Somit kann eine Entkopplung vom Luftverdichter-Betrieb in der Zuluftleitung 11 sowie eine Redundanz geschaffen werden.
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Aber auch für die Belüftungssysteme Q2, Q3, Q4 des Tanksystems 30, des Stacks und/oder des Anodensystems 20, die im System 100 vorgesehen sind, kann zum Belüften der jeweiligen Systeme eine Entkoppelung vom Kathodenpfad 10 sowie eine Redundanz geschaffen werden.
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Die 2 zeigt schematisch ein mögliches Verfahren zur Diagnose einer Brennstoff-Leckage und/oder eines Brennstoff-Massenstroms in einem Brennstoffzellensystem 100, welches wie oben beschrieben ausgeführt sein kann.
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Das Diagnoseverfahren kann mindestens einen folgenden Schritt aufweisen: D4) Überwachen von Messwerten des Brennstoffsensors S im laufenden Betrieb („normal operation“) des Brennstoffzellensystems 100.
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Bei der Diagnose im Schritt D4) kann der Messwert oder die Messwerte oder das Messsignal des Brennstoffsensors S mit einem Schwellenwert oder mit mehreren Schwellenwerten verglichen werden. Der Messwert oder die Messwerte oder das Messsignal des Brennstoffsensors S kann vorteilhafterweise über die Zeit ausgewertet werden, um Brennstoffgehalt-Anstiege und -Leckagen frühzeitig erkennen zu können. Liegt der Messwert oder die Messwerte oder das Messsignal des Brennstoffsensors ausreichend niedrig, so ist keine oder je nach Schwellenwert zunächst keine genauere Diagnose notwendig. Liegen die Werte jedoch über einer applizierbaren Grenze, so können weiteren Diagnosen D1), D2), D3) durchgeführt werden.
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Eine niedrige Grenze bzw. ein erster Schwellenwert, die bzw. der im Schritt D4) nicht überschritten wird, kann ein Zeichen für „Alles in Ordnung“ sein. Ab der niedrigen Grenze aufwärts kann bspw. ein überprüfendes Handeln eingeleitet werden, wie z. B. frequenteres Ablesen des Brennstoffzellensensors S im Schritt D4), Beobachten des Brennstoffgehaltanstiegs und/oder Einleiten weiterer Diagnosen D1), D2), D3). Eine höhere Grenze bzw. ein zweiter Schwellenwert kann bspw. ein warnendes Handeln nach sich ziehen, wie z. B. Auffordern des Fahrers zum Anhalten des Fahrzeuges 1, Auffordern der Fahrzeuginsassen, das Fahrzeug 1 zu verlassen, Warnen der anderen Verkehrsteilnehmer usw.
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Ab einem gewissen Schwellenwert können folgende Schritte eingeleitet werden:
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- D1) Betreiben des Purge- und/oder Drainsystems Q1, wobei das Stack-Belüftungssystem Q2, das Tank-Belüftungssystem Q3 und das Anodensystem-Umgebung-Belüftungssystem Q4, sofern vorhanden, inaktiv (d. h. deaktiviert oder nicht im Betrieb, ein Purgeventil PDV ist zu) sind,
- D2) Betreiben des Stack-Belüftungssystems Q2, wobei das Purge- und/oder Drainsystem Q1, das Anodensystem-Umgebung-Belüftungssystem Q4 und das Tank-Belüftungssystem Q3 inaktiv sind, und/oder
- D3) Betreiben des Tank-Belüftungssystems Q3, wobei das Purge- und/oder Drainsystem Q1, das Anodensystem-Umgebung-Belüftungssystem Q4 und das Stack-Belüftungssystem Q2 inaktiv sind.
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Ferner kann ein weiterer, in der 2 nicht dargestellter, Schritt durchgeführt werden, bei dem das Anodensystem-Umgebung-Belüftungssystem Q4 betrieben wird, wobei das Purge- und/oder Drainsystem Q1, das Stack-Belüftungssystem Q2 und das Tank-Belüftungssystem Q3 inaktiv sind.
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Die Schritte D1), D2) und/oder D3) können ebenfalls periodisch durchgeführt werden. Somit kann die Detektion ermöglicht werden, aus welcher Quelle die Brennstoff-Leckage bzw. der Brennstoff-Massenstrom stammt.
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Dazu werden die jeweiligen Pfade Q1, Q2, Q3, Q4, Q5 der möglichen Quellen, die im System 100 vorhanden sind, derart geschaltet, sodass kurzzeitig nur eine mögliche Quelle für eine Brennstoff-Leckage bzw. Brennstoff-Massenstrom detektiert wird.
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Zwischen den Schritten D1), D2) und D3) können bestimmte Wartezeiten und/oder Mittelungen, Empfehlungen an den Benutzer des Fahrzeuges 1 eingerichtet werden. Der Schritt D4) kann bspw. beim Abstellen des Fahrzeuges 1 oder kurz vor dem Starten des Fahrzeuges 1 durchgeführt werden, um bspw. schnell zu überprüfen, ob die Belüftungssysteme Q2, Q3, Q4 in Ordnung sind, und/oder um zu erfahren, ob eine zusätzliche Diagnose D2) und/oder D3) erforderlich ist, und/oder um eine Referenzmessung für die Schritte D2) und/oder D3) zu erhalten.
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Zudem ist es denkbar, dass die Messwerte in den Schritten D1) bis D4) untereinander, mit einander oder auch in Kombination miteinander verglichen werden, um die Ergebnisse des Diagnoseverfahrens zu plausibilisieren (bspw. Wert in D4 = Wert in D2+Wert in D3?)
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Zudem kann das Diagnoseverfahren mindestens einen der folgenden Schritte aufweisen:
- D5) Überwachen von Messwerten des Brennstoffsensors S in einem unbelüfteten Betrieb („all closed“) des Brennstoffzellensystems 100, wobei das Purge- und/oder Drainsystem Q1, das Stack-Belüftungssystem Q2, das Tank-Belüftungssystem Q3 und das Anodensystem-Umgebung-Belüftungssystem Q4 alle, sofern vorhanden, ausgeschaltet sind. Somit kann der Brennstoffsensor S1 geeicht bzw. kalibriert werden. Auch kann somit eine Offen/Zu-Diagnose eines Purge-Ventils PVD durchgeführt werden.
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Außerdem kann das Diagnoseverfahren mindestens einen der folgenden Schritte aufweisen:
- D6) Überwachen von Messwerten des Brennstoffsensors S in einem voll belüfteten Betrieb („all open“) des Brennstoffzellensystems 100, wobei das Purge- und/oder Drainsystem Q1, das Stack-Umgebung-Belüftungssystem Q2, das Tank-Umgebung-Belüftungssystem Q3 und das Anodensystem-Umgebung-Belüftungssystem Q4 alle, sofern vorhanden, aktiv sind. Dieser Schritt D6) kann bspw. beim Abstellen des Fahrzeuges 1 oder kurz vor dem Starten des Fahrzeuges 1 durchgeführt werden, um bspw. schnell zu überprüfen, ob alles in Ordnung ist, und/oder um zu erfahren, ob eine zusätzliche Diagnose D1), D2) und/oder D3) erforderlich ist, und/oder um eine Referenzmessung für die Schritte D1), D2) und/oder D3) zu erhalten.
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Zudem ist es denkbar, dass die Messwerte in den Schritten D1) bis D6) untereinander, miteinander oder auch in Kombination miteinander verglichen werden, um die Ergebnisse des Diagnoseverfahrens zu plausibilisieren (bspw. Wert in D1 <= Wert in D6?)
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Die 3 dient zum veranschaulichen des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Kalibrieren (oder kurz des Kalibrierungsverfahrens) eines Brennstoffsensors S, welcher als einziger Brennstoffsensor S zum Sensieren und/oder Überwachen sämtlicher Brennstoff-Leckagen und/oder Brennstoff-Massenströme im Brennstoffzellensystem 100 gemäß der 1 eingesetzt wird.
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Das Kalibrierungsverfahren gemäß der 3 kann bspw. im Schritt D5) des Diagnoseverfahrens gemäß der 2 durchgeführt werden.
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Es ist aber auch denkbar, dass das Kalibrierungsverfahren gemäß der 3 losgelöst bzw. unabhängig von dem Diagnoseverfahren gemäß der 2 als ein separates Verfahren durchgeführt werden kann.
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Das Kalibrierungsverfahren im Sinne der Erfindung weist folgende Schritte auf:
- 1) Öffnen des Bypassventils BV in der Bypassleitung 13, um die Bypassleitung 13 offen zu betreiben,
- 2) Schließen der Absperrventile SV1, SV2 in der Zuluftleitung 11 und in der Abluftleitung 12, um die, vorzugsweise ganze, Zuluft aus der Zuluftleitung 11 durch die Bypassleitung 13 vorbei an der mindestens einen Brennstoffzelle 101 zu führen und in die Abluftleitung 12 einzuleiten,
- 3) Durchführen einer Kalibrierung, insbesondere einer Nullpunkt-Kalibrierung, des Brennstoffsensors S.
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Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass am Brennstoffsensor S die Zuluft aus der Zuluftleitung 11 ankommt.
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Im Schritt 2) können vorzugsweise auch sämtliche weitere Subsysteme Q1, Q2, Q3, Q4, Q5 die im System 100 vorhanden sind und Quellen von Brennstoff H2 sein können, wie das Purge- und/oder Drainsystem Q1 sowie sämtliche Belüftungssysteme Q2, Q3, Q4, wie das Stack-Umgebung-Belüftungssystem Q2, das Tanksystem-Umgebung-Belüftungssystem Q3 und Anodensystem-Umgebung-Belüftungssystem Q4, sofern vorhanden, und der Kathodenpfad als eine indirekte Quelle Q5 für Brennstoff geschlossen und/oder abgesperrt und/oder abgetrennt werden.
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Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass zum Durchführen der Kalibrierung, insbesondere der Nullpunkt-Kalibrierung, des Brennstoffsensors 3) im Schritt 3) kein Brennstoff H2 am Brennstoffsensor S ankommt.
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Der aktuelle Messpunkt des Brennstoffsensors S kann folglich auf null gesetzt werden.
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Nach dem Schritt 2) oder im Schritt 2) kann weiterhin mindestens ein weiterer (Unter)Schritt vorgesehen werden:
- 2a) Betreiben eines Verdichters V in der Zuluftleitung 11 mit mindestens einer Drehzahl.
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Auf diese Weise kann ein Massenstrom an Zuluft durch die Zuluftleitung 11, die Bypassleitung 13 und die Abluftleitung 12 befördert werden.
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Wenn es gewünscht oder erforderlich ist, kann ein Soll-Massenstrom berechnet werden, welcher schätzungsweise am Brennstoffsensor S ankommt. Hierzu kann nach dem Schritt 2) oder im Schritt 2) weiterhin mindestens ein weiterer (Unter)Schritt vorgesehen werden:
- 2b) Ermitteln, bspw. Vermessen und Berechnen oder Schätzen, eines Soll-Massenstroms des sauerstoffhaltigen Reaktanten, der am Brennstoffsensor S ankommen soll.
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Somit kann überprüft werden, ob der berechnete Soll-Massenstrom tatsächlich am Brennstoffsensor S ankommt. Hierzu kann nach dem Schritt 2) oder im Schritt 2) weiterhin mindestens ein weiterer (Unter)Schritt vorgesehen werden:
- 2c) Überprüfen, bspw. Vermessen und Berechnen, des Massenstroms des sauerstoffhaltigen Reaktanten, der am Brennstoffsensor S ankommen soll, mithilfe von Messergebnissen eines Massenstromsensors im Kathodensystem.
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Darüber hinaus kann der Druck in der Abluftleitung 12 vermessen werden, um den Soll-Massenstrom mit einer erhöhten Genauigkeit zu ermitteln oder zu verifizieren. Hierzu kann nach dem Schritt 2) oder im Schritt 2) weiterhin mindestens ein weiterer (Unter)Schritt vorgesehen werden:
- 2d) Überprüfen bzw. Vermessen eines Druckes in dem Kathodenpfad 10 durch einen Drucksensor.
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Der ermittelte Soll-Massenstrom, der vermessene Massenstrom und der Druck können dazu genutzt werden, um zu überprüfen, ob der Verdichter V richtig funktioniert und/oder oder es Leckagen in den Leitungen 11, 12, 13 gibt.
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In einem Normalfall soll kein Brennstoff H2 am Brennstoffsensor S sensiert werden. Die Nullpunkt-Kalibrierung kann dann mit einer erhöhten Sicherheit erfolgen.
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Ferner ist es denkbar, dass mindestens ein weiterer (Unter)Schritt vorgesehen werden kann:
- 2e) Variieren der Drehzahl, mit der der Verdichter V betrieben wird.
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Aus diese Weise können mehrere Betriebspunkte im Betrieb des Verdichters V abgefahren werden.
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Nach dem Schritt 3) oder im Schritt 3) kann weiterhin mindestens ein weiterer (Unter)Schritt vorgesehen werden:
- 3a) Überwachen von Messergebnissen des Brennstoffsensors S,
- 3b) Bestimmen, dass der Brennstoffsensor S funktionsfähig ist, wenn sich die Messergebnisse des Brennstoffsensors S bei einem Variieren der Drehzahl des Verdichters V, bei einem Variieren des Massenstroms des sauerstoffhaltigen Reaktanten und/oder bei einem Variieren des Druckes im Kathodenpfad 10 nicht verändern.
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Die Messergebnisse des Brennstoffsensors S sollen unabhängig von dem Massenstrom oder dem Druck der Abluft sein. Auch die Drehzahl des Verdichters soll die Messergebnisse des Brennstoffsensors S nicht beeinflussen. Wenn der Brennstoffsensor S funktionsfähig ist, werden sich seine Messergebnisse bei einem Variieren der Drehzahl des Verdichters V, bei einem Variieren des Massenstroms des sauerstoffhaltigen Reaktanten und/oder bei einem Variieren des Druckes im Kathodenpfad 10 nicht verändern. Auf diese Weise kann einfach und bequem sichergestellt werden, dass der Brennstoffsensor S funktionsfähig ist.
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Weiterhin kann das Kalibrierverfahren mindestens einen weiteren von den folgenden Schritten aufweisen:
- 4) Einführen eines Massenstroms des brennstoffhaltigen Reaktanten in die Abluftleitung 12 vor dem Brennstoffsensor S,
- 5) Durchführen einer Mengenpunkt-Kalibrierung des Brennstoffsensors S.
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Auf diese Weise kann, wenn gewünscht, eine Kalibrierung des Brennstoffsensors S bei unterschiedlichen Mengenpunkten durchgeführt werden. Für die Mengenpunkt-Kalibrierung des Brennstoffsensors kann in die Abluftleitung 12 Brennstoff durch die Purge- und/oder Drainleitung L1 gezielt zugeführt werden, wenn der Anodenpfad vorzugsweise auf einen möglichst definierten Zustand geführt wird, z.B. durch Spülen mit frischem Brennstoff, wenn die Konzentration von Brennstoff hoch und näherungsweise bekannt ist. Dabei kann vorteilhafterweise darauf geachtet werden, dass die Konzentration des Brennstoffs in der Abluft eine kritische Grenze, sog. Explosionsgrenze nicht übersteigt.
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Auch bei einer Mengenpunkt-Kalibrierung kann das Verfahren mindestens einen weiteren Schritt aufweisen:
- 4a) Betreiben eines Verdichters V in der Zuluftleitung 11 mit mindestens einer Drehzahl.
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Auf diese Weise kann der injizierte Massenstrom des brennstoffhaltigen Reaktanten im Schritt 4) wie gewünscht verdünnt werden, um bspw. eine bestimmte Konzentration des brennstoffhaltigen Reaktanten am Brennstoffsensor S zu erhalten.
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Ferner kann das Verfahren mindestens einen weiteren von den folgenden Schritten aufweisen:
- 4b) Berechnen oder Schätzen eines Soll-Massenstroms des sauerstoffhaltigen Reaktanten, der am Brennstoffsensor S ankommt,
- 4c) Überprüfen des Massenstroms des sauerstoffhaltigen Reaktanten, der am Brennstoffsensor S ankommen soll mithilfe von Messwerten eines Massenstromsensors im Kathodenpfad, bspw. in der Zuluftleitung 11, und/oder
- 4d) Überprüfen eines Druckes in dem Kathodenpfad 10 durch einen Drucksensor.
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Weiterhin kann das Verfahren mindestens einen weiteren von den folgenden Schritten aufweisen:
- 4e) Variieren der Drehzahl, mit der der Verdichter V betrieben wird,
- 4f) Variieren des Massenstroms des brennstoffhaltigen Reaktanten, der in die Abluftleitung 12 vor dem Brennstoffsensor S eingeführt wird, und/oder
- 5a) Kalibrieren des Brennstoffsensors S auf einen Messpunkt, der einer bestimmten Konzentration des brennstoffhaltigen Reaktanten entspricht, insbesondere in Anhängigkeit von dem Massenstrom des brennstoffhaltigen Reaktanten, der in die Abluftleitung 12 vor dem Brennstoffsensor S eingeführt wird, der Drehzahl des Verdichters V, dem Massenstrom des sauerstoffhaltigen Reaktanten am Brennstoffsensor S und/oder dem Druck im Kathodenpfad 10.
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Auf diese Weise kann zusätzlich eine Kalibrierung des Brennstoffsensors S bei unterschiedlichen Mengenpunkten durchgeführt werden. Auch dabei kann vorteilhafterweise darauf geachtet werden, dass die Konzentration des Brennstoffs in der Abluft eine kritische Grenze, sog. Explosionsgrenze nicht übersteigt.
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Vorteilhafterweise können zusätzliche Schritte für einen Reaktionstest des Brennstoffsensors S durchgeführt werden:
- 4g) Erhöhen oder Reduzieren oder Ausschalten des Massenstroms des brennstoffhaltigen Reaktanten, der in die Abluftleitung 12 vor dem Brennstoffsensor S eingeführt wird,
- 5b) Überprüfen, ob und/oder wie schnell, der Brennstoffsensor S auf das Erhöhen oder Reduzieren oder Ausschalten des Massenstroms reagiert.
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Darüber hinaus kann mithilfe der Erfindung ermöglicht werden, dass der kalibrierte Brennstoffsensor S dazu dienen kann:
- 6) Durchführen eines Purgevorganges des Anodensystems 20,
- 7) Bewerten eines Purgegases mithilfe von Messergebnissen des Brennstoffsensors S,
- 8) Adaptieren des Purgevorganges des Anodensystems 20, bis durch den Brennstoffsensor S eine erwartete Konzentration des brennstoffhaltigen Reaktanten in einem Massenstrom des Purgegases sensiert wurde.
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Auf diese Weise kann der Purgegas, vorzugsweise auf den Anteil des Brennstoffes, bspw. im Vergleich zum Stickstoff, untersucht werden. Somit kann eine verbesserte Steuerung des Purgevorganges geschaffen werden.
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Vorteilhafterweise ist es möglich, dass die Ergebnisse des Diagnoseverfahrens gemäß der 2 und/oder des Kalibrierungsverfahrens gemäß der 3 in einem Speicher des Brennstoffzellensystems 101 oder in einem Online-Speicher aufgezeichnet werden.
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Ferner ist es denkbar, dass das Diagnoseverfahren gemäß der 2 und/oder das Kalibrierungsverfahren gemäß der 3 periodisch, bspw. nach einer bestimmten Zeit, regelmäßig, bspw. nach einem Tankwechsel, Tankbefüllen, nach einem Druckwechsel, bei jedem langfristigen Parken des Fahrzeuges 1, bspw. über Nacht oder auf einem Flughafen-Parkplatz etc., und/oder lastprofilabhängig, bspw. nach einer bestimmten Anzahl von Start/Stopps und/oder nach einer bestimmten erbrachten Leistung (Kilometerstand des Fahrzeuges 1, Kilowatt Elektroleistung des Brennstoffzellensystems 100, bestimmter Durchsatz des Verdichters usw. durchgeführt werden. Das Diagnoseverfahren gemäß der 2 und/oder das Kalibrierungsverfahren gemäß der 3 können bspw. in einem Steuergerät des Brennstoffzellensystems 100 oder in einem Online-Server ausgewertet werden.
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Ebenfalls kann es vorteilhaft sein, den Benutzer des Fahrzeuges 1 über die Ergebnisse des Diagnoseverfahrens gemäß der 2 und/oder des Kalibrierungsverfahrens gemäß der 3 zu informieren, bspw. über eine Anzeigeeinheit, z. B. in einem Armaturenbrett des Fahrzeuges 1, in einem Headup-Display o. Ä.
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Zudem ist es denkbar, dass das Brennstoffzellensystem 100 zum Durchführen des Verfahrens in einen leistungsfreien Zustand überführt wird. Unter leistungsfreien Zustand des Brennstoffzellensystems 100 kann der Zustand verstanden werden, wenn das Brennstoffzellensystem keine elektrische Energie liefert und die Absperrventile in der Zuluftleitung und der Abluftleitung des Kathodensystems geschlossen sind. Somit kann sichergestellt werden, dass das Verfahren jederzeit durchgeführt werden kann, wenn dies erforderlich ist, bspw. wenn es erkennbar ist, dass der Brennstoffsensor keine zuverlässigen Ergebnisse liefert.
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Die Erfindung stellt gemäß dem zweiten Aspekt Brennstoffzellensystem 100 mit einem Brennstoffsensor S bereit, der durch ein Verfahren kalibriert wurde, welches wie oben beschrieben ablaufen kann.
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Ein Fahrzeug 1 mit einem entsprechenden Brennstoffzellensystem 100 stellt ebenfalls einen Aspekt der Erfindung dar.
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Die voranstehende Beschreibung der Figuren beschreibt die vorliegende Erfindung ausschließlich im Rahmen von Beispielen. Selbstverständlich können einzelne Merkmale der Ausführungsformen, sofern es technisch sinnvoll ist, frei miteinander kombiniert werden, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
