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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Prüfen des Zustands einzelner Brennstoffzellen eines Brennstoffzellenstapels sowie ein Prüfstand zum Prüfen eines Brennstoffzellenstapels mit mehreren Brennstoffzellen.
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Stand der Technik
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Nach dem Zusammenbau eines Brennstoffzellenstapels, der beispielsweise mehrere PEM-Brennstoffzellen aufweist, wird oftmals eine Qualitäts- bzw. Sicherheitsprüfung („stack fitness test“) an einem Prüfstand durchgeführt. Bei dieser Prüfung ist eine Aufgabe, Brennstoffzellen mit zu hohem Gas-Crossover zu identifizieren, die etwa aufgrund von Nadellöchern („pin-holes“) entstehen. Hierbei wird oftmals ein sogenannter Bleed-Down-Test durchgeführt, bei dem der Brennstoffzellenstapel über ein Zeitintervall, welches beispielsweise 20 s betragen kann, anodenseitig mit einem verdünnten Wasserstoffpuls versorgt wird. Anschließend wird das Abklingverhalten der einzelnen Zellspannungen des Brennstoffzellenstapels beobachtet. Fällt eine Zellspannung im Vergleich zu den anderen Zellspannungen rasch ab, deutet dies auf einen ungewöhnlich hohen Wasserstoffdurchgang („hydrogen crossover“). Bei diesem passiert Wasserstoff direkt eine Elektrolytmembran passiert, ohne zur Erzeugung elektrischer Energie genutzt zu werden und reagiert mit dem Sauerstoff an der Kathode. Dieses Prüfverfahren kann zwar eine grundsätzliche Aussage über eine derartigen Wasserstoffdurchgang machen, eine genaue und rasche Auflösung einer möglichen Fehlerquelle ist jedoch nicht möglich.
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Offenbarung der Erfindung
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Verfahren zum Prüfen des Zustands einzelner Brennstoffzellen eines Brennstoffzellenstapels vorzuschlagen, mit dem eine rasche und gute Auflösung eines möglichen Fehlers, beispielsweise eines Nadellochs, möglich ist.
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Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen sind den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung zu entnehmen.
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Es wird ein Verfahren zum Prüfen des Zustands einzelner Brennstoffzellen eines Brennstoffzellenstapels vorgeschlagen, aufweisend die Schritte des Versorgens von Anoden der Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels mit einem zumindest weitgehend konstanten Wasserstoffmassenstrom in einer ersten Wasserstoffflussrichtung in einem ersten Zeitintervall, des Versorgens von Kathoden der Brennstoffzellen mit einem zumindest weitgehend konstanten Oxidantmassenstrom in einer ersten Oxidantflussrichtung in dem ersten Zeitintervall, des kontinuierlichen Erfassens der einzelnen Zellspannungen, während des Erfassens der Zellspannungen des Erhöhens eines Differenzdrucks zwischen den Anoden und den Kathoden durch Erhöhen des Wasserstoffdrucks an den Anoden in einem zweiten Zeitintervall, während des Erfassens der Zellspannungen des Analysierens, ob einzelne erfasste Zellspannungen innerhalb des zweiten Zeitintervalls gegenüber dem ersten Zeitintervall steigen oder sinken, und des Ausgebens eines Signals und/oder Ablegen einer Information über jede Brennstoffzelle, deren Zellspannung in dem zweiten Zeitintervall sinkt.
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Das erfindungsgemäße Verfahren beginnt folglich mit dem Versorgen von Anoden aller Brennstoffzellen derart, dass ein definiertes und zumindest weitgehend konstantes Zellspannungsniveau erzeugt wird. Das Zeitintervall kann kürzer sein, als bei einem üblichen Testverfahren und beispielsweise wenige Sekunden betragen. Weitere Ausführungen finden sich weiter nachfolgend.
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Die erste Wasserstoffmassenstromrichtung ist dahingehend zu verstehen, dass der Wasserstoffmassenstrom in einen ersten Anoden-Anschluss eingeleitet wird und aus einem zweiten Anodenanschluss ausströmt, wobei dabei der Wasserstoff den einzelnen Brennstoffzellen zugeführt wird. Ebenso kann analog dazu der Oxidantmassenstrom in einer ersten Oxidantmassenstromrichtung eingeleitet werden. Hierbei sei angemerkt, dass der Oxidant sowohl Sauerstoff als auch Luft oder ein anderes, Sauerstoff aufweisendes Gasgemisch sein kann.
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Während des konstanten Versorgens der einzelnen Brennstoffzellen werden kontinuierlich die einzelnen Zellspannungen erfasst. Es ist davon auszugehen, dass die einzelnen Zellspannungen im Wesentlichen einander entsprechen, wobei sich jedoch zustands- oder bauartbedingt leicht unterschiedliche Zellspannungen ergeben können.
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Ohne Unterbrechung des Erfassens der einzelnen Zellspannungen, d.h. während des Erfassens, wird unmittelbar nach dem ersten Zeitintervall während eines zweiten Zeitintervalls der Differenzdruck zwischen den Anoden und den Kathoden durch Erhöhen des Wasserstoffdrucks an den Anoden erhöht. Ein beispielsweise durch ein Nadelloch verursachter Wasserstoffdurchgang wird verstärkt, wenn der Druck an der Anode erhöht wird, denn ein größerer Anteil des Wasserstoffs wird über das betreffende Nadelloch durch die Elektrolytmembran gedrängt und passiert diese, ohne elektrische Energie zu erzeugen. Durch die Erhöhung des Drucks an der Anode wird folglich die Wasserstoffdurchgangsrate der betreffenden Brennstoffzelle verstärkt, was sich auf die jeweilige Zellspannung auswirkt.
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Es ist davon auszugehen, dass eine ordnungsgemäß funktionierende Brennstoffzelle auf die Druckerhöhung mit einer Spannungserhöhung aufgrund des höheren Partialdrucks reagiert. Eine Brennstoffzelle mit Nadelloch oder dergleichen wird jedoch eine sinkende Zellspannung zeigen, da dort der Wasserstoffdurchgang am höchsten ist. Je stärker eine betreffende Zellspannung sinkt, desto größer kann ein entsprechender Defekt sein.
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Das Verhalten der einzelnen Brennstoffzellen kann durch Auswerten der erfassten Zellspannungen analysiert werden und es kann ein Signal ausgegeben werden, wenn eine der Brennstoffzellen ein solches unerwünschtes Verhalten aufweist. Dies ist dann ein Indiz für ein Nadelloch oder ähnliches.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform weist das Verfahren ferner die Schritte des Versorgens von Anoden der Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels mit einem zumindest weitgehend konstanten Wasserstoffmassenstrom in einer zweiten Wasserstoffflussrichtung in einem dritten Zeitintervall, des Versorgens von Kathoden der Brennstoffzellen mit einem zumindest weitgehend konstanten Oxidantmassenstrom in einer ersten Oxidantflussrichtung in dem dritten Zeitintervall, des kontinuierlichen Erfassens der einzelnen Zellspannungen, während des Erfassens der Zellspannungen des Erhöhens eines Differenzdrucks zwischen den Anoden und den Kathoden durch Erhöhen des Wasserstoffdrucks an den Anoden in einem vierten Zeitintervall, des Analysierens, ob einzelne erfasste Zellspannungen innerhalb des vierten Zeitintervalls gegenüber dem dritten Zeitintervall steigen oder sinken, und des Ausgebens eines Signals und/oder Ablegen einer Information über jede Brennstoffzelle, deren Zellspannung in dem vierten Zeitintervall sinkt. Der Wasserstoffdurchgang in einer Brennstoffzelle hängt auch von der Lage des betreffenden Nadellochs oder ähnlichem in der Brennstoffzelle ab. Befinden sich etwa Löcher nahe eines Kathodenausgangs, so lassen sie sich vergleichsweise schwer erkennen, denn übertretender Wasserstoff wird praktisch gleich aus der Brennstoffzelle herausgespült und der Einfluss auf die Zellspannung ist vergleichsweise gering. Befinden sich hingegen Löcher an einem Kathodeneingang, so ist der Einfluss auf die Zellspannung bei sonst gleichen Bedingungen vergleichsweise stark. Aus diesem Grunde ist es sinnvoll, zwei umgedrehte Gasflussrichtungen vorzusehen und bei beiden Gasflussrichtungen eine Untersuchung der Spannungen vorzunehmen, um Löcher nahe eines Kathodeneingangs abhängig von der Gasflussrichtung zu erkennen. Damit können auch randlagige Löcher in der Brennstoffzelle erkannt werden.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform wird der Wasserstoffdruck in dem zweiten oder vierten Zeitintervall derart erhöht, dass ein maximal zulässiger Differenzdruck zwischen den Anoden und Kathoden erreicht wird. Der maximal zulässige Differenzdruck könnte in einem Bereich von 300 bis 600 mbar liegen, in einer bevorzugten Ausführungsform zwischen 400 und 500 mbar und besonders bevorzugt bei etwa 450 mbar. Dies ist jedoch stets abhängig von der Bauart der Brennstoffzellen, des verwendeten Elektrolyts und anderer Randbedingungen. Hierdurch kann der Wasserstoffdurchgang während des Verfahrens auf ein höchstmögliches Niveau gesteigert werden, um eine bestmögliche Erkennung von Löchern zu erreichen. Die Begrenzung auf einen maximal zulässigen Druck schützt indes die Membran vor einer Beschädigung.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform weist das Verfahren ferner den Schritt des Ermittelns einer jeweiligen Stärke eines Wasserstoffdurchgangs basierend auf einem Betrag auf, um den die erfassten Zellspannungen sinken. Es ist anzunehmen, dass die Zellspannungen mit größerem Wasserstoffdurchgang stärker sinken. Wird beim Abfall der Zellspannungen der Betrag ermittelt, um den die einzelnen Zellspannungen sinken, kann folglich geschätzt werden, wie groß die Stärke des Wasserstoffdurchgangs und damit die Fläche der vorliegenden Löcher sind. Dies kann auch, wie vorangehend dargelegt, in zwei unterschiedlichen Massenstromrichtungen erfolgen, um eine Aussage zu randnahen Bereichen zu erlangen.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform weist das Verfahren ferner den Schritt des Ermittelns eines Orts eines Wasserstoffdurchgangs basierend zumindest auf einem betragsmäßigen Unterschied der jeweiligen erfassten Zellspannungen zwischen dem zweiten und dem vierten Zeitintervall. Wie vorangehend dargelegt der Wasserstoffdurchgang in einem randnahen Bereich ermittelt werden, wenn zwei Massenstoffstromrichtungen nacheinander vorgesehen werden, um dabei jeweils die Entwicklung der Zellspannungen zu beobachten. Ist bei der ersten oder der zweiten Wasserstoffstromrichtung ein stärkeres Absinken einer Zellspannung zu beobachten, ist davon auszugehen, dass ein entsprechendes Loch, das für zumindest einen Teil des Absinkens verantwortlich ist, dort angeordnet ist, wo der Wasserstoffstrom in die betreffende Anode einströmt. Durch einen Vergleich der Beträge des Absinkens, d.h. einen betragsmäßigen Unterschied, kann ermittelt werden, ob sich das betreffende Loch näher an dem einen oder dem anderen Rand der Membran befindet.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform umfasst das kontinuierliche Erfassen der einzelnen Zellspannungen das Kontaktieren von zwei einander entgegengesetzten Seiten der Anoden in zwei nacheinander folgenden Durchgängen des Verfahrens umfasst. Die Position eines Spannungssensors kann die Erkennung der Nadellöcher ebenso beeinflussen. Daher ist es sinnvoll, das Verfahren bei einer gleichzeitigen Vermessung der einzelnen Zellspannungen auf beiden Seiten des Brennstoffzellenstapels durchzuführen, d.h. sowohl an einem Anodeneingang als auch an einem Anodenausgang. Damit wird die zuverlässige Erfassung von Wasserstoffdurchgängen weiter verbessert.
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Analog dazu betrifft die Erfindung einen Prüfstand zum Prüfen eines Brennstoffzellenstapels mit mehreren Brennstoffzellen, aufweisend eine Wasserstoffquelle, eine Oxidantquelle, eine Erfassungseinrichtung zum Erfassen von Zellspannungen der Brennstoffzellen und eine Steuereinheit, wobei die Steuereinheit mit der Wasserstoffquelle, der Oxidantquelle und der Erfassungseinrichtung gekoppelt ist und dazu ausgebildet ist, den Brennstoffzellenstapel durch Versorgen von Anoden der Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels mit einem zumindest weitgehend konstanten Wasserstoffmassenstrom in einer ersten Wasserstoffflussrichtung und durch Versorgen von Kathoden der Brennstoffzellen mit einem zumindest weitgehend konstanten Oxidantmassenstrom in einer ersten Oxidantflussrichtung in einem ersten Zeitintervall zu betreiben, kontinuierlich einzelne Zellspannungen mittels der Erfassungseinrichtung zu erfassen, während des Erfassens der Zellspannungen einen Differenzdruck zwischen den Anoden und den Kathoden durch Erhöhen des Wasserstoffdrucks an den Anoden in einem zweiten Zeitintervall durch Ansteuern der Wasserstoffquelle zu erhöhen, während des Erfassens der Zellspannungen zu analysieren, ob einzelne erfasste Zellspannungen innerhalb des zweiten Zeitintervalls gegenüber dem ersten Zeitintervall steigen oder sinken, und ein Signal auszugeben und/oder eine Information über jede Brennstoffzelle abzulegen, deren Zellspannung in dem zweiten Zeitintervall sinkt.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Steuereinheit dazu ausgebildet, den Brennstoffzellenstapel durch Versorgen von Anoden der Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels mit einem zumindest weitgehend konstanten Wasserstoffmassenstrom in einer zweiten Wasserstoffflussrichtung und durch Versorgen von Kathoden der Brennstoffzellen mit einem zumindest weitgehend konstanten Oxidantmassenstrom in einer zweiten Oxidantflussrichtung in einem dritten Zeitintervall zu betreiben, kontinuierlich einzelne Zellspannungen mittels der Erfassungseinrichtung zu erfassen, während des Erfassens der Zellspannungen einen Differenzdruck zwischen den Anoden und den Kathoden durch Erhöhen des Wasserstoffdrucks an den Anoden in einem vierten Zeitintervall durch Ansteuern der Wasserstoffquelle zu erhöhen, während des Erfassens der Zellspannungen zu analysieren, ob einzelne erfasste Zellspannungen innerhalb des vierten Zeitintervalls gegenüber dem dritten Zeitintervall steigen oder sinken, und ein Signal auszugeben und/oder eine Information über jede Brennstoffzelle abzulegen, deren Zellspannung in dem vierten Zeitintervall sinkt.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Steuereinheit dazu ausgebildet, eine jeweilige Stärke eines Wasserstoffdurchgangs basierend auf einem Betrag, um den die erfassten Zellspannungen sinken, zu ermitteln.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Steuereinheit dazu ausgebildet, einen Orts eines Wasserstoffdurchgangs basierend zumindest auf einem betragsmäßigen Unterschied der jeweiligen erfassten Zellspannungen zwischen dem zweiten und dem vierten Zeitintervall zu ermitteln.
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Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Figuren näher dargestellt.
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Ausführungsbeispiele
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Es zeigt:
- 1 eine schematische Darstellung eines Verfahrens,
- 2 eine schematische Darstellung möglicher Zellspannungen,
- 3 eine schematische Darstellung eines Prüfstands.
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1 zeigt ein Verfahren 2 zum Prüfen des Zustands einzelner Brennstoffzellen eines Brennstoffzellenstapels, aufweisend die Schritte des Versorgens 4 von Anoden der Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels mit einem zumindest weitgehend konstanten Wasserstoffmassenstrom in einer ersten Wasserstoffflussrichtung in einem ersten Zeitintervall, des Versorgens 6 von Kathoden der Brennstoffzellen mit einem zumindest weitgehend konstanten Oxidantmassenstrom in einer ersten Oxidantflussrichtung in dem ersten Zeitintervall, des kontinuierlichen Erfassens 8 der einzelnen Zellspannungen, während des Erfassens 8 der Zellspannungen Erhöhen 10 eines Differenzdrucks zwischen den Anoden und den Kathoden durch Erhöhen 12 des Wasserstoffdrucks an den Anoden in einem zweiten Zeitintervall, während des Erfassens 8 der Zellspannungen Analysieren 14, ob einzelne erfasste Zellspannungen innerhalb des zweiten Zeitintervalls gegenüber dem ersten Zeitintervall steigen oder sinken, und Ausgeben 16 eines Signals und/oder Ablegen 18 einer Information über jede Brennstoffzelle, deren Zellspannung in dem zweiten Zeitintervall sinkt. Die Schritte 4 und 6 werden gleichzeitig ausgeführt und der Schritt 8 wird im Wesentlichen während des gesamten Verfahrens 2 ausgeführt.
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Anschließend kann das Verfahren 2 erneut durchgeführt werden, wobei die Massenstromrichtungen umgekehrt werden 20. Das Versorgen 4 und 6 erfolgt in einem dritten Zeitintervall, wobei in einem vierten Zeitintervall der Differenzdruck erhöht wird 10.
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Optional kann in dem Verfahren 2 eine jeweilige Stärke eines Wasserstoffdurchgangs basierend auf einem Betrag ermittelt werden 22, um den die erfassten Zellspannungen sinken. Zudem kann in dem Verfahren optional ein Orts eines Wasserstoffdurchgangs basierend zumindest auf einem betragsmäßigen Unterschied der jeweiligen erfassten Zellspannungen zwischen dem zweiten und dem vierten Zeitintervall ermittelt werden 24. Das kontinuierliche Erfassen 8 der einzelnen Zellspannungen kann optional das Kontaktieren von zwei einander entgegengesetzten Seiten der Anoden in zwei nacheinander folgenden Durchgängen des Verfahrens umfassen. Dabei kann das Verfahren 2 erneut durchlaufen werden, mit einer gewünschten oder beiden Massenstromrichtungen.
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Beispielhaft können einzelne Zellspannungen 25a bis 25i einen Verlauf aufweisen, der in 2 gezeigt ist. Hier ist ein erstes Zeitintervall 26 bzw. ein drittes Zeitintervall 28 zu sehen, in dem die Brennstoffzellen mit konstanten Wasserstoff- und Oxidantmassenstoffströmen versorgt werden. Anschließend erfolgt eine Druckerhöhung an den Anoden, sodass sich hieraus Unterschiede in einzelnen Zellspannungen 25a-25i ergeben. Die Zellenspannungen 25a bis 25d steigen leicht an oder bleiben etwa konstant. Dies spricht dafür, dass die zugehörigen Brennstoffzellen eine intakte Membran aufweisen. Die Zellspannungen 25f bis 25i fallen ab, was für Defekte in der jeweiligen Membran spricht. Je stärker der Abfall ist, desto größer könnten Löcher in der Membran sein, die zu einem Wasserstoffdurchgang von der Anode zu der Kathode führen.
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3 zeigt eine schematische Darstellung eines Prüfstands 30 für einen Brennstoffzellenstapel 32 mit mehreren Brennstoffzellen 34. Eine Wasserstoffquelle 36 und eine Oxidantquelle 38 versorgen die Brennstoffzellen 34 mit Wasserstoff bzw. Oxidant in einer ersten Massenstromrichtung (36a bzw. 38a) oder einer zweiten Massenstromrichtung (38a bzw. 38b). Eine Erfassungseinrichtung 48 steht mit ersten Anodenanschlüssen 44 und zweiten Anodenanschlüssen 46 in Verbindung, um selektiv eine Spannung an den ersten oder den zweiten Anodenanschlüssen 44, 46 zu erfassen. Der Prüfstand 30 kann durch Ansteuerung der Wasserstoffzufuhr 36, der Oxidantzufuhr 38 und der Erfassungseinrichtung 48 mittels der Steuereinheit 42 das vorangehend geschilderte Verfahren 2 ausführen.
