-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überprüfung einer Dichtheit von Absperrvorrichtungen, insbesondere von Absperrventilen, in einem Kathodensystem eines Brennstoffzellensystems. Ferner betrifft die Erfindung ein korrespondierendes Computerprogrammprodukt. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein korrespondierendes Steuergerät zum Durchführen eines entsprechenden Verfahrens. Zudem betrifft die Erfindung ein korrespondierendes Brennstoffzellensystem mit einem entsprechenden Steuergerät.
-
Stand der Technik
-
Bei Fahrzeugen (eng. „fuel cell vehicle“ bzw. FCV), bei denen Antriebsenergie (u.a.) auch durch ein (oder mehrere) Brennstoffzellensystem(en) (eng. „fuel cell system“ bzw. FCS) geliefert wird, wird in der Regel das Oxidationsmittel Sauerstoff aus der Umgebungsluft und als Reduktionsmittel bzw. Kraftstoff Wasserstoff benutzt, um in der Brennstoffzelle zu Wasser (bzw. Wasserdampf) zu reagieren und damit durch elektrochemische Wandlung eine elektrische Leistung zu liefern.
-
Zumeist wird der Kathodenpfad durch einen Stack eines Brennstoffzellensystems stromaufwärts des Stack-Einlasses und stromabwärts des Stack-Auslasses mittels dichtschließenden Absperrvorrichtungen abgesperrt, um beim Abschalten des Stacks, bspw. zum Abschalten des Brennstoffzellensystems oder des Brennstoffzellenfahrzeuges oder auch nur für Standby, z.B. wenn keine Leistung des Stacks geliefert werden soll, den Kathodenpfad zur Umgebung hin abzutrennen, Sauerstoff zu verarmen bzw. zu inertisieren, insbesondere um eine Leerlaufspannung zu vermeiden.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Die vorliegende Erfindung sieht gemäß dem ersten Aspekt vor: ein Verfahren zur Überprüfung einer Dichtheit von Absperrvorrichtungen, insbesondere von Absperrventilen, in einem Kathodensystem eines Brennstoffzellensystems mit den Merkmalen des unabhängigen Verfahrensanspruches. Die vorliegende Erfindung sieht gemäß dem zweiten Aspekt vor: ein Computerprogrammprodukt mit den Merkmalen des unabhängigen Produktanspruches. Die vorliegende Erfindung sieht gemäß dem dritten Aspekt vor: ein Steuergerät mit den Merkmalen des unabhängigen Vorrichtungsanspruches. Die vorliegende Erfindung sieht gemäß dem vierten Aspekt vor: ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des nebengeordneten Vorrichtungsanspruches. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit unterschiedlichen Ausführungsformen und/oder Aspekten der Erfindung beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit den anderen Ausführungsformen und/oder Aspekten und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Ausführungsformen und/oder Aspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.
-
Die Erfindung stellt bereit: Verfahren (kann ebenfalls als ein Diagnoseverfahren genannt werden) zur Überprüfung einer Dichtheit von Absperrvorrichtungen, insbesondere von Absperrventilen, in einem Kathodensystem eines Brennstoffzellensystems,
aufweisend folgende Aktionen/Verfahrensschritte:
- - Betreiben des Kathodensystems in einem Bypassbetrieb, in welchem ein Kathodenpfad durch einen Brennstoffzellenstack des Brennstoffzellensystems mithilfe von Absperrvorrichtungen abgesperrt ist,
wie z. B. bei einem Start, in einer Standby-Phase, bei einem Stopp, bei einem Abstellen und ggf. bei weiteren Systemzuständen,
wobei insbesondere bei dem Bypassbetrieb im Wesentlichen gleiche Drücke vor und nach dem Stack eingestellt werden, - - Überwachen (bspw. umfassend Erfassen und/oder Auswerten) einer elektrischen Zustandsgröße, insbesondere einer elektrischen Spannung, des Brennstoffzellenstacks, insbesondere einer Gesamtspannung des Stacks,
- - Bewerten der Dichtheit von Absperrvorrichtungen in Abhängigkeit von dem Überwachen.
-
Alternative zur Spannung korrespondierende Größen, die Überwacht werden können, können Messwerte aus EIS-Verfahren (eng. „Electrochemical impedance spectroscopy“ oder kurz EIS) oder aus HFR-Verfahren (eng. „High Frequency Resistance“) oder abgeleiteter Größen sein (Gradienten, Differenzwerte, etc.).
-
Der Brennstoffzellenstack kann ebenfalls als ein Brennstoffzellenstapel oder einfach Stack bezeichnet werden. Das Kathodensystem kann ebenfalls als ein Luftsystem bezeichnet werden.
-
Das Brennstoffzellensystem kann dabei mindestens einen oder mehrere Stacks aufweisen. Das Verfahren kann dabei jeweils für einen Stack in dem Brennstoffzellensystem durchgeführt werden. Das Brennstoffzellensystem kann vorzugsweise für mobile Anwendungen, insbesondere in Fahrzeugen, ausgelegt sein. Aber auch stationäre Anwendungen, wie z. B. in Generatoren, sind ebenfalls denkbar.
-
Mithilfe der Erfindung wird ein Verfahren zur Überprüfung der Dichtheit von Absperrvorrichtungen/Ventilen im Kathodenpfad des Brennstoffzellenstacks, insbesondere ohne Cell-Voltage-Monitoring-Sensorik, oder eng. CVM, bereitgestellt. Die Dichtfunktion von Absperrvorrichtungen kann dabei vorzugsweise ohne CVM-Sensorik überprüft werden, die eine Messung von Einzelzellspannungen und/oder Spannungen von mehreren Zellen erfordert.
-
Das erfindungsgemäße Verfahren dient zur Überprüfung der Dichtheit von Absperrvorrichtungen/Ventilen im Kathodenpfad des Stacks (stromaufwärts des Stack-Kathodeneingangs und stromabwärts des Stack-Kathodenausgangs). Hierzu wird vorgeschlagen, die Spannungstrajektorien des Brennstoffzellenstacks (insbesondere Gesamtspannung des Stacks) zu vermessen und anhand von Spannungsverläufen die Dichtheit von Absperrvorrichtungen zu beurteilen. Da bei abgesperrten und intakten bzw. dichtschließenden Absperrvorrichtungen keine Edukte zum Stack strömen sollten, sollte auch keine elektrische Spannung durch den Stack erzeugt werden. Folglich kann bei einer Erfassung von einem Spannungsanstieg trotz abgesperrter Absperrvorrichtungen davon ausgegangen werden, dass die Absperrvorrichtungen undicht sind. Wiederum kann bei keiner Erfassung von wesentlichen Spannungsanstiegen bei abgesperrten Absperrvorrichtungen davon ausgegangen werden, dass die Absperrvorrichtungen intakt sind.
-
Das Verfahren kann somit einen (ersten) Dichtheitstest zumindest in einem Bypassbetrieb des Kathodensystems bereitstellen, bei welchem im Wesentlichen gleiche Drücke vor und nach dem Stack eingestellt werden.
-
Weiterhin kann das Verfahren einen (Vorab-)Dichtheitstest in einem Stillstand des Brennstoffzellensystems und insbesondere in einem Stillstand einer Gasfördermaschine im Kathodensystem des Brennstoffzellensystems vorsehen, bspw. als eine Vorabdiagnose und/oder Trigger zum Durchführen des eigentlichen Dichtheitstests.
-
Des Weiteren kann das Verfahren einen weiteren, bspw. gezielt auf eine Absperrvorrichtung gerichteten, Dichtheitstest in einem angepassten Bypassbetrieb und/oder in einem Mildsurge-Betrieb des Kathodensystems vorsehen, bei welchem unterschiedliche Drücke vor und nach dem Stack eingestellt werden, vorzugsweise um eine Pin-Pointing-Diagnose durchführen zu können, welche konkrete Absperrvorrichtung (vor und/oder nach dem Stack) undicht ist.
-
Darüber hinaus kann das Verfahren eine Kombination von Dichtheitstests vorsehen:
- - einen Dichtheitstest in einem Stillstand des Brennstoffzellensystems und insbesondere in einem Stillstand einer Gasfördermaschine im Kathodensystem des Brennstoffzellensystems, bspw. als eine Vorabdiagnose und/oder Trigger zum Durchführen des eigentlichen Dichtheitstests,
- - einen Dichtheitstest in einem Bypassbetrieb des Kathodensystems, und/oder
- - einen weiteren, bspw. gezielt auf eine Absperrvorrichtung gerichteten, Dichtheitstest in einem angepassten Bypassbetrieb und/oder in einem Mildsurge-Betrieb des Kathodensystems.
-
Die Ergebnisse aus dem Diagnoseverfahren können vorteilhafterweise verwendet werden, um folgende Maßnahmen bereitstellen zu können:
- - Adaptionen von Betriebsstrategien bei einem Start, insbesondere bei einem Gefrierstart,
- - Adaption von Betriebsstrategien bei Stopp-Vorgängen, Trocknungsvorgängen, usw., und/oder
- - Adaptionen von Funktionen/Betriebsstrategien in einem Stillstand, bspw. über Wake-up-Funktionen,
- - Adaption von Betriebsstrategien zur optimalen Betriebsführung, und/oder
- - Nutzung von Diagnoseergebnissen via Cloud/Server, bspw. zur Optimierung von weiteren Fahrzeugen oder sogar von Fahrzeug-Flotten,
- - Trigger für Inspektion/Werkstattüberprüfung/Teiletausch, insbesondere bei signifikanter Undichtheit, bspw. zur Inspektion/ Werkstattüberprüfung /Austausch von einzelnen oder allen Absperrvorrichtungen, usw.
-
Mithilfe des Verfahrens können gravierende Vorteile im Hinblick auf folgende Effekte erzielt werden:
- - Reduktion oder sogar Vermeidung von Degradation/Alterung des Stacks,
- - Sicherstellung oder sogar Verbesserung der Funktionalität des Systems bei unterschiedlichen Betriebsstrategien, wie z. B. bei einem Start, insbesondere bei einem Gefrierstart, usw.
-
Ferner kann vorgesehen sein, dass, wenn beim Überwachen ein Spannungsanstieg erfasst wird, eine Undichtheit von Absperrvorrichtungen detektiert wird. Auf diese Weise kann festgestellt werden, dass Luft zu dem Stack gelangt, was ein Anzeichen von Undichtheit von einer oder von beiden Absperrvorrichtungen ist. An dieser Stelle ist aber noch nicht klar, welcher von den Absperrvorrichtungen oder ob sogar beide Absperrvorrichtungen undicht sind.
-
Weiterhin kann vorgesehen sein, dass, wenn beim Überwachen kein Spannungsanstieg erfasst wird, eine Dichtheit von Absperrvorrichtungen detektiert wird. Somit kann festgestellt werden, dass keine Luft zu dem Stack gelangt, was ein Anzeichen von Dichtheit von beiden Absperrvorrichtungen ist.
-
Des Weiteren kann das Verfahren mindestens einen weiteren Schritt aufweisen:
- - Einleiten eines, insbesondere gezielten, vorzugsweise auf eine bestimmte von den Absperrvorrichtungen gerichteten, Dichtheitstests von mindestens einer von Absperrvorrichtungen, wenn eine Undichtheit von Absperrvorrichtungen detektiert wird.
-
Auf diese Weise kann ein weiterer, insbesondere gezielt auf eine Absperrvorrichtung gerichteter, Dichtheitstest angefordert werden. Der weitere Dichtheitstest kann bspw. in einem (insbesondere im Hinblick auf die Drücke vor und nach dem Stack) angepassten Bypassbetrieb und/oder in einem Mildsurge-Betrieb des Kathodensystems durchgeführt werden, sodass eine gezielte Überprüfung einer konkreten Absperrvorrichtung (vor und/oder nach dem Stack) durchgeführt werden kann. Wenn dabei festgestellt wird, dass die überprüfte Absperrvorrichtung dicht ist, dann ist es ein Anzeichen von Undichtheit von der anderen Absperrvorrichtung. Wenn dabei festgestellt wird, dass die überprüfte Absperrvorrichtung undicht ist, dann kann die Diagnose abgeschlossen werden.
-
Darüber hinaus kann das Verfahren mindestens einen weiteren von den folgenden Schritten aufweisen:
- - Betreiben des Kathodensystems in einem (insbesondere im Hinblick auf die Drücke vor und nach dem Stack) angepassten Bypassbetrieb und/oder in einem Mildsurge-Betrieb, in welchem ein Kathodenpfad durch einen Brennstoffzellenstack des Brennstoffzellensystems mithilfe von Absperrvorrichtungen abgesperrt ist,
wie z. B. bei einem Start, in einer Standby-Phase, bei einem Stopp, bei einem Abstellen und ggf. bei weiteren Systemzuständen, wobei insbesondere bei dem Bypassbetrieb unterschiedliche Drücke vor und nach dem Stack eingestellt werden, - - Überwachen einer elektrischen Spannung des Brennstoffzellenstacks,
- - Bewerten der Dichtheit von mindestens einer von Absperrvorrichtungen in Abhängigkeit von dem Überwachen.
-
Beim Betreiben des Kathodensystems in einem angepassten Bypassbetrieb und/oder in einem Mildsurge-Betrieb brauchen Ventile in dem Abgaspfad nicht bzw. nicht mit wesentlichen Drücken beaufschlagt werden. Zugleich kann eine signifikante Druckdifferenz an dem Ventil bzw. an der Absperrvorrichtung in dem Zuluftpfad bereitgestellt werden. Hierbei kann das Bypass-Ventil geschlossen oder zumindest teilgeschlossen werden. Auf diese Weise kann der Abgaspfad entlastet werden.
-
Auf diese Weise kann ein weiterer, insbesondere gezielt auf eine Absperrvorrichtung gerichteter, Dichtheitstest durchgeführt werden.
-
Ferner kann vorgesehen sein, dass, wenn beim Überwachen ein Spannungsanstieg erfasst wird, eine Undichtheit von der mindestens einen von Absperrvorrichtungen detektiert wird, die auf Dichtheit getestet wird. An dieser Stelle kann die Diagnose beendet werden, da die undichte Absperrvorrichtung erkannt wurde.
-
Weiterhin kann vorgesehen sein, dass, wenn beim Überwachen kein Spannungsanstieg erfasst wird, eine Dichtheit von der mindestens einen von Absperrvorrichtungen detektiert wird und eine Undichtheit von einer anderen von Absperrvorrichtungen festgestellt wird. Somit kann eine sog. Ausschluss-Diagnose durchgeführt werden, bei der indirekt die Undichtheit der anderen Absperrvorrichtung detektiert wird.
-
Des Weiteren kann das Verfahren mindestens einen weiteren von den folgenden Schritten aufweisen,
der insbesondere vor dem Durchführen des Haupt-Dichtheitstest und ggf. des weiteren Dichtheitstests durchgeführt wird, bspw. als eine Vorabdiagnose, und der vorzugsweise in einem Stillstand des Brennstoffzellensystems und/oder in einem Stillstand einer Gasfördermaschine des Kathodensystems durchgeführt wird:
- - Auslösen einer Überprüfung der Dichtheit von Absperrvorrichtungen mithilfe einer Wake-up-Funktion durch ein internes und/oder ein externes Steuergerät,
- - Überwachen des Kathodensystems im Stillstand, in welchem ein Kathodenpfad des Kathodensystems durch den Brennstoffzellenstack mithilfe von Absperrvorrichtungen abgesperrt ist,
- - Überwachen einer elektrischen Spannung des Brennstoffzellenstacks,
- - Bewerten der Dichtheit von mindestens einer von Absperrvorrichtungen in Abhängigkeit von dem Überwachen,
- - Einleiten eines Dichtheitstests (des Haupt-Dichtheitstest und ggf. des weiteren Dichtheitstests), wenn eine Undichtheit von Absperrvorrichtungen detektiert wird.
-
Auf diese Weise kann eine Vorabdiagnose durchgeführt werden, die als ein Trigger zum Durchführen des eigentlichen Dichtheitstests genutzt werden kann, wenn eine Dichtheit von Absperrvorrichtungen detektiert wird.
-
Vorteilhafterweise kann das Verfahren mindestens einen weiteren von den folgenden Schritten aufweisen:
- - Aufzeichnen von Spannungstrajektorien, Lastprofilen und/oder Diagnoseergebnisse durch ein internes und/oder ein externes Steuergerät, und/oder
- - Anpassen von mindestens einer Funktion und/oder Betriebsstrategie zum Betreiben des Brennstoffzellensystems in Abhängigkeit vom Bewerten der Dichtheit von mindestens einer von Absperrvorrichtungen, und/oder
- - Anfordern einer Inspektion/Werkstattüberprüfung/eines Teiletausches, insbesondere bei signifikanter Undichtheit, bspw. einer Inspektion/ Werkstattüberprüfung/eines Austausches von einzelnen oder allen Absperrvorrichtungen.
-
Mithilfe von Aufzeichnungen können erweiterte und/oder systemübergreifende Vorteile erreicht werden, wie z. B. Erstellung von Kennfeldern zum Betreiben von Absperrvorrichtungen, Auswertung von Funktionalität/Lebensdauer von Absperrvorrichtungen, Bereitstellen von Diagnoseergebnissen an weitere Interessenten, bspw. via Cloud/Server, wie z. B: zur Optimierung von weiteren Fahrzeugen oder sogar von Fahrzeug-Flotten, Trigger/Aufforderung für Inspektion/Werkstatt/Teiletausch.
-
Mithilfe von Anpassungen von Funktionen/Betriebsstrategien können wesentliche Vorteile im Hinblick auf Reduktion oder sogar Vermeidung von Degradation/Alterung des Stacks, Sicherstellung oder sogar Verbesserung der Funktionalität des Systems bei unterschiedlichen Betriebsstrategien, wie z. B. bei einem Start, insbesondere bei einem Gefrierstart, usw. erreicht werden.
-
Anpassungen von Funktionen/Betriebsstrategien im Stillstand über Wake-up können folgende Maßnahmen vorsehen: Parking-Purge, Inertisierungs-Funktionen, Rezirkulations-Funktionen, usw. Bei signifikanter Undichtheit kann z.B. eine Inertisierungs-Funktion (Verbrauch Sauerstoff) aktiviert werden. Dadurch kann die Degradation des Stacks erheblich vermieden oder sogar vermindert werden (Vermeidung von zu hohen Spannungen, insbesondere von zu hohen Leerlaufspannungen). Alternativ und/oder zusätzlich dazu kann auch die Absperrvorrichtung durch Inspektion/Werkstatt nach Aufforderung durch die Diagnosedaten getauscht werden und so der Stack geschützt werden. Der Austausch der Absperrvorrichtungen ist im Verhältnis zu einem Stacktausch vom Aufwand und von den Kosten um Größenordnungen kleiner.
-
Anpassungen von Funktionen/Betriebsstrategien bei Start-Vorgängen, insbesondere Gefrierstart, können folgende Maßnahmen vorsehen: Bei undichten Absperrventilen kann der Wassergehalt im Kathodenpfad während der Abstellphase ungewollt erhöht werden (durch Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff aus der Luft). Die Wassermenge im Stack muss insbesondere bei Gefrierstart berücksichtigt werden, um sowohl eine gute Funktionalität des Gefrierstarts sicherzustellen als auch die Degradation und Schädigungen des Stacks zu vermeiden.
-
Anpassungen von Funktionen/Betriebsstrategien bei Stopp-Vorgängen, Trocknungsvorgängen können folgende Maßnahmen vorsehen: Ist bekannt, dass Undichtheiten bei Absperrvorrichtungen vorliegen, dann kann die Betriebsstrategie beim Abstellen adaptiert werden, z.B. etwas mehr Trocknen, um nachfolgend zusätzlich in der Stillstandsphase entstehendes Wasser (s.o.) zu kompensieren und/oder aufnehmen zu können.
Die vorliegende Erfindung sieht gemäß dem zweiten Aspekt vor: ein Computerprogrammprodukt, umfassend Befehle, die bei der Ausführung des Computerprogrammprodukts durch einen Computer diesen veranlassen, ein Verfahren durchzuführen, welches wie oben beschrieben ablaufen kann. Mithilfe des erfindungsgemäßen Computerprogrammprodukts werden die gleichen Vorteile erreicht, die oben im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben wurden. Auf diese Vorteile wird vorliegend vollumfänglich Bezug genommen.
-
Die vorliegende Erfindung sieht gemäß dem dritten Aspekt vor: ein Steuergerät, aufweisend eine Recheneinheit und eine Speichereinheit, in welcher ein Code hinterlegt ist, welcher bei zumindest teilweiser Ausführung durch die Recheneinheit ein Verfahren durchführt, welches wie oben beschrieben, ablaufen kann. Mithilfe des erfindungsgemäßen Steuergeräts werden die gleichen Vorteile erreicht, die oben im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben wurden. Auf diese Vorteile wird vorliegend vollumfänglich Bezug genommen.
-
Das Steuergerät kann dabei als eine zentrale Steuereinheit eines Fahrzeuges, eine gemeinsame Steuereinheit für mindestens ein oder mehrere Brennstoffzellensysteme, als eine lokale Steuereinheit für mindestens ein oder mehrere Subsysteme in einem oder mehreren Brennstoffzellensystemen und/oder als eine verteilte Steuereinheit ausgeführt sein.
-
Vorteilhafterweise kann bei dem Steuergerät vorgesehen sein, dass die Rechenleistung zum Durchführen des Verfahrens zumindest zum Teil an ein externes Steuergerät ausgelagert wird, insbesondere zum Auslösen einer Überprüfung der Dichtheit von Absperrvorrichtungen mithilfe einer Wake-up-Funktion und/oder zum Aufzeichnen von Spannungstrajektorien, Lastprofilen und/oder Diagnoseergebnissen.
-
Die vorliegende Erfindung sieht gemäß dem vierten Aspekt vor: ein Brennstoffzellensystem, aufweisend ein Steuergerät, welche wie oben beschrieben, ausgeführt werden kann. Mithilfe des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems werden die gleichen Vorteile erreicht, die oben im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben wurden. Auf diese Vorteile wird vorliegend vollumfänglich Bezug genommen.
-
Bevorzugte Ausführungsbeispiele:
-
Die Erfindung und deren Weiterbildungen sowie deren Vorteile werden nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen jeweils schematisch:
- 1 eine schematische Darstellung eines Kathodensystems eines Bren nstoffzel lensystems,
- 2 eine schematische Darstellung eines Kathodensystems eines Brennstoffzellensystems,
- 3 eine schematische Darstellung eines Kathodensystems eines Brennstoffzellensystems, und
- 4 einen schematischen Ablauf eines Verfahrens im Rahmen der vorliegenden Offenbarung.
-
In den unterschiedlichen Figuren sind gleiche Teile der Erfindung stets mit denselben Bezugszeichen versehen, weshalb diese i. d. R. nur einmal beschrieben werden.
-
Die 1 bis 4 dienen zum Erklären eines Verfahrens, welches ebenfalls als ein Diagnoseverfahren bezeichnet werden kann. Das Verfahren wurde zur Überprüfung einer Dichtheit von Absperrvorrichtungen SV1, SV2, insbesondere von Absperrventilen, in einem Kathodensystem 10 eines Brennstoffzellensystems 100 entwickelt.
-
Das Verfahren weist folgende Aktionen/Verfahrensschritte auf, wie es in der 4 veranschaulicht ist:
- 101 Betreiben des Kathodensystems 10 in einem Bypassbetrieb BP1, in welchem ein Kathodenpfad 11 durch einen Brennstoffzellenstack 110 des Brennstoffzellensystems 100 mithilfe von Absperrvorrichtungen SV1, SV2 abgesperrt ist,
wie z. B. bei einem Start, in einer Standby-Phase, bei einem Stopp, bei einem Abstellen und ggf. bei weiteren Systemzuständen,
wobei insbesondere bei dem Bypassbetrieb BP1 im Wesentlichen gleiche Drücke vor und nach dem Stack eingestellt werden, - 102 Überwachen, bspw. umfassend Erfassen und/oder Auswerten, einer elektrischen Spannung UStack des Brennstoffzellenstacks 100, insbesondere einer Gesamtspannung des Stacks,
- 103 Bewerten der Dichtheit von Absperrvorrichtungen SV1, SV2 in Abhängigkeit von dem Überwachen.
-
Das Brennstoffzellensystem 100 kann dabei mindestens einen oder mehrere Stacks 110 aufweisen. Das Verfahren kann dabei jeweils für einen Stack 110 in dem Brennstoffzellensystem 100 durchgeführt werden. Das Brennstoffzellensystem 100 kann vorzugsweise für mobile Anwendungen, insbesondere in Fahrzeugen, ausgelegt sein. Aber auch stationäre Anwendungen, wie z. B. in Generatoren, sind ebenfalls denkbar.
-
Bei beim Brennstoffzellensystem 100 wird in der Regel das Oxidationsmittel Sauerstoff in Form einer einfachen Luft aus der Umgebung U und als Reduktionsmittel bzw. Kraftstoff Wasserstoff benutzt, um in dem Stack 110 zu Wasser (bzw. Wasserdampf) zu reagieren und damit durch elektrochemische Wandlung eine elektrische Leistung zu liefern.
-
Wie es die 1 bis 3 verdeutlichen, werden im Kathodenpfad 11 des Stacks 110 stromaufwärts des Stack-Kathodeneingangs und stromabwärts des Stack-Kathodenausgangs, insbesondere dichtschließende, Absperrvorrichtungen SV1, SV2, bspw. in Form von Ventilen, insbesondere Absperrventilen, angeordnet. Die Absperrvorrichtungen SV1, SV2 werden abgesperrt, um beim Abschalten des Stacks 110, bspw. zum Abschalten des Brennstoffzellensystems 100 oder des Brennstoffzellenfahrzeuges oder auch nur für einen Standby-Betrieb, z.B. wenn keine Leistung vom Stack 110 geliefert werden soll, den Kathodenpfad 11 zur Umgebung U hin abzutrennen, Sauerstoff zu verarmen bzw. zu inertisieren, insbesondere um eine Leerlaufspannung zu vermeiden.
-
Wie es die 1 bis 3 ferner verdeutlichen, können im Kathodensystem 10 weitere Komponenten K1, K2, K3, K4 vorgesehen sein, die funktionswesentliche Aufgaben übernehmen können, wie z.B. ein Wärmeübertrager (vor der AbsperrvorrichtungSV1), ein Wasserabscheider (nach der Absperrvorrichtung SV2), usw.
-
Mithilfe des Verfahrens wird eine Überprüfung der Dichtheit von Absperrvorrichtungen/Ventilen SV1, Sv2 im Kathodenpfad 11 des Brennstoffzellenstacks 110, insbesondere ohne Cell-Voltage-Monitoring-Sensorik, oder eng. CVM, durchgeführt.
-
Mithilfe des Verfahrens können die Spannungstrajektorien des Brennstoffzellenstacks 110 (insbesondere Gesamtspannung des Stacks) oder alternative korrespondierende Größen vermessen werden, um in Abhängigkeit von Spannungsverläufen die Dichtheit von Absperrvorrichtungen SV1, SV2 zu beurteilen. Da bei abgesperrten und intakten bzw. dichtschließenden Absperrelementen SV1, SV2 keine Edukte zum Stack 110 durchdringen sollten, sollte auch keine elektrische Spannung UStack durch den Stack 110 erzeugt werden. Folglich kann bei einer Erfassung von einem Spannungsanstieg trotzt abgesperrter Absperrvorrichtungen SV1, SV2 davon ausgegangen werden, dass die Absperrvorrichtungen SV1, SV2 undicht sind. Wiederum kann bei keiner Erfassung von wesentlichen Spannungsanstiegen bei abgesperrten Absperrvorrichtungen SV1, SV2 davon ausgegangen werden, dass die Absperrvorrichtungen SV1, SV2 dicht bzw. intakt sind.
-
Wie es die 2 verdeutlicht, kann das Verfahren einen (ersten) Dichtheitstest SY zumindest in einem Bypassbetrieb BP1 des Kathodensystems 10 bereitstellen, bei welchem im Wesentlichen gleiche Drücke vor und nach dem Stack 110 eingestellt werden. Das Bypassventil ByCath kann dabei geöffnet werden.
-
Das Verfahren, insbesondere der (erste) Dichtheitstest SY, kann während eines Starts, in einer Standby-Phase, bei einem Stopp, bei einem Abstellen und ggf. bei weiteren Systemzuständen, in denen der Kathodenpfad 14 abgesperrt ist, durchgeführt werden.
-
Die Absperrvorrichtungen SV1 und SV2 sind geschlossen (bspw. mithilfe einer Ansteuerung für Abdicht-Modus). Während (bzw. zuvor bereits eingeschaltet) dessen kann der Anodenkreislauf 20 in Betrieb sein, sodass auf der Anodenseite Wasserstoff vorliegen kann. Durch ein Luftverdichtungssystem kann (oder ist bereits aufgrund des Betriebes des Kathodensystems 10 im Bypassbetrieb BP1) ein Prüfdruck bzw. Diagnosedruck pDiag1 aufgebaut werden, der an den Absperrvorrichtungen SV1 und SV2 anliegen kann. Am Ausgang aus dem Kathodensystem 10 können drosselnde Elemente eingebaut werden (verschiedene Topologien sind möglich), wie z.B. ein Druckregelventil, sodass der Diagnosedruck pDiag1 bei der Absperrvorrichtung SV2 näherungsweise ähnlich ist bzw. eingestellt werden kann wie bei der Absperrvorrichtung SV1. Der Diagnosedruck pDiaglkann für eine bestimmte Zeit tDiag1 anliegen, die entweder durch die Diagnose vorgegeben werden kann oder - ohne Beeinflussung des Systembetriebs - abhängig von der aktuellen Dauer tAirSysBypOper des Bypassbetriebs BP1 erfolgen kann. Erfolgt die Diagnose während des „üblichen“ Systembetriebs im Bypassbetrieb BP1, so kann der Diagnosedruck pDiag1 gleich eine Betriebsdruck pAirSysBypOper und die Diagnosezeit tDiag1 kleiner oder gleich einer Betriebszeit tAirSysBypOper eingestellt werden. Bei dem Anliegen des Diagnosedruckes pDiag1 (bzw. incl. Druckaufbau) kann die Spannungstrajektorie Ustack vermessen und ausgewertet werden. Ist die Absperrvorrichtung SV1 undicht, so dringt Sauerstoff in den abgeschlossenen Bereich in den Kathodenpfad 11 ein und gelangt so zum Stack 110 und verursacht eine Spannungserhöhung (auf der Anode ist Wasserstoff vorhanden). Analog verhält es sich bei der Absperrvorrichtung SV2. Aufgrund der anliegenden Druckdifferenz über die Absperrvorrichtungen SV1, SV2 ist dieser Vorgang sehr schnell. Das Diagnose-Ergebnis kann sehr schnell eine genaue Abschätzung der Undichtheit beider Absperrvorrichtungen SV1, SV2 liefern.
-
Um ein Pin-Pointing d.h. eine Zuordnung der Undichtheit zu einzelnen Absperrvorrichtungen SV1 und/oder SV2 vornehmen zu können, kann ein weiterer Dichtheitstest SZ getriggert werden, die mithilfe der 3 erklärt wird.
-
Wie es die 1 zeigt, kann das Verfahren einen (Vorab-)Dichtheitstest SX in einem Stillstand des Brennstoffzellensystems 100 und insbesondere in einem Stillstand einer Gasfördermaschine im Kathodensystem 10 des Brennstoffzellensystems 100 vorsehen, bspw. als eine Vorabdiagnose und/oder Trigger zum Durchführen des eigentlichen Dichtheitstests SY und ggf. bzw. soweit erforderlich des weiteren Dichtheitstests SZ.
-
Der Dichtheitstest SX kann im Stillstand des Kathodensystems 10 bzw. des Brennstoffzellensystems 100 bzw. des Brennstoffzellenfahrzeuges durchgeführt werden. Die Absperrvorrichtungen SV1 und SV2 sind geschlossen (bspw. mithilfe einer Ansteuerung für Abdicht-Modus). Ist die Absperrvorrichtung SV1 undicht, so dringt (langsam aufgrund Diffusionsvorgängen und keinem anliegenden Systemdruck) Sauerstoff in den abgeschlossenen Bereich in den Kathodenpfad 11 und gelangt so zum Stack 110. Dieser Sauerstoff verursacht im Stack 110 eine Spannungserhöhung (zumindest solange Wasserstoff auf der Anodenseite vorhanden ist), die detektierbar ist und ausgewertet werden kann. Ist die Absperrvorrichtung SV2 undicht, so dringt Sauerstoff in den abgeschlossenen Bereich in den Kathodenpfad 11 ein und gelangt so zum Stack 110. Dieser Sauerstoff verursacht ebenfalls eine Spannungserhöhung (zumindest solange Wasserstoff in der Anodenseite ist), die detektierbar ist und ausgewertet werden kann. Allerdings kann in dem Dichtheitstest SX nicht unterschieden werden, welche von den Absperrvorrichtungen SV1 und/oder SV2 undicht ist. Der Vorteil des Dichtheitstests SX liegt darin, dass somit zunächst eine erste Indikation für mögliche Undichtheiten geliefert werden kann, die weitere Dichtheitstests SY und SZ triggern kann.
-
Wie es die 3 zeigt, kann das Verfahren einen weiteren, bspw. gezielt auf eine bestimmte Absperrvorrichtung SV1 gerichteten, Dichtheitstest SZ in einem angepassten Bypassbetrieb BP2 und/oder in einem Mildsurge-Betrieb des Kathodensystems vorsehen, bei welchem unterschiedliche Drücke vor und nach dem Stack 110 eingestellt werden, um überprüfen zu können, welche konkrete Absperrvorrichtung SV1 und/oder SV2 (vor und/oder nach dem Stack) undicht ist.
-
Der Dichtheitstest SZ mit abgesperrten Kathodenpfad 14 im Mildsurge-Betrieb oder im angepassten Bypassbetrieb BP2 des Kathodensystems 10 kann während eines Starts, in einer Standby-Phase, bei einem Stopp, bei einem Abstellen und ggf. bei weiteren Systemzuständen, in denen der Kathodenpfad 14 abgesperrt ist, durchgeführt werden. Die Absperrvorrichtungen SV1 und SV2 sind geschlossen (bspw. mithilfe einer Ansteuerung für Abdicht-Modus). Während (bzw. zuvor bereits eingeschaltet) dessen kann der Anodenkreislauf 20 in Betrieb sein, sodass auf der Anodenseite Wasserstoff vorliegen kann. Durch das Luftverdichtungssystem ist bzw. wird ein Druck aufgebaut. Ist das Luftsystem davor im Bypassbetrieb BP1 (wie in 2 angedeutet ist), so ist bereits ein Druckniveau vorhanden, welches ggf. auf ein Niveau abgesenkt werden kann, welches mit Mildsurge-Betrieb verträglich ist (p < pMildSurgeMax) oder welches im angepassten Bypassbetrieb BP2 möglich ist. Das Bypassventil ByCath kann dabei nahezu geschlossen oder auch ganz geschlossen werden. Ein Abgaspfad aus dem Kathodensystem 10 entdrosselt, z.B. mithilfe eines Druckregelventil oder eines Turbinenbypasses, die hierzu geöffnet werden, damit bei der Absperrvorrichtung SV2 kein wesentlicher Druck anliegt. Beim Schließen vom Bypassventil ByCath geht das Luftverdichtungssystem in den Mildsurge-Betrieb oder weiter in den angepassten Bypassbetrieb.
-
Hinweis zu Betriebsarten gemäß Dichtheitstest SZ:
- - Mildsurge-Betrieb: Der Betriebsmodus wird hier so genannt, weil für das Luftverdichtungssystem in der Regel thermische Strömungs- bzw. Verdichtungsmaschinen verwendet werden, die eine Pumpgrenze haben, die üblicherweise wegen Komponentenschutz nicht überschritten werden darf (bei „Deep Surge“ können Komponentenschäden erfolgen). Jedoch gibt es die Möglichkeit bei kleinen Drücken unterhalb der Pumpgrenze (p < pMildSurgeMax) diese Pumpgrenze zu überschreiten, um in den sog. Mildsurge-Betrieb zu kommen (keine Nachteile/Schäden für die Verdichtungsmaschinen).
- - angepasster Bypassbetrieb BP2 ohne Mildsurge: Das Luftverdichtungssystem kann ggf. auch im Normalbetriebsbereich des Verdichter-Kennfelds (Einhaltung der Pumpgrenze) weiterbetrieben werden (ohne in den Mildsurge-Bereich zu übergehen), wenn das Bypassventil ByCath nicht komplett zugemacht wird und der Abgaspfad ausreichend entdrosseln kann.
-
Ist das Luftverdichtungssystem mit anderer Technologie realisiert als mit Strömungs- bzw. Verdichtungsmaschinen, wie z.B. mit volumetrischen Fördern, bspw. Rootsverdichtern, so braucht keine Pumpgrenze berücksichtigt zu werden.
-
Der Dichtheitstest SZ, bspw. zur Diagnose von SV1, kann mittels der Spannungstrajektorie erfolgen, bspw. mit einem Diagnosedruck pDiag2 in einer Diagnosezeit tDiag2. Die Diagnose kann entweder getriggert und vorgegeben werden oder vorzugsweise ohne Beeinflussung des Systemsbetriebs, bspw. während den genannten Betriebsphasen erfolgen, in denen der Kathodenpfad 11 abgesperrt ist.
-
Wie es die 4 andeutet, kann das Verfahren vorteilhafterweise eine Kombination von Dichtheitstests SX, SY, SZ vorsehen:
- - einen Dichtheitstest SX in einem Stillstand des Brennstoffzellensystems 100 und insbesondere in einem Stillstand einer Gasfördermaschine im Kathodensystem 10 des Brennstoffzellensystems 100, bspw. als eine Vorabdiagnose und/oder Trigger zum Durchführen des eigentlichen Dichtheitstests SY,
- - einen Dichtheitstest SY in einem Bypassbetrieb BP1 des Kathodensystems 10, und/oder
- - einen weiteren, bspw. gezielt auf eine Absperrvorrichtung gerichteten, Dichtheitstest SZ in einem angepassten Bypassbetrieb BP2 und/oder in einem Mildsurge-Betrieb des Kathodensystems 10.
-
Des Weiteren deutet die 4 an, dass das Verfahren mindestens einen weiteren Schritt aufweisen kann:
- 104 Einleiten eines, insbesondere gezielten, vorzugsweise auf eine bestimmte von den Absperrvorrichtungen gerichteten, Dichtheitstests SZ von mindestens einer von Absperrvorrichtungen SV1, SV2, wenn eine Undichtheit von Absperrvorrichtungen SV1, SV2 detektiert wird.
-
Darüber hinaus deutet die 4 an, dass das Verfahren mindestens einen weiteren von den folgenden Schritten aufweisen kann (Dichtheitstest SZ):
- 105 Betreiben des Kathodensystems 10 in einem insbesondere im Hinblick auf die Drücke vor und nach dem Stack 110 angepassten Bypassbetrieb BP2 und/oder in einem Mildsurge-Betrieb, in welchem ein Kathodenpfad 11 durch einen Brennstoffzellenstack 110 des Brennstoffzellensystems 100 mithilfe von Absperrvorrichtungen SV1, SV2 abgesperrt ist,
wie z. B. bei einem Start, in einer Standby-Phase, bei einem Stopp, bei einem Abstellen und ggf. bei weiteren Systemzuständen,
wobei insbesondere bei dem Bypassbetrieb BP1 unterschiedliche Drücke vor und nach dem Stack 110 eingestellt werden, - 106 Überwachen einer elektrischen Spannung UStack des Brennstoffzellenstacks 110,
- 107 Bewerten der Dichtheit von mindestens einer von Absperrvorrichtungen SV1, SV2 in Abhängigkeit von dem Überwachen.
-
Auf diese Weise kann ein weiterer, insbesondere gezielt auf eine Absperrvorrichtung gerichteter, Dichtheitstest SZ durchgeführt werden.
-
Ferner deutet die 4 an, dass, wenn beim Überwachen ein Spannungsanstieg erfasst wird, eine Undichtheit von der mindestens einen von Absperrvorrichtungen SV1, SV2 detektiert wird, die auf Dichtheit getestet wird. An dieser Stelle kann die Diagnose beendet werden, da die undichte Absperrvorrichtung SV1 erkannt wurde.
-
Weiterhin deutet die 4 an, dass, wenn beim Überwachen kein Spannungsanstieg erfasst wird, eine Dichtheit von der mindestens einen von Absperrvorrichtungen SV1, SV2 detektiert wird und eine Undichtheit von einer anderen von Absperrvorrichtungen SV1, SV2 festgestellt wird. Somit kann eine sog. Ausschluss-Diagnose durchgeführt werden, bei der indirekt die Undichtheit der anderen Absperrvorrichtung SV2 detektiert wird.
-
Des Weiteren deutet die 4 an, dass das Verfahren mindestens einen weiteren von den folgenden Schritten aufweisen kann (Dichtheitstest SX), der insbesondere vor dem Durchführen des Dichtheitstests SY und ggf. des Dichtheitstests SZ durchgeführt wird, bspw. als eine Vorabdiagnose, und der vorzugsweise in einem Stillstand des Brennstoffzellensystems 100 und/oder in einem Stillstand einer Gasfördermaschine des Kathodensystems 10 durchgeführt wird:
- 200 Auslösen einer Überprüfung der Dichtheit von Absperrvorrichtungen SV1, SV2 mithilfe einer Wake-up-Funktion durch ein internes und/oder ein externes Steuergerät 111, 112,
- 201 Überwachen des Kathodensystems 10 im Stillstand, in welchem ein Kathodenpfad 11 des Kathodensystems 10 durch den Brennstoffzellenstack 110 mithilfe von Absperrvorrichtungen SV1, SV2 abgesperrt ist,
- 202 Überwachen einer elektrischen Spannung UStack des Brennstoffzellenstacks 110,
- 203 Bewerten der Dichtheit von mindestens einer von Absperrvorrichtungen SV1, SV2 in Abhängigkeit von dem Überwachen,
- 204 Einleiten des Dichtheitstests SY und ggf. des Dichtheitstests SZ, wenn eine Undichtheit von Absperrvorrichtungen SV1, SV2 detektiert wird.
-
Zudem deutet die 4 an, dass das Verfahren mindestens einen weiteren von den folgenden Schritten aufweisen kann:
- 120 Aufzeichnen von Spannungstrajektorien UStack(P), Lastprofilen P(t) und/oder Diagnoseergebnisse durch ein internes und/oder ein externes Steuergerät 111, 112, und/oder
- 109 Anpassen von mindestens einer Funktion und/oder Betriebsstrategie zum Betreiben des Brennstoffzellensystems 100 in Abhängigkeit vom Bewerten der Dichtheit von mindestens einer von Absperrvorrichtungen SV1, SV2.
-
Unter Punkt 109 kann weiterhin und/oder alternativ vorgesehen sein:
- - Anfordern einer Inspektion/Werkstattüberprüfung/eines Teiletausches, insbesondere bei signifikanter Undichtheit, bspw. einer Inspektion/ Werkstattüberprüfung/eines Austausches von einzelnen oder allen Absperrvorrichtungen SV1 und/oder SV2.
-
Mithilfe von Schritt 120 können erweiterte und/oder systemübergreifende Vorteile erreicht werden, wie z. B. Erstellung von Kennfeldern zum Betreiben von Absperrvorrichtungen SV1, SV2, Auswertung von Funktionalität/Lebensdauer von Absperrvorrichtungen SV1, SV2, Bereitstellen von Diagnoseergebnissen an weitere Interessenten, bspw. via Cloud/Server, wie z. B: zur Optimierung von weiteren Fahrzeugen oder sogar von Fahrzeug-Flotten, Trigger/Aufforderung für Inspektion/Werkstatt/Teiletausch.
-
Mithilfe von Schritt 109 können wesentliche Vorteile im Hinblick auf Reduktion oder sogar Vermeidung von Degradation/Alterung des Stacks 110, Sicherstellung oder sogar Verbesserung der Funktionalität des Systems 100 bei unterschiedlichen Betriebsstrategien, wie z. B. bei einem Start, insbesondere bei einem Gefrierstart, usw. erreicht werden.
-
Anpassungen von Funktionen/Betriebsstrategien im Stillstand über Wake-up können folgende Maßnahmen vorsehen: Parking-Purge, Inertisierungs-Funktionen, Rezirkulations-Funktionen, usw. Bei signifikanter Undichtheit kann z.B. eine Inertisierungs-Funktion (Verbrauch Sauerstoff) aktiviert werden. Dadurch kann die Degradation des Stacks erheblich vermieden oder sogar vermindert werden (Vermeidung von zu hohen Spannungen, insbesondere von zu hohen Leerlaufspannungen).
-
Anpassungen von Funktionen/Betriebsstrategien bei Start-Vorgängen, insbesondere Gefrierstart, können folgende Maßnahmen vorsehen. Bei undichten Absperrventilen kann der Wassergehalt im Kathodenpfad während der Abstellphase ungewollt erhöht werden (durch Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff aus der Luft). Die Wassermenge im Stack muss insbesondere bei Gefrierstart berücksichtigt werden, um sowohl eine gute Funktionalität des Gefrierstarts sicherzustellen als auch die Degradation und Schädigungen des Stacks zu vermeiden.
-
Anpassungen von Funktionen/Betriebsstrategien bei Stopp-Vorgängen, Trocknungsvorgängen können folgende Maßnahmen vorsehen. Ist bekannt, dass Undichtheiten bei Absperrvorrichtungen vorliegen, dann kann die Betriebsstrategie beim Abstellen adaptiert werden, z.B. etwas mehr Trocknen, um nachfolgend zusätzlich in der Stillstandsphase entstehendes Wasser (s.o.) zu kompensieren und/oder aufnehmen zu können.
-
Bei signifikanter Undichtheit mind. einer der Absperrvorrichtungen kann auch eine Aufforderung für Inspektion/Werkstatt/Austausch ausgelöst werden, um den/die Stacks vor zu hoher Degradation rechtzeitig zu schützen. Der Austausch der Absperrvorrichtungen ist im Verhältnis zu einem Stacktausch vom Aufwand und von den Kosten um Größenordnungen kleiner.
-
Ein korrespondierendes Steuergerät 111, aufweisend eine Recheneinheit und eine Speichereinheit, in welcher ein Code hinterlegt ist, welcher bei zumindest teilweiser Ausführung durch die Recheneinheit ein Verfahren durchführt, welches wie oben beschrieben, ablaufen kann, stellt ebenfalls einen Aspekt der Erfindung dar.
-
Das Steuergerät 111 kann dabei als eine zentrale Steuereinheit eines Fahrzeuges, eine gemeinsame Steuereinheit für mindestens ein oder mehrere Brennstoffzellensysteme 100, als eine lokale Steuereinheit für mindestens ein oder mehrere Subsysteme in einem oder mehreren Brennstoffzellensystemen 100 und/oder als eine verteilte Steuereinheit 111 ausgeführt sein.
-
Vorteilhafterweise kann bei dem Steuergerät 111 vorgesehen sein, dass die Rechenleistung zum Durchführen des Verfahrens zumindest zum Teil an ein externes Steuergerät 112 ausgelagert wird, bspw. zum Auslösen einer Überprüfung der Dichtheit von Absperrvorrichtungen SV1, SV2 mithilfe einer Wake-up-Funktion und/oder zum Aufzeichnen von Spannungstrajektorien UStack(P), Lastprofilen P(t) und/oder Diagnoseergebnissen.
-
Ein korrespondierendes Brennstoffzellensystem 100 mit einem entsprechenden Steuergerät 111 stellt ebenfalls einen Aspekt der Erfindung dar.
-
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.
